番茄紅素微波萃取工藝條件的研究

番茄紅素微波萃取工藝條件的研究番茄紅素(lycopene)屬于類胡蘿卜素，由8個異戊二烯單位組成，分子中含有11個共軛雙鍵和2個非共軛雙鍵.番茄紅素的分子式為C40H56，化學結構式如圖1.天然的番茄紅素是全反式結構.動物和人類無法在體內合成番茄紅素，只能通過膳食來源而攝入.番茄及番茄產品是膳食中番茄紅素的主要來源，其他來源還包括西瓜、紅葡萄柚、杏、番石榴、番木瓜等.在成熟的番茄中，80%～90%的色素成分是由番茄紅素構成.在人體中，番茄紅素存在于血液、肝臟、腎臟、腎上腺、前列腺等器官或組織中。番茄紅素是一種重要的抗氧化劑和自由基清除劑.流行病學、動物試驗和組織培養(yǎng)都證明番茄紅素具有抗癌和抗動脈粥樣硬化功能，尤其是能降低患前列腺癌、消化道癌癥和心血管疾病的風險.天然的番茄紅素是GB2760—2011《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》許可使用的著色劑，可應用于風味發(fā)酵乳和飲料類.番茄紅素的生產方法有天然番茄紅素提取法、化學合成法及微生物發(fā)酵法.天然番茄紅素的研究主要集中于生物活性、提取工藝及分析檢測等.本文按提取方法分析了國內外近十年來天然番茄紅素提取工藝的研究概況.有機溶劑萃取法有機溶劑萃取法是提取生物活性物質的傳統(tǒng)方法，主要涉及兩個過程:溶劑萃取和蒸發(fā)溶劑.其優(yōu)點是設備投資成本較低、工藝技術成熟.番茄紅素是一種脂溶性色素，常用的提取劑有正己烷、乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯等，影響因素主要有提取劑、溫度、時間、料液比、粒度、浸提次數、pH值等.李芳等以番茄醬為原料、乙酸乙酯為提取劑，得到的番茄紅素最佳提取條件為:浸提溫度45℃，液料比(mL/g)3∶1，時間35min，浸提3次，一次提取率為72.98%，總提取率為87.73%.徐媛等以紅葡萄柚為原料提取番茄紅素，用石油醚作提取劑，通過響應面法優(yōu)化得到的最佳提取條件為:提取溫度30℃，時間3.8h，液料比(g/mL)為3.5∶1，產品中番茄紅素質量濃度為15.61μg/mL.李麗杰等以圣女果為原料，用氯仿-正己烷(2∶1)作提取劑，等體積無水乙醇浸泡2h預處理，優(yōu)化得到的工藝參數為:液料比(mL/g)3∶1，浸提溫度40℃，時間2.5h，番茄紅素得率為4.08mg/100g.Kaur等以干燥的番茄皮渣為原料，用正己烷、丙酮與乙醇之比為2∶1∶1(含0.05%二丁基羥基甲苯即BHT)的溶液作提取劑，通過響應面優(yōu)化得到的最佳提取條件為，液料比(mL/g)30∶1、提取4次，溫度50℃，提取8min，番茄紅素得率為1.99mg/100g.Ishida等以干番茄粉為原料，開發(fā)了一種新型環(huán)保而且效果優(yōu)于乙酸乙酯的提取劑即乳酸乙酯，發(fā)現加入抗氧化劑α-生育酚或α-硫辛酸可以改善提取效果，添加量均為20g/L;對于橘紅色番茄，在溫度為60℃，提取時間4h，加入α-生育酚的條件下，番茄紅素得率為2431.47μg/(g干基).有機溶劑萃取法的優(yōu)點是操作簡單且易于實現工業(yè)化，但是對于番茄紅素的提取存在著選擇性不高、萃取得率較低的缺點，常常需要利用多種溶劑進行提取，因而增加了安全性風險.另外由于番茄紅素在較高的溫度下易發(fā)生異構化反應和氧化反應，需要考慮溫度對番茄紅素的影響.超臨界CO2萃取法超臨界流體萃取是通過升溫和加壓使流體在高于臨界溫度和臨界壓力的狀態(tài)下萃取目標組分的分離技術.流體在超臨界狀態(tài)下，密度接近于液體、黏度接近于氣體而擴散性介于二者之間.萃取的原理是通過改變溫度或壓力來改變超臨界流體的密度，從而改變流體的溶解能力.影響因素主要有萃取壓力、溫度、時間、CO2流量、夾帶劑、原料水分含量、原料粒度等.袁永成以番茄皮渣為原料，皂化預處理后采用超臨界CO2萃取，得出的最優(yōu)工藝條件為:夾帶劑為正己烷(20%)，萃取時間2h，萃取溫度55℃，萃取壓力35MPa，番茄紅素得率為16.3mg/100g.Rozzi等以番茄渣為原料，利用超臨界萃取法提取番茄紅素，得出最佳提取條件為:萃取溫度86℃，壓力34.47MPa，CO2流速2.5mL/min，萃取時間200min，提取率為61.0%.Shi等以番茄皮為原料，研究了不同夾帶劑對超臨界萃取番茄紅素的影響，得出夾帶劑對提取率的影響由大到小順序為橄欖油、乙醇、水;最佳提取條件為:溫度75℃，壓力35MPa，夾帶劑為乙醇(10%)和橄欖油(10%)混合物，提取率為73.3%.Kassama等以番茄皮為原料，用95%乙醇作夾帶劑，通過響應面法優(yōu)化得到的最佳萃取條件為:溫度62℃，萃取壓力45MPa，夾帶劑質量分數為14%，全反式番茄紅素的提取率為33%.Siti等利用從番茄籽中萃取得到的番茄籽油作夾帶劑，得出最佳萃取條件為:溫度90℃，壓力40MPa，原料中籽與皮的質量百分數為58.73%，原料粒徑為(1.05±0.10)mm，萃取時間180min，番茄紅素提取率為56%.超臨界CO2萃取法的優(yōu)點是提取效率高、得率高并且環(huán)境友好，缺點是設備成本高.由于番茄紅素在CO2中溶解度有限，需使用夾帶劑來提高萃取率，并尋找合適的食用油為夾帶.酶解輔助萃取法酶解輔助萃取法是一種條件溫和、環(huán)境友好的提取方法.利用特定酶來降解或破壞細胞壁或細胞膜中的果膠、糖蛋白、纖維素和半纖維素，使生物活性物質從細胞中釋放出來，能夠減少使用有機溶劑，加快提取速度并提高萃取得率.番茄中的番茄紅素大部分是以與脂蛋白結合的形式存在于色素母細胞中.常用的酶有纖維素酶、果膠酶、半纖維素酶、胃蛋白酶等.影響酶解輔助萃取的因素主要有:酶的種類、加酶量、酶解溫度、酶解時間、pH值、預處理等.周丹丹等使用固定化果膠酶輔助萃取番茄醬中的番茄紅素，利用明膠固定化酶，優(yōu)化的工藝條件為:加酶量0.1%，酶解時間1h，溫度45℃，pH值的最適范圍為5～6;酶解后離心去上清液，用乙酸乙酯作提取劑，料液比(g/mL)為1∶1，浸提2h，番茄紅素相對提取率為92.4%.固定化酶的性質穩(wěn)定，處理7次后提取率降低為21.5%，相對酶活力為70%.Choudhari等分別利用果膠酶和纖維素酶輔助萃取不同原料中的番茄紅素.對于番茄皮，果膠酶能使得率增加，效果優(yōu)于纖維素酶;對于番茄渣，優(yōu)化的工藝參數為，纖維素酶質量分數3%，溫度55℃，pH值4.5，時間15min，得率增加61%;果膠酶質量分數為2%，溫度60℃，pH值為5，時間20min，得率增加45%.Cuccolini等以番茄皮為原料，優(yōu)化得到的提取工藝為:用4%的NaOH溶液在70℃下預處理2h，然后加入鹽酸使pH值降至2.2，離心后去上清液，得到色素母細胞沉淀;用3%的纖維素酶和果膠酶(質量比1∶1)在溫度為50℃，pH值為4.5時酶解4h;離心后用混合蛋白酶(Prolyve1000)進行二次酶解，最終產品番茄紅素的質量分數為8%～10%，是原料含量的30倍.Zuorro等用體積比為1∶1的果膠酶(PeclyvePR)和纖維素酶(Cellulyve50LC)輔助萃取番茄渣中的番茄紅素，在液料比(mL/g)為60∶1的條件下，通過響應面法優(yōu)化得到最優(yōu)工藝參數為:溫度30℃，萃取時間3.18h，酶與原料質量比為16%，提取率為67.87%.利用食品級細胞壁降解酶類(如果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶等)水解番茄等原料中的細胞壁多糖，可以減少萃取過程中的傳質障礙，進而提高萃取得率.酶解輔助萃取法操作條件溫和、提取時間短，比較適合番茄紅素這類易被氧化降解物質的提取，但需要考慮酶制劑的成本及其在有機溶劑中的活性問題.超聲波輔助萃取法超聲波輔助萃取技術是利用超聲波的空化效應、機械效應、熱效應等多級效應來輔助和強化溶劑萃取的一種新型化工分離技術.超聲波能產生并傳遞強大的能量，在液體里產生空化效應.空化效應產生極大的壓力而破壞細胞壁及整個固體顆粒.同時，超聲波產生的機械振動加強了胞內物質的釋放、擴散及溶解，強化有效成分的提取.空化效應的大小取決于超聲波性質、產品的特性(如黏度和表面張力)以及環(huán)境條件(如溫度和壓強).蔡基智等以番茄渣為原料，用乙酸乙酯與丙酮(2∶1)混合液作提取劑，優(yōu)化得到的工藝參數為:料液比(g/mL)為1∶5，超聲功率80W，提取時間20min，溫度40℃，pH值為6，番茄紅素提取率為62.52%.Zhang等以番茄渣為原料，用乙酸乙酯作提取劑，在超聲功率為50W，頻率為40kHz的條件下，通過響應面法優(yōu)化得到的最佳條件為:提取溫度86.4℃，液料比(mL/g)為8.0∶1、提取時間29.1min，番茄紅素提取率為89.4%.Eh等以凍干的番茄漿為原料，在超聲頻率為37kHz，功率為140W，提取劑為正己烷、丙酮與乙醇(2∶1∶1)混合液的條件下，通過響應面法優(yōu)化得到的最優(yōu)工藝參數為:萃取時間45.6min，溫度47.6℃，液料比(mL/g)為74.4∶1，番茄紅素提取率為99%，產品中全反式番茄紅素質量比為(5.11±0.27)mg/(g干基).Xu等以紅葡萄柚為原料，用石油醚、丙酮與95%乙醇(2∶1∶1)混合溶劑(含2%二氯甲烷和0.5%BHT)作提取劑，在超聲功率為20kHz條件下，得出的提取工藝為:提取時間30min，提取溫度30℃，液料比(mL/g)3∶1、超聲強度605W/cm2，占空比為66.7%，產品中全反式番茄紅素的質量分數為87.1%.Kumcuoglu等以番茄渣為原料，在提取劑為正己烷、丙酮與乙醇(2∶1∶1)混合溶劑(含0.05%BHT)，超聲頻率為24kHz的條件下，得出最優(yōu)提取工藝為:液料比(mL/g)為35∶1，超聲功率90W，提取時間30min，番茄紅素得率為(89.9±0.87)mg/kg.對于天然番茄紅素的提取，超聲波輔助萃取能有效提高萃取得率并縮短萃取時間，與其他新型萃取技術如微波輔助萃取等相比，它的設備價格更低而且操作簡單.工業(yè)應用時，需考慮超聲波在介質中會隨著傳播距離的增大而振幅逐漸衰減的問題，超聲和酶解協同輔助萃取是一個解決辦法.微波輔助萃取法微波輔助萃取技術是利用微波的熱效應、生物效應等多級效應來輔助和強化溶劑萃取的一種新型化工分離技術.微波是通過離子傳導和偶極子轉動兩種方式內外同時加熱.在微波電場的作用下會引起水分子等極性分子強烈極性振蕩，破壞或削弱氫鍵、范德華力、疏水相互作用、離子鍵等次級鍵.加入極性有機溶劑(乙醇、甲醇等)或者鹽類可改善加熱效果.陳劍波等以新鮮番茄為原料，采用表面活性劑協同微波萃取番茄紅素，得出最優(yōu)工藝條件為:乙酸乙酯作提取劑，加入0.1%表面活性劑CSB-50(椰油酰胺基丙基羥磺基甜菜堿)，微波功率464W，提取時間100s，料液比(g/mL)為1∶3，一次提取率為76.4%.張素霞采用氯仿-丙酮(2∶1)為提取劑萃取番茄中的番茄紅素，得到的最佳工藝條件為:料液比(g/mL)1∶3，微波功率360W，時間15s，萃取2次，提取率為97.81%.陶婷婷等使用微波法從新鮮番茄中提取番茄紅素，以乙酸乙酯作提取劑，通過響應面法優(yōu)化得到的最佳提取條件為:微波功率500W，時間160s，液料比(mL/g)8.2∶1，提取3次，番茄紅素得率為3.047mg/(g干基).趙娟娟以番茄渣為原料，發(fā)現微波輔助比超聲波輔助效果好，響應面法優(yōu)化得到的工藝參數為:微波功率400W、料液比(g/mL)1∶4、提取時間35s，提取2次，番茄紅素提取率超過97%.蘇亞洲以番茄皮為原料，用乙酸乙酯作提取劑，發(fā)現當番茄皮含水量為30%時有利于微波輔助萃取，得到的最佳工藝條件為:提取時間60s，液料比(mL/g)12∶1，微波功率540W，提取4次，番茄紅素提取率為92.37%.微波提取法的提取率高，是溶劑法的1.139倍，超聲波法的1.003倍.提取時間是溶劑法的1.3%，超聲波法的4.4%.微波輔助萃取番茄紅素具有提取效率高、溶劑消耗少、提取率大的優(yōu)點，但是由于番茄紅素在較高的溫度下易發(fā)生異構化反應和氧化降解反應，而且微波對極性物質具有選擇性加熱效應，因此采用微波輔助萃取時要盡可能選擇介電常數小的溶劑.超聲波-微波協同萃取法超聲波-微波協同萃取法是利用微波功率和輻照時間連續(xù)可調，超聲振動、微波加熱方式和程度可任意組合和設定來強化萃取的新型分離技術.它保留了微波輔助和超聲波輔助的優(yōu)點，并克服了微波穿透能力有限和萃取不均勻、超聲波聲振效率低和噪聲大的缺點.Zhang等以番茄渣為原料，在微波功率為98W(頻率為2450MHz)，超聲頻率為40kHz(功率為50W)的條件下，用乙酸乙酯作提取劑，通過響應面法優(yōu)化得到的最優(yōu)工藝為:液料比(mL/g)為10.6∶1，提取時間367s，提取溫度86.4℃，番茄紅素提取率為97.4%，高于超聲法的提取率(89.4%)，提取時間是超聲法的0.21倍.超聲波-微波協同萃取法兼具二者的優(yōu)點，提取率高、萃取時間短.然而，關于超聲波-微波協同萃取法的傳質機理以及超聲波-微波協同對番茄紅素的結構及活性的影響目前尚不明確.超高壓輔助萃取法超高壓輔助萃取法是利用超高壓(大于100MPa)改變基質材料組織結構、減少溶質擴散阻力，同時為溶質擴散提供高壓傳質動力，來輔助和強化溶劑萃取的新型非熱技術.靳學遠等采用超高壓輔助提取番茄皮渣中的番茄紅素，以正己烷作提取劑，得到的最佳工藝條件為:壓力300MPa，保壓時間5min，固液比(g/mL)為1∶10，提取3次，番茄紅素提取率為83.2%.孫培冬等研究了超高壓預處理對番茄紅素提取的影響，得到的最佳條件為:壓力200MPa，3次加壓，每次加壓15min.在此條件下，前3次的提取量是未經高壓處理時的4.8倍.劉澤龍以番茄為原料，通過混合設計和響應面分析得出超高壓輔助提取的最佳工藝為:靜壓力168MPa，液固比(mL/g)17.6∶1，保壓時間約2min，加卸壓3次，壓媒溫度40℃，番茄紅素提取率為94.5%.Xi應用高靜水壓輔助提取番茄渣中的番茄紅素，得出的最佳工藝參數為:室溫處下處理，靜壓力500MPa，保壓時間1min，提取劑為75%乙醇，固液比(g/mL)1∶6，提取率為92%;Xi還對比了高靜水壓處理和索氏抽提二者的提取效果，在提取劑均為75%乙醇，固液比(g/mL)為1∶5的條件下，500MPa高靜水壓室溫下處理1min的萃取得率為(41.73±3.07)mg/100g，顯著高于索氏抽提處理30min的得率(35.61±2.34)mg/100g.目前關于超高壓輔助萃取番茄紅素的研究較少，雖然該方法加工成本較高且處理量較少，卻是一種具有開發(fā)前景的非熱加工技術.實際應用時還需考慮超高壓工藝參數對番茄紅素穩(wěn)定性的影響.高壓脈沖電場輔助萃取法高壓脈沖電場輔助提取技術是使脈沖高電壓(通常大于20kV/cm)作用于液態(tài)原料基質，利用脈沖電場產生的電穿孔效應等多級效應破壞細胞膜來輔助和強化溶劑萃取的新型非熱提取技術.金聲瑯等采用高壓脈沖電場輔助提取番茄皮渣中的番茄紅素，得出的最佳條件為:以乙酸乙酯為提取劑，電場強度為30kV/cm，