魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定;開放性化學(xué)實驗探索

1、第 26 卷第 3 期搖 搖 大學(xué)化學(xué)Vol. 26 No. 3搖搖 2011 年 6 月UNIVERSITY CHEMISTRYJun. 2011魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定開放性化學(xué)實驗探索徐瑜搖 徐偉明搖 周晶(杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院浙江杭州搖 310036)搖 搖 摘要搖 以魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定為例,為學(xué)生開設(shè)開放性實驗,使學(xué)生鞏固理論知識,激發(fā)學(xué) 習興趣,提高實驗操作技能,進一步提高科研創(chuàng)新能力和綜合能力。搖 搖 關(guān)鍵詞搖 開放性實驗搖 魔芋搖 葡甘露聚糖搖 含量測定搖 搖 開放性實驗1鄄2 可以使實驗室教學(xué)資源得到充分利用,學(xué)生可以運用所學(xué)的化學(xué)知識,結(jié)合實際,

2、自 己設(shè)計課題,采用合作學(xué)習的方式解決問題。 開放性實驗?zāi)苁箤W(xué)生得到自主探索研究的機會,對于提高 學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力很有意義。搖 搖 我們選擇了一個有教學(xué)意義、難度適宜的課題魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定,作為開放性 化學(xué)實驗,對我?；瘜W(xué)類專業(yè)學(xué)生開設(shè)。 該實驗涉及有機化學(xué)、高分子化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析等課程 知識以及實驗操作的綜合應(yīng)用。1搖 課題背景知識介紹搖 搖 魔芋是一種草本植物,是我國的特產(chǎn),廣泛分布于長江流域。 魔芋球莖中含有葡甘露聚糖(KGM)、 淀粉、生物堿、纖維素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分,其中 KGM 是一種優(yōu)良的低熱量、低脂肪、高纖維素的水溶 性膳食纖維。 許多

3、研究表明,KGM 具有降血糖、降血脂及逆轉(zhuǎn)脂肪肝、通便減肥、抗癌、增強免疫功能、 抗衰老等3 保健作用和醫(yī)療功效。 魔芋葡甘露聚糖有獨特的理化性質(zhì)和一些優(yōu)良的特性,如強吸水性、可食用性、流變性、增稠性、凝膠性和成膜性,在制藥工業(yè)、日用化學(xué)工業(yè)、造紙工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的 應(yīng)用。搖 搖 魔芋葡甘露聚糖是已知植物膠中黏度最大的天然高分子多糖,其分子式為( C6 H10 O6 ) n 。 對 KGM 化學(xué)結(jié)構(gòu)研究的有關(guān)報道很多,但其確切結(jié)構(gòu)至今尚無定論,奧山典生等人推測它的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1搖 KGM 的推測結(jié)構(gòu)5鄄6搖 第 3 期徐瑜等:魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定開放性化學(xué)實驗探索592搖

4、 實驗方案設(shè)計搖 搖 有多種用于評價魔芋精粉和相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的方法;KGM 含量是評價的關(guān)鍵指標。 KGM 含量的測 定方法有很多種,有費林滴定法、3,5鄄二硝基水楊酸法(DNS 法)、甘露糖膠重量法、苯酚比色法、旋轉(zhuǎn)黏 度法、薄層色譜法、氣相色譜法4 和高效液相色譜法,每種方法都有各自的優(yōu)缺點。 根據(jù)這一情況,可 讓學(xué)生查找相關(guān)文獻,根據(jù)自己的知識水平和興趣,選擇一種或幾種測定方法進行實驗,并對實驗結(jié)果 進行分析和比較;然后采用小組討論的形式探討是否可行;再由教師把關(guān),逐一進行評價;最后制定出最 佳實驗方案。 這一過程有助于開闊學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生比較辨別的能力。 高年級的學(xué)生還可對所用測定方

5、法中不同因素對實驗結(jié)果的作用和影響進行分析和評價。2. 1搖 實驗前準備工作搖 搖 學(xué)生選擇某種測定方法后,根據(jù)文獻準備實驗用化學(xué)藥品、試劑和儀器,其中遇到如氣相色譜儀、液相色譜儀、紫外可見分光光度計等大型儀器時,還需進一步學(xué)習和鞏固這些儀器的實驗原理和操作方 法。2. 2搖 樣品的預(yù)處理搖 搖 樣品的預(yù)處理即 KGM 的提取方法有好幾種:酸性冷溶法、酶解法、沸水溶解法、乙醇沉淀法、超聲 波提取法、甲酸鄄氫氧化鈉緩沖液溶脹法等。 每種提取方法都有自己的優(yōu)缺點,學(xué)生可以根據(jù)實驗室條 件和實驗時間選擇感興趣的方法。2. 3搖 實驗操作搖 搖 選擇好樣品測定方法和預(yù)處理方式后進行實驗操作。2. 3.

6、 1搖 3,5鄄二硝基水楊酸法( DNS 法)搖 搖 選擇甲酸鄄氫氧化鈉緩沖液溶脹法提取 KGM,制作標準葡萄糖工作液的曲線,確定最大吸收波長,制備 KGM 水解液,選擇一定的顯色時間、DNS 添加量、水解酸度和水解時間等因素進行檢測,按下式算 出 KGM 的含量:搖搖搖搖w(KGM)= 著 伊(5T樣 - T白)伊 50m搖 搖 式中 w(KGM)為 KGM 的質(zhì)量分數(shù)( 下同);著 為甘露糖和葡萄糖在葡甘露聚糖分子中的殘基分子 量與葡甘露聚糖水解后得到的甘露糖和葡萄糖相對分子質(zhì)量之比;T樣 為水解液的吸光度值;T白 為空白 樣的吸光度值;m 為魔芋粉樣品質(zhì)量。2. 3. 2搖 高效液相色譜

7、法7搖搖選擇超聲波提取法來提取 KGM,制作含葡萄糖、甘露糖均為 0. 1mmol / L 標準混合液的工作曲線,制備 KGM 水解液,按標準曲線法進行操作,衍生化后采用反相高效液相色譜法,分段梯度洗脫,檢測波長為 250nm,按下式計算 KGM 含量:搖搖搖 搖 w(KGM) =(mM+ mG )伊 14. 59m搖搖式中 mM 為樣品中甘露糖質(zhì)量;mG 為樣品中葡萄糖質(zhì)量;m 為樣品魔芋精粉的質(zhì)量。2. 3. 3搖 甘露糖腙重量法8搖 搖 選擇酸性水解法提取 KGM,冷卻后過濾,收集濾液,調(diào)節(jié) pH 至 3. 0,加苯肼混合,室溫條件下靜置18 20h,用已干燥至恒重( m1 ) 的定量濾

8、紙過濾, 洗滌沉淀及濾紙, 將帶有沉淀的濾紙烘干至恒重(m2 ),按下式計算 KGM 含量:60大學(xué)化學(xué)第 26 卷搖搖搖搖 搖 w(KGM) =m2- m1伊 1. 0351m搖搖式中 m 為樣品質(zhì)量;m1 為干燥濾紙質(zhì)量;m2 為干燥沉淀和濾紙的總質(zhì)量;1. 0351 為由甘露糖到葡甘聚糖的換算系數(shù)。2. 3. 4搖 苯酚比色法9搖搖選擇乙醇沉淀法提取 KGM,繪制標準葡萄糖工作液的曲線,配制 KGM 樣品液,加入 6. 0% 苯酚試劑,于冰水浴中加適量濃硫酸,冷卻后于 490. 0nm 波長處測吸光度,按下式計算 KGM 含量:搖搖搖 搖 w(KGM) =著 伊 籽1籽2搖搖式中著 為多

9、糖的校正系數(shù);籽1 為標準曲線上查得的樣品質(zhì)量濃度;籽2 為加入樣品的質(zhì)量濃度。2. 4搖結(jié)果分析搖 搖 通過上述實驗操作,學(xué)生可以感受到整個科學(xué)研究的過程,對不同的測定方法得到的結(jié)果進行分析 和比較,總結(jié)出最佳的實驗條件;還可進一步進行放大試驗、精密度試驗、重現(xiàn)性試驗、回收率試驗等,分 析誤差產(chǎn)生的原因和操作的關(guān)鍵,總結(jié)經(jīng)驗。2. 4. 1搖 DNS 比色法搖 搖 DNS 比色法的測定原理是:魔芋葡甘露聚糖水解后生成甘露糖和葡萄糖兩種還原糖,3,5鄄二硝基水 楊酸與還原糖共熱后生成棕色的氨基化合物,在一定范圍內(nèi),還原糖的量同反應(yīng)液的顏色強度呈比例關(guān) 系,利用比色法可測定魔芋中葡甘露聚糖的含量

10、。搖 搖 在 KGM 的提取方法上要說明以下幾點:1) 常規(guī)水提法的不足之處是魔芋粉水溶脹后,溶液較渾 濁,顆粒多且破碎不完全,導(dǎo)致 KGM 不能完全溶出,KGM 含量測定值偏低,提取時間長;2) 超聲波提取 法利用超聲波具有的機械振動能、熱學(xué)性能和強大的空化效應(yīng),用超聲波清洗器在除去魔芋精粉中的游 離還原糖后,超聲提取魔芋精粉中的 KGM 并進行檢測,與常規(guī)水提法相比,該方法提取時間縮短,提取 效率提高;3) 甲酸鄄氫氧化鈉緩沖液溶脹法提取效率高,簡單快速,結(jié)果可靠,省去了常規(guī)法、超聲水提 法中用 85% 乙醇除去游離還原糖的操作,通過試樣空白對照扣除,以獨特的定容方法避免了轉(zhuǎn)移過程 中容器

11、壁上附著 KMG,從而使結(jié)果更加準確,實驗重現(xiàn)性高。搖 搖 DNS 比色法不需昂貴的大型分析儀器,操作簡便,容易上手,但此法中氨基化合物的吸光度隨時間 的變化而變化,必須使葡萄糖標準溶液的顯色反應(yīng)后存放時間與樣品溶液的顯色反應(yīng)后存放時間一致, 以減少因顯色反應(yīng)后存放時間不同而造成的分析誤差;另外此法不能得出 KGM 分子中甘露糖和葡萄 糖的物質(zhì)的量比。2. 4. 2搖 高效液相色譜法搖 搖 高效液相色譜法首先測定標準混合液中甘露糖和葡萄糖這兩種單糖間的校正因子,把樣品中甘露 糖和葡萄糖的峰面積與內(nèi)標物鼠李糖峰面積的比值分別代入各自的線性回歸方程,求得各自的量,再經(jīng) 計算得樣品的 KGM 含量與

12、兩種單糖的比例。搖 搖 該方法分離效率高,分析快速,定量準確,檢測時間較短,準確度較高,能同時測定 KGM 含量及其 單糖組成。 但儀器昂貴,所需試劑比其他方法偏貴,實驗操作較復(fù)雜。2. 4. 3搖 甘露糖腙重量法搖 搖 甘露糖腙重量法的原理是甘露糖與苯肼反應(yīng),生成甘露糖腙,而葡萄糖對甘露糖與苯肼反應(yīng)沒有影 響,甘露糖在葡甘露聚糖中以一定比例存在,只要葡甘露聚糖徹底水解,就可以準確測出甘露糖的含量, 通過換算能夠得到 KGM 的含量。搖 第 3 期徐瑜等:魔芋精粉中葡甘露聚糖含量的測定開放性化學(xué)實驗探索61搖 搖 此法不受淀粉、纖維素及其他可溶性糖的影響,沒有溶脹及分離雜質(zhì)的麻煩,但分析過程中

13、被分析 組分易損失,誤差大。2. 4. 4搖 苯酚比色法搖 搖 苯酚比色法的測定原理是:先用 50% 乙醇浸泡,離心,除去單糖、雙糖、低聚糖、苷類、生物堿等干擾 成分,然后用水提取其中所含的可溶性多糖,多糖類成分在濃硫酸作用下,水解生成單糖,再與苯酚縮合 生成黃色化合物,顏色深淺與糖的濃度成正比,從而可求得 KGM 含量。 此法與 DNS 比色法類似。搖 搖 該方法測定 KGM 含量簡單快速,穩(wěn)定性好,易操作,原料簡單價廉,但操作要仔細,否則令結(jié)果偏 低,標準液和樣品液的濃度需合理配制,吸光度需控制在一定范圍內(nèi)。2. 4. 5搖 開放性實驗的實踐與分析搖 搖 我們發(fā)現(xiàn)最初學(xué)生得到這個課題后根本

14、不知道該從哪里下手,只是像平時一樣,期待教師把具體的 實驗方案、實驗步驟明明白白地寫下來再進行實驗。 經(jīng)過指導(dǎo)教師講解如何進行文獻檢索及如何確定 實驗方案的演示,學(xué)生能逐漸進入到研究狀態(tài),自己尋找感興趣的實驗方法并進行實驗,在此過程中發(fā) 現(xiàn)不理解的和有疑問的地方能主動探討,學(xué)生的積極性和熱情較高。搖 搖 在這個開放性實驗過程中,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生最容易掌握甘露糖腙重量法,但初期實驗結(jié)果誤差較大; 對于 DNS 比色法和苯酚比色法,學(xué)生掌握的難易情況次之,主要是對試劑的預(yù)處理不夠好,數(shù)據(jù)處理和 計算公式的推導(dǎo)不熟練;較難掌握的一種方法是高效液相色譜法,由于涉及到大型儀器高效液相色譜 儀,對實驗原理的理

15、解和實驗操作都有一定的困難。 學(xué)生采用這些方法進行實驗的重點是要先準確掌 握各種實驗方法的測定原理,這樣在后面的實驗操作中才能做到胸有成竹。搖 搖 通過開放性實驗,學(xué)生不僅系統(tǒng)查閱文獻的能力得到顯著提高,而且通過對實驗的多次重復(fù),從實 驗原理分析誤差的來源,實驗動手能力也大有提高;另外,在實驗過程中,通過學(xué)習超聲波清洗器、紫外 可見分光光度計、高效液相色譜儀等大型儀器的使用,培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用多門化學(xué)課程的相關(guān)知識的 能力;最后,同學(xué)之間還可以通過對實驗結(jié)果和影響因素的分析、比較,在學(xué)會體會實驗方法的多樣性帶 來樂趣的同時,掌握科學(xué)研究的嚴謹性。3搖 結(jié)語搖 搖 在實驗過程中,可能會出現(xiàn)各種意

16、外情況,教師要及時作必要的指導(dǎo)和調(diào)整。 開放性實驗突出了學(xué) 生的主體地位,這種模式對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力是非常重要的。參搖 考搖 文搖 獻1 搖 李文杰. 重慶工學(xué)院學(xué)報,2006,20(6):1572 搖 王潤孝,李小聰. 中國高等教育,2005,9:373 搖 古元冬,史建勛,胡卓逸. 中草藥,1999,30(2):1274 搖 廖燕芝,楊代民,張繼紅,等. 食品與生物技術(shù)學(xué)報,2008,27(4):665 搖 張秋云. 中國民族民間醫(yī)藥,2008,5:696 搖 喻玲玲,鄒坤. 時珍國醫(yī)國藥,2008,19(3):6807 搖 袁忠海,吳道澄,趙燕,等. 中國中藥雜志,2003,28(7):6218 搖 王中鳳,張盛林,劉佩瑛,等. 食品與發(fā)酵工業(yè),2001,27(10):539 搖 易春艷,李佳鳳,余愛農(nóng),等. 食品工業(yè)科技,2006,27(4):177書是我們時代的生命別林斯基書籍是巨大的力量