超临界CO2萃取发酵法生产的番茄红素工艺的研究.pdf

广西轻工业 GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 2009 年 3 月 第 3 期 （总第 124 期 ） 食品与生物 番茄红素主要存在于成熟番茄中， 是一种脂溶性不饱和碳 氢化合物，属于类胡萝卜素的一种。番茄红素的分子式为 C40H56， 分子量为 536.88。 研究表明1,2， 在所有的类胡萝卜素中， 番茄红素具有最强的单线态氧淬灭作用， 其对单线态氧的淬灭 作用是 胡萝卜素的两倍。其次，番茄红素具有抗氧化作 用。 番茄红素能降低人类患胃癌、 前列腺癌、 胰腺癌、 结肠癌、 口 腔癌和子宫癌的危险性3,4， 对预防和治疗心脑血管疾病、 动脉 硬化等具有重要的作用5。 目前番茄红素被广泛应用于食品、 医 药、 化妆品和保健品等行业。 超临界 CO2萃取技术是利用超临界 CO2作萃取剂，利用 该状态下的 CO2具有的高渗透能力和高溶解能力， 对非极性混 合物萃取分离的一项新技术6- 8。采用超临界 CO2流体萃取技 术生产的产品无残留、 无污染， 可避免萃取物在高温下的热劣 化， 保护生理物质的活性， 保持萃取物的天然风味等特点9。本 文研究利用超临界 CO2萃取技术， 萃取发酵法生产的番茄红素 的各种工艺条件对萃取率的影响， 通过对夹带剂的选择及其体 积分数， 萃取压力， 萃取温度， 萃取时间及 CO2流量等工艺参数 进行试验， 以确定最佳工艺条件， 旨在为工业化生产番茄红素 提供数据支持。 1 材料和方法 1.1试验材料利用三孢布拉氏霉菌发酵所得菌体；纯度 99.5%以上的 CO2； 乙醇， 乙酸乙酯， 乙酸甲酯， 丙酮， 均为分析纯。 1.2仪器和设备HA221- 50- 06 超临界萃取装置； 真空冷冻 干燥机； 722 可见光分光光度计等。 1.3试验方法利用三孢布拉氏霉菌发酵所得菌体， 真空冷冻 干燥， 粉碎过筛， 称重， 超临界萃取， 此时观察携带剂、 萃取压 力、 萃取温度、 萃取时间和 CO2流量对番茄红素萃取率的影响， 通过试验确定超临界二氧化碳萃取番茄红素的最佳工艺条件。 番茄红素含量测定按照文献 10 进行。萃取率的计算： 萃取率 = 萃取物中番茄红素的含量 / 原料中番茄红素的 含量100% 2 结果与讨论 2.1夹带剂的选择及其体积分数对萃取效果的影响 在萃取压力 30MPa、萃取温度 50、萃取时间 1.5h、 CO2 流量为 25 kg/ h 的条件下， 选用乙醇、 乙酸乙酯、 乙酸甲酯和丙 酮进行单因素试验。结果如图 1 所示。 图 1夹带剂对萃取率的影响 试验材料中的番茄红素与其他脂类及蛋白等形成紧密的 化学复合体， 超临界 CO2不能完全破碎这些复合体11， 因此， 夹 带剂的添加十分必要。夹带剂的加入能明显地改变超临界 CO2 的相行为， 显著提高溶质在超临界 CO2中的溶解度， 改善超临 界 CO2对溶质组分的选择性， 提高萃取率。在选择夹带剂时还 要考虑不破坏萃取物质的天然性质， 从产品安全性、 经济性和 实用性等方面考虑， 本试验选用成本低， 无毒的乙醇作夹带剂。 在萃取压力 30MPa、萃取温度 50、萃取时间 1.5h、 CO2 流量为 25 kg/ h 的条件下， 乙醇体积分数对番茄红素萃取率的 影响如图 2 所示。 图 2乙醇体积分数对萃取率的影响 由图 2 可看出， 乙醇的体积分数从 60%增至 90%时， 番茄 红素的萃取率从 73%增至 92%。在这个阶段， 加入乙醇的体积 分数越大， 番茄红素的萃取率也越高， 但增加的幅度不尽相同。 当乙醇体积分数达到 90%时，番茄红素的萃取率达到最大值， 继续提高乙醇的体积分数， 番茄红素的萃取率有所降低。造成 这样结果的原因是， 乙醇的添加增大了萃取流体的极性， 使流 【作者简介】张邦建 （1 9 6 5 - ） ， 男， 硕士， 副教授 。 【基金项目】内蒙古教育厅资助项目 （N J 0 7 2 0 3 ） 超临界 CO2萃取发酵法生产的番茄红素工艺的研究 张邦建， 王海峰 （包头轻工职业技术学院生物工程系， 内蒙古 包头 014035 ） 【摘要】研究了应用超临界 C O2萃取技术， 萃取发酵法生产的番茄红素的最佳工艺条件。 结果表明， 萃取压力 3 0 MP a ， 萃 取温度 5 0 ， 萃取时间 1 . 5 h ， C O2流量为 2 5k g / h ， 乙醇体积分数 9 0 % 。 【关键词】超临界 C O2； 番茄红素； 萃取率 【中图分类号】TS202【文献标识码】A【文章编号】1003- 2673(2009)021202 12 （下转第 19 页 ） 体对番茄红素的溶解度提高。当乙醇体积分数较低时， 其中所 含的水分会使原料结块， 从而影响通透性， 使萃取釜内部的萃 取过程难以进行； 当乙醇体积分数升高， 乙醇对番茄红素的溶 解大于水带出杂质的干扰， 萃取率升高； 当乙醇体积分数大于 90%， 因其极性过强而影响了番茄红素的提取12。因此， 从尽量 接近萃取目标， 充分、 经济合理地利用夹带剂的角度出发， 加入 乙醇的体积分数为 90%为宜。 2.2萃取压力对萃取效果的影响 在萃取温度 50、 萃取时间 1.5h、 CO2流量为 25kg/h、 乙醇 的体积分数为 90%的条件下，分别研究 10， 15， 20， 25， 30， 35， 40MPa压力对萃取率的影响， 结果如图3所示。 图 3萃取压力对萃取率的影响 从图 3 可看出， 在 1030MPa 时萃取率随压力的升高而增 大， 当萃取压力为 30 MPa 时， 番茄红素的萃取率达到最高。这 是由于， 在其他条件不变得情况下， 超临界流体的溶解能力与 其密度成正比， 随着萃取压力的升高， CO2的密度增大， 它对溶 质的溶解度也显著提高， 因而番茄红素萃取率随之增加； 同时， 萃取压力升高还会减少分子间的传质距离， 增加溶质和溶剂的 传质效率， 有利于萃取。当萃取压力大于 30 MPa 以后， 萃取率 开始降低。这是由于， 在其他条件不变得情况下， 萃取压力过 高， 会导致各种分子之间发生复杂的作用， 使加入的夹带剂部 分凝聚而导致溶解性能降低， 从而改变了萃取率。 同时， 随着萃 取压力的升高， 设备费用和操作成本也相应提高。 因此， 萃取压 力选择为 30MPa 较为适宜。 2.3萃取温度对萃取率的影响 在萃取压力 30MPa、 萃取时间 1.5h、 CO2流量为 25 kg/ h、 乙醇的体积分数为 90%的条件下， 分别研究 35， 40， 45， 50， 55， 60对萃取率的影响， 结果如图 4 所示。 图 4萃取温度对萃取率的影响 从图 4 可看出， 在其他条件不变得情况下， 萃取温度升高， 番茄红素萃取率也随之升高，在萃取温度是 50时萃取率达 到最大值； 温度继续升高， 萃取率反而下降。这是由于， 萃取温 度对萃取效果具有双重的影响13,14： 一方面， 升高温度， 会使溶 质的挥发性增强， 扩散系数增大， 分子热运动加快， 分子间缔合 的机会增加， 从而加快传质， 有利于番茄红素的萃取； 但是另一 方面， 温度升高， 作为萃取溶剂的 CO2分子间距增大， 分子间作 用力减小， 密度降低， 其溶解能力相应下降， 同时夹带剂的浓度 也下降， 不利于萃取。因此， 本试验条件下， 萃取温度选择在 50较为合适。 2.4萃取时间对萃取率的影响 在萃取压力 30MPa、 萃取温度 50、 CO2流量为 25 kg/ h、 乙醇的体积分数为 90%的条件下， 分别研究萃取 0.5 h， 1 h， 1.5 h， 2 h， 2.5 h 时对萃取率的影响， 结果如图 5 所示。 图 5萃取时间对萃取率的影响 从图 5 可看出， 在其他条件不变得情况下， 随着萃取时间 的增加， 番茄红素萃取率也随之升高， 当萃取 1.5h 时萃取率达 到 92%， 继续延长时间萃取率变化不大。出现这样结果的原因 是15， 在其他条件不变的情况下， 萃取时间越长， 萃取率越高。 在萃取初始阶段时， 由于溶质与 CO2接触时间较短， 接触也不 充分， 使萃取率较少； 随着萃取时间的延长， 传质达到良好的状 态， 单位时间萃取率增大， 直到最后阶段， 因萃取物料中的被萃 取物质含量降低而使单位时间萃取率降低。继续延长时间， 萃 取率变化不大。考虑萃取时间与生产周期的关系， 在本试验条 件下， 可选择 1.5h 作为最佳萃取时间。 2.5CO2流量对萃取率的影响 在萃取压力 30MPa、 萃取温度 50、 萃取时间 1.5h、 乙醇 的体积分数为 90%的条件下，分别研究 CO2流量为 15 kg/ h， 20 kg/ h， 25 kg/ h， 30 kg/ h， 35 kg/ h 时对萃取率的影响， 结果如 图 6 所示。 图 6C O2流量对萃取率的影响 从图 6 可看出， 在其他条件不变得情况下， 当 CO2流量在 1525 kg/ h 时， 随着流量的增加， 萃取率不断升高； 当 CO2流 量大于 25 kg/ h 时， 随着流量的增加， 萃取率开始下降。这是由 于超临界流体流量可以明显地影响超临界流体萃取过程。CO2 流量增加， 溶剂量增大， 传质系数的增加， 故萃取率提高。 但是， 13 （上接第 13 页 ） 当 CO2流量过大时， CO2在萃取釜内的停留时间减少， CO2与 萃取物料来不及充分混合传质， 接触时间减少， 使得萃取率下 降。 并且导致 CO2的耗量增加， 提高生产成本。 所以在本试验 条件下， 可采用 CO2流量为 25kg/h 较为适宜。 3 结论 在本试验条件下， 采用超临界 CO2萃取技术， 萃取发酵法 生产的番茄红素的最佳工艺条件是萃取压力 30MPa，萃取温 度 50， 萃取时间 1.5h， CO2流量为 25 kg/ h， 夹带剂乙醇体积 分数 90%。在此工艺条件下可得到纯度达 90%以上的番茄红 素， 且提取到的番茄红素无异味， 无溶剂残留。 参考文献 1 S c h i e b e rA , C a r l eR . Oc c u r r e n c eo f c a r o t e n o i dc i s - i s o me r si n f o o d :T e c h n o l o g i c a la n a l y t i c a , la n d n u t r i t i o n a li mp l i c a t i o n s J . T r e n d s F o o dS c i T e c h , 2 0 0 5 , 1 6 ( 9 ) : 4 1 6 - 4 2 2 . 2 Ma s c i oPD , K a i s e r S , S i e sH , e t a l . L y c o p e n ea st h emo s t e f f i c i e n t b i o l o g i c a l c a r o t e n o i ds i n g l eo x y g e nq u e n c h e r J .A r c hB i o c h e m B i o p h y s , 1 9 8 9 , 2 7 4 ( 2 ) : 5 3 2 - 5 3 8 . 3 J OH N S . A n t i o x i d a t i v e p r o p e r t i e s o f l y c o p e n e a n d o t h e r c a r o t e n o i d s f r o mt o ma t o e s J . B i oF a c t o r s , 2 0 0 4 , 2 1 ( 4 ) : 2 0 3 -2 1 0 4 P E T E RPH . S y n t h e t i c a n dt o ma t o - b a s e dl y c o p e n eh a v ei d e n t i c a l b i o a v a i l a b i l i t y i nh u ma n s J E u r o p e a nJ o u r n a l o f N u t r i t i o n , 2 0 0 3 , 4 2 ( 5 ) : 2 7 2-2 7 8 . 5 王永生, 袁其朋. 番茄红素生产工艺研究进展 J . 微生物学报, 2 0 0 2 , 2 9 ( 2 ) : 6 0 - 6 4 . 6 张镜澄. 超临界流体萃取 M . 北京: 化学工业出版社, 2 0 0 0 . 7 周强, 张富新. 超临界萃取技术及其在食品工业中的应用进展 J . 现代 生物医学进展, 2 0 0 6 , 6 ( 5 ) : 4 9 - 5 1 . 8 韩布兴. 超临界流体科学与技术 M . 北京: 中国石化出版社, 2 0 0 5 . 9 化工百科全书 （第二卷 ） M . 北京: 化学下业出版社, 1 9 9 1 . 1 0 张连富, 丁霄霖. 番茄红素简便测定方法的建立 J . 食品与发酵工业, 2 0 0 1 , ( 3 ) : 5 1 - 5 5 . 1 1 惠伯棣, 姜雨. 番茄果皮中番茄红素的超临界二氧化碳流体萃取 J . 中国食品添加剂, 2 0 0 3 , ( 2 ) : 9 6 - 1 0 4 . 1 2 张劲, 李振山, 黄文等. 超临界萃取番茄红素影响因素的研究 J . 食品 与发酵工业, 2 0 0 6 , 3 2 ( 5 ) : 1 5 9 - 1 6 2 . 1 3 T . B a y s a l , S . E r s u s , S e p a r a t i o n L y c o p e n e a n d- c a r o t e n e f r o m T o ma t op e e l b yS u p e r c r i t i c a l C a r b o nD i o x i d eE x t r a c t i o n, J . A g r i c , F o o dC h e m. 2 0 0 0 , 4 8 : 5 5 0 7 - 5 5 1 0 . 1 4 潘太安, 彭励, 刘敦华等. 超临界萃取葡萄籽油的研究 J . 食品工业科 技, 2 0 0 1 , 2 2 ( 4 ) : 2 2 - 2 4 . 1 5 孙庆杰, 丁宵霖. 超临界 C O2萃取番茄红素的初步研究 J . 食品与发 酵工业, 1 9 9 9 , 2 4 ( 1 ) : 3 - 6 . 2.4.2.3 纤维素酶活力的测定 取 8 支 25mL具塞刻度试管编号后 （4 支用于测粗酶， 另 4 支测标准酶） ，分别加入 1.5mLCMC 溶液 （1gCMC 溶于 100mLpH4.6 的醋酸缓冲溶液中加热溶解， 混匀） 置于 40水 浴中加热 5min，加 0.5mL 适当稀释的酶液（1 号管加入灭活 5min 的 酶 液 作 空 白） ， 40 保 温 糖 化 30min， 各 加 入 1.5mLDNS显色剂，摇匀后放入沸水浴中 5min 后立即取出冷 却， 然后定容至 25mL。在 540nm 处测 OD 值。根据 3 个重复 OD值的平均值，在相应的葡萄糖标准曲线中查出生成葡萄糖 的量。 纤维素酶活力 = 葡萄糖的量n/ （1/430 ） 式中： 葡萄糖的量在标准曲线上求得葡萄糖值 （mg ） n为酶液的稀释倍数 1/4为 1mL待测液中原酶液的量 （mL ） 30表示反反应时间 （min ） 根据公式可算出粗酶与标准酶的活性比较见表 4。 表 4纤维素酶活性比较 2 . 4 . 3溶解性的测定 4 称取两份适量的木屑，各加 1mL磷酸氢二钠 - 柠檬酸缓 冲溶液和 1mL 酶液，在 40条件下反应 2 天, 然后用水、 2mol/L 的氢氧化钠、 2mol/L 的醋酸钠、 水依次冲洗， 在 105 恒温干燥。粗酶与标准酶对木屑的溶解性测定结果见表 5。 表 5木屑溶解性测定结果 3 结论 本实验中对所提取的粗纤维素酶进行酶活性测定时， 是在 40、 pH 值为 4.6 的条件下进行的， 因为本实验所提取的纤维 素酶主要是用作饲用酶， 所以应模仿动物体内的