《香蕉皮中果胶的提取工艺实证探究》8500字（论文）

香蕉皮中果胶的提取工艺实证研究摘要香蕉皮是香蕉食用和加工后的废弃物，若得不到及时处理不仅浪费资源而且污染环境，香蕉皮中果胶含量较高，若进行提取并加以利用，将会给香蕉皮的综合利用提供新的途径，促进香蕉产业的可持续发展。目前，香蕉皮的综合利用还不够充分，且香蕉皮中富含果胶，可作为制备果胶的原材料。综上，本文采用单因素试验及正交试验法确定香蕉皮中果胶提取的最佳提取工艺，结果表明最优参数为：料液比为1：13（g/ml）、PH2.0、提取时间1.5h、提取温度85℃，在此条件下测得香蕉皮果胶提取率达13.98%。关键词：香蕉皮；果胶；提取率；盐析法；单因素试验；正交试验法目录TOC\o"1-4"\h\u摘要 V1绪论1.1研究目的意义香蕉，芭蕉科芭蕉属植物，又指其果实，盛产于热带、亚热带，近年来我国香蕉种植业发展很快，2020年1-7月，全国香蕉主产区累计总产量534.8万吨，较2019年减少10.1%，其中：广东230.0万吨，同比减少14.8%；海南108.4万吨，同比增长0.4%；云南149.0万吨，同比增长0.7%；广西30.5万吨，同比增长38.6%；福建16.9万吨，同比减少64.0%。从交易动态来看：7月，全国重点监测农产品批发市场香蕉总交易量达8.5万吨，较2019年下降16.7%，环比增长1.2%；总交易价值37620.9万元，同比下降26.0%，环比下降8.4%。日平均价格最高为4.7元/公斤，最低为4.2元/公斤，全月平均价格为4.5元/公斤，同比下跌10.0%，环比下跌8.2%。我国南方的香蕉资源十分丰富。由于香蕉跃变型果实，长期保存和运输比较困难，因此除鲜食外，另据试验研究还可加工成香蕉粉、香蕉汁等。在香蕉果实中，香蕉皮约占果重的40%，据报道，香蕉皮除含水分外，还含有一定量的糖类、蛋白质、灰分以及维生素、微量元素和果胶。在大规模香蕉果肉加工中，香蕉皮若不及时处理，会造成严重的环境污染，香蕉皮中丰富的营养成分的丢弃也是资源的巨大浪费，香蕉皮中果胶含量较高，若进行提取并加以利用，将会给香蕉皮综合利用提供新的途径。果胶本质上属于天然的高分子化合物，其是对D-吡喃半乳糖醛酸按照1，4甙链连接得到的长链，通常以部分甲酯化状态存在，分子式是C14n＋14H2On＋22O12n＋13（n＝30～300），在相对分子质量方面，数值处于50000～300000之间。果胶因具有良好的乳化、增稠、稳定和凝胶作用，被广泛应用于食品工业中，作为糖果、果冻、果汁、罐头及饮料的胶凝剂、增果胶作为一种大分子多糖物，在性能方面表现出极佳的凝胶、增稠、稳定等效用，所以在诸如食品、化工、纺织等各个领域均得到了广泛运用。现今，国内主要利用柠檬、柑桔类及苹果榨汁后的残渣经干燥后送到果胶制造厂制造果胶，在质量方面，干扰因素大致有两种，其一为原料类别，其二是干燥前物质质量，所以，在稳定性方面表现较差。综上，本文优化了香蕉皮中提取果胶的最佳条件，从而让香蕉能得到更好的运用，并给后续展开深层次的香蕉果胶研究提供参照，为从副产物香蕉皮中提取果胶提供技术参考。1.2研究背景1.2.1香蕉皮的利用价值香蕉皮中富含蛋白质、脂肪、糖以及K、Ca、Mg、S、Fe、Zn等十几种元素，可作为潜在的资源与原材料。香蕉皮具有许多功效：（1）治皮肤瘙痒症，香蕉皮中含有蕉皮素，它可以抑制细菌和真菌滋生。患者可以精选新鲜的香蕉皮在皮肤瘙痒处(脚癣，手癣，体癣等)反复摩擦，或捣成泥末，或是煎水洗，连用数日，即可奏效。（2）治口腔溃疡，香蕉皮是一味很好的中药，其干品加上另一味中药名叫：火炭母(又叫火炭毛)的一起煲水，加适量红糖调味，喝了可以治口腔发炎，溃疡，还有通便的作用。（3）治手足皮肤皲裂，在每次用热水擦手、足后，用香蕉皮的内侧在手上进行摩擦，可防止手、足的皮肤皲裂。如果已经有裂口了，可将香蕉皮直接在裂口处摩擦，一般连用数次即可治。（4）治痔疮和便血，将两条香蕉连皮放在火上烤，然后趁热吃，可改善痔疮及便血。（5）治高血压，取香蕉皮30到60g，煎汤服用，可治高血压。（6）香蕉皮含有丰富的镁，硫磺，磷，锌，氨基酸等多种营养矿物质，这些正是兰花所需要的。（7）香蕉皮中含有蕉皮素，它可以抑制细菌和真菌滋生。香蕉皮还有诸多营养价值，香蕉皮中含有多糖、蛋白质、维生素C等营养成分，糖尿病人不宜食用。把香蕉皮和冰糖一起加水煎炖，每天喝两次，能医治风火牙痛，还有扩张血管的作用，可以辅助降血压、防治中风和心绞痛。醉酒后，喝上一碗，还能清利头目。香蕉皮中的血清素紧密联系着人体睡眠和觉醒的良好循环。在清醒和活动时，大脑中的血清素水平最高，但在进入深度睡眠阶段时几乎不存在。在睡眠期间，人体的褪黑素水平急剧提高。褪黑素的产生取决于它的松果腺合成，是由血清素提供能量的。尽管光线增加血清素分泌，但黑暗促进褪黑素合成。这两种神经传递素是维持睡眠循环的关键，而且香蕉皮提取物中富含的血清素，有助于缓解抑郁症。香蕉皮中的叶黄素可以保护眼睛细胞免受紫外线伤害。香蕉皮煮水并没有大家想象的那样难喝，相反对人体却有很大的益处。营养专家指出，香蕉皮煮水可以喝，其实平常的时候我们还可以用香加皮来擦皮鞋、皮衣、皮沙发，这对皮质产品有一定的保养作用，而且用香蕉皮擦后感觉皮质会很亮。1.2.2果胶果胶是一种天然线性高分子化合物[1]，广泛存在于植物的果实、根、茎、叶中，是细胞壁的组成成分，伴随纤维素的存在，在植物组织细胞间起粘合作用。在食品、医药和其他工业中起重要作用。从性能上看，果胶在稳定性、粘性以及溶水性方面表现出色，所以大量运用到食品添加剂领域里，将其当作制作果冻、饮料、烘培制品、糖果以及乳制品等食品的稳定剂以及增稠剂使用，从而强化了食品的稳定性，也改善了产品的口感，但香蕉皮通常无法的得到全部再利用，绝大部分均直接当作垃圾处理了，由此不仅浪费了资源，而且破坏了环境。所以，在现今学术界已经形成了怎样依托香蕉皮进行果胶生产，实现变废为宝，使其经济效益得到最大化发挥的研究。现今，在提取果胶方面，海内外学术界常用的方法大致有四种，其一为酸水解沉淀法[2]，其二则是微生物法[4]，其三则是离子交换树脂法，最后为微波辅助法[3]。果胶也是人体第七大营养素膳食纤维的关键构成部分之一，具有抗腹泻、防癌、治疗糖尿病、减肥等功效，其功能性质的开发利用日益受到重视。食品工业中果胶主要作为酸性条件下的胶凝剂和稳定剂。作为一种重要的食品添加剂，果胶在全世界的年需求量大约在16000t以上。利用香蕉皮提取果胶，不仅可以及时处理香蕉加工产生的蕉皮，避免环境污染，还可以提高香蕉加工的经济效益，是一项极有意义的研究。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。学者王辰等人采用传统的盐酸提取法从而实现了由香蕉皮里提取果胶的成果。学者邱礼平等采用以上四种常用的方法分别完成果胶的提取，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%。学者邓红梅等人对果胶酸法这一提取工艺进行了改善，从而使果胶产率得到了提升。何立坚等人由各个视角出发从而完成了超声辅助法提取果胶的研究，获得了差异化的提取结果[5-6]，2018年抗新新等[7]以剑麻膏为原料，选择使用酸解法完成了果胶的提取。杜国军[8]则将甜菜干粕当作原料，并运用柠檬酸－纤维素酶法从而完成果胶提取，该工艺产率数值是26.79％。海外研究人员Hastutib等[9]综合对比了由胡萝卜皮里提取的果胶同商业果胶两种类别果胶关于Pb（II）的吸附效果方面的对比探究，研究表明，在Pb（II）吸附量方面，二者的表现分别是16.6Kj/mol、21.09Kj/mol；WangRuhai等[10]对果胶在非晶态Fe/Al氢氧化物上的吸附状况展开了研究；SourbhThukar等[11]探究了将果胶作为基础原料得到的水凝胶在消除水溶液里有毒污染物的状况，并进行了全面的评价。吴莎极[12]以动物体为实验对象展开体内外模拟实验，从而完成了有关佛手果皮渣的改性果胶在吸收镉方面的表现状况的研究。SoohwanAhn等[13]对果胶在抗氧化、多酚结合以及离子诱导凝胶三方面的能力展开了研究；AlondraMIdrovoEncalada等学者针对由胡萝卜中提取的果胶在抗氧化方面的表现状况展开了系统探索；黄红焰等人以动物为实验对象，从而完成了由杨梅里提取的果胶在实验鼠血浆胆固醇和各项血脂指标方面进行了探究，实现了果胶在提升实验鼠抗氧化方面以及规避DNA损伤方面的研究，并对后续展开抗氧化果胶产品的开发提供了参考。果胶在香蕉等果品的果实、根茎、叶子中存在较多，本质上是多糖类化合物。其在健康保护方面，能够起到降低胆固醇以及低密度脂蛋白(LDP)的作用，同时还具有抗腹泻以及防癌的功效，也能够帮助血糖降低，改善糖尿病、心血管疾病的治疗成效。现今，在香蕉皮中提取果胶的研究重心在果胶提取的工艺开发方面。对于果胶，从用途上看是用途众多，无论是当作添加剂在食品工业里运用，或者是将其运用到医药或其余轻工业领域中，均能发挥极大的价值。果胶已经受到FAO/WHO食品添加剂联合委员会认定是安全的天然食品添加剂，所以能够在食品工业领域里放心使用，无需限定每日食用量，通常当作乳化剂、胶凝剂运用[14-15]。除此之外，其也为极佳的代脂产品，能够在不影响感官的状况下替代部分脂肪，从而帮助肥胖症的治疗。伴随研究的进一步开展发现，果胶还具有诸如防癌、预防高血压、治疗心血管疾病等功效，所以，进一步提升了其应用价值，未来必将拥有光明的前景，发展空间不可限量。1.3研究现状果胶在全世界范围内只有美国、德国、丹麦、瑞士四国的5企业掌握生产技术。据报道，全世界果胶的年需求量近4.5万t，目前我国每年约消耗果胶1500t以上，其中80%从国外进口。果胶作为食品添加剂，其需求量在相当长的时间内仍将以每年15%的速度增长。因进口果胶的价格是国产果胶价格的1-2倍，所以生产中迫切需要低价、高质量的国产果胶，增加果胶产量、改善果胶质量是我国果胶产业发展的核心所在，提升国内充裕的果胶资源利用率，制造出优质果胶，达到海内外市场需求，符合我国食品添加剂行业的发展方向。近年来，在食品等领域内被广泛应用。目前我国果胶生产现状为：生产企业为数不多，生产规模小，生产技术工艺相对落后，优质产品少，生产技术工艺中仍有部分问题尚未解决。相对于国外，中国果胶的研究开发很晚，生产技术不成熟，现在的很多技术都是在借鉴国外生产工艺的基础上产生的，同时在生产上，近几年才刚刚形成生产规模，再加上技术的低等，其生产的产品主要在国内市场销售。目前，部分低端产品仍然在使用CMC，绝大部分酸乳制品所使用的增稠稳定剂多以CMC与其复配物为主，与国外乳品质量及营养水平相比差距甚大，因此增加果胶在乳品中的应用，提高乳品档次，开发更好更富营养的乳品新品成为当前的主要趋势。在水果加工业领域中，其规模以及制造出产品的品质不断提升，从而致使出现了许多诸如水果皮、根茎等废弃物。如果仅仅将其当作动物饲料粗放处理，显然未充分发挥出其经济收益，不仅是资源的浪费，也污染了环境。所以长期以来，在水果加工产业中持续在挖掘副产物利用工艺。经过科学实践表明，废弃物通常是未开发出合理方式处理的重要自然资源，例在水果类废弃物中涵盖大量果胶便是如此，因此，针对果胶的研究也逐渐增加，关于将其作为替代资源的研究也成为了热点。对于果胶而言，已有大量关于提取方法的研究成果面世，简单归纳大致可划分成两个步骤[16]：首先对筛选获取到的原料进行清洁处理，随后采取化学、物理或者生物等相关方法从而将果胶由原料里分解，从而得到水溶性果胶；随后把得到的水溶性果胶展开浓缩、沉淀、分离、提纯以及烘干等处理之后获得成品。参照研究报告能够发现，各研究人员借助对香蕉副产物里蕴含的果胶特性的研究，从而证明了由香蕉皮里提取得到的果胶能够满足食品工业使用。即使在上述研究成果下，对于不同水果的废弃物也有极大的研究价值，尤其在其副产品转换方面还存在极大的挖掘空间，但果胶因为其能够在食品、医药以及其余轻工业中广泛运用，所以是更值得研究的。现今全球开发出了众多从植物组织里提取果胶的办法，上述办法具体提取过程主要按照以下步骤展开：首先对原料进行预处理，随后完成清洁作业，再对果胶进行提取，对提取得到的悬浮液进行过滤作业，接下来采取真空浓缩，随后执行冷却与沉淀作业，最终得到产品。2试验材料与方法2.1仪器设备GZX-9070MBE型鼓风干燥箱：上海博讯；LD5-10型离心机：北京京立离心机有限公司；HH-2型数显恒温水浴锅：常州国华电器有限公司；SE602F型电子分析天平：奥豪斯仪器有限公司；SHZ-D型循环水真空泵：巩义市予华仪器有限公司；FZ102型食物粉碎机：天津仪器有限公司。2.2试剂Hcl(浓)、无水C2h6o、Al2(So4）3、Noah，全部是国产分析纯;活性炭。2.3工艺流程香蕉皮→粉碎→调酸→萃取→过滤→脱色→加盐沉析→过滤→洗涤→沉淀→分离→脱盐(铝)→过滤→烘干、粉碎→成品2.4操作要点2.4.1原料预处理将香蕉皮通过清水进行漂洗作业，除去泥沙、灰尘等杂质，在温度处于80℃的环境中持续烘干作业10h，随后将其取出并进行粉碎作业，再借用直径处于1mm的滤筛进行筛选。精确称取干香蕉皮粉2g，按照1：30~1∶110的区间质量比例向其中添加蒸馏水，同时在室温环境状况下添加盐酸进行PH值调整，使其PH值处于1.0~3.0，由此完成果胶萃取样液制作。随后打开恒温水浴锅使其加热到60~100°C温度范围内，再把样液放置在其中维持30~110min，由此完成萃取，上述过程是将水不溶性果胶吵着水溶性果胶方向转换，同时也使水溶性果胶状态转换成液相。趁热取出萃取获得的浆状液体，将其放置到数量为8层的纱布中进行过滤，由此获得颜色呈浅黄色的液体，此液体便是果胶萃取液。浆状液体置于8层纱布中压滤，得浅黄色滤液，弃去滤渣，即得果胶萃取液。2.4.2脱色本试验在脱色方面选择是活性炭脱色法。利用活性炭的吸附能力，从而能够完成绝大多数色素、残留糖以及一些金属重离子等杂质的过滤。经压滤制得的果胶萃取液色泽较深，因此，在果胶萃取液中按2.0%比例加入活性炭，在温度80℃下保温30min。然后用低速离心机离心(转速4000r/min)10min，分离出果胶—活性炭混合液，取上清液，即得色泽浅淡澄清的果胶萃取液。2.4.3加盐沉析将果胶萃取液进行加温作业，使其温度上升至75°C，随后依照6%的比例加入硫酸铝并充分搅拌让其得到充分溶解。因温度对PH值产生的干扰很大，所以需首先对果胶萃取液执行降温作业，使其温度降至室温，然后用质量分数为10%的NaOH溶液调节萃取液pH值为4.5左右，此时有白色絮状沉淀物形成，保持30min的静止时长，随后借助离心机执行5min离心(转速3000r/min)作业，再借助蒸馏水对其执行洗涤作业两次，去掉上清液，即得白色的果胶酸铝。2.4.4脱盐从性质上来看，果胶酸铝是不溶性的，所以需运用酸性醇洗，将果胶酸铝里的铝离子通过化学反应置换出来，再结合果胶不溶性进而得到果胶。在品质确保方面，脱盐液起着关键的作用，其酸度状况对脱盐的效果和得到的果胶的颜色保持着极高的联系，所以，要想取得极佳的脱盐成效，需按照3ml盐酸、60ml乙醇、37ml水的比例调制脱盐液，随后严格按照20mL脱盐液/1g果胶的比例从而执行果胶酸铝的洗涤作业，保持时长35分钟的搅拌作业，以确保脱盐彻底。结束上述步骤后再选用离心机执行时长5分钟的离心作业，离心机参数方面设定为3000r/min，经过离心分离获得的产物再使用无水乙醇执行两次洗涤作业，再离心分离;最后再用蒸馏水洗涤3次，再离心分离。经过离心处理后得到沉淀物，将其取出放置在温度处于60~70°C的环境中执行时长8~10h的烘干作业，最后执行粉碎作业便得到需求的果胶。2.5单因素试验设计2.5.1料液比对香蕉皮中果胶提取率的影响控制水浴温度为85℃，提取时间为2.0h，pH为2.0，分别采用不同的料液比1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15称重并计算提取率。2.5.2pH对香蕉皮中果胶提取率的影响控制水浴温度为85℃，提取时间为2.0h，按照“2.5.1”中得到的最佳料液比进行配比采用不同的pH(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5)提取果胶，称重并计算提取率。2.5.3提取温度对香蕉皮中果胶提取率的影响将提取时长严格控制在2.0h，按照“2.5.1”和“2.5.2”中得到的最佳pH和料液比来控制料液比和pH分别采用不同的温度(55℃、65℃、75℃、85℃、95℃)提取果胶，称重并计算提取率。2.5.4提取时间对香蕉皮中果胶提取率的影响按照上述得到的最佳料液比、pH、提取温度，分别采用不同的提取时间(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h)提取果胶，称重并计算香蕉皮中果胶的提取率。2.6正交试验设计在提取果胶试验过程中有多个干扰因子，为了得到优化方法，选取提取时影响较大的4个因素:料液比、温度、pH、提取时间进行正交试验，因素与水平见表1。表1正交试验因素与水平Table1Factorsandlevelsoforthogonaltests水平因素料液比（A）PH（B）温度(C)//℃提取时间(D)//h11:111.0650.521:121.5751.031:132.0851.541:142.5952.02.7指标测定以DP来表征果胶提取率，如下式所示：式中:MB表征的为提取获得的果胶质量，单位g；ME表征的为原料里存在的果胶质量，单位g。3结果与分析3.1单因素试验结果分析3.1.1料液比对香蕉皮中果胶提取率的影响由图1结果可知，当料液比大于1:13时，提取率随溶剂的增加而增加；当料液比小于1:13时，提取率将会随溶剂的增加而趋于平稳，变化不明显。料液比过高，则无法使果胶充分溶出；料液比过低，可能会使其他物质溶解于水，产生杂质，从而降低了提取率。因此，选择料液比为1:13。图1料液比对香蕉皮中果胶提取率的影响Fig.1Effectoftheratioofextractionrateofpectinfrombananapeel3.1.2pH对香蕉皮中果胶提取率的影响由图2可知，当pH小于1.5时，果胶提取率较低；pH为2.0时，效果最好，可能由于酸度过高，原果胶水解反应过于强烈，果胶脱酯降解使提取率偏低；pH过高水解反应迟钝，果胶稳定性降低容易水解成果胶酸，产品提取率不仅会降低，同时果胶的质量也会减弱，颜色会加深。因此，pH控制在2.0，果胶的提取率最高。同时还发现此时提取出的果胶颜色较均匀。图2pH对香蕉皮中果胶提取率的影响Fig.2pHEffectonPectinExtractionRateinBananaPeel3.1.3温度对香蕉皮中果胶的提取率的影响由图3可知，在85℃以前，提取率随温度升高而增加，但水解速度太慢，提取不完全；85℃以后，提取率随温度增加而减少，这可能是由于果胶的耐热性较差，提取温度过高则会引起果胶本身结构的破坏而使得其提取率降低；从数据分析可知，85℃是最佳的提取温度。图3水浴温度对香蕉皮中果胶提取率的影响Fig.3Effectofwaterbathtemperatureonextractionrateofpectinfrombananapeel3.1.4提取时间对香蕉皮中果胶提取率的影响由图4可知，在提取时间为1.5h时提取率最高，提取时间过长可能会导致果胶物质发生分解从而降低果胶提取率；提取时间过短则不能使果胶充溶出。图4提取时间对香蕉皮中果胶提取率的影响Fig.4Effectofextractiontimeonpectinextractionrateinbananapeel3.2正交实验结果表2正交实验结果Table2Orthogonalexperimentalresults序号ABCD果胶提取率%111117.02212228.053133310.22414449.45521237.98622148.11723419.52824329.35931348.7510333313.9811331210.051234218.851341428.871442319.011543249.671644139.38K18.698.168.648.60K28.748.638.649.08K39.259.879.339.24K49.239.269.309.00R0.561.710.690.64由表2的正交试验结果分析可知，以上4种因素在提取率干扰程度方面最大的是PH值，其次是提取的温度，接着是提取时间，最后为料液比。提取果胶的最佳条件为B3C3D3A3，即pH2.0、温度为85℃、提取时间1.5h、料液比为1:13，此工艺组合再正交中没有，对其进行验证试验，提取率明显提高，可以高达13.98%。4结论本文通过盐析法来优化香蕉皮中果胶的提取工艺，在单因素试验的基础上进行正交试验，得出最佳工艺条件是PH2.0、温度为85℃、提取时间1.5h、料液比为1:13，在此最优条件下果胶提取率达13.98%。与其他提取方法对比能够发现，盐析法能够高效的完成香蕉皮涵盖的果胶提取作业，在得率方面的数值也最高，从而给果胶生产工业开创了全新的开发路径。参考文献刘文,刘晶晶,赵新节等.超声波辅助酸提法提取桃子中的果胶及性质研究［J］.食品工业,2019.40(3)1-6.刘成梅,刘琪,陈军等.果胶功能性质新进展[J].食品工业科技,2019(21):344-351.YUREEWandee,DUDSADEEUttapap,PETRAMischnick.Yieldandstructuralcompositionofpomelopeelpectinsex-tractedunderacidicandalkalineconditions［J］.FoodHydrocolloids,2019,87:237-244.洪亚男.豆腐柴叶果胶的提取及其理化特性研究[D].杭州:浙江工商大学,2018.任秋慧,卢韵朵,廖鲜艳,等.酸法提取苹果渣中的果胶及其性质分析[J].中国酿造,