□ 解謙 楊陽 李寶園(通訊作者) 山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

□ 劉利萍 山西大同大學(xué)化工學(xué)院

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，本文通過研究番茄紅素和番茄籽油在萃取過程中壓力、溫度、CO2流速、時間4種參數(shù)的合理配比，以及層析分離番茄紅素的過程中柱前壓、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℃;對番茄皮渣中番茄紅素以及番茄籽中番茄紅素進行提取分離得到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，故番茄醬等各類番茄加工制品被各國龐大的消費群體所青睞。番茄紅素又稱ψ-胡蘿卜素，屬于異戊二烯類化合物，是類胡蘿卜素的一種[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。自番茄紅素問世以來，其在醫(yī)療領(lǐng)域的研究逐漸走向熱門，因此，掌握番茄紅素的生產(chǎn)和純化工藝，就能有效占領(lǐng)一個空前的制高點。

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起來，從而起到改善血管壁的作用。此外，亞麻酸是組成細胞膜結(jié)構(gòu)脂質(zhì)所必需的成分，其為類二十烷酸的前體，能預(yù)防腦血管阻塞引起的動脈硬化，有效調(diào)節(jié)高血壓。除此之外，其還能有效增強人類機體免疫力[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3000萬噸之多，然而目前多數(shù)番茄皮籽僅僅被當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，對環(huán)境造成嚴重污染。因此，在番茄醬加工后的皮籽渣料廢棄物中進一步提煉有價值的物質(zhì)成分，創(chuàng)造性的開發(fā)出一種具有保健功能的產(chǎn)品，在解決污染的同時，提高番茄制造業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟效益是現(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的流動相，并且憑借超臨界CO2流體可使待分離物質(zhì)徹底分散的特點作為提取和分離物組分的一門工藝[5]。該技術(shù)是1970年以來逐漸新興起來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(有時也可能是被滯留在載體上的液體物質(zhì))，當攜帶有樣品物質(zhì)的流動相不停的沖擊固定相時，樣品中待分離組分同時受到流動相的推力以及引力。由于這兩種力的共同作用，攜帶樣品物質(zhì)的流動相在移動的過程中，反復(fù)經(jīng)歷“吸附-洗脫-吸附-再洗脫……”的分配過程[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)生了移動快慢的差別，進而使各物質(zhì)組分在層析柱中停留的時間產(chǎn)生差別，從而實現(xiàn)各物質(zhì)組分的分離[7]。

超臨界CO2流體因其黏度小，擴散系數(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，非常方便的通過改變壓力和溫度來達到;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，此外還可以將沸點偏高、不容易揮發(fā)、受熱易分解的成分在比其沸點低的條件下提取和分離出來。另外，因超臨界流體的黏度很低，其選擇性比一般物質(zhì)強，因此所用的分離時間也大大縮短;再加上CO2相對無毒的特點，對環(huán)境破壞力小，能循環(huán)使用。因此，從消費者最注重的安全角度出發(fā)，超臨界CO2層析技術(shù)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義[8]。

過去的幾十年，對于超臨界CO2流體萃取-層析技術(shù)的研究也取得了長遠的進步。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相，萃取主要從4個方面分析：萃取壓力(7.5~30.0MPa)，萃取溫度(40~50℃)、CO2流速(5~50kg/h)、萃取時間(0.5~4.0h)。層析則主要進行以下工作：以超臨界CO2作為流動相，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)加工的實驗操作裝置，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渣為原料提取番茄膳食纖維，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，用粉碎機磨至20目后，可直接進行層析分離;或?qū)⑹占男迈r番茄皮渣在-20℃下冷凍干燥48小時后，風(fēng)干為較干燥的實驗樣品，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級試劑。CO2(99.9%)：無錫市遠通氣體有限公司。番茄紅素標準樣品和番茄籽油標準樣品：瑞士Hoffmann-la-Roche公司提供，并在使用前用HPLC檢驗過純度。

1.2 儀器與設(shè)備

粉碎機：濰坊埃爾派粉體技術(shù)設(shè)備有限公司;電子臺秤：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 萃取時間條件

稱取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℃)對番茄紅素以及番茄籽油提取率的影響。

1.5 番茄紅素標準曲線的繪制

稱取番茄紅素標準樣品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應(yīng)的的番茄紅素標準正已烷溶液，各取20μL在超臨界CO2色譜儀分析，通過紫外檢測器得出吸光度制作標準曲線。結(jié)果如圖1顯示，在0.006～0.06 mg/mL的范圍內(nèi)，進樣濃度與吸光度呈線性關(guān)系，保存文檔。

圖1 不同番茄紅素濃度吸光度標準曲線

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行均值及誤差的分析，運用Excel 2003進行表格制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 對萃取時間條件的優(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到充分混勻的狀態(tài)，從而可使其產(chǎn)物不斷被分離出來。當保持萃取溫度為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間下各物質(zhì)成分的提取率(如圖2)，隨著萃取時間的增加，各物質(zhì)成分提取率逐漸趨于平衡，從珍惜時間、節(jié)約成本角度考慮，萃取時間在1.5h左右較為合適。

圖2 提取率隨層析時間變化情況折線圖

2.2 對萃取壓力條件的優(yōu)化

由圖3可以看出，隨著壓力的不斷升高，提取率逐漸升高后又降了下來。其原因為當萃取溫度不變時，萃取壓力的不斷增大會導(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。但是，如果壓力過高會對儀器產(chǎn)生很大的負面影響，后續(xù)的維護保養(yǎng)費用也會增加。因此，從長遠發(fā)展的角度考慮，萃取壓力為30MPa比較合適。

圖3提取率隨層析壓力變化情況折線圖

2.3 對CO2流量條件的優(yōu)化

由圖4可以看出，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流量過大，會因CO2的過度消耗從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高。因此，依靠提高CO2流量來提升番茄紅素與番茄籽油的提取率相對來說不劃算。因此，全面考慮各種因素，選擇CO2流量為30kg/h比較合適。

圖4提取率隨CO2流量變化情況折線圖

2.4 對萃取溫度條件的優(yōu)化

依次觀察不同萃取溫度對番茄紅素及番茄籽油提取率的影響，結(jié)果如圖5所示。溫度的變化同樣能對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，如果溫度提升過快，則會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。

圖5提取率隨層析溫度變化情況折線圖

2.5 柱前壓的優(yōu)化

柱前壓的變化對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，可見番茄紅素與番茄籽油的容量因子逐漸變小(如圖6)。二者在層析柱中的停留時間越來越短，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間縮短，所以層析柱壓選擇20.0MPa較為合適。

圖6 容量因子隨柱前壓變化情況折線圖

2.6 柱后壓的優(yōu)化

柱后壓的變化對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間隨著柱后壓的升高而減小(如圖7)。分離度也有下降的趨勢，其停留時間接近，更不利于分離，所以層析柱后壓選擇15.0MPa較為合適。

圖7容量因子隨柱后壓變化情況折線圖

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，如圖8所示。從圖8觀察可知，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間25℃時最長，且分離度較大。溫度繼續(xù)上升，停留時間越短，分離度隨之下降，因此層析溫度選擇室溫條件25℃較為合適。

圖8容量因子隨柱溫度變化情況折線圖

2.8 萃取混合物中層析分離得到番茄紅素的含量分析

稱量10mg的番茄皮渣萃取后的樣品物質(zhì)，經(jīng)過超臨界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20μL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，對照標準曲線可得到其含量，從而計算出分離出來的番茄紅素含量以及占整個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

本實驗主要研究番茄醬渣料不經(jīng)過皮籽分離，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，通過研究萃取的壓力、溫度、CO2流速、時間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。

實驗結(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90%，番茄籽油的提取率達86%，超臨界CO2流體層析分離番茄紅素與番茄籽油的過程中，分離得到番茄紅素含量僅為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，而且通過實驗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，從實驗結(jié)果看來，本實驗雖然進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在太低，而且實驗操作過程還有很大的不足之處，還需更進一步的研究完善。

從理論上而言，同時分離番茄紅素與番茄籽油時的提取率不如分步提取時的提取率高。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渣作為原料提取番茄膳食纖維，同時結(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，進而確定3種提取物最合理的工藝流程，使其達到最佳的生產(chǎn)效率[11，12]。此項實驗探索不但可當作應(yīng)對當前番茄加工企業(yè)所面臨的副產(chǎn)物無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)濟效益的一項技術(shù)，對未來企業(yè)長遠發(fā)展有非常積極的意義。

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基金項目：山西省大同市科技攻關(guān)項目(2016046)。