1、张伟的毕业论文牛蒡中膳食纤维的提取与含量测定科研成果论文牛蒡中膳食纤维的提取与含量测定 化学部：张 伟摘要： 牛蒡中含有极其丰富的营养成分，本实验对牛蒡中膳食纤维的提取与含量测定进行了大量研究，实验用牛蒡作为原料，以“溶剂法”为基础，提取膳食纤维，改进提取工艺，测定牛蒡中膳食纤维的总含量，为牛蒡膳食纤维功能食品的开发提供了可参考的理论数据。正交试验结果表明，提取新鲜牛蒡中水溶性膳食纤维的最佳条件为：加热温度80，时间2h，pH=5，V(原料)：V（水）为1：20，产率2.37%，成品颜色为黄色；提取水不溶性膳食纤维的最佳条件为：温度90，pH= 7，时间3h，V(原料)：V（水）为1：20，产
2、率9.14%，成品颜色为黄褐色；水不溶性膳食纤维浸碱液中含有大量的半纤维素，为了准确测定牛蒡中膳食纤维的总含量，本试验对其进行了提取，最佳条件为：温度80，pH= 5，时间2h，V(原料)：V（水）为1：20，产率1.56%，成品颜色为黄褐色。综合最后测定结果，牛蒡中膳食纤维的总含量为13.07%。关键词：牛蒡；膳食纤维；提取工艺；含量测定1 前言牛蒡，菊科，二年生草本耐盐植物，又名黑萝卜、蒡翁菜、白肌人参等。肉质肥大，根作蔬菜食用，它的干燥成熟果实称牛蒡子，为常用中药。牛蒡主产山东、江苏、河南等省，生物量可达75t/km2，多用作蔬菜对日本出口，日本人称之为东洋参1。牛蒡中含有极丰富的膳食纤
3、维、胡萝卜素、钙及菊糖等营养成分，因而具有降低血糖、降压、消除便秘、预防直肠癌和增强免疫功能等作用2。膳食纤维是指能抗人体小肠消化吸收，而在大肠能部分或全部发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相类似物质的总和3。膳食纤维具有较强的吸水功能和预防肠道疾病的作用，大大减少肠道癌和痤疮的发病几率4。实验证实，膳食纤维能显著抑制总胆固醇浓度、降低胆酸及其盐类的合成与吸收，从而阻碍中性脂肪和胆固醇的再吸收，限制了胆酸的肝肠循环，加快了脂肪物的排泄，可直接遏制冠状动脉硬化、胆结石、高血脂症、高血压，对预防心脑血管疾病有重要作用5。西方发达国家早在七十年代就着手对膳食纤维的研究与开发，并形成了一定的产业
4、规模。20世纪90年代初期，全美以及整个欧共体掀起了一股研制和开发膳食纤维食品的热潮，在年销售60亿美元的方便谷物食品中，约20%是富含膳食纤维的食品。欧美及日本盛行强化膳食纤维功能食品，日本八十年代后期利用可溶性膳食纤维制成的饮料，包括酸饮料、果汁等6。富含膳食纤维的品种达30多种，实际应用于生产的已有10余种7。目前，膳食纤维的测定方法、营养和保健功能及功能产品的开发仍然是国际上关注的热点领域，而且这种关注随着现代社会“富贵病”、“文明病”的流行不断得到加强8。过去的25年中建立了许多膳食纤维的分析方法，这些方法的主要目的是模拟消化过程，用酶除去食物中的可溶性部分，即获得不被消化部分。这些
5、测定方法可以概括为：溶剂法、酶法和其它补充方法三大类9。溶剂法是根据初期膳食纤维的定义出现的测定方法，是利用酸、碱和洗涤剂的作用将膳食纤维可消化的部分除去，从而获得不溶性膳食纤维1012。酶法能同时分析出样品中的可溶性和不可溶性膳食纤维的含量，且分析设备少，但是过程复杂；后又被Lee和Prosky等改良成为操作比较简单的方法，并被推荐为美国官方分析化学师协会（AOAC）与美国谷物化学家协会（AACC）共同的分析测定方法1316。其它补充分析方法是利用标准测定方法测定的同时结合补充方法加以测定，如辅以高压气相色谱测定等。可见，在测定膳食纤维时除了标准方法外还应根据植物的不同种类辅以其它方法。我国
6、膳食纤维的制取技术和应用技术尚处于起步阶段，目前主要侧重于其生理效应的研究、资源分布和农副产品综合利用研究、工业制取方法研究、改性研究和食品加工的应用研究等方面。研究资源也主要集中在玉米麸皮纤维、小麦麸皮纤维、大豆纤维及甜菜纤维等品种。纵观国内外大量研究结果，我们认为开发膳食纤维的关键是开拓资源和改进提取方法，这也是现阶段我国面临的资源可持续利用问题。由于牛蒡中含有大量的膳食纤维，根据目前的研究与现状，为进一步加强对牛蒡的综合利用与深层次研发，也为牛蒡其它产品的开发解决下脚料处理问题提供参考（也可用牛蒡渣为原料提取膳食纤维），我们在实验中采用牛蒡作为原料，提取并测定其中膳食纤维的总含量。本实验
7、采用了“溶剂法”和“酶法”的综合运用，并对其中的实验环节及步骤进行了优化和改进，这样不仅测定了牛蒡中的水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维，而且对不被科研工作者重视的半纤维素进行了提取与测定，文献中未见对牛蒡中膳食纤维的提取与测定进行过报道。在优化的实验条件下提取与测定出了牛蒡中膳食纤维的总含量，为牛蒡中膳食纤维功能食品的研究提供了可供参考的理论数据，同时也开拓了膳食纤维的资源。2 实验部分2.1 材料与方法2.1.1 试验原料 牛蒡 福建宁德产2.1.2 试剂中性蛋白酶 分析纯 北京奥博星生物技术有限公司95%无水乙醇 分析纯 天津北方天医化学试剂厂氢氧化钠 分析纯 沈阳化学试剂厂次氯酸 分析纯
8、 哈尔滨化学试剂厂醋酸 分析纯 哈尔滨化学试剂厂乙醚 分析纯 沈阳化学试剂厂水 一次蒸馏水2.1.3 主要仪器 电热恒温水浴锅 HS11.2B,上海医疗器械五厂循环水多用蒸空泵 SHB-B,郑州杜甫仪器厂电热真空干燥箱 山东鄄城福利科研仪器厂离心机 LD4-2,北京医用离心机厂分析天平 TG328A,湘仪天平仪器厂粉碎机 双环牌，青岛大华机器有限公司酸度计 上海精密仪器厂2.2 工艺流程 滤液 醇析 洗涤 干燥 粉碎 水溶性膳食纤维牛蒡 预处理 水煮 蛋白酶水解 灭酶 过滤 滤渣 脱脂 滤渣 洗涤 干燥 粉碎 水不溶性膳食纤维滤渣 洗涤 干醇洗 碱浸提 过滤 燥 半纤维A 滤液 酸浸提 过滤
9、滤液 醇析 过滤 滤渣 洗涤 干燥 半纤维B2.3 实验步骤2.3.1 提取工艺方案的确定经过对膳食纤维提取率各因素的初步分析，参照其它膳食纤维的提取，找出4个主要影响因素，即提取温度T()、pH值、提取时间t(h)、及加水比。因此确定用正交试验的方法，最佳方案如表1所示。 表-1试验方案试 验 因 素 位 级编 号 A温度/ B pH值 C 时间/h D 加水比 组 合 1 1 1 1 1 A1B1C1D1 2 1 2 2 2 A1B2C2D2 3 1 3 3 3 A1B3C3D3 4 2 1 2 3 A2B1C2D3 5 2 2 3 1 A2B2C3D1 6 2 3 1 2 A2B3C1D
10、2 7 3 1 3 2 A3B1C3D2 8 3 2 1 3 A3B2C1D3 9 3 3 2 1 A3B3C2D12.3.2 预处理牛蒡去皮，水洗，切片，迅速放入水中以防止变色，粉碎，按方案要求加入蒸馏水并在规定的时间及酸度下水煮。2.3.3 水煮 取一定量的处理后牛蒡，按照表1设计的方案，平行三组，每组三份按照表2条件进行水煮，以利于水溶性膳食纤维的溶出。表-2 水煮条件 试验编号 m(g) T() pH t(h) 加水量（ml） 1 30.26 70 7 2 300 2 30.35 70 5 3 450 3 20.47 70 3 4 400 4 20.09 80 7 3 400 5 30
11、.16 80 5 4 300 6 30.21 80 3 2 450 7 30.36 90 7 4 450 8 20.06 90 5 2 400 9 30.14 90 3 3 3002.3.4 蛋白酶水解水煮后将温度降至40，这一温度下蛋白酶的活性最强，调pH为7-8，按照8%加入中性蛋白酶，恒温作用2h，使牛蒡中的蛋白质水解成为可溶性物质，然后升温灭酶。2.3.5 过滤蛋白质酶解后，采用240号尼龙滤布过滤，滤渣、滤液分别用于提取水不溶性膳食纤维和水溶性膳食纤维。2.3.6 脱脂2.3.5中的滤渣以4倍体积的无水乙醚浸泡24h，然后分别以水、80%的乙醇洗涤除醚，重复3次。2.3.7 提取水不
12、溶性膳食纤维2.3.6处理后的滤渣浸碱以溶解半纤维素，浸碱采用10%的NaOH，以淹没为准，浸泡20h，经常搅拌，然后过滤，并用10%的NaOH洗涤滤布和滤渣几次，合并滤液，用以提取半纤维素，滤渣洗至中性，烘干，为水不可溶性膳食纤维。2.3.8 提取半纤维素2.3.7中滤液用50%的HAc溶液调pH为5.0（若用强酸会将半纤维素水解，影响产量），静置，离心，沉淀取出烘干为半纤维素A,滤液用4倍体积的95%无水乙醇醇析，离心，烘干，为半纤维素B，回收乙醇。2.3.9 提取水溶性膳食纤维2.3.5的滤液用4倍体积的95%的无水乙醇醇析，抽滤，沉淀用无水乙醇反复洗涤，滤渣为水溶性膳食纤维，于40真空
13、度为0.085MPa下干燥，回收乙醇。3 结果与讨论3.1 水溶性膳食纤维的提取工艺确定实验中用不同质量的新鲜牛蒡提取水溶性膳食纤维，产量如表3所示。表-3 水溶性膳食纤维的产量试验编号 牛蒡质量(g) 产量(g) 1 30.26 0.504 2 30.35 0.309 3 20.47 0.394 4 20.09 0.348 5 30.16 0.651 6 30.21 0.462 7 30.36 0.348 8 20.06 0.430 9 30.14 0.423水溶性膳食纤维对热较敏感，温度、时间、酸度、加水比是影响水溶性膳食纤维得率的因素，试验中以得率为目标，选择提取温度（A）、pH值（B）
14、、提取时间（C）、加水比（D）4个因素，每个因素3个水平，采用L9(34)表，考察结果对产率的影响，结果如表4所示。表-4 L9 (34) 水溶性膳食纤维正交试验结果表试验 因 素 得 率 A B C D编号 温度/ pH 时间/h 加水比 /% 1 1 （70） 1 （7） 1 （2） 1 （1：10） 1.68 2 1 （70） 2 （5） 2 （3） 2 （1：15） 1.03 3 1 （70） 3 （3） 3 （4） 3 （1：20） 1.97 4 2 （80） 1 （7） 2 （3） 3 （1：20） 1.74 5 2 （80） 2 （5） 3 （4） 1 （1：10） 2.17 6
15、 2 （80） 3 （3） 1 （2） 2 （1：15） 1.54 7 3 （90） 1 （7） 3 （4） 2 （1：15） 1.168 3 （90） 2 （5） 1 （2） 3 （1：20） 2.15 9 3 （90） 3 （3） 2 （3） 1 （1：10） 1.41 K1 1.56 1.53 1.79 1.75 K2 1.82 1.78 1.39 1.24 K3 1.57 1.64 1.77 1.95 R 0.26 0.25 0.40 0.71由表4可知，利用牛蒡提取水溶性膳食纤维条件为温度80，PH为5，时间2h，V（原料）：V（水）=1：20时产率最高，后经试验验证为2.37%。根
16、据极差R的大小判断各因素对得率影响的主次关系为DCAB。即加水比时间温度pH。验证试验表明其重复性较好，成品呈黄色，成本较低。3.2 水不溶性膳食纤维的提取工艺确定 实验中用不同质量的新鲜牛蒡提取水不溶性膳食纤维，产量如表5所示。表-5 水不溶性膳食纤维的产量试验编号 牛蒡质量(g) 产量(g) 1 30.26 2.187 2 30.35 2.232 3 20.47 1.398 4 20.09 1.800 5 30.16 1.497 6 30.21 2.115 7 30.36 2.667 8 20.06 1.550 9 30.14 1.884对水不溶性膳食纤维的提取结果分析仍然采用正交试验表格
17、讨论，如表6所示。采用最佳提取方案，即：温度90，pH= 7，时间3h,V(原料)：V（水）为1：20，产率为9.14%，成品颜色为黄褐色。有关资料表明，如果用质量分数为6%的H2O2作为脱色计，成品为白色。表-6 L9 (34) 水不溶性膳食纤维正交试验结果表试验 因 素 得 率 A B C D编号 温度/ pH 时间/h 加水比 /% 1 1 （70） 1 （7） 1 （2） 1 （1：10） 7.29 2 1 （70） 2 （5） 2 （3） 2 （1：15） 7.44 3 1 （70） 3 （3） 3 （4） 3 （1：20） 6.99 4 2 （80） 1 （7） 2 （3） 3 （
18、1：20） 9.00 5 2 （80） 2 （5） 3 （4） 1 （1：10） 4.99 6 2 （80） 3 （3） 1 （2） 2 （1：15） 7.05 7 3 （90） 1 （7） 3 （4） 2 （1：15） 8.898 3 （90） 2 （5） 1 （2） 3 （1：20） 7.75 9 3 （90） 3 （3） 2 （3） 1 （1：10） 6.28 K1 7.24 8.39 7.36 6.19 K2 7.01 6.73 7.57 7.79 K3 7.64 6.77 6.96 7.91 R 0.63 1.66 0.61 1.723.3 半纤维素的提取工艺确定 如前言所述，对膳食
19、纤维的提取每种方法都会使膳食纤维损失，本试验考虑到各种方法的弊端，采用了“溶剂法”和“酶法”的综合运用，产量十分可观，如表7所示。表-7 半纤维素的产量试验编号 牛蒡质量(g) 产量(g) 1 30.26 0.243 2 30.35 0.345 3 20.47 0.208 4 20.09 0.228 5 30.16 0.357 6 30.21 0.411 7 30.36 0.186 8 20.06 0.266 9 30.14 0.270通过正交试验表明，如表8，提取半纤维素的最佳工艺为：温度80，pH= 5，时间2h,V(原料)：V（水）为1：20，产率为1.56%，成品颜色为黄褐色。表-8
20、L9 (34)半纤维素正交试验结果表试验 因 素 得 率 A B C D编号 温度/ pH 时间/h 加水比 /% 1 1 （70） 1 （7） 1 （2） 1 （1：10） 0.81 2 1 （70） 2 （5） 2 （3） 2 （1：15） 1.15 3 1 （70） 3 （3） 3 （4） 3 （1：20） 1.04 4 2 （80） 1 （7） 2 （3） 3 （1：20） 1.14 5 2 （80） 2 （5） 3 （4） 1 （1：10） 1.19 6 2 （80） 3 （3） 1 （2） 2 （1：15） 1.37 7 3 （90） 1 （7） 3 （4） 2 （1：15） 0.
21、628 3 （90） 2 （5） 1 （2） 3 （1：20） 1.33 9 3 （90） 3 （3） 2 （3） 1 （1：10） 0.90 K1 1.00 0.86 1.17 0.97 K2 1.23 1.22 1.06 1.05 K3 0.95 1.10 0.95 1.17 R 0.28 0.36 0.22 0.203.4 醇析采用乙醇沉析法，为减少乙醇的消耗量，提高效率，应浓缩到原体积的三分之一再沉析。4 结论（1）本实验研究讨论了以牛蒡为原料，提取其中的膳食纤维，对以牛蒡为原料进行膳食纤维的开发提供了参考方法，为膳食纤维的开发增添了一种新的原料，拓宽了膳食纤维的原料来源，同时也为牛蒡
22、的综合加工利用提供了参考价值，并且给予了理论支持。 （2）最终实验结果表明：牛蒡中含有极其丰富的膳食纤维，水溶性膳食纤维产率为2.37%，提取条件为：温度80，pH=5，时间2h,V(原料)：V（水）为1：20；水不溶性膳食纤维产率为9.14%，提取条件为：温度90，pH= 7，时间3h,V(原料)：V（水）为1：20；半纤维素产率为1.56%，提取条件为：温度80，pH= 5，时间2h,V(原料)：V（水）为1：20；最后结果，牛蒡中膳食纤维的总含量为13.07%。 （3）半纤维素是在提取过程中容易被忽视的，本实验采用这种方法除了提取了水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维，创新之处在于对半纤维素
23、的提取，这样就给出了牛蒡中膳食纤维的总含量的可供参参考文献1 国家中医药管理局中华本草编委会，中华本草M，上海科学技术出版社1999.2 李家实 中药鉴定学M, 上海科学技术出版社 1996.5；453-4543 北京市粮食科学研究所 食品科技 1997.64 张俊黎 段钢山 高脂血症与膳食营养J 山东食品科技 2001.85 柴巍中 膳食纤维的分析方法J 中国食物与营养 2003.8 37-386 WHO studg Growp Diet ,nutrition and the preparation or chronie disease ,Gereva,WHO,19917 李建文 膳食纤维的
24、定义及分析方法研究进展J 食品科学 2007.28 李琳 豆渣膳食纤维的脱色工艺研究J 食品科技与开发 2007.019 柴巍中 膳食纤维的分析方法及在我国的应用D 北京大学公共卫生学院 200310 马宇翔 中性蛋白酶水解大豆分离蛋白的研究J 粮油加工 2006.8 50-5411 张连富 李红 食品工业 2000.3 3-412 张桂 麦麸膳食纤维的研制J 农产品加工-学刊 2005.0113 朱新贵 从玫瑰茄废弃细胞中提取食用纤维的研究J Food science 1998 22014 曾少葵 吴文龙 食品科技 2002.3 64-6515 王遂 李洁 可溶性膳食纤维的提取工艺研究J 食品科技 1999.7 1-316 李漾 朱永义 粮食与饲料工业 2001.12 40-41
