番茄紅素生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展

張玉丹，楊　陽，劉沐霖

(新疆紅帆生物科技有限公司，新疆庫(kù)爾勒　841100)

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番茄紅素生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展

張玉丹，楊陽，劉沐霖

(新疆紅帆生物科技有限公司，新疆庫(kù)爾勒841100)

摘要：番茄紅素結(jié)構(gòu)中含有碳-碳雙鍵，能夠清除氧自由基，具有很強(qiáng)的抗氧化活性，可防止脂蛋白和DNA氧化損傷，還具有抗衰老和降低腫瘤發(fā)生的作用，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文綜述了番茄紅素的生產(chǎn)工藝，主要包括化學(xué)合成法、溶劑及輔助萃取法和微生物發(fā)酵法。

關(guān)鍵詞：番茄紅素；合成；萃?。话l(fā)酵

番茄紅素是一種脂溶性的類胡蘿卜素，存在于番茄中，且含量最高，另外還廣泛存在于西瓜、木瓜、紅色葡萄柚、苦瓜籽和粉紅色番石榴等水果中。成熟的番茄果實(shí)中番茄紅素含量可達(dá)到3～14mg/100g，不同地區(qū)的番茄中含量不同，其中新疆地區(qū)番茄中含量可達(dá)到40mg/100g[1]。

番茄紅素是一種多不飽和脂肪烴。1991年，Di Mascio P和Woodall AA等人證明了番茄紅素抗氧化活性在類胡蘿卜素中最強(qiáng)，從而對(duì)氧自由基繼發(fā)的脂質(zhì)過氧化和DNA損害的保護(hù)作用[2，3]。番茄紅素猝滅單線態(tài)氧的能力是常用抗氧化劑維生素E的100倍，β-胡蘿卜素的2倍多[4]。

Dipartimento di Gerntologia等研究表明，番茄紅素作為天然的強(qiáng)抗氧化劑，對(duì)許多心腦血管疾病的防治上可以發(fā)揮積極作用[5]，可作為抗癌、防癌[6，7]、預(yù)防心血管疾病[8，9]、延緩動(dòng)脈粥樣硬化和抗衰老[10，11]、保護(hù)皮膚[12]的藥品和保健品。Riso P等研究表明：番茄紅素能夠防止淋巴細(xì)胞的DNA免受氧化損傷[13]；Watzl B等的研究表明番茄紅素可以調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞的功能[14]；國(guó)外已經(jīng)開始關(guān)于番茄紅素應(yīng)用于多種疾病防治的研究，但有關(guān)細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)室研究不多。因此，考慮機(jī)體免疫系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)疾病轉(zhuǎn)歸的巨大影響，袁暾等[15]結(jié)果表明：適宜濃度番茄紅素乙醇溶液對(duì)T淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化有促進(jìn)作用，同時(shí)適當(dāng)濃度的番茄紅素對(duì)NK細(xì)胞殺傷功能也有一定的促進(jìn)作用。番茄紅素可降低紅細(xì)胞的聚集性，改善由運(yùn)動(dòng)引起的人體血液流變性惡化的現(xiàn)象[16]。將番茄紅素添加到冰淇淋、飲料、面包、餅干、糕點(diǎn)等食品中，可提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。另一方面番茄紅素在藥品、食品添加劑、功能食品、天然著色劑和化妝品等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著人們?cè)絹碓阶⒅刈陨斫】?，?duì)番茄紅素的研究也成為一個(gè)熱門課題。目前，番茄紅素可通過化學(xué)合成法、植物萃取法和微生物發(fā)酵法獲得。

1化學(xué)合成法

化學(xué)合成法成本低，是番茄紅素的重要來源之一，因此一直是各國(guó)制藥企業(yè)和化學(xué)家研究的熱點(diǎn)。自1950年三個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)完成β-胡蘿卜素的化學(xué)合成至今，已有β-胡蘿卜素、β-阿樸-8-胡蘿卜醛、角黃素、β-阿樸-8-胡蘿卜素酸乙基酯、檸檬黃質(zhì)和蝦青素等六種類胡蘿卜素投入商業(yè)生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝多以假紫羅蘭酮、乙炔、乙炔基假紫羅蘭醇、香葉醇等為原料經(jīng)過加成反應(yīng)、Lindl-ar還原反應(yīng)、加氫還原反應(yīng)、氯代反應(yīng)、砜化反應(yīng)、Grignard縮合反應(yīng)合成中間體，再經(jīng)過關(guān)鍵反應(yīng)合成番茄紅素[17]。其中關(guān)鍵反應(yīng)可分為Wittig反應(yīng)法、Wittig-Horner反應(yīng)法、醛-砜法、Heck烯化反應(yīng)法、Ram-berg成烯法和McMurry烯化反應(yīng)法等。李卓才[18]以假紫羅蘭酮、乙烯基溴化鎂、2，7-二甲基-2，4，6-辛三烯二醛為起始原料，依次通過Grignard縮合反應(yīng)、取代成鹽反應(yīng)、Witting縮合反應(yīng)、轉(zhuǎn)位異構(gòu)反應(yīng)，經(jīng)結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析，產(chǎn)物為全反式番茄紅素。

番茄紅素在生物體內(nèi)通過異戊二烯途徑通過一系列步驟合成，在番茄紅素產(chǎn)品中，一定比例的反式異構(gòu)體的存在對(duì)番茄紅素的抗氧化活性起著重要的作用。王雪松等[19]將全反式番茄紅素溶于有機(jī)溶劑中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，控制溫度在23～30℃，通過高壓汞燈照射反應(yīng)3～6h，得到含有高比例順式異構(gòu)體的番茄紅素混合液。光化學(xué)異構(gòu)體反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好，因此是具有良好前景的工藝方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是原料廉價(jià)易得、生產(chǎn)周期短、但其反應(yīng)收率較低，容易產(chǎn)生部分副產(chǎn)物，且與番茄紅素分離困難，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

2萃取法

番茄紅素是一種脂溶性色素，可溶于乙醚、石油醚、乙酸乙酯、己烷和丙酮等有機(jī)溶劑，易溶于氯仿、二硫化碳、甲苯和苯，不溶于水，難溶于甲醇和乙醇。利用這一溶解性質(zhì)，一般可選用親油性有機(jī)溶劑萃取。

據(jù)專利報(bào)道[20]，采用新鮮樣品制備番茄醬，再通過真空過濾工藝得到萃取原料，將該原料與丙酮按照 1∶0.8～1.2的質(zhì)量體積比混合，在40～50s內(nèi)萃取3次得到紫紅色固體物，在將其與乙醚按照1∶0.8～1.2的質(zhì)量體積比混合提取3次得到白色固體物質(zhì)和紅色的乙醚萃取液，將萃取液減壓蒸餾，為避免番茄紅素見光氧化，充入氮?dú)?～15min后，即可得到萃取產(chǎn)品番茄紅素。除了選用單一和幾種組合有機(jī)溶劑提取外，還可以采用超聲波、高壓脈沖技術(shù)和酶輔助破碎細(xì)胞壁，使得番茄紅素快速溶出，節(jié)約了提取時(shí)間。楊紅梅等[21]采用超聲波逆流法提取，首先將番茄榨汁得到果漿，真空烘干果皮，再將果皮經(jīng)粉碎后置于有機(jī)溶劑中超聲浸泡多次，用醇類絮集沉淀濃縮液得到精制產(chǎn)物。朱俊向等[22]以凍干番茄粉(<74μm)，通過對(duì)凍干番茄粉粒度范圍、料液比、超聲溫度、超聲比功率和超聲處理時(shí)間，五個(gè)單因素和響應(yīng)面分析優(yōu)化得出最佳提取工藝，通過超聲輔助作用，加快了提取滲透速度，縮短了提取時(shí)間，有利于節(jié)約成本，適用于工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

由于傳統(tǒng)的水浴有機(jī)溶劑提取存在萃取時(shí)間長(zhǎng)、效率低、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，因此新技術(shù)和新工藝在番茄紅素提取中的應(yīng)用成為了近年來研究的熱點(diǎn)。高壓脈沖電場(chǎng)是近年來興起的非熱加工技術(shù)，已被廣泛用于商業(yè)殺菌。金聲瑯等[23]采用高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)，通過單因素和正交試驗(yàn)確定了最佳提取工藝條件，從番茄皮渣中提取番茄紅素，試驗(yàn)表明：以乙酸乙酯為提取劑，電場(chǎng)強(qiáng)度為30kV/cm、液料比為9mL/g、脈沖數(shù)為8、溫度為30℃，提取率可達(dá)到96.7%，是有機(jī)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(shí)間縮短，因此高壓脈沖技術(shù)可成為番茄紅素輔助提取的新興技術(shù)。

由于有機(jī)溶劑不容易滲透到物料內(nèi)部，因此，近年來也有采用微波加熱輔助提取的報(bào)道[24]。采用微波輔助提取，外電磁場(chǎng)的變化可使物料內(nèi)部極性分子隨之發(fā)生激烈的碰撞和摩擦，細(xì)胞破碎，使內(nèi)部有效成分容易流出，從而有利于有機(jī)溶劑萃取[25]。另外，生物酶富集法[26]也是提高提取率、降低有機(jī)溶劑用量和成本的重要方法，在適合的pH條件下，向番茄皮渣中加入果膠酶[27]和纖維素酶等，控制溫度在40～45℃進(jìn)行酶處理3h，再進(jìn)行脫水富集，經(jīng)97%的乙醇洗滌和丙酮的循環(huán)設(shè)備提取，最終得到高純度的番茄紅素結(jié)晶。由于單一酶具有后續(xù)研磨工序、工業(yè)化困難等缺點(diǎn)，萬紅貴等[28]采用復(fù)合酶對(duì)三孢布拉霉菌絲體進(jìn)行酶解處理，蛋白酶處理4h后，纖維素酶酶解2h，最終提取率可達(dá)到90.2%，實(shí)現(xiàn)了低耗、環(huán)保的生產(chǎn)提取工藝。

超臨界CO2流體萃取技術(shù)作為現(xiàn)代食品行業(yè)新興的一項(xiàng)分離技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于超臨界流體具有獨(dú)特的溶劑性質(zhì)，可通過改變?nèi)軇┑南鄬?shí)現(xiàn)被萃取物的溶解和分離，因此成為了近年來萃取和分離技術(shù)中研究的熱點(diǎn)之一。已有專利[29]實(shí)現(xiàn)了采用超臨界CO2流體提取番茄紅素油樹脂的工藝流程，此工藝首先對(duì)含有水、糖和果膠的原料進(jìn)行前處理，再以番茄、西瓜等為原料，采用超臨界二氧化碳、乙烷、丙烷和乙烯流體對(duì)原料進(jìn)行萃取得到番茄紅素油樹脂。除超臨界流體和有機(jī)溶劑混合作用外，也可超臨界CO2單一流體作為溶劑提取[30]，CO2流量為30L/h，萃取壓力為30MPa，在45℃的條件下，以體積分?jǐn)?shù)為90%的乙醇作為攜帶劑萃取2h。與傳統(tǒng)溶劑萃取相比，超臨界流體萃取無化學(xué)溶劑殘留，避免了高溫下萃取物的熱劣化，有效保護(hù)其生物活性，并且萃取劑無毒，易回收，可重復(fù)利用。

3微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵法也是獲得番茄紅素的重要方法之一。通過誘變、基因重組和基因敲除等方法調(diào)節(jié)修飾生產(chǎn)番茄紅素的關(guān)鍵酶來改變番茄紅素的合成工藝和產(chǎn)量。用于生產(chǎn)番茄紅素的微生物[31]主要有三孢布拉氏霉菌、經(jīng)基因改造的酵母菌、紅色細(xì)菌以及革蘭氏陰性非光合菌。Gavrilov AS等[32]向霉菌的發(fā)酵液中添加1%的煙草粉末，經(jīng)110h的恒溫發(fā)酵，料液中番茄紅素的濃度能夠達(dá)到60～80mg/100mL。馬興群等[33]采用三孢布拉氏霉菌(+)和三孢布拉氏霉菌(-)菌株，在26～28℃條件下，通過斜面培養(yǎng)6～7d，種子培養(yǎng)36～46h，200～250r/min的條件下第一次加入甜菜堿，促進(jìn)菌體的呼吸鏈系統(tǒng)、提高菌體氧消耗速率、有效解除呼吸抑制，發(fā)酵100～120h，在發(fā)酵42h時(shí)加入阻斷劑，同時(shí)第二次加入甜菜堿至發(fā)酵結(jié)束，收集菌體經(jīng)真空冷凍干燥得到含有番茄紅素的干菌體。

三孢布拉氏霉菌生產(chǎn)番茄紅素的能力最突出，目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)胡蘿卜素工業(yè)化生產(chǎn)的一種高產(chǎn)絲狀真菌[34]，向發(fā)酵液中加入維生素A醋酸鹽1000 mg/L，三孢布拉氏霉菌(B1trispora)(+)NRRL 2895和(-)NRRL 2896經(jīng)搖瓶發(fā)酵，所得番茄紅素的產(chǎn)量達(dá)(775±5)mg/L[35]。發(fā)酵過程中存在著菌種衰退，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，番茄紅素產(chǎn)量逐漸下降等問題，因此，王航等[34]首次采用培養(yǎng)菌落孢子懸液直接接種的方式，不僅節(jié)省了種子培養(yǎng)工序，而且大大提高了菌種在發(fā)酵培養(yǎng)基中 的生長(zhǎng)能力。

除上述高產(chǎn)菌株外，F(xiàn)ayin Zhu[36]等通過高通量篩選法選育通過甲戊二羥酸途徑提高倍半萜烯的產(chǎn)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)將該途徑用于生產(chǎn)番茄紅素，采用兩株大腸桿菌突變體發(fā)酵，番茄紅素產(chǎn)量可達(dá)1.44g/L，最大產(chǎn)率可達(dá)74.5mg/L/h。阻斷劑與促進(jìn)劑、氧通量、表面活性劑對(duì)發(fā)酵具有顯著影響。朱艷等[37]研究表明：在三孢布拉氏霉菌發(fā)酵第48h添加1.2mL/L的MPTA胺類化合物，相比添加15g/L的煙草廢棄物，番茄紅素含量可提高38.3%。在發(fā)酵最初添加1%的正十二烷可提高發(fā)酵液溶氧量，產(chǎn)量提高72.84%，同時(shí)添加表明活性劑Tween80產(chǎn)量可提高114.83%。小分子效應(yīng)物對(duì)發(fā)酵產(chǎn)量也有一定的影響。王永生等[38]分別考察了trinton-X100、span-20、β-紫羅酮、和異煙肼對(duì)番茄紅素產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：添加span-20可使番茄紅素含量提高2倍，達(dá)到98.6mg/L。

自20世紀(jì)70年代以來，微生物的生理研究和基因重組技術(shù)飛速發(fā)展。采用基因重組技術(shù)向試驗(yàn)菌株中定向?qū)肽康幕?，?duì)微生物細(xì)胞的代謝途徑進(jìn)行修飾，構(gòu)建新的細(xì)胞代謝流，增強(qiáng)特定代謝流，加快限速反應(yīng)，阻斷其他競(jìng)爭(zhēng)代謝途徑，從而提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率[39]。Lei Huang等[40]在氨基酸轉(zhuǎn)錄表達(dá)過程中引入cAMP受體蛋白，出現(xiàn)mcrp26、mcrp159和mcrp424三個(gè)突變類型，將突變基因?qū)氪竽c桿菌，結(jié)果表明：突變基因的導(dǎo)入促進(jìn)了β-胡蘿卜素的表達(dá)，其中導(dǎo)入mcrp26的受體菌番茄紅素產(chǎn)量最高，可達(dá)到18.49mg/g DCM，10L發(fā)酵罐中發(fā)酵20h得到的番茄紅素產(chǎn)量提高25%，可達(dá)128mg/L。

4展望

番茄紅素有多種異構(gòu)體，化學(xué)合成方法可得到單一異構(gòu)體，但是從植物中萃取和發(fā)酵法得到的番茄紅素為混合物，分離純化工序復(fù)雜，且在純化過程中造成異構(gòu)化，使得抗氧化活力出現(xiàn)下降趨勢(shì)，都成為目前番茄紅素在各領(lǐng)域工業(yè)化的限制因素。另外，番茄紅素在人體內(nèi)的消化、吸收、分布和代謝等研究較少，其抗病機(jī)理將逐漸成為保健品行業(yè)研究的熱點(diǎn)，有助于促進(jìn)工業(yè)純化過程中的工藝改進(jìn)，提高活性。番茄紅素具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，隨著對(duì)番茄紅素研究的逐步重視，對(duì)于生產(chǎn)效率提高、副產(chǎn)物的處理、工業(yè)化擴(kuò)大等問題都將逐步開展，將有更加系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使得番茄紅素的生物活性得到充分利用，廣泛應(yīng)用到醫(yī)藥、食品和化妝品等領(lǐng)域?！?/p>

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(責(zé)任編輯李燕妮)

作者簡(jiǎn)介：張玉丹(1984—)，女，碩士，研究方向：食品添加劑的研發(fā)。

Research Advancement in Processing Technology of Lycopene

ZHANG Yu-dan，YANG Yang，LIU Mu-lin

(Xinjiang Tomato Red Co.Ltd of Biological Science and Technology，Kuerle 841100，China)

Abstract：Lycopene has attracted significant research interest due to quenching singlet oxygen，deleting free radicals and its highest antioxidant activity in the carotenoids.It also plays an important role in preventing the oxidative damage of lipoprotein and DNA，anti-aging and reducing risk of tumorigenesis.The paper reviewed the current production ways of lycopene including chemical synthesis，extraction and microbial fermentation process.

Keywords：lycopene；chemical synthesis；extraction；fermentation