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黍子中黍蛋白提取工艺研究与设计.doc

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黍子 蛋白 提取 工艺 研究 设计
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本科生毕业论文(设计)学士学位论文课题名称 黍子中黍蛋白的提取工艺研究与设计 学生姓名 眭晋 班级 450904 学号 45090410学 院 生物与农业工程 专 业 食品科学与工程 指导教师 李欣欣 职称 副教授 目录目录中文摘要 ...............................................................................................................................4Abstract .....................................................................................................................................5第 1 章 绪论 .........................................................................................................................61.1 研究背景 .............................................................................................................................61.1.1 黍浓缩蛋白的制备及其氨基酸组成 ..........................................................................61.1.2 黍子所含的内源酶 ......................................................................................................71.1.3 黍蛋白无过敏性 ..........................................................................................................71.1.4 黍蛋白的营养特性 ......................................................................................................71.1.5 黍子营养成分 ..............................................................................................................71.1.5.1 碳水化合物 ...............................................................................................................81.1.5.2 蛋白质及其氨基酸 ...................................................................................................81.1.5.3 脂肪 ...........................................................................................................................91.1.5.4 矿物质 .......................................................................................................................91.1.5.6 抗营养因子 ...............................................................................................................91.1.6.1 调节胆固醇代谢活性 .............................................................................................101.1.6.2 预防肝损伤功能 .....................................................................................................101.1.6.3 黍子的保健功能 .....................................................................................................101.2 研究理论研究基础综述 ...................................................................................................111.3 立题意义及研究内容 .......................................................................................................121.3.1 立题意义 ....................................................................................................................121.3.2 主要的研究内容 ........................................................................................................12第二章 黍子中蛋白质的分级提取及工艺最优化设计 ....................................................132.1 引言 ...................................................................................................................................132.2 材料,仪器与试验方法 ...................................................................................................13吉林大学学士学位论文2.2.1 实验仪器 ....................................................................................................................132.2.3 试验方法 ....................................................................................................................142.3 提取工艺研究与设计 .......................................................................................................142.3.1 黍子中盐溶溶蛋白的提取实验方法 ........................................................................142.3.1.1NaCl 浓度对蛋白质提取率的影响 ..........................................................................142.3.1.2 料液比对蛋白质提取率的影响 .............................................................................152.3.1.3 提取时间对蛋白质提取率的影响 .........................................................................152.3.2 黍子盐溶蛋白提取工艺的正交实验 ........................................................................152.3.2.1 实验方案设计与结果 .............................................................................................152.3.3 黍子中醇溶蛋白提取实验方法 ................................................................................162.3.3.1 提取时间与蛋白质提取率的关系 .........................................................................162.3.3.2 提取温度与蛋白质提取率的关系 .........................................................................162.3.3.3 溶剂对蛋白质含量的影响 .....................................................................................16第 3 章 结果分析与讨论 ...................................................................................................173.1 黍子中盐溶溶蛋白的提取实验结果分析 ........................................................................173.1.1NaCl 浓度对蛋白质提取率的影响 .............................................................................173.1.3 提取时间对蛋白质提取率的影响 ............................................................................183.1.4 正交实验设计与结果分析 ........................................................................................193.1.5 正交实验结果的极差分析 ........................................................................................193.2 黍子中醇溶蛋白的提取实验结果分析 ...........................................................................213.2.1 提取时间与蛋白质提取率影响结果分析 .................................................................213.2.2 提取温度与蛋白质提取率影响结果分析 .................................................................213.2.3 溶剂对蛋白质含量影响结果分析 ............................................................................22结 论 ...............................................................................................................................24致 谢 ...................................................................................................................................25参考文献 .............................................................................................................................26中文摘要摘要黍子,Proso millet,禾本科,一年生栽培草本。来源于中国,有悠久的栽培历史,拥有分布广,生长期短,产量高等特点。主要产区集中在中国土壤贫瘠,降水少的地区,拥有很明显的生产优势,从农业生产到食品加工,再到发展经济,黍子都占有非常重要的地位。本文采用黍子蛋白质分级提取的方法,重点研究黍子中蛋白质成分的不同提取方法,以及蛋白质提取的最佳工艺条件和黍子蛋白质优于其他作物蛋白质的特性,黍子蛋白有很好的无敏性。结果证实黍子中的蛋白质主要是醇溶蛋白约占总蛋白含量的 70%以上;盐溶蛋白约占 4%左右;其余为谷蛋白。通过正交实验设计得到,影响黍子盐溶蛋白提取率的因素的主次排序为:B(NaCl 溶液浓度) >C(料液比) >A(提取时间)。根据实验可以得出:黍子蛋白实验室提取的最佳工艺条件为,即 NaCl 溶液浓度为 2% ,提取时间为 30min,料液比为1:10。黍子中的盐溶蛋白质得率可达 3.64%。黍子醇溶蛋白的提取实验表明,乙醇溶液作为一种来源广泛,价格便宜的溶剂,考虑到多方面因素,最后确定乙醇为比叔丁醇更合适的醇溶蛋白提取剂。关键词:黍子蛋白,盐溶蛋白,醇溶蛋白吉林大学学士学位论文AbstractProso millet(panicum miliaceum,L) belongs to Gramineae,proso millet group,milledbroomcom millet sub group,and milled broomcom millet genus.It is all annual cultivating herb that originated from China. Its production has obvious advantages, from agricultural production to food processing, to develop the economy, millet has played a very important position.In this study,proteins of proso millet were flactionated according classification method. The results showed that prolamin were the main fraction of 70% cure protein.and salt-soluble protein accounted for approximately 4%,the rest is gluten. By the design of the orthogonal experiment, we demonstrate that the sort of the factors affecting the extraction rate of salt-soluble protein in millet is: B (NaCl concentration)> C (solid-liquid ratio)> A (extraction duration). According to Table 1.2, conclusions can be drawn that the optimum extraction conditions of millet protein in the laboratory is: NaCl solution concentration of 2%, the extraction duration was 30min, solid-liquid ratio of 1:10. The salt-soluble protein yield in millet could reach 3.64 percent. The extraction experiments of zein in millet shows that the ethanol is a more suitable agent of gliadin extraction than the tert-butanol due to its wide sources ,low cost and other factorsKey word: protein of proso millet cure protein salt-soluble protein 第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 研究背景黍子,隶属禾本科,为黍族、黍亚族、黍属的一年生栽培草本植物,它的花期七到十个月,籽粒有黄、红、白、褐、灰、复色 6 种颜色为带壳颖果。黍子有粗壮笔直的杆,约为 40~120cm 高,单生或少数丛生,有时有分枝,喜温、喜光、耐旱、是短日性 4 作物。从出苗到成熟的时间 50~100 天,活动积温1200℃~2600℃。黍子对光敏感,对多种土壤适应性强,十分耐盐碱。生育前期 40℃高温也可耐受,生育后期会在-2℃低温下变冻害 [1]。黍子属于第二类禾谷类作物,是人类最早栽培的谷物之一,分布的环境为干旱、半干旱,降雨量少、土壤肥力低的环境。较强抗逆性、较短生长期,产量较高。籽粒中有很高的淀粉含量,可以做食用或酿酒用途;秸秆、叶可是牲畜好的饲料。前苏联、中国,印度、非洲为主产国,欧洲和美洲的一些国家也有分布。在我国栽种区主要为西北、西南、东北、华南以及华东等地区。由于长期栽培选育,具有很多品种,统共可分为粘和不粘两种。《本草纲目》称黍为粘者,稷为不粘者;在民间,将粘者称为黍子,不粘者称为糜子 [2]。脱壳后的黍子叫做黄米,软黄米、大黄米为其中糯性的叫法 [3]。在我国粮食生产中,黍子虽为小杂粮之一,但在很多省区有明显的地区和生产优势,如北方干旱、半干旱地区,特别是内蒙古、陕西、甘肃、宁夏、山西等地区,在农业、畜牧业、食用、出口加工、发挥自然资源利用促进地方经济发展等方面,黍子都发挥着巨大的作用。1.1.1 黍浓缩蛋白的制备及其氨基酸组成食品工业方面关于黍子浓缩蛋白提取的研究实验,早在上个世纪九十年代就已经开始。那时,利用 α-淀粉酶在 pH6.0 的条件下进行反应,处理消化黍子粉的时间大约为二十四个小时,最后便可以得到蛋白质含量达到 40.2%-40.5%的黍子蛋白质。在之后的实验中,随着处理技术的不断发展,从实验可以提取的吉林大学学士学位论文蛋白质含量可以达到 66.8%的黍子粉。Smith 等人 [4]在研究中发现酶法制备的黍浓缩蛋白中的赖氨酸是第一限制性氨基酸,其含量略低于对应的米粉,主要的原因可能是在消化淀粉的过程中发生反应导致赖氨酸的损失。1.1.2 黍子所含的内源酶Skovron 与 Lorenz[5]在研究八个不同品种黍子内源酶的活性后,发现 B-淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶的活性是所有品种的黍子都具有的,且 B-淀粉酶的最适 pH 值为 5.0,在 pH 为 3~5 时蛋白酶具有最强的活性;体系酸碱度和粘度与纤维素、半纤维素酶的活性相关。在 1980 年,通过研究 [6]发现 B-淀粉酶耐酸不耐热;葡聚糖酶相对比较稳定;黍子芽所含 α 一淀粉酶对热稳定,但在酸性条件下易失活。1.1.3 黍蛋白无过敏性人类常规摄取的蛋白有牛奶、大豆、鸡蛋等,但这是是被认为能引起过敏反应的蛋白。在日常饮食中过多食用动物蛋白及畜禽产品会引起高血脂、肥胖、高血压、诱发动脉硬化冠心病糖尿病等多种疾病。截止今日,由黍蛋白引起过敏反应的报道还未出现过, 所以黍蛋白可作为替代蛋白源 [7]针对那些对普通食物蛋白过敏的人群 , 并且黍蛋白属于植物蛋白, 会有利于人体的健康保健。1.1.4 黍蛋白的营养特性黍子中蛋白质有较高的含量,与玉米、高梁具有相近的营养价值,但氨基酸的含量呈现不平衡性。类似与其他谷物,黍蛋白中赖氨酸、色氨酸、苏氨酸含量较少(因品种不同有很小差异),所以生物效价不高,极大提高其生物效价的方法为辅加赖氨酸或高赖氨酸含量的蛋白。1.1.5 黍子营养成分分析资料 [8]可得出,黍子具有完整的营养成分,并且淀粉含量极高,且有较高的粗纤维含量,蛋白质、脂肪、灰分含量与小麦、大米及其他谷物相比有第 1 章 绪论明显的优势。在不同的品种、气候及栽培条件的影响下其主要营养成分具有较大的差异 [9]。1.1.5.1 碳水化合物黍子籽粒中籽粒重量的 70%左右为淀粉含量,其中梗性品种淀粉含量高于糯性品种。黍子淀粉含量随着地区、品种、生产条件的不同具有很大的差异。糯性品种的黍子中的直链淀粉的含量较低,一般约占淀粉总量的 0.3。而一般的黍子品种中的直链淀粉含量在 12.1 一 19.5%之间。直链淀粉在优质的糯性品种中含量为零;梗性品种的直链淀粉含量为 4.5%一 12.7%,比大多数谷物直链淀粉(22— 25%)的含量 [10]都要低。黍子淀粉在吸水力和胶凝温度方面均比小麦和黑麦高,溶胀力比黑麦低,约与小麦淀粉相同,溶解度低于小麦淀粉,但在糊化后粘度比小麦淀粉高。Kapustina,Rakhimbaev 等 [11]人对黍子中所含糖类进行了研究,蔗糖、棉子糖、葡萄糖、果糖为黍子中主要糖类;Beeker [12]则认为黍子所含糖类的主要组分为蔗糖和棉子糖,含有极少的半乳糖、葡萄糖和果糖。Fujita[13]采用差示量热扫描(DSC)法对黍子淀粉进行了研究,发现糯性黍子的峰值温度(Tp)和热函值相互关联,但这种关系在梗性黍子中却并不存在。1.1.5.2 蛋白质及其氨基酸黍子相比于大米、小麦、玉米等具有较高的蛋白质含量,尤其是糯性品种,其蛋白质含量通常在 13.6%(N=6.25)左右,最高可达 17.9%。醇溶蛋白和谷蛋白为主要的蛋白质,与玉米、高粱具有相似的营养价值,但氨基酸的含量呈现不平衡性。黍子蛋白质富含谷氨酸和亮氨酸,但黍蛋白中赖氨酸、色氨酸、苏氨酸含量较少( 因品种不同有很小差异),所以生物效价不高,极大提高其生物效价的方法为辅加赖氨酸或高赖氨酸含量的蛋白。Nishizawa 等 [14]人应用含黍米粉 73.3%( 作为唯一氮源) 的混合型饲料来饲养大鼠,结果发现大鼠出现生长停滞现象,但当适当添加赖氨酸和苏氨酸后大鼠的生长恢复正常。Kasaoka 等 [15]人测定了酶法制得的黍浓缩蛋白的氨基酸分数(amino acid score)为 20.8,蛋白消化率(proteindigestibility)为 80%,生物价(biological value)为 40.7%,净蛋白利用吉林大学学士学位论文率(net proteinutilization)为 35%,与其他谷物相比偏低,应该是是黍中含有较高活性的抗胰蛋白酶和抗凝乳蛋白酶成分所造成的 [16]。1.1.5.3 脂肪黍子具有很高的脂肪含量,约为 3.55—3.95%,比小麦粉和大米都要高。其分布主要在胚中,脱皮后的黍子粗脂肪含量会达到 4.9%,或者更高值。在储藏期间,由于甘油三酯具有分解作用,将导致未酯化的亚麻酸含量将会升高,酯化的亚麻酸含量下降,但总的脂肪酸组成几乎不变。Sridhar 和 Lakshminarayana 等 [17]人相继分离、提取、分析了黍子中脂肪的组成和含量,其中游离、结合、结构脂肪分别占总脂肪含量的62.2%、27.8%、10.0%;非极性酯、甘油三酯、磷酯分别为80.83%、6.14%、5.14%。不饱和脂肪酸占其中绝大部分,不饱和脂肪酸的主要成分为亚油酸和油酸,在总脂肪含量中占 85%以上。由于黍子含有很高含量的脂肪,脂肪中主要成分为不饱和脂肪酸,而且脂肪中酯酶具有较强的活性,VE 含量较低,所以会导致在储藏过程中黍子容易酸败而变质。1.1.5.4 矿物质黍子中含有全面的维生素,尤其具有含量很高的胡萝 h 素,在谷物中VA、Val、VB2 含量很高,分别达到 2.67、0.59、0.52mg/g,VE 含量也比大米含量高很多。Seit-Ablaeva 等人 [18]通过比较黍子和小麦中的 VE 含量及储藏 12 个月期间各自 VE 含量的变化,得出实验结果黍子具有比小麦高的 VE 含量,但 VE 流失的速度也快在储藏的 12 个月期间;黍子中泛酸含量约 lmg/g左右。1.1.5.6 抗营养因子黍子中单宁、植酸等抗营养因子含量较高。黍子的单宁含量为 0.055 一0.178% [19],但如果将籽粒去皮,则其中只含痕量的单宁物质,而且单宁可以由籽粒中的某些化合物和香兰素反应生成,但单宁不会凝结即使有这些化合物的存在;黍子中含 0.17 一 0.47%的植酸盐,在去皮后含量减少到 25%。第 1 章 绪论1.1.6 黍子蛋白的生理活性及功能特性1.1.6.1 调节胆固醇代谢活性Nishizawa 等人 [20]用蛋白质含量为 20%的日粮,饲养 4 周龄 Wistar 大鼠、BALB/cCrslc 小鼠和 Spraguc Dawlcy 大鼠,其日粮中蛋白质是由黍子蛋白质(含蛋白质 40%,氮源为添加的 38%的赖氨酸和 0.48%的苏氨酸)配制成的。3周后,他们发现大鼠和小鼠血清的高密度脂蛋白胆固醇(HDL.c) 浓度与饲喂酪蛋白组和大豆分离蛋白组的大鼠和小鼠相比有显著升高;相对稳定的是血清总胆固醇(Tc) 、低密度脂蛋白(LDL)和总甘油三酯(TG)的浓度,所以得到这样的结论,黍子蛋白质具有调节胆固醇代谢的作用,因此可能会具有预防动脉粥样硬化的效果。1.1.6.2 预防肝损伤功能Nishizawa 等人 [21]在以 20%的大鼠蛋白日粮为对照实验的条件下,用含黍子蛋白质 20%的大鼠日粮饲喂 5 周龄雄性 Wistar 大鼠,大鼠的采食和饮水是自由的,2 周后禁食 4 小时,并向腹膜内注射 D 一半乳糖胺 (800mg/kg 体重),20 小时后,测血清精氨酸氨基转移酶、乳酸脱氢酶转氨酶和丙氨酸氨基转移酶活力通过上腔静脉取血,实验发现黍子蛋白质与酪蛋白相比,能对由 D-半乳糖胺引起的精氨酸氨基转移酶、丙氨酸氨基转移酶和乳酸脱氢酶转氨酶活力的升高起到显著的抑制作用,得出结论黍子蛋白质功能上能预防肝损伤。1.1.6.3 黍子的保健功能黍子营养价值很高,其药用价值也不可忽略。我国传统的中草药之一就是黍子。在《内经》和《本草纲目》都有记载,黍子性味:甘、平、微寒、无毒;《名医别录》记载,煮熟和研末食,稷米“入脾、胃经”,功能“和中益气、凉血解署”,主治气虚乏力、中暑、头晕、口渴等症;煮粥或淘取泔汁服,黍米“入脾、胃、大肠、肺经”,功能“补中益气、健脾益肺、除热愈疮”,主治脾胃虚寒、肺虚咳嗽、呃逆烦渴、泄泻、胃痛,鹅口疮、烫伤等症。日本人把黍子作为替代食品来治疗过敏症 [22]。美国人黍子的销售是在在保健食品专卖店,因为他们将黍子作为健康食品 [23]。
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