水提法提取香蕉皮淀粉的工艺研究

刘涛，张铁鹏，刘宁，李昌虎，王璇

(哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室，哈尔滨 150076)

香蕉是热带、亚热带的特色水果，不仅营养价值丰富，而且香蕉产量很大，经济价值也很高。数据显示，2015年我国种植香蕉的总体面积达到了41.2万公顷，每年生产的香蕉总量高达1246.7万吨，平均单产达到了30.26 t/hm2。香蕉有稳定血压、预防心血管疾病、防治动脉硬化和改善免疫系统等功效，还可以帮助减肥[1-4]，所以香蕉的适用人群很广，对香蕉的赞誉声不绝于耳。但香蕉属于呼吸活跃型的水果，因为运输的过程路途较远，香蕉会因呼吸而变质，且远途的贮运保鲜非常困难，因此导致香蕉产量迅速增加，但是其销售跟不上，使得香蕉采摘后损失特别大，严重损害了香蕉的经济效益[5-8]。因此，香蕉产业所衍生出来的各种深加工行业纷纷发展起来。但是香蕉皮通常不被重视，作为废弃物而被丢弃或者焚烧，给环境带来不良的影响[9]。国外研究表明，香蕉皮提取有着很高的价值，是植物提取的最佳原料。香蕉皮里富含营养物质，如淀粉、果糖和多种人体所需的微量元素K、Ca、Mg、S、Fe、Zn等，通过香蕉皮提取得到的淀粉可以被当作脂肪的替代物，用于替代油脂和奶油，当被用于熟肉制品中时可以替代肉制品灌肉肠内50%的脂肪，也可被添加到面包、饼干等产品的配料中，都极大地降低了添加食品的脂肪含量，使食品更加健康，也可添加到膨化食品中，或作为香肠、冰淇淋等的凝固剂来改变食品的色泽和风味，所以香蕉皮可作为潜在的资源与原材料[10-11]。

目前，我国对于香蕉淀粉提取的研究很少。而我国的香蕉种植广泛，产量大，主要是鲜吃，深加工少，运输和保鲜技术也有待发展，造成大量的香蕉坏掉，经济损失巨大[12]，所以香蕉皮是可供淀粉提取的另一种资源。通过本试验的开展，可使香蕉皮中的淀粉最大限度地被提取应用，同时也提供了一个香蕉皮深加工的新思路。

1 试验部分

1.1 试验材料、试剂与仪器

1.1.1 主要试验仪器

V-1000可见分光光度计 翱艺仪器(上海)有限公司；HH.S11-2-S电热恒温水浴锅 上海跃进医疗器械厂；DHG-9035A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；TDL-80-2B离心机 上海安亭科学仪器厂；标准检验筛；分析天平等。

1.1.2 试验试剂与材料

香蕉：市售；无水乙醇(AR)、碘(AR)、硝酸钙(AR)、碘化钾(AR)、可溶性淀粉等。

1.2 试验方法

1.2.1 香蕉皮预处理及溶液配制

将待处理的香蕉皮里面的白色物质刮层后放入恒温鼓风干燥箱中，先将温度设定为80 ℃，对香蕉皮里面刮层后物质烘干直至恒重。将烘干后的原料用研钵研磨至粉末状，分别使用20，40，60，80目筛筛选不同目数的香蕉皮粉末，收集粉末分装到试剂瓶里，备用。

1.2.2 淀粉的提取以及性能测定1.2.2.1 淀粉的提取

在分析天平上准确称量一定量处理好的香蕉皮粉末，把量取后的香蕉皮粉末置于研钵中，然后用5 mL的移液管准确移取5 mL一定体积分数的乙醇溶液，用研棒研磨1 min左右。转到离心管中，在3000 r/min的转速下离心10 min，取出后倒掉上层清液，用移液管准确移取5 mL蒸馏水于离心管中进行清洗，继续在3000 r/min的条件下离心10 min后去除上层清液，然后准确移取5 mL一定浓度的硝酸钙水溶液悬浮洗涤残渣，把离心管1中的样品转入玻璃试管中，在已经加热至沸腾的水浴锅中加热10 min，然后把试管中的样品重新转入离心管中在4000 r/min下离心4 min，最后将离心后的上清液放入容量为20 mL的瓶中，在此过程中提取2次残渣，然后与提取的液体结合3次，再放入容量为20 mL的瓶中。

1.2.2.2 淀粉含量的测定

标准添加法测定：取3个比色皿，其中一个加入样品液1 mL，在另一个比色皿中加同样体积的样品液和1 mL 100 μg/mL的淀粉标准溶液，然后用移液管称量1 mL的蒸馏水加入第一个比色皿中补足2 mL，在第三个比色皿中用移液管准确称量2 mL蒸馏水，最后用1 mL移液管准确移取0.1 mL NI2-KI分别加入3个比色皿中摇匀，用可见分光光度计在620 nm处测定吸光度，用公式(1)、(2)计算样品中的淀粉含量及提取率。

1.2.2.3 淀粉总含量的测定及提取率的计算

(1)

式中：X为标准曲线上查到的样品的淀粉浓度(μg/mL)；Vt为样品的总体积(mL)；2为每支测定比色皿里样品的总体积(mL)；Vu为每支比色皿里的样品原液体积(mL)；W为样品的质量(g)；1000为将μg换算成为mg。

(2)

式中：X为稀释至2 mL时的样品浓度(μg/mL)；Ax为样品测定出来的显色值；A50+X为加入标准淀粉使浓度提高之后的显色值；50为加入标准淀粉使淀粉的浓度提高50 μg/mL。

计算出结果，再将解出来的X代入公式(1)中，可以得出样品中淀粉的含量。

1.2.2.4 透明度的测定

准备50 mL 1%的淀粉乳，加热搅拌15 min，冷却至室温。利用紫外分光光度计测定620 nm处淀粉糊的透光率，由公式(3)计算：

A=-lgT。

(3)

式中：A为吸光度值；T为透光率。

1.2.2.5 冻融稳定性的测定

准备8%淀粉悬浮液，加热搅拌保持30 min，在振荡水浴中将其降温到50 ℃。称量20 g淀粉糊置于已经称重过的50 mL离心管m0，称重m1，然后放入-20 ℃的冰箱中48 h。在室温下4 h进行3个冻融循环，在3000 r/min离心15 min除去上层清液并称重m2，用冻融析水率表示淀粉冻融稳定性，冻融析水率(ws)由公式(4)计算：

(4)

1.2.2.6 淀粉凝沉性和抗老化性的测定

准备1%淀粉乳，在100 ℃的磁力搅拌器中将其加热至凝胶化，然后在室温下冷却，用1 cm比色皿测量650 nm处的透光率，并在静置24 h后测定。

1.2.3 提取香蕉皮中淀粉的单因素试验

1.2.3.1 不同体积分数的乙醇对香蕉皮中淀粉提取率的影响

准确称量0.1 g处理好的相同目数过筛的香蕉皮粉末，各自采用体积分数20%、40%、60%、80%的乙醇5 mL，设置硝酸钙浓度为80%，用不同体积分数的乙醇研磨0.1 g的香蕉皮粉末1 min左右，再把样品加入离心机中采用3000 r/min的转速离心10 min，倒掉上层清液，然后准确移取5 mL蒸馏水洗涤样品，再次加入离心机中在3000 r/min的条件下离心10 min后弃去上层清液，然后加入相同体积分数80%的Ca(NO3)225 mL，将样品放到试管中在沸水浴中加热10 min，取上层的清液于容量瓶中，按此步骤再重复提取2次后定容。按公式(1)和公式(2)计算样品中淀粉的提取率。

1.2.3.2 不同硝酸钙浓度对香蕉皮中淀粉提取率的影响

准确称取0.1 g处理好的相同目数过筛的香蕉皮粉末，在相同的乙醇体积分数60%条件下加入5 mL，设置不同的硝酸钙浓度为75%、80%、85%、90%，用相同体积分数的乙醇60%分别研磨0.1 g香蕉皮粉约1 min，然后将样品加入离心机中，用3000 r/min的速度离心10 min，然后丢弃上层的清液。取出5 mL蒸馏水，准确洗涤样品，加入离心机中，以3000 r/min离心10 min，再次丢弃上层的清液，向样品中加入相同浓度的Ca(NO3)225 mL，在沸水浴中加热10 min。以4000 r/min的速度离心4 min后，将上清液转移到容量瓶中，重复2次提取后设定体积。按公式(1)和公式(2)计算样品中淀粉的提取率。

1.2.3.3 不同过筛目数对香蕉皮中淀粉效率的影响

准确称取0.1 g处理好的20，40，60，80目的香蕉皮粉末，在相同的60%乙醇体积分数条件下加入5 mL，在相同的80%硝酸钙浓度条件下，分别研磨不同目数的0.1 g香蕉皮粉末1 min左右，然后将样品加入离心机中采用3000 r/min的转速离心10 min后倒掉上层的清液，在准确移取5 mL蒸馏水洗涤样品，加入离心机中用3000 r/min的转速离心10 min后再次弃去上层的清液，分别加入与之前相同浓度的Ca(NO3)225 mL，将样品放到试管中在沸水浴中加热10 min，最后在4000 r/min转速下离心4 min，取上层的清液于容量瓶中，按此步骤再重复提取2次后定容。按公式(1)和公式(2)计算样品中淀粉的提取率。

1.2.4 响应面设计方案

在单因素试验的基础上，根据单因素试验数据的分析研究，对乙醇体积分数、硝酸钙浓度和香蕉皮粉筛数3个因素进行了响应面分析[13]。通过响应面法和响应面图的试验设计，优化了碘显色法从香蕉皮中提取淀粉的工艺。以乙醇体积分数(A)、硝酸钙浓度(B)、香蕉皮粉末过筛目数(C)3个因素为独立变量，用+1，0和-1代表各因素的高、中、低水平。其中，-1，0和+1为自变量，即各因子的低、中、高水平。试验因素的设计和编码见表1。

表1 因素水平设计及编码

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 不同体积分数乙醇对淀粉提取率的影响

为了确保试验中使用最佳的乙醇体积分数，分别配制不同体积分数的乙醇，进行单因素试验。除了采用的乙醇体积分数不同外，对淀粉进行碘显色法提取的其他条件都相同。乙醇的体积分数为20%、40%、60%、80%时，相应的淀粉提取率见图1。

图1 乙醇体积分数对淀粉提取率的影响

由图1可知，当乙醇体积分数为20%、40%、60%时，乙醇对香蕉皮中淀粉的提取率会伴随乙醇体积分数的变大而变大，当乙醇体积分数为60%时，乙醇对淀粉的提取率最高；而当乙醇体积分数大于60%时，乙醇对香蕉皮中淀粉的提取率会伴随乙醇体积分数的变大而变小。这是由于如果乙醇体积分数过大，乙醇会挥发而对香蕉皮粉末研磨不充分，影响提取效率，而乙醇体积分数过小则对香蕉皮粉末的研磨和提取不充分[14]，除此之外，因为研磨是用研钵人工进行，对香蕉皮粉末研磨的力度会有差异，从而影响了对淀粉的提取率，造成提取淀粉的准确性有误差。综合考虑，选择40%、60%、80%的乙醇体积分数作为响应面水平。

2.1.2 Ca(NO3)2溶液浓度对淀粉提取率的影响

硝酸钙浓度为75%、80%、85%、90%时，相应的淀粉提取率见图2。

图2 Ca(NO3)2溶液浓度对淀粉提取率的影响

由图2可知，当硝酸钙浓度小于80%时，硝酸钙对淀粉的提取率会随着硝酸钙浓度的增大而增大，当硝酸钙浓度为80%时，硝酸钙浓度对淀粉的提取率最大；而当硝酸钙浓度大于80%时，硝酸钙对淀粉的提取率会随着硝酸钙浓度的增大而减小。这可能是因为硝酸钙浓度增大会影响香蕉皮中杂质溶出的效果；也可能是由于当硝酸钙浓度为80%时，其化学结构所拥有极性最适合于淀粉的大量溶出，所以当硝酸钙浓度大于80%时淀粉的溶出量会减少，相应地硝酸钙浓度对淀粉的提取率也会变低。综合考虑试验的结果与节约原料的要求，选择硝酸钙浓度为75%、80%、85%作为响应面水平。

2.1.3 香蕉皮粉末过筛目数对淀粉提率影响

当香蕉皮粉末过筛目数分别为20，40，60，80目时，相应的淀粉提取率见图3。

图3 香蕉皮粉末过筛目数对淀粉提取率的影响

由图3可知，当筛孔数小于40目时，碘显色法提取淀粉的速度随筛孔数的增加而增加。当过筛目数为40目时，碘显色法提取淀粉的速度最高。当过筛目数大于40目时，碘显色法对淀粉的提取率则会随着过筛目数的增加而减小。这可能是由于过筛目数为40目时，香蕉皮粉末在这个粒径研磨比较充分，会与乙醇有一个良好的接触，对淀粉的提取效率高。当过筛目数大于40目时，香蕉皮粉末会非常细腻，虽然会与乙醇的接触更加充分，但是研磨起来只会随着研棒的转动粉末随之转动，对香蕉皮的粉末研磨不会特别充分。所以综合考虑，选择过筛目数20，40，60目作为响应面水平。

2.2 响应面结果与分析

为了优化通过单因素试验确定的淀粉提取工艺条件，采用Box-Behnken对试验方案进行设计[15]，对淀粉提取工艺产生影响的主要因素进行优化试验，选择乙醇体积分数、硝酸钙浓度、香蕉皮粉末过筛目数3个因素作为主要影响因素做显著水平表，试验结果见表2。

表2 响应面试验方案设计和结果

将表2所得的所有试验数据采用Design Expert 7.0.0统计软件进行响应面分析[16]，得到回归模型的方差分析表,见表3。

表3 二次项模型的线性系数及试验结果的方差分析

利用Design-Expert 7.0.0软件对17组试验方案的试验数据进行多重二次拟合，得到了乙醇体积分数(A)、硝酸钙浓度(B)、香蕉皮粉末过筛目数(C)3个因素对淀粉提取率(Y)的回归模型，试验方案由4个水平组成，由单因素的方差分析确定。对淀粉提取率(Y)的回归模型为：

Y=73.50+2.53A+0.74B+3.69C+4.30AB+0.20AC+0.83BC-5.09A2-2.71B2-10.41C2。

由表3可知，回归模型极显著(P<0.0001)，失拟项不显著(P=0.4219>0.05)，回归模型的决定系数R2=0.9858，说明可以用该模型对香蕉皮中淀粉的提取率进行较好的预测[17]。

由表3方差分析结果可知，在一次项A，B，C中，对香蕉皮中淀粉提取效果的影响极其显著的因素为乙醇体积分数和香蕉皮粉末过筛目数，即A，C两个因素，其P值接近0.0001，达到显著水平；硝酸钙浓度即因素B对香蕉皮中淀粉提取效果的影响较小；将3个因素对淀粉提取效果影响程度大小进行排序，依次为香蕉皮粉末过筛目数>乙醇体积分数>硝酸钙浓度，即C>A>B。

在二次项A2、B2、C2中，乙醇体积分数、硝酸钙浓度、香蕉皮粉末过筛目数中，对香蕉皮中淀粉提取率的影响达到极其显著的是C2，其P值满足P<0.0001；乙醇体积分数的二次项A2的P值接近0.0001，达到显著水平，而硝酸钙浓度的二次项B2对香蕉皮中淀粉提取率的影响不显著。

在交互项AB、AC、BC中，乙醇体积分数与硝酸钙浓度、乙醇体积分数与香蕉皮粉末过筛目数以及硝酸钙浓度与香蕉皮粉末过筛目数之间的交互作用，AB这一组的交互作用对香蕉皮中淀粉的提取率产生了较显著的影响，体现为P值接近0.0001；乙醇体积分数与香蕉皮粉末过筛目数和硝酸钙浓度与香蕉皮粉末过筛目数即AC、BC这两组的交互作用对香蕉皮中淀粉的提取率均不产生显著影响。

由此对得出的回归方程进行优化[18]，剔除二次完全回归方程中的不显著因素B、AC、BC、B2，由此得到新的二次回归方程为：

Y=73.50+2.53A+3.69C+4.30AB-5.09A2-10.41C2。

由上述回归方程得出响应面分析图和相应的等值线，见图4～图6。

图4 硝酸钙浓度与乙醇体积分数交互作用影响淀粉提取率的曲面线图

图5 过筛目数与乙醇体积分数交互作用影响淀粉提取率的曲面线图

图6 过筛目数与硝酸钙浓度交互作用影响淀粉提取率的曲面线图

由图4～图6各因素的相互作用对香蕉皮淀粉提取效果的影响可以直观地看出，若曲线的曲面越凹凸，表示该组因素的响应面值变化程度越大，代表其交互作用对香蕉皮中淀粉的提取效果影响越大。通过比较3组图可知，乙醇体积分数与香蕉皮粉末过筛目数的交互作用，即AC这一组的交互作用对香蕉皮中淀粉的提取率影响较大，表现为响应面图较陡，即响应面值的变化程度大；而乙醇体积分数与硝酸钙浓度和香蕉皮粉末过筛目数以及硝酸钙浓度的交互作用，即AB、BC这两组的交互作用对香蕉皮中淀粉提取效果胡影响则不明显，表现为响应面曲线比较平滑。综上所述，可知响应面分析的结果和方差分析的结果完全相符。

采用优化的二次回归模型对数据进行分析，得到了淀粉的最佳提取条件：乙醇体积分数为69.69%，硝酸钙浓度为82.75%，香蕉皮粉末过筛目数为44.07目，此时香蕉皮中淀粉提取率的理论最大值为74.69%。为了便于实际操作量取、设置的准确，将香蕉皮中淀粉的最佳提取工艺修正为：乙醇体积分数为70%，硝酸钙浓度为80%，香蕉皮粉末过筛目数为40目。按照得到的最佳提取工艺条件，对香蕉皮中的淀粉进行提取，且进行了3次平行验证试验，得到当处于最佳的提取工艺条件下时，淀粉的提取率平均值是73.8%，该值和模型的预测值基本相符，说明运用响应面法进行优化得到的香蕉皮中淀粉的提取工艺条件在实践中是行之有效的。

2.3 香蕉皮淀粉性能检测

2.3.1 透光率的测定

利用公式计算样品的透光率，香蕉皮淀粉的透光率见表4。

表4 透光率性能测定

2.3.2 凝沉性和抗老化性的测定

香蕉皮淀粉的凝沉性和抗老化性的差异可以通过两次测量之间的数据差异大小来表示，见表5。

表5 凝沉抗老化性测定

2.3.3 冻融稳定性的测定

利用公式计算香蕉皮淀粉的析水率，见表6。

表6 冻融稳定性的测定

3 结论

试验以香蕉皮内部白色刮层烘干研磨后的粉末为原料，采用水法提取香蕉皮中的淀粉。对乙醇体积分数、硝酸钙溶液浓度和香蕉皮粉筛数3个因素进行了单因素试验。同时采用响应面法对试验方案进行设计，优化了提取工艺，获得最佳的提取条件。结果表明，采用水提取法对香蕉皮中淀粉进行提取的最佳工艺条件为：乙醇体积分数为70%，硝酸钙浓度为80%，香蕉皮粉末过筛目数为40目，此条件下香蕉皮中淀粉的提取率为74.69%。根据此次试验分析，可得出利用碘显色法进行香蕉皮中淀粉提取具有操作简便、提取率高、节能、省时等优点，且性能优异，有利于以后对香蕉皮中淀粉进行各项研究提供参考。