微量化學實驗:常見食物營養成分的微量檢驗(上)/ 李佳蕙、蘇韋嘉、楊水平

星期日 , 10, 七月 2016 Leave a comment

微量化學實驗:常見食物
營養成分的微量檢驗(上)

李佳蕙、蘇韋嘉、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

與「食物營養成分」和「微量化學」有關者,在102課程綱要的高級中學基礎化學(二)提到「生活中的化學」的應修內容,和「簡介化學、化工與日常生活的關係」的說明;並且提到「含碳元素的物質」的主題,「生物體中的有機物質:醣類、蛋白質、脂肪、核苷酸」的應修內容,和「單醣、雙醣、多醣;胺基酸及其結構、蛋白質;脂肪酸、三酸甘油酯;核苷酸的構造及核酸」的說明。在107新課程綱要(草案)的化學選修中提到「CMa-a-1 …建立綠色化學與永續發展的概念」的學習內容;並且提到「CMc-a-6生物體中的大分子:多肽、蛋白質、酵素、核酸等。」的學習內容,「6-1 醯胺基、肽鍵與蛋白質、酵素。」的說明。無論新舊課程綱要,有關食物營養成分的化學學習內容只有知識面的學習而沒有提到動手做實驗。

本實驗設計旨在讓學生連結化學到生活中,以動手操作化學實驗體驗生物化學的奧妙,透過微量實驗的設計,減少廢棄物的產生,建立綠色化學與永續發展的概念。藉由親自操作實驗讓學生了解到生活常見的食物所含的重要營養成分。現行國外傳統檢驗食物中碳水化合物、蛋白質及脂肪的方法,大多以大量或少量的方式進行,對於藥品使用量和廢棄物處理是可觀的,而且實驗過程需要花費相當的時間,在化學實驗室中進行。因此,我們企圖改善這些缺點,以貼近生活為導向,設計適合中學教師於課堂中教學的微量化學實驗。

n  原理和概念

一、  碳水化合物醣類(Carbohydrates / Saccharides

(一)      本氏試驗(Benedict’s test

本氏試驗用來檢測還原糖的存在與否,還原糖包括單醣:葡萄糖(醛醣)、果糖(酮醣)、半乳糖(醛醣);雙糖:麥芽糖(醛醣)、乳糖(醛醣)。當還原糖與藍色的本氏試劑(含Cu2+)一起加熱時,會產生磚紅色氧化亞銅(Cu2O)的沈澱物,如式[1]所示。

clip_image001    [1]

(圖片來源:http://goo.gl/te37Ju

陽性反應的顏色取決於還原糖的含量,磚紅色(最多)、橙色(多)、綠色(些許);陰性反應呈現藍色(無還原糖,如圖一所示。

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圖一:藍色視為陰性反應;綠色、橙色、磚紅色視為陽性反應

(圖片來源:http://goo.gl/te37Juhttp://goo.gl/cBchtE

(二)      謝氏試驗(Seliwanoff’s test

謝氏試驗(中文翻譯暫稱)用來區分酮醣與醛醣。在酸性條件下,加熱多醣和寡醣,水解反應生成單醣,酮醣進一步形成5-羥甲基呋喃甲醛(5-hydroxymethylfurfural),然後與兩當量的間苯二酚(resorcinol)進行脫水的縮合反應,產生深櫻桃紅色的分子,如式[2]所示。

clip_image007    [2]

(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Seliwanoff’s_test

由於謝氏試劑對酮糖進行縮合反應比醛糖更容易,因此酮糖快速變成櫻桃紅色而被視為陽性反應,對醛糖的反應則較慢,呈現淡粉色被視為陰性反應,如圖二所示。

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圖二:無色透明視為陰性反應(左);櫻桃紅色視為陽性反應(右)

(圖片來源:http://goo.gl/te37Ju

(三)      碘試驗(Iodine test

澱粉分為直鏈澱粉(amylose)和支鏈澱粉(amylopectin);直鏈澱粉遇到碘分子或三碘離子生成藍紫色的錯合物,如圖三左所示。而支鏈澱粉遇碘呈紫紅色的錯合物。藍紫色或紫紅色被視為陽性反應,如圖三右所示。

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圖三:澱粉與三碘錯離子形成錯合物(左);棕色視為陰性反應,藍紫色視為陽性反應(右)

(圖片來源:http://goo.gl/0YHlQ7http://goo.gl/te37Ju

二、  蛋白質和胺基酸(Proteins and Amino Acids

(一)      雙縮脲試劑(Biuret test

在鹼性溶液中,蛋白質或肽鍵與Cu2+反應而形成複合物,呈現紫紅色,如圖四所示;而顏色深淺與蛋白質濃度成正比。蛋白質分子較小,呈現淡紫紅色,而分子量較大的則呈現紫色或藍紫色。從淡紫紅色到藍紫色視為陽性反應,藍色視為陰性反應,如圖四所示

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圖四:生成的複合物(左);藍色視為陰性反應,紫紅色或藍紫色視為陽性反應(中和右)

(圖片來源:https://goo.gl/ShV7A6http://goo.gl/oCmti6https://goo.gl/ShV7A6

(二)      寧海準試驗(Ninhydrin test

寧海準(茚三酮)被廣泛用於檢測一級和二級胺類,尤其是胺基酸。所有胺基酸和與具有游離的α-氨基與寧海準分子反應產生hydrindantin,再與第二個寧海準分子產生藍紫色複合物,只有脯胺酸和羥脯胺酸與寧海準反應產生亮黃色物質。其反應過程如式[3]所示。淡黃色視為陰性反應,亮黃色或紅紫色和藍紫色視為陽性反應如圖五所示

clip_image021    [3]

(圖片來源:http://pms.iitk.ernet.in/wiki/index.php/Amino_acids

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圖五:藍紫色(中)和紅紫色(右)視為陽性反應

(圖片來源:http://goo.gl/9Dng6Lhttps://en.wikipedia.org/wiki/Ninhydrin

三、  酯質(Lipids / Oil and Fat

(一)      牛皮紙試驗(Kraft paper test):棕色的牛皮紙對油脂吸附很明顯,紙上會出現更深的顏色,視為陽性反應如圖六左和中所示

(二)      秤量紙試驗(Weighing paper test):秤量紙是玻璃紙(glassine)做成的,表面平滑而有光澤是由於表面空氣、水及耐油脂所造成的,吸附油脂後透明度增加,視為陽性反應

(三)      清潔劑試驗(Detergent test):清潔劑具有親水端和親油端,其作用為包附油脂在親油端中,親水端向外與水互溶,形成膠體溶液,發生乳化作用視為陽性反應,如圖六所示

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圖六:牛皮紙出現更深的顏色(左和中)視為陽性反應;加入清潔劑發生乳化作用視為陽性反應,右邊的乳化程度比左邊為高(右)

(圖片來源:http://goo.gl/u48xGlhttps://goo.gl/3Q9XJkhttp://goo.gl/J3uX5P

n  藥品、器材及配製試劑

一、  碳水化合物醣類(Carbohydrates

(一)      藥品和器材(全班用量)

量筒(100 mL 1支、量筒(10 mL1支、燒杯(100 mL 1個、藥勺 1支、秤量紙 2張、電子天平(或攜帶型電子天平) 1台、棉花棒 1盒、吹風機 1兩組、剪刀 1支、眼藥水瓶(10-15 mL 3組、水果刀 1支、各種醣類(如葡萄糖、蔗糖、高果糖糖漿) 少許、澱粉(如玉米澱粉) 少許;配製試劑的藥品及其用量如下所示。

(二)      配製試劑(全班用量,見圖十一)

1.        本氏試劑(Benedict’s reagent):溶解17.3 g的檸檬鈉(citric acid, C6H8O7)和20 g的碳酸鈉(sodium carbonate, Na2CO3)於80 mL的蒸餾水中。另外溶解1.73 g的二合水氯化銅(cupric chloride, CuCl2·2H2O)於10 mL的水中。緩慢地加入氯化銅溶液到檸檬鈉和碳酸鈉溶液中,邊加邊攪拌成100 mL的混合溶液。此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

2.          謝氏試劑(Seliwanoff’s reagent):溶解0.3 g的間苯二酚(resorcinol, benzene-1,3-diol)在100 mL4 M HCl中。此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

3.        碘試劑(Iodine reagent):直接使用市售的優碘(含1%有效碘),分裝在6-10個眼藥水瓶中。

二、   蛋白質和胺基酸(Proteins and Amino Acids

(一)      藥品和器材(全班用量)

量筒(100 mL 1支、量筒(10 mL1支、燒杯(100 mL 1個、藥勺 1支、秤量紙 2張、電子天平(或攜帶型電子天平) 1台、棉花棒 1盒、吹風機 1兩組、剪刀 1支、眼藥水瓶(10-15 mL 2組、水果刀 1支、容量瓶(100 mL 2支;配製試劑的藥品及其用量如下所示。

(二)      配製試劑(全班用量,見圖十一)

1.        雙縮脲試劑(Biuret reagent):取10 gNaOH,溶於100 mL的蒸餾水中。取1.4 gCuCl2·2H2O溶於100 mL的蒸餾水中。使用時再混合需要的量,此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

2.        寧海準試劑(Ninhydrin reagent):取0.2 gNinhydrin,溶於100 mL的乙醇中。此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

三、  酯質(Lipids / Oil and Fat

(一)      藥品和器材(全班用量)

牛皮紙(1.5 cm見方) 5組、秤量紙(1.5 cm見方) 5組、清潔劑 少許、剪刀 1支;待測富含酯質的天然食物和加工食品(可依教師教學需要和學生喜好而準備);配製試劑的藥品及其用量如下所示。

(二)      配製試劑(全班用量,見圖十一)

1.        牛皮紙(Kraft paper):剪成1.5公分見方,每組5張。

2.        稱量紙(Weighing paper):剪成1.5公分見方,每組5張。

3.        清潔劑(Detergent):一般市售即可,不需要稀釋。

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圖十一:裝在眼藥水瓶的各種檢驗試劑,由左而右分別是:本氏試劑、謝氏試劑、碘試劑、雙縮脲試劑、寧海準試劑、牛皮紙、秤量紙、清潔劑

n  檢驗表和待測食物

一、   檢驗表

由作者設計的常見食物營養成分微量(碳水化合物醣類、蛋白質和胺基酸、酯質油和脂)檢驗表,如圖十二所示。學生在檢驗前,先填寫待檢驗的食物名稱在表格的左邊空格上,然後放入透明塑膠資料夾內,即可進行食物檢驗。

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圖十:常見營養成分的檢驗表

二、   待測食物的準備和前處理

1.        準備天然食物或加工食品待測物,可依教師教學需或學生常吃的食物來準備,這些待測物可由師生共同準備,如圖十三所示

2.        優先準備一些富含特定營養成分(碳水化合物、蛋白質和胺基酸、油脂)的食物或食品,例如:玉米澱粉、餅乾、雞蛋、植物油、水果、肉類、堅果等。

3.        在檢驗前,有些食物或食品適合榨成蔬果汁,有些適合切成細小塊,有些適合壓成碎小塊,需要量不多,以方便放在檢驗表的表格內即可。

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圖十:天然食物或加工食品待測物之舉例

n  檢驗步驟

一、  碳水化合物醣類(Carbohydrates / Saccharides

(一)      本氏試驗(Benedict’s test

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式,使各種天然食物或加工食品成為細碎狀,再沾附於棉花棒的棉花上,如圖十四左所示。(必要時,可加入一些水,使食物容易沾附於棉花棒的棉花上。)

2.        滴上一滴本氏試劑在棉花上,再以吹風機的熱風吹棉花棒的棉花進行加熱,如圖十四右所示。若待測物中含有還原醣,則棉花棒上會出現磚紅色的變化。

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圖十四:待測物沾在的棉花棒,再滴加本氏試劑(左),以吹風機加熱(右)

3.        用剪刀,剪斷棉花棒,取得棉花的部分,放置在檢驗表的適當空格內。

(二)      謝氏試驗(Seliwanoff’s test

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式,使各種天然食物或加工食品成為細碎狀,再沾附於棉花棒的棉花上,如圖十五左所示。(必要時,可加入一些水,使食物容易沾附於棉花棒的棉花上。)

2.        滴上一滴謝氏試劑在棉花上,再以吹風機的熱風吹棉花棒的棉花進行加熱,如圖十五右所示。若食物中含有酮醣,則棉花棒上會出現酒紅色的變化。

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圖十五:待測物沾在棉花棒上,滴加試劑(左);謝氏試驗的陽性反應(右)

3.        用剪刀,剪斷棉花棒,取得棉花的部分,放置在檢驗表的適當空格內。

(三)      碘試驗(Iodine test

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式,使各種天然食物或加工食品成為細碎狀,放置待測物於檢驗的合適表格中,如圖十六左所示。

2.        滴加一滴優碘,等待5分鐘,觀察變色變化。若待測物中含有直鏈澱粉,則在待測物上會出現藍黑色,如圖十六右所示。

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圖十六:待測物放於表格中(左);碘試驗的陽性反應(右)

二、  蛋白質和胺基酸(Proteins and Amino Acids

(一)      雙縮脲試驗(Biuret test

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式,使各種天然食物或加工食品成為細碎狀,放置於檢測表的表格中。

2.        滴加一滴雙縮脲試劑,以牙籤輕輕地攪拌,等待幾分鐘後,觀察顏色變化。若是食物中含有蛋白質的成分,則其顏色從淡藍色轉變成紫色。

(二)      寧海準試驗(Ninhydrin test

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式,使各種天然食物或加工食品成為細碎狀,放置於檢測表格中。

2.        滴加一滴寧海準試劑,以牙籤輕輕攪拌,等待幾分鐘後,若是食物中含有胺基酸的成分,則其顏色從淡黃色轉變成紫色。

三、  酯質(Lipids

(一)      牛皮紙試驗(Kraft paper test

1.        剪裁牛皮紙成為小張紙,其大小比檢驗表的表格大小稍小一點。

2.        放置小張牛皮紙在適當的位置,滴加一滴液狀的待測物,若待測物為固狀,則在牛皮紙上壓碎,觀察紙張是否變為深色。若變為深色,則表示此待測物含有油或脂。

(二)      秤量紙試驗(Weighing paper test

1.        剪裁秤量紙成為小張紙,其大小比檢驗表的表格大小稍小一點。

2.        放置小張牛皮紙在適當的位置,滴加一滴液狀的待測物,若為固狀的待測物,則在秤量紙上壓碎,觀察紙張是否變為深色。若變為深色,則表示此待測物含有油或脂。

(三)      清潔劑試驗(Detergent test

1.        以壓汁等方式使待測物成液狀,或直接使用液體的待測物,滴加一滴在表格上,再滴加一滴清潔劑,然後用牙籤攪拌均勻,觀察是否有乳化現象。若有乳化現象,則表示此待測物含有油或脂。

〔續《微量化學實驗:常見食物營養成分的微量檢驗(下)》

 

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