番茄紅素的分離提取與合成制備研究進展Δ

周孝禹，周 杰，吳 穎，張曉鳳，徐 溢#（1.重慶大學化學化工學院，重慶 400030；2.微納系統(tǒng)及新材料技術(shù)國際研發(fā)中心，重慶 400030）

番茄紅素（Lycopene）是成熟番茄中含有的一種類胡蘿卜素，其化學式是由11個共軛及2個非共軛的碳碳雙鍵組成的非環(huán)狀平面多共軛雙鍵的結(jié)構(gòu)。番茄紅素為紅色粉末或紅色液體，不溶于水，難溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、苯等有機溶劑，在光照、氧氣、酸、堿及活性劑的環(huán)境中易氧化分解。番茄紅素具有很強的抗氧化、防癌、抗癌及活化免疫細胞的能力，是目前保健品和藥物研發(fā)的熱點之一。番茄紅素能接受不同電子的激發(fā)，生成基態(tài)氧或三重態(tài)氧番茄紅素，而一個三重態(tài)氧番茄紅素，可消除數(shù)千個單線態(tài)氧自由基，是目前自然界中被發(fā)現(xiàn)的最強的抗氧化劑；番茄紅素還能夠有效淬滅單線態(tài)氧和中和自由基，能夠?qū)顾穆然妓录毙愿螕p傷所產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化作用，從而發(fā)揮保肝的作用[1]。番茄紅素能夠降低患癌癥的幾率，對子宮癌、乳癌、肺癌細胞生長的抑制作用比α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素強10倍[2]，在抑制癌細胞增多和擴散方面具有明確的正向效應，對預防消化道癌、宮頸癌、皮膚癌、乳腺癌、前列腺癌、膀胱癌、胰腺癌、肺癌、卵巢癌的效果明顯[3]。番茄紅素能夠保護吞噬細胞免受自身的氧化損傷，促進T、B淋巴細胞增殖，刺激T細胞功能，減少淋巴細胞DNA的氧化損傷[4]。番茄紅素對輻射引起的造血和血液系統(tǒng)損傷、染色體損傷、免疫損傷均有防護作用[5]。

番茄紅素在人體內(nèi)不能合成，只能通過食物來補充，因此，番茄紅素的制備方法、藥用和保健價值和深度利用的研究受到廣泛關(guān)注。近幾年番茄紅素的相關(guān)研發(fā)成果已拓展到化妝品、食品、運輸方法、農(nóng)業(yè)培養(yǎng)方法等多個領(lǐng)域，用于防輻射、保護皮膚、延緩機體衰老、預防前列腺癌等方面的番茄紅素藥物制劑層出不窮。目前，美國、以色列、印度、日本等國在番茄紅素的研發(fā)上處于國際領(lǐng)先水平，我國在這方面的研究還處于起步階段，積累的資料也較少，尤其是有關(guān)番茄紅素的制備與合成的系統(tǒng)研究和綜述比較少見。本文主要就番茄紅素的分離提取與合成制備進行綜述，以期為番茄紅素的高效制備和深度綜合利用提供依據(jù)。番茄紅素分子式見圖1。

圖1 番茄紅素分子式

1 文獻來源與方法

利用計算機檢索中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、維普中文檢索數(shù)據(jù)庫、PubMed數(shù)據(jù)庫、Elsevier數(shù)據(jù)庫等，以“番茄紅素”“提取”“合成”“Lycopene”“Extract”等為關(guān)鍵詞，組合查詢2002年1月－2014年12月中有關(guān)番茄紅素的研究文獻，共查閱到150余條文獻，篩選得到有效文獻22條。對文獻中提取和合成制備番茄紅素的方法進行整理、歸納。

筆者首先對植物中直接提取分離和純化番茄紅素的技術(shù)進行了綜述，分別介紹和討論了用于番茄紅素提取分離的溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、超聲波輔助提取法和大孔吸附樹脂分離純化法；同時介紹了化學合成途徑制備番茄紅素的技術(shù)和方法，對兩大類制備番茄紅素的途徑進行比較和分析。

2 番茄紅素的提取分離和純化方法研究進展

2.1 溶劑萃取法

傳統(tǒng)的番茄紅素提取方法以溶劑萃取法為例，是根據(jù)番茄紅素的性質(zhì)，利用親脂性有機溶劑以固液萃取方式從番茄中提取番茄紅素。目前這類傳統(tǒng)的溶劑萃取法相關(guān)研究在國內(nèi)仍然較多，主要集中于溶劑體系的選擇和優(yōu)化，以及萃取過程的溫度、時間等方面的優(yōu)化。

任云霞等[6]采用化學溶劑浸提法，以正己烷、石油醚、石油醚-丙酮（1∶1，V/V）有機溶劑作提取劑，得出了浸提法提取番茄原漿中番茄紅素工藝的優(yōu)化條件，即以原料與石油醚-丙酮比為1∶6，在37 ℃下浸提用異丙醇脫水后的原料70 min，其中異丙醇處理時間為15 min，原料與異丙醇之比為1∶4。但由于番茄中還含有其他成分，只單單采用溶劑萃取，得到的產(chǎn)品純度不高，番茄紅素含量僅為5%～15%。趙惠芳等[7]采用溶劑提取法從番茄中提取番茄紅素，根據(jù)單因素試驗和正交試驗，得到優(yōu)化的提取條件為：固液比為1∶4（g ∶ml），在錐形瓶中用石油醚-丙酮的混合溶劑（1∶2，V/V）為萃取劑，50 ℃下萃取25 min。

這類傳統(tǒng)的提取方法是目前國內(nèi)工業(yè)化制備番茄紅素的主流方法，產(chǎn)物以番茄紅素油樹脂為主，但是此方法生產(chǎn)周期長、提取率低，番茄紅素油樹脂中有機溶劑不可能完全蒸干，或多或少會有有機溶劑殘留，會對人體健康產(chǎn)生副作用。而且這類方法往往需要較高的溫度，能源消耗較大，且番茄紅素活性成分易降解，失去原有的生理功能。因此，直接采用番茄紅素油樹脂制備食用或藥用番茄紅素產(chǎn)品并不理想，極大限制了工業(yè)化制備番茄紅素的進程。而隨著低碳生活和環(huán)保生產(chǎn)的要求，采用環(huán)境污染少、能源消耗低、生產(chǎn)效率高的新技術(shù)已成為番茄紅素提取產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)升級的必由途徑。

2.2 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取技術(shù)是食品工業(yè)新興的一項萃取和分離技術(shù)，其利用超臨界二氧化碳作為萃取劑，從物料中萃取、分離和純化有效成分。與傳統(tǒng)的化學溶劑萃取法相比，超臨界流體萃取法能夠避免萃取物在高溫下的劣化，保護生物活性物質(zhì)的活性，其產(chǎn)物無化學溶劑消耗和殘留、對環(huán)境無污染。

但是二氧化碳超臨界流體萃取法受到溫度、壓力、二氧化碳流量等多種因素的影響。當萃取溫度由40 ℃升高至60 ℃時，番茄紅素的提取率從40%增加到93%；但當溫度進一步增加到80 ℃時，番茄紅素的提取率則會大幅度下降，這主要是因為番茄紅素異構(gòu)化和氧化分解帶來的損耗[8]。此外，壓力的影響與溫度類似，一般增加二氧化碳超臨界流體萃取壓力會提高番茄紅素的提取率[8]，當提取溫度介于40～100 ℃時，其最優(yōu)壓力范圍為300～400 bar[9]。二氧化碳流量對番茄紅素的提取率的影響也同溫度和壓力類似，當二氧化碳流量超過最佳點時，番茄紅素產(chǎn)量反而會迅速降低。

Topal U等[9]研究發(fā)現(xiàn)二氧化碳流量為2.5 ml/min時，番茄紅素提取率最高。而Rozzi NL等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著二氧化碳流量從2.5 ml/min增加至15 ml/min，番茄紅素的提取率大幅度下降；當二氧化碳流量大于10 ml/min時，番茄紅素的提取率將低于8%。

孫慶杰[11]采用超臨界流體萃取法有效地萃取了番茄皮中的番茄紅素，采用的工藝條件為：壓力15～20 mPa，溫度40～50 ℃，二氧化碳流量20 kg/h，萃取時間1～2 h，番茄紅素提取率可達90%以上。涂寶軍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，以乙酸乙酯為夾帶劑，在萃取壓力36 mPa和萃取溫度40 ℃下，超臨界流體萃取150 min，番茄紅素的提取效率為12.9 μg/g。Topal U等[9]在壓力為40 mPa、溫度為373 K和二氧化碳流量為2.5 ml/min的提取條件下，從番茄皮中提取番茄紅素的最大提取效率可達到1.18 mg/g。

相關(guān)研究顯示，超臨界流體萃取法在番茄紅素提取中具有明顯的優(yōu)勢，經(jīng)超臨界流體萃取的番茄紅素無異味、無溶劑殘留，同時能保留番茄全部生物特性，產(chǎn)品品質(zhì)較高。但是，整個萃取過程對設備和整個系統(tǒng)的耐壓性要求非常高，使得成本大大增加，而且作為一項近幾十年逐漸發(fā)展的技術(shù)，超臨界流體萃取的技術(shù)理論尚有待完善，尤其是還缺乏公認的針對番茄紅素萃取過程的熱力學模型，要將其實際應用還有待進一步研究。因此，在沒有解決成本過高和相關(guān)理論的問題之前，超臨界流體萃取法尚缺乏大規(guī)模工業(yè)化推廣的可行性。

2.3 超聲波輔助提取法

超聲波輔助提取法在植物色素提取中應用較多。其提取原理主要是通過超聲波能夠產(chǎn)生空化作用，使物料中被提取物質(zhì)快速振動脫離物料。在這個過程中超聲波可以破壞組織細胞壁，使提取溶劑更容易滲透到細胞內(nèi)部，從而降低提取溫度，減少目標活性產(chǎn)物的高溫損失，加快提取速率，達到高效高質(zhì)的提取目的[13-14]。超聲波輔助提取法的研究大多關(guān)注于通過對提取時間、超聲波功率、溶劑選擇等影響因素的優(yōu)化，以提高番茄紅素提取率。

蘇文貴[15]建立了超聲波提取的理論模型，研究發(fā)現(xiàn)在超聲波功率為620.54 W、提取時間為23.76 min、提取溫度為47.60 ℃的條件下，番茄紅素最大提取效率預測值為0.664 9 mg/g；將相應的模型和工藝應用于生產(chǎn)實際，得到番茄紅素的優(yōu)化提取條件為超聲波功率620 W、提取時間24 min、提取溫度48 ℃，實際提取效率可達0.659 4 mg/g，提取率達到89.19%。

相比傳統(tǒng)提取工藝方法，超聲波輔助提取法提取更充分、效率更高，提取過程不需要其他儀器進行加熱，提高了對番茄紅素的保護性。但由于受到超聲波衰減因素的制約，普通的超聲有效作用區(qū)域為一環(huán)形，如果提取罐的直徑太大，在罐的周壁就會形成超聲空白區(qū)，這限制了超聲波輔助提取法用于番茄紅素的大規(guī)模工業(yè)化提取。

2.4 大孔吸附樹脂分離純化法

大孔吸附樹脂（Macroporous adsorption resins，MARs）是20世紀60年代末在離子交換劑和其他吸附劑應用基礎上發(fā)展起來的一種新型樹脂，是由聚合單體、交聯(lián)劑、致孔劑、分散劑等添加劑聚合反應制備的有機高分子聚合物。多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積使其具有良好的吸附性能，且具有理化性質(zhì)穩(wěn)定、分離性能優(yōu)良、溶劑用量少、使用方便、可重復使用、應用范圍廣等特點[16]。目前MARs在天然產(chǎn)物中活性成分的分離純化和中藥復方藥物提取領(lǐng)域的應用尚處于起步和拓展階段。

張裕卿等[17]采用X-5樹脂對番茄紅素和β-胡蘿卜素進行分離純化，結(jié)果顯示其具有較大的吸附量和吸附率；同時，其在石油醚中的解吸率也較高，這為樹脂法提取純化番茄紅素提供了實驗依據(jù)和工藝路線。Karl M[18]使用X-5大孔吸附樹脂作為柱層析吸附劑進行純化番茄紅素試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Freundich平衡吸附方程擬合效果明顯優(yōu)于Langmuir方程，X-5大孔吸附樹脂對番茄紅素的吸附作用不是單純的單分子層吸附，可以采用Freundlich吸附方程對番茄紅素在樹脂表面的吸附過程進行分析；靜態(tài)吸附試驗顯示，在室溫原料質(zhì)量濃度為0.000 8 g/ml時，采用乙酸乙酯洗脫劑，40 min可有效完成洗脫；采用樹脂方法分離純化番茄紅素，通過第二步洗脫，產(chǎn)物中番茄紅素質(zhì)量分數(shù)達到34.55%，純度較番茄紅素油樹脂提高5倍，顯示出大孔吸附樹脂分離純化的明顯優(yōu)勢。

國內(nèi)外對大孔吸附樹脂分離的理論研究主要集中在其吸附動力學、吸附熱力學等方面，對大孔吸附樹脂與靶標分子的構(gòu)效關(guān)系及其分離規(guī)律的基礎研究比較薄弱。在實際應用上，主要是通過選擇適合的商品化大孔樹脂進行分離純化，實現(xiàn)番茄紅素的高效分離和純化；但在預測和篩選具有最佳分離效能的大孔吸附樹脂時，工作量較大，難免漏篩或誤篩情況的發(fā)生。另一方面，商品化的大孔吸附樹脂種類有限，分離效率尚有待提高，通過常規(guī)樹脂的接枝和改性，調(diào)節(jié)改變大孔樹脂的微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面極性及其表面鍵合基團等，獲得對番茄紅素具有更大吸附能力和更高選擇性的大孔吸附樹脂，以提高吸附分離純化性能，這也是一個重要的研發(fā)方向。

3 番茄紅素的合成方法研究進展

自發(fā)現(xiàn)番茄紅素良好應用價值之日起，國內(nèi)外的科研工作者們就從未停止對其合成方法的探索，希望能夠找出一條高效便捷的番茄紅素合成制備途徑。

1990年，美國Roche公司的Karl M[18]采用Wittig反應法，以假紫羅蘭酮和乙炔為原料，高效率地成功合成了番茄紅素。1997年10月該公司成功解決了三苯基氧膦的還原再生問題并在歐洲提出專利申請，實現(xiàn)了番茄紅素的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

德國Basf公司也看到了番茄紅素的市場潛力，投入力量進行研究開發(fā)。1998年，Wegner C等[19]采用Wittig反應法，以三苯基（3，7，11-三甲基-2，4，6，10-十二四烯基）-氯化磷與2，7-二甲基-2，4，6-辛三烯二醛合成了番茄紅素。德國Basf公司以此工藝為基礎，提出了專利申請，實現(xiàn)了番茄紅素的工業(yè)化生產(chǎn)。

韓國的Sangho K[20]提供了一種利用多烯鏈狀結(jié)構(gòu)的中間體化合物制備類胡蘿卜素多烯鏈狀化合物，尤其是制備番茄紅素的方法。以烯丙基砜化合物為原料，和C-5硫化物反應后再氧化，所得的二砜化合物和C-10二（鹵代烯丙基）硫化物化合形成含有所需碳原子數(shù)的鏈狀化合物；然后通過氧化二烯丙基硫醚所得的二烯丙基砜進行Ramberg-Baklund反應形成中間三烯鍵，當除去磺?；鶊F后，即可獲得番茄紅素。

國內(nèi)有李卓才[21]采用Wittig反應法，以假紫羅蘭酮為主要原料，與乙烯基溴化鎂通過Grignard縮合反應制備乙烯基假紫羅蘭醇，進而制備三苯基（3，7，11-三甲基-2，4，6，10-十二碳四烯基）-溴化磷，再和2，7-二甲基-2，4，6-辛三烯二醛通過Wittig縮合反應等合成了番茄紅素。收率為41%，其中全反式番茄紅素和順式的質(zhì)量比例為3 ∶5。經(jīng)過轉(zhuǎn)位異構(gòu)、精制等過程后制備的番茄紅素成品的全反式和順式異構(gòu)體質(zhì)量比例提高，為13∶1。

馬文鑫等[22]設計完成了一條新的全反式番茄紅素全合成路線：由4，8-二甲基-3，7-壬二烯-1-醛與丙醛經(jīng)Aldol縮合反應制備關(guān)鍵中間體2，6，10-三甲基-2，5，9-十一烷三烯-1-醛（4），再與偕二膦酸酯經(jīng)Wittig反應得到3，7，11-三甲基-1，3，6，10-四烯十二烷基膦酸二乙酯，最后與十碳雙醛反應得到全反式番茄紅素，總收率為58.7%。與以往的全合成路線相比，該路線步驟少、工藝簡單、反應收率高，有工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。

目前，美國Roche公司和德國Basf公司是國際上全合成制備番茄紅素的主要生產(chǎn)商，兩家公司自上世紀50年代就已經(jīng)開始了對番茄紅素合成方法的研究，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但其合成過程仍然存在工藝路線長、催化劑昂貴、反應選擇性不佳等瓶頸問題。對我國而言，番茄紅素全合成已逐漸受到人們的重視，研究投入的力度也逐漸加大，但是合成研究相對起步較晚，且國外相關(guān)行業(yè)公司長時間研究積累所帶來的技術(shù)壁壘，給我國在番茄紅素合成的研發(fā)和應用造成阻礙。要實現(xiàn)工業(yè)化制備的目標、完成技術(shù)積累，還有很長的一段路要走。

4 結(jié)論

綜上所述，番茄紅素的化學合成法在國外已逐步形成合理且較為完整的工藝流程，基本滿足了對于工業(yè)化生產(chǎn)的要求，但仍然存在工藝路線長、催化劑昂貴、反應選擇性差的問題，相關(guān)產(chǎn)品也存在溶劑和重金屬殘留量高、成本相對較高的缺點。雖然我國實驗室已開始研究番茄紅素的全合成路徑，但大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)工藝仍相對落后，國內(nèi)廠商基本沒有以合成法制備番茄紅素，而仍以傳統(tǒng)的有機溶劑萃取法提取制備番茄紅素為主。我國作為世界排名第三的番茄生產(chǎn)大國，番茄資源豐富，從植物中直接提取分離和純化番茄紅素產(chǎn)品有廣闊的發(fā)展前景。但是溶劑萃取法提取的番茄紅素產(chǎn)品品質(zhì)差、純度低、有溶劑殘留，影響了產(chǎn)品的應用范圍；若結(jié)合大孔吸附樹脂提取天然產(chǎn)物的路徑，在應用其純化番茄紅素方面做更深入的研究，可為番茄紅素的高效制備和深度綜合利用提供新的途徑。

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