张伟的毕业论文牛蒡中膳食纤维的提取与含量测定.docx
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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[10~12]。
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[13~16]。
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
滤液醇析
过滤滤渣洗涤干燥半纤维B
2.3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/℃BpH值C时间/hD加水比组合
11111A1B1C1D1
21222A1B2C2D2
31333A1B3C3D3
42123A2B1C2D3
52231A2B2C3D1
62312A2B3C1D2
73132A3B1C3D2
83213A3B2C1D3
93321A3B3C2D1
2.3.2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（℃）pHt（h）加水量（ml）
130.267072300
230.357053450
320.477034400
420.098073400
530.168054300
630.218032450
730.369074450
820.069052400
930.149033300
2.3.4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）
130.260.504
230.350.309
320.470.394
420.090.348
530.160.651
630.210.462
730.360.348
820.060.430
930.140.423
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）、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-4L9（34）水溶性膳食纤维正交试验结果表
试验因素得率
ABCD
编号温度/℃pH时间/h加水比/%
11（70）1（7）1
（2）1（1：
10）1.68
21（70）2（5）2（3）2（1：
15）1.03
31（70）3（3）3（4）3（1：
20）1.97
42（80）1（7）2（3）3（1：
20）1.74
52（80）2（5）3（4）1（1：
10）2.17
62（80）3（3）1
（2）2（1：
15）1.54
73（90）1（7）3（4）2（1：
15）1.16
83（90）2（5）1
（2）3（1：
20）2.15
93（90）3（3）2（3）1（1：
10）1.41
K11.561.531.791.75
K21.821.781.391.24
K31.571.641.771.95
R0.260.250.400.71
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%。
根据极差R的大小判断各因素对得率影响的主次关系为D＞C＞A≈B。
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）
130.262.187
230.352.232
320.471.398
420.091.800
530.161.497
630.212.115
730.362.667
820.061.550
930.141.884
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-6L9（34）水不溶性膳食纤维正交试验结果表
试验因素得率
ABCD
编号温度/℃pH时间/h加水比/%
11（70）1（7）1
（2）1（1：
10）7.29
21（70）2（5）2（3）2（1：
15）7.44
31（70）3（3）3（4）3（1：
20）6.99
42（80）1（7）2（3）3（1：
20）9.00
52（80）2（5）3（4）1（1：
10）4.99
62（80）3（3）1
（2）2（1：
15）7.05
73（90）1（7）3（4）2（1：
15）8.89
83（90）2（5）1
（2）3（1：
20）7.75
93（90）3（3）2（3）1（1：
10）6.28
K17.248.397.366.19
K27.016.737.577.79
K37.646.776.967.91
R0.631.660.611.72
3.3半纤维素的提取工艺确定
如前言所述，对膳食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）
130.260.243
230.350.345
320.470.208
420.090.228
530.160.357
630.210.411
730.360.186
820.060.266
930.140.270
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-8L9（34）半纤维素正交试验结果表
试验因素得率
ABCD
编号温度/℃pH时间/h加水比/%
11（70）1（7）1
（2）1（1：
10）0.81
21（70）2（5）2（3）2（1：
15）1.15
31（70）3（3）3（4）3（1：
20）1.04
42（80）1（7）2（3）3（1：
20）1.14
52（80）2（5）3（4）1（1：
10）1.19
62（80）3（3）1
（2）2（1：
15）1.37
73（90）1（7）3（4）2（1：
15）0.62
83（90）2（5）1
（2）3（1：
20）1.33
93（90）3（3）2（3）1（1：
10）0.90
K11.000.861.170.97
K21.231.221.061.05
K30.951.100.951.17
R0.280.360.220.20
3.4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的提取，这样就给出了牛蒡中膳食纤维的总含量的可供参
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