秋橄欖果實(shí)中番茄紅素的超臨界萃取技術(shù)研究

宋鈺興,邵興鋒,倪 穗

(寧波大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院,浙江寧波 315211)

番茄紅素 (Lycopene)是一種天然食用色素,具有防癌抗癌、抗衰老等多方面的生物學(xué)功能[1]。秋橄欖 (autumnolive),學(xué)名秋胡頹子 (E laeagnus umbella ta Thunb.),是一種灌木,結(jié)有大量紅色漿果,其鮮果中的番茄紅素含量比普通番茄高 17倍[2]。因此利用秋橄欖果實(shí)提取獲得番茄紅素具有較大的開發(fā)價(jià)值。

超臨界 CO2萃取 (Supercritical Fluid Extraction,SFE)是利用處于臨界低壓和臨界溫度的 CO2流體所具有的特異增加溶解能力而發(fā)展出來的化工分離新技術(shù)。目前,包括番茄紅素在內(nèi)的大量天然產(chǎn)物的分離提取使用該技術(shù)[3-4]。李京等在 2006年初步探討了該技術(shù)在秋橄欖番茄紅素萃取中應(yīng)用可行性,但未對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化[2]。

本工作擬利用 SFE方法萃取秋橄欖果實(shí)中的番茄紅素?？疾鞀A帶劑、萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間等因素對(duì)萃取量的影響;并進(jìn)一步采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化秋橄欖中番茄紅素的萃取工藝,為開發(fā)和利用這一新食品資源提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

秋橄欖果實(shí)采自浙江東陽,鮮果在 -18℃下貯藏。使用前經(jīng) 55℃熱風(fēng)干燥 7 h,粉碎備用。

丙酮,杭州高品精細(xì)化工有限公司,分析純;無水乙醇,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純;乙酸乙酯,天津市博迪化工有限公司,分析純。蘇丹紅Ⅰ號(hào)標(biāo)準(zhǔn)品,德國 D r。

Spe-ed SFE超臨界萃取裝置,美國應(yīng)用分離公司 (App lied Separations Inc.);紫外可見分光光度計(jì),4802,尤尼柯 (上海)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 新鮮果實(shí)→干燥→粉碎→裝釜→萃取→得到粗提物→分析粗提物中番茄紅素的含量。

1.2.2 番茄紅素的含量測(cè)定 以蘇丹紅Ⅰ號(hào)代替番茄紅素來繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[5]。所得的方程為 Y=0.309X-0.0076,R2=0.9995(X:樣品的濃度μg/mL;Y:樣品在 476 nm處的吸光值)。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.3.4.1 夾帶劑對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

分別選擇丙酮、無水乙醇、乙酸乙酯為夾帶劑,以未使用夾帶劑的作為空白對(duì)照,在溫度 45℃、時(shí)間 2 h、壓力 25M Pa的條件下,研究不同夾帶劑對(duì)萃取結(jié)果的影響。

1.3.4.2 萃取壓力對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

在夾帶劑為丙酮、溫度為 45℃、時(shí)間為 2 h的條件下 ,分別研究壓力為 15、20、25、30、35、40 M Pa下番茄紅素的產(chǎn)量。

1.3.4.3 萃取溫度對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

在夾帶劑為丙酮、時(shí)間為 2 h、壓力為 25M Pa的條件下 ,分別研究溫度為 30、35、40、45、50、55 ℃對(duì)萃取結(jié)果的影響。

1.3.4.4 萃取時(shí)間對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

在夾帶劑為丙酮、溫度為 45℃、壓力為 25 M Pa的條件下,分別研究時(shí)間為 1、2、3、4 h對(duì)萃取結(jié)果的影響。

1.3.5 響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定了壓力 35 M Pa、溫度 50℃、時(shí)間 3.0 h為擬合中心組合。根據(jù) Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以 A(壓力)、B(溫度)和 C(時(shí)間)為自變量,以萃取所得的番茄紅素量為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)了三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)的因素和水平的取值見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

對(duì)響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果所得數(shù)據(jù)采用Design-Expert 6.0.10 Trial軟件中的 RS(response surface)程序進(jìn)行分析。應(yīng)用Model Graph程序作響應(yīng)曲面圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素對(duì)萃取結(jié)果的影響

2.2.1 夾帶劑對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

由圖1可見,使用丙酮作為夾帶劑時(shí)萃取所得的番茄紅素量最高,其次為無水乙醇,然而乙酸乙酯作為夾帶劑所得到的番茄紅素僅為未使用夾帶劑的空白組的 50%左右。可見,在幾種夾帶劑中丙酮的作用效果最佳,最有利于秋橄欖果實(shí)中番茄紅素的萃取。在O llanketo等的研究中比較了丙酮、甲醇、乙醇、正己烷和二氯甲烷作為夾帶劑從番茄皮中萃取番茄紅素的作用效果,發(fā)現(xiàn)丙酮是最佳夾帶劑[6]。但也有研究認(rèn)為乙醇為 5%時(shí),作為夾帶劑提取番茄紅素的獲取率較高[7]。

圖1 夾帶劑變化對(duì)番茄紅素萃取量的影響

2.2.2 萃取壓力對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

如圖2所示,隨著壓力的上升,番茄紅色的萃取量迅速上升,尤其是從 15～35M Pa區(qū)間內(nèi),每升高5 M Pa,番茄紅素的提取量將大幅上升。但是,將壓力從 35 M Pa升高到 40 M Pa,提取量雖有上升,但幅度較小。

圖2 萃取壓力變化對(duì)番茄紅素萃取量的影響

2.2.3 萃取溫度對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

溫度對(duì)萃取結(jié)果的影響出現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì) (圖3)。在萃取溫度為 50℃的條件下,所獲得的番茄紅素的含量最高。番茄紅素的穩(wěn)定性較差,高溫下易發(fā)生異構(gòu)化或分解,從而使生理活性降低[8]。

圖3 萃取溫度對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

2.2.4 萃取時(shí)間對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

在同樣的萃取條件下,隨著萃取時(shí)間的增加,番茄紅素的提取量不斷增加 (圖4),萃取 3 h時(shí)獲得番茄紅素較高,繼續(xù)延長萃取時(shí)間雖有上升,但是幅度較小?？梢?動(dòng)態(tài)萃取 3 h較為合適。

圖4 萃取時(shí)間對(duì)番茄紅素萃取結(jié)果的影響

2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.1 回歸方程的建立與分析

響應(yīng)面分析的結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用響應(yīng)曲面分析法(RS M)中適合的方程式為:

式中 Y——響應(yīng)值;a0,a1,a2,…,——分別為各項(xiàng)的系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果采用Design-Expert 7.0.1.6 Trial軟件的 ANOVA程序,進(jìn)行二次回歸分析,計(jì)算出上述方程各項(xiàng)系數(shù)并進(jìn)行方差分析 (見表3),番茄紅素提取量 Y的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程為:

Y=188.35+8.60A+9.49B+20.32C+7AB+8.65AC+2.63BC-22A2-23.85B2-15.95C2

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果

從表3的方差分析結(jié)果可以看出,所得的 Y回歸方程極顯著 (P=0.0175),且失擬檢驗(yàn)不顯著 (P=0.0512),說明次回歸模型很理想,用方程 Y擬合3個(gè)因素與番茄紅素萃取量之間的關(guān)系是可行的。從 3因素對(duì) (A、B、C)對(duì)提取量的影響來看,一次項(xiàng)C(時(shí)間)對(duì)萃取量有顯著的影響 (P=0.0041),一次項(xiàng) A(壓力)、B(溫度)對(duì)萃取量沒有顯著的影響;交互項(xiàng)中的 AB、AC、BC對(duì)結(jié)果沒有顯著的影響;二次項(xiàng) A2、B2、C2對(duì)萃取量也有顯著的影響 (P值均小于0.05)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

2.2.2 交互作用對(duì)響應(yīng)值影響分析

圖5顯示的是萃取溫度和壓力的交互作用對(duì)于秋橄欖番茄紅素萃取的影響。固定萃取壓力,在溫度為 45～55℃范圍內(nèi),隨溫度的增加,番茄紅素的萃取量明顯升高,在 52.5℃左右出現(xiàn)極值,之后繼續(xù)增加溫度對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。固定萃取溫度,萃取量也隨著萃取壓力的上升出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象。

圖5 壓力與溫度響應(yīng)面與等高線圖

壓力和時(shí)間的交互作用如圖6所示,在固定壓力的情況下,萃取時(shí)間的延長有利于提高番茄紅素的萃取量,但是在 3.5 h后繼續(xù)延長萃取時(shí)間對(duì)產(chǎn)量無明顯的影響。

萃取時(shí)間和溫度的交互作用見圖7所示,在固定萃取時(shí)間的情況下,溫度的上升提高了番茄紅素的萃取量,但是溫度過高以后也降低了其產(chǎn)量;固定萃取溫度時(shí),時(shí)間的上升提高了萃取量,但在 3.5 h后繼續(xù)延長萃取時(shí)間則對(duì)萃取量無顯著影響。

圖6 溫度與時(shí)間響應(yīng)面與等高線圖

圖7 壓力與時(shí)間響應(yīng)面與等高線圖

2.3 最佳工藝參數(shù)

通過計(jì)算分析,變量 A、B、C的編碼值為 0.417 67、0.453 5、0.758 5;實(shí)際值為 37.083 5 M Pa、52.267 5℃、3.758 5 h。按照實(shí)際生產(chǎn)可以將壓力(A)37 M Pa、溫度 (B)52℃、時(shí)間 (C)3.8 h作為最佳工藝參數(shù)。

3 結(jié) 論

1)本研究明確了超臨界 CO2萃取秋橄欖番茄紅素過程中,夾帶劑、溫度、壓力和時(shí)間等因素對(duì)萃取結(jié)果的影響,單因素試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)夾帶劑為丙酮,溫度 50℃、壓力 35 MPa、時(shí)間 3 h提取效果較好。

2)利用響應(yīng)曲面優(yōu)化后的秋橄欖番茄紅素超臨界萃取工藝條件為:溫度 52℃、壓力 37 M Pa、時(shí)間為 3.8 h。

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