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番茄红素提取工艺研究综述

发布时间:2013-11-25

番茄红素

 

番茄红素是一种重要的类胡萝卜素,具有抗氧化、清除自由基、防癌、抗癌以及护肤等多种生理功能,是一种功能性的天然色素。就番茄红素的理化特性和目前工业上常用的提取方法作一简要综述。

1·前言

番茄红素在自然界的分布很广,它的抗氧化能力是β-胡萝卜素的3.2倍,是维生素E的100倍,它能高效淬灭人体中的单线态氧和清除自由基,从而起到抗癌、抑癌作用及活化免疫细胞等功能,被称为“植物黄金”。

2·番茄红素的理化特性

番茄红素是类胡萝卜素的一种,研究表明这类物质呈针状深红色晶体或深红色油状形态,分子式为C40H56,分子量536.85,熔点174℃(反式),是由11个共轭及2个非共轭碳-碳双键组成的脂溶性的不饱和碳氢化合物,结构中的11个共轭双键都能发生顺反异构化。

由于其特殊结构,极易发生氧化降解反应,易被氧化退色。天然植物中的番茄红素都是全反式构型,是最稳定的热力学构型,从加工性能上看,番茄红素的耐热稳定性比较好,但光、氧气、金属离子(如:Fe2+、Cu2+等)均会影响其稳定性,番茄红素对光尤其敏感,在日光、紫外光照射下分解很快,因此,在储存或加工番茄红素时应尽量避光及与金属离子接触。研究表明,一些食品添加剂也会影响其稳定性。比如:酸性物质会降低番茄红素的稳定性,尤其是酸性较强或酸的浓度过大时,番茄红素的稳定性明显下降;防腐剂因其结构和性质不同对番茄红素的稳定性影响不同,其中苯甲酸影响不大,而山梨酸会明显提高其稳定性;抗氧化剂中的BHA、TBHQ能显著提高番茄红素的稳定性,维生素E会增加其稳定性,而L-抗坏血酸则会显著降低其稳定性。

番茄红素主要存在于番茄、西瓜、胡萝卜、草莓、葡萄以及柑桔等果实和红色棕榈油中,其中番茄中的含量最高,一般可达3~14mg/100g,并且含量随品种和成熟度的不同而不同,成熟度越高,番茄红素的含量也越高,最高可达每百克400mg以上。

3·番茄红素的提取方法

现在市场上的番茄红素产品主要分为:(1)采用化学方法合成的人工合成品;(2)采用微生物(三孢布拉霉)发酵法生产的生物合成品;(3)以天然生物资源为原料制备的番茄红素天然产物。其中,根据制造工艺,可又分为:(1)以有机溶剂为萃取介质制备的产品;(2)以超临界流体(二氧化碳等)为萃取介质制备的产品。产品的形式主要有作为食品着色剂和食品营养补充剂使用的番茄红素结晶、番茄油树脂以及番茄红素胶囊等形式。国际市场上番茄红素的产品达100多种。目前我国工业化生产方法主要是溶剂法和萃取法,整体而言,我国在番茄红素的生产和研究方面近些年来尽管发展较快,但仍还处于起步阶段,发展的空间很大。

目前番茄红素的的提取方法主要有下列几种:

3.1直接粉碎法

由于番茄红素在番茄皮的下表皮细胞中含量较高,一般在10~15mg/100g,因此,可利用番茄皮提取番茄红素。可将干燥过的番茄皮粉碎后直接作为着色剂食用。这是一种最为简单实用的提取及使用方法。

3.2有机溶剂提取法

番茄红素是一种脂溶性的类胡萝卜素,不溶于水,难溶于甲醇、乙醇中,可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮,易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有剂溶剂。利用这一特性,可选用亲油性有机溶剂从番茄或番茄制品的废弃物中提取这种色素。一般步骤为:新鲜番茄或番茄皮经过预处理、干燥、粉碎,选用一种有机溶剂或混合溶剂作为萃取液进行固液萃取,最后将萃取液真空浓缩,得到番茄红素的粗制品。此法简单易行,但由于通过这种方法获得的产品的纯度低、收率低,番茄红素含量约在5%~15%左右,而且通常不会产生番茄红素晶体,而是一种呈油状的物质即番茄红素油树脂。再加上存在有机溶剂残留等问题,影响了它的推广使用。欧洲一专利采用95%的乙醇作溶剂,逆流法78℃浸提5h,获得色素液,真空浓缩除去溶剂后得粉状色素产品。最近有资料报道,胡文忠等研究了在不同的浸提温度、料液比、浸提时间、浸提次数四个浸提单因素条件下的浸提效果,发现利用乙酸乙酯做番茄红素的浸提溶剂,料液比为1g:3ml、温度为55℃、时间为55分钟、采用脱水搅拌浸提而且选择连续浸提3次浸提的效果较好。实验中还发现,使用纤维素酶(0.3-0.5%)可以分解番茄果肉中的纤维素成分,破坏细胞壁,加快番茄红素从细胞中的溶出速度,同时还可减少浸提次数和浸提剂的用量,提高浸提效果。

3.3超临界流体萃取法

超临界流体萃取技术是食品行业的一项新的萃取、分离和纯化技术,与传统的有机溶剂提取法相比,具有工艺简单,萃取剂便宜、无毒、易回收,无化学溶剂消耗和残留,避免萃取物在高温下裂解,无污染等优点。尤其因为萃取过程是低温处理,特别适合番茄红素等热敏较高的物质的提取。苍久娜等采用超临界CO2萃取技术从番茄皮中提取番茄红素,通过单因素实验和正交实验研究了不同萃取压力、萃取温度、CO2流量和萃取时间对萃取率的影响,确定了萃取的最佳条件为萃取压力26MPa,萃取时间3.0h,萃取温度40℃,CO2流量30kg/h,在此条件下番茄红素的萃取产量为26.34mg/100g。日本科研人员研究了超临界CO2从番茄皮中提取番茄红素,原料微粉碎或经果胶酶、纤维素酶处理后,提取压力270kg/cm2,提取温度40℃,提取率可达95%。

3.4微波辐射萃取法

微波辐射萃取法是指使用微波及合适的溶剂在微波反应器中从各种物质中提取各种化学成分的技术与方法。因为番茄红素是脂溶性色素,有机溶剂不易渗透穿过这类物质的细胞壁和细胞膜,所以提取时间较长。近年来,微波辐射技术已有所应用,李芳等以番茄酱为原料,研究了微波辐射对番茄红素提取效果的影响。研究结果表明,微波辐射能显著提高番茄红素的提取率,其最佳提取条件为:采用乙酸乙酯为提取溶剂,提取功率为360W,提取时间为15s,料液比为1g:2ml,提取次数为3次,提取率可达90%以上。通过实验发现与超临界CO2相比,微波辐射萃取法具有成本低、投资少、提取率高等优点,在天然色素的提取工艺中具有较为广阔的应用前景。

3.5化学合成法

从1831年在胡萝卜中首次分离胡萝卜素到1950年首次完成β-胡萝卜素的合成经历了100年的时间。到现在,能用化学法合成的类胡萝卜素已很多。目前,瑞士罗氏公司和德国的巴斯夫化工公司等企业已有相应的番茄红素产品的生产。它们的生产与VA的生产类似,一般以β-紫罗酮作为原料来合成。另据资料报道,以乙酸松油酯为原料,经过系列化学反应,合成番茄红素的代谢物:2,6-环番茄红素-1,5-二醇和5,6-二羟基-5,6-二氢番茄红素。近年来的研究表明,它们是人体内血液中主要的类胡萝卜素,具有较好的防癌和抗癌作用。

3.6酶反应法

目前酶反应法主要有两种处理方法:一是利用番茄自身酶的作用提取番茄红素,将番茄皮渣加碱调至pH7.5~9.0使番茄皮中的果胶酶和纤维素酶反应,分解果胶和纤维素,使得番茄红素的蛋白质复合物从细胞中溶出,所得色素为水分散性色素。另一种是采用外加酶的方法提取番茄红素,其工艺为:番茄原料(番茄酱、番茄泥等)用果胶酶和纤维素酶(0.2%~0.5%)在50℃处理3h,除去90%的果胶、纤维素等非色素物质,离心沉淀,用96%的乙醇洗涤,过滤,然后用乙醇和植物油提取、分离油相,得到相应产品。

3.7微生物发酵法

除了从含有番茄红素的物质中提取或用化学合成番茄红素外,还可以采用藻类和真菌及酵母发酵生产番茄红素。这是一种由布拉霉获得类胡萝卜素的新方法。主要是其基于三孢酸的加入能够提高番茄红素的产率。该方法在单独的或混合的培养物中,从野生菌株或其突变体起进行。三孢酸的加入可在发酵开始或发酵过程中进行,其起始物可以是部分纯化的制剂或是其非纯化的来源。此外,三孢布拉霉菌株具有独特的代谢过程,添加植物油,表面活性剂,抗氧化剂和各种结构类似物能提高β-胡萝卜素的产量,但如果添加其他的发酵促进剂可有助于其他类胡萝卜素的产量,如通过改变以β-胡萝卜素为主的三孢布拉霉菌的生长条件和添加助剂(Na2CO3、呱啶等),可阻断该菌β-胡萝卜素生物合成途径中最后的二步环化反应,从而使番茄红素积累。

修宇等发现在三孢布拉氏霉发酵48h添加3.6mmol/L2-(4-甲基苯氧)-三乙基胺(MPTA)可有效抑制96%β-胡萝卜素的合成;添加15g/L烟草可促进总类胡萝卜素的产量(170mg/L),但其对β-胡萝卜素的合成抑制作用低于MPTA。L27(313)正交实验从抑制剂添加时间、添加量以及两种抑制剂的交互作用等方面考察了同时添加MPTA和烟草对番茄红素产量的影响。发酵48h同时添加烟草10g/L与MP-TA2.2mmol/L,番茄红素的产量可达205mg/L(占总类胡萝卜素产量的94%)。

从产品品质、生产技术、资源成本等因素分析,利用微生物技术生产番茄红素等天然类胡萝卜素将是未来发展的方向。

3.8其他方法

在各国学者的不断努力下,又开发出许多高科技的生产技术。目前以提高番茄红素含量为目的的育种研究已在常规育种和基因工程育种两方面取得了明显成效。美国农业部农业研究服务局ARS的科学家开发出利用玉米纤维作为原料生产番茄红素的新途径,他们对镰刀菌进行了基因改良,可以直接从玉米纤维中提取番茄红素,这种方法极大的降低了从番茄中提取番茄红素的生产费用。

由于番茄红素具有优越的生理功能,其作为天然色素已在全世界范围内被广泛接受,同时也是国际上功能性食品成分研究中的一个热点。欧洲经济共同体和英国允许使用的食用色素中就包括本品。目前,世界粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)已将番茄红素正式列入食品添加剂目录。在今后它有望成为畅销世界市场的保健食品添加剂。我国番茄资源丰富,如何采用经济合理的提取方法,从番茄或番茄制品的废料中提取高附加值的番茄红素并进一步开拓国内外市场,是值得有学者积极研究和探索的问题。

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