番茄紅素的提取工藝優(yōu)化及應(yīng)用

范芳芳，魏寧果，鄒 力，安 瑜，靳 迪

（1. 陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，陜西 西安 710048；2. 西安培華學(xué)院，陜西 西安 710125）

番茄紅素是一種廣泛存在于植物性食品中并呈現(xiàn)紅色或深紅色的類胡蘿卜素[1]，分子式為C40H56，分子結(jié)構(gòu)是有11 個(gè)共軛和2 個(gè)非共軛的碳- 碳雙鍵組成的非環(huán)狀平面共軛多烯[2]（見圖1[3]）。根據(jù)結(jié)構(gòu)式可知，番茄紅素為脂溶性物質(zhì)，穩(wěn)定性差，容易發(fā)生順反異構(gòu)反應(yīng)和氧化降解[4]，對(duì)光、熱、氧、酸、金屬離子等比較敏感[5]。研究發(fā)現(xiàn)，番茄紅素具有較強(qiáng)的抗氧化性能力，能夠降低癌癥[6]和心血管[7]等疾病的發(fā)病率。同時(shí)，作為營養(yǎng)強(qiáng)化劑和天然色素[8]，番茄紅素在保健食品、化妝品和醫(yī)藥行業(yè)越來越受到重視[9]。

研究發(fā)現(xiàn)，在各類水果中，番茄中番茄紅素含量相對(duì)較高[10]。我國是番茄生產(chǎn)大國，資源極為豐富，研究番茄中番茄紅素的提取，對(duì)于延長番茄產(chǎn)業(yè)鏈、提高番茄科技附加值、開發(fā)天然抗氧化劑具有重要的實(shí)際意義[11]。番茄紅素常見的提取技術(shù)有溶劑提取法[12]、超聲波輔助提取法[13]、超臨界流體萃取法[14]和高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取法[15]等，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)[16]。在NY/T 1651—2008[17]的基礎(chǔ)上采用有機(jī)溶劑- 水- 無機(jī)鹽雙水相體系液液萃取，氮吹富集，定量后采用高效液相色譜法進(jìn)行分析測(cè)定的方法，整個(gè)試驗(yàn)過程采用單因素分析結(jié)合正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。

番茄紅素的結(jié)構(gòu)式[3]見圖1。

圖1 番茄紅素的結(jié)構(gòu)式

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

番茄，購自當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)和超市，為紅色自然成熟番茄。

番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)品：BePure-23764；二氯甲烷和丙酮為色譜純，品牌為Tedia；無水硫酸鈉為分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

1260 型高效液相色譜儀- 二極管檢測(cè)器，美國安捷倫公司產(chǎn)品；BAS224S 型電子分析天平，塞多利斯科學(xué)儀器北京公司產(chǎn)品；RE-2000A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)品；KQ-500E 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；SK-680C1-A型榨汁機(jī)，湛江市家用電器工業(yè)公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 番茄預(yù)處理

新鮮番茄洗凈去蒂、去皮，按照四分法取樣后放入榨汁機(jī)搗碎成勻漿。將勻漿試樣放入聚乙烯品中于-20～-16 ℃條件下保存。

1.3.2 番茄中番茄紅素溶劑提取工藝

（1） 工藝流程。番茄勻漿→提取溶劑→無水硫酸鈉→超聲提取→濃縮→定容→測(cè)定。

（2） 參數(shù)工藝。番茄勻漿5.0 g，體積比1∶1 的石油醚- 丙酮溶液為提取劑，超聲功率280 W，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后定容體積10 mL，其余按照試驗(yàn)設(shè)定條件進(jìn)行。

1.3.3 溶劑提取工藝單因素試驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[18-20]，設(shè)計(jì)表1 的單因素試驗(yàn)方案，研究料液比、無水硫酸鈉用量、超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)番茄中番茄紅素提取率的影響。

單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.4 超聲- 微波輔助提取番茄紅素的正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)番茄中番茄紅素提取率影響較大的料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度和無水硫酸鈉用量為因素，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)。

L（934）正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 L9（34）正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3.5 番茄紅素含量的測(cè)定

以番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)品為對(duì)照，采用高效液相色譜-二極管檢測(cè)器測(cè)定提取液中番茄紅素含量，計(jì)算番茄紅素提取率。

（1） 番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。參考NY/T1651—2008 的方法。精確稱取番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)品1.0 mg，用二氯甲烷配制質(zhì)量濃度為100 mg/L 的番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)溶液。準(zhǔn)確吸取番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)溶液0.05，0.10，1.00，2.00，4.00，6.00 mL，分別置于10 mL 比色管中，用二氯甲烷定容至刻度，在最大吸收波長472 nm處進(jìn)行上機(jī)測(cè)定。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：A=3.607C-0.287，R2=0.996。番茄紅素質(zhì)量濃度為0.5～60.0 μg/mL時(shí)與其峰面積呈良好的線性關(guān)系。

（2） 番茄紅素含量的測(cè)定。將試驗(yàn)得到的番茄紅素提取液稀釋一定倍數(shù)后，按1.3.5（1） 中方法測(cè)定并計(jì)算質(zhì)量濃度，再按下式計(jì)算番茄紅素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 料液比對(duì)番茄紅素含量的影響

料液比對(duì)番茄紅素含量的影響見圖1。

圖1 料液比對(duì)番茄紅素含量的影響

研究了料液比為 1∶2～1∶16（g∶mL） 對(duì)番茄紅素含量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著料液比的增大，番茄紅素的含量增大，當(dāng)料液比為1∶8 時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸降低。這是由于提取溶劑的含量越大，越有利于番茄紅素的溶出，但是樣品基質(zhì)中番茄紅素的含量是一定的，過量的提取溶劑不僅浪費(fèi)資源，而且在后續(xù)氮吹等操作中損失會(huì)更多，所以料液比選為 1∶8 （g∶mL）。

2.2 超聲時(shí)間對(duì)番茄紅素含量的影響

超聲時(shí)間對(duì)番茄紅素提取含量的影響見圖2。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)番茄紅素含量的影響

研究了超聲時(shí)間為0～60min 對(duì)番茄紅素含量的影響，結(jié)果表明隨著超聲時(shí)間的增大，番茄紅素的含量增大，當(dāng)超聲時(shí)間為30 min 時(shí)，達(dá)到最大，隨后降低。這是由于超聲時(shí)間越長，越有利于溶劑對(duì)番茄紅素的提取，但是由于番茄紅素的不穩(wěn)定性，過長的超聲時(shí)間可能導(dǎo)致其的結(jié)構(gòu)被破壞，所以最優(yōu)超聲時(shí)間為30 min。

2.3 超聲溫度對(duì)番茄紅素含量的影響

研究了超聲溫度為10～60 ℃對(duì)番茄紅素含量的影響，結(jié)果表明隨著超聲溫度的增大，番茄紅素的含量增大，當(dāng)超聲溫度為40 ℃時(shí)，達(dá)到最大，隨后急劇降低。

這是由于適宜的溫度有利于溶劑對(duì)番茄紅素的提取，但是過高的溫度會(huì)破壞番茄紅素的分子結(jié)構(gòu)，所以最優(yōu)超聲時(shí)間為40 ℃。

超聲溫度對(duì)番茄紅素含量的影響見圖3。

圖3 超聲溫度對(duì)番茄紅素含量的影響

2.4 無水硫酸鈉的含量對(duì)番茄紅素含量的影響

研究了無水硫酸鈉的含量為0～6 g 對(duì)番茄紅素含量的影響，結(jié)果表明無水硫酸鈉用量為1 g 時(shí)，番茄紅素的含量達(dá)到45.687 mg/kg，繼續(xù)加大無水硫酸鈉的含量，番茄紅素的含量先降低再逐步增大，當(dāng)無水硫酸鈉用量為5 g 時(shí)，番茄紅素的含量為45.658 mg/kg，再繼續(xù)增加無水硫酸鈉的用量至6 g，番茄紅素的含量基本保持不變。

無水硫酸鈉用量對(duì)番茄紅素含量的影響見圖4。

圖4 無水硫酸鈉用量對(duì)番茄紅素含量的影響

這是由于無水硫酸鈉用量為1 g 時(shí)，水- 有機(jī)相所形成的雙水相達(dá)到平衡，分子力的作用使番茄紅素更多地溶解于有機(jī)相，隨著無水硫酸鈉的含量增加，該雙水相平衡被打破，無水硫酸鈉對(duì)水分的吸附形式變?yōu)槠浣Y(jié)晶水合物的形成，隨著無水硫酸鈉用量的增加，水分越來越少，番茄紅素的含量逐漸增大，當(dāng)無水硫酸鈉用量大于6 g 時(shí)，樣品中的水分幾乎被去除，番茄紅素的含量基本保持不變。

2.5 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，各因素影響番茄紅素含量的大小順序?yàn)榱弦罕龋境暅囟龋緹o水硫酸鈉用量＞超聲時(shí)間。有機(jī)溶劑- 水- 無機(jī)鹽提取番茄中番茄紅素的最佳工藝條件為A2B2C2D2，即超聲時(shí)間30 min，料液比1∶8，超聲溫度40 ℃，無水硫酸鈉用量為1 g。按照正交試驗(yàn)確定的最佳提取工藝條件進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，測(cè)得番茄中番茄紅素含量分別為43.56，42.88，44.30 mg/kg，平均為43.58 mg/kg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD 為0.58%，表明該提取工藝穩(wěn)定可靠、重現(xiàn)性好。

2.6 加標(biāo)回收試驗(yàn)

試驗(yàn)將番茄紅素儲(chǔ)備液分別加入番茄樣品中1，2，3 mL，加入質(zhì)量濃度分別為 2.5，5.0，7.5 μg/mL，分別進(jìn)行7 次重復(fù)性測(cè)試。

不同質(zhì)量濃度下加標(biāo)回收率情況見表4。

表4 不同質(zhì)量濃度下加標(biāo)回收率情況

由表4 可知，不同質(zhì)量濃度的加標(biāo)回收率均為78.65%～84.22%，番茄紅素含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2。

2.7 不同原料的處理結(jié)果對(duì)比

在市場(chǎng)分別采購自然成熟的紅色番茄、紅色圣女果、粉色圣女果和黃色圣女果各7 批次進(jìn)行試驗(yàn)。

不同種類水果中番茄紅素的含量見圖5。

圖5 不同種類水果中番茄紅素的含量

由圖5 可知，自然成熟的紅色番茄和紅色圣女果中番茄紅素的含量為32.55～54.82 mg/kg，二者之間并無含量高低的明顯差異。粉色圣女果中番茄紅素的含量為8.7～13.45 mg/kg，明顯低于以上2 種紅色水果。黃色圣女果中番茄紅素的含量最低，為0～4.36 mg/kg。

番茄紅素為一種天然深紅色素，其含量越大，相應(yīng)的水果所呈現(xiàn)的紅色越深。

同品種之間的個(gè)體差異可能跟其成熟度和生長環(huán)境（如光照、水分、土壤中重金屬的種類含量）等有關(guān)。由于時(shí)間有限，試驗(yàn)所選取的樣本量比較少且產(chǎn)地為陜西及其周邊省份，顯著性不夠突出，后續(xù)工作中可以通過擴(kuò)大不同區(qū)域的樣本量進(jìn)行更加深入的研究。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對(duì)番茄中番茄紅素進(jìn)行有機(jī)溶劑- 水- 無機(jī)鹽液液浸提-氮吹富集工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到提取番茄中番茄紅素的最佳工藝條件為：以體積比1∶1 的石油醚- 丙酮溶液為提取劑，料液比1∶8（g∶mL），超聲溫度40 ℃，超聲時(shí)間30 min，無水硫酸鈉用量為1 g。在該工藝條件下，番茄中番茄紅素不同濃度的回收率在80%左右。該工藝具有精密度高、穩(wěn)定性好、回收率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

在最佳工藝條件下，試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)不同種類的番茄和圣女果中番茄紅素的含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，自然成熟的番茄品種中番茄紅素的含量高低可以根據(jù)果實(shí)顏色初步判斷，顏色越深，含量可能也越高。隨著人們對(duì)番茄紅素的逐步認(rèn)識(shí)，近年來各種番茄嫁接品種層出不窮，打著“富含番茄紅素”旗號(hào)迷惑消費(fèi)者，試驗(yàn)不僅為番茄中番茄紅素的提取提供了簡單穩(wěn)定的操作工藝，而且能夠幫助消費(fèi)者在魚龍混雜的廣告中辨認(rèn)并購買所需要的產(chǎn)品。