刘涛，刘宁，王雅，张铁鹏

(哈尔滨商业大学 食品工程学院，哈尔滨 150076)

单宁(或称鞣质、单宁酸)，属于多酚化合物，其结构属于高度聚合型，是活泼性化学物质。单宁在食品的加工中有很多方面的应用，如食品辅色、调味、酒水的澄清等[1]。单宁可以从色泽、风味两个方面影响食品的风味。天然的单宁很容易被氧化，变成红棕色或褐色的醌类物质，成为食品色素的一部分。单宁对天然色素也有一定的辅色作用。另外，单宁还可以和口腔黏膜或唾液蛋白结合使食品产生涩味，产生粗糙褶皱的收敛感与干燥感。涩味可以加强口腔对其他味觉的感受能力。同时，还可以通过氧化耦合、分子降解反应生成天然色素，从而改变食品的色泽，在视觉与味觉两个方面影响食品的风味[2]。近些年来，单宁又因为其抵抗氧化活性、捕捉自由基、抵御菌类感染和相关类型的衍生化反应等生理性质被陆续开发研究，而被多次应用到食品、果蔬加工以及医药、水处理等领域[3]，具有十分广阔的开发前景。

1 实验部分

1.1 实验仪器、试剂与材料

1.1.1 主要实验仪器

JY92-11N型超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物科技股份有限公司；HWS12型电热恒温水浴锅、DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；B型玻璃仪器气流烘干箱 郑州长城科工贸有限公司；TDL-80-2B型低速离心机 上海安亭科学仪器厂；DFY-500型摇摆式高速中药粉碎机 温岭市林大机械有限公司。

1.1.2 实验试剂与材料

实验原材料：香蕉皮、市售香蕉。

实验试剂：氯化铵、乙酸锌、乙二胺四乙酸二钠、无水乙醇、氨水、丙酮、铬黑T，纯度皆为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 香蕉皮预处理

将待处理的香蕉皮于105 ℃的鼓风干燥箱中杀青处理15 min，再在65 ℃的温度下烘干香蕉皮到恒重[4]。用粉碎机将处理后的香蕉皮粉碎成粉末，过80目筛后，备用。

1.2.2 水解单宁的提取和测定

1.2.2.1 水解单宁的提取

准确称取1.00 g的1.2.1得到的备用香蕉皮粉末于锥形瓶中，加入一定量的提取试剂后，在一定的提取时间与超声功率条件下，于超声波细胞粉碎机中进行提取，收集提取液并测定水解单宁的含量。

1.2.2.2 水解单宁含量的测定

水解单宁含量的测定采用乙酸锌配位滴定的方法[5]，按公式(1)计算水解单宁含量：

提取量=(c1V1-25c2V2)×0.1556。

(1)

式中：c1为乙酸锌标准溶液的浓度，mol/L；V1为乙酸锌标准溶液的体积，mL；c2为EDTA标准溶液的浓度，mol/L；V2为滴定时消耗的EDTA的体积，mL；0.1556为由实验得出的比例常数，g/mmol；25为分取倍数。

1.2.2.3 水解单宁总含量的测定及提取效果的计算

称取香蕉皮粉末1.0000 g，料液比为1∶25(g/mL)，超声波功率为100 W，超声时间为25 min，用丙酮多次提取，当滤液加1% FeCl3不显绿色时，停止提取，将每次提取得到的水解单宁量累计计算，得出水解单宁的总含量。经测定，香蕉皮的总含量为6.7156 mg/g。水解单宁的提取率按公式(2)计算：

(2)

由公式(1)和公式(2)可得公式(3)：

(3)

式中：x为单宁的提取率，%；m为1.0000 g香蕉皮中的单宁总含量，经测定为6.7156 mg/g。

1.2.3 香蕉皮中水解单宁提取单因素考察

1.2.3.1 不同有机溶剂对水解单宁提取效果的影响

1.2.3.2 料液比对水解单宁提取效果的影响

准确称取1.00 g香蕉皮粉末，用60%(V/V)的丙酮作为提取剂，按照料液比为1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40，1∶45，1∶50，1∶55(g/mL)，于超声波细胞粉碎机中，在100 W功率下超声提取25 min。按1.2.2.2测定水解单宁含量，按公式(3)计算提取率。

1.2.3.3 提取剂体积分数对水解单宁提取效果的影响

准确称取1.00 g香蕉皮粉末，在料液比1∶25(g/mL)，超声功率100 W、提取时间25 min的条件下，分别用体积分数20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%的丙酮作为提取剂，于超声波细胞粉碎机中进行提取，按1.2.2.2测定水解单宁含量，按公式(3)计算提取率。

1.2.3.4 提取时间对水解单宁提取效果的影响

准确称取1.00 g香蕉皮粉末，用60%(V/V)的丙酮作为提取剂，在料液比1∶25 (g/mL)、超声功率100 W的条件下，分别于超声波细胞粉碎机中提取5，15，25，35，45，55，65，75，85 min，按1.2.2.2测定水解单宁含量，按公式(3)计算提取率。

四是注重心理素质健康教育培训。针对监狱戒毒警察工作生活中面临的监管安全压力、执法安全压力等导致的心理问题，河南省司法厅联合高校举办由政工干部和基层业务骨干参加的心理健康教育能力素质提升培训班，引导政工干部把心理矫治的手段运用到干部思想政治工作中，引导基层一线警察掌握释放自我、缓解压力的手段和方法。各直属单位也把队伍心理健康教育作为教育培训的重要内容，定期邀请社会心理咨询专家或利用单位内部心理咨询师对警察开展心理辅导、心理知识讲座、心理咨询、心理拓展、心理矫治等心理素质培训，使队伍掌握应对压力和解决心理问题的方法技巧，有效缓解工作生活压力，提升心理健康水平。

1.2.3.5 超声波功率对水解单宁提取效果的影响

准确称取1.00 g香蕉皮粉末，用60%(V/V)的丙酮作为提取剂，在料液比1∶25 (g/mL)的条件下，分别于超声功率为10，20，40，60，80，100，120，130，140 W，用超声波细胞粉碎机提取25 min，按1.2.2.2测定水解单宁含量，按公式(3)计算提取率。

1.2.4 响应面设计方案

响应面设计法(Response Surface Methodology，RSM)是指使用合理的实验设计方法进行实验，并利用回归方程对实验得到的一系列数据进行多元二次拟合，以拟合各实验因素和响应值之间的关系[6]。根据单因素实验数据分析研究结果，选择料液比、溶剂体积分数、提取时间、超声波功率4个因素进行响应面分析，采用响应面法中的实验设计以及响应曲面图等来优化超声波法提取香蕉皮中水解单宁的提取工艺。分别将料液比、溶剂体积分数、提取时间、超声波功率这4个因素作为自变量，+1，0，-1分别代表各个因素的高、中、低水平，其中，-1，0，+1分别代表的是自变量即各个因素的低、中、高水平值，实验因素水平设计见表1。

表1 因素水平设计Table 1 Design of factors and levels

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 不同有机溶剂对水解单宁提取率的影响

为了选择更适合、提取效率更好的提取剂，分别以丙酮、无水乙醇、水作为单宁提取剂，在相同的实验条件下对水解单宁进行超声波提取，其提取率分别为72.30%，69.46%，59.84%。从提取效果可以看出，以丙酮作为提取剂效果最好。其原因可能是在超声波细胞破碎仪的辅助下，丙酮溶剂断开单宁-蛋白质的化学键的几率更大，从而提高了水解单宁的提取率。其次，丙酮沸点低，易于回收，从工业化等角度考虑，更适合作为水解单宁提取剂使用。因此，选择丙酮作为提取剂[7]。

2.1.2 料液比对水解单宁提取率的影响

料液比分别为1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40，1∶45 (g/mL)时，相应的水解单宁提取率见图1。

图1 料液比对水解单宁提取率的影响Fig.1 The effect of ratio of solid to liquid on the extraction rate of hydrolysable tannin

由图1可知，水解单宁的提取率随着丙酮用量的变化先增大后减少。在料液比为1∶25(g/mL)时，提取率最大。这是由于如果料液比过大，则会影响样品中水解单宁的溶出量；而如果料液比太小，则会稀释提取液的质量浓度，除此之外，如果提取溶剂的量过大，意味着提取液进行浓缩、分离纯化等过程的压力和时间也会相应地增加，增加了提取的难度，从而降低了水解单宁的提取率[8]。综合考虑，选择料液比为1∶20，1∶25，1∶30 (g/mL)作为响应面水平。

2.1.3 提取剂体积分数对水解单宁提取率的影响

丙酮体积分数分别为20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%时，相应的水解单宁提取率见图2。

图2 提取剂体积分数对水解单宁提取率的影响Fig.2 The effect of extractant volume fraction on the extraction rate of hydrolysable tannin

由图2可知，水解单宁的提取率随着丙酮溶液体积分数的增加先增大后减少。当丙酮溶液的体积分数为60%时，丙酮对水解单宁的提取率最大。这可能是因为当丙酮溶剂的体积分数为60%时，其化学结构所具有的极性最适合于水解单宁溶出，所以当丙酮溶液的体积分数大于60%时，单宁的溶出量减少，丙酮对水解单宁的提取率也会降低。综合考虑实验结果以及实验的安全性和节约原料的要求，选择丙酮溶液的体积分数为50%，60%，70%作为响应面水平。

2.1.4 提取时间对水解单宁提取率的影响

提取时间分别为5，15，25，35，45，55，65，75，85 min时，相应的水解单宁提取率见图3。

图3 提取时间对水解单宁提取率的影响Fig.3 The effect of extraction time on the extraction rate of hydrolysable tannin

由图3可知，水解单宁的提取率随着提取时间的增长先增大后减少。当提取时间为25 min时，丙酮溶液对水解单宁的提取率最大。这可能是由于提取时间为25 min时，单宁已经充分提取出来；当时间长于25 min后，溶出的杂质成分增多，同时氧化分解的水解单宁的量也增加，因此导致水解单宁的提取率降低[9]。综合考虑，选择提取时间为15，25，35 min作为响应面水平。

2.1.5 超声波功率对水解单宁提取率的影响

超声波功率分别为10，20，40，60，80，100，120，130，140 W时，相应的水解单宁提取率见图4。

图4 超声功率对水解单宁提取率的影响Fig.4 The effect of ultrasonic power on the extraction rate of hydrolysable tannin

由图4可知，水解单宁的提取率随着超声功率的增加先增大后减少。当超声功率为100 W时，丙酮对香蕉皮中水解单宁的提取率最大。这可能是因为随着超声波功率的增加，放出的热量逐渐增加，使得反应温度升高，温度的升高加剧了水解单宁的分解，同时丙酮的挥发速度会加快，导致丙酮中水解单宁的溶解量下降。综合考虑环境噪声以及原料成本等方面要求，选择超声功率为80，100，120 W作为响应面水平。

2.2 响应面结果与分析

为优化单因素实验得到的水解单宁提取工艺，采用Box-Behnken Design试验方案，对水解单宁提取工艺的主要影响因素进行优化实验，选取料液比、溶液体积分数、提取时间、超声波功率4个因素做显著水平表，实验结果见表2。

表2 响应面实验设计结果Table 2 Response surface experiment design and results

续 表

将表2所得实验数据采用Design Expert 7.0.0统计软件进行分析，回归模型方差分析见表3。

表3 二次项模型的线性系数及方差分析Table 3 Analysis of variance and linear coefficient of quadratic model

运用 Design Expert 7.0.0软件进行多元二次拟合，得到水解单宁提取率(Y)对料液比(A)、溶液体积分数(B)、提取时间(C)、超声波功率(D)的回归模型为：

Y=77.47-12.82A+0.87B-5.09C+5.06D+0.80AB+1.45AC+1.86AD-9.75BC-9.06BD+6.31CD-11.58A2-10.11B2-9.47C2+1.56D2。

由表3可知，其回归模型极显著(P<0.0001)，失拟项不显著(P=0.9615>0.05)，其回归模型决定系数为R2=0.9942，证明可以使用该模型对香蕉皮中水解单宁提取率进行预测[10]。由表3的方差分析可以看出，在一次项中，料液比、提取时间和超声波功率对香蕉皮中水解单宁的提取率影响最大，均为P<0.0001，达到极显著水平；丙酮溶液的体积分数对香蕉皮中水解单宁提取率影响较小；影响的程度顺序依次是料液比>提取时间>超声波功率>体积分数。在二次项中，料液比、体积分数、提取时间对香蕉皮中水解单宁提取效果的影响皆达到极显著水平，P<0.0001；超声波功率对香蕉皮中水解单宁的提取率影响较小。在交互项中，体积分数与提取时间、体积分数与超声波功率，以及提取时间与超声波功率之间的交互作用均对香蕉皮中水解单宁的提取率产生了极其显著的影响，均为P<0.0001；而料液比与体积分数、料液比与提取时间，以及料液比与超声波功率的交互作用对香蕉皮中水解单宁的提取率影响均不显著。

由此对其回归方程进行优化，剔除其中二次完全回归方程中的不显著因素B、AB、AC、AD、D2，由此新的二次回归方程为：

Y=77.47-12.82A+0.87B+5.06D-9.75BC-9.06BD+6.31CD-11.58A2-10.11B2-9.47C2。

根据回归方程得出响应面分析图和相应的等值线图，见图5～图10。

图5 料液比与体积分数交互作用影响水解 单宁提取率的曲面线图Fig.5 The surface curve for the interaction influences between solid-liquid ratio and volume fraction on extraction rate of hydrolysable tannin

图6 料液比与提取时间交互作用影响水解 单宁提取率的曲面线图Fig.6 The surface curve for the interaction influences between solid-liquid ratio and extraction time on extraction rate of hydrolysable tannin

图7 料液比与超声功率交互作用影响水解 单宁提取率的曲面线图Fig.7 The surface curve for the interaction influences between solid-liquid ratio and ultrasonic power on extraction rate of hydrolysable tannin

图8 体积分数与提取时间交互作用影响水解 单宁提取率的曲面线图Fig.8 The surface curve for the interaction influences between volume fraction and extraction time on extraction rate of hydrolysable tannin

图9 体积分数与超声功率交互作用影响水解 单宁提取率的曲面线图Fig.9 The surface curve for the interaction influences between volume fraction and ultrasonic power on extraction rate of hydrolysable tannin

图10 提取时间与超声功率交互作用影响水解 单宁提取率的曲面线图Fig.10 The surface curve for the interaction influences between extraction time and ultrasonic power on extraction rate of hydrolysable tannin

由图5～图10可较直观地看出各因素的交互作用对香蕉皮中水解单宁提取率的影响。曲线越陡峭，说明该组因素的响应面值的变化程度越大，则表明其交互作用对丙酮提取香蕉皮中水解单宁的提取率影响越大。通过比较6组图可知，体积分数与提取时间、体积分数与超声功率及提取时间与超声功率的交互作用对香蕉皮中水解单宁的提取率影响较大[11]，表现为响应面图较陡；而料液比与体积分数、料液比与提取时间及料液比与超声功率的交互作用则不明显，表现为响应面曲线较为平滑。综上所述，可知响应面分析的结果与方差分析的结果完全相符。

对优化过后的二次回归模型数据进行分析，得出水解单宁最佳的提取条件是：料液比1∶21.68(g/mL)、丙酮溶液的体积分数69.47%、提取时间15 min、超声波功率80 W，这时香蕉皮中水解单宁提取率可以得到的理论最大值是90.58%。为了便于实际的操作，将最佳提取条件修改为料液比1∶22(g/mL)、丙酮溶液的体积分数70%、提取时间15 min、超声波功率80 W。在新改正的条件下进行3次平行的验证试验，得到水解单宁提取率的平均值是88.62%，相对误差-1.96%，与模型的预测结果几乎相同，说明通过响应面的方法优化得到水解单宁的超声波提取工艺，在实际中是十分可行的。

3 结论

本实验以香蕉皮粉末作为原材料，采用超声波法即运用超声波细胞粉碎机对香蕉皮中的水解单宁进行提取，通过对有机溶剂的种类、料液比、丙酮溶液的体积分数、提取时间、超声波功率5个影响因素进行单因素实验，并在此基础上运用响应面法设计实验方案，优化提取工艺，得出了最佳提取工艺的条件。结果表明：采用超声波法对香蕉皮中水解单宁进行提取的最佳提取工艺条件为：料液比1∶22(g/mL)、丙酮溶液的体积分数70%、提取时间15 min、超声波功率80 W。此条件下香蕉皮中水解单宁的提取率为88.62%。根据此次实验分析，可得出利用超声波法进行香蕉皮中水解单宁的提取，具有操作简便、提取率高、节能、节省时间等优点，有利于为香蕉皮中水解单宁的各项研究打好基础，做好准备。