本科毕业设计说明书（论文）
1 绪论 第1 页 共 23 页
果胶在苹果、香蕉、木瓜、桔子、橙子、柚子等中的含量比较多。此外，在南瓜、甜菜、桑葚等植物中也有一定含量。本实验选用香蕉皮作为原料提取果胶。香蕉皮除了能提取果胶，还具有清洁、催熟、防治冻疮、解酒、治口腔溃疡、治牙痛、预防中风、治咳和治忧郁症等作用。此外，香蕉还有多种功效作用：（1）香蕉易于消化吸收，热量低，可以当早餐和减肥产品，具有防止便秘的作用。（2）香蕉能有效刺激神经系统发出快乐、平静和瞌睡的信号，因此香蕉有益于大脑，可以使人身心愉悦，预防神经疲劳。（3）香蕉能提供大量钾离子，能有效控制血压的升高和血管的损坏。可见香蕉全身都是宝，不仅口感香甜，营养丰富而且作用良多。因此，我国要加强对香蕉皮这类生活垃圾的开发利用程度。
果胶是一种高分子碳水化合物，拥有复杂的线性分子结构。果胶又属于多糖，其单个分子主链大约是由上千个脱水半乳糖醛酸残基组成的。因此果胶的主要成分是D-半乳糖醛酸。果胶按照多糖形式可为分为半乳糖醛酸聚糖（图1）和鼠李半乳糖酸聚糖（图2）两种类型［1］。半乳糖醛酸聚糖主要是由D-半乳糖醛酸上的基团与α（1→4）糖苷键连接形成的残基构成的，反应生成的残基数高达500多个。若在上述残基形成的过程中加入吡喃型鼠李糖则会生成鼠李半乳糖酸聚糖。
O
O
O H
H O
O
--C O O H 3O O O H H O C O O H 3O O C O O -O O O H H O O -O O O C
O
O H 3O -C O O O C O H O O O C O O C H O C H 3O O O H O O O
图1 半乳糖醛酸聚糖结构式
图2 鼠李半乳糖酸聚糖结构式
果胶具备乳化稳定、凝胶和缓冲屏蔽等诸多功能，故果胶在食品、医疗等领域有着诸多应用价值。
在食品工业中果胶的应用［2］：（1）冷饮食品中果胶能增加其黏度，使冷饮易于成型，提高口感。（2）烘焙食品中果胶能提高面团的膨胀率，增加成品产率，提高成品保质期。（3）糖果食品中果胶作为添加剂能够降低糖果的粘牙度，极大提高糖果品质。（4）饮料食品中果胶能使饮料中的果肉均匀悬浮在液体中以提高口感，同时果胶能赋予饮料逼真的果汁口味。（5）健康食品中果胶能制作出含糖量低和脂肪量低的健康减肥食品，适用于广大肥胖爱美人群，同时血糖高的人也可以放心食用。 在医药上果胶具有良好的降血脂、对重金属解毒、消除肿胀、止泻、抗菌和减肥等作用，果胶可以单独和其他制剂一起使用配成胶囊、膜、软膏等药物。果胶不但对控制人体血液中的胆固醇含量有着显著的疗效，而且还杜绝阳离子中毒的隐患。 其它工业方面果胶的应用如下：（1）果胶能乳化一些乳浊液，同时使这些液体保持稳定。（2）果胶对化妆品能起到一定的辅助作用，故可以作为辅助剂［3，4］使用。
（3）果胶可以作为纺织和造纸的施胶剂。（4）果胶能够制成易降解薄膜。
1．1 果胶提取方法研究 果胶以原果胶、果胶、果胶酸及盐的形式存在于大自然界中。其中原果胶不溶于水，原因在于此形态的果胶与纤维素紧密结合在一起。原果胶可以在酸、碱、酶等作用下破坏其与纤维素的结合状态，使其与纤维素分解得水溶性果胶。最后将果胶提取液浓缩、沉淀和烘干。传统是采用酸法提取果胶，随着科技的发展，现今提取果胶的方法进行了优化和改良变得多种多样，主要果胶提取研究工艺如下。
1.1.1 传统酸法提取果胶工艺研究
戴余军等［5］研究了传统酸法提取果胶的工艺。本实验原料为烘干的柑橘皮，主要实验步骤如下：（1）将原料进行粉碎。（2）称取适量粉末用适量的盐酸进行酸解。
（3）经漏斗过滤后用乙醇沉淀。（4）置于烘箱烘干得果胶成品。虽然此法操作简单，只要选取适当的酸提取剂和沉淀剂即可。但是此工艺提取过程中很大程度上破坏了果胶分子，大大降低了果胶的提取率和质量。此外，常年大量使用酸提取剂会加大设备的腐蚀程度，从而导致成本的提高。不管是从生产成本还是生产效率来说，该工艺存在很大的弊端。
1.1.2 微波法提取果胶工艺研究
Fishman 等［6］将传统天酸法与微波法提取后所得桔子皮纤维组织进行对比，实验结果表明微波对原料细胞有一定的膨胀作用。肖凯军等［7］经大量实验研究表明了此工艺提取得到的果胶的各种物理化学性质都符合国家标准，果胶的得率也高。侯春友等［8］经实验研究表明此法有提高选择性、提高生产效率和降低原料使用量等优点，是一种非常简便有效的提取工艺。朱秀灵等［9］在微波法提取实验中使用复合磷酸盐对桔皮进行预处理，是因为溶液中的金属离子和聚磷酸盐两者能够相互螯合，将金属离子屏蔽掉，生成可溶性产物，从而到达软化的作用效果，大大降低了浸提时间并有效增加了产物得率。
1.1.3 超声波法提取果胶工艺研究
据实验表明超声波频率大于20kHz ，可以增强溶剂向原料细胞的渗透量，还可以提高传质效率，从而使有机成分的提取过程能够得到飞速的提高，是一种具有发展潜力的利用外力强化提取的新技术。汪海波［10］、黄永春［11］等研究了超声波辅助法从柑橘、木瓜果皮中提取出果胶，实验结果充分表明了超声波辅助提取具有很显著的优势。近几年来，在食品、制药等领域中超声波的应用［12］也越来越广泛，由此可见其此工艺的发展前景广阔。
1.1.4 表面活性剂增效超声波法提取果胶工艺研究 近几年来，部分技术人员已经研究了表面活性剂的增溶作用，同时研究了其对有机成分的提取过程的促进作用。岳贤田等［13］对香蕉皮进行了表面活性剂增效超声波辅助萃取的研究，实验结果表明此研究方法能使果胶产率和质量大大上升，生产效率变高。但是此工艺还存在着弊端：（1）超声波和表面活性剂的同时使用增加了实验成本。（2）实验过程中有着诸多影响因素，实验操作困难，降低实验准确性。
1.1.5 酰胺化法提取果胶工艺研究
酰胺化法的优势在于能够使高脂果胶转化为低脂果胶，其基本化学原理：碱性反条件下，在氨的作用下，果胶分子中的甲氧基能够被快速水解，以胺基代替甲氧基，甲酯被转化为伯醇胺，这样就可以将高酯果胶快速转变为低酯果胶。
张卫红和陈波［14］通过实验研究证实此法最终得到的产物为低脂果胶，在最佳工艺条件下，得率达到85%以上。此法制得的低脂果胶易于溶解和凝胶，质量较好。但是生产过程中产生的环境污染比较严重，这势必会增加实验成本。
1.1.6 纤维素酶提取果胶工艺研究
石会军等［15］人对纤维素酶提取果胶工艺作了相关研究，研究表明这种工艺具有低污染、低消耗、胶凝度大、果胶分子量大、生产周期短、效率高和产品质量稳定的优点，同时又弥补了传统酸法提取的众多缺点。故此提取果胶的方法具有很大的发展前景。此外，研究人员还通过单因素实验和正交实验得出最佳提取工艺条件，并对产物的重要特性进行分析。虽然此工艺能提取出产量高，质量好的果胶，但该实验所需主要原料（纤维素酶）比较昂贵，从而增加实验成本。
1.1.7 离子交换树脂法提取果胶工艺研究
酸提取过程中存在的很多缺陷，从而大大影响了果胶提取率和质量。为此JM.G Huang 等［16］对离子交换树脂法做了深刻的研究，实验结果表明此法能大大提高果胶的质量和产率。毛桂枝等［17］也探讨了离子交换树脂法提取的工艺，实验结果也证实了此法提取的果胶产率高，质量好。刘敬齐等［18］采用硫化物浸泡柑橘皮原料结合离子交换法，得到了灰分小于2%，胶凝度在150～200，果胶胶得率较传统酸法增加了10%，成本降低20%，生产工艺流程与传统酸法提取一样简单易行，操作简单。该方法在国外已经用于大规模的生产工业，国内还没有运用到实际的果胶生产工业中。
1.2 研究目的与意义
我国每年的香蕉生产量极大，随着科学技术的迅速发展，我国对香蕉皮的加工产
业逐渐的兴起。虽然随着人们观念的提高，人们意识到香蕉皮有诸多的优良功效，但是在日常生活中人们还是将香蕉皮丢弃掉，这既造成资源的极大浪费，又给环境带来沉重的负担，故加强对香蕉皮的综合利用成为一种必然趋势。
我国对果胶的需求量极高，但是80%的果胶是从国外引进的。据有关资料表明，在未来相当长的一段时间内，我国果胶的市场需求量仍将以15%的速度不断增长。所以我国应该重视果胶生产工业，加大对含果胶量多的废弃资源的综合利用，提高经济价值，争取在满足我国果胶需求量的基础上致力于开发国际果胶市场。现今随着国民经济的快速发展，人们对自身的健康状况越来越重视。果胶制作的低热量和低糖食品深受广大减肥、高血脂，糖尿病患者的青睐。这种趋势只会随经济的发展而逐步变大，可见其拥有巨大的发展潜力。
基于香蕉皮资源的极大浪费、果胶的极大需求和果胶的广阔前景，结合当前果胶生产状况，如何利用香蕉皮生产果胶，将其变废为宝，已成为学术界关注的热点。传统果胶工业主要采用酸提取法，此工艺虽然简单易行，但是果胶产率低，质量差。为此，可采用离子交换树脂法来弥补传统酸法存在的缺陷。目前有关离子交换树脂法从柚子皮［19］、柑橘皮［20］、南瓜［21］和橙皮［22］等植物中提取果胶的文献报道很多，但还未有采用此法提取香蕉皮中果胶的研究报道，故本实验首次尝试以香蕉皮为果胶原料，采用离子交换树脂法提取果胶。通过实验研究表明离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的有效可行性，同时为香蕉皮的利用提供有利的依据，充分体现了香蕉皮的经济价值，节约果胶生产成本，减轻环境污染，为工业化生产果胶提供理论依据，推动我国果胶产业的发展。
2 实验部分
2.1 实验材料
2.1.1 实验原料
本实验选用香蕉（购自泰州当地世纪联华超市，产地：海南）果皮作为实验原材料。
2.1.2 实验试剂
本实验所需主要化学试剂见表1。
表1 主要化学试剂表
试剂名称
氢氧化钠
盐酸
95%乙醇
无水乙醇
冰醋酸
醋酸钠
酚酞指示剂
732型阳离子交换树脂 纯度 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 — 生产厂商 无锡市展望化工试剂有限公司 无锡市佳妮化工有限公司 无锡市佳妮化工有限公司 无锡市佳妮化工有限公司 无锡市展望化工试剂有限公司 无锡市展望化工试剂有限公司 无锡市展望化工试剂有限公司 上海化学试剂公司生产
2.1.3 实验仪器与设备
表3 主要实验设备
设备名称
精密数显酸度计
分析电子天平
增力电动搅拌器
数显恒温水浴锅
电热恒温干燥箱
箱式电阻炉
型号 pHS-25 AL104 DJ1C-100W HH-1 DHG-9202.3SA SX-2.5-12 生产厂家 上海精科雷磁仪器厂 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司 国华电器有限公司 金坛市维诚实验器材有限公司 上海三发科学仪器有限公司 上海实研电炉有限公司
调温电热器
循环水式真空泵
微型高速粉碎机
冰箱
旋转蒸发仪
红外烘干箱
粉末压片机
红外分光光度计
旋转式粘度计 — SHB-Ⅲ XFB-2009 海尔 RE-52型 HW-3 FW-4A TJ270-30A NDJ-7 南通金石实验仪器有限公司 郑州长城科工贸有限公司 江苏苏州市分析仪器厂 青岛海尔股份有限公司 上海亚荣生化仪器厂 天津市拓普仪器有限公司 天津市拓普仪器有限公司 天津市拓普仪器有限公司 上海天平仪器厂
2.2 实验步骤
2.2.1 原料预处理
将香蕉皮剥下，用自来水清洗干净后，再用蒸馏水洗涤，然后切成直径大约为7mm ～10mm 的碎块，切好后，将其放入烧杯中，加入适量蒸馏水，浸泡30min 左右（初步除去杂质）。然后使其在沸水中煮3min ～5min （灭掉果胶酶），放在太阳光下晒一定时间（初步除去水分），然后放入电热恒温干燥箱（70℃）中烘干，粉碎成粉末。加入6倍体积的95%乙醇，放入水浴锅（60℃）内浸提4h ，然后过滤，去除含有黄色素等杂质的滤液，重复浸提多次，尽量将色素除掉。最后，将滤渣置于烘箱（60℃～80℃）中烘干，得干香蕉皮粉末以供备用。
2.2.2 732型离子交换树脂预处理
此步骤主要是将钠型树脂转化为氢型树脂，参考文献［22］。将干燥的732型离子交换树脂用2倍体积的蒸馏水搅拌2h ，让树脂能够完全溶胀，然后用4倍体积的浓度为2mol/L的HCl 溶液（现配）搅拌0.5h ，使其充分反应，将上层清液过滤掉，用蒸馏水将滤饼洗至pH 值为7。接着用4倍体积的浓度为2mol/L的NaOH 溶液（现配）搅拌0.5h ，将上层清液过滤掉，再用蒸馏水将滤饼洗至pH 值为7。最后用4倍体积的浓度为2mol/L的HCl 溶液（现配）搅拌0.5h ，除去上层清液，用蒸馏水将树脂洗至pH 值为7，最后用电热恒温干燥箱烘干备用。
2.2.3 果胶的提取
（1）果胶浸提液的提取：称取0.5000g 香蕉皮粉末，再加入适量树脂。制备浸提液（用2mol/L的盐酸溶液将蒸馏水的酸度调节到一定的pH 值），然后在一定
的温度下水浴浸提一定的时间，最后减压抽滤得果胶浸提液。
（2）浓缩果胶浸提液（浓缩比为4:1），此实验步骤目的在于节省乙醇的用量，降低实验成本。
（3）冷却果胶浸提液：将果胶浓缩液和无水乙醇放在冰箱中冷却。此操作步骤有以下几个好处：（a ）可以促进后续步骤的果胶沉淀速度。（b ）可以节省沉淀试剂的用量。（c ）可以降低果胶因脱脂而受到的破坏。
（4）乙醇沉淀：用相同体积的无水乙醇（已冷却）注入到果胶浓缩液（已冷却）中，静置4h ～7h ，使果胶沉淀完全析出。
（5）过滤与洗涤：用循环水式真空泵抽滤得果胶粗产物，先用95%乙醇洗涤，接着用无水乙醇洗涤脱水。
2.2.4 计算果胶得率
将实验最终所得滤饼放在烘箱中烘干，准确称取产物质量，计算产物得率，香蕉皮果胶得率（%）=
提取所得果胶的质量（g ） 100% 干香蕉皮粉末的质量（g ）
3 结果与讨论
3.1 离子交换树脂最佳用量的确定
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次加入0%、3%、5%、7%、9%的氢型阳离子交换树脂（占干香蕉皮重, 下同），确保上述5组实验在相同条件下（料液比为1:20（g:mL）、浸提液pH 值为1.5、浸提温度为85℃、浸提时间为2h ）浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图3。
果胶得率/%0246810
树脂用量/%
图3 不同树脂用量对果胶得率的影响
由图3可知，在相同的条件下，添加了树脂的果胶得率明显地高于不加树脂的果胶得率，这是由于树脂上H +能与香蕉皮中的Ca 2+、Mg 2+等多价阳离子进行交换，Ca 、Mg 等多价阳离子被置换到树脂上，果胶摆脱了Ca 、Mg 等多价阳离子的束缚，由此加快了原果胶的溶解，减少了产物杂质的含量，提高了果胶的产率和质量［19，22］。所以，离子交换树脂法与传统的酸提取法相比较，它的果胶提取率高、质量好。但是，当树脂用量较低时，Ca 2+、Mg 2+等多价阳离子没有被完全置换出来，果胶水解不充分，果胶得率不高。当树脂用量为7%时，已经把Ca 2+、Mg 2+等多价阳离子全部置换出来了，果胶已经充分水解，即使再提高树脂的用量，果胶的得率2+2+2+2+
也不会有所增加。所以，从成本方面考虑，7%的树脂用量为最佳树脂用量。
3.2 单因素实验
用离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶，以最佳树脂用量7%为实验树脂用量，通过单因素实验，对料液比、浸提液pH 值、浸提温度、浸提时间4个影响因素进行了以下实验研究。
3.2.1 料液比对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次加入不同的料液比，确保上述5组实验在相同条件下（浸提时间2h 、浸提温度85℃、浸提液pH 值2.0）浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图4。
20
19
18
果胶得率/%17
16
15
1:101:201:301:401:50
料液比/(g:mL)
图4 不同料液比对果胶得率的影响
由图4可知，料液比为1:10（g:mL）时果胶得率很低，这是由于浸提液过少，果胶还未充分被提取出来。往后随着料液比的增大，果胶的得率上升，但是料液比增大到一定程度后，果胶得率不再上升反而下降。很明显图中料液比在1:20（g:mL）处的产物得率最高，所以从成本和产率考虑最佳料液比为1:20（g:mL）。
3.2.2 浸提液酸度对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于
100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次加入不同pH 值的浸提液，确保上述5组实验在相同条件下（料液比1:20（g:mL）、浸提温度85℃、浸提时间2h ）浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图5。
果胶得率/%
1.0
1.5
2.0提取液pH值
2.5
3.0
图5 不同提取液pH 值对果胶得率的影响
由图5可知，pH 对果胶得率的影响很大，pH 值从1.0到2.5果胶得率不断增加，当pH 值2.0～2.5时果胶的色泽白，得率高。这是因为虽然酸性强时，将非水溶性原果胶变为水溶性果胶的能力强，但是酸性强到一定时，会使果胶稳定性下降从而分解，同时导致果胶脱脂裂解且产生大量副反应降低果胶质量，所以不是酸性越强果胶得率越高。而当pH 值2.5～3.0时果胶得率却不断减少，这是因为随着酸性的不断减弱，将非水溶性原果胶变为水溶性果胶的能力也随之减弱。综合考虑果胶的质量和得率应选择pH 值2.0～2.5为最佳浸提液酸度。 3.2.3 浸提温度对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次在不同温度下进行实验，确保上述5组实验在相同条件下（浸提液pH 值2.0、浸提时间2h 、料液比1:20（g:mL））浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图6。
果胶得率/%
70
75
80
85
90
浸提温度/℃
图6 不同浸提温度对果胶得率的影响
由图6可知，温度在70℃～85℃之间，果胶得率不断提高，而再继续升高浸提温度后，果胶颜色会加深，产品得率反而下降。可能的原因是：（1）当温度较低时，果胶溶胀不够彻底导致果胶得率比较低，此后随着温度的升高果胶溶胀会越来越彻底，从而使得果胶得率越来越高。（2）当温度较高时，过高的温度会导致果胶的多糖不断降解导致果胶提取液颜色加深，同时反应得到的水溶性果胶发生分解导致果胶提取率减少。本实验在85℃时果胶提取率最高且质量较好，故确定最佳提取温度为85℃。
3.2.4 浸提时间对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，在相同条件下（浸提液pH 值2.0、浸提温度85℃、料液比1:20（g:mL））分别浸提不同时间，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图7。
果胶得率/%
1.0
1.5
2.0
浸提时间/h
2.53.0
图7 不同浸提时间对果胶得率的影响
从图7可以看出，在反应时间从1.0h ～2.5h 时，随着时间的不断增加，果胶得率也不断地增加，这是因为果胶降解速率低于果胶提取速率，但是当超过2.5h 时，提取率会不断下降，这是由于此时果胶提取速率低于果胶降解速率。所以应选择2.5h 为果胶提取的最佳浸提时间。
3.3 正交实验
根据以上的所有单因素实验的初步数据结果，进行4因素3水平的正交实验研究。正交实验设计见表4，实验结果见表5.
表4 732型阳离子交换树脂提取香蕉皮中果胶正交实验设计
编号 1 2 3
料液比/（g:mL）
1:10 1:20 1:30
浸提温度/℃
80 85 90
浸提液pH 值
1.5 2.0 2.5
浸提时间/h
2.0 2.5 3.0
表5 732型阳离子交换树脂提取香蕉皮中果胶正交实验结果 （A ）
（B ）
编号
料液比
浸提温度/℃
/(g:mL)
实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 均值1 均值2 均值3 极差
10.0 10.0 10.0 20.0 20.0 20.0 30.0 30.0 30.0 17.380 18.993 17.120 1.873
80.0 85.0 90.0 80.0 85.0 90.0 80.0 85.0 90.0 17.413 18.227 17.853 0.814
值 1.5 2.0 2.5 2.0 2.5 1.5 2.5 1.5 2.0 17.473 17.533 18.487 1.014
2.0 2.5 3.0 3.0 2.0 2.5 2.5 3.0 2.0 17.327 18.273 17.893 0.946
0.0805 0.0896 0.0906 0.0917 0.0977 0.0955 0.0890 0.0861 0.0817 — — — —
16.10 17.92 18.12 18.34 19.54 19.10 17.80 17.22 16.34 — — — —
浸提液pH
浸提时间/h
/g
率/%
（C ）
（D ）
果胶质量
果胶得
从表5中可以看出，A 的极差最大，其次是C 和D ，B 的极差最小。极差值越大，说明了该因素对果胶提取实验的产率影响越大，所以根据各因素极差值的大小得出：A 对实验的影响最大，其次是C 和D ，B 对实验影响最小。由此得出此法的最佳工艺参数为A2B2C3D2，即树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。
3.4 验证实验
根据正交实验结果，在最优工艺条件（树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h ）下进行3组平行实验验证实验的正确性, 实验结果见表6。
表6 离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的优化工艺实验结果
实验次数
1 2 3
果胶质量/g 果胶得率/%
0.0960 19.20
0.0999 19.98
0.0972 19.44
由表6可知，3组平行实验的数据都很接近，果胶得率都在19%以上，最高得率可达19.98%，所得果胶颜色较白，质量好。所以该方法的最佳工艺条件为树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。
3.5 果胶分析
3.5.1 产品红外光谱图及分析
取适量果胶产品，将其碾碎并置于表面中，放入红外烘干箱中烘0.5h ，加入适量干燥的溴化钾，将其混合均匀，进行压片，最后用红外光谱仪记录果胶的红外光谱图，检测结果见图8。
图8 香蕉皮果胶的红外光谱图
由图8可见，在3400cm -1与3500cm -1之间有一很强的负吸收峰，说明此处有-NH 2键和-OH 键；在2950cm -1附近有一很强的负吸收峰，说明此处是有-CH 3键和-CH 键；在1650cm -1与1750cm -1之间的酯化羧基官能团的特征峰能表明得到的产物是果胶，同时此特征峰也用来区别低脂果胶和高脂果胶；此谱图在1700cm -1处有C=O键的强烈吸收峰，所以本实验的产物为高脂果胶；在1250cm -1附近有一吸收峰，这是C-O-C 键的伸缩振动峰，表明有甲氧基存在；在1050cm -1与1220cm -1之间有吸收峰，这是C-C 伸缩振动峰和R-O-R 伸缩振动峰［23］。
离子交换树脂法提取的产
［24］
物红外光谱图同《食品医药有机化工分析测试大全》中描述的果胶红外光谱图
大致相同。
3.5.2 酯化度的测定及分析
用分析天平准确称取0.1000g 产品放入50mL 烧杯中，加入适量无水乙醇使其完全溶解，再加10mL 蒸馏水，然后加热搅拌至完全溶解，向烧杯内加入2滴酚酞试剂，用浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液（现配）进行滴定，当溶液颜色从无色变为粉红色并不退却时记录此时滴定液消耗的体积V 1，再向烧杯内加入2mL 浓度为0.5mol/L氢氧化钠溶液（现配），用玻璃棒搅拌均匀后静置15min ，然后加入2mL 浓度为0.5mol/L盐酸溶液（现配），不断摇晃至粉红色退却变为无色，然后再加入2滴酚酞试剂，继续用0.1mol/L氢氧化钠溶液（现配）进行滴定，当溶液颜色从无色变为粉红色并不退却时记录此时滴定液消耗的体积V 2为。果胶酯化度的计算公式如下：果胶酯化度（%）=
V 2
100%。 V 1+V2
将实验数据代入果胶酯化度计算公式，实验结果见表7。
表7 酯化度测定结果
项目 酯化度/%
酸法提取果胶
62.13
离子交换树脂法提取果胶
71.09
酯化度是果胶性能指标中非常重要的一项。根据酯化度的不同，规定以50%作为界限将果胶分为高脂果胶与低脂果胶两类。由表7可知本实验的产品酯化度明显高于50%，所以两种果胶都为高脂果胶。果胶随着酯化度的不断增加，凝胶作用也会随之增强，所以离子交换树脂法提取的果胶凝胶能力强，此法的产品质量优于传统酸法的产品质量。 3.5.3 黏度的测定与分析
配置0.1mol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液（中性），再配置浓度为0.1g/100mL～0.8g/100mL的果胶溶液，再用旋转型粘度计测定其溶度，实验结果见表8。
表8 黏度测定结果
项目 黏度/mPa·s
酸法提取果胶
108
离子交换树脂法提取果胶
245
黏度是果胶的一个主要指标，是衡量果胶分子量大小的标准，分子质量随黏度的增大而增大，因此黏度越高果胶质量越好。由表8可知离子交换树脂法提取
的果胶的黏度明显很高，故此法得到的果胶质量要优于传统酸法提取果胶的工艺，为我国果胶生产工艺提供有利的保障和依据。 3.5.4 灰分的测定与分析
用分析天平称取产品质量为M 3，再称取坩锅质量M 1，将称取的产品置于坩锅中，将其放入箱式电阻炉（560℃）中加热4小时，将坩锅取出，待冷却用电子天平称取产品与坩锅的总质量M 2，根据计算果胶灰分公式：灰分（%）=
将实验数据代入果胶灰分计算公式，实验结果见表9。
表9 总灰分测定结果
项目 灰分/%
酸法提取果胶
6.21
离子交换树脂法提取果胶
1.82
M 2-M 1
100%。 M 3
由表9可见，离子交换树脂法的灰分相对小很多，说明离子交换树脂法提取的果胶质量好，杂质含量很低，纯度较高。因为此提取工艺中732型氢型离子交换树脂不但吸附了很多色素，而且还吸附了较多杂质。 3.5.5 pH值的测定与分析
配置浓度为0.1%的果胶溶液，用精密数显酸度计测量产品的pH 值，实验结果见表10。
表10 pH值测定结果
项目 pH 值
酸法提取果胶
2.6
离子交换树脂法提取果胶
3.3
由表10可知，两种工艺提取的果胶的pH 值都符合高脂果胶的标准［25］（pH 值范围为2.6～3.5），原因在于高脂果胶只有在此范围内才具有凝胶能力。
3.6 结论
（1）通过单因素实验得到离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的最佳工艺条件为：树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.0～2.5，浸提时间2.5h 。
（3）通过正交实验和验证实验得到离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的最佳工艺条件为：树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。在此工艺条件下果胶得率都在19%以上，最高得率可达19.98%。
（3）通过对产品进行红外光谱图的测定及分析，确定产物为高脂果胶。 （4）本章对香蕉皮果胶的理化性质进行了探讨研究，为了更好的说明香蕉皮果胶的特性，本实验对传统酸法和离子交换树脂法提取的香蕉皮果胶从产率和质量两方面进行了比较研究。果胶得率：离子交换树脂法相较于传统酸法，果胶得率高。果胶质量：（a ）离子交换树脂法提取的果胶酯化度高，凝胶能力强。（b ）离子交换树脂法提取的果胶黏度高于传统酸法提取的果胶。（c ）离子交换树脂法提取的果胶灰分小，杂质含量低，纯度较高。（d ）两种工艺提取的果胶的pH 值均符合高脂果胶的标准。故离子交换树脂法优于传统酸法提取的香蕉皮果胶质量。
结束语
我国是香蕉生产大国，每年香蕉皮资源的浪费严重，资源未得到有效利用。传统的生产工艺有未能真正地体现出香蕉皮的经济利用价值，果胶市场还是供不应求。根据目前现状，本文探讨了离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的研究工艺。以香蕉皮为原料，比较传统酸法和离子交换法两种不同的提取果胶工艺。通过实验研究得出最佳工艺条件：树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。然后从得率和质量两方面对两种方法提取的果胶进行对比。（1）果胶得率：通过实验结果表明离子交换树脂法相较于传统酸法，果胶得率提高了8%左右。（2）果胶质量：（a ）通过对产品进行红外光谱图的测定及分析，确定产物为高脂果胶。（b ）测定分析果胶的果胶酯化度、黏度、灰分及pH 值这四个重要指标来确定果胶质量的优劣，实验表明离子交换树脂法优于传统酸法提取的香蕉皮果胶质量。故此法避免了传统酸法提取工艺的缺陷，对发展我国果胶生产工业具有深远的意义。
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1 绪论 第1 页 共 23 页
果胶在苹果、香蕉、木瓜、桔子、橙子、柚子等中的含量比较多。此外，在南瓜、甜菜、桑葚等植物中也有一定含量。本实验选用香蕉皮作为原料提取果胶。香蕉皮除了能提取果胶，还具有清洁、催熟、防治冻疮、解酒、治口腔溃疡、治牙痛、预防中风、治咳和治忧郁症等作用。此外，香蕉还有多种功效作用：（1）香蕉易于消化吸收，热量低，可以当早餐和减肥产品，具有防止便秘的作用。（2）香蕉能有效刺激神经系统发出快乐、平静和瞌睡的信号，因此香蕉有益于大脑，可以使人身心愉悦，预防神经疲劳。（3）香蕉能提供大量钾离子，能有效控制血压的升高和血管的损坏。可见香蕉全身都是宝，不仅口感香甜，营养丰富而且作用良多。因此，我国要加强对香蕉皮这类生活垃圾的开发利用程度。
果胶是一种高分子碳水化合物，拥有复杂的线性分子结构。果胶又属于多糖，其单个分子主链大约是由上千个脱水半乳糖醛酸残基组成的。因此果胶的主要成分是D-半乳糖醛酸。果胶按照多糖形式可为分为半乳糖醛酸聚糖（图1）和鼠李半乳糖酸聚糖（图2）两种类型［1］。半乳糖醛酸聚糖主要是由D-半乳糖醛酸上的基团与α（1→4）糖苷键连接形成的残基构成的，反应生成的残基数高达500多个。若在上述残基形成的过程中加入吡喃型鼠李糖则会生成鼠李半乳糖酸聚糖。
O
O
O H
H O
O
--C O O H 3O O O H H O C O O H 3O O C O O -O O O H H O O -O O O C
O
O H 3O -C O O O C O H O O O C O O C H O C H 3O O O H O O O
图1 半乳糖醛酸聚糖结构式
图2 鼠李半乳糖酸聚糖结构式
果胶具备乳化稳定、凝胶和缓冲屏蔽等诸多功能，故果胶在食品、医疗等领域有着诸多应用价值。
在食品工业中果胶的应用［2］：（1）冷饮食品中果胶能增加其黏度，使冷饮易于成型，提高口感。（2）烘焙食品中果胶能提高面团的膨胀率，增加成品产率，提高成品保质期。（3）糖果食品中果胶作为添加剂能够降低糖果的粘牙度，极大提高糖果品质。（4）饮料食品中果胶能使饮料中的果肉均匀悬浮在液体中以提高口感，同时果胶能赋予饮料逼真的果汁口味。（5）健康食品中果胶能制作出含糖量低和脂肪量低的健康减肥食品，适用于广大肥胖爱美人群，同时血糖高的人也可以放心食用。 在医药上果胶具有良好的降血脂、对重金属解毒、消除肿胀、止泻、抗菌和减肥等作用，果胶可以单独和其他制剂一起使用配成胶囊、膜、软膏等药物。果胶不但对控制人体血液中的胆固醇含量有着显著的疗效，而且还杜绝阳离子中毒的隐患。 其它工业方面果胶的应用如下：（1）果胶能乳化一些乳浊液，同时使这些液体保持稳定。（2）果胶对化妆品能起到一定的辅助作用，故可以作为辅助剂［3，4］使用。
（3）果胶可以作为纺织和造纸的施胶剂。（4）果胶能够制成易降解薄膜。
1．1 果胶提取方法研究 果胶以原果胶、果胶、果胶酸及盐的形式存在于大自然界中。其中原果胶不溶于水，原因在于此形态的果胶与纤维素紧密结合在一起。原果胶可以在酸、碱、酶等作用下破坏其与纤维素的结合状态，使其与纤维素分解得水溶性果胶。最后将果胶提取液浓缩、沉淀和烘干。传统是采用酸法提取果胶，随着科技的发展，现今提取果胶的方法进行了优化和改良变得多种多样，主要果胶提取研究工艺如下。
1.1.1 传统酸法提取果胶工艺研究
戴余军等［5］研究了传统酸法提取果胶的工艺。本实验原料为烘干的柑橘皮，主要实验步骤如下：（1）将原料进行粉碎。（2）称取适量粉末用适量的盐酸进行酸解。
（3）经漏斗过滤后用乙醇沉淀。（4）置于烘箱烘干得果胶成品。虽然此法操作简单，只要选取适当的酸提取剂和沉淀剂即可。但是此工艺提取过程中很大程度上破坏了果胶分子，大大降低了果胶的提取率和质量。此外，常年大量使用酸提取剂会加大设备的腐蚀程度，从而导致成本的提高。不管是从生产成本还是生产效率来说，该工艺存在很大的弊端。
1.1.2 微波法提取果胶工艺研究
Fishman 等［6］将传统天酸法与微波法提取后所得桔子皮纤维组织进行对比，实验结果表明微波对原料细胞有一定的膨胀作用。肖凯军等［7］经大量实验研究表明了此工艺提取得到的果胶的各种物理化学性质都符合国家标准，果胶的得率也高。侯春友等［8］经实验研究表明此法有提高选择性、提高生产效率和降低原料使用量等优点，是一种非常简便有效的提取工艺。朱秀灵等［9］在微波法提取实验中使用复合磷酸盐对桔皮进行预处理，是因为溶液中的金属离子和聚磷酸盐两者能够相互螯合，将金属离子屏蔽掉，生成可溶性产物，从而到达软化的作用效果，大大降低了浸提时间并有效增加了产物得率。
1.1.3 超声波法提取果胶工艺研究
据实验表明超声波频率大于20kHz ，可以增强溶剂向原料细胞的渗透量，还可以提高传质效率，从而使有机成分的提取过程能够得到飞速的提高，是一种具有发展潜力的利用外力强化提取的新技术。汪海波［10］、黄永春［11］等研究了超声波辅助法从柑橘、木瓜果皮中提取出果胶，实验结果充分表明了超声波辅助提取具有很显著的优势。近几年来，在食品、制药等领域中超声波的应用［12］也越来越广泛，由此可见其此工艺的发展前景广阔。
1.1.4 表面活性剂增效超声波法提取果胶工艺研究 近几年来，部分技术人员已经研究了表面活性剂的增溶作用，同时研究了其对有机成分的提取过程的促进作用。岳贤田等［13］对香蕉皮进行了表面活性剂增效超声波辅助萃取的研究，实验结果表明此研究方法能使果胶产率和质量大大上升，生产效率变高。但是此工艺还存在着弊端：（1）超声波和表面活性剂的同时使用增加了实验成本。（2）实验过程中有着诸多影响因素，实验操作困难，降低实验准确性。
1.1.5 酰胺化法提取果胶工艺研究
酰胺化法的优势在于能够使高脂果胶转化为低脂果胶，其基本化学原理：碱性反条件下，在氨的作用下，果胶分子中的甲氧基能够被快速水解，以胺基代替甲氧基，甲酯被转化为伯醇胺，这样就可以将高酯果胶快速转变为低酯果胶。
张卫红和陈波［14］通过实验研究证实此法最终得到的产物为低脂果胶，在最佳工艺条件下，得率达到85%以上。此法制得的低脂果胶易于溶解和凝胶，质量较好。但是生产过程中产生的环境污染比较严重，这势必会增加实验成本。
1.1.6 纤维素酶提取果胶工艺研究
石会军等［15］人对纤维素酶提取果胶工艺作了相关研究，研究表明这种工艺具有低污染、低消耗、胶凝度大、果胶分子量大、生产周期短、效率高和产品质量稳定的优点，同时又弥补了传统酸法提取的众多缺点。故此提取果胶的方法具有很大的发展前景。此外，研究人员还通过单因素实验和正交实验得出最佳提取工艺条件，并对产物的重要特性进行分析。虽然此工艺能提取出产量高，质量好的果胶，但该实验所需主要原料（纤维素酶）比较昂贵，从而增加实验成本。
1.1.7 离子交换树脂法提取果胶工艺研究
酸提取过程中存在的很多缺陷，从而大大影响了果胶提取率和质量。为此JM.G Huang 等［16］对离子交换树脂法做了深刻的研究，实验结果表明此法能大大提高果胶的质量和产率。毛桂枝等［17］也探讨了离子交换树脂法提取的工艺，实验结果也证实了此法提取的果胶产率高，质量好。刘敬齐等［18］采用硫化物浸泡柑橘皮原料结合离子交换法，得到了灰分小于2%，胶凝度在150～200，果胶胶得率较传统酸法增加了10%，成本降低20%，生产工艺流程与传统酸法提取一样简单易行，操作简单。该方法在国外已经用于大规模的生产工业，国内还没有运用到实际的果胶生产工业中。
1.2 研究目的与意义
我国每年的香蕉生产量极大，随着科学技术的迅速发展，我国对香蕉皮的加工产
业逐渐的兴起。虽然随着人们观念的提高，人们意识到香蕉皮有诸多的优良功效，但是在日常生活中人们还是将香蕉皮丢弃掉，这既造成资源的极大浪费，又给环境带来沉重的负担，故加强对香蕉皮的综合利用成为一种必然趋势。
我国对果胶的需求量极高，但是80%的果胶是从国外引进的。据有关资料表明，在未来相当长的一段时间内，我国果胶的市场需求量仍将以15%的速度不断增长。所以我国应该重视果胶生产工业，加大对含果胶量多的废弃资源的综合利用，提高经济价值，争取在满足我国果胶需求量的基础上致力于开发国际果胶市场。现今随着国民经济的快速发展，人们对自身的健康状况越来越重视。果胶制作的低热量和低糖食品深受广大减肥、高血脂，糖尿病患者的青睐。这种趋势只会随经济的发展而逐步变大，可见其拥有巨大的发展潜力。
基于香蕉皮资源的极大浪费、果胶的极大需求和果胶的广阔前景，结合当前果胶生产状况，如何利用香蕉皮生产果胶，将其变废为宝，已成为学术界关注的热点。传统果胶工业主要采用酸提取法，此工艺虽然简单易行，但是果胶产率低，质量差。为此，可采用离子交换树脂法来弥补传统酸法存在的缺陷。目前有关离子交换树脂法从柚子皮［19］、柑橘皮［20］、南瓜［21］和橙皮［22］等植物中提取果胶的文献报道很多，但还未有采用此法提取香蕉皮中果胶的研究报道，故本实验首次尝试以香蕉皮为果胶原料，采用离子交换树脂法提取果胶。通过实验研究表明离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的有效可行性，同时为香蕉皮的利用提供有利的依据，充分体现了香蕉皮的经济价值，节约果胶生产成本，减轻环境污染，为工业化生产果胶提供理论依据，推动我国果胶产业的发展。
2 实验部分
2.1 实验材料
2.1.1 实验原料
本实验选用香蕉（购自泰州当地世纪联华超市，产地：海南）果皮作为实验原材料。
2.1.2 实验试剂
本实验所需主要化学试剂见表1。
表1 主要化学试剂表
试剂名称
氢氧化钠
盐酸
95%乙醇
无水乙醇
冰醋酸
醋酸钠
酚酞指示剂
732型阳离子交换树脂 纯度 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 — 生产厂商 无锡市展望化工试剂有限公司 无锡市佳妮化工有限公司 无锡市佳妮化工有限公司 无锡市佳妮化工有限公司 无锡市展望化工试剂有限公司 无锡市展望化工试剂有限公司 无锡市展望化工试剂有限公司 上海化学试剂公司生产
2.1.3 实验仪器与设备
表3 主要实验设备
设备名称
精密数显酸度计
分析电子天平
增力电动搅拌器
数显恒温水浴锅
电热恒温干燥箱
箱式电阻炉
型号 pHS-25 AL104 DJ1C-100W HH-1 DHG-9202.3SA SX-2.5-12 生产厂家 上海精科雷磁仪器厂 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司 国华电器有限公司 金坛市维诚实验器材有限公司 上海三发科学仪器有限公司 上海实研电炉有限公司
调温电热器
循环水式真空泵
微型高速粉碎机
冰箱
旋转蒸发仪
红外烘干箱
粉末压片机
红外分光光度计
旋转式粘度计 — SHB-Ⅲ XFB-2009 海尔 RE-52型 HW-3 FW-4A TJ270-30A NDJ-7 南通金石实验仪器有限公司 郑州长城科工贸有限公司 江苏苏州市分析仪器厂 青岛海尔股份有限公司 上海亚荣生化仪器厂 天津市拓普仪器有限公司 天津市拓普仪器有限公司 天津市拓普仪器有限公司 上海天平仪器厂
2.2 实验步骤
2.2.1 原料预处理
将香蕉皮剥下，用自来水清洗干净后，再用蒸馏水洗涤，然后切成直径大约为7mm ～10mm 的碎块，切好后，将其放入烧杯中，加入适量蒸馏水，浸泡30min 左右（初步除去杂质）。然后使其在沸水中煮3min ～5min （灭掉果胶酶），放在太阳光下晒一定时间（初步除去水分），然后放入电热恒温干燥箱（70℃）中烘干，粉碎成粉末。加入6倍体积的95%乙醇，放入水浴锅（60℃）内浸提4h ，然后过滤，去除含有黄色素等杂质的滤液，重复浸提多次，尽量将色素除掉。最后，将滤渣置于烘箱（60℃～80℃）中烘干，得干香蕉皮粉末以供备用。
2.2.2 732型离子交换树脂预处理
此步骤主要是将钠型树脂转化为氢型树脂，参考文献［22］。将干燥的732型离子交换树脂用2倍体积的蒸馏水搅拌2h ，让树脂能够完全溶胀，然后用4倍体积的浓度为2mol/L的HCl 溶液（现配）搅拌0.5h ，使其充分反应，将上层清液过滤掉，用蒸馏水将滤饼洗至pH 值为7。接着用4倍体积的浓度为2mol/L的NaOH 溶液（现配）搅拌0.5h ，将上层清液过滤掉，再用蒸馏水将滤饼洗至pH 值为7。最后用4倍体积的浓度为2mol/L的HCl 溶液（现配）搅拌0.5h ，除去上层清液，用蒸馏水将树脂洗至pH 值为7，最后用电热恒温干燥箱烘干备用。
2.2.3 果胶的提取
（1）果胶浸提液的提取：称取0.5000g 香蕉皮粉末，再加入适量树脂。制备浸提液（用2mol/L的盐酸溶液将蒸馏水的酸度调节到一定的pH 值），然后在一定
的温度下水浴浸提一定的时间，最后减压抽滤得果胶浸提液。
（2）浓缩果胶浸提液（浓缩比为4:1），此实验步骤目的在于节省乙醇的用量，降低实验成本。
（3）冷却果胶浸提液：将果胶浓缩液和无水乙醇放在冰箱中冷却。此操作步骤有以下几个好处：（a ）可以促进后续步骤的果胶沉淀速度。（b ）可以节省沉淀试剂的用量。（c ）可以降低果胶因脱脂而受到的破坏。
（4）乙醇沉淀：用相同体积的无水乙醇（已冷却）注入到果胶浓缩液（已冷却）中，静置4h ～7h ，使果胶沉淀完全析出。
（5）过滤与洗涤：用循环水式真空泵抽滤得果胶粗产物，先用95%乙醇洗涤，接着用无水乙醇洗涤脱水。
2.2.4 计算果胶得率
将实验最终所得滤饼放在烘箱中烘干，准确称取产物质量，计算产物得率，香蕉皮果胶得率（%）=
提取所得果胶的质量（g ） 100% 干香蕉皮粉末的质量（g ）
3 结果与讨论
3.1 离子交换树脂最佳用量的确定
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次加入0%、3%、5%、7%、9%的氢型阳离子交换树脂（占干香蕉皮重, 下同），确保上述5组实验在相同条件下（料液比为1:20（g:mL）、浸提液pH 值为1.5、浸提温度为85℃、浸提时间为2h ）浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图3。
果胶得率/%0246810
树脂用量/%
图3 不同树脂用量对果胶得率的影响
由图3可知，在相同的条件下，添加了树脂的果胶得率明显地高于不加树脂的果胶得率，这是由于树脂上H +能与香蕉皮中的Ca 2+、Mg 2+等多价阳离子进行交换，Ca 、Mg 等多价阳离子被置换到树脂上，果胶摆脱了Ca 、Mg 等多价阳离子的束缚，由此加快了原果胶的溶解，减少了产物杂质的含量，提高了果胶的产率和质量［19，22］。所以，离子交换树脂法与传统的酸提取法相比较，它的果胶提取率高、质量好。但是，当树脂用量较低时，Ca 2+、Mg 2+等多价阳离子没有被完全置换出来，果胶水解不充分，果胶得率不高。当树脂用量为7%时，已经把Ca 2+、Mg 2+等多价阳离子全部置换出来了，果胶已经充分水解，即使再提高树脂的用量，果胶的得率2+2+2+2+
也不会有所增加。所以，从成本方面考虑，7%的树脂用量为最佳树脂用量。
3.2 单因素实验
用离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶，以最佳树脂用量7%为实验树脂用量，通过单因素实验，对料液比、浸提液pH 值、浸提温度、浸提时间4个影响因素进行了以下实验研究。
3.2.1 料液比对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次加入不同的料液比，确保上述5组实验在相同条件下（浸提时间2h 、浸提温度85℃、浸提液pH 值2.0）浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图4。
20
19
18
果胶得率/%17
16
15
1:101:201:301:401:50
料液比/(g:mL)
图4 不同料液比对果胶得率的影响
由图4可知，料液比为1:10（g:mL）时果胶得率很低，这是由于浸提液过少，果胶还未充分被提取出来。往后随着料液比的增大，果胶的得率上升，但是料液比增大到一定程度后，果胶得率不再上升反而下降。很明显图中料液比在1:20（g:mL）处的产物得率最高，所以从成本和产率考虑最佳料液比为1:20（g:mL）。
3.2.2 浸提液酸度对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于
100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次加入不同pH 值的浸提液，确保上述5组实验在相同条件下（料液比1:20（g:mL）、浸提温度85℃、浸提时间2h ）浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图5。
果胶得率/%
1.0
1.5
2.0提取液pH值
2.5
3.0
图5 不同提取液pH 值对果胶得率的影响
由图5可知，pH 对果胶得率的影响很大，pH 值从1.0到2.5果胶得率不断增加，当pH 值2.0～2.5时果胶的色泽白，得率高。这是因为虽然酸性强时，将非水溶性原果胶变为水溶性果胶的能力强，但是酸性强到一定时，会使果胶稳定性下降从而分解，同时导致果胶脱脂裂解且产生大量副反应降低果胶质量，所以不是酸性越强果胶得率越高。而当pH 值2.5～3.0时果胶得率却不断减少，这是因为随着酸性的不断减弱，将非水溶性原果胶变为水溶性果胶的能力也随之减弱。综合考虑果胶的质量和得率应选择pH 值2.0～2.5为最佳浸提液酸度。 3.2.3 浸提温度对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，依次在不同温度下进行实验，确保上述5组实验在相同条件下（浸提液pH 值2.0、浸提时间2h 、料液比1:20（g:mL））浸提，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图6。
果胶得率/%
70
75
80
85
90
浸提温度/℃
图6 不同浸提温度对果胶得率的影响
由图6可知，温度在70℃～85℃之间，果胶得率不断提高，而再继续升高浸提温度后，果胶颜色会加深，产品得率反而下降。可能的原因是：（1）当温度较低时，果胶溶胀不够彻底导致果胶得率比较低，此后随着温度的升高果胶溶胀会越来越彻底，从而使得果胶得率越来越高。（2）当温度较高时，过高的温度会导致果胶的多糖不断降解导致果胶提取液颜色加深，同时反应得到的水溶性果胶发生分解导致果胶提取率减少。本实验在85℃时果胶提取率最高且质量较好，故确定最佳提取温度为85℃。
3.2.4 浸提时间对果胶提取产率的影响
准确称取5份经过预处理的干香蕉皮粉末，每份质量为0.5000g ，将其置于100mL 的锥形瓶中，分为标号为：1、2、3、4、5，在相同条件下（浸提液pH 值2.0、浸提温度85℃、料液比1:20（g:mL））分别浸提不同时间，接着抽滤得果胶浸提液，然后进行浓缩、冷却、沉淀、过滤、洗涤、干燥称重、计算得率，结果见图7。
果胶得率/%
1.0
1.5
2.0
浸提时间/h
2.53.0
图7 不同浸提时间对果胶得率的影响
从图7可以看出，在反应时间从1.0h ～2.5h 时，随着时间的不断增加，果胶得率也不断地增加，这是因为果胶降解速率低于果胶提取速率，但是当超过2.5h 时，提取率会不断下降，这是由于此时果胶提取速率低于果胶降解速率。所以应选择2.5h 为果胶提取的最佳浸提时间。
3.3 正交实验
根据以上的所有单因素实验的初步数据结果，进行4因素3水平的正交实验研究。正交实验设计见表4，实验结果见表5.
表4 732型阳离子交换树脂提取香蕉皮中果胶正交实验设计
编号 1 2 3
料液比/（g:mL）
1:10 1:20 1:30
浸提温度/℃
80 85 90
浸提液pH 值
1.5 2.0 2.5
浸提时间/h
2.0 2.5 3.0
表5 732型阳离子交换树脂提取香蕉皮中果胶正交实验结果 （A ）
（B ）
编号
料液比
浸提温度/℃
/(g:mL)
实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 均值1 均值2 均值3 极差
10.0 10.0 10.0 20.0 20.0 20.0 30.0 30.0 30.0 17.380 18.993 17.120 1.873
80.0 85.0 90.0 80.0 85.0 90.0 80.0 85.0 90.0 17.413 18.227 17.853 0.814
值 1.5 2.0 2.5 2.0 2.5 1.5 2.5 1.5 2.0 17.473 17.533 18.487 1.014
2.0 2.5 3.0 3.0 2.0 2.5 2.5 3.0 2.0 17.327 18.273 17.893 0.946
0.0805 0.0896 0.0906 0.0917 0.0977 0.0955 0.0890 0.0861 0.0817 — — — —
16.10 17.92 18.12 18.34 19.54 19.10 17.80 17.22 16.34 — — — —
浸提液pH
浸提时间/h
/g
率/%
（C ）
（D ）
果胶质量
果胶得
从表5中可以看出，A 的极差最大，其次是C 和D ，B 的极差最小。极差值越大，说明了该因素对果胶提取实验的产率影响越大，所以根据各因素极差值的大小得出：A 对实验的影响最大，其次是C 和D ，B 对实验影响最小。由此得出此法的最佳工艺参数为A2B2C3D2，即树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。
3.4 验证实验
根据正交实验结果，在最优工艺条件（树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h ）下进行3组平行实验验证实验的正确性, 实验结果见表6。
表6 离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的优化工艺实验结果
实验次数
1 2 3
果胶质量/g 果胶得率/%
0.0960 19.20
0.0999 19.98
0.0972 19.44
由表6可知，3组平行实验的数据都很接近，果胶得率都在19%以上，最高得率可达19.98%，所得果胶颜色较白，质量好。所以该方法的最佳工艺条件为树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。
3.5 果胶分析
3.5.1 产品红外光谱图及分析
取适量果胶产品，将其碾碎并置于表面中，放入红外烘干箱中烘0.5h ，加入适量干燥的溴化钾，将其混合均匀，进行压片，最后用红外光谱仪记录果胶的红外光谱图，检测结果见图8。
图8 香蕉皮果胶的红外光谱图
由图8可见，在3400cm -1与3500cm -1之间有一很强的负吸收峰，说明此处有-NH 2键和-OH 键；在2950cm -1附近有一很强的负吸收峰，说明此处是有-CH 3键和-CH 键；在1650cm -1与1750cm -1之间的酯化羧基官能团的特征峰能表明得到的产物是果胶，同时此特征峰也用来区别低脂果胶和高脂果胶；此谱图在1700cm -1处有C=O键的强烈吸收峰，所以本实验的产物为高脂果胶；在1250cm -1附近有一吸收峰，这是C-O-C 键的伸缩振动峰，表明有甲氧基存在；在1050cm -1与1220cm -1之间有吸收峰，这是C-C 伸缩振动峰和R-O-R 伸缩振动峰［23］。
离子交换树脂法提取的产
［24］
物红外光谱图同《食品医药有机化工分析测试大全》中描述的果胶红外光谱图
大致相同。
3.5.2 酯化度的测定及分析
用分析天平准确称取0.1000g 产品放入50mL 烧杯中，加入适量无水乙醇使其完全溶解，再加10mL 蒸馏水，然后加热搅拌至完全溶解，向烧杯内加入2滴酚酞试剂，用浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液（现配）进行滴定，当溶液颜色从无色变为粉红色并不退却时记录此时滴定液消耗的体积V 1，再向烧杯内加入2mL 浓度为0.5mol/L氢氧化钠溶液（现配），用玻璃棒搅拌均匀后静置15min ，然后加入2mL 浓度为0.5mol/L盐酸溶液（现配），不断摇晃至粉红色退却变为无色，然后再加入2滴酚酞试剂，继续用0.1mol/L氢氧化钠溶液（现配）进行滴定，当溶液颜色从无色变为粉红色并不退却时记录此时滴定液消耗的体积V 2为。果胶酯化度的计算公式如下：果胶酯化度（%）=
V 2
100%。 V 1+V2
将实验数据代入果胶酯化度计算公式，实验结果见表7。
表7 酯化度测定结果
项目 酯化度/%
酸法提取果胶
62.13
离子交换树脂法提取果胶
71.09
酯化度是果胶性能指标中非常重要的一项。根据酯化度的不同，规定以50%作为界限将果胶分为高脂果胶与低脂果胶两类。由表7可知本实验的产品酯化度明显高于50%，所以两种果胶都为高脂果胶。果胶随着酯化度的不断增加，凝胶作用也会随之增强，所以离子交换树脂法提取的果胶凝胶能力强，此法的产品质量优于传统酸法的产品质量。 3.5.3 黏度的测定与分析
配置0.1mol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液（中性），再配置浓度为0.1g/100mL～0.8g/100mL的果胶溶液，再用旋转型粘度计测定其溶度，实验结果见表8。
表8 黏度测定结果
项目 黏度/mPa·s
酸法提取果胶
108
离子交换树脂法提取果胶
245
黏度是果胶的一个主要指标，是衡量果胶分子量大小的标准，分子质量随黏度的增大而增大，因此黏度越高果胶质量越好。由表8可知离子交换树脂法提取
的果胶的黏度明显很高，故此法得到的果胶质量要优于传统酸法提取果胶的工艺，为我国果胶生产工艺提供有利的保障和依据。 3.5.4 灰分的测定与分析
用分析天平称取产品质量为M 3，再称取坩锅质量M 1，将称取的产品置于坩锅中，将其放入箱式电阻炉（560℃）中加热4小时，将坩锅取出，待冷却用电子天平称取产品与坩锅的总质量M 2，根据计算果胶灰分公式：灰分（%）=
将实验数据代入果胶灰分计算公式，实验结果见表9。
表9 总灰分测定结果
项目 灰分/%
酸法提取果胶
6.21
离子交换树脂法提取果胶
1.82
M 2-M 1
100%。 M 3
由表9可见，离子交换树脂法的灰分相对小很多，说明离子交换树脂法提取的果胶质量好，杂质含量很低，纯度较高。因为此提取工艺中732型氢型离子交换树脂不但吸附了很多色素，而且还吸附了较多杂质。 3.5.5 pH值的测定与分析
配置浓度为0.1%的果胶溶液，用精密数显酸度计测量产品的pH 值，实验结果见表10。
表10 pH值测定结果
项目 pH 值
酸法提取果胶
2.6
离子交换树脂法提取果胶
3.3
由表10可知，两种工艺提取的果胶的pH 值都符合高脂果胶的标准［25］（pH 值范围为2.6～3.5），原因在于高脂果胶只有在此范围内才具有凝胶能力。
3.6 结论
（1）通过单因素实验得到离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的最佳工艺条件为：树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.0～2.5，浸提时间2.5h 。
（3）通过正交实验和验证实验得到离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的最佳工艺条件为：树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。在此工艺条件下果胶得率都在19%以上，最高得率可达19.98%。
（3）通过对产品进行红外光谱图的测定及分析，确定产物为高脂果胶。 （4）本章对香蕉皮果胶的理化性质进行了探讨研究，为了更好的说明香蕉皮果胶的特性，本实验对传统酸法和离子交换树脂法提取的香蕉皮果胶从产率和质量两方面进行了比较研究。果胶得率：离子交换树脂法相较于传统酸法，果胶得率高。果胶质量：（a ）离子交换树脂法提取的果胶酯化度高，凝胶能力强。（b ）离子交换树脂法提取的果胶黏度高于传统酸法提取的果胶。（c ）离子交换树脂法提取的果胶灰分小，杂质含量低，纯度较高。（d ）两种工艺提取的果胶的pH 值均符合高脂果胶的标准。故离子交换树脂法优于传统酸法提取的香蕉皮果胶质量。
结束语
我国是香蕉生产大国，每年香蕉皮资源的浪费严重，资源未得到有效利用。传统的生产工艺有未能真正地体现出香蕉皮的经济利用价值，果胶市场还是供不应求。根据目前现状，本文探讨了离子交换树脂法提取香蕉皮中果胶的研究工艺。以香蕉皮为原料，比较传统酸法和离子交换法两种不同的提取果胶工艺。通过实验研究得出最佳工艺条件：树脂用量7%，料液比1:20（g:mL），浸提温度85℃，浸提液pH 值2.5，浸提时间2.5h 。然后从得率和质量两方面对两种方法提取的果胶进行对比。（1）果胶得率：通过实验结果表明离子交换树脂法相较于传统酸法，果胶得率提高了8%左右。（2）果胶质量：（a ）通过对产品进行红外光谱图的测定及分析，确定产物为高脂果胶。（b ）测定分析果胶的果胶酯化度、黏度、灰分及pH 值这四个重要指标来确定果胶质量的优劣，实验表明离子交换树脂法优于传统酸法提取的香蕉皮果胶质量。故此法避免了传统酸法提取工艺的缺陷，对发展我国果胶生产工业具有深远的意义。