超臨界二氧化碳層析分離番茄紅素和番茄籽油

解謙 楊陽(yáng) 李寶園 劉利萍

摘 要：為了免除番茄醬渣分離皮與籽的工序、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)設(shè)備的使用效率，本文通過(guò)研究番茄紅素和番茄籽油在萃取過(guò)程中壓力、溫度、CO2流速、時(shí)間4種參數(shù)的合理配比，以及層析分離番茄紅素的過(guò)程中柱前壓、柱后壓、柱溫等條件的優(yōu)化，嘗試超臨界CO2流體萃取分離番茄紅素和番茄籽油的一步提取法。該方法直接從番茄醬渣廢料中提取番茄紅素和番茄籽油，得到合理工藝條件：壓力30MPa，溫度50℃，CO2流速30kg/h，柱前壓20MPa，柱后壓15MPa，柱溫25℃;對(duì)番茄皮渣中番茄紅素以及番茄籽中番茄紅素進(jìn)行提取分離得到6.2%的番茄素。

關(guān)鍵詞：番茄? 番茄紅素? 番茄籽油? 超臨界CO2流體

番茄作為全球播種最廣泛的茄科類(lèi)作物之一，其果肉含有大量的番茄紅素、抗壞血酸和還原糖等成分，故番茄醬等各類(lèi)番茄加工制品被各國(guó)龐大的消費(fèi)群體所青睞。番茄紅素又稱(chēng)ψ-胡蘿卜素，屬于異戊二烯類(lèi)化合物，是類(lèi)胡蘿卜素的一種[1]。番茄紅素具有抗氧化和預(yù)防衰老的特殊功效，不僅對(duì)癌癥有抑制功效，還能間接提高人體免疫力，可作為提高人體自身機(jī)能的保健品。在食品和藥品中，番茄紅素可起到清除氧自由基、抗癌、延緩衰老等作用。自番茄紅素問(wèn)世以來(lái)，其在醫(yī)療領(lǐng)域的研究逐漸走向熱門(mén)，因此，掌握番茄紅素的生產(chǎn)和純化工藝，就能有效占領(lǐng)一個(gè)空前的制高點(diǎn)。

番茄籽油主要由約75%的不飽和脂肪酸和約25%的飽和脂肪酸組成[2]。不飽和脂肪酸可以改變脂蛋白的分子排列結(jié)構(gòu)，促使脂蛋白充分流動(dòng)起來(lái)，從而起到改善血管壁的作用。此外，亞麻酸是組成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)脂質(zhì)所必需的成分，其為類(lèi)二十烷酸的前體，能預(yù)防腦血管阻塞引起的動(dòng)脈硬化，有效調(diào)節(jié)高血壓。除此之外，其還能有效增強(qiáng)人類(lèi)機(jī)體免疫力[3]。因而，番茄籽油作為保健品也受到人們的青睞。

相關(guān)研究表明，全球番茄的產(chǎn)量達(dá)3000萬(wàn)噸之多，然而目前多數(shù)番茄皮籽僅僅被當(dāng)作牲畜飼料或土地肥料便宜售給農(nóng)戶，還有部分番茄渣被直接遺棄到大自然中，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，在番茄醬加工后的皮籽渣料廢棄物中進(jìn)一步提煉有價(jià)值的物質(zhì)成分，創(chuàng)造性的開(kāi)發(fā)出一種具有保健功能的產(chǎn)品，在解決污染的同時(shí)，提高番茄制造業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)效益是現(xiàn)如今番茄加工面臨的首要難題[4]。

超臨界CO2流體層析技術(shù)是依托于超臨界CO2流體作為層析操作時(shí)的流動(dòng)相，并且憑借超臨界CO2流體可使待分離物質(zhì)徹底分散的特點(diǎn)作為提取和分離物組分的一門(mén)工藝[5]。該技術(shù)是1970年以來(lái)逐漸新興起來(lái)的一種層析分離技術(shù)，其基本原理是利用填充在層析柱中的多孔性固體顆粒（有時(shí)也可能是被滯留在載體上的液體物質(zhì)），當(dāng)攜帶有樣品物質(zhì)的流動(dòng)相不停的沖擊固定相時(shí)，樣品中待分離組分同時(shí)受到流動(dòng)相的推力以及引力。由于這兩種力的共同作用，攜帶樣品物質(zhì)的流動(dòng)相在移動(dòng)的過(guò)程中，反復(fù)經(jīng)歷“吸附-洗脫-吸附-再洗脫……”的分配過(guò)程[6]。若樣品中某一物質(zhì)與固定相集結(jié)合緊密，則阻遏力大，那么遷徙速率就遲緩;反之，則遷徙速率就迅速。正是由于這種阻遏力的差別，產(chǎn)生了移動(dòng)快慢的差別，進(jìn)而使各物質(zhì)組分在層析柱中停留的時(shí)間產(chǎn)生差別，從而實(shí)現(xiàn)各物質(zhì)組分的分離[7]。

超臨界CO2流體因其黏度小，擴(kuò)散系數(shù)大，因此分離速度要比液體分離快得多，非常適合固體物質(zhì)組分的分離和回收;操作參數(shù)易于控制，非常方便的通過(guò)改變壓力和溫度來(lái)達(dá)到;一般可在室溫25℃環(huán)境下及CO2氣體完全覆蓋的條件下進(jìn)行分離和提取，且能夠防止一些熱敏性組分的反應(yīng)或逸出，所以非常適用于熱敏性成分的提取和分離處理，此外還可以將沸點(diǎn)偏高、不容易揮發(fā)、受熱易分解的成分在比其沸點(diǎn)低的條件下提取和分離出來(lái)。另外，因超臨界流體的黏度很低，其選擇性比一般物質(zhì)強(qiáng)，因此所用的分離時(shí)間也大大縮短;再加上CO2相對(duì)無(wú)毒的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境破壞力小，能循環(huán)使用。因此，從消費(fèi)者最注重的安全角度出發(fā)，超臨界CO2層析技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

過(guò)去的幾十年，對(duì)于超臨界CO2流體萃取-層析技術(shù)的研究也取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。利用超臨界CO2流體既可作為萃取分離番茄紅素與番茄籽油的萃取劑，又可作為超臨界CO2流體層析分離的流動(dòng)相，萃取主要從4個(gè)方面分析：萃取壓力（7.5～30.0MPa），萃取溫度（40～50℃）、CO2流速（5～50kg/h）、萃取時(shí)間（0.5～4.0h）。層析則主要進(jìn)行以下工作：以超臨界CO2作為流動(dòng)相，C18柱為固定相，在壓力15.0～20.0 MPa、溫度25～50℃的范圍內(nèi)考察番茄紅素與番茄籽油在C18色譜柱上的保留值的變化規(guī)律，得到最佳工藝條件的研究，設(shè)法建立一套可用于工業(yè)加工的實(shí)驗(yàn)操作裝置，將超臨界流體層析分離技術(shù)應(yīng)用于番茄紅素和番茄籽油的提取和分離。通過(guò)研究番茄紅素和番茄籽油的合理提取條件，嘗試超臨界CO2流體層析番茄紅素和番茄籽油的一步提取法[9]。再將提取和分離番茄紅素和番茄籽精油之后的殘?jiān)鼮樵咸崛》焉攀忱w維，從而確定3種提取物最合理的工藝流程，既可提高番茄的綜合利用率，又能提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

番茄皮渣：從山西華晟果蔬飲品有限公司收集，用粉碎機(jī)磨至20目后，可直接進(jìn)行層析分離;或?qū)⑹占男迈r番茄皮渣在-20℃下冷凍干燥48小時(shí)后，風(fēng)干為較干燥的實(shí)驗(yàn)樣品，以便超臨界流體層析使用;所有用于超臨界CO2流體萃取與層析的溶劑均為HPLC級(jí)試劑。CO2（99.9%）：無(wú)錫市遠(yuǎn)通氣體有限公司。番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)樣品和番茄籽油標(biāo)準(zhǔn)樣品：瑞士Hoffmann-la-Roche公司提供，并在使用前用HPLC檢驗(yàn)過(guò)純度。

1.2 儀器與設(shè)備

粉碎機(jī)：濰坊埃爾派粉體技術(shù)設(shè)備有限公司;電子臺(tái)秤：上海亞津電子科技有限公司;SUPER-200型超臨界流體萃取色譜儀：島津企業(yè)管理有限公司。

1.3 萃取操作

1.3.1 萃取時(shí)間條件

稱(chēng)取100mg樣品，萃取溫度50℃，萃取壓力為30MPa，CO2的流量為30kg/h，以上條件保持恒定，依次觀察不同萃取時(shí)間（0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h）各物質(zhì)成分的提取率。

1.3.2 萃取壓力條件

萃取溫度50℃，萃取時(shí)間為1.5h，CO2流量為30kg/h，以上條件保持恒定，依次觀察不同壓力（7.5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa）對(duì)番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.3.3 CO2流量條件

萃取溫度50℃，萃取壓力為30MPa，萃取時(shí)間為1.5h，以上條件保持恒定，依次觀察不同CO2的流量（5kg/h、10kg/h、15kg/h、20kg/h、25kg/h、30kg/h、35kg/h、40kg/h、45kg/h、50kg/h）對(duì)番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.3.4 萃取溫度條件

萃取壓力30MPa，萃取時(shí)間為1.5h，CO2的流量為30kg/h，以上條件保持恒定，依次觀察不同萃取溫度（35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃）對(duì)番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.4 層析操作

1.4.1 柱前壓

保持柱后壓、溫度等操作參數(shù)恒定，依次觀察不同壓力（17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa）對(duì)番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.4.2 柱后壓

保持柱前壓、溫度等操作參數(shù)恒定，依次觀察不同壓力（15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa）對(duì)番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.4.3 柱溫

保持柱前壓、柱后壓等操作參數(shù)恒定，調(diào)整溫度參數(shù)，依次觀察不同萃取溫度（25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃）對(duì)番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.5 番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱(chēng)取番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)樣品100mg，用正己烷溶解、定容，以0.006～0.06mg/mL為跨度，按0.006mg/mL為梯度依次制成相對(duì)應(yīng)的的番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)正已烷溶液，各取20?L在超臨界CO2色譜儀分析，通過(guò)紫外檢測(cè)器得出吸光度制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。在0.006～0.06 mg/mL的范圍內(nèi)，進(jìn)樣濃度與吸光度呈線性關(guān)系，保存文檔。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值及誤差的分析，運(yùn)用Excel 2003進(jìn)行表格制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)萃取時(shí)間條件的優(yōu)化

隨著萃取的不斷繼續(xù)，番茄渣中的番茄紅素與番茄籽油與超臨界流體達(dá)到充分混勻的狀態(tài)，從而可使其產(chǎn)物不斷被分離出來(lái)。當(dāng)保持萃取溫度為50℃，萃取壓力為30MPa，CO2流量為30kg/h，這些條件恒定，依次觀察不同萃取時(shí)間下各物質(zhì)成分的提取率，隨著萃取時(shí)間的增加，各物質(zhì)成分提取率逐漸趨于平衡，從珍惜時(shí)間、節(jié)約成本角度考慮，萃取時(shí)間在1.5h左右較為合適。

2.2 對(duì)萃取壓力條件的優(yōu)化

隨著壓力的不斷升高，提取率逐漸升高后又降了下來(lái)。其原因?yàn)楫?dāng)萃取溫度不變時(shí)，萃取壓力的不斷增大會(huì)導(dǎo)致超臨界CO2流體密度增大，從而使其與番茄紅素和番茄籽油的混合更加充分，更有效的提取和分離出來(lái)。但是，如果壓力過(guò)高會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用也會(huì)增加。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，萃取壓力為30MPa比較合適。

2.3 對(duì)CO2流量條件的優(yōu)化

通常情況下，流量越大萃取速率越快，反之亦然。不僅如此，如CO2流量過(guò)大，會(huì)因CO2的過(guò)度消耗從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高。因此，依靠提高CO2流量來(lái)提升番茄紅素與番茄籽油的提取率相對(duì)來(lái)說(shuō)不劃算。因此，全面考慮各種因素，選擇CO2流量為30kg/h比較合適。

2.4 對(duì)萃取溫度條件的優(yōu)化

依次觀察不同萃取溫度對(duì)番茄紅素及番茄籽油提取率的影響。溫度的變化同樣能對(duì)番茄紅素和番茄籽油的回收和分離產(chǎn)生重要干擾，溫度的提升使超臨界CO2流體對(duì)番茄渣中的成分溶解更充分，從而使番茄紅素與番茄籽油的回收率得到相應(yīng)的提升。但是，如果溫度提升過(guò)快，則會(huì)影響番茄渣中各成分的活性，不利于番茄紅素與番茄籽油充分溶解，從而導(dǎo)致提取分離效率略減。故可知，萃取溫度選擇50℃較為適宜。

2.5 柱前壓的優(yōu)化

柱前壓的變化對(duì)層析分離番茄紅素與番茄籽油的容量因子有較大影響。調(diào)整柱前壓，使柱前壓從17.0MPa升高到20.0MPa，可見(jiàn)番茄紅素與番茄籽油的容量因子逐漸變小。二者在層析柱中的停留時(shí)間越來(lái)越短，但還能使番茄紅素與番茄籽油完成分離。為了盡可能使番茄籽油的停留時(shí)間縮短，所以層析柱壓選擇20.0MPa較為合適。

2.6 柱后壓的優(yōu)化

柱后壓的變化對(duì)層析分離番茄紅素與番茄籽油的容量因子有較大影響，調(diào)整柱后壓，將柱后壓從15.0MPa升高到19.0MPa，可見(jiàn)番茄紅素與番茄籽油的容量因子逐漸變小，番茄紅素與番茄籽油在層析柱的停留時(shí)間隨著柱后壓的升高而減小。分離度也有下降的趨勢(shì)，其停留時(shí)間接近，更不利于分離，所以層析柱后壓選擇15.0MPa較為合適。

2.7 柱溫的優(yōu)化

調(diào)整溫度參數(shù)，使溫度從室溫25℃升高到50℃，記錄番茄紅素與番茄籽油的容量因子隨溫度升高的變化趨勢(shì)。溫度的提高使番茄紅素與番茄籽油的容量因子變小，番茄紅素與番茄籽油在層析柱中的停留時(shí)間25℃時(shí)最長(zhǎng)，且分離度較大。溫度繼續(xù)上升，停留時(shí)間越短，分離度隨之下降，因此層析溫度選擇室溫條件25℃較為合適。

2.8 萃取混合物中層析分離得到番茄紅素的含量分析

稱(chēng)量10mg的番茄皮渣萃取后的樣品物質(zhì)，經(jīng)過(guò)超臨界CO2流體層析，取分離后的產(chǎn)物，用正己烷溶于10 mL的容量瓶，定容完后，提取出20?L的樣品液經(jīng)超臨界CO2流體色譜，依照所顯示的吸光度大小，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線可得到其含量，從而計(jì)算出分離出來(lái)的番茄紅素含量以及占整個(gè)番茄紅素與番茄籽油混合樣品含量的比例[10]。重復(fù)3次，從表1可知，超臨界CO2流體層析分離番茄紅素的分離率。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)主要研究番茄醬渣料不經(jīng)過(guò)皮籽分離，采用超臨界流體CO2萃取和層析技術(shù)使兩種提取物有效分離的一步提取法，直接從番茄醬渣廢料中提取番茄紅素和番茄籽油，通過(guò)研究萃取的壓力、溫度、CO2流速、時(shí)間4種參數(shù)的合理配比，以及層析分離的柱前壓、柱后壓、柱溫等條件的優(yōu)化，進(jìn)而得出一步萃取-層析分離番茄紅素與番茄籽油的最佳工藝條件。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：超臨界CO2流體層析分離番茄紅素與番茄籽油在萃取壓力30MPa，萃取溫度50℃，萃取時(shí)間為1.5h，CO2流量為30kg/h，柱前壓20.0MPa，柱后壓15.0MPa，柱溫為25℃的最佳工藝條件下，番茄紅素的提取率達(dá)90%，番茄籽油的提取率達(dá)86%，超臨界CO2流體層析分離番茄紅素與番茄籽油的過(guò)程中，分離得到番茄紅素含量?jī)H為6.2%，分離率非常低。

由于超臨界CO2層析分離操作技術(shù)影響因素較多，操作條件要求特別苛刻，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)層析分離得到的番茄紅素含量非常低，不能滿足生產(chǎn)需要。因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看來(lái)，本實(shí)驗(yàn)雖然進(jìn)行了大量分離條件的優(yōu)化，但是由于層析分離番茄紅素的含量實(shí)在太低，而且實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程還有很大的不足之處，還需更進(jìn)一步的研究完善。

從理論上而言，同時(shí)分離番茄紅素與番茄籽油時(shí)的提取率不如分步提取時(shí)的提取率高。但此工藝可免除番茄醬渣分離皮與籽的工序，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)設(shè)備的使用效率，并將提取完番茄紅素和番茄籽精油的殘?jiān)鳛樵咸崛》焉攀忱w維，同時(shí)結(jié)合膳食纖維提取技術(shù)，使3種提取物的生產(chǎn)技術(shù)有效結(jié)合，進(jìn)而確定3種提取物最合理的工藝流程，使其達(dá)到最佳的生產(chǎn)效率[11，12]。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)探索不但可當(dāng)作應(yīng)對(duì)當(dāng)前番茄加工企業(yè)所面臨的副產(chǎn)物無(wú)法得到有效處理的困境，最重要的是還能有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本。如此，既可提高番茄的綜合利用率，又能提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)技術(shù)，對(duì)未來(lái)企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有非常積極的意義。

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