超聲波輔助提取西瓜番茄紅素工藝優(yōu)化

摘要：研究了一元溶劑、二元溶劑、三元溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響，應(yīng)用正交試驗(yàn)優(yōu)化了超聲波輔助混合溶劑提取西瓜番茄紅素工藝。結(jié)果表明，一元溶劑中石油醚、乙酸乙酯對(duì)西瓜番茄紅素的提取效果較好；二元混合溶劑中，乙酸乙酯-丙酮（7∶1）的提取效果最好；三元混合溶劑中乙酸乙酯∶丙酮∶甲醇（7∶1∶1）的提取效果最好；提取西瓜番茄紅素的最佳溶劑是體積比為7∶1的乙酸乙酯-丙酮混合溶劑。超聲波提取西瓜番茄紅素的最佳工藝為超聲波功率225 W，超聲溫度50 ℃，超聲時(shí)間20 min，料液比為1∶5（g∶mL）。

關(guān)鍵詞：西瓜番茄紅素；混合溶劑；超聲波；提取工藝；正交設(shè)計(jì)法

中圖分類(lèi)號(hào)：TS201.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）01-0162-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.043

番茄紅素（lycopene）是存在于番茄、西瓜、草莓、紅色葡萄柚等多種植物中一種類(lèi)胡蘿卜素，具有很強(qiáng)的抗氧化性，有消除過(guò)氧化自由基、防癌、預(yù)防心血管疾病、增強(qiáng)機(jī)體免疫力和抗衰老等多種生理功能，應(yīng)用前景廣闊[1]。目前，國(guó)內(nèi)外提取番茄紅素的研究多以番茄作原料，美國(guó)農(nóng)業(yè)部的研究發(fā)現(xiàn)，與等重的生番茄相比，西瓜紅色部分的番茄紅素含量高40%左右，且無(wú)需加熱或加工可直接被人體吸收[2]。

天然番茄紅素的提取方法主要包括有機(jī)溶劑浸提法[3]、超聲波輔助萃取法[4-6]、微波輔助萃取法[7]、酶反應(yīng)法[8]、超臨界萃取法[9，10]、超高壓提取法[11]、高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取法[12]等。其中有機(jī)溶劑浸提法是各種提取方法的基礎(chǔ)，超聲波法則是利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)、擾動(dòng)效應(yīng)等，增大物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而加速提取，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，效率高等特點(diǎn)[4-6]。目前，西瓜番茄紅素的提取主要是采用溶劑法[13-16]，所采用的溶劑有乙酸乙酯[13]、丙酮-氯仿[14]、石油醚-丙酮[15]、含2%二氯甲烷的正己烷[16]。鮮見(jiàn)關(guān)于采用超聲波輔助提取西瓜番茄紅素的報(bào)道。本試驗(yàn)考察了一元溶劑、二元混合溶劑及三元混合溶劑體系對(duì)西瓜中提取番茄紅素的影響，在超聲波輔助提取單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝，以期為西瓜番茄紅素的提取和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 西瓜購(gòu)自武漢經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)蔡家?guī)X市場(chǎng)。

1.1.2 儀器設(shè)備 721型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海光譜儀器有限公司）；FDL-DTD5200型超聲波清洗儀（南京凡帝朗信息科技有限公司）；YP型電子天平（精密度0.000 1 g，上海精密科學(xué)儀器有限公司）；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海國(guó)華儀器有限公司）；10121型電熱干燥箱。

1.1.3 試驗(yàn)試劑 石油醚、正己烷、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、三氯甲烷、甲苯、丙酮、乙醚，上述試劑均為分析純，由天津市福晨化學(xué)試劑廠(chǎng)提供。

1.2 方法

1.2.1 西瓜預(yù)處理 西瓜去皮取瓤、去子，在研缽中研磨、抽濾。將西瓜果肉倒入干凈的大燒杯中，加入一定量甲醇浸泡脫水，避光靜置4 h后再抽濾，將抽濾后的西瓜果肉置于干燥箱內(nèi)，60 ℃低溫干燥4 h，取出備用。

1.2.2 西瓜中番茄紅素最大吸收波長(zhǎng)的確定 稱(chēng)取5.0 g西瓜果肉樣品放入帶塞錐形瓶中，加入50 mL石油醚，在室溫下浸提2 h。取1.0 mL提取液于10 mL比色管中用石油醚稀釋定容，用721型分光光度計(jì)于室溫下測(cè)定其不同波長(zhǎng)下的吸光度，繪制番茄紅素的吸收光譜圖。

1.2.3 一元溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響 稱(chēng)取西瓜果肉樣品8份于帶塞錐形瓶中，分別加入10 mL石油醚、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醚、甲醇、乙醇、氯仿，在室溫下浸提2 h。取1.0 mL提取液于10 mL比色管中，稀釋定容，測(cè)定其吸光度。

1.2.4 二元混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響

1）二元混合溶劑最佳比例的確定：根據(jù)“1.2.3”試驗(yàn)結(jié)果，選取4種提取效果好的溶劑，組合成4種不同的二元溶劑，分別改變其體積比，考察二元混合溶劑提取西瓜番茄紅素的效率。

2）二元混合溶劑提取西瓜番茄紅素效率對(duì)比：稱(chēng)取西瓜果肉樣品，分別加入最佳配比的6種二元混合溶劑，室溫浸提，測(cè)定其吸光度，比較其對(duì)提取西瓜番茄紅素的影響。

1.2.5 三元混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響 以提取效果最好的二元溶劑為基礎(chǔ)，輔以甲醇、乙醇、乙醚、甲苯、氯仿分別組成體積比為7∶1∶1的三元混合溶劑，比較上述5種不同三元溶劑體系提取西瓜番茄紅素的效率。

1.2.6 不同溶劑體系提取西瓜番茄紅素效率比較 稱(chēng)取西瓜果肉樣品3份，分別加入等體積的提取效果最好的一元溶劑、二元溶劑、三元溶劑，比較其提取西瓜番茄紅素的效率。

1.2.7 超聲波輔助提取單因素試驗(yàn) 稱(chēng)取西瓜果肉樣品，加入提取溶劑超聲萃取，分別改變超聲波功率（125、150、175、200、225、250 W）、超聲溫度（30、35、40、45、50、55、60 ℃）、超聲時(shí)間（5、10、15、20、25、30 min）、料液比（1∶3、1∶5、1∶7、1∶9）（g∶mL，下同），取等量萃取液稀釋定容，測(cè)定溶液的吸光度。

1.2.8 超聲波輔助提取正交試驗(yàn) 為了比較各因素對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響程度，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選取超聲波功率、超聲溫度、超聲時(shí)間、料液比4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄紅素吸收光譜

番茄紅素的吸收光譜如圖1所示。由圖1可知，番茄紅素在450、480 nm處各有一個(gè)吸收峰，而在480 nm處吸光度較大，測(cè)定的靈敏度較高。因此，選擇480 nm為檢測(cè)波長(zhǎng)，測(cè)定不同溶劑對(duì)番茄紅素提取效率的影響。

2.2 西瓜番茄紅素提取溶劑的選擇

2.2.1 一元溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響

一元溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響如圖2所示。由圖2可以看出，石油醚、乙酸乙酯對(duì)西瓜番茄紅素的提取效果較好，正己烷、丙酮次之，而乙醚、甲醇、乙醇、氯仿對(duì)西瓜番茄紅素的提取效果均不佳。西瓜果肉在石油醚、乙酸乙酯、正己烷溶劑中都有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，而在丙酮溶劑中分散效果好，無(wú)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

2.2.2 二元混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響 選取石油醚、乙酸乙酯、正己烷、丙酮，分別組合組成乙酸乙酯-丙酮、石油醚-丙酮、正己烷-丙酮、石油醚-乙酸乙酯二元混合溶劑，改變混合溶劑的體積比使之分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1，研究各混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效果的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，乙酸乙酯-丙酮混合溶劑的最佳體積比為7∶1，石油醚-丙酮混合溶劑的最佳體積比為8∶1，正己烷-丙酮混合溶劑的最佳體積比為6∶1，乙酸乙酯-石油醚混合溶劑的最佳體積比為4∶1。這4種二元混合溶劑在最佳體積比的條件下提取西瓜番茄紅素的效率如圖3所示。由圖3可知，二元混合溶劑提取西瓜番茄紅素以乙酸乙酯-丙酮（7∶1）的提取效果最好，石油醚-丙酮（8∶1）、乙酸乙酯-石油醚（4∶1）的提取效果次之，而正己烷-丙酮（6∶1）對(duì)番茄紅素的提取效果則較差。

2.2.3 三元混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響 5種不同的三元混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，三元混合溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響是乙酸乙酯∶丙酮∶甲醇（7∶1∶1）的提取效果最好，乙酸乙酯∶丙酮∶甲苯（7∶1∶1）、乙酸乙酯∶丙酮∶氯仿（7∶1∶1）、乙酸乙酯∶丙酮∶乙醚（7∶1∶1）的提取效果次之，而乙酸乙酯∶丙酮∶乙醇（7∶1∶1）對(duì)番茄紅素的提取影響最小。

2.2.4 不同溶劑提取西瓜番茄紅素效率的比較 對(duì)西瓜番茄紅素提取效果最好的一元溶劑乙酸乙酯，二元溶劑乙酸乙酯-丙酮混合溶劑（7∶1）和三元溶劑乙酸乙酯-丙酮-甲醇混合溶劑（7∶1∶1）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，以乙酸乙酯∶丙酮（7∶1）為溶劑番茄紅素提取效率最大，而以乙酸乙酯∶丙酮∶甲醇（7∶1∶1）和乙酸乙酯為溶劑提取番茄紅素時(shí)，效果相當(dāng)，且都比乙酸乙酯∶丙酮（7∶1）差。所以，乙酸乙酯：丙酮（7∶1）是從西瓜中提取番茄紅素的最佳浸提劑。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 超聲波功率對(duì)西瓜番茄紅素提取的影響 超聲波功率對(duì)番茄紅素提取效率的影響結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，隨著超聲波功率的增加，西瓜番茄紅素提取液的吸光度增加，超聲波功率為225 W時(shí)，溶液的吸光度達(dá)到最大，所以選定超聲波功率為225 W。

2.3.2 超聲溫度對(duì)西瓜番茄紅素提取的影響 超聲溫度對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，在低于55 ℃時(shí)，隨著超聲溫度的增加，西瓜番茄紅素提取液的吸光度增加，超聲溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，溶液的吸光度達(dá)到最大，繼續(xù)升高溫度，溶液的吸光度下降，所以選定超聲溫度為55 ℃。

2.3.3 超聲時(shí)間對(duì)西瓜番茄紅素提取的影響 超聲時(shí)間對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，20 min內(nèi)，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，西瓜番茄紅素提取液的吸光度增加，超聲時(shí)間在20～25 min之間，提取溶液的吸光度較大，繼續(xù)進(jìn)行超聲處理，溶液的吸光度下降，所以選定最佳超聲時(shí)間為20 min。

2.3.4 料液比對(duì)西瓜番茄紅素提取的影響 料液比對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，料液比由1∶3到1∶5時(shí)，提取溶液的吸光度增加的幅度較大，料液比由1∶5到1∶7再到1∶9時(shí)，提取溶液的吸光度雖有增加，但增加的幅度較小，從降低成本的角度出發(fā)，選取料液比為1∶5。

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表2可知，利用超聲波輔助提取番茄紅素時(shí)，4個(gè)因素的影響大小順序?yàn)锳、D、C、B，即超聲波功率對(duì)提取西瓜番茄紅素的影響最大，其次是料液比、超聲時(shí)間，最后是超聲溫度。直觀(guān)分析結(jié)果得到最佳表現(xiàn)組合為A3B2C4D3；極差分析得到最佳組合為A3B2C3D3。以B因素為誤差進(jìn)行方差分析（表3），因素A對(duì)提取番茄紅素有顯著影響，因素B、C、D沒(méi)有顯著影響。因此，4個(gè)因素中，超聲波功率是關(guān)鍵因素，其他因素為次要因素。確定超聲波輔助提取西瓜番茄紅素的最佳工藝為超聲波功率225 W，超聲溫度50 ℃，超聲時(shí)間20 min，料液比為1∶5。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

在超聲波輔助提取西瓜番茄紅素的最佳工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，吸光度的平均值為1.10，RSD為0.94%，表明該工藝可重復(fù)，且提取西瓜番茄紅素的效果好。

3 小結(jié)

采用溶劑法提取西瓜番茄紅素所用一元溶劑以乙酸乙酯、石油醚的提取效果最好，二元溶劑以體積比為7∶1的乙酸乙酯-丙酮混合溶劑提取效果最好，三元溶劑以體積比為7∶1∶1的乙酸乙酯-丙酮-甲醇混合溶劑的提取效果最好。綜合比較各溶劑對(duì)西瓜番茄紅素提取效率的影響，提取西瓜番茄紅素的最佳溶劑是體積比為7∶1的乙酸乙酯-丙酮混合溶劑。

利用超聲波輔助提取番茄紅素時(shí)，超聲波的功率對(duì)提取西瓜番茄紅素的影響最大，其次是料液比、超聲時(shí)間，最后是超聲溫度的影響。提取最佳工藝為超聲波的功率225 W，超聲溫度50 ℃，超聲時(shí)間20 min，料液比為1∶5。

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