□ 解謙 楊陽 劉利萍 師小勇 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：該研究采用超臨界CO2流體萃取技術分別提取出番茄紅素和番茄籽油，從而確定這兩種提取產物最合理的工藝條件。最終，當萃取壓力為25Mpa，溫度為40℃，二氧化碳(CO2)流量在20kg/h，萃取2個小時就能夠將番茄中90%以上的番茄紅素提取出來;在萃取壓力為35Mpa，溫度為40℃，CO2流速為20kg/h，萃取時間選擇1h的情況下，可以得到85%以上的番茄籽油。

關鍵詞：超臨界CO2流體萃取 番茄紅素 番茄籽油

在番茄醬生產的精制工段，破碎得到的番茄漿汁通過精制機將其中的皮籽分離排出，通常情況下皮籽的出率為原料的3%左右。目前，生產番茄醬時分離出的皮籽往往被低價直接出售給農民作為牲畜飼料，而沒有及時清運的皮籽將嚴重影響加工廠的排水和衛生。但是，番茄皮籽中含有較豐富的蛋白質、脂肪、粗纖維以及番茄紅素，經加工利用后可以產生更多的經濟價值，國內外有關科研機構就如何回收利用這些營養物質做了大量研究[1]。

番茄紅素又稱ψ-胡蘿卜素，屬于異戊二烯類化合物，是類胡蘿卜素的一種[2]。番茄紅素具有抗氧化和預防衰老的特殊功效，不但對癌癥有預防效果，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。番茄籽油富含亞油酸、亞麻酸，在抗動脈粥樣硬化、調節血壓等疾病方面具有顯著效果。番茄籽油由約75%的不飽和脂肪酸和約25%的飽和脂肪酸組成[3]，其中，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，從而起到改善血管壁的作用。

超臨界流體(supercritical fluids，SCF)是指超過臨界溫度和臨界壓力狀態的流體，將超臨界流體優異的溶劑性能用于萃取，能在食品、生化、化工及化學分析等領域擁有廣泛的應用前景。目前，最受青睞的是超臨界CO2流體萃取技術，這是因為CO2不僅具有較低的臨界溫度——適用于食品生產加工，其對熱敏性物料和生物活性物質十分有利，且安全無毒、無味、無色、對產品無害，易與萃取物分離，無殘留，產物品質高[4，5]。

當前，國內外番茄紅素的生產企業采用的生產方法主要有溶劑萃取法、超臨界萃取法、微波法、化學合成法、超聲波輔助溶劑萃取法等，但是以上傳統溶劑萃取法存在有機溶劑的殘留，對于食品加工業來說具有局限性。超聲波輔助溶劑萃取法產量較低[6]，難以實現規?；a。因此，本試驗利用超臨界CO2流體萃取技術，在適當條件下從番茄的皮和籽中提取出番茄紅素和番茄籽油，以確定番茄紅素和番茄籽油提取產物合理的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：番茄皮籽由山西華晟果蔬飲品有限公司提供;CO2純度在99.5%以上;試劑均為分析純。

儀器：FW200A型粉碎機(昆山強威粉體設備有限公司);GZX-9070 MBE型數顯鼓風干燥箱(上海博迅實業有限公司醫療設備廠);Ha20-50-2型超臨界萃取裝置(江西華云超臨界萃取設備公司);LA204型電子分析天平(常熟市鴻泰儀器儀表技術有限公司)。

1.2 工藝流程簡述

1.2.1 超臨界CO2流體萃取工藝流程

超臨界CO2流體萃取工藝流程如圖1所示[7]。萃取率的計算方式為：

1.2.2 超臨界CO2流體提取番茄紅素

稱取100g番茄籽粉置于萃取罐中，二氧化碳從儲氣罐中經凈化器流出，在制冷槽中液化，而后再由高壓泵和熱流交換裝置進入到后面的萃取裝置，并且升高壓力至預定的實驗壓力，最終形成超臨界流體。在萃取器中，超臨界流體與原料物融合后經一系列反應將其中的番茄紅素溶解出來。實驗過程中優先考慮的因素有：時間、溫度、壓力。分離之后得到番茄紅素的混合物進行稱重處理，然后計算番茄紅素的最終萃取率[8]。

1.2.3 超臨界CO2流體提取番茄籽油

稱取100g番茄籽粉置于萃取缸中，根據萃取條件的多次改變來進行多次實驗。將CO2從儲存的鋼瓶放出后，首先凈化器將氣體進一步除去雜質后到達液化槽，然后通過液壓泵，預熱器使流體到達超臨界狀態，再次經凈化器b去往萃取缸與原料匯合。萃取完成后，流體帶著目標產品進入分離器，分離器a壓力為6.0～7.0Mpa，分離器b壓力為4.0～5.0Mpa，隨壓力逐級減少，流體對萃取物的溶解能力逐步下降，目的產物被分離出來。此次實驗采用溫度相同的方法來實現分離，流經不同壓力的分離器因CO2溶解能力變小，萃取物與CO2分離[9]。

1.3 單因素及正交試驗

為得到番茄紅素和番茄籽油提取的優化工藝條件，以萃取時間、萃取壓力、CO2流量、萃取溫度作為考察因素，進行單因素試驗并測定提取率;通過正交試驗確定最優工藝條件。

1.4 數據分析

所有實驗重復3次，利用Excel 2003進行表格制作與數據分析。

2 結果與討論

2.1 超臨界CO2流體提取番茄紅素的優化

2.1.1 萃取時間對超臨界CO2流體提取番茄紅素的優化

圖2表明，在壓力為25Mpa，溫度40℃，CO2流速為20kg/h的條件下，萃取時間的差異將直接影響番茄紅素的回收率。圖中可以明顯看出，實驗時間越長番茄紅素的回收率越好，在2h時更是到達了96.1%。隨著時間的推移，傳質效果好，萃取率增大;當大部分物質被提取后，隨著時間的延長，萃取率變化不大?？紤]到生產的實際運用和成本預算不提倡長時間作業，所以在生產中選擇的萃取時間維持在2小時最佳。

2.1.2 萃取壓力對超臨界CO2流體提取番茄紅素的優化

通過表1可以看出，萃取壓力的不斷增長直接影響回收率。壓力維持在10Mpa下實驗番茄紅素的回收率并不理想，只有65.8%，而在25Mpa時回收率達到96.6%。雖然隨著壓力的升高回收率還有所增長，但是提取壓力過高會導致各種分子之間發生相互作用，不利于CO2與番茄紅素的分離。萃取壓力高，流體密度增大，萃取率隨之增加，但是高的萃取壓力也會增加成本。因此，綜合生產的可行性條件選擇萃取壓力為20~25Mpa較為合適。

2.1.3 CO2流量對超臨界CO2流體提取番茄紅素的優化

通過實驗發現，CO2流量差異也會對萃取率有影響。在萃取壓力為25Mpa，溫度為40℃，時間為2h，其余工作參數同上的情況下進行試驗。從圖3可以看出，隨著流量的增加能更好地提高萃取效率，在流量20kg/h之后萃取效率的增長呈現平緩甚至是降低趨勢。如果CO2流量過大，CO2與萃取物質無法充分傳質，導致萃取率下降，在增加CO2流量的消耗的同時增加了生產成本。因此，本試驗的CO2流量維持在20~25kg/h較為適宜。

2.1.4 萃取溫度對超臨界CO2流體提取番茄紅素的優化

研究表明，實驗中萃取溫度的差異會導致番茄紅素的萃取率差異，溫度對于SCF-CO2溶質中溶解度的影響更為復雜[10]。萃取溫度對提取番茄紅素的影響結果如圖4所示，圖中的兩個峰值分別出現在了40℃和50℃。溫度的升高會增強溶質的揮發性，加快了分子熱運動，增大擴散系數，從而有利于番茄紅素的萃取。但是，溫度升高后，CO2分子間距增大，密度降低，溶解力下降，反而不利于萃取?？紤]到生產的最優化，所以最佳萃取溫度應該在40~50℃下最理想。

2.1.5 單因素及正交試驗

單因素試驗表現出不同萃取時間對萃取率的影響很大，為再一步研究將萃取時間設置為2h，可以對萃取時的壓力和溫度采用二因素三水平的正交試驗。

由表2觀察可知，最優實驗的條件為6號，萃取率高達69.4%。但考慮到萃取壓力越大對設備要求越大、能耗越高，最優實驗應為5號實驗。使用超臨界二氧化碳萃取番茄紅素，工藝過程中在壓力25Mpa，溫度40℃，流量20kg/h，萃取時間2h的情況下可提取90%以上的番茄紅素。

2.2 超臨界CO2流體提取番茄籽油的優化

2.2.1 不同壓力條件下萃取番茄籽油的影響

溫度選取40℃，在CO2流速為20kg/h，萃取2h的條件下，設定不同壓力所得番茄籽油的萃取率如圖5所示——隨壓力的增大，萃取率呈上升趨勢，壓力在30Mpa時萃取率最多。萃取壓力升高，流體密度增大，因而萃取率增加，但是高的萃取壓力也會增加成本。所以，綜合生產的可行性選擇萃取壓力為30Mpa比較合適。

2.2.2不同溫度條件下萃取番茄籽油的影響

萃取壓力選取30Mpa，CO2流速為20kg/h，萃取2h，設定不同溫度所得番茄籽油的萃取率如圖6所示——隨著溫度的上升萃取率在升高，但在接近40℃之后萃取率開始逐漸下降。其原因為，在溫度升高后，CO2分子間距增大，密度降低，溶解力下降，從而不利于萃取。

2.2.3 不同CO2流速條件下對萃取番茄籽油的影響

萃取壓力選取30Mpa，溫度選取40℃，萃取2h的時間，設定不同壓力所得番茄籽油的萃取率如圖7所示——CO2流速在20kg/h達到頂峰，之后趨于平緩。CO2流速在20kg/h時萃取了大部分物質，因此當CO2流量過大時，萃取率并無較大變化，同時也增加了生產成本。因此本試驗的CO2流量為20kg/h時較為適宜。

2.2.4 不同萃取時間條件下對萃取番茄籽油的影響

在萃取壓力為30Mpa，溫度為40℃，CO2流速設定為20kg/h的條件下，選擇不同萃取時間所得番茄籽油的萃取率如圖8所示——萃取2h所得的萃取率最高，當大部分物質被提取后，隨著時間的延長，萃取率變化不大。萃取4h同2h沒有太大差別，因此萃取時間選用2h為合適。

2.2.5 單因素及正交試驗

通過單因素試驗表明，不同萃取時間對萃取率的影響很大，萃取時間在1h的萃取率遠大于0.5h。為進一步研究對萃取率的影響，可固定萃取時間為1h，萃取流速為20kg/h，對萃取時的溫度和壓力進行二因素三水平的正交試驗。經優化實驗可以發現在萃取壓力為35Mpa，溫度為40℃，CO2流速為20kg/h，萃取時間為1h的情況下，得到萃取率最高，為87.4%(見表3)。

3 結論

將超臨界CO2流體萃取方法應用于提取番茄紅素和番茄籽油這兩種物質，分別利用單因素試驗測得萃取番茄紅素和番茄籽油的最佳工藝條件。提取番茄紅素最佳萃取溫度為40~50℃、萃取壓力為20~25Mpa，流量為20kg/h，萃取時間為2h的情況下可提取90%以上的番茄紅素。提取番茄籽油最佳萃取壓力為35Mpa，溫度為40℃，CO2流速為20kg/h，萃取時間選擇1h，此條件下得到萃取率為87.4%。與常規萃取技術相比，超臨界CO2萃取技術的萃取速度比液體快、參數容易操控，而且超臨界CO2的擴散系數比較大、粘度比液體小，可以在接近室溫及CO2保護的條件下進行提取，有效保護了受熱易變性分解的目的物，避免了傳統提取方法的弊端[11]。在此工藝條件下，可得到純度在90%以上無溶劑殘留且無異味的番茄紅素和番茄籽油。

參考文獻：

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[10] 黃偉坤等編著.番茄紅素的檢測與分析.北京:中國輕工業出版社，1990，537-539.

[11] Rizvi S S H. Supercritical fluid processing of food and biomaterials[M]. London: Blackie Academic and Processional, 1994:44-61.

基金項目：山西省大同市科技攻關項目(2016046)。