冀照君，李　华，穆莎茉莉，袁晓霞

（1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古通辽 028000；2.内蒙古民族大学农学院，内蒙古通辽 028000）

响应面法优化香蕉皮中果胶的提取工艺研究

冀照君1，李华1，穆莎茉莉1，袁晓霞2

（1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古通辽 028000；2.内蒙古民族大学农学院，内蒙古通辽 028000）

目的：为了提高副产品香蕉皮的利用价值。方法：原料经热烫钝化果胶酶后，然后以0.05mol/L的盐酸溶液作为提取溶剂，0.5mol/L NaOH调节pH为2.0，采用响应面对超声波辅助乙醇沉淀法提取香蕉皮中果胶的工艺进行优化。结果：香蕉皮中果胶的最适提取工艺为料液比5∶1、超声波功率340W、处理时间42.0min、处理温度76.0℃。然后采用95%的乙醇沉淀1.5h，3000r/min离心15min后果胶得率达4.15%。结论：该工艺可以有效地从副产物香蕉皮中提取果胶。

香蕉皮，超声波，乙醇沉淀，果胶

果胶（Pectin）是一种高分子聚合物，其主要成分是部分甲酯化的α-（l，4）-D-聚半乳糖醛酸，工业上可分离提纯，平均分子量在50000~180000之间[1-2]。果胶具有许多重要的生理功能，它不仅可显著降低血糖、血脂，减少胆固醇，疏通血管，还对糖尿病、高血压、便秘，解除铅中毒等都有明显作用[3]。此外，果胶还是高档的天然食品添加剂和保健品，在食品上作胶凝剂、增稠剂、稳定剂、悬浮剂、乳化剂、增香增效剂等[6-8]。

随着功能性多糖的开发研究，果胶作为水溶性膳食纤维，越来越受到添加剂等行业的重视[9-10]。通常情况下，果皮作为果胶主要存在场所，为食品加工厂的副产物，因此，从果皮中提取果胶成分，可以变废为宝。研究者们分别从苹果渣、柚子皮、火龙果果皮、橘皮、火棘等原料中提取果胶，得到了可观的结果并应用于食品添加剂[11-14]。之后，又有人从香蕉皮中提取果胶。王辰等[15]采用传统的盐酸提取法从香蕉皮中成功提取出果胶。邱礼平等[16]采用4种不同的方法提取果胶，并分析果胶结构，结果表明酸解盐析法提取果胶效果最好，得率达1.311%。于海莲等[17]采用超声波辅助硫酸铝沉淀法对香蕉皮中的果胶进行提取，果胶的产率为鲜果皮的3.2%。邓红梅[9]优化了果胶酸法提取工艺，果胶产率得到了提高。但目前还没有关于响应面优化超声波辅助乙醇沉淀法来提取香蕉皮果胶的相关报道。

本实验以副产物香蕉皮为原料，以盐酸溶液作为提取溶剂，采用超声波辅助乙醇沉淀法提取香蕉皮中的果胶[18]，通过响应面实验设计，优化果胶提取的工艺参数，获取该提取工艺的最适条件，为从副产物香蕉皮中提取果胶提供技术参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

香蕉市售；盐酸北京金辉通业化工有限公司；95%乙醇北京恒通化工有限公司；丙酮廊坊市兴达化工有限公司；乙醚北京世纪东方化工有限公司；氨水北京世纪红星化工有限公司。

8010S型组织捣碎机上海凌初环保仪器有限公司公司；RE-201D旋转蒸发器上海科兴仪器有限公司公司；KQ-800DB数控超声波清洗器上海楚柏实验室设备有限公司公司；TDZ4台式自动平衡离心机长沙平凡仪器仪表有限公司。

1.2实验方法

1.2.1测定方法果胶含量的测定：参照农业部标准NY/T 2016-2011中的分光光度法。果胶得率的计算公式如下[17]：

果胶得率（%）=干燥后果胶重量（g）/香蕉皮重量（g）×100。

1.2.2果胶提取工艺流程图

1.2.3工艺要点说明

1.2.3.1原料处理将新鲜香蕉皮切分成约4mm× 4mm的小块，用水浸泡洗涤后，在85℃热水中热烫10min以钝化果胶酶，再以冷水冷却、清洗，以除去香蕉皮中的可溶性固形物，并挤压以除去大部分水分[16]。

1.2.3.2水解抽滤按一定的料液比加入0.05mol/L盐酸溶液，并用0.5mol/L NaOH调节pH为2.0，进行超声波处理，待水解完全后，用活性炭脱色，70℃保温20min，趁热抽滤[16]。

1.2.3.3真空浓缩为了减少乙醇消耗量，将抽滤得到的溶液真空条件下浓缩。

1.2.3.4乙醇沉淀将浓缩液用稀氨水调节pH到3~ 4，加入1.5倍的95%的乙醇溶液[15]，静置1.5h后离心。

1.2.3.5离心分离将沉淀好的果胶液在3000r/min的条件下离心15min，取其沉淀物果胶，并回收乙醇。

1.2.3.6洗涤干燥将沉淀的果胶用95%的乙醇多次洗涤后，放在温度为55~60℃的真空干燥箱中，干燥8~12h。

1.2.4实验设计由于超声波处理在果胶提取过程中发挥着重要的作用，因而选择合适的超声波处理功率、处理时间、超声波处理温度可以有效地提高果胶得率，另外，香蕉皮与盐酸的料液比对果胶提取过程的影响也较大，因此本实验在之前单因素研究的基础上以料液比（v/w）、超声波功率（W）、处理时间（min）和处理温度（℃）四个因素为自变量（x），以果胶得率为响应值（Y），进行中心旋转组合实验设计[19]，共31个实验点。每个实验点均做三个平行样，取其平均值。因素水平编码表见表1。

1.2.5模型的验证通过响应面分析法优化提取香蕉皮果胶的条件，并在最优化条件下提取果胶，通过比较预测值和实验值来验证模型的有效性。

1.2.6统计分析Design-Expert 7.1软件（Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA）；SAS 8.1 软 件 ；Microsoft Excel 2003。

表1　中心旋转组合设计因素水平编码表Table 1　Factors and levels of central composite rotatable design

2　结果与分析

2.1模型的拟合

本 研 究 采 用 响 应 面 法（ Responsesurface methodology，RSM）建立一个模型来优化香蕉皮中果胶的提取工艺。实验结果见表2。

通过分析自变量和因变量得到一个能够在给定的范围内预测响应值的回归方程。果胶得率的回归方程如下：

通过上述回归方程得出得率的预测值与实际实验值拟合情况见图1，可以看出预测值和实验值拟合良好。

图1　得率的预测值和实验值的对应关系Fig.1　Correlation of predicted extraction rate with experimental prepared extraction rate

中心旋转组合设计的方差分析见表3。模型的拟合度可通过决定系数来衡量，Joglekar和May[20]建议，一个良好的模型，决定系数至少为0.80。本研究所得模型的决定系数为0.9989。这表明，99.89%的变更能够通过这个模型解释。

由表3可知，本研究所得回归模型极显著（p＜0.0001），因此，此模型能充分的表明各因素之间的关系。根据方差分析和回归方程系数显著性检验的结果，将差异不显著的因子剔除后得到的回归方程为：

超声波辅助乙醇沉淀法提取香蕉皮中果胶的得率受到回归方程中回归系数影响。由表3可知，x1、x2、x3、x4、x1x2、x1x3、x1x4、x3x4、x12、x22、x32、x42项对得率的影响极其显著，x2x3对果胶得率有显著影响，然而，x2x4则对果胶得率无显著的影响。对回归方程进行中心标准化处理，可以直接从回归系数绝对值的大小来分析各个因素的改变对果胶得率的影响。回归方程一次项的回归系数绝对值大小依次为x2、x1、x3、x4，表明超声波功率对果胶得率的影响最大，其次是料液比、处理时间、处理温度。

表2　中心旋转组合设计和响应值Table 2　Central composite rotatable design and responses

2.2自变量对响应值的影响

为了更为形象的描述各个因素以及因素之间的交互作用对果胶得率的影响，料液比、超声波功率、处理时间、处理温度条件下响应值见图2~图7。

图2~图7直观地反映了各因素对响应值的影响。由图2~4可知，随着料液比的增加，得率先增大后减小，在料液比约为4∶1~5∶1时，得率较高。料液比对得率的影响较大，溶剂量少时，物料粘度大，扩散速度慢，难以保证物料中大部分果胶成分溶到提取液中，使提取不完全，且过滤困难，易产生胶质残留；溶剂量过大，溶液中果胶浓度低，处理操作过程中易丢失果胶物质，因此会减少果胶的得率。

图2　料液比和超声波功率对得率影响的响应面图Fig.2　Response surface for effects of ratio of liquid to solid and ultrasonic wave power on the extraction rate

图3　料液比和处理时间对得率影响的响应面图Fig.3　Response surface for effects of ratio of liquid to solid and time on the extraction rate

图4　料液比和处理温度对得率影响的响应面图Fig.4　Response surface for effects of ratio of liquid to solid and temperature on the extraction rate

由图2、图5、图6可以看出，超声波功率对得率的影响也较大，随着超声功率增大，果胶的得率逐渐提高，但太大的超声波功率也会降低果胶的得率。因此本实验选择其最有效处理功率为300～350W。超声波对果胶提取的影响非常显著，超声波可产生横向振动和纵向振动，随着超声功率增大，振动程度、空化现象较剧烈，破坏了细胞壁的组织和细胞，胞内果胶不断溶出，利于果胶的提取，这与丁利君等看法相同[21]；当超声波功率增大到一定程度以后，果胶的得率反而降低，这可能是由于超声功率过大时，使得果胶水解并裂解成多糖分子。

表3　中心旋转组合设计方差分析表Table 3　Analysis of variance（ANOVA）of the regression parameters for the response surface model

图5　超声波功率和处理时间对得率影响的响应面图Fig.5　Response surface for effects of ultrasonic wave power and time on the extraction rate

图6　超声波功率和处理温度对得率影响的响应面图Fig.6　Response surface for effects of ultrasonic wave power and temperature on the extraction rates

图7　处理时间和处理温度对得率影响的响应面图Fig.7　Response surface for effects of time and temperature on the extraction rate

由图3、图5和图7可知，果胶得率随时间的延长而提高，当时间约为40～50min时，得率提高的速率较快，当处理时间超过50min后，得率开始缓慢下降。综上所述，提取时间不应该过长，因为提取时间过长时，果胶会解酯、裂解，而造成果胶产率下降。

由图4、图6和图7可以看出，果胶得率随处理温度的升高而增大，当处理温度升高到一定程度后，得率开始下降，只有在处理温度范围为70~80℃之间时，得率较高。选取最适处理温度会有效的提高果胶得率，可能是由于温度升高，加速了分子的热运动，传质速率变快，使得原料中的不溶性果胶水解成可溶性果胶而向外扩散，果胶的提取量逐步提高；当温度升高到一定程度后，得率略有降低，可能是香蕉果胶在酸性条件下的热稳定性受影响，部分果胶遭到破坏，裂解成多糖分子，果胶的提取量反而降低，这与翁婷婷的研究结果一致[22]。

2.3最适条件和回归模型的验证

通过这个回归模型，采用Design Expert 7.1软件优化香蕉皮果胶提取条件，得出最适工艺条件为：料液 比5 ∶1、超 声 波功 率 340W、处 理 时 间 42.0min、处理温度76.0℃，在此条件下，果胶得率的预测值为4.17%，而实际测得的得率为4.15%，实际值与预测值之间的相对误差为0.02%，差异不显著，符合要求。因此，采用RSM法优化得到的工艺条件准确可靠，具有实用价值。

3　结论

果胶是天然提取物，无毒无害，安全可靠。随着功能性多糖的开发研究，果胶作为水溶性膳食纤维，越来越受到研究和加工行业的重视。然而，香蕉皮作为工业上的一种副产物，没有得到很好地开发和利用，严重造成了资源的浪费。本文通过采用响应面对超声波辅助乙醇沉淀法来优化香蕉皮中果胶的提取工艺。实验结果表明，在料液比为5∶1的条件下，采用功率340W的超声波于76.0℃下处理42min后，再用95%乙醇沉淀1.5h，3000r/min离心15min后果胶得率可以达到4.15%，与预测值之间的相对误差为0.02%，差异不显著，这说明该优化条件准确可靠。总之，与其他提取方法相比，超声波辅助提取法可以有效地从副产物香蕉皮中提取果胶，提高果胶的得率，为果胶工业开辟出一条新的发展途径。

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Optimization of pectin extraction from banana skin by response surface methodology

JI Zhao-jun1，LI Hua1，MU Sha-moli1，YUAN Xiao-xia2
（1.College of Life Science，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China；2.College of Agriculture，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China）

Objectives：In order to improve the by-product utilization value of banana skin.Methods ：The pectin enzyme in banana skin was inactivated with heat treatment.Extraction solvent was 0.05mol/L hydrochloric acid solution and the pH was adjusted to 2.0 with 0.5mol/L NaOH.Then ultrasonic-assisted extraction of pectin from banana skin with ethyl alcohol precipitation method was optimized.Results：The extraction rate of pectin was 4.15% ，when the extraction substance with a ratio of liquid to solid 5 ∶1 was processed by ultrasonic wave power 340W at 76.0℃ for 42.0min before precipitating 1.5h using 95%ethanol and centrifuging 3000r/min 15min.Conclusion：This indicated that pectin could be extracted from by-product of banana skin effectively with this method.

banana skin；ultrasonic wave；ethyl alcohol precipitation；pectin

TS255.4

B

1002-0306（2014）22-0236-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.043

2014－02－28

冀照君（1982-），男，讲师，研究方向：食品科学。

内蒙古自然科学基金项目（2013MS1220）。