劉濤，劉寧，王雅，張鐵鵬

(哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，哈爾濱 150076)

單寧(或稱鞣質、單寧酸)，屬于多酚化合物，其結構屬于高度聚合型，是活潑性化學物質。單寧在食品的加工中有很多方面的應用，如食品輔色、調(diào)味、酒水的澄清等[1]。單寧可以從色澤、風味兩個方面影響食品的風味。天然的單寧很容易被氧化，變成紅棕色或褐色的醌類物質，成為食品色素的一部分。單寧對天然色素也有一定的輔色作用。另外，單寧還可以和口腔黏膜或唾液蛋白結合使食品產(chǎn)生澀味，產(chǎn)生粗糙褶皺的收斂感與干燥感。澀味可以加強口腔對其他味覺的感受能力。同時，還可以通過氧化耦合、分子降解反應生成天然色素，從而改變食品的色澤，在視覺與味覺兩個方面影響食品的風味[2]。近些年來，單寧又因為其抵抗氧化活性、捕捉自由基、抵御菌類感染和相關類型的衍生化反應等生理性質被陸續(xù)開發(fā)研究，而被多次應用到食品、果蔬加工以及醫(yī)藥、水處理等領域[3]，具有十分廣闊的開發(fā)前景。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器、試劑與材料

1.1.1 主要實驗儀器

JY92-11N型超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；HWS12型電熱恒溫水浴鍋、DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；B型玻璃儀器氣流烘干箱 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；TDL-80-2B型低速離心機 上海安亭科學儀器廠；DFY-500型搖擺式高速中藥粉碎機 溫嶺市林大機械有限公司。

1.1.2 實驗試劑與材料

實驗原材料：香蕉皮、市售香蕉。

實驗試劑：氯化銨、乙酸鋅、乙二胺四乙酸二鈉、無水乙醇、氨水、丙酮、鉻黑T，純度皆為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 香蕉皮預處理

將待處理的香蕉皮于105 ℃的鼓風干燥箱中殺青處理15 min，再在65 ℃的溫度下烘干香蕉皮到恒重[4]。用粉碎機將處理后的香蕉皮粉碎成粉末，過80目篩后，備用。

1.2.2 水解單寧的提取和測定

1.2.2.1 水解單寧的提取

準確稱取1.00 g的1.2.1得到的備用香蕉皮粉末于錐形瓶中，加入一定量的提取試劑后，在一定的提取時間與超聲功率條件下，于超聲波細胞粉碎機中進行提取，收集提取液并測定水解單寧的含量。

1.2.2.2 水解單寧含量的測定

水解單寧含量的測定采用乙酸鋅配位滴定的方法[5]，按公式(1)計算水解單寧含量：

提取量=(c1V1-25c2V2)×0.1556。

(1)

式中：c1為乙酸鋅標準溶液的濃度，mol/L；V1為乙酸鋅標準溶液的體積，mL；c2為EDTA標準溶液的濃度，mol/L；V2為滴定時消耗的EDTA的體積，mL；0.1556為由實驗得出的比例常數(shù)，g/mmol；25為分取倍數(shù)。

1.2.2.3 水解單寧總含量的測定及提取效果的計算

稱取香蕉皮粉末1.0000 g，料液比為1∶25(g/mL)，超聲波功率為100 W，超聲時間為25 min，用丙酮多次提取，當濾液加1% FeCl3不顯綠色時，停止提取，將每次提取得到的水解單寧量累計計算，得出水解單寧的總含量。經(jīng)測定，香蕉皮的總含量為6.7156 mg/g。水解單寧的提取率按公式(2)計算：

(2)

由公式(1)和公式(2)可得公式(3)：

(3)

式中：x為單寧的提取率，%；m為1.0000 g香蕉皮中的單寧總含量，經(jīng)測定為6.7156 mg/g。

1.2.3 香蕉皮中水解單寧提取單因素考察

1.2.3.1 不同有機溶劑對水解單寧提取效果的影響

1.2.3.2 料液比對水解單寧提取效果的影響

準確稱取1.00 g香蕉皮粉末，用60%(V/V)的丙酮作為提取劑，按照料液比為1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40，1∶45，1∶50，1∶55(g/mL)，于超聲波細胞粉碎機中，在100 W功率下超聲提取25 min。按1.2.2.2測定水解單寧含量，按公式(3)計算提取率。

1.2.3.3 提取劑體積分數(shù)對水解單寧提取效果的影響

準確稱取1.00 g香蕉皮粉末，在料液比1∶25(g/mL)，超聲功率100 W、提取時間25 min的條件下，分別用體積分數(shù)20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%的丙酮作為提取劑，于超聲波細胞粉碎機中進行提取，按1.2.2.2測定水解單寧含量，按公式(3)計算提取率。

1.2.3.4 提取時間對水解單寧提取效果的影響

準確稱取1.00 g香蕉皮粉末，用60%(V/V)的丙酮作為提取劑，在料液比1∶25 (g/mL)、超聲功率100 W的條件下，分別于超聲波細胞粉碎機中提取5，15，25，35，45，55，65，75，85 min，按1.2.2.2測定水解單寧含量，按公式(3)計算提取率。

四是注重心理素質健康教育培訓。針對監(jiān)獄戒毒警察工作生活中面臨的監(jiān)管安全壓力、執(zhí)法安全壓力等導致的心理問題，河南省司法廳聯(lián)合高校舉辦由政工干部和基層業(yè)務骨干參加的心理健康教育能力素質提升培訓班，引導政工干部把心理矯治的手段運用到干部思想政治工作中，引導基層一線警察掌握釋放自我、緩解壓力的手段和方法。各直屬單位也把隊伍心理健康教育作為教育培訓的重要內(nèi)容，定期邀請社會心理咨詢專家或利用單位內(nèi)部心理咨詢師對警察開展心理輔導、心理知識講座、心理咨詢、心理拓展、心理矯治等心理素質培訓，使隊伍掌握應對壓力和解決心理問題的方法技巧，有效緩解工作生活壓力，提升心理健康水平。

1.2.3.5 超聲波功率對水解單寧提取效果的影響

準確稱取1.00 g香蕉皮粉末，用60%(V/V)的丙酮作為提取劑，在料液比1∶25 (g/mL)的條件下，分別于超聲功率為10，20，40，60，80，100，120，130，140 W，用超聲波細胞粉碎機提取25 min，按1.2.2.2測定水解單寧含量，按公式(3)計算提取率。

1.2.4 響應面設計方案

響應面設計法(Response Surface Methodology，RSM)是指使用合理的實驗設計方法進行實驗，并利用回歸方程對實驗得到的一系列數(shù)據(jù)進行多元二次擬合，以擬合各實驗因素和響應值之間的關系[6]。根據(jù)單因素實驗數(shù)據(jù)分析研究結果，選擇料液比、溶劑體積分數(shù)、提取時間、超聲波功率4個因素進行響應面分析，采用響應面法中的實驗設計以及響應曲面圖等來優(yōu)化超聲波法提取香蕉皮中水解單寧的提取工藝。分別將料液比、溶劑體積分數(shù)、提取時間、超聲波功率這4個因素作為自變量，+1，0，-1分別代表各個因素的高、中、低水平，其中，-1，0，+1分別代表的是自變量即各個因素的低、中、高水平值，實驗因素水平設計見表1。

表1 因素水平設計Table 1 Design of factors and levels

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同有機溶劑對水解單寧提取率的影響

為了選擇更適合、提取效率更好的提取劑，分別以丙酮、無水乙醇、水作為單寧提取劑，在相同的實驗條件下對水解單寧進行超聲波提取，其提取率分別為72.30%，69.46%，59.84%。從提取效果可以看出，以丙酮作為提取劑效果最好。其原因可能是在超聲波細胞破碎儀的輔助下，丙酮溶劑斷開單寧-蛋白質的化學鍵的幾率更大，從而提高了水解單寧的提取率。其次，丙酮沸點低，易于回收，從工業(yè)化等角度考慮，更適合作為水解單寧提取劑使用。因此，選擇丙酮作為提取劑[7]。

2.1.2 料液比對水解單寧提取率的影響

料液比分別為1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40，1∶45 (g/mL)時，相應的水解單寧提取率見圖1。

圖1 料液比對水解單寧提取率的影響Fig.1 The effect of ratio of solid to liquid on the extraction rate of hydrolysable tannin

由圖1可知，水解單寧的提取率隨著丙酮用量的變化先增大后減少。在料液比為1∶25(g/mL)時，提取率最大。這是由于如果料液比過大，則會影響樣品中水解單寧的溶出量；而如果料液比太小，則會稀釋提取液的質量濃度，除此之外，如果提取溶劑的量過大，意味著提取液進行濃縮、分離純化等過程的壓力和時間也會相應地增加，增加了提取的難度，從而降低了水解單寧的提取率[8]。綜合考慮，選擇料液比為1∶20，1∶25，1∶30 (g/mL)作為響應面水平。

2.1.3 提取劑體積分數(shù)對水解單寧提取率的影響

丙酮體積分數(shù)分別為20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%時，相應的水解單寧提取率見圖2。

圖2 提取劑體積分數(shù)對水解單寧提取率的影響Fig.2 The effect of extractant volume fraction on the extraction rate of hydrolysable tannin

由圖2可知，水解單寧的提取率隨著丙酮溶液體積分數(shù)的增加先增大后減少。當丙酮溶液的體積分數(shù)為60%時，丙酮對水解單寧的提取率最大。這可能是因為當丙酮溶劑的體積分數(shù)為60%時，其化學結構所具有的極性最適合于水解單寧溶出，所以當丙酮溶液的體積分數(shù)大于60%時，單寧的溶出量減少，丙酮對水解單寧的提取率也會降低。綜合考慮實驗結果以及實驗的安全性和節(jié)約原料的要求，選擇丙酮溶液的體積分數(shù)為50%，60%，70%作為響應面水平。

2.1.4 提取時間對水解單寧提取率的影響

提取時間分別為5，15，25，35，45，55，65，75，85 min時，相應的水解單寧提取率見圖3。

圖3 提取時間對水解單寧提取率的影響Fig.3 The effect of extraction time on the extraction rate of hydrolysable tannin

由圖3可知，水解單寧的提取率隨著提取時間的增長先增大后減少。當提取時間為25 min時，丙酮溶液對水解單寧的提取率最大。這可能是由于提取時間為25 min時，單寧已經(jīng)充分提取出來；當時間長于25 min后，溶出的雜質成分增多，同時氧化分解的水解單寧的量也增加，因此導致水解單寧的提取率降低[9]。綜合考慮，選擇提取時間為15，25，35 min作為響應面水平。

2.1.5 超聲波功率對水解單寧提取率的影響

超聲波功率分別為10，20，40，60，80，100，120，130，140 W時，相應的水解單寧提取率見圖4。

圖4 超聲功率對水解單寧提取率的影響Fig.4 The effect of ultrasonic power on the extraction rate of hydrolysable tannin

由圖4可知，水解單寧的提取率隨著超聲功率的增加先增大后減少。當超聲功率為100 W時，丙酮對香蕉皮中水解單寧的提取率最大。這可能是因為隨著超聲波功率的增加，放出的熱量逐漸增加，使得反應溫度升高，溫度的升高加劇了水解單寧的分解，同時丙酮的揮發(fā)速度會加快，導致丙酮中水解單寧的溶解量下降。綜合考慮環(huán)境噪聲以及原料成本等方面要求，選擇超聲功率為80，100，120 W作為響應面水平。

2.2 響應面結果與分析

為優(yōu)化單因素實驗得到的水解單寧提取工藝，采用Box-Behnken Design試驗方案，對水解單寧提取工藝的主要影響因素進行優(yōu)化實驗，選取料液比、溶液體積分數(shù)、提取時間、超聲波功率4個因素做顯著水平表，實驗結果見表2。

表2 響應面實驗設計結果Table 2 Response surface experiment design and results

續(xù) 表

將表2所得實驗數(shù)據(jù)采用Design Expert 7.0.0統(tǒng)計軟件進行分析，回歸模型方差分析見表3。

表3 二次項模型的線性系數(shù)及方差分析Table 3 Analysis of variance and linear coefficient of quadratic model

運用 Design Expert 7.0.0軟件進行多元二次擬合，得到水解單寧提取率(Y)對料液比(A)、溶液體積分數(shù)(B)、提取時間(C)、超聲波功率(D)的回歸模型為：

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，其回歸模型極顯著(P<0.0001)，失擬項不顯著(P=0.9615>0.05)，其回歸模型決定系數(shù)為R2=0.9942，證明可以使用該模型對香蕉皮中水解單寧提取率進行預測[10]。由表3的方差分析可以看出，在一次項中，料液比、提取時間和超聲波功率對香蕉皮中水解單寧的提取率影響最大，均為P<0.0001，達到極顯著水平；丙酮溶液的體積分數(shù)對香蕉皮中水解單寧提取率影響較?。挥绊懙某潭软樞蛞来问橇弦罕?提取時間>超聲波功率>體積分數(shù)。在二次項中，料液比、體積分數(shù)、提取時間對香蕉皮中水解單寧提取效果的影響皆達到極顯著水平，P<0.0001；超聲波功率對香蕉皮中水解單寧的提取率影響較小。在交互項中，體積分數(shù)與提取時間、體積分數(shù)與超聲波功率，以及提取時間與超聲波功率之間的交互作用均對香蕉皮中水解單寧的提取率產(chǎn)生了極其顯著的影響，均為P<0.0001；而料液比與體積分數(shù)、料液比與提取時間，以及料液比與超聲波功率的交互作用對香蕉皮中水解單寧的提取率影響均不顯著。

由此對其回歸方程進行優(yōu)化，剔除其中二次完全回歸方程中的不顯著因素B、AB、AC、AD、D2，由此新的二次回歸方程為：

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

根據(jù)回歸方程得出響應面分析圖和相應的等值線圖，見圖5～圖10。

圖5 料液比與體積分數(shù)交互作用影響水解 單寧提取率的曲面線圖Fig.5 The surface curve for the interaction influences between solid-liquid ratio and volume fraction on extraction rate of hydrolysable tannin

圖6 料液比與提取時間交互作用影響水解 單寧提取率的曲面線圖Fig.6 The surface curve for the interaction influences between solid-liquid ratio and extraction time on extraction rate of hydrolysable tannin

圖7 料液比與超聲功率交互作用影響水解 單寧提取率的曲面線圖Fig.7 The surface curve for the interaction influences between solid-liquid ratio and ultrasonic power on extraction rate of hydrolysable tannin

圖8 體積分數(shù)與提取時間交互作用影響水解 單寧提取率的曲面線圖Fig.8 The surface curve for the interaction influences between volume fraction and extraction time on extraction rate of hydrolysable tannin

圖9 體積分數(shù)與超聲功率交互作用影響水解 單寧提取率的曲面線圖Fig.9 The surface curve for the interaction influences between volume fraction and ultrasonic power on extraction rate of hydrolysable tannin

圖10 提取時間與超聲功率交互作用影響水解 單寧提取率的曲面線圖Fig.10 The surface curve for the interaction influences between extraction time and ultrasonic power on extraction rate of hydrolysable tannin

由圖5～圖10可較直觀地看出各因素的交互作用對香蕉皮中水解單寧提取率的影響。曲線越陡峭，說明該組因素的響應面值的變化程度越大，則表明其交互作用對丙酮提取香蕉皮中水解單寧的提取率影響越大。通過比較6組圖可知，體積分數(shù)與提取時間、體積分數(shù)與超聲功率及提取時間與超聲功率的交互作用對香蕉皮中水解單寧的提取率影響較大[11]，表現(xiàn)為響應面圖較陡；而料液比與體積分數(shù)、料液比與提取時間及料液比與超聲功率的交互作用則不明顯，表現(xiàn)為響應面曲線較為平滑。綜上所述，可知響應面分析的結果與方差分析的結果完全相符。

對優(yōu)化過后的二次回歸模型數(shù)據(jù)進行分析，得出水解單寧最佳的提取條件是：料液比1∶21.68(g/mL)、丙酮溶液的體積分數(shù)69.47%、提取時間15 min、超聲波功率80 W，這時香蕉皮中水解單寧提取率可以得到的理論最大值是90.58%。為了便于實際的操作，將最佳提取條件修改為料液比1∶22(g/mL)、丙酮溶液的體積分數(shù)70%、提取時間15 min、超聲波功率80 W。在新改正的條件下進行3次平行的驗證試驗，得到水解單寧提取率的平均值是88.62%，相對誤差-1.96%，與模型的預測結果幾乎相同，說明通過響應面的方法優(yōu)化得到水解單寧的超聲波提取工藝，在實際中是十分可行的。

3 結論

本實驗以香蕉皮粉末作為原材料，采用超聲波法即運用超聲波細胞粉碎機對香蕉皮中的水解單寧進行提取，通過對有機溶劑的種類、料液比、丙酮溶液的體積分數(shù)、提取時間、超聲波功率5個影響因素進行單因素實驗，并在此基礎上運用響應面法設計實驗方案，優(yōu)化提取工藝，得出了最佳提取工藝的條件。結果表明：采用超聲波法對香蕉皮中水解單寧進行提取的最佳提取工藝條件為：料液比1∶22(g/mL)、丙酮溶液的體積分數(shù)70%、提取時間15 min、超聲波功率80 W。此條件下香蕉皮中水解單寧的提取率為88.62%。根據(jù)此次實驗分析，可得出利用超聲波法進行香蕉皮中水解單寧的提取，具有操作簡便、提取率高、節(jié)能、節(jié)省時間等優(yōu)點，有利于為香蕉皮中水解單寧的各項研究打好基礎，做好準備。