马铃薯膳食纤维的提取.docx

1、马铃薯膳食纤维的提取哈尔滨商业大学毕业设计（论文）马铃薯膳食纤维提取工艺的研究学 生 姓 名 孙晓楠 指 导 教 师 张根生 专 业 食品科学与工程 学 院 食品工程 2011年06月06日Graduation Project (Thesis)Harbin University of CommerceThe extraction technology research of dietary fiber from potatoes slagStudent Sun Xiaonan Supervisor Zhang Gensheng Specialty Food Science and Engine

2、ering School Food Engineering 2010 - 06 - 06毕业设计（论文）任务书姓名 孙晓楠学院 食品工程班级 2007-1专业 食品科学与工程毕业设计（论文）题目： 马铃薯膳食纤维提取的研究立题目的和意义：在我国北方，大部分地区马铃薯的深加工集中于制淀粉或粉条。由于加工技术的落后，大量的马铃薯成为废渣而不能得到合理的利用。马铃薯渣中的纤维含量极高，约占干基的20%左右，且马铃薯本身是一种安全食用作物，因此马铃薯渣是一种安全、廉价的膳食纤维资源。目前马铃薯渣的转化途径主要是功能成分提取和发酵产品生产，功能成分提取包括膳食纤维、果胶等，发酵产品生产包括酒精、单细胞蛋

3、白饲料、肥料、沼汽、柠檬酸钙等。马铃薯渣固有的特点给其综合利用造成了一定困难。马铃薯渣含水量高达90%左右，具有较高的粘性，渣中水分不仅紧紧结合在纤维和果胶上，而且未破坏的细胞也能通过细胞膜吸收水分，使水分很难除去，成为制约马铃薯渣综合利用的瓶颈。本实验希望能够通过对于膳食纤维提取工艺中的糊化条件和酶解反应条件两方面研究，确定最佳的从马铃薯渣中提取膳食纤维的工艺条件。技术要求与工作计划：1、 测定马铃薯渣的基本成分。2、 以糊化温度、糊化时间、料液比为实验因素，通过单因素和正交实验，确定最佳的糊化提取工艺条件。3、 以酶解反应中各项酶的添加量、酶解反应时间、酶解反应温度为实验因素，进行单因素实

4、验，确定最佳的酶解反应条件，并明确对于提取纯度影响较为显著的因素。时间安排：1. 3月10日3月20日 进行资料搜集，实验准备工作。2. 3月20日4月20日 进行实验。3. 4月20日5月10日 进行数据整理与分析。4. 5月10日5月26日 撰写毕业论文。5. 5月26日6月10日 修改论文。6. 6月10日6月17日 提交论文，准备答辩。指导教师要求：（签字） 年 月 日教研室主任意见：（签字） 年 月 日院长意见：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语：指导教师签字：年 月 日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语：评阅人签字：年 月 日毕业设计（论文）答辩评语及

5、成绩三、答辩委员会评语：四、毕业设计（论文）成绩： 签 字：五、答辩委员会主任单位： 答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日摘要本实验以马铃薯渣为原料，对从中提取膳食纤维的工艺进行研究，确定最佳工艺条件。采用酶解法进行提取，通过单因素和正交实验方法研究糊化反应和酶解反应中的各项工艺条件对膳食纤维提取纯度的影响，得出最佳提取条件。试验结果表明，最佳糊化工艺条件为：料液比为1：3，糊化温度为120，糊化时间为60min。最佳酶解反应工艺条件为：-淀粉酶添加量0.7mL，酶解温度90，时间60min；糖化酶添加量2mL，酶解温度60，时间20min；木瓜蛋白酶添加量3mL，酶解温度6

6、0，时间30min。关键词：马铃薯渣；膳食纤维；糊化条件；酶解反应AbstractIn this experiment, potato waste as raw material, the process of dietary fiber extracted from potatoes slag is studied to determine the optimum process conditions. Using enzyme extraction method, By single factor and orthogonal experimental, various technolog

7、ical conditions of gelatinization reaction and zymolysing reaction effect on purity of dietary fiber extraction. The results show that: Solid to liquid ratio for 1:3, the gelatinization temperature for 120 , gelatinization time for 60min. The best conditions for the enzymatic reaction: -amylase addi

8、tion of 0.7mL, the reaction temperature for 90 , the time for 60min; glucoamylase addition for 2mL, the reaction temperature 60 , the time for 20min;amount of papain added 3mL, the hydrolysis temperature of 60 , the time 30min.Key words : Potato waste; dietary fiber; pasting conditions; enzymatic re

9、action 1 绪 论1.1研究背景2007年，我国马铃薯总产量8000多万t，种植面积超过566.67万hm2，产量和面积均占到世界的22%。我国已成为马铃薯生产和消费大国，但大部分用于鲜食，用于马铃薯淀粉及其他深加工仅占少部分。我国是马铃薯淀粉消费潜在大国，随着马铃薯淀粉产业的发展，其副产物薯渣的产量越来越大，目前国内生产厂家都将其随废水排放掉。一般每t淀粉产生7.5t废渣，排渣量很大，如不加以回收利用，不仅造成资源的浪费，而且造成严重的环境污染。对薯渣进行综合开发利用，不仅能减少环境污染，还能有效利用资源，具有较好的经济效益和社会效益。目前，薯渣的合理利用已成为马铃薯淀粉加工企业迫切需

10、要解决的问题。1.2研究目的和意义1.2.1研究目的我国具有丰富的马铃薯资源，仅次于俄罗斯，居世界第二位。但是我国马铃薯深加工却远远落后于西方国家。在我国北方，大部分地区马铃薯的深加工用于制淀粉或粉条，产生大量的废渣。在我国由于没有现代化的储藏设备和科学的储藏方法，每年因此而损失的马铃薯高达25%30%，其余的70%75%也基本用于现实或者加工成粉丝、粉条及淀粉，而加工的比例还不到5%，加工产品种类少，属于初级加工阶段，加工增值率较低，使马铃薯的综合经济效益偏低。本研究的目的在于开发与利用这些废渣，将其制成具有保鲜、保健、抗癌作用的膳食纤维。目前用其它原料制备膳食纤维已有大量报道，用马铃薯渣制

11、备尚未见报道。1.2.2研究意义薯类是重要的粮食作物，由于栽种粗放、产量高，尤其适合在山区及丘陵地区种植。20世纪80年代以前，薯类曾经是好多地区农民的主食。时过境迁，在党和国家的富民政策指引下，农民已经不再天天吃红薯、吃土豆了。薯类经深加工、转化增张成为农民的重要经济作物。如四川光友集团就是一家薯类加工龙头企业，在农业产业化进程中，龙头带农户，已经起到了辐射示范作用。薯渣是薯类（甘薯、马铃薯）提取淀粉后的余渣，在很多加工厂堆积如山，腐败酸化，严重污染环境。有的地方曾经把薯渣作为饲料使用，但其蛋白质含量不高，纤维含量高，牲畜食后不长肉，饲养效果很差。我国是一个农业大国，薯渣资源丰富，是潜在的膳

12、食纤维资源。对其开发利用符合国家西部大开发的发展战略。1.3国内外研究现状马铃薯是世界上仅次于小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物，其营养成份齐全，营养价值较高，是世界性的健康食物。鲜薯淀粉及其制品的国内外市场需求量愈来愈大，在世界粮食生产中的地位迅速提高，而且有巨大的增产潜力可挖。因此认为，马铃薯是副食品的概念应该逐步改变。1.3.1国外研究现状世界上主要种植马铃薯的国家有150多个，总面积达2155万公顷，总产量大近3.2亿吨。马铃薯单产最高的国家是荷兰，平均单位面积产量50t/hm2，英国、美国、加拿大等发达国家的单产都在3543t/hm2。中国的种植面积占世界20%25%，总产约占世界

13、的18%，占亚洲的70%，居世界首位。目前，马铃薯产业化发展规模和速度都达到空前的水平。世界5070的马铃薯被加工升值，发达国家加工比例高达80，加工产品种类多、技术水平先进。美国一半以上的马铃薯用于深加工后消费，人均每年需要马铃薯食品30kg，其生产的马铃薯食品有70多种，全国有300多个马铃薯深加工企业；荷兰80%的马铃薯用于深加工后进入市场，在荷兰只有23家马铃薯加工厂，17家生产薯条，3家生产薯片，其他生产干制品等，其中物价的生产能力占总产量的50%以上。1.3.2国内研究现状我国的马铃薯资源十分丰富，据统计2002年，我国马铃薯种植面积440万公顷，产量淀粉和淀粉深加工业，越来越受到

14、人们的重视，为了充分利用本地的资源优势，各地建成了许多马铃薯淀粉厂，使原来价格低廉的农产品转化为经济价值较高的马铃薯淀粉。我国淀粉工业发展很快，年增长率平均为30%以上，可见在我国马铃薯淀粉加工业具有广阔前景。2马铃薯和膳食纤维的概述近年来，在全世界范围内掀起了一股研究开发纤维食品的热潮。而膳食纤维作为功能性食品的重要基料，已被列为继蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质和水之后的第七大营养素，成为现在食品领域研究的热点。马铃薯渣中的纤维含量极高，约占干基的20%左右，且马铃薯本身是一种安全食用作物，因此马铃薯渣是一种安全、廉价的膳食纤维资源。2.1马铃薯的营养成分马铃薯是我国人民喜爱的食物。10

15、0g马铃薯中所含的营养成分：热量66113J，钙1160mg，磷1568mg，铁0.4mg4.8mg，硫胺素0.030.07mg，核黄素0.030.11mg，尼克酸0.41.1mg 。除此以外，马铃薯块茎还含有禾谷类粮食所没有的胡萝卜素和抗坏血酸。马铃薯中含有大量的维生素C，还含有胡萝卜素、硫胺素、尼克酸等。胆固醇含量极低。其全粉比稻米、标粉含有较丰富的粗纤维(马铃薯18g/100g，稻米03g/100g，标准粉06g/100g)。马铃薯具有很高的营养价值和药用价值. 新膳食指南建议，每人每周应食薯类5次左右，每次摄入50克-100克。每100克土豆(马铃薯)含钾高达300毫克，是20多种经常

16、食用的蔬菜水果中含钾最多的。从营养角度来看，它比大米、面粉具有更多的优点，能供给人体大量的热能。人只靠马铃薯和全脂牛奶就足以维持生命和健康。因为马铃薯的营养成分非常全面，营养结构也较合理，只是蛋白质、钙和维生素A的量稍低；而这正好用全脂牛奶来补充。马铃薯块茎水分多、脂肪少、单位体积的热量相当低，所含的维生素C是苹果的10倍，B族维生素是苹果的4倍，各种矿物质是苹果的几倍至几十倍不等，土豆是降血压食物。膳食中某种营养多了或缺了可致病，同样道理，调整膳食，也就可以“吃”掉相应疾病。中医认为马铃薯有和胃、健脾、益气之作用，还兼有解毒消炎之功效。最近科学家发现，马铃薯含有丰富的粘体蛋白，它能预防心血管

17、系统的脂肪沉积、保持动脉血管的弹性、防止动脉状硬化的过早发生，还可预防肝肾组织中间的萎缩，保持呼吸道、消化道的润滑。因此国内外营养学家认为马铃薯是“十全十美”的食物。马铃薯渣里含有纤维、淀粉、蛋白等物质，均是可利用的重要资源。2.2膳食纤维性质及功能特性膳食纤维是一类在体内难以被酶解消化的、结构较复杂的天然大分子物质，具有预防和治疗冠心病、治疗肥胖症、治疗糖尿病、预防结肠癌、清除外源有害物质等功能作用，中国营养学会推荐每日膳食纤维摄入量为2035g 3，但据报道，我国人均每日的实际摄入量仅为十几克，仅为推荐摄入量的一半左右。膳食纤维在食品工业中的应用十分普遍，可添加到保健食品、方便食品、饮料、

18、乳制品等多种产品中。2.2.1膳食纤维的性质人类社会进入21世纪，人们生活水平大幅提高，饮食日趋精细，导致富贵病（糖尿病、心血管病、肥胖、肠道癌、便秘等）越来越普遍，加之人口进入老龄化社会，人们对食品的消费越来越讲究功能性，因此可以相信，21世纪将是功能性食品的世纪。膳食纤维正是因其突出的保健功能而被广泛认识和使用。2009年，膳食纤维类产品在欧美销售超过350亿美元；在日本，膳食纤维类产品的年销售近100亿美元。膳食纤维是指能抗人体小肠消化吸收，而在人体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，包括多糖、低聚糖、木质素以及相关的植物物质。2.2.2膳食纤维的功

19、能特性膳食纤维根据溶解性不同，分为水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维两大类，具有如下功能特性：（一）具有较强的吸水功能和膨胀功能膳食纤维可吸收相当于自身重数倍的水，在肠胃中吸水膨胀并形成高粘度的溶胶或凝胶，使人产生饱腹感并抑制进食。对肥胖人群有较好的调节减肥功能。同时增加大便水分、体积，刺激肠道蠕动，加速排便频率，使粪便中的有害物质特别是致癌物质及时排出体外，大大减少肠道癌和痔疮等的发病机率。（二）改变肠道系统中微生物群落组成膳食纤维可被大肠有益菌部分发酵或全部发酵，产生大量短链脂肪酸，如乙酸，乳酸等。可调节肠道pH，改善有益菌的繁殖环境，使双歧杆菌、乳酸菌等有益菌增殖，从而使得双歧杆菌等有益菌

20、群能迅速扩大。这对抑制腐生菌生长，防止肠道粘膜萎缩和支持肠粘膜屏障功能，维持维生素供应，保护肝脏等都是十分重要的。（三）具有吸咐有机物的功能膳食纤维能吸附胆汁酸、胆固醇变异原等有机分子，抑制总胆固醇（TC）浓度升高，降低胆酸及其盐类的合成与吸收，降低人类体血浆和肝脏胆固醇水平，防治冠状动脉硬化、胆石症和预防心脑血管疾病。膳禽纤维还能吸附葡萄糖使吸收减慢。另外膳食纤维还具有抑制增血糖素分泌的作用，这样就可充分发挥胰岛素的作用，防止糖尿病。此外，膳食纤维还具有吸附人体自由基的作用。（四）阳离子结合和交换功能膳食纤维可与Cu、Pb等重金属离子进行交换，缓解重金属中毒。更重要的是它能与肠道中的K+、N

21、a+进行交换，促使尿液和粪便中大量排出Na、K，从而降低血液中的Na+与K+比，产生降低血压的作用。2.3马铃薯渣提取膳食纤维方法的研究现状目前膳食纤维通常从麸皮、豆渣等中提取，主要方法有酸碱提取、酶法提取或酸碱-酶联合提取法等，对于从马铃薯渣中提取膳食纤维的研究较少。王卓等4采用酸处理、中温淀粉酶处理和耐高温淀粉酶处理三种工艺条件制得三种马铃薯膳食纤维产品，对三种样品与市售燕麦纤维的膨胀力、持水力和阳离子交换能力进行了测定。结果表明，100时各样品膨胀力和持水力达到最大值，酸处理样品膨胀力和持水力优于其他样品;燕麦膳食纤维样品的离子交换能力最差，而耐高温淀粉酶处理样品和酸处理样品离子交换能力

22、较好。袁惠君等5用米根霉和白地霉分别以固体发酵和液体发酵2种方法发酵处理马铃薯渣后测定膳食纤维得率、持水力和膨胀力，结果表明，固体发酵和液体发酵都以米根霉发酵的膳食纤维得率最高。在高压灭菌的条件下，发酵对马铃薯渣膳食纤维持水力的影响不显著;不同的发酵方式对膨胀力影响显著，采用液体发酵的方式效果较好。王宏勋等6对利用微生物发酵薯渣的工艺进行了研究。研究结果表明，在分步发酵模式下，利用白腐菌C13在菌龄2d、接种量25mL、摇床（P270）转速175r/min条件下发酵薯渣4d，灭活后加入白腐菌D31，发酵2d，可以获得膳食纤维总含量达到35.28gL的发酵液，其中可溶性膳食纤维为6.31g/L。

23、刘达玉等7以干薯渣为原料，采用酶法水解淀粉，碱法水解蛋白质、脂肪的提取方法，再用挤压膨化技术对薯渣膳食纤维进行改性。提取的产品总膳食纤维含量达到80.70%，挤压膨化使产品的可溶性纤维含量增加了5.28%，达到了保健功能与口感俱佳的目的。吕金顺等8用水蒸气爆破和氧化法对马铃薯废渣进行处理，制备马铃薯膳食纤维(PDF)，所得到的PDF具有比表面积大、热力学稳定等特点。结果表明，PDF对胆固醇的吸附量为1.4mg/g左右，马铃薯膳食纤维在生物体内对致病物质有一定的吸附作用。综上所述，目前马铃薯膳食纤维提取方法主要是酶法(微生物法)或酶-酸碱法，或再辅以挤压膨化等物理方法改变膳食纤维结构，但均没有产

24、业化相关报道。3实验材料与方法3.1实验材料3.1.1实验原料马铃薯渣3.1.2实验试剂无水乙醇 分析纯 天津市永大化学试剂有限公司丙酮 分析纯热稳定-淀粉酶蛋白酶木瓜蛋白酶3.2实验仪器与设备恒温水浴锅 HHS-12型 上海东星建材试验设备有限公司干燥箱 202型 余姚市东方电工仪器厂电动搅拌机 JJ-1型 上海浦东物理光学仪器厂电子天平 SCOUT型 梅特勒-托利多常州衡器有限公司电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司真空泵高压灭菌锅布氏漏斗pH计3.3实验方法3.3.1马铃薯渣中提取膳食纤维的工艺流程及操作要点3.3.1.1工艺流程马铃薯渣糊化冷却-淀粉酶水解水浴降温调节pH糖化酶处

25、理水浴木瓜蛋白酶处理水浴蒸馏水洗涤、抽滤（反复3次）丙酮洗涤、抽滤（反复2次）干燥不溶性膳食纤维。3.3.1.2操作要点称取马铃薯渣150g1g，置于1000mL锥形瓶中，加入450mL蒸馏水，盖上橡胶塞，置于高压灭菌锅内，在120条件下糊化60min。待高压灭菌锅压力将至标准大气压时将锥形瓶取出，置于室温下降温至90左右，加入0.5mL热稳定-淀粉酶溶液，在95条件下恒温水浴1h，并用磁力搅拌器搅拌。淀粉酶水解后，将锥形瓶置于室温下冷却，待温度降低至60时，用pH计测定试样pH，通过向试样中添加1.5%的氢氧化钠来调节试样的pH值，直到试样pH达到5.0为止。此时向锥形瓶中加入2mL糖化酶，

26、在60条件下恒温水浴30min，并用磁力搅拌器搅拌。糖化酶水解完毕，向锥形瓶中加入2mL木瓜蛋白酶，在60条件下恒温水浴30min，并用磁力搅拌器搅拌。用蒸馏水洗涤经过酶解后的试样，用真空泵抽滤去除试样中的水分，用蒸馏水反复洗涤3次，再用丙酮洗涤酶解后的试样，用真空泵抽滤去除试样中残余的丙酮，用丙酮反复洗涤2次。将得到的残渣均匀分散的铺在托盘中，置于105的恒温烘箱中干燥过夜，取出后在干燥器中冷却30min，提取物进行称量，精确到0.0001g。应用GBT_5009.88-2008食品中膳食纤维的测定方法来测定提取物中膳食纤维的质量，计算出提取物中膳食纤维的纯度。3.3.2马铃薯渣中水分的测定

27、GB/T 5009.3-2003（直接干燥法）3.3.3马铃薯渣中灰分的测定3.3.4马铃薯渣中淀粉的测定3.3.5马铃薯渣中蛋白质的测定GB/T 5009.5-2003（微量凯氏定氮法）3.3.6马铃薯渣中膳食纤维的测定GB/T_5009.88-2008（食品中膳食纤维的测定）3.3.7膳食纤维提取纯度的计算公式式中：X膳食纤维的含量，单位为克每百克（g/100g）；mR1和mR2双份试样残渣的质量，单位为毫克（mg）； mP试样残渣中蛋白质的质量，单位为毫克（mg）； mA试样残渣中灰分的质量，单位为毫克（mg）； mB空白的质量，单位为毫克（mg）；m1和m2试样的质量，单位为毫克（mg

28、）；3.3.8马铃薯渣中膳食纤维提取工艺的研究本实验以马铃薯渣提取物中膳食纤维的纯度为指标，从糊化条件和酶解反应条件两方面来研究各因素对提取纯度的影响，通过正交实验确定最佳糊化条件，应用单因素实验考察酶解反应中对于提取纯度影响较大的工艺条件，以实验结果优选的原则来确定最佳提取工艺。3.3.8.1糊化条件对马铃薯渣中膳食纤维提取纯度的影响3.3.8.1.1料液比对马铃薯渣中膳食纤维提取的影响称取5份马铃薯渣样品均为150g，置于5个洁净的锥形瓶中，分别按料液比1：1、1：2、1：3、1：4、1：5的比例加入相应体积的蒸馏水，并按以上顺序对试样进行编号，将以上样品均置于120灭菌锅内糊化50min

29、。糊化反应结束后，分别用-淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶对其进行酶解。酶解反应后，对残渣进行洗涤，抽滤，放入烘箱中干燥，称量，再测定提取物中的膳食纤维含量。选择提取物中膳食纤维纯度最高的料液比为最佳料液比。3.3.8.1.2糊化时间对马铃薯渣中膳食纤维提取的影响称取5份马铃薯渣样品并加入相应体积的蒸馏水，对试样进行编号，按编号顺序将样品置于120灭菌锅内，分别糊化40min、50min、60min、70min、80min。糊化反应结束后，分别用-淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶对其进行酶解。酶解后，对残渣进行洗涤，抽滤，放入烘箱中干燥，称量，再测定提取物中的膳食纤维含量。选择提取物中膳食纤维纯度最高的糊

30、化时间为最佳糊化时间。3.3.8.1.3糊化温度对马铃薯渣中膳食纤维提取的影响按照实验结果优选的最佳料液比，称取5份马铃薯渣样品并加入相应体积的蒸馏水，对试样进行编号，按编号顺序将样品分别置于105、110、115、120、125条件下的灭菌锅内，均糊化60min。糊化反应结束后，分别用-淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶对其进行酶解。酶解反应后，对残渣进行洗涤，抽滤，放入烘箱中干燥，称量，再测定提取物中的膳食纤维含量。选择提取物中膳食纤维纯度最高的糊化温度为最佳糊化温度。3.3.8.1.4确定最佳糊化条件的正交实验在以上各单因素实验的基础上，确定料液比、糊化温度、糊化时间为3个因素，分别选择3个水平

31、，以提取纯度为评价指标，安排实验见表3.3.8.1.4-1；选用正交表中L9 (34)正交表，确定最佳工艺条件。3.3.8.2酶解条件对马铃薯渣中膳食纤维提取纯度的影响3.3.8.2.1-淀粉酶添加量对马铃薯渣中膳食纤维提取的影响称取4份试样，按照实验结果优选的最佳糊化反应条件进行糊化反应。糊化反应结束后，对试样编号，按编号顺序分别添加-淀粉酶0.1mL、0.3 mL、0.5 mL、0.7 mL、0.9 mL、待-淀粉酶酶解反应后，用糖化酶和木瓜蛋白酶对其进行酶解。酶解后，对残渣进行洗涤，抽滤，放入烘箱中干燥，称量，再测定提取物中的膳食纤维含量。选择提取物中膳食纤维纯度最高的-淀粉酶添加量为最佳-淀粉酶添加量。3.3.8.2.2-淀粉酶水解酶解温度对马铃薯渣中膳食纤维提取的影响称取4份试样，按照实验结果优选的最佳糊化反应条件进行糊化反应，糊化反应结束后，按照实验结果优选的最佳添加量添加热稳定-淀粉酶，对试样进行编号，使试样按编号顺序分别在70、80、90、100条件下进行-淀粉酶酶解反应，之后用糖化酶和木瓜蛋白酶对其进行酶解