響應(yīng)面法優(yōu)化香蕉皮中果膠的提取工藝研究

冀照君，李　華，穆莎茉莉，袁曉霞

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000）

響應(yīng)面法優(yōu)化香蕉皮中果膠的提取工藝研究

冀照君1，李華1，穆莎茉莉1，袁曉霞2

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000）

目的：為了提高副產(chǎn)品香蕉皮的利用價值。方法：原料經(jīng)熱燙鈍化果膠酶后，然后以0.05mol/L的鹽酸溶液作為提取溶劑，0.5mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH為2.0，采用響應(yīng)面對超聲波輔助乙醇沉淀法提取香蕉皮中果膠的工藝進行優(yōu)化。結(jié)果：香蕉皮中果膠的最適提取工藝為料液比5∶1、超聲波功率340W、處理時間42.0min、處理溫度76.0℃。然后采用95%的乙醇沉淀1.5h，3000r/min離心15min后果膠得率達4.15%。結(jié)論：該工藝可以有效地從副產(chǎn)物香蕉皮中提取果膠。

香蕉皮，超聲波，乙醇沉淀，果膠

果膠（Pectin）是一種高分子聚合物，其主要成分是部分甲酯化的α-（l，4）-D-聚半乳糖醛酸，工業(yè)上可分離提純，平均分子量在50000~180000之間[1-2]。果膠具有許多重要的生理功能，它不僅可顯著降低血糖、血脂，減少膽固醇，疏通血管，還對糖尿病、高血壓、便秘，解除鉛中毒等都有明顯作用[3]。此外，果膠還是高檔的天然食品添加劑和保健品，在食品上作膠凝劑、增稠劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑、乳化劑、增香增效劑等[6-8]。

隨著功能性多糖的開發(fā)研究，果膠作為水溶性膳食纖維，越來越受到添加劑等行業(yè)的重視[9-10]。通常情況下，果皮作為果膠主要存在場所，為食品加工廠的副產(chǎn)物，因此，從果皮中提取果膠成分，可以變廢為寶。研究者們分別從蘋果渣、柚子皮、火龍果果皮、橘皮、火棘等原料中提取果膠，得到了可觀的結(jié)果并應(yīng)用于食品添加劑[11-14]。之后，又有人從香蕉皮中提取果膠。王辰等[15]采用傳統(tǒng)的鹽酸提取法從香蕉皮中成功提取出果膠。邱禮平等[16]采用4種不同的方法提取果膠，并分析果膠結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明酸解鹽析法提取果膠效果最好，得率達1.311%。于海蓮等[17]采用超聲波輔助硫酸鋁沉淀法對香蕉皮中的果膠進行提取，果膠的產(chǎn)率為鮮果皮的3.2%。鄧紅梅[9]優(yōu)化了果膠酸法提取工藝，果膠產(chǎn)率得到了提高。但目前還沒有關(guān)于響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助乙醇沉淀法來提取香蕉皮果膠的相關(guān)報道。

本實驗以副產(chǎn)物香蕉皮為原料，以鹽酸溶液作為提取溶劑，采用超聲波輔助乙醇沉淀法提取香蕉皮中的果膠[18]，通過響應(yīng)面實驗設(shè)計，優(yōu)化果膠提取的工藝參數(shù)，獲取該提取工藝的最適條件，為從副產(chǎn)物香蕉皮中提取果膠提供技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

香蕉市售；鹽酸北京金輝通業(yè)化工有限公司；95%乙醇北京恒通化工有限公司；丙酮廊坊市興達化工有限公司；乙醚北京世紀東方化工有限公司；氨水北京世紀紅星化工有限公司。

8010S型組織搗碎機上海凌初環(huán)保儀器有限公司公司；RE-201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上?？婆d儀器有限公司公司；KQ-800DB數(shù)控超聲波清洗器上海楚柏實驗室設(shè)備有限公司公司；TDZ4臺式自動平衡離心機長沙平凡儀器儀表有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1測定方法果膠含量的測定：參照農(nóng)業(yè)部標準NY/T 2016-2011中的分光光度法。果膠得率的計算公式如下[17]：

果膠得率（%）=干燥后果膠重量（g）/香蕉皮重量（g）×100。

1.2.2果膠提取工藝流程圖

1.2.3工藝要點說明

1.2.3.1原料處理將新鮮香蕉皮切分成約4mm× 4mm的小塊，用水浸泡洗滌后，在85℃熱水中熱燙10min以鈍化果膠酶，再以冷水冷卻、清洗，以除去香蕉皮中的可溶性固形物，并擠壓以除去大部分水分[16]。

1.2.3.2水解抽濾按一定的料液比加入0.05mol/L鹽酸溶液，并用0.5mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH為2.0，進行超聲波處理，待水解完全后，用活性炭脫色，70℃保溫20min，趁熱抽濾[16]。

1.2.3.3真空濃縮為了減少乙醇消耗量，將抽濾得到的溶液真空條件下濃縮。

1.2.3.4乙醇沉淀將濃縮液用稀氨水調(diào)節(jié)pH到3~ 4，加入1.5倍的95%的乙醇溶液[15]，靜置1.5h后離心。

1.2.3.5離心分離將沉淀好的果膠液在3000r/min的條件下離心15min，取其沉淀物果膠，并回收乙醇。

1.2.3.6洗滌干燥將沉淀的果膠用95%的乙醇多次洗滌后，放在溫度為55~60℃的真空干燥箱中，干燥8~12h。

1.2.4實驗設(shè)計由于超聲波處理在果膠提取過程中發(fā)揮著重要的作用，因而選擇合適的超聲波處理功率、處理時間、超聲波處理溫度可以有效地提高果膠得率，另外，香蕉皮與鹽酸的料液比對果膠提取過程的影響也較大，因此本實驗在之前單因素研究的基礎(chǔ)上以料液比（v/w）、超聲波功率（W）、處理時間（min）和處理溫度（℃）四個因素為自變量（x），以果膠得率為響應(yīng)值（Y），進行中心旋轉(zhuǎn)組合實驗設(shè)計[19]，共31個實驗點。每個實驗點均做三個平行樣，取其平均值。因素水平編碼表見表1。

1.2.5模型的驗證通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化提取香蕉皮果膠的條件，并在最優(yōu)化條件下提取果膠，通過比較預(yù)測值和實驗值來驗證模型的有效性。

1.2.6統(tǒng)計分析Design-Expert 7.1軟件（Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA）；SAS 8.1 軟 件 ；Microsoft Excel 2003。

表1　中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計因素水平編碼表Table 1　Factors and levels of central composite rotatable design

2　結(jié)果與分析

2.1模型的擬合

本 研 究 采 用 響 應(yīng) 面 法（ Responsesurface methodology，RSM）建立一個模型來優(yōu)化香蕉皮中果膠的提取工藝。實驗結(jié)果見表2。

通過分析自變量和因變量得到一個能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測響應(yīng)值的回歸方程。果膠得率的回歸方程如下：

通過上述回歸方程得出得率的預(yù)測值與實際實驗值擬合情況見圖1，可以看出預(yù)測值和實驗值擬合良好。

圖1　得率的預(yù)測值和實驗值的對應(yīng)關(guān)系Fig.1　Correlation of predicted extraction rate with experimental prepared extraction rate

中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的方差分析見表3。模型的擬合度可通過決定系數(shù)來衡量，Joglekar和May[20]建議，一個良好的模型，決定系數(shù)至少為0.80。本研究所得模型的決定系數(shù)為0.9989。這表明，99.89%的變更能夠通過這個模型解釋。

由表3可知，本研究所得回歸模型極顯著（p＜0.0001），因此，此模型能充分的表明各因素之間的關(guān)系。根據(jù)方差分析和回歸方程系數(shù)顯著性檢驗的結(jié)果，將差異不顯著的因子剔除后得到的回歸方程為：

超聲波輔助乙醇沉淀法提取香蕉皮中果膠的得率受到回歸方程中回歸系數(shù)影響。由表3可知，x1、x2、x3、x4、x1x2、x1x3、x1x4、x3x4、x12、x22、x32、x42項對得率的影響極其顯著，x2x3對果膠得率有顯著影響，然而，x2x4則對果膠得率無顯著的影響。對回歸方程進行中心標準化處理，可以直接從回歸系數(shù)絕對值的大小來分析各個因素的改變對果膠得率的影響?；貧w方程一次項的回歸系數(shù)絕對值大小依次為x2、x1、x3、x4，表明超聲波功率對果膠得率的影響最大，其次是料液比、處理時間、處理溫度。

表2　中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計和響應(yīng)值Table 2　Central composite rotatable design and responses

2.2自變量對響應(yīng)值的影響

為了更為形象的描述各個因素以及因素之間的交互作用對果膠得率的影響，料液比、超聲波功率、處理時間、處理溫度條件下響應(yīng)值見圖2~圖7。

圖2~圖7直觀地反映了各因素對響應(yīng)值的影響。由圖2~4可知，隨著料液比的增加，得率先增大后減小，在料液比約為4∶1~5∶1時，得率較高。料液比對得率的影響較大，溶劑量少時，物料粘度大，擴散速度慢，難以保證物料中大部分果膠成分溶到提取液中，使提取不完全，且過濾困難，易產(chǎn)生膠質(zhì)殘留；溶劑量過大，溶液中果膠濃度低，處理操作過程中易丟失果膠物質(zhì)，因此會減少果膠的得率。

圖2　料液比和超聲波功率對得率影響的響應(yīng)面圖Fig.2　Response surface for effects of ratio of liquid to solid and ultrasonic wave power on the extraction rate

圖3　料液比和處理時間對得率影響的響應(yīng)面圖Fig.3　Response surface for effects of ratio of liquid to solid and time on the extraction rate

圖4　料液比和處理溫度對得率影響的響應(yīng)面圖Fig.4　Response surface for effects of ratio of liquid to solid and temperature on the extraction rate

由圖2、圖5、圖6可以看出，超聲波功率對得率的影響也較大，隨著超聲功率增大，果膠的得率逐漸提高，但太大的超聲波功率也會降低果膠的得率。因此本實驗選擇其最有效處理功率為300～350W。超聲波對果膠提取的影響非常顯著，超聲波可產(chǎn)生橫向振動和縱向振動，隨著超聲功率增大，振動程度、空化現(xiàn)象較劇烈，破壞了細胞壁的組織和細胞，胞內(nèi)果膠不斷溶出，利于果膠的提取，這與丁利君等看法相同[21]；當(dāng)超聲波功率增大到一定程度以后，果膠的得率反而降低，這可能是由于超聲功率過大時，使得果膠水解并裂解成多糖分子。

表3　中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方差分析表Table 3　Analysis of variance（ANOVA）of the regression parameters for the response surface model

圖5　超聲波功率和處理時間對得率影響的響應(yīng)面圖Fig.5　Response surface for effects of ultrasonic wave power and time on the extraction rate

圖6　超聲波功率和處理溫度對得率影響的響應(yīng)面圖Fig.6　Response surface for effects of ultrasonic wave power and temperature on the extraction rates

圖7　處理時間和處理溫度對得率影響的響應(yīng)面圖Fig.7　Response surface for effects of time and temperature on the extraction rate

由圖3、圖5和圖7可知，果膠得率隨時間的延長而提高，當(dāng)時間約為40～50min時，得率提高的速率較快，當(dāng)處理時間超過50min后，得率開始緩慢下降。綜上所述，提取時間不應(yīng)該過長，因為提取時間過長時，果膠會解酯、裂解，而造成果膠產(chǎn)率下降。

由圖4、圖6和圖7可以看出，果膠得率隨處理溫度的升高而增大，當(dāng)處理溫度升高到一定程度后，得率開始下降，只有在處理溫度范圍為70~80℃之間時，得率較高。選取最適處理溫度會有效的提高果膠得率，可能是由于溫度升高，加速了分子的熱運動，傳質(zhì)速率變快，使得原料中的不溶性果膠水解成可溶性果膠而向外擴散，果膠的提取量逐步提高；當(dāng)溫度升高到一定程度后，得率略有降低，可能是香蕉果膠在酸性條件下的熱穩(wěn)定性受影響，部分果膠遭到破壞，裂解成多糖分子，果膠的提取量反而降低，這與翁婷婷的研究結(jié)果一致[22]。

2.3最適條件和回歸模型的驗證

通過這個回歸模型，采用Design Expert 7.1軟件優(yōu)化香蕉皮果膠提取條件，得出最適工藝條件為：料液 比5 ∶1、超 聲 波功 率 340W、處 理 時 間 42.0min、處理溫度76.0℃，在此條件下，果膠得率的預(yù)測值為4.17%，而實際測得的得率為4.15%，實際值與預(yù)測值之間的相對誤差為0.02%，差異不顯著，符合要求。因此，采用RSM法優(yōu)化得到的工藝條件準確可靠，具有實用價值。

3　結(jié)論

果膠是天然提取物，無毒無害，安全可靠。隨著功能性多糖的開發(fā)研究，果膠作為水溶性膳食纖維，越來越受到研究和加工行業(yè)的重視。然而，香蕉皮作為工業(yè)上的一種副產(chǎn)物，沒有得到很好地開發(fā)和利用，嚴重造成了資源的浪費。本文通過采用響應(yīng)面對超聲波輔助乙醇沉淀法來優(yōu)化香蕉皮中果膠的提取工藝。實驗結(jié)果表明，在料液比為5∶1的條件下，采用功率340W的超聲波于76.0℃下處理42min后，再用95%乙醇沉淀1.5h，3000r/min離心15min后果膠得率可以達到4.15%，與預(yù)測值之間的相對誤差為0.02%，差異不顯著，這說明該優(yōu)化條件準確可靠?？傊?，與其他提取方法相比，超聲波輔助提取法可以有效地從副產(chǎn)物香蕉皮中提取果膠，提高果膠的得率，為果膠工業(yè)開辟出一條新的發(fā)展途徑。

[1] 陳豆弟，張露，代紅靈. 果膠提取工藝的研究進展[J]. 飲料工業(yè)，2012，15（2）：8-11.

[2]Christian B Zachariassen，J L Frans van den Berg.Multi-way analysis for investigation of industrial pectin using an analytical liquid dilution system[J].Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，2006，84（1）：9-20.

[3]Ptichkina N M，Markina O A，Rumyantseva G N.Pectin extraction from pumpkin with the aid of microbial enzymes[J]. Food Hydrocolloids，2008，22（1）：192-195.

[4]余先純，李湘蘇，韓大良，等.超聲波聯(lián)合果膠酸酶提取柚皮果膠的工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技，2013，34（1）：164-167.

[5]唐霞，劉月英，張子德.正交實驗優(yōu)化山楂果心果膠微波-鹽酸-鹽析法提取工藝[J]. 食品科學(xué)，2013，34（6）：112-115.

[6]BM Y，Robert C，Etienne I，et al.Effect of extraction conditions on the yield，purity and surface properties of sugar beet pulp pectin extracts[J].Food Chemistry，2007，100（4）：1356-1364.

[7]余先純，李湘蘇，韓大良，等.超聲波聯(lián)合果膠酸酶提取柚皮果膠的工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技，2012，34（1）：164-167.

[8]楊明，胡文娥，吳壽中.微波輔助提取火龍果果皮中果膠工藝[J]. 食品研究與開發(fā)，2012，33（2）：55-58.

[9] 鄧紅梅，馬超，王春，等. 香蕉皮果膠提取條件的優(yōu)化[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（2）：415-417.

[10]趙強，張敏，許靂，等.微波輔助提取胡蘿卜果膠的工藝優(yōu)化[J]. 食品研究與開發(fā)，2013，34（4）：29-32.

[11]李朋亮，劉敦華. 蘋果渣果膠提取的優(yōu)化[J]. 食品科技，2013，38（12）：242-245.

[12]熊海蓉，李霞，文祝友，等.火棘果膠微波法提取及品質(zhì)研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30（3）：271-275.

[13]張秀芳，王克冰，賀文英，等.柚子皮中果膠的提取工藝研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33（2）：245-248.

[14]Osamu K， Takayuki F， Eiji Y.Characterization of the pectin extracted from citrus peel in the presence of citric acid[J]. Carbohydrate Polymers，2008，74（3）：725-730.

[15]王辰，馬立安.香蕉皮果膠的提取及其對凝固型酸奶穩(wěn)定性的影響[J]. 現(xiàn)代食品科技，2008，24（5）：459-465.

[16]邱禮平，姜錄，姚玉靜，等.香蕉皮果膠萃取及果膠保鮮膜制備的研究[J]. 食品科學(xué)，2009，30（8）：106-110.

[17] 于海蓮，胡震. 超聲波法提取香蕉皮中果膠的工藝研究[J].食品工業(yè)科技，2009，30（7）：218-220.

[18]Mamun A M.Effect of drying methods on the functional properties of soy hull pectin[J].Carbohydrate Polymers，2005，61（3）：362-367.

[19] 王欽德，楊堅. 食品實驗設(shè)計與統(tǒng)計分析[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[20]Joglekar A M，May A T.Product excellence through design of experiments[J].Cereal Foods Word，1987，32（12）：857-868.

[21]丁利君，陳艷，李敏瑛.超聲波對佛手瓜果膠提取效果的影響[J].廣州食品工業(yè)科技，2004，24（4）：51-52.

[22]翁婷婷，張春堯.超聲波輔助從菠蘿皮中提取果膠的研究[J]. 廣東化工，2009，36（9）：154-155.

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，講師，研究方向：食品科學(xué)。

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目（2013MS1220）。