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超临界二氧化碳提取番茄红素
摘 要：运用单因素控制变量及正交的实验方法,探究超临界二氧化碳提取时各种因素对于番茄红素提取率的影响.单因素实验中探究了提取时的压力、温度、二氧化碳流速以及提取时间；正交实验对提取中的压力、温度、二氧化碳流速三个因素进行研究.在单因素实验中,最适温度是45 ℃,最适二氧化碳流速是30 L/h,提取压力和提取温度越大越好.正交实验中,在排除提取时间的条件下,在提取温度45 ℃、提取压力30 MPa、二氧化碳流速25 L/h 的条件下提取率最高.二氧化碳流速对于番茄红素提取率的影响最大,温度次之,提取压力在一定范围内对于番茄红素的提取率影响最小.
关键词：番茄红素；超临界提取；提取压力；二氧化碳流速
Abstract： In order to investigate the influence of various factors on the extraction rate of lycopeneduring supercritical carbon dioxide extraction, single factor control variables and orthogonal experimentalmethods were used. The pressure, temperature, carbon dioxide flow rate and extraction time were investigated inthe single factor experiment. Orthogonal experiments were conducted to study three factors; pressure, temperatureand carbon dioxide flow rate in extraction. In the single factor experiment, the optimum temperature is 45 ℃ ,and the optimal carbon dioxide flow rate is 30 L/h.The greater the extraction pressure and the better the extractiontemperature. On the orthogonal experiment, the extraction rate was the highest under the conditions of excludingthe extraction time, the extraction temperature was 45 ℃ , the extraction pressure was 30 MPa, and the carbondioxide flow rate was 25 L/h at the time of extraction. The carbon dioxide flow rate showed the greatest effecton lycopene, followed by temperature, and the extraction pressure showed the least effect on the extractionrate of lycopene within acertain range.
Key words：Lycopene; Supercritical extraction; Extraction pressure; Carbon dioxide flow rate
中图分类号：O658.2
番茄红素是类胡萝卜素其中的一种,同时也是一种脂溶性天然色素.最早从番茄中分离得到,在1930年Schunck 将番茄中的提取物命名为“Lycopene”,这个名称一直用到现在[1].番茄红素具有较强的清除自由基、碎灭单线态氧的能力,能够缓解衰老,提高机体免疫力,还可以预防前列腺癌、乳腺癌及消化道(包括结肠、直肠及胃) 癌的发生[2-4].番茄红素显现的优良性能受到国内外广泛的关注,而番茄红素的潜在价值还没有被完全开发,但人体自身无法合成这种物质,只能从其他物质中提取,所以提取番茄红素成为了重要的问题.番茄红素的提取率的提升也成为了生产过程中重要的因素,能影响番茄红素提取的因素也成为了关注的焦点.
超临界二氧化碳萃取技术是近半个世纪来发展较好,使用面相对较广的一种萃取技术[5].这种技术有着良好的性能,在二氧化碳处于超临界状态下,按照不同的理化性质把物质进行分离,而且分离过程中不会破坏物质的结构,分离结束也不会在萃取物中留下其他杂质[6].超临界萃取技术没有过多的有机溶剂,防止了有些溶剂对环境的污染.现在超临界萃取技术大量运用在中药的有效物质提取方面,既可以提出有效成分也能够保证物质提取过程中不被其他物质破坏.基于此,本研究通过探究超临界二氧化碳提取时各种因素对于番茄红素提取率的影响,为番茄红素提取的工业化生产提供参考.
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
新鲜番茄：市售,实验前4 ℃储藏；90% 乙醇、苏丹Ⅰ、乙酸乙酯：分析纯,洛阳昊华化学试剂有限公司.
1.2 仪器与设备
超临界二氧化碳萃取仪器：DXE120-50-05,南通杜欣新能源科技有限公司；分光光度计：SP-754,上海博讯实业有限公司.
1.3 工艺流程
将高纯度二氧化碳从二氧化碳储存罐注入到净化器中,将气体过滤.进入液化槽,将二氧化碳在0 ℃左右液化,然后将液化的二氧化碳预热进入萃取缸,再将压力提升至相应的数值,使二氧化碳成为超临界状态.把提取物注入萃取缸中,将萃取物转移到二氧化碳中.提取结束后,系统压强降低,二氧化碳的溶解能力下降,萃取得到的物质会与二氧化碳分离,得到萃取物.在过程中,二氧化碳可以循环利用,减少二氧化碳消耗量.
1.4 实验过程
本次实验采取了单因素控制变量的实验方式,分别从提取温度、提取压力、提取时二氧化碳的流速和提取时间4 个方面进行相应的研究实验.正交实验中,排除了时间因素的影响,把提取温度、提取压力、提取时二氧化碳的流速3 个因素做正交实验.
将从市场买回来的新鲜番茄洗净、捣烂、去籽后进行真空冷冻干燥,得到番茄的固体粉末.分别称取原料5 g,经过提取后的残渣5 g,用分光光度计得到两者的吸光度,根据标准曲线找出所对应的浓度计算提取率.
番茄红素提取率的计算公式：
1.5 番茄红素标准曲线的绘制
称取苏丹Ⅰ 25 mg,用乙酸乙酯定容至100 mL,分别抽取0.2、0.3、0.4、0.5 mL 和0.6 mL,再用乙酸乙酯定容至50 mL,用分光光度计分别测出吸光值,将所得数据绘制出标准曲线（图1）.
1.6 单因素实验
1.6.1 提取温度
称取100 g 干燥后的番茄粉末,将体积分数90%的乙醇作为夹带剂、提取压力定为30 MPa、提取时二氧化碳的流速30 L/h、提取时间为2 h,分别在30、35、40、45、50 ℃和55 ℃的条件下对番茄红素进行提取.
1.6.2 提取压力
称取100 g 干燥后的番茄粉末,将体积分数90%的乙醇作为夹带剂、提取温度定为45 ℃、提取时二氧化碳的流速30 L/h、提取时间为2 h,分别在20、25、30、35 MPa 和40 MPa 5 个不同的提取压力下观察番茄红素的提取率.
1.6.3 二氧化碳流速
称取100 g 干燥后的番茄粉末,将体积分数90%的乙醇作为夹带剂、提取温度定为45 ℃、提取压力在30 MPa、提取时间为2 h,分别以20、25、30 L/h 和35 L/h 的二氧化碳流速对番茄红素的提取进行研究.
1.6.4 提取时间
称取100 g 干燥后的番茄粉末,将体积分数90%的乙醇作为夹带剂、提取温度定为45 ℃、提取压力在30 MPa、提取时二氧化碳的流速30 L/h,探究提取时间分别为0.5、1、1.5、2、2.5 h 和3 h 时,对于番茄红素提取的影响.
1.7 正交实验
提取压力、提取时的温度、二氧化碳流速对番茄红素提取率的影响较大,而且会相互影响,从而无法依靠单因素实验结果得出结论,再以提取压力、提取温度、提取时二氧化碳流速三个因素做正交实验,正交实验设计见表1.
1.8 数据分析
采用SPSS 18.0 软件对数据进行均值及误差的分析.Excel 2003 进行表格制作.
2 结果与分析
2.1 温度对番茄红素提取率的影响
由图2 的折线图分析得出,运用超临界二氧化碳提取番茄红素时,在45 ℃时的提取率最高.在30 ～ 45 ℃随着温度的提升,番茄红素的提取率也增加.在45 ℃之后,番茄红素的提取率又随着温度的增加而减少.
由于二氧化碳的临界温度是31 ℃,所以在31 ℃附近的时候番茄红素的提取率才会有明显的提升.在31 ℃以下时,提取率较低.在30 ℃时二氧化碳处于超临界状态,对于番茄红素的提取效果大大提升；在温度的提升下二氧化碳对番茄红素的提取率加强.温度升高,微观粒子的运动速率增加,物质的扩散速率增加,会提升番茄红素的提取率[7].但温度继续升高,二氧化碳密度减小,对于有机物的溶解效果减弱,所以对于番茄红素的提取效果也随之减弱.而温度升高也会使番茄红素不稳定,会使番茄红素分解速率增加,所以提取效果也会减弱.
2.2 提取压力对番茄红素提取率的影响
由图3 的折线图分析得出,运用超临界二氧化碳提取番茄红素时,在30 MPa 左右的提取率最高.
20 ～ 30 MPa,随着压力的增强,番茄红素的提取率也在上升.在30 ～ 40 MPa,番茄红素的提取率没有明显的增强,几乎趋于平稳.
提取压力的提升使得二氧化碳的密度增加,减小了与有机溶剂的距离,增加了提取物被提取的机率,二氧化碳的溶解度增加.所以在一定范围内压力增加,提取率就随着增加.
2.3 二氧化碳流速对番茄红素提取率的影响
由图4 的折线图分析得出,运用超临界二氧化碳提取番茄红素时,二氧化碳的流速在30 L/h 左右最为适宜.20 ～ 30 L/h,随着二氧化碳流速的增加,番茄红素的提取率呈上升趋势,但在30 ～ 35 L/h 二氧化碳流速继续增加时,番茄红素的提取率反而下降.
超临界提取装置的提取主体是二氧化碳,二氧化碳对提取率有直接影响.二氧化碳的流速增加,使得溶剂量增大,传质速率增加,提取速率加快.二氧化碳的流速过快会使得有机物无法与溶剂充分接触,使需要被提取出的番茄红素无法完全到达二氧化碳中,从而降低了番茄红素的提取速率,所以最后二氧化碳速率越高,反而提取率下降[8].同时二氧化碳流速测试组数较少,因此无法确定继续提高流速是否能够提高提取率.
2.4 提取时间对番茄红素提取率的影响
由图5 的折线图分析得出,运用超临界二氧化碳提取番茄红素时,随着时间的推移,番茄红素的提取率不断地增强,但是在2 h 之后,番茄红素的提取率增加缓慢,几乎没有增长.
提取时间的增加会使得番茄红素提取的更加充分,在2 h 时,大量番茄红素已经被提取出.2 h 之后番茄红素的提取率有一定增加,但是增加幅度极小,几乎保持不变.可能的原因是时间过长,未被提取出的番茄红素分解,所以会使提取率无法再升高.
2.5 正交实验
由表2 和表3 可以看出,影响番茄红素提取率的因素中,二氧化碳流速对番茄红素提取率的影响较大,温度对于提取率的影响次之.而压力对于提取率的影响最小.
二氧化碳的流速直接决定了其与提取物番茄红素的接触面积,直接影响传质系数.当二氧化碳流速降低,溶质量减少时,提取番茄红素的速率减少；当流速过快时,使得番茄红素与溶质无法充分接触,使传质系数降低,无法充分提取番茄红素.正交实验中温度处在一个相对温和的条件下,番茄红素在这个温度下分解速率较慢,二氧化碳受到温度的影响也较小,不会因为温度而过多影响传质系数[9-10].温度不直接影响提取时的传质系数,而是通过影响其他物质的理化性质对提取率造成间接影响,不如二氧化碳流速对番茄红素提取率的影响直接.提取压力会增加二氧化碳与提取物的接触面积,压力越大,物质的接触面积越多,传质系数越大,所以对于实验的影响效果较小.
3 结论
本次单因素实验测试了4 个因素,正交实验测试了3 个因素.单因素实验中没有分析有关夹带剂在实验中造成的影响,且实验数据之间的间隔较大,只能反映大概结果,无法准确反映实际数值.正交实验同样排除了时间因素和夹带剂对于实验结果的影响.正交实验测的数据较少,不能够明确表现出正交实验的结果,无法得出最适因素下的提取方式.正交实验中都选择了体积分数90% 的乙醇作为夹带剂,没有考虑在不同条件下夹带剂的不同也会影响正交实验的结果.
现在生产的高浓度番茄红素市场都相对偏高,大多数商品都是含有少量番茄红素的混合保健品.生产过程大多数还是运用传统的有机溶剂提取的方式,这种传统的方式很难提取出高纯度的番茄红素,运用相同条件提取高纯度番茄红素需要耗费更多的生产费用.在工业生产中超临界提取在番茄红素提取方面应用较少,主要原因是在生产过程中所需要的条件相对苛刻,而条件中所需要的高压、高温在工业生产中有较大的安全隐患,同时生产费用也相对较高,高纯度二氧化碳的运用在生产过程中相对危险[11].
超临界二氧化碳萃取也有有机溶剂萃取无法代替的优势,操作方法简单,只需要控制简单的变量,提取纯度较高,产物中含有其他杂质少,而且提取时间短,提取速率快,生产过程中对于环境的污染小,在提取过程中,不会对人产生过多危害.希望在不远的将来,可以研究出能够运用低廉的成本提取出高纯度的番茄红素的方法,让这项研究了半个多世纪的物质能够更方便的惠及人类.
参考文献：
[1] 祁乐乐,高 岩. 番茄红素的研究进展及应用[J]. 现代食品,2015,12（24）：44-46.
[2]MascioD P,Kaiser S,Sies H. Lympene as themost efficient biological carotenoid singleoxygen quencher[J]. Archives of Biochemistry&Biophysics,1989,274（2）：532-538.
[3]Giovannucci E, Ascherio A, Rim E B,et al. Intake of carotenoids and retinol inrelation to risk of prostate cancer [J].Journal of the National Cancer Institute,1995,87（23）：1767-1767.
[4]Franceschi S,BidoG E,La V C,et al.Tomatoes and risk of digestive-tract cancers[J]. International Journal of Cancer,1994,59
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