超微粉碎協(xié)同微波提取番茄中番茄紅素的研究

趙芳，于有偉，張少穎，李為琴*

(1.山西師范大學設備處，山西 臨汾 041004；2.山西師范大學 食品科學學院，山西 臨汾 041004)

番茄紅素是一種具有抗氧化功效的脂溶性天然色素，廣泛存在于番茄、西瓜、紅色葡萄柚、紅色棕櫚油中。人體自身無法合成番茄紅素，只能通過飲食攝入[1]。研究表明，番茄紅素具有很強的抗氧化作用，可以減緩低密度脂蛋白的氧化，從而防治動脈硬化；能有效抑制癌細胞的繁殖；在所有的類胡蘿卜素中，它具有最強的消除單線氧的功能，其對單線氧的消除能力是β-胡蘿卜素的2倍；清除自由基的能力也優(yōu)于類胡蘿卜素[2]。番茄紅素可作為肉制品的保鮮劑、著色劑，可用來防止食用油的脂肪氧化劣變，在功能性飲料和焙烤食品中也有應用。目前番茄紅素已被聯(lián)合國糧農組織(FAO)、食品添加劑委員會(JECFA)和世界衛(wèi)生組織(WHO)認定為A類營養(yǎng)素，并被50多個國家和地區(qū)作為具有營養(yǎng)與著色雙重作用的食品添加劑，在食品工業(yè)中具有廣泛的應用潛力[3]。

超微粉碎是指利用機械或流體動力的方法克服固體內部凝聚力使之破碎，從而將 3 mm 以上的物料顆粒粉碎至小于10～25 μm的操作技術，是20世紀70年代以后，為適應現代高新技術的發(fā)展而產生的一種物料加工高新技術[4]。超微粉碎增加了微粉的比表面積，使粉末的吸附性、溶解性等相應增大。目前，已經有多糖、膳食纖維、黃酮、色素等采用超微粉碎技術提取的報道[5]。微波是指波長在10-3～10-1m，頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，微波介于紅外線和無線電波之間。微波萃取法是通過微波能來提高提取效率的一種新技術。微波引起極性分子間的相互摩擦可以產生大量的熱，使細胞內部溫度上升迅速，細胞壁承受不了細胞內部的壓力，最終破壞細胞，使內部物質成分迅速有效地自然溶出[6]。目前，已有微波提取多酚、多糖和黃酮等食品成分的報道[7-9]。本實驗采用超微粉碎協(xié)同微波提取番茄中的番茄紅素，將超微粉碎與微波提取的優(yōu)點融于一體，為番茄紅素及其他功能性食品成分的提取提供了相應的參考。

1 材料和方法

1.1 原料和試劑

番茄：新鮮成熟的普通紅色番茄，購于臨汾市堯豐農貿市場；番茄紅素標準品(純度>95%)：購于山東西亞化學工業(yè)有限公司；二氯甲烷、甲苯、石油醚、乙酸乙酯、正己烷：均為分析純，購于天津市北辰方正化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；GZX-9246MBE電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；WBL25B26攪拌料理機 廣東美的電器股份有限公司；FDV氣引式超微粉碎機 北京燕山正德機械設備有限公司；WBFY-201微波化學反應器 上海恬恒儀器有限公司；標準篩 浙江上虞市華豐五金儀器有限公司。

1.3 樣品預處理

新鮮番茄洗凈，切成約4 mm厚的片狀，放入電熱鼓風干燥箱內，在60 ℃條件下干燥18 h至恒重。采用料理機進行普通粉碎，并取部分普通粉碎的物料進行超微粉碎。

1.4 實驗設計

實驗首先遴選提取溶劑，然后對超微粉碎和普通粉碎的提取工藝進行比較。隨后對微波功率、微波提取時間和料液比進行單因素實驗，在單因素實驗的基礎上進行L9(34)正交實驗，優(yōu)化提取工藝，得出最佳提取條件。

1.5 番茄紅素提取量的測定

對番茄紅素進行紫外掃描，確定最大吸收波長，然后繪制標準曲線，用于計算番茄紅素的提取量[10]。番茄紅素的提取率按照下式計算：

番茄紅素提取率(mg/100 g)=番茄紅素質量/干重番茄質量×100。

1.6 統(tǒng)計分析

各處理重復3次，采用 DPS 7.05進行數據統(tǒng)計分析，多重比較采用 Duncan＇s 新復極差法。

2 結果與分析

2.1 番茄紅素最大吸收波長的確定和標準曲線的繪制

由圖1可知，番茄紅素在447.5，473.0，504.5 nm處各有一個吸收峰，其中以473.0 nm處為最大吸收波長，在此處的吸光系數最大，測定靈敏度提高，因此選用473.0 nm處測定吸光度值。

圖1 番茄紅素的紫外吸收光譜Fig.1 UV absorption spectrum of lycopene

圖2 番茄紅素的標準曲線Fig.2 Standard curve of lycopene

由圖2可知，番茄紅素標準曲線回歸方程為y=492.24x+5.7618(R2=0.9997)，且在0～400 mg/L內存在非常好的線性關系。

2.2 提取溶劑的選擇

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

圖3 不同提取劑對番茄紅素提取率的影響Fig.3 Effect of different extraction agents on the extraction rates of lycopene

由圖3可知，在同樣的提取條件下，二氯甲烷提取番茄紅素的得率最高(P<0.05)，但鹵族元素毒性較大，且番茄紅素易發(fā)生異構化反應，因此應避免使用[11]。提取效果次之的是乙酸乙酯，最差的是石油醚。乙酸乙酯為中等非極性溶劑，溶解非極性色素能力強，易于回收利用且價格便宜，因此本實驗中確定以乙酸乙酯作為提取劑。

2.3 超微粉碎與普通粉碎比較

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功率的微波中加熱提取60 s。

圖4 不同粉碎程度對番茄紅素提取率的影響Fig.4 Effect of different crushing degrees on the extraction rates of lycopene

由圖4可知，隨著番茄粉末顆粒從40目到80目逐漸變小，番茄紅素的提取率逐漸增大。超微粉碎的顆粒表現了最高的番茄紅素提取率，比120目的顆粒高48.7%(P<0.01)。由于超微粉碎的顆粒非常小，物料與提取劑的接觸面積比較大，有助于更多的番茄紅素從顆粒內部遷移到溶劑中[12]。

2.4 微波功率的選擇

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熱提取60 s。

由圖5可知，隨著微波功率的增大，番茄紅素的提取率逐漸增大。在微波功率小于455 W時，番茄紅素的提取率增幅明顯。究其原因可能是隨著微波功率的增大，物料獲得的能量在增加，整個提取體系的溫度升高，番茄細胞壁發(fā)生破裂，有利于番茄紅素從細胞中溶出[13]。隨著功率的進一步增加，番茄紅素的提取率開始下降，可能是由于微波功率繼續(xù)增大，溫度持續(xù)升高時，雖然能促進番茄紅素的溶出，溶劑中的番茄紅素也會發(fā)生氧化降解反應，導致總體的提取率下降[14]。

圖5 微波功率對番茄紅素提取率的影響Fig.5 Effect of microwave power on the extraction rate of lycopene

2.5 微波提取時間的選擇

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時間加熱提取。

圖6 提取時間對番茄紅素提取率的影響Fig.6 Effect of extraction time on the extraction rates of lycopene

由圖6可知，隨著微波處理時間的延長，番茄紅素的提取率逐漸提高。當處理時間達到60 s時，番茄紅素的提取率達到5.69 mg/100 g，比30 s時的提取率高32.0%。隨著微波處理時間的進一步增加，番茄紅素的提取率開始降低，可能是由于溫度進一步升高，熱量增大，導致溶劑中的番茄紅素發(fā)生了降解反應[15]。

2.6 液料比的選擇

取2 g超微粉碎的番茄粉末，置于三角瓶中，分別加入不同體積的乙酸乙酯，采用455 W功率的微波加熱提取60 s。

圖7 料液比對番茄紅素提取率的影響Fig.7 Effect of ratio of solid to liquid on the extraction rates of lycopene

由圖7可知，番茄紅素的提取率隨著料液比的增大首先呈現增大的趨勢；當料液比達到1∶7時，番茄紅紅素提取率達到平衡。隨著料液比的進一步增大，提取率沒有顯著增加(P>0.05)。

2.7 正交實驗

在單因素實驗的基礎上，采用正交實驗對超微粉碎協(xié)同微波提取番茄紅素的條件進行了優(yōu)化，結果見表1。

表1 正交實驗結果Table 1 Orthogonal experimental results

由極差R值分析可知，本實驗中影響番茄紅素提取率各因素的主次順序是料液比>微波提取時間>微波功率?？樟械腞值最小，表明選取的幾個正交因素的交互作用較弱。直觀實驗表明，A2B1C2D3組合的番茄紅素的提取率最高，為6.25 mg/100 g；而由k值可以得出A3B1C2D2為最優(yōu)組合。經實驗驗證，超微粉碎的番茄粉末采用乙酸乙酯提取時，在最優(yōu)組合微波功率455 W，微波提取時間55 s和料液比1∶7的條件下，番茄紅素的提取率為6.46 mg/100 g。

3 結論

采用乙酸乙酯作為提取劑，超微粉碎協(xié)同微波提取番茄中的番茄紅素，超微粉碎展示了比較高的提取率。隨著微波功率的增大和提取時間的延長，番茄紅素提取率呈現先升高后降低的趨勢；隨著料液比的增大，番茄紅素提取率逐漸增大并達到平衡。超微粉碎協(xié)同微波提取番茄中番茄紅素的最佳工藝條件為微波功率455 W、微波提取時間55 s和料液比1∶7。在此優(yōu)化條件下，番茄紅素的提取率為6.46 mg/100 g。在食品加工業(yè)方面，中國已批準番茄紅素作為著色劑、食品添加劑應用到食品加工過程中。番茄紅素作為食品配料的應用研究得到了飛速發(fā)展，在果蔬產品、乳制品、肉制品、烘焙食品、糖果等食品中獲得了非常好的應用效果。