秋橄榄果实中番茄红素的超临界萃取技术研究

宋钰兴,邵兴锋,倪 穗

(宁波大学生命科学与生物工程学院,浙江宁波 315211)

番茄红素 (Lycopene)是一种天然食用色素,具有防癌抗癌、抗衰老等多方面的生物学功能[1]。秋橄榄 (autumnolive),学名秋胡颓子 (E laeagnus umbella ta Thunb.),是一种灌木,结有大量红色浆果,其鲜果中的番茄红素含量比普通番茄高 17倍[2]。因此利用秋橄榄果实提取获得番茄红素具有较大的开发价值。

超临界 CO2萃取 (Supercritical Fluid Extraction,SFE)是利用处于临界低压和临界温度的 CO2流体所具有的特异增加溶解能力而发展出来的化工分离新技术。目前,包括番茄红素在内的大量天然产物的分离提取使用该技术[3-4]。李京等在 2006年初步探讨了该技术在秋橄榄番茄红素萃取中应用可行性,但未对相关工艺进行进一步的优化[2]。

本工作拟利用 SFE方法萃取秋橄榄果实中的番茄红素。考察夹带剂、萃取压力、萃取温度、萃取时间等因素对萃取量的影响;并进一步采用响应曲面法优化秋橄榄中番茄红素的萃取工艺,为开发和利用这一新食品资源提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

秋橄榄果实采自浙江东阳,鲜果在 -18℃下贮藏。使用前经 55℃热风干燥 7 h,粉碎备用。

丙酮,杭州高品精细化工有限公司,分析纯;无水乙醇,国药集团化学试剂有限公司,分析纯;乙酸乙酯,天津市博迪化工有限公司,分析纯。苏丹红Ⅰ号标准品,德国 D r。

Spe-ed SFE超临界萃取装置,美国应用分离公司 (App lied Separations Inc.);紫外可见分光光度计,4802,尤尼柯 (上海)仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 新鲜果实→干燥→粉碎→装釜→萃取→得到粗提物→分析粗提物中番茄红素的含量。

1.2.2 番茄红素的含量测定 以苏丹红Ⅰ号代替番茄红素来绘制标准曲线[5]。所得的方程为 Y=0.309X-0.0076,R2=0.9995(X:样品的浓度μg/mL;Y:样品在 476 nm处的吸光值)。

1.3.3 单因素实验

1.3.4.1 夹带剂对番茄红素萃取结果的影响

分别选择丙酮、无水乙醇、乙酸乙酯为夹带剂,以未使用夹带剂的作为空白对照,在温度 45℃、时间 2 h、压力 25M Pa的条件下,研究不同夹带剂对萃取结果的影响。

1.3.4.2 萃取压力对番茄红素萃取结果的影响

在夹带剂为丙酮、温度为 45℃、时间为 2 h的条件下 ,分别研究压力为 15、20、25、30、35、40 M Pa下番茄红素的产量。

1.3.4.3 萃取温度对番茄红素萃取结果的影响

在夹带剂为丙酮、时间为 2 h、压力为 25M Pa的条件下 ,分别研究温度为 30、35、40、45、50、55 ℃对萃取结果的影响。

1.3.4.4 萃取时间对番茄红素萃取结果的影响

在夹带剂为丙酮、温度为 45℃、压力为 25 M Pa的条件下,分别研究时间为 1、2、3、4 h对萃取结果的影响。

1.3.5 响应曲面法设计

在单因素实验的基础上,确定了压力 35 M Pa、温度 50℃、时间 3.0 h为拟合中心组合。根据 Box-Behnken中心组合试验设计原理,以 A(压力)、B(温度)和 C(时间)为自变量,以萃取所得的番茄红素量为响应值,设计了三因素三水平的响应面分析试验。试验的因素和水平的取值见表1。

表1 响应面试验因素水平表

1.3.6 数据分析

对响应面分析试验结果所得数据采用Design-Expert 6.0.10 Trial软件中的 RS(response surface)程序进行分析。应用Model Graph程序作响应曲面图。

2 结果与讨论

2.1 单因素对萃取结果的影响

2.2.1 夹带剂对番茄红素萃取结果的影响

由图1可见,使用丙酮作为夹带剂时萃取所得的番茄红素量最高,其次为无水乙醇,然而乙酸乙酯作为夹带剂所得到的番茄红素仅为未使用夹带剂的空白组的 50%左右。可见,在几种夹带剂中丙酮的作用效果最佳,最有利于秋橄榄果实中番茄红素的萃取。在O llanketo等的研究中比较了丙酮、甲醇、乙醇、正己烷和二氯甲烷作为夹带剂从番茄皮中萃取番茄红素的作用效果,发现丙酮是最佳夹带剂[6]。但也有研究认为乙醇为 5%时,作为夹带剂提取番茄红素的获取率较高[7]。

图1 夹带剂变化对番茄红素萃取量的影响

2.2.2 萃取压力对番茄红素萃取结果的影响

如图2所示,随着压力的上升,番茄红色的萃取量迅速上升,尤其是从 15～35M Pa区间内,每升高5 M Pa,番茄红素的提取量将大幅上升。但是,将压力从 35 M Pa升高到 40 M Pa,提取量虽有上升,但幅度较小。

图2 萃取压力变化对番茄红素萃取量的影响

2.2.3 萃取温度对番茄红素萃取结果的影响

温度对萃取结果的影响出现先上升再下降的趋势 (图3)。在萃取温度为 50℃的条件下,所获得的番茄红素的含量最高。番茄红素的稳定性较差,高温下易发生异构化或分解,从而使生理活性降低[8]。

图3 萃取温度对番茄红素萃取结果的影响

2.2.4 萃取时间对番茄红素萃取结果的影响

在同样的萃取条件下,随着萃取时间的增加,番茄红素的提取量不断增加 (图4),萃取 3 h时获得番茄红素较高,继续延长萃取时间虽有上升,但是幅度较小。可见,动态萃取 3 h较为合适。

图4 萃取时间对番茄红素萃取结果的影响

2.2 响应曲面分析

2.2.1 回归方程的建立与分析

响应面分析的结果见表2。根据试验设计选用响应曲面分析法(RS M)中适合的方程式为:

式中 Y——响应值;a0,a1,a2,…,——分别为各项的系数。试验结果采用Design-Expert 7.0.1.6 Trial软件的 ANOVA程序,进行二次回归分析,计算出上述方程各项系数并进行方差分析 (见表3),番茄红素提取量 Y的标准回归方程为:

Y=188.35+8.60A+9.49B+20.32C+7AB+8.65AC+2.63BC-22A2-23.85B2-15.95C2

表2 响应面设计方案和试验结果

从表3的方差分析结果可以看出,所得的 Y回归方程极显著 (P=0.0175),且失拟检验不显著 (P=0.0512),说明次回归模型很理想,用方程 Y拟合3个因素与番茄红素萃取量之间的关系是可行的。从 3因素对 (A、B、C)对提取量的影响来看,一次项C(时间)对萃取量有显著的影响 (P=0.0041),一次项 A(压力)、B(温度)对萃取量没有显著的影响;交互项中的 AB、AC、BC对结果没有显著的影响;二次项 A2、B2、C2对萃取量也有显著的影响 (P值均小于0.05)。

表3 试验结果方差分析表

2.2.2 交互作用对响应值影响分析

图5显示的是萃取温度和压力的交互作用对于秋橄榄番茄红素萃取的影响。固定萃取压力,在温度为 45～55℃范围内,随温度的增加,番茄红素的萃取量明显升高,在 52.5℃左右出现极值,之后继续增加温度对产量产生负面影响。固定萃取温度,萃取量也随着萃取压力的上升出现先上升后下降的现象。

图5 压力与温度响应面与等高线图

压力和时间的交互作用如图6所示,在固定压力的情况下,萃取时间的延长有利于提高番茄红素的萃取量,但是在 3.5 h后继续延长萃取时间对产量无明显的影响。

萃取时间和温度的交互作用见图7所示,在固定萃取时间的情况下,温度的上升提高了番茄红素的萃取量,但是温度过高以后也降低了其产量;固定萃取温度时,时间的上升提高了萃取量,但在 3.5 h后继续延长萃取时间则对萃取量无显著影响。

图6 温度与时间响应面与等高线图

图7 压力与时间响应面与等高线图

2.3 最佳工艺参数

通过计算分析,变量 A、B、C的编码值为 0.417 67、0.453 5、0.758 5;实际值为 37.083 5 M Pa、52.267 5℃、3.758 5 h。按照实际生产可以将压力(A)37 M Pa、温度 (B)52℃、时间 (C)3.8 h作为最佳工艺参数。

3 结 论

1)本研究明确了超临界 CO2萃取秋橄榄番茄红素过程中,夹带剂、温度、压力和时间等因素对萃取结果的影响,单因素试验研究发现夹带剂为丙酮,温度 50℃、压力 35 MPa、时间 3 h提取效果较好。

2)利用响应曲面优化后的秋橄榄番茄红素超临界萃取工艺条件为:温度 52℃、压力 37 M Pa、时间为 3.8 h。

[1] 龚 平,阚建全.番茄红素的研究进展 [J].食品与发酵工业,2008(5):58-60.

[2] 李 京,惠伯棣.秋橄榄果实中番茄红素的超临界 CO2萃取初探 [J].食品科学,2006,27(11):280-283.

[3] Yi C,Shi J,Xue S J,et al.Effects of supercritical fluid extraction parameters on lycopene yield and antioxidant activity[J].Food Chem istry,2009,113:1008-1094.

[4] Vaughn Katherine L S,C lausen Edgar C,King Jerry W,et al.Extraction conditions affecting supercritical fluid extraction(SFE)of lycopene from watermelon[J].Bioresource Techno logy,2008,9:7835-7841.

[5] 夏萍,盛建军.番茄红素的提取工艺研究 [J].应用化工,2007,36(10):975-979.

[6] Ollanketo M,Hartonen K,Riekkola M,et al.Supercritical carbon dioxide extraction of lycopene in tomato skins[J].European Food Research and Technology,2001,212:561-565.

[7] Baysal T,Ersus S,Star mans D.Supercritica lCO2extractions of b-carotene and lycopene from tom a to paste waste[J].Journal of Agriculture and Food Chemistry,2000,48:5507-5511.

[8] LeeM T,Chen B H.Stability of lycopene during heating and illumination in a model system[J].Food Chem is try,2002,78:425-432.