番茄紅素的提取工藝優化及應用

范芳芳，魏寧果，鄒 力，安 瑜，靳 迪

（1. 陜西省產品質量監督檢驗研究院，陜西 西安 710048；2. 西安培華學院，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紅色或深紅色的類胡蘿卜素[1]，分子式為C40H56，分子結構是有11 個共軛和2 個非共軛的碳- 碳雙鍵組成的非環狀平面共軛多烯[2]（見圖1[3]）。根據結構式可知，番茄紅素為脂溶性物質，穩定性差，容易發生順反異構反應和氧化降解[4]，對光、熱、氧、酸、金屬離子等比較敏感[5]。研究發現，番茄紅素具有較強的抗氧化性能力，能夠降低癌癥[6]和心血管[7]等疾病的發病率。同時，作為營養強化劑和天然色素[8]，番茄紅素在保健食品、化妝品和醫藥行業越來越受到重視[9]。

研究發現，在各類水果中，番茄中番茄紅素含量相對較高[10]。我國是番茄生產大國，資源極為豐富，研究番茄中番茄紅素的提取，對于延長番茄產業鏈、提高番茄科技附加值、開發天然抗氧化劑具有重要的實際意義[11]。番茄紅素常見的提取技術有溶劑提取法[12]、超聲波輔助提取法[13]、超臨界流體萃取法[14]和高壓脈沖電場輔助提取法[15]等，每種方法各有優缺點[16]。在NY/T 1651—2008[17]的基礎上采用有機溶劑- 水- 無機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行分析測定的方法，整個試驗過程采用單因素分析結合正交設計試驗的方法進行研究。

番茄紅素的結構式[3]見圖1。

圖1 番茄紅素的結構式

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

番茄，購自當地農貿市場和超市，為紅色自然成熟番茄。

番茄紅素標準品：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，天津市天力化學試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設備

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

1.3 試驗方法

1.3.1 番茄預處理

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→測定。

（2） 參數工藝。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，旋轉蒸發后定容體積10 mL，其余按照試驗設定條件進行。

1.3.3 溶劑提取工藝單因素試驗

參考文獻[18-20]，設計表1 的單因素試驗方案，研究料液比、無水硫酸鈉用量、超聲時間和超聲溫度對番茄中番茄紅素提取率的影響。

單因素試驗設計見表1。

表1 單因素試驗設計

1.3.4 超聲- 微波輔助提取番茄紅素的正交試驗

根據單因素試驗結果，選擇對番茄中番茄紅素提取率影響較大的料液比、超聲時間、超聲溫度和無水硫酸鈉用量為因素，設計四因素三水平正交試驗。

L（934）正交試驗因素與水平設計見表2。

表2 L9（34）正交試驗因素與水平設計

1.3.5 番茄紅素含量的測定

以番茄紅素標準品為對照，采用高效液相色譜-二極管檢測器測定提取液中番茄紅素含量，計算番茄紅素提取率。

（1） 番茄紅素標準曲線的繪制。參考NY/T1651—2008 的方法。精確稱取番茄紅素標準品1.0 mg，用二氯甲烷配制質量濃度為100 mg/L 的番茄紅素標準溶液。準確吸取番茄紅素標準溶液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處進行上機測定。以質量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線，得標準曲線方程為：A=3.607C-0.287，R2=0.996。番茄紅素質量濃度為0.5～60.0 μg/mL時與其峰面積呈良好的線性關系。

（2） 番茄紅素含量的測定。將試驗得到的番茄紅素提取液稀釋一定倍數后，按1.3.5（1） 中方法測定并計算質量濃度，再按下式計算番茄紅素含量。

2 結果與分析

2.1 料液比對番茄紅素含量的影響

料液比對番茄紅素含量的影響見圖1。

圖1 料液比對番茄紅素含量的影響

研究了料液比為 1∶2～1∶16（g∶mL） 對番茄紅素含量的影響，結果發現隨著料液比的增大，番茄紅素的含量增大，當料液比為1∶8 時達到最大，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，但是樣品基質中番茄紅素的含量是一定的，過量的提取溶劑不僅浪費資源，而且在后續氮吹等操作中損失會更多，所以料液比選為 1∶8 （g∶mL）。

2.2 超聲時間對番茄紅素含量的影響

超聲時間對番茄紅素提取含量的影響見圖2。

圖2 超聲時間對番茄紅素含量的影響

研究了超聲時間為0～60min 對番茄紅素含量的影響，結果表明隨著超聲時間的增大，番茄紅素的含量增大，當超聲時間為30 min 時，達到最大，隨后降低。這是由于超聲時間越長，越有利于溶劑對番茄紅素的提取，但是由于番茄紅素的不穩定性，過長的超聲時間可能導致其的結構被破壞，所以最優超聲時間為30 min。

2.3 超聲溫度對番茄紅素含量的影響

研究了超聲溫度為10～60 ℃對番茄紅素含量的影響，結果表明隨著超聲溫度的增大，番茄紅素的含量增大，當超聲溫度為40 ℃時，達到最大，隨后急劇降低。

這是由于適宜的溫度有利于溶劑對番茄紅素的提取，但是過高的溫度會破壞番茄紅素的分子結構，所以最優超聲時間為40 ℃。

超聲溫度對番茄紅素含量的影響見圖3。

圖3 超聲溫度對番茄紅素含量的影響

2.4 無水硫酸鈉的含量對番茄紅素含量的影響

研究了無水硫酸鈉的含量為0～6 g 對番茄紅素含量的影響，結果表明無水硫酸鈉用量為1 g 時，番茄紅素的含量達到45.687 mg/kg，繼續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，當無水硫酸鈉用量為5 g 時，番茄紅素的含量為45.658 mg/kg，再繼續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。

無水硫酸鈉用量對番茄紅素含量的影響見圖4。

圖4 無水硫酸鈉用量對番茄紅素含量的影響

這是由于無水硫酸鈉用量為1 g 時，水- 有機相所形成的雙水相達到平衡，分子力的作用使番茄紅素更多地溶解于有機相，隨著無水硫酸鈉的含量增加，該雙水相平衡被打破，無水硫酸鈉對水分的吸附形式變為其結晶水合物的形成，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，當無水硫酸鈉用量大于6 g 時，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

正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果

由表3 可知，各因素影響番茄紅素含量的大小順序為料液比＞超聲溫度＞無水硫酸鈉用量＞超聲時間。有機溶劑- 水- 無機鹽提取番茄中番茄紅素的最佳工藝條件為A2B2C2D2，即超聲時間30 min，料液比1∶8，超聲溫度40 ℃，無水硫酸鈉用量為1 g。按照正交試驗確定的最佳提取工藝條件進行3 次平行試驗，測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，相對標準偏差RSD 為0.58%，表明該提取工藝穩定可靠、重現性好。

2.6 加標回收試驗

試驗將番茄紅素儲備液分別加入番茄樣品中1，2，3 mL，加入質量濃度分別為 2.5，5.0，7.5 μg/mL，分別進行7 次重復性測試。

不同質量濃度下加標回收率情況見表4。

表4 不同質量濃度下加標回收率情況

由表4 可知，不同質量濃度的加標回收率均為78.65%～84.22%，番茄紅素含量的相對標準偏差均小于2。

2.7 不同原料的處理結果對比

在市場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 批次進行試驗。

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，相應的水果所呈現的紅色越深。

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

3 結論

在單因素試驗的基礎上，采用正交試驗對番茄中番茄紅素進行有機溶劑- 水- 無機鹽液液浸提-氮吹富集工藝進行了優化，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、穩定性好、回收率高、操作簡單等優點。

在最佳工藝條件下，試驗進一步對不同種類的番茄和圣女果中番茄紅素的含量進行測定，結果表明，自然成熟的番茄品種中番茄紅素的含量高低可以根據果實顏色初步判斷，顏色越深，含量可能也越高。隨著人們對番茄紅素的逐步認識，近年來各種番茄嫁接品種層出不窮，打著“富含番茄紅素”旗號迷惑消費者，試驗不僅為番茄中番茄紅素的提取提供了簡單穩定的操作工藝，而且能夠幫助消費者在魚龍混雜的廣告中辨認并購買所需要的產品。