超微粉碎协同微波提取番茄中番茄红素的研究

赵芳，于有伟，张少颖，李为琴*

(1.山西师范大学设备处，山西 临汾 041004；2.山西师范大学 食品科学学院，山西 临汾 041004)

番茄红素是一种具有抗氧化功效的脂溶性天然色素，广泛存在于番茄、西瓜、红色葡萄柚、红色棕榈油中。人体自身无法合成番茄红素，只能通过饮食摄入[1]。研究表明，番茄红素具有很强的抗氧化作用，可以减缓低密度脂蛋白的氧化，从而防治动脉硬化；能有效抑制癌细胞的繁殖；在所有的类胡萝卜素中，它具有最强的消除单线氧的功能，其对单线氧的消除能力是β-胡萝卜素的2倍；清除自由基的能力也优于类胡萝卜素[2]。番茄红素可作为肉制品的保鲜剂、着色剂，可用来防止食用油的脂肪氧化劣变，在功能性饮料和焙烤食品中也有应用。目前番茄红素已被联合国粮农组织(FAO)、食品添加剂委员会(JECFA)和世界卫生组织(WHO)认定为A类营养素，并被50多个国家和地区作为具有营养与着色双重作用的食品添加剂，在食品工业中具有广泛的应用潜力[3]。

超微粉碎是指利用机械或流体动力的方法克服固体内部凝聚力使之破碎，从而将 3 mm 以上的物料颗粒粉碎至小于10～25 μm的操作技术，是20世纪70年代以后，为适应现代高新技术的发展而产生的一种物料加工高新技术[4]。超微粉碎增加了微粉的比表面积，使粉末的吸附性、溶解性等相应增大。目前，已经有多糖、膳食纤维、黄酮、色素等采用超微粉碎技术提取的报道[5]。微波是指波长在10-3～10-1m，频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，微波介于红外线和无线电波之间。微波萃取法是通过微波能来提高提取效率的一种新技术。微波引起极性分子间的相互摩擦可以产生大量的热，使细胞内部温度上升迅速，细胞壁承受不了细胞内部的压力，最终破坏细胞，使内部物质成分迅速有效地自然溶出[6]。目前，已有微波提取多酚、多糖和黄酮等食品成分的报道[7-9]。本实验采用超微粉碎协同微波提取番茄中的番茄红素，将超微粉碎与微波提取的优点融于一体，为番茄红素及其他功能性食品成分的提取提供了相应的参考。

1 材料和方法

1.1 原料和试剂

番茄：新鲜成熟的普通红色番茄，购于临汾市尧丰农贸市场；番茄红素标准品(纯度>95%)：购于山东西亚化学工业有限公司；二氯甲烷、甲苯、石油醚、乙酸乙酯、正己烷：均为分析纯，购于天津市北辰方正化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

TU-1901双光束紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；GZX-9246MBE电热鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；WBL25B26搅拌料理机 广东美的电器股份有限公司；FDV气引式超微粉碎机 北京燕山正德机械设备有限公司；WBFY-201微波化学反应器 上海恬恒仪器有限公司；标准筛 浙江上虞市华丰五金仪器有限公司。

1.3 样品预处理

新鲜番茄洗净，切成约4 mm厚的片状，放入电热鼓风干燥箱内，在60 ℃条件下干燥18 h至恒重。采用料理机进行普通粉碎，并取部分普通粉碎的物料进行超微粉碎。

1.4 实验设计

实验首先遴选提取溶剂，然后对超微粉碎和普通粉碎的提取工艺进行比较。随后对微波功率、微波提取时间和料液比进行单因素实验，在单因素实验的基础上进行L9(34)正交实验，优化提取工艺，得出最佳提取条件。

1.5 番茄红素提取量的测定

对番茄红素进行紫外扫描，确定最大吸收波长，然后绘制标准曲线，用于计算番茄红素的提取量[10]。番茄红素的提取率按照下式计算：

番茄红素提取率(mg/100 g)=番茄红素质量/干重番茄质量×100。

1.6 统计分析

各处理重复3次，采用 DPS 7.05进行数据统计分析，多重比较采用 Duncan＇s 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 番茄红素最大吸收波长的确定和标准曲线的绘制

由图1可知，番茄红素在447.5，473.0，504.5 nm处各有一个吸收峰，其中以473.0 nm处为最大吸收波长，在此处的吸光系数最大，测定灵敏度提高，因此选用473.0 nm处测定吸光度值。

图1 番茄红素的紫外吸收光谱Fig.1 UV absorption spectrum of lycopene

图2 番茄红素的标准曲线Fig.2 Standard curve of lycopene

由图2可知，番茄红素标准曲线回归方程为y=492.24x+5.7618(R2=0.9997)，且在0～400 mg/L内存在非常好的线性关系。

2.2 提取溶剂的选择

取2 g超微粉碎的番茄粉末，置于三角瓶中，分别加入14 mL的二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯、正己烷、石油醚，在325 W功率的微波中加热提取60 s。

图3 不同提取剂对番茄红素提取率的影响Fig.3 Effect of different extraction agents on the extraction rates of lycopene

由图3可知，在同样的提取条件下，二氯甲烷提取番茄红素的得率最高(P<0.05)，但卤族元素毒性较大，且番茄红素易发生异构化反应，因此应避免使用[11]。提取效果次之的是乙酸乙酯，最差的是石油醚。乙酸乙酯为中等非极性溶剂，溶解非极性色素能力强，易于回收利用且价格便宜，因此本实验中确定以乙酸乙酯作为提取剂。

2.3 超微粉碎与普通粉碎比较

取2 g不同粉碎程度的番茄粉末，置于三角瓶中，各加入14 mL的乙酸乙酯，在325 W功率的微波中加热提取60 s。

图4 不同粉碎程度对番茄红素提取率的影响Fig.4 Effect of different crushing degrees on the extraction rates of lycopene

由图4可知，随着番茄粉末颗粒从40目到80目逐渐变小，番茄红素的提取率逐渐增大。超微粉碎的颗粒表现了最高的番茄红素提取率，比120目的颗粒高48.7%(P<0.01)。由于超微粉碎的颗粒非常小，物料与提取剂的接触面积比较大，有助于更多的番茄红素从颗粒内部迁移到溶剂中[12]。

2.4 微波功率的选择

取2 g超微粉碎的番茄粉末，置于三角瓶中，各加入14 mL的乙酸乙酯，在不同功率的微波中加热提取60 s。

由图5可知，随着微波功率的增大，番茄红素的提取率逐渐增大。在微波功率小于455 W时，番茄红素的提取率增幅明显。究其原因可能是随着微波功率的增大，物料获得的能量在增加，整个提取体系的温度升高，番茄细胞壁发生破裂，有利于番茄红素从细胞中溶出[13]。随着功率的进一步增加，番茄红素的提取率开始下降，可能是由于微波功率继续增大，温度持续升高时，虽然能促进番茄红素的溶出，溶剂中的番茄红素也会发生氧化降解反应，导致总体的提取率下降[14]。

图5 微波功率对番茄红素提取率的影响Fig.5 Effect of microwave power on the extraction rate of lycopene

2.5 微波提取时间的选择

取2 g超微粉碎的番茄粉末，置于三角瓶中，各加入14 mL的乙酸乙酯，在455 W功率的微波中采用不同的时间加热提取。

图6 提取时间对番茄红素提取率的影响Fig.6 Effect of extraction time on the extraction rates of lycopene

由图6可知，随着微波处理时间的延长，番茄红素的提取率逐渐提高。当处理时间达到60 s时，番茄红素的提取率达到5.69 mg/100 g，比30 s时的提取率高32.0%。随着微波处理时间的进一步增加，番茄红素的提取率开始降低，可能是由于温度进一步升高，热量增大，导致溶剂中的番茄红素发生了降解反应[15]。

2.6 液料比的选择

取2 g超微粉碎的番茄粉末，置于三角瓶中，分别加入不同体积的乙酸乙酯，采用455 W功率的微波加热提取60 s。

图7 料液比对番茄红素提取率的影响Fig.7 Effect of ratio of solid to liquid on the extraction rates of lycopene

由图7可知，番茄红素的提取率随着料液比的增大首先呈现增大的趋势；当料液比达到1∶7时，番茄红红素提取率达到平衡。随着料液比的进一步增大，提取率没有显著增加(P>0.05)。

2.7 正交实验

在单因素实验的基础上，采用正交实验对超微粉碎协同微波提取番茄红素的条件进行了优化，结果见表1。

表1 正交实验结果Table 1 Orthogonal experimental results

由极差R值分析可知，本实验中影响番茄红素提取率各因素的主次顺序是料液比>微波提取时间>微波功率。空列的R值最小，表明选取的几个正交因素的交互作用较弱。直观实验表明，A2B1C2D3组合的番茄红素的提取率最高，为6.25 mg/100 g；而由k值可以得出A3B1C2D2为最优组合。经实验验证，超微粉碎的番茄粉末采用乙酸乙酯提取时，在最优组合微波功率455 W，微波提取时间55 s和料液比1∶7的条件下，番茄红素的提取率为6.46 mg/100 g。

3 结论

采用乙酸乙酯作为提取剂，超微粉碎协同微波提取番茄中的番茄红素，超微粉碎展示了比较高的提取率。随着微波功率的增大和提取时间的延长，番茄红素提取率呈现先升高后降低的趋势；随着料液比的增大，番茄红素提取率逐渐增大并达到平衡。超微粉碎协同微波提取番茄中番茄红素的最佳工艺条件为微波功率455 W、微波提取时间55 s和料液比1∶7。在此优化条件下，番茄红素的提取率为6.46 mg/100 g。在食品加工业方面，中国已批准番茄红素作为着色剂、食品添加剂应用到食品加工过程中。番茄红素作为食品配料的应用研究得到了飞速发展，在果蔬产品、乳制品、肉制品、烘焙食品、糖果等食品中获得了非常好的应用效果。