玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究毕业论文

玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究i南 阳 理 工 学 院本科生毕业论文玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究Study on Extraction and Physicochemical Characterization of Corn Bran Dietary Fiber总 计： 毕业设计（论文） 16 页表 格： 2 个插 图： 7 幅玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究ii南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 论 文玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究Study on Extraction and Physicochemical Characterization of Corn Bran Dietary Fiber学 院： 生物与化学工程学院专 业： 食品科学与工程 玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究iii玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究摘 要本文以玉米皮渣为原料，采用蛋白酶和 -淀粉酶结合水解制备玉米皮膳食纤维。通过单因素实验确定蛋白酶和 -淀粉酶的最佳用量、水解时间及最适温度，然后在单因素的基础上再对这两种酶做正交试验确定最佳工艺。结果表明蛋白酶用量为 1.0%，温度为 50时水解 40min，-淀粉酶用量为 0.4%，温度为 60时水解50min，此时水解的效果最好，膳食纤维的含量最高。本实验同时研究了玉米渣膳食纤维的理化性质，其持水力为 197%，膨胀性为 143%，持油性为 187%。关键词 玉米皮；膳食纤维；蛋白酶；- 淀粉酶玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究iiStudy on Extraction and Physicochemical Characterization of Corn Bran Dietary FiberFood Science and Engineering SONG Jian-huaAbstract: Using corn bran as main material in this paper, proteinase and -amylase were employed to produce the corn bran dietary fiber. Single factor experiments were adapted to determine the optimum dosage, hydrolysis time, and optimum temperature of protease and -amylase. Then on the basis of above experiments, the optimum process was obtainded by orthogonal test of these two enzymes. The results showed that the hydrolysis effect was best and the content of dietary fiber was highest when the protease was in the amount of 1.0%, the hydrolysis temperature and time of 50, 40min, and the -amylases concentration was 0.4%, the hydrolysis temperature and time of 60, 50min. These experiments were studied on the physicochemical properties of corn bran dietary fiber in the meantime. Its water-holding power was 197%. Its expansibility was 143%. Its oil-holding capacity was 187%.Key words: corn bran; dietary fiber; protease; -amylase 玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究I目 录1 引言11.1 膳食纤维的定义和分类11.2 膳食纤维的主要特性和功效21.3 膳食纤维的制备方法31.4 玉米皮渣中膳食纤维的国内外研究现状41.5 本文研究的意义和前景42 材料与方法52.1 材料和仪器52.1.1 材料和试剂52.1.2 主要仪器52.2 方法52.2.1 玉米皮渣中膳食纤维的提取52.2.2 单因素实验52.2.3 正交实验62.2.4 玉米皮渣中膳食纤维的理化性质测定73 结果与讨论83.1 单因素实验结果83.1.1 蛋白酶用量对膳食纤维得率的影响83.1.2 蛋白酶酶解时间对膳食纤维得率的影响83.1.3 蛋白酶在不同温度下对膳食纤维得率的影响93.1.4 -淀粉酶用量对膳食纤维得率的影响93.1.5 -淀粉酶酶解时间对膳食纤维得率的影响103.1.6 -淀粉酶在不同温度下对膳食纤维得率的影响103.2 正交实验结果113.3 玉米皮渣中膳食纤维的理化性质124 结论14参考文献15致谢16玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究11 引言1.1 膳食纤维的定义和分类膳食纤维主要是指存在于食物中不能够被人体消化吸收的多糖类化合物的总称，即不能被人类的胃肠道中消化酶所消化的，且不被人体吸收利用的多糖。这类多糖主要来自植物细胞壁的复合碳水化合物，也可称之为非淀粉多糖，即非 -葡聚糖的多糖。在 1970 年前营养学界中并没有膳食纤维这个名词，只是有粗纤维。粗纤维曾被认为是对人体起不到营养作用的一类非营养成分的物质。后来营养学家认为粗纤维吃多了会影响人体对食物中的营养素的吸收。再后来经过近 20 年来的研究与调查，营养学家们发现并认识到这种非营养素物质与人体健康密切相关，它在预防人体的某些疾病方面起着非常重要的作用，同时也认识到粗纤维的概念已不适用，因而将粗纤维一词废弃，改为膳食纤维。由于膳食纤维具有重要的生理功能，所以在营养学上被称为与六大营养素并列的第七大营养素 1, 2。膳食纤维的分类方法有很多，目前最常用的有以下 2 种。（1）根据溶解性的不同，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维 3。不溶性膳食纤维是指不被人体消化酶消化且不溶于热水的那部分膳食纤维，是构成细胞壁的主要成分，包括纤维素、半纤维素、木质素、原果胶和动物性的甲壳素和壳聚糖，其中木质素不属于多糖类，是使细胞壁保持一定韧性的芳香族碳氢化合物。水溶性膳食纤维是指不被人体消化酶消化，但可溶于温水或热水且其水溶液又能被乙醇再沉淀的那部分膳食纤维。主要包括存在于苹果、桔类中的果胶、植物种子中的果胶、海藻中的海藻酸、卡拉酸、琼脂和微生物发酵产物黄原胶、以及人工合成的羧甲基纤维素钠盐等 4。水溶性膳食纤维的主要功能是可减少血液中的胆固醇水平，调节血糖水平，从而降低心脏病的危险，改善糖尿病。水不溶性膳食纤维主要功能是膨胀，可以调节肠的功能，防止便秘，保持大肠健康。大多数植物都含有可溶性与不可溶性纤维，所以饮食均衡摄取可溶性与不可溶性纤维才能获得更多的益处。（2）根据来源的不同，膳食纤维可分为谷物类纤维：主要包括小麦纤维、燕麦纤维、玉米纤维和米糠纤维等，其中燕麦膳食纤维是被公认的优质膳食纤维，能显著降低血液中胆固醇含量，从而降低心脏病和中风的发病率。豆类纤维：比较常用的有大豆纤维、豌豆纤维以及瓜尔豆胶和刺槐豆胶等。水果纤维：水果纤维一般用于高纤维果汁、果冻以及其他果味饮料中，有果渣纤维、果皮纤维、全果纤维和果胶等。蔬菜纤维：研究最多的是甜菜纤维、胡萝卜纤维、竹笋纤维、茭白纤维、以及各种玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究2各样的蔬菜粉等。生化合成或转化类纤维：该类膳食纤维功能突出、性能优越、成分明确和纯度高，是膳食纤维类产品中最受欢迎和应用最为广泛的品种之一，主要包括改性纤维素、抗性糊精、水解瓜尔胶、微晶纤维素和聚葡萄糖等。其他类纤维：主要指真菌类纤维、海洋类纤维以及一些粘质和树胶等 5。1.2 膳食纤维的主要特性和功效膳食纤维主要有以下特性：（1）结合水作用。膳食纤维具有很强的与水结合的能力。强大的吸水能力可以增大肠道中粪便的体积，并加快其运转速度，有效减少其中有害物质接触肠壁的时间。（2）粘滞作用。某些膳食纤维具有很强的黏滞性，例如果胶、树胶、海藻多糖、-葡聚糖等分散水中可以形成高粘度型溶液。（3）吸附螯合有机化合物作用。膳食纤维具有吸附螯合有机物如胆酸和胆固醇的作用，从而抑制了人体对它们的吸收。同时，膳食纤维还能吸附肠道内的有毒化合物质并促进它们排出体外。（4）阳离子交换作用。膳食纤维可在胃肠内结合无机盐，与有机阳离子如钾、钠、铁等进行可逆的交换，形成膳食纤维复合物，影响这些元素的代谢。（5）细菌发酵作用。膳食纤维虽然不易被人体消化和吸收，但它可被肠道内部分细菌酵解，促进肠内有益菌繁殖。酵解所产生的短链脂肪酸如乙酯酸、丙酯酸和丁酯酸均可作为肠道细胞和细菌的能量来源，促进肠道蠕动，减少胀气，改善便秘 6。膳食纤维主要有以下功效：（1）防治便秘。膳食纤维的吸水膨胀性能有利于增加食糜的体积，促进肠道蠕动，减少食物在肠道中停留时间及粪便中有害物质与肠道的接触。另一方面，膳食纤维的吸水作用也可以软化粪便，促进排便和增加便次，起到一种导泄作用，防治便秘。（2）控制体重。一般肥胖都是由于食物中摄入过多的热量或者人们运动量不足，没有及时将过多产生的热量消耗掉而引起的能量过剩。膳食纤维具有很强的吸水膨胀性，它们吸水后体积能够增加 10-15 倍，既可以增加人们的饱腹感，又可以减少食物中脂肪的吸收，避免能量过剩而导致身体内脂肪的过度积累而造成肥胖。因此提高饮食中膳食纤维含量，既能解决饱腹的问题，又能达到控制体重的目的，可以说是目前较有效的安全减肥方法。（3）预防结肠和直肠癌。这两种癌是发生在肠道的癌。导致这两种癌症发生的主要原因是致癌物质在肠道内停留时间长，和肠壁长时间接触有关。膳食纤维可以稀释肠道内致癌物质浓度，增加吸附致癌物面积，缩短与致癌物接触时间。因此增加膳食中纤维含量，利用膳食纤维刺激肠蠕动的作用，可大大缩短致癌物质与肠壁接触时间，有效预防肠道癌症的发生。玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究3（4）防治痔疮。痔疮是常见的多发的肛肠疾病，主要是由于大便秘结而使血液长期阻滞与瘀积所引起的。膳食纤维有助于促进消化排便，可降低肛门周围的压力，使血流通畅，从而降低发生痔疮的危险，起到防治痔疮的作用。（5）降低血脂，预防高脂血症。膳食纤维的吸水性，膨胀性可以促进肠胃蠕动，有助于消化排便，加速食物中胆固醇和甘油三酯等排出体外，减少了肠道对油脂的吸收，另外膳食纤维还能够与胆汁结合，减少胆固醇的重吸收，由此降低了血液中的胆固醇，从而有预防高脂血症的作用。（6）改善糖尿病症状。膳食纤维能够降低食物在肠内的吸收效率，延缓葡萄糖的吸收，推迟可消化性糖类如淀粉等的消化，使进餐后血糖不会急剧上升，有效改善糖尿病病情。此外膳食纤维能够增加胰岛素的敏感性，改善血液中胰岛素的调节作用，提高人体的耐糖程度，有利于糖尿病的治疗和康复。因此，糖尿病患者的饮食中长期增加食物纤维，可控制进餐后的代谢，降低胰岛素需要量，这在治疗糖尿病上是一种有效的辅助措施。（7）改善口腔及牙齿功能。如今由于食物做的越来越精细柔软，现代人使用牙齿和口腔肌肉的机会越来越少。造成龋齿，牙齿脱落的情况越来越多。饮食中如果增加膳食纤维素的含量，自然就会增加人们使用口腔肌肉牙齿咀嚼的机会，就会使我们口腔功能得到改善，起到保健的作用。（8）防治胆结石。胆结石的形成是由于胆汁中胆固醇含量过高造成的，膳食纤维具有可以降低胆石症发生的功能，这是因为膳食纤维可以结合胆固醇，降低胆汁中胆固醇含量，促进胆汁的分泌。因此可以有效防治胆结石的形成。（9）预防妇女乳腺癌。乳腺癌是一种病发在乳腺的恶性疾病，据流行病学研究发现，乳腺癌的发生与饮食中高油、高糖、低膳食纤维摄入有关。专家指出，饮食中经常摄入膳食纤维可以有效防止乳腺癌的发生。膳食纤维可以通过调节人体内分泌，加速脂肪代谢，加快肠道排空，使得患者体内脂肪含量迅速减少，雌激素的含量也明显降低，因此大大降低患上乳腺癌的几率 6, 7。1.3 膳食纤维的制备方法膳食纤维的制备方法主要有化学法 8、酶化学法 9和酶法 10。目前，国内外提取膳食纤维方法以化学法为主，此方法具有工艺简单和成本低的优点，但反复水浸泡冲洗和频繁热处理会明显减少纤维产品持水力和膨胀性，且强烈溶剂（酸、碱等）处理导致几乎 100%水溶性纤维、50%-60% 半纤维素和 10%-30%纤维素被溶解而损失 11，使获得的产品性能不高而且污染环境，此外水解产品的风味和色泽较差，产品含量和质量不容易控制，对加工性质也有一定的影响。酶化学结合法是先采用淀粉酶去除玉米麸皮中附着的淀粉，再用 NaOH 水解蛋白质。这种方法的不足之处是成品的色泽深，玉米皮渣中膳食纤维提取及其理化性质研究4碱味浓，而且强碱环境也破坏了膳食纤维的成分半纤维素，因此用该法制的膳食纤维的含量也较低，并且含量随碱浓度和处理时间的增大而减少。而酶法提取膳食纤维因条件温和，专一性强，对环境污染较小，有很好的发展前景 12。1.4 玉米皮渣中膳食纤维的国内外研究现状我国是玉米生产大国，每年有大量玉米加工副产品玉米皮，玉米皮是玉米深加工企业的主要副产物之一，是将玉米颗粒经过浸泡后进入淀粉生产过程，后经洗涤，挤水，烘干等工序加工而成。其主要成分是淀粉、蛋白和纤维。但目前国内很多企业只将玉米皮用作饲料或者垃圾处理，不仅造成资源极大浪费，而且污染了环境。国外玉米加工业发达国家的经验表明，搞好皮渣综合利用，不仅可以提高原料的综合利用率，降低生产成本，提高附加值和经济效益，而且可以减少环境污染，这已经成为了现代化粮食加工业中不可忽视的重要环节。其实与其他谷物外皮（米糠、小麦麸皮等）相比，玉米皮膳食纤维含量高，是一种很好的膳食纤维来源。因此，充分利用我国玉米的资源优势，加快玉米淀粉及其副产物的深加工，是增加国际市场竞争力和国民经济有效途径 13。1.5 本文研究的意义和前景目前，膳食纤维被广泛应用于主食食品中，如馒头、挂面、方便面、面包等。同时膳食纤维还被添加到乳制品、肉制品、膨化食品、糖果、冰淇淋及调味品中。随着人们对膳食纤维与人体健康关系的认识不断深入，一些高纤食品越来越受到消费者的青睐。我国对膳食纤维的研发与国外还存在一定的差距，随着我国人口老龄化的不断加剧，心血管病、糖尿病等老年性疾病的预防迫在眉睫，因此膳食纤维的开发和应用具有重要的显示意义和广阔的市场前景 14。在玉米皮成分中淀粉和蛋白质占有较大的比例，会影响膳食纤维的纯度，因此除去其中的淀粉和蛋白质是玉米皮膳食纤维制备的关键工艺。淀粉在淀粉酶的作用下被水解成葡萄糖、麦芽糖、糊精等可溶性物质而被除去；蛋白质在蛋白酶的作用下被分解成小分子的多肽和氨基酸后被除去 15。综上所述，本实验以玉米皮为主要原料研究了酶法提取玉米皮渣中膳食纤维的工艺条件及玉米渣膳食纤维的功能特性 16，通过单因素实验确定 -淀粉酶和蛋白酶的最佳用量、最适温度、pH 及水解时间。然后将酶处理过的原料过滤除去滤液，烘干滤渣即可得到膳食纤维。通过正交实验设计提取玉米膳食纤维，并寻找最优的工艺条件，为进一步生产出高品质的膳食纤维提供理想的试验基础和工艺条件 17。本实验为玉米皮膳食纤维的开发利用奠定理论基础,也将为玉米的综合利用开发一条