番茄红素的提取工艺及其功能的表征
化学与生命科学学院 化学专业 071001043 王珍珍
指导老师 许淼清 教授
【摘 要】：本文采用单因素实验的方法，用有机浸提工艺对番茄粉中番茄红素的提取进行了研究，实验结果表明，在常压下，以乙酸乙酯为溶剂，温度40℃，提取时间60min，料液比1:15，提取次数为两次的条件下，可得到最佳提取率8.88ug/g。
【关键词】：有机浸提；番茄粉；番茄红素
1.前言：
1.1番茄红素
番茄红素（Lycopene）是天然色素的一种，呈红色，在化学结构上属于类胡萝卜素，为脂溶性物质。最先发现于番茄中且在番茄中含量最高，即名番茄红素。由于人体自身无法合成番茄红素，只能通过饮食摄入，同时研究可知番茄红素具有优越的生理功能，在自然界中主要存在于番茄、西瓜、红色葡萄柚以及红色棕榈油中；在人体中番茄红素分布在血清以及组织中。其实主要具有很强的抗氧化作用，可以减缓低密度脂蛋白(LDL)的氧化，从而防治动脉硬化，还能有效抑制癌细胞的繁殖。在食品、保健品、化妆品以及医药领域具有重要用途。番茄红素是胡萝卜素的异构体，分子式为C40H56，其结构中含有 11 个共轭双键及 2 个非共轭碳-碳双键，分子量为 536.85，结构如图4-1所示熔点为174℃，难溶于甲醇、乙醇、可溶于乙醚，乙烷，易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有机溶剂，不溶于水。独特的结构和性质使其具有抗坏血酸活性、猝灭单线态氧和清除过氧化氢等作用[21-22]。
1.2番茄红素在自然界的分布
番茄红素在自然界分布很广，成熟的红色植物果实中含量较高。番茄、西瓜、红色葡萄柚木瓜及苦瓜子、番石榴等食物中都有发现，含量最高的是番茄果实，可达3mg/100g～14mg/100g，且成熟度越高，番茄红素的含量越多。值得一提的是，最近美国农业部的科学家发现，在秋橄榄这种浆果中番茄红素的含量相当于西红柿的18倍。番茄红素也广泛分布于人体的各种器官和组织中，主要有血液、肾上腺、肝脏、睾丸、前列腺、乳腺、卵巢、子宫、消化道等，其中血液、肾上腺、睾丸、肝脏等中含量较多。在每 100g 精品文档
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各种水果和蔬菜中，番茄红素的含量分别为[23]：西红柿 3mg～20mg,西瓜 2.3mg～7.2mg，番石榴(粉红色)5.23mg～5.50mg，番木瓜0.11g～5.3g，葡萄柚(粉红 )0.35mg～3.36mg，胡萝卜0.65mg～0.78mg，南瓜0.38mg～0.46mg ，红薯0.02mg～0.11mg，杏子0.01mg～0.05mg。其中番茄、西瓜、红色葡萄等的果实和红色棕桐油中存在较多的番茄红素。
1.3提取法方法的概述【1】
1.3.1溶剂提取法
番茄红素是脂溶性色素 ,一般用亲脂性有机溶剂提取番茄红素 , 但也有用极性溶剂乙醇或水来制备番茄红素。有机溶剂浸提是番茄红素工业化生产最常用的方法 ,虽然产品有溶剂残留 ,但经过脱溶和调配 ,就能获得合格产品。对于干物料 ,用乙醚、 乙酸乙酯、 己烷、 氯仿、 苯等不与水混溶的溶剂 ,通常在粉碎后立即进行提取。对于新鲜物料 ,含水量很高 ,通常用己烷、 丙酮与甲醇、 乙醇的混合物来提取。影响浸提效果的因素有提取溶剂的种类、 原料的预处理方法、 原料与提取溶剂的比例、浸提时间、
[2 ]
温度、 p H 值等。提取工艺为: 番茄制品 →干燥→有机溶剂浸提→提取液浓缩→粗品→ 精制→ 产品。用有机溶剂提取番茄红素存在提取时间过长的缺点,主要是因为有机溶剂渗透穿过物质的细胞壁和细胞膜的能力较差,不能很好地将提取物从细胞壁中溶出。采用微波辐射萃取可以提高其萃取效率且溶剂用量较
[3]
少,邓宇、 张卫强采用微波辐射技术萃取番茄红素以提高萃取效率,但目前微波法萃取只适用于实验室,
[4]
进行工业化生产难度较大。采用超声波辅助有机溶剂法提取番茄红素油树脂,利用超声波的空化和振动作用,使得植物细胞壁破裂,而且整个破裂过程在瞬间完成,避免样品因暴露在空气中和光照下的时间过长而导致番茄红素的降解,不仅加速植物中有效成分的溶出,而且有利于活性成分的保留。超声波辅助萃取番茄红素的效果在提取前期较明显,但后期目的物损失加大,总回收率不高。 1.3.2超临界流体萃取法
超临界流体萃取是食品工业新兴的提取和分离技术 ,该技术利用超临界 CO2 作为萃取剂 ,从液体或
[5 ]
固体物料中萃取、 分离和纯化有效成分 ,选择性强 ,无溶剂残留 ,萃取剂易回收。孙庆杰、
[6 ][7 ][8 ][9 ]
Gomez2PrietoMS、Ana Aguilera、 Cadoni E等人对超临界CO2萃取番茄红素进行了研究 ,王强等人采用超临界CO2萃取番茄中的番茄红素。虽然回收率高 ,但超临界流体萃取对设备要求高 ,基建投资高 ,难以实现工业化生产。原料处理量小且要经过复杂的预处理。 1.3.3酶反应法
酶反应法是利用果胶酶、 纤维素酶和蛋白质裂解酶与物料反应,将番茄红素释放出来,对番茄红素的提取效果有显著的影响,能大幅度提高番茄红素的提取速度和提取量。国外有较多专利采用此方法,国内赵
[10]
功玲等研究酶法提取番茄红素的工艺条件。酶法生产的产品虽然无溶剂残留,酶法辅助萃取操作步骤较多,提取时间长,番茄红素含量低,一般小于1 %,有的产品含有一些不溶性物质(如多糖和蛋白等)和可溶性物质(如糖、 酸等) ,从而使番茄红素产品带有番茄风味,限制了其应用范围。 1.3.4皂化法
该法是在传统有机溶剂浸提法的基础上,利用番茄中自身酶作用(加碱以达到自身酶作用的最适pH 值) ,来分解番茄中的纤维素和果胶等,是番茄红素的蛋白质复合物从细胞中溶出,再用有机溶剂浸提。皂化法提高提取速率和提取量,可消除β 2胡萝卜素对番茄红素测定的影响,可行性强。但需严格控制p H ,且加入的酸碱使体系中引入了新的物质增加了后续处理。 精品文档
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1.3.5微生物发酵法
除了从番茄中提取番茄红素还可以采用藻类、 真菌及酵母发酵可以生产番茄红素,利用微生物发酵法可全年度生产番茄红素,而不受番茄生长季节的影响。迄今为止,能够生产番茄红素的微生物包括能自身合
[11 ]
成番茄红素革兰氏阴性菌、 三孢布拉氏霉菌和基因工程菌。三孢布拉氏霉菌发酵生产番茄红素展现较
[12 ]
好的工业化应用前景。三孢布拉氏霉菌生产β 2胡萝卜素已经实现工业化,在该菌发酵过程中,如果添加合适的含氮杂环类化合物,可以阻断番茄红素环化形成β 2胡萝卜素的过程,造成番茄红素的积累。
[13 ]
Gavrilov ,A. S等人添加了烟草的废弃物 1 %于霉菌的发酵液中,经 110 h 发酵,得到番茄红素约60～80
[14 ]
mg/ dL。Minra Y等人利用产蛋白假丝酵母的重组培养生产了番茄红素,产蛋白假丝酵母是一种不能天然合成类胡萝卜素的食品酵母,他们将欧氏杆菌中控制番茄红素合成的基因转入产蛋白假丝酵母,得到758μg/ g干重的番茄红素和407μg/ g干重的番茄红素。 1.3.6化学合成法
番茄红素的合成方法主要被美国和日本等国家及罗氏和巴斯夫等跨国大公司所掌握。如日本住友公司
[ 15 ]
采用砜醛衍生物和鳞盐通过一系列化学反应 ,合成番茄红素及中间体。罗氏公司于 1997 年开发了化学法合成番茄红素的工艺 ,并申请了专利 ,该工艺由三苯基氯化磷、 辛三烯二醛和甲醇在 22丙醇中进行
[16 ]
烯化反应 ,番茄红素收率为 65 %。此外 ,三苯基甲磺化磷、 辛三烯二醛经烯化反应得到番茄红素。 1.3.7番茄红素油树脂的浓缩纯化
用有机溶剂提取得到的番茄红素油树脂含有大量的油脂、 类脂等脂溶性成分、 胶类杂质以及机械杂质等,番茄红素的含量比较低且有溶剂残留,不能直接食用或药用,必须经过纯化处理才能用在保健食品、 药品、 化妆品中。常用方法有溶剂法、 皂化法、 色谱法、 重结晶法等。 1.3.8溶剂法
溶剂法是工业上浓缩番茄红素较常用的方法。一些外国公司审请了大量的专利。以色列专利用某种可以溶解油但基本上不溶解番茄红素的有机溶剂或几种
溶剂的混合物处理番茄红素油树脂 ,将其中的油相溶解 ,去除 ,得到富含番茄红素结晶(约 90 %)的产品[17 ]
。日本的安本光政等人介绍了一种用异丙醇和乙酸乙醋精制番茄红素的方法。 1.3.9皂化法
皂化处理是利用油脂等杂质与碱反应形成水溶性或醇溶性的盐 ,从而被除去。皂化法是番茄红素纯化
[ 18 ]
过程中常用的方法。皂化过程对番茄红素没有影响 ，因为它对碱稳定。专利报道,将番茄红素油树脂溶解在丙三醇中 ,加 KO H 溶液 ,进行皂化反应 ,可将番茄细胞碎片中的蛋白质、 脂肪酸、 二甘油脂、 三甘油脂和脂肪酸脂分开 ,形成水溶性皂化产物 ,释放出其中包含的水不溶性番茄红素。 1.4.0 色谱法
色谱法是重要的分离和纯化类胡萝卜素的技术,主要有柱色谱法、 薄层色谱法( TLC)、 高效液相法(HPLC)等方法。TLC 能快速且精确分离微量类胡萝卜素。HPLC多用于番茄红素的测定与分析。柱色谱技术利用吸附色谱原理,可用于大批量番茄红素的制备或把类胡萝卜素粗分为不同极性的组分。番茄红素为非
[19]
极性化合物,吸附剂一般采用氢氧化钙或活化氧化铝,流动相采用非极性溶剂或含有极性溶剂的混合物。
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精品文档 1.4.1结晶法
结晶法也是纯化番茄红素比较有效的方法。张连富对重结晶法纯化番茄红素进行了研究。所用溶剂为石油醚、 乙酸乙酯 +丙酮(2 ∶3 , V/ V) 、 二硫化碳 +无水甲(乙)醇(1 ∶5 ,V/ V) 。采用上述一组
[20 ]
或几组溶剂交差使用 ,进行三次结晶 ,得到深紫色番茄红素结晶。将含油树脂和丙酮/乙酸乙脂溶剂混合、 加热 ,然后真空过滤 ,可得到番茄红素含量为 90 %的晶体。
2.实验部分：
2.1原料与试剂
主要原料：番茄粉（毫州市药材总公司中药公司）。 药品：苏丹红Ⅰ号(25mg) （天津市光复科技发展有限公司）。
试剂：无水乙醇、乙酸乙酯、丙酮、二硫化碳、石油醚（天津市光复科技发展有限公司） ，以上试剂均为分析纯AR
2.2仪器
P702TP-6型格兰仕微波炉；台式离心机；SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵；HH-S型水浴锅；721E型紫外可见分光光度计；电子天平；布氏漏斗等。
3.实验方法
3.1原料预处理
用料液比（g/ml）为1:3的比例加入番茄粉和无水乙醇在烧杯中不断搅拌10min后，再抽滤成番茄滤饼，装入封口袋中备用。
3.2有机浸提番茄粉中的番茄红素
提取工艺流程：番茄滤饼（预处理后）→按一定料液比加提取液浸提→抽滤→定容→取样检测吸光度→算出提取率（提取率ug/g=浓度ug/ml×体积ml/番茄滤饼的质量g）。
准确称取1.00g预处理过的番茄粉于50ml的烧杯中，按要求加入一定的乙酸乙酯，用锡箔纸密封后，在一定温度下的恒温槽中浸提，一定时间后取出趁热真空抽滤，得到浸取的样品溶液，再用乙酸乙酯定容到25ml容量瓶中，作为待测液。
3.3番茄红素最佳波长的确定
用电子天平称取3.00g已处理的番茄滤饼，加入10ml乙酸乙酯，在119W的功率下，微波浸提5分钟，精品文档
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趁热在转速2000r/min离心机下离心5min,用移液管取出1ml样品到25ml的容量瓶中，即稀释25倍，摇匀后，检测待测液在不同波长下的吸光度，结果见图3-1.
0.60.50.4吸光度/A0.30.20.10.0380400420440460480500520540波长/nm
图3-1 番茄红素光谱特征
由图1可知番茄红素的最大吸收波长在472nm，而502nm次之，由于与番茄红素共存的其它类胡萝卜
【24】
素在472nm处也有以较强的吸收峰，这会对测定产生干扰，引起较大的系统误差，所以选择长波长区的峰，即502nm作为测定波长，避免了其它类胡萝卜素的影响。
3.4苏丹红Ⅰ号标准曲线的绘制
称取50mg（因番茄红素标准品极不稳定，同时其最大吸收波长接近于苏丹红Ⅰ号且苏丹红Ⅰ号比较稳定，因此可用他来代替番茄红素制作标准曲线），用无水乙醇溶解后，定容于100ml容量瓶中，用移液管吸取0.13、0.26、0.39、0.52、0.65ml分别注入25ml容量瓶中，均用无水乙醇定容至刻度，充分摇匀，它们分别相当于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5ug/ml的番茄红素，以无水乙醇为空白，在502nm下测定吸光值并绘制标准曲线。根据实验数据，可得回归方程：y=0.0293+0.1878x,R=0.99859,标准曲线线性范围为0～2.5ug/ml，其中x为苏丹红Ⅰ号浓度（ug/ml）；y为吸光度。结果见图3-2。
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0.50.4吸光度/A0.30.20.10.00.00.51.01.52.02.5苏丹红Ⅰ号浓度/ug/ml
图3-2 苏丹红Ⅰ号浓度标准曲线
3.5番茄红素的提取
3.5.1提取溶剂的选择
称取5.00g番茄滤饼4份，采用有机浸提在料液比1:6(g/ml)，温度50℃，时间30min的条件下，分别加入丙酮、乙酸乙酯、二硫化碳、石油醚微波浸提，抽滤，以相应的溶剂为空白，用紫外可见分光度计在502nm处测定提取液的吸光度，测定结果见表3-1。
表3-1 不同溶剂对提取液的影响
溶剂 丙酮 乙酸乙酯 二硫化碳 石油醚 吸光度 0.345 0.491 0.755 0.189 由表1可知，二硫化碳的提取率最大，乙酸乙酯次之，由于二硫化碳毒性较大，且沸点低，易挥发，测定吸光度的误差较大，而乙酸乙酯便宜且提取率较大，综合考虑选择乙酸乙酯作为有机溶剂。 3.5.2料液比的确定
分别称取1.00g于50ml烧杯中，用锡箔纸密封后，按料液比（g/ml）为1:5、1:10、1:15、1:20、1:25加入乙酸乙酯，在40℃下提取30min,抽滤，用5ml乙酸乙酯洗净后，以乙酸乙酯为空白，在502nm下测定提取液的吸光度，测定结果见表3-2。
表3-2 不同料液比对提取液的影响
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料液比（g/ml） 1:5 1:10 1:15 1:20 7.15 吸光度 0.048 0.055 0.083 0.071 0.072 提取率（ug/g） 2.49 3.42 7.15 5.55 5.69
6.05.5番茄红素提取率/ug/g5.04.54.03.53.02.52.01:51:101:151:201:25料液比/g/ml
图3-3 料液比对提取液的影响
由图3-3可知，在一定范围内，溶剂的用量的增加有助于番茄滤饼中番茄红素的浸出，分析原因可能是：溶剂量太少时，提取不够完全；溶剂量增大到1:15时达到最大值，料液比在增加反而下降。从提取效果、减少溶剂量等方面综合考虑，将料液比定在1:15-1:20之间较为合适。 3.5.3温度的确定
分别称取1.00g于50ml烧杯中，用锡箔纸密封后，按料液比1:15（g/ml），在温度30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃条件下浸提30min,抽滤，用5ml乙酸乙酯洗净后，以乙酸乙酯为空白，在502nm下测定提取液的吸光度，测定结果见表3-3。
表3-3 不同温度对提取液的影响
温度（℃） 30 35 40 45 50 55 精品文档
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吸光度 0.042 0.080 0.093 0.088 0.081 0.091 提取率（ug/g） 1.69 6.75 8.48 7.82 6.88 8.21 98番茄红素提取率/ug/g7654321303540455055温度/℃
图3-4 温度对提取液的影响
由图3-4可知，30℃到40℃时，提取率逐渐增大，40℃到50℃时有下降的趋势，在40℃时达最大的提取率。分析其原因：番茄红素是天然产物，高温时不稳定，因而提取率不稳定，所以综合考虑选择提取温度为40℃为最佳。 3.5.4提取时间的确定
分别称取1.00g于50ml烧杯中，用锡箔纸密封后，按料液比1:15（g/ml），在40℃下浸提30、40、50、60、70、80min，抽滤，用5ml乙酸乙酯洗净后，以乙酸乙酯为空白，在502nm下测定提取液的吸光度，测定结果见表3-4。
表3-4 不同提取时间对提取液的影响
提取时间（min） 30 40 50 60 70 80 吸光度 0.075 0.086 0.089 0.096 0.085 0.083 提取率（ug/g） 6.08 7.55 7.95 8.88 7.42 7.15 精品文档
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9.08.5番茄红素提取率/ug/g8.07.57.06.56.0304050607080提取时间/min
图3-5 提取时间对提取液的影响
由图3-5可知，随着提取时间的增大，番茄红素提取率先增加后下降，60min时达到最大值。分析其原因:随着提取时间增加，分子运动加快，番茄红素浸提量增加，时间过长，提取液中的有效成分会被高温破坏，番茄红素分解。因而提取时间为60min最佳。 3.5.5提取次数的确定
称取4.00g番茄滤饼于50ml烧杯中，用锡箔纸密封后，第1次提取加入15ml乙酸乙酯，即以料液比1:15（g/ml）,温度40℃下浸提30min，抽滤，用5ml乙酸乙酯洗净后，保留滤渣，定容到25ml容量瓶中，充分混合后，取待测液，以乙酸乙酯为空白，在502nm下测定提取液的吸光度，第2、3、4次提取时都用上一次保留的滤渣，加入15ml乙酸乙酯后同上操作分别测定提取液的吸光度，测定结果见表3-5。
表3-5 不同提取次数对提取液的影响
提取次数 1 2 3 4 吸光度 0.130 0．048 0.045 0.036 提取率（ug/g） 3.35 0.6225 0．5225 0．2231
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3.53.0番茄红素提取率/ug/g2.52.01.51.00.50.01234提取次数
图3-6 提取次数对提取液的影响
由图3-6可知，第一次提取率最高，之后第二、三、四次时提取率会逐渐降低但变化不大，且第一次和第二次提取率相差很大。分析原因：第一次提取时番茄的量多则提取率最高，之后因番茄红素的量越来越少，所以提取率逐渐降低，但提取二次是更充分的提取，因为提取次数的提取率是累加的关系，所以综合考虑最佳提取次数是二次。
4.分析鉴定
4.1红外吸收光谱
在以上得出的最佳提取条件下，取得提取液 ，再测定样品的红外光谱，结果见图4-1。
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图4-1 样品的红外光谱图
图4-2 番茄红素的化学结构
由图4-1可知，（1）1635cm处峰由C=C的伸缩振动的产生，这说明有C=C存在；（2）1055 cm
处峰由共轭烯烃链中的C-H的面外弯曲振动产生，可说明有共轭烯烃结构，与番茄红素的化学结构（图4-2）基本相符。但还发现有很多其它的杂质，说明提纯度不够。
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5.结论
通过单因素实验得到以乙酸乙酯为溶剂的最佳提取工艺是：温度40℃，提取时间60min，料液比1:15(g/ml),提取次数为2次。在此条件下达到8.88ug/g的提取率。
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精品文档 致谢：
本学位论文是我的指导老师许淼清老师的细心指导下完成的。在此，对许淼清老师的耐心教导和不懈的支持，表示由衷的感谢。同时我还要感谢在我完成论文期间给我很大帮助的黄妙龄老师以及其它的同学和朋友。谢谢！
Extraction of Lycopene and functions of characterization
Wang zhen zhen
(071001043,Department of Chemistry,Quanzhou Normal College of Chemistry and Life Sciences)
Instructor: XU MIAO QING (Professor)
【Abstract】: The optimal conditions for the extraction of total flavonoids were investigated in this paper.
The influences of Ethy acetate , extraction time and the ratio of solid-liquor and extraction time on the extraction Lycopene were also discussed by single factor. The results show that under the following ondition : the ratio of solid to-liquid 1:15, extraction time 60 min , extraction temperature 40℃ , extraction two times .the best extraction rate of 8.88 ug/g was was determined under the normal pressure.
【Key words】:Organic extraction; Lycopene; powder of tomatoes
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