超臨界二氧化碳層析分離番茄紅素和番茄籽油

□ 解謙 楊陽 李寶園(通訊作者) 山西大同大學生命科學學院

□ 劉利萍 山西大同大學化工學院

摘　要：為了免除番茄醬渣分離皮與籽的工序、降低生產成本、提高生產設備的使用效率，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種參數的合理配比，以及層析分離番茄紅素的過程中柱前壓、柱後壓、柱溫等條件的優化，嚐試超臨界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，柱後壓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製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，屬於異戊二烯類化合物，是類胡蘿卜素的一種[1]。番茄紅素具有抗氧化和預防衰老的特殊功效，不僅對癌症有抑製功效，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，其在醫療領域的研究逐漸走向熱門，因此，掌握番茄紅素的生產和純化工藝，就能有效占領一個空前的製高點。

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構，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構脂質所必需的成分，其為類二十烷酸的前體，能預防腦血管阻塞引起的動脈硬化，有效調節高血壓。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。

相關研究表明，全球番茄的產量達3000萬噸之多，然而目前多數番茄皮籽僅僅被當作牲畜飼料或土地肥料便宜售給農戶，還有部分番茄渣被直接遺棄到大自然中，對環境造成嚴重汙染。因此，在番茄醬加工後的皮籽渣料廢棄物中進一步提煉有價值的物質成分，創造性的開發出一種具有保健功能的產品，在解決汙染的同時，提高番茄製造業領域的經濟效益是現如今番茄加工麵臨的首要難題[4]。

超臨界CO2流體層析技術是依托於超臨界CO2流體作為層析操作時的流動相，並且憑借超臨界CO2流體可使待分離物質徹底分散的特點作為提取和分離物組分的一門工藝[5]。該技術是1970年以來逐漸新興起來的一種層析分離技術，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)，當攜帶有樣品物質的流動相不停的衝擊固定相時，樣品中待分離組分同時受到流動相的推力以及引力。由於這兩種力的共同作用，攜帶樣品物質的流動相在移動的過程中，反複經曆“吸附-洗脫-吸附-再洗脫……”的分配過程[6]。若樣品中某一物質與固定相集結合緊密，則阻遏力大，那麼遷徙速率就遲緩;反之，則遷徙速率就迅速。正是由於這種阻遏力的差別，產生了移動快慢的差別，進而使各物質組分在層析柱中停留的時間產生差別，從而實現各物質組分的分離[7]。

超臨界CO2流體因其黏度小，擴散係數大，因此分離速度要比液體分離快得多，非常適合固體物質組分的分離和回收;操作參數易於控製，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或逸出，所以非常適用於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、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，對環境破壞力小，能循環使用。因此，從消費者最注重的安全角度出發，超臨界CO2層析技術的開發具有重要的現實意義[8]。

過去的幾十年，對於超臨界CO2流體萃取-層析技術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個方麵分析：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℃的範圍內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律，得到最佳工藝條件的研究，設法建立一套可用於工業加工的實驗操作裝置，將超臨界流體層析分離技術應用於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，嚐試超臨界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後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，又能提高企業的經濟效益。

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目後，可直接進行層析分離;或將收集的新鮮番茄皮渣在-20℃下冷凍幹燥48小時後，風幹為較幹燥的實驗樣品，以便超臨界流體層析使用;所有用於超臨界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，並在使用前用HPLC檢驗過純度。

1.2 儀器與設備

粉碎機：濰坊埃爾派粉體技術設備有限公司;電子台秤：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

保持柱後壓、溫度等操作參數恒定，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 柱後壓

保持柱前壓、溫度等操作參數恒定，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、柱後壓等操作參數恒定，調整溫度參數，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製

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為梯度依次製成相對應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製作標準曲線。結果如圖1顯示，在0.006～0.06 mg/mL的範圍內，進樣濃度與吸光度呈線性關係，保存文檔。

圖1 不同番茄紅素濃度吸光度標準曲線

1.6 數據分析

采用SPSS 18.0軟件對數據進行均值及誤差的分析，運用Excel 2003進行表格製作。

2 結果與分析

2.1 對萃取時間條件的優化

隨著萃取的不斷繼續，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，從而可使其產物不斷被分離出來。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成分的提取率(如圖2)，隨著萃取時間的增加，各物質成分提取率逐漸趨於平衡，從珍惜時間、節約成本角度考慮，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化

由圖3可以看出，隨著壓力的不斷升高，提取率逐漸升高後又降了下來。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生很大的負麵影響，後續的維護保養費用也會增加。因此，從長遠發展的角度考慮，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的過度消耗從而導致生產成本的提高。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，全麵考慮各種因素，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生重要幹擾，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，不利於番茄紅素與番茄籽油充分溶解，從而導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 柱後壓的優化

柱後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，調整柱後壓，將柱後壓從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後壓的升高而減小(如圖7)。分離度也有下降的趨勢，其停留時間接近，更不利於分離，所以層析柱後壓選擇15.0MPa較為合適。

圖7容量因子隨柱後壓變化情況折線圖

2.7 柱溫的優化

調整溫度參數，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的番茄皮渣萃取後的樣品物質，經過超臨界CO2流體層析，取分離後的產物，用正己烷溶於10 mL的容量瓶，定容完後，提取出20μL的樣品液經超臨界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]。重複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 結論

本實驗主要研究番茄醬渣料不經過皮籽分離，采用超臨界流體CO2萃取和層析技術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種參數的合理配比，以及層析分離的柱前壓、柱後壓、柱溫等條件的優化，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，柱後壓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。

由於超臨界CO2層析分離操作技術影響因素較多，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，不能滿足生產需要。因此，從實驗結果看來，本實驗雖然進行了大量分離條件的優化，但是由於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，降低生產成本，提高生產設備的使用效率，並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，同時結合膳食纖維提取技術，使3種提取物的生產技術有效結合，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效率[11，12]。此項實驗探索不但可當作應對當前番茄加工企業所麵臨的副產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生產成本。如此，既可提高番茄的綜合利用率，又能提高企業的經濟效益的一項技術，對未來企業長遠發展有非常積極的意義。

參考文獻：

[1] 楊鈴，寧正祥.番茄紅素提取工藝研究進展[J].糧油食品科技，2004，12(5):44-45.

[2] 劉玉梅，劉奎鈁，劉罡.番茄紅素油樹脂中番茄紅素的分析方法的研究[J].食品工業科技，2004，12(6):127-129.

[3] 賈雪峰，吳洪斌，金新文，等.番茄籽油的提取及其影響因素和生理活性研究進展[J].中國食品添加劑，2013，1:203-207.

[4] 沈心妤.番茄籽的綜合利用[D].無錫:江南大學，2006.

[5] 霍超，納文娟，徐桂花.玉米油的主要功效成分及開發應用前景[J].中國食物與營養，2008，10:37-38.

[6] 吳龍斌.氣相色譜分析理論與應用的認識[J].錄井技術，1997，3:49-54.

[7] 王海峰，趙豔玲.超臨界CO2萃取番茄皮渣中番茄紅素工藝的研究[J].科技視界，2014，2:182-183.

[8] 魏育才，顧媛媛，魏留芳.二氧化碳清洗技術原理分析[J].清洗世界，2014，30(8):35-38.

[9] 吳雪輝，黃永芳，高強，等.肉桂精油的超臨界CO2萃取工藝及成分研究[J].食品工業科技，2007，1:69-71.

[10] 張慧.超臨界CO2萃取花椒風味物質的工藝開發研究[D].西安:西北大學，2010.

[11] 高偉亮.手性多氯聯苯和擬除蟲菊酯類農藥在超臨界流體色譜中的對映體分離研究[D].杭州:浙江工業大學，2011.

[12] 閆新煥，宋燁，劉雪梅，等.番茄紅素研究進展及應用[J].中國果菜，2013，12:25-28.

基金項目：山西省大同市科技攻關項目(2016046)。