超臨界二氧化碳提取番茄紅素研究

◎ 解 謙，楊 陽，劉利萍，李寶園

（1.山西大同大學生命科學學院，山西 大同 037009；2.山西大同大學化工學院，山西 大同 037009）

番茄紅素是類胡蘿卜素其中的一種，同時也是一種脂溶性天然色素。最早從番茄中分離得到，在1930年Schunck將番茄中的提取物命名為“Lycopene”，這個名稱一直用到現在[1]。番茄紅素具有較強的清除自由基、碎滅單線態氧的能力，能夠緩解衰老，提高機體免疫力，還可以預防前列腺癌、乳腺癌及消化道(包括結腸、直腸及胃)癌的發生[2-4]。番茄紅素顯現的優良性能受到國內外廣泛的關注，而番茄紅素的潛在價值還沒有被完全開發，但人體自身無法合成這種物質，只能從其他物質中提取，所以提取番茄紅素成為了重要的問題。番茄紅素的提取率的提升也成為了生產過程中重要的因素，能影響番茄紅素提取的因素也成為了關注的焦點。

超臨界二氧化碳萃取技術是近半個世紀來發展較好，使用面相對較廣的一種萃取技術[5]。這種技術有著良好的性能，在二氧化碳處于超臨界狀態下，按照不同的理化性質把物質進行分離，而且分離過程中不會破壞物質的結構，分離結束也不會在萃取物中留下其他雜質[6]。超臨界萃取技術沒有過多的有機溶劑，防止了有些溶劑對環境的污染。現在超臨界萃取技術大量運用在中藥的有效物質提取方面，既可以提出有效成分也能夠保證物質提取過程中不被其他物質破壞。基于此，本研究通過探究超臨界二氧化碳提取時各種因素對于番茄紅素提取率的影響，為番茄紅素提取的工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮番茄：市售，實驗前4 ℃儲藏；90%乙醇、蘇丹Ⅰ、乙酸乙酯：分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

超臨界二氧化碳萃取儀器：DXSFE120-50-05，南通杜欣新能源科技有限公司；分光光度計：SP-754，上海博訊實業有限公司。

1.3 工藝流程

將高純度二氧化碳從二氧化碳儲存罐注入到凈化器中，將氣體過濾。進入液化槽，將二氧化碳在0 ℃左右液化，然后將液化的二氧化碳預熱進入萃取缸，再將壓力提升至相應的數值，使二氧化碳成為超臨界狀態。把提取物注入萃取缸中，將萃取物轉移到二氧化碳中。提取結束后，系統壓強降低，二氧化碳的溶解能力下降，萃取得到的物質會與二氧化碳分離，得到萃取物。在過程中，二氧化碳可以循環利用，減少二氧化碳消耗量。

1.4 實驗過程

本次實驗采取了單因素控制變量的實驗方式，分別從提取溫度、提取壓力、提取時二氧化碳的流速和提取時間4個方面進行相應的研究實驗。正交實驗中，排除了時間因素的影響，把提取溫度、提取壓力、提取時二氧化碳的流速3個因素做正交實驗。

將從市場買回來的新鮮番茄洗凈、搗爛、去籽后進行真空冷凍干燥，得到番茄的固體粉末。分別稱取原料5 g，經過提取后的殘渣5 g，用分光光度計得到兩者的吸光度，根據標準曲線找出所對應的濃度計算提取率。

番茄紅素提取率的計算公式：

1.5 番茄紅素標準曲線的繪制

稱取蘇丹Ⅰ25 mg，用乙酸乙酯定容至100 mL，分別抽取0.2、0.3、0.4、0.5 mL和0.6 mL，再用乙酸乙酯定容至50 mL，用分光光度計分別測出吸光值，將所得數據繪制出標準曲線（圖1）。

圖1 番茄紅素標準曲線圖

1.6 單因素實驗

1.6.1 提取溫度

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分數90%的乙醇作為夾帶劑、提取壓力定為30 MPa、提取時二氧化碳的流速30 L/h、提取時間為2 h，分別在30、35、40、45、50 ℃和55 ℃的條件下對番茄紅素進行提取。

1.6.2 提取壓力

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分數90%的乙醇作為夾帶劑、提取溫度定為45 ℃、提取時二氧化碳的流速30 L/h、提取時間為2 h，分別在20、25、30、35 MPa和40 MPa 5個不同的提取壓力下觀察番茄紅素的提取率。

1.6.3 二氧化碳流速

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分數90%的乙醇作為夾帶劑、提取溫度定為45 ℃、提取壓力在30 MPa、提取時間為2 h，分別以20、25、30 L/h和35 L/h的二氧化碳流速對番茄紅素的提取進行研究。

1.6.4 提取時間

稱取100 g干燥后的番茄粉末，將體積分數90%的乙醇作為夾帶劑、提取溫度定為45 ℃、提取壓力在30 MPa、提取時二氧化碳的流速30 L/h，探究提取時間分別為0.5、1、1.5、2、2.5 h和3 h時，對于番茄紅素提取的影響。

1.7 正交實驗

提取壓力、提取時的溫度、二氧化碳流速對番茄紅素提取率的影響較大，而且會相互影響，從而無法依靠單因素實驗結果得出結論，再以提取壓力、提取溫度、提取時二氧化碳流速三個因素做正交實驗，正交實驗設計見表1。

表1 正交實驗表

1.8 數據分析

采用SPSS 18.0軟件對數據進行均值及誤差的分析。Excel 2003進行表格制作。

2 結果與分析

2.1 溫度對番茄紅素提取率的影響

由圖2的折線圖分析得出，運用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時，在45 ℃時的提取率最高。在30～45 ℃隨著溫度的提升，番茄紅素的提取率也增加。在45 ℃之后，番茄紅素的提取率又隨著溫度的增加而減少。

由于二氧化碳的臨界溫度是31 ℃，所以在31 ℃附近的時候番茄紅素的提取率才會有明顯的提升。在31 ℃以下時，提取率較低。在30 ℃時二氧化碳處于超臨界狀態，對于番茄紅素的提取效果大大提升；在溫度的提升下二氧化碳對番茄紅素的提取率加強。溫度升高，微觀粒子的運動速率增加，物質的擴散速率增加，會提升番茄紅素的提取率[7]。但溫度繼續升高，二氧化碳密度減小，對于有機物的溶解效果減弱，所以對于番茄紅素的提取效果也隨之減弱。而溫度升高也會使番茄紅素不穩定，會使番茄紅素分解速率增加，所以提取效果也會減弱。

圖2 不同溫度對番茄紅素提取率的影響圖

2.2 提取壓力對番茄紅素提取率的影響

由圖3的折線圖分析得出，運用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時，在30 MPa左右的提取率最高。20～30 MPa，隨著壓力的增強，番茄紅素的提取率也在上升。在30～40 MPa，番茄紅素的提取率沒有明顯的增強，幾乎趨于平穩。

提取壓力的提升使得二氧化碳的密度增加，減小了與有機溶劑的距離，增加了提取物被提取的機率，二氧化碳的溶解度增加。所以在一定范圍內壓力增加，提取率就隨著增加。

圖3 提取壓力對于番茄紅素提取率的影響圖

2.3 二氧化碳流速對番茄紅素提取率的影響

由圖4的折線圖分析得出，運用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時，二氧化碳的流速在30 L/h左右最為適宜。20～30 L/h，隨著二氧化碳流速的增加，番茄紅素的提取率呈上升趨勢，但在30～35 L/h二氧化碳流速繼續增加時，番茄紅素的提取率反而下降。

超臨界提取裝置的提取主體是二氧化碳，二氧化碳對提取率有直接影響。二氧化碳的流速增加，使得溶劑量增大，傳質速率增加，提取速率加快。二氧化碳的流速過快會使得有機物無法與溶劑充分接觸，使需要被提取出的番茄紅素無法完全到達二氧化碳中，從而降低了番茄紅素的提取速率，所以最后二氧化碳速率越高，反而提取率下降[8]。同時二氧化碳流速測試組數較少，因此無法確定繼續提高流速是否能夠提高提取率。

圖4 二氧化碳流速對番茄紅素的影響圖

2.4 提取時間對番茄紅素提取率的影響

由圖5的折線圖分析得出，運用超臨界二氧化碳提取番茄紅素時，隨著時間的推移，番茄紅素的提取率不斷地增強，但是在2 h之后，番茄紅素的提取率增加緩慢，幾乎沒有增長。

提取時間的增加會使得番茄紅素提取的更加充分，在2 h時，大量番茄紅素已經被提取出。2 h之后番茄紅素的提取率有一定增加，但是增加幅度極小，幾乎保持不變。可能的原因是時間過長，未被提取出的番茄紅素分解，所以會使提取率無法再升高。

圖5 時間因素對于番茄紅素提取的影響圖

2.5 正交實驗

由表2和表3可以看出，影響番茄紅素提取率的因素中，二氧化碳流速對番茄紅素提取率的影響較大，溫度對于提取率的影響次之。而壓力對于提取率的影響最小。

二氧化碳的流速直接決定了其與提取物番茄紅素的接觸面積，直接影響傳質系數。當二氧化碳流速降低，溶質量減少時，提取番茄紅素的速率減少；當流速過快時，使得番茄紅素與溶質無法充分接觸，使傳質系數降低，無法充分提取番茄紅素。正交實驗中溫度處在一個相對溫和的條件下，番茄紅素在這個溫度下分解速率較慢，二氧化碳受到溫度的影響也較小，不會因為溫度而過多影響傳質系數[9-10]。溫度不直接影響提取時的傳質系數，而是通過影響其他物質的理化性質對提取率造成間接影響，不如二氧化碳流速對番茄紅素提取率的影響直接。提取壓力會增加二氧化碳與提取物的接觸面積，壓力越大，物質的接觸面積越多，傳質系數越大，所以對于實驗的影響效果較小。

表2 正交實驗結果表

表3 方差分析表

3 結論

本次單因素實驗測試了4個因素，正交實驗測試了3個因素。單因素實驗中沒有分析有關夾帶劑在實驗中造成的影響，且實驗數據之間的間隔較大，只能反映大概結果，無法準確反映實際數值。正交實驗同樣排除了時間因素和夾帶劑對于實驗結果的影響。正交實驗測的數據較少，不能夠明確表現出正交實驗的結果，無法得出最適因素下的提取方式。正交實驗中都選擇了體積分數90%的乙醇作為夾帶劑，沒有考慮在不同條件下夾帶劑的不同也會影響正交實驗的結果。

現在生產的高濃度番茄紅素市場價格都相對偏高，大多數商品都是含有少量番茄紅素的混合保健品。生產過程大多數還是運用傳統的有機溶劑提取的方式，這種傳統的方式很難提取出高純度的番茄紅素，運用相同條件提取高純度番茄紅素需要耗費更多的生產費用。在工業生產中超臨界提取在番茄紅素提取方面應用較少，主要原因是在生產過程中所需要的條件相對苛刻，而條件中所需要的高壓、高溫在工業生產中有較大的安全隱患，同時生產費用也相對較高，高純度二氧化碳的運用在生產過程中相對危險[11]。

超臨界二氧化碳萃取也有有機溶劑萃取無法代替的優勢，操作方法簡單，只需要控制簡單的變量，提取純度較高，產物中含有其他雜質少，而且提取時間短，提取速率快，生產過程中對于環境的污染小，在提取過程中，不會對人產生過多危害。希望在不遠的將來，可以研究出能夠運用低廉的成本提取出高純度的番茄紅素的方法，讓這項研究了半個多世紀的物質能夠更方便的惠及人類。