天然番茄紅素提取工藝研究進展

林澤華, 任嬌艷

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院,廣東廣州 510641)

天然番茄紅素提取工藝研究進展

林澤華, 任嬌艷*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院,廣東廣州 510641)

介紹了國內(nèi)外近十年來天然番茄紅素提取工藝的研究概況,將其歸納為有機溶劑萃取法、超臨界CO2萃取法、酶解輔助萃取法、超聲波輔助萃取法、微波輔助萃取法、超聲波-微波協(xié)同萃取法、超高壓輔助萃取法、高壓脈沖電場輔助萃取法,并對比了各種方法的優(yōu)缺點.

番茄紅素;超臨界CO2;酶解;超聲波;微波;超高壓;輔助萃取

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(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1.天然的番茄紅素是全反式結(jié)構(gòu).

圖1 番茄紅素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical construction of lycopene

動物和人類無法在體內(nèi)合成番茄紅素,只能通過膳食來源而攝入.番茄及番茄產(chǎn)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(gòu)成[1].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[2].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(xué)、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(fēng)險[1].

天然的番茄紅素是GB 2760—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(yīng)用于風(fēng)味發(fā)酵乳和飲料類.番茄紅素的生產(chǎn)方法有天然番茄紅素提取法、化學(xué)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(nèi)外近十年來天然番茄紅素提取工藝的研究概況.

1 有機溶劑萃取法

有機溶劑萃取法是提取生物活性物質(zhì)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(shè)備投資成本較低、工藝技術(shù)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(shù)、pH值等.

李芳等[3]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[4]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(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳提取條件為:提取溫度30℃,時間3.8 h,液料比(g/mL)為3.5∶1,產(chǎn)品中番茄紅素質(zhì)量濃度為15.61μg/mL.李麗杰等[5]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2 h預(yù)處理,優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為:液料比(mL/g)3∶1,浸提溫度40℃,時間2.5 h,番茄紅素得率為4.08mg/100 g.Kaur等[6]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(yīng)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8 min,番茄紅素得率為1.99 mg/100 g.Ishida等[7]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(xiàn)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20 g/L;對于橘紅色番茄,在溫度為60℃,提取時間4 h,加入α-生育酚的條件下,番茄紅素得率為2 431.47μg/(g干基).

有機溶劑萃取法的優(yōu)點是操作簡單且易于實現(xiàn)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(fēng)險.另外由于番茄紅素在較高的溫度下易發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)和氧化反應(yīng),需要考慮溫度對番茄紅素的影響.

2 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(shù).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[8-9].

袁永成[10]以番茄皮渣為原料,皂化預(yù)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2 h,萃取溫度55℃,萃取壓力35 MPa,番茄紅素得率為16.3 mg/100 g. Rozzi等[11]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34.47 MPa,CO2流速2.5 mL/min,萃取時間200min,提取率為61.0%.Shi等[12]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[13]以番茄皮為原料,用95%乙醇作夾帶劑,通過響應(yīng)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(zhì)量分數(shù)為14%,全反式番茄紅素的提取率為33%.Siti等[14]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(zhì)量百分數(shù)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(shè)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劑[8].

3 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(zhì)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(jié)合的形式存在于色素母細胞中[14].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(yù)處理等.

周丹丹等[15]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1 h,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2 h,番茄紅素相對提取率為92.4%.固定化酶的性質(zhì)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[16]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(shù)為,纖維素酶質(zhì)量分數(shù)3%,溫度55℃,pH值4.5,時間15 min,得率增加61%;果膠酶質(zhì)量分數(shù)為2%,溫度60℃,pH值為5,時間20 min,得率增加45%.Cuccolini等[17]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(yù)處理2 h,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(zhì)量比1∶1)在溫度為50℃, pH值為 4.5時酶解 4 h;離心后用混合蛋白酶(Prolyve 1000)進行二次酶解,最終產(chǎn)品番茄紅素的質(zhì)量分數(shù)為8%～10%,是原料含量的30倍.Zuorro 等[18]用體積比為1∶1的果膠酶(Peclyve PR)和纖維素酶(Cellulyve 50LC)輔助萃取番茄渣中的番茄紅素,在液料比(m L/g)為60∶1的條件下,通過響應(yīng)面法優(yōu)化得到最優(yōu)工藝參數(shù)為:溫度30℃,萃取時間3.18 h,酶與原料質(zhì)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(zhì)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(zhì)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.

4 超聲波輔助萃取法

超聲波輔助萃取技術(shù)是利用超聲波的空化效應(yīng)、機械效應(yīng)、熱效應(yīng)等多級效應(yīng)來輔助和強化溶劑萃取的一種新型化工分離技術(shù).超聲波能產(chǎn)生并傳遞強大的能量,在液體里產(chǎn)生空化效應(yīng).空化效應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)生的機械振動加強了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴散及溶解,強化有效成分的提取.空化效應(yīng)的大小取決于超聲波性質(zhì)、產(chǎn)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[19]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(shù)為:料液比(g/mL)為1∶5,超聲功率80W,提取時間20 min,溫度40℃,pH值為6,番茄紅素提取率為62.52%.Zhang等[20]以番茄渣為原料,用乙酸乙酯作提取劑,在超聲功率為50 W,頻率為40 kHz的條件下,通過響應(yīng)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29.1 min,番茄紅素提取率為89.4%.Eh等[21]以凍干的番茄漿為原料,在超聲頻率為37 kHz,功率為140 W,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(yīng)面法優(yōu)化得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為:萃取時間45.6 min,溫度47.6℃,液料比(m L/g)為74.4∶1,番茄紅素提取率為99%,產(chǎn)品中全反式番茄紅素質(zhì)量比為(5.11±0.27)mg/(g干基).Xu 等[22]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20 kHz條件下,得出的提取工藝為:提取時間30min,提取溫度30℃,液料比(m L/g)3∶1、超聲強度605 W/cm2,占空比為66.7%,產(chǎn)品中全反式番茄紅素的質(zhì)量分數(shù)為87.1%.Kumcuoglu等[23]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24 kHz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90 W,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(shù)如微波輔助萃取等相比,它的設(shè)備價格更低而且操作簡單.工業(yè)應(yīng)用時,需考慮超聲波在介質(zhì)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(xié)同輔助萃取是一個解決辦法.

5 微波輔助萃取法

微波輔助萃取技術(shù)是利用微波的熱效應(yīng)、生物效應(yīng)等多級效應(yīng)來輔助和強化溶劑萃取的一種新型化工分離技術(shù).微波是通過離子傳導(dǎo)和偶極子轉(zhuǎn)動兩種方式內(nèi)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[24]以新鮮番茄為原料,采用表面活性劑協(xié)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100 s,料液比(g/mL)為1∶3,一次提取率為76.4%.張素霞[25]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15 s,萃取2 次,提取率為97.81%.陶婷婷等[26]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(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳提取條件為:微波功率500W,時間160 s,液料比(mL/g)8.2∶1,提取3次,番茄紅素得率為3.047 mg/(g干基).趙娟娟[27]以番茄渣為原料,發(fā)現(xiàn)微波輔助比超聲波輔助效果好,響應(yīng)面法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為:微波功率400W、料液比(g/mL)1∶4、提取時間35 s,提取2次,番茄紅素提取率超過97%.蘇亞洲[28]以番茄皮為原料,用乙酸乙酯作提取劑,發(fā)現(xiàn)當(dāng)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60 s,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(gòu)化反應(yīng)和氧化降解反應(yīng),而且微波對極性物質(zhì)具有選擇性加熱效應(yīng),因此采用微波輔助萃取時要盡可能選擇介電常數(shù)小的溶劑.

6 超聲波-微波協(xié)同萃取法

超聲波-微波協(xié)同萃取法是利用微波功率和輻照時間連續(xù)可調(diào),超聲振動、微波加熱方式和程度可任意組合和設(shè)定來強化萃取的新型分離技術(shù).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[20]以番茄渣為原料,在微波功率為98 W(頻率為2 450 MHz),超聲頻率為40 kHz(功率為50W)的條件下,用乙酸乙酯作提取劑,通過響應(yīng)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367 s,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(xié)同萃取法兼具二者的優(yōu)點,提取率高、萃取時間短.然而,關(guān)于超聲波-微波協(xié)同萃取法的傳質(zhì)機理以及超聲波-微波協(xié)同對番茄紅素的結(jié)構(gòu)及活性的影響目前尚不明確.

7 超高壓輔助萃取法

超高壓輔助萃取法是利用超高壓(大于100 MPa)改變基質(zhì)材料組織結(jié)構(gòu)、減少溶質(zhì)擴散阻力,同時為溶質(zhì)擴散提供高壓傳質(zhì)動力,來輔助和強化溶劑萃取的新型非熱技術(shù).

靳學(xué)遠等[29]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[30]研究了超高壓預(yù)處理對番茄紅素提取的影響,得到的最佳條件為:壓力200 MPa,3次加壓,每次加壓15 min.在此條件下,前3次的提取量是未經(jīng)高壓處理時的4.8倍.劉澤龍[31]以番茄為原料,通過混合設(shè)計和響應(yīng)面分析得出超高壓輔助提取的最佳工藝為:靜壓力168 MPa,液固比(mL/g) 17.6∶1,保壓時間約 2 min,加卸壓3次,壓媒溫度40℃,番茄紅素提取率為94.5%.Xi[32]應(yīng)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(shù)為:室溫處下處理,靜壓力500MPa,保壓時間1 min,提取劑為75%乙醇,固液比(g/mL)1∶6,提取率為92%;Xi[33]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/m L)為1∶5的條件下,500 MPa高靜水壓室溫下處理1min的萃取得率為(41.73±3.07)mg/100 g,顯著高于索氏抽提處理30min的得率(35.61± 2.34)mg/100 g.

目前關(guān)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(shù).實際應(yīng)用時還需考慮超高壓工藝參數(shù)對番茄紅素穩(wěn)定性的影響.

8 高壓脈沖電場輔助萃取法

高壓脈沖電場輔助提取技術(shù)是使脈沖高電壓(通常大于20 kV/cm)作用于液態(tài)原料基質(zhì),利用脈沖電場產(chǎn)生的電穿孔效應(yīng)等多級效應(yīng)破壞細胞膜來輔助和強化溶劑萃取的新型非熱提取技術(shù).

金聲瑯等[34]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30 kV/cm,液料比(mL/g)為9∶1,脈沖數(shù)為8,溫度為30℃.單次提取時,番茄紅素提取率為96.7%,是有機溶劑法的2.4倍,微波輔助法的1.23倍,超聲波輔助法的1.04倍,且處理時間短(16μs).Eda[35]以番茄為原料,在提取劑為水、液料比(mL/g)為10∶1的條件下,優(yōu)化得到的電場處理工藝為,電場強度80 V/cm,時間4 s,番茄紅素提取率提高112.4%.

高壓脈沖電場輔助提取法具有提取時間短、提取率高、處理條件溫和等優(yōu)點,尤其適用于熱敏性物質(zhì)的提取.關(guān)于高壓脈沖電場工藝參數(shù)對番茄紅素穩(wěn)定性的影響及萃取機理等方面的基礎(chǔ)研究尚待深入.應(yīng)用脈沖電場技術(shù)的障礙主要為:1)因操作方式和材料等的不同使得文獻的研究結(jié)果難以進行對比;2)由于該技術(shù)本身的復(fù)雜性而難以實現(xiàn)工藝條件的實時監(jiān)控[36].

9 存在的問題與展望

番茄紅素是具有重要生理活性的脂溶性色素,在較高的溫度下易發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)和氧化降解反應(yīng),在萃取的過程中應(yīng)注意番茄紅素的保護問題.國外對超臨界萃取番茄紅素的研究相對較為深入,而尋找合適的夾帶劑是一個突破口.由于天然番茄紅素存在于色素母細胞中并被細胞壁包裹,酶解輔助可有效改善萃取效果,但需解決酶的成本高和利用率低的問題.超聲法能有效提高番茄紅素萃取率并縮短提取時間,然而超聲波在介質(zhì)中會隨著傳播距離的增大而振幅逐漸衰減,這是工業(yè)化應(yīng)用需解決的問題.高壓脈沖電場輔助提取法適用于熱敏性物質(zhì)的提取,但是關(guān)于脈沖電場工藝參數(shù)對番茄紅素穩(wěn)定性的影響等方面的研究尚待深入.未來的研究應(yīng)集中于萃取機理、工藝參數(shù)對番茄紅素結(jié)構(gòu)及活性的影響,以及多技術(shù)聯(lián)用協(xié)同萃取及工藝的優(yōu)化,同時應(yīng)注重開拓原料來源,降低提取成本以及實現(xiàn)原料的綜合利用.

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Research Progress on Extraction Techniques of Natural Lycopene

LIN Zehua, REN Jiaoyan*
(College of Light Industry and Food Sciences,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

Lycopene is a food coloring agent and the outstanding antioxidant and anticancer properties of lycopene make it an ideal component for daily food supplements.In this paper,the research advances of lycopene extraction by different techniques in recent ten yearswere reviewed,including conventional solvent extraction,supercritical CO2extraction,enzyme-assisted extraction,ultrasound-assisted extraction, microwave-assisted extraction,ultrasonic-microwave assisted extraction,ultrahigh pressure assisted extraction,and high-intensity pulsed electric fields assisted extraction.The advantages and disadvantages of the techniqueswere given,which could supply useful information for further research on lycopene and other natural pigments.

lycopene;supercritical CO2extraction;enzyme;ultrasound;microwave;ultrahigh pressure;assisted extraction

葉紅波)

TS202.3

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.05.010

2095-6002(2014)05-0050-06

林澤華,任嬌艷.天然番茄紅素提取工藝研究進展.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2014,32(5):50-55. LIN Zehua,REN Jiaoyan.Research progress on extraction techniques of natural lycopene.Journal of Food Science and Technology,2014,32(5):50-55.

2013-08-29

林澤華,男,碩士研究生,研究方向為食品生物技術(shù);*任嬌艷,女,教授,博士,主要從事食品生物技術(shù)方面的研究.通訊作者.