超临界二氧化碳层析分离番茄红素和番茄籽油

□ 解谦 杨阳 李宝园(通讯作者) 山西大同大学生命科学学院

□ 刘利萍 山西大同大学化工学院

摘　要：为了免除番茄酱渣分离皮与籽的工序、降低生产成本、提高生产设备的使用效率，本文通过研究番茄红素和番茄籽油在萃取过程中压力、温度、CO2流速、时间4种参数的合理配比，以及层析分离番茄红素的过程中柱前压、柱后压、柱温等条件的优化，尝试超临界CO2流体萃取分离番茄红素和番茄籽油的一步提取法。该方法直接从番茄酱渣废料中提取番茄红素和番茄籽油，得到合理工艺条件：压力30MPa，温度50℃，CO2流速30kg/h，柱前压20MPa，柱后压15MPa，柱温25℃;对番茄皮渣中番茄红素以及番茄籽中番茄红素进行提取分离得到6.2%的番茄素。

关键词：番茄 番茄红素 番茄籽油 超临界CO2流体

番茄作为全球播种最广泛的茄科类作物之一，其果肉含有大量的番茄红素、抗坏血酸和还原糖等成分，故番茄酱等各类番茄加工制品被各国庞大的消费群体所青睐。番茄红素又称ψ-胡萝卜素，属于异戊二烯类化合物，是类胡萝卜素的一种[1]。番茄红素具有抗氧化和预防衰老的特殊功效，不仅对癌症有抑制功效，还能间接提高人体免疫力，可作为提高人体自身机能的保健品。在食品和药品中，番茄红素可起到清除氧自由基、抗癌、延缓衰老等作用。自番茄红素问世以来，其在医疗领域的研究逐渐走向热门，因此，掌握番茄红素的生产和纯化工艺，就能有效占领一个空前的制高点。

番茄籽油主要由约75%的不饱和脂肪酸和约25%的饱和脂肪酸组成[2]。不饱和脂肪酸可以改变脂蛋白的分子排列结构，促使脂蛋白充分流动起来，从而起到改善血管壁的作用。此外，亚麻酸是组成细胞膜结构脂质所必需的成分，其为类二十烷酸的前体，能预防脑血管阻塞引起的动脉硬化，有效调节高血压。除此之外，其还能有效增强人类机体免疫力[3]。因而，番茄籽油作为保健品也受到人们的青睐。

相关研究表明，全球番茄的产量达3000万吨之多，然而目前多数番茄皮籽仅仅被当作牲畜饲料或土地肥料便宜售给农户，还有部分番茄渣被直接遗弃到大自然中，对环境造成严重污染。因此，在番茄酱加工后的皮籽渣料废弃物中进一步提炼有价值的物质成分，创造性的开发出一种具有保健功能的产品，在解决污染的同时，提高番茄制造业领域的经济效益是现如今番茄加工面临的首要难题[4]。

超临界CO2流体层析技术是依托于超临界CO2流体作为层析操作时的流动相，并且凭借超临界CO2流体可使待分离物质彻底分散的特点作为提取和分离物组分的一门工艺[5]。该技术是1970年以来逐渐新兴起来的一种层析分离技术，其基本原理是利用填充在层析柱中的多孔性固体颗粒(有时也可能是被滞留在载体上的液体物质)，当携带有样品物质的流动相不停的冲击固定相时，样品中待分离组分同时受到流动相的推力以及引力。由于这两种力的共同作用，携带样品物质的流动相在移动的过程中，反复经历“吸附-洗脱-吸附-再洗脱……”的分配过程[6]。若样品中某一物质与固定相集结合紧密，则阻遏力大，那么迁徙速率就迟缓;反之，则迁徙速率就迅速。正是由于这种阻遏力的差别，产生了移动快慢的差别，进而使各物质组分在层析柱中停留的时间产生差别，从而实现各物质组分的分离[7]。

超临界CO2流体因其黏度小，扩散系数大，因此分离速度要比液体分离快得多，非常适合固体物质组分的分离和回收;操作参数易于控制，非常方便的通过改变压力和温度来达到;一般可在室温25℃环境下及CO2气体完全覆盖的条件下进行分离和提取，且能够防止一些热敏性组分的反应或逸出，所以非常适用于热敏性成分的提取和分离处理，此外还可以将沸点偏高、不容易挥发、受热易分解的成分在比其沸点低的条件下提取和分离出来。另外，因超临界流体的黏度很低，其选择性比一般物质强，因此所用的分离时间也大大缩短;再加上CO2相对无毒的特点，对环境破坏力小，能循环使用。因此，从消费者最注重的安全角度出发，超临界CO2层析技术的开发具有重要的现实意义[8]。

过去的几十年，对于超临界CO2流体萃取-层析技术的研究也取得了长远的进步。利用超临界CO2流体既可作为萃取分离番茄红素与番茄籽油的萃取剂，又可作为超临界CO2流体层析分离的流动相，萃取主要从4个方面分析：萃取压力(7.5~30.0MPa)，萃取温度(40~50℃)、CO2流速(5~50kg/h)、萃取时间(0.5~4.0h)。层析则主要进行以下工作：以超临界CO2作为流动相，C18柱为固定相，在压力15.0~20.0 MPa、温度25~50℃的范围内考察番茄红素与番茄籽油在C18色谱柱上的保留值的变化规律，得到最佳工艺条件的研究，设法建立一套可用于工业加工的实验操作装置，将超临界流体层析分离技术应用于番茄红素和番茄籽油的提取和分离。通过研究番茄红素和番茄籽油的合理提取条件，尝试超临界CO2流体层析番茄红素和番茄籽油的一步提取法[9]。再将提取和分离番茄红素和番茄籽精油之后的残渣为原料提取番茄膳食纤维，从而确定3种提取物最合理的工艺流程，既可提高番茄的综合利用率，又能提高企业的经济效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

番茄皮渣：从山西华晟果蔬饮品有限公司收集，用粉碎机磨至20目后，可直接进行层析分离;或将收集的新鲜番茄皮渣在-20℃下冷冻干燥48小时后，风干为较干燥的实验样品，以便超临界流体层析使用;所有用于超临界CO2流体萃取与层析的溶剂均为HPLC级试剂。CO2(99.9%)：无锡市远通气体有限公司。番茄红素标准样品和番茄籽油标准样品：瑞士Hoffmann-la-Roche公司提供，并在使用前用HPLC检验过纯度。

1.2 仪器与设备

粉碎机：潍坊埃尔派粉体技术设备有限公司;电子台秤：上海亚津电子科技有限公司;SUPER-200型超临界流体萃取色谱仪：岛津企业管理有限公司。

1.3 萃取操作

1.3.1 萃取时间条件

称取100mg样品，萃取温度50℃，萃取压力为30MPa，CO2的流量为30kg/h，以上条件保持恒定，依次观察不同萃取时间(0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h)各物质成分的提取率。

1.3.2 萃取压力条件

萃取温度50℃，萃取时间为1.5h，CO2流量为30kg/h，以上条件保持恒定，依次观察不同压力(7.5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa)对番茄红素以及番茄籽油提取率的影响。

1.3.3 CO2流量条件

萃取温度50℃，萃取压力为30MPa，萃取时间为1.5h，以上条件保持恒定，依次观察不同CO2的流量(5kg/h、10kg/h、15kg/h、20kg/h、25kg/h、30kg/h、35kg/h、40kg/h、45kg/h、50kg/h)对番茄红素以及番茄籽油提取率的影响。

1.3.4 萃取温度条件

萃取压力30MPa，萃取时间为1.5h，CO2的流量为30kg/h，以上条件保持恒定，依次观察不同萃取温度(35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃)对番茄红素以及番茄籽油提取率的影响。

1.4 层析操作

1.4.1 柱前压

保持柱后压、温度等操作参数恒定，依次观察不同压力(17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa)对番茄红素以及番茄籽油提取率的影响。

1.4.2 柱后压

保持柱前压、温度等操作参数恒定，依次观察不同压力(15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa)对番茄红素以及番茄籽油提取率的影响。

1.4.3 柱温

保持柱前压、柱后压等操作参数恒定，调整温度参数，依次观察不同萃取温度(25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃)对番茄红素以及番茄籽油提取率的影响。

1.5 番茄红素标准曲线的绘制

称取番茄红素标准样品100mg，用正己烷溶解、定容，以0.006～0.06mg/mL为跨度，按0.006mg/mL为梯度依次制成相对应的的番茄红素标准正已烷溶液，各取20μL在超临界CO2色谱仪分析，通过紫外检测器得出吸光度制作标准曲线。结果如图1显示，在0.006～0.06 mg/mL的范围内，进样浓度与吸光度呈线性关系，保存文档。

图1 不同番茄红素浓度吸光度标准曲线

1.6 数据分析

采用SPSS 18.0软件对数据进行均值及误差的分析，运用Excel 2003进行表格制作。

2 结果与分析

2.1 对萃取时间条件的优化

随着萃取的不断继续，番茄渣中的番茄红素与番茄籽油与超临界流体达到充分混匀的状态，从而可使其产物不断被分离出来。当保持萃取温度为50℃，萃取压力为30MPa，CO2流量为30kg/h，这些条件恒定，依次观察不同萃取时间下各物质成分的提取率(如图2)，随着萃取时间的增加，各物质成分提取率逐渐趋于平衡，从珍惜时间、节约成本角度考虑，萃取时间在1.5h左右较为合适。

图2 提取率随层析时间变化情况折线图

2.2 对萃取压力条件的优化

由图3可以看出，随着压力的不断升高，提取率逐渐升高后又降了下来。其原因为当萃取温度不变时，萃取压力的不断增大会导致超临界CO2流体密度增大，从而使其与番茄红素和番茄籽油的混合更加充分，更有效的提取和分离出来。但是，如果压力过高会对仪器产生很大的负面影响，后续的维护保养费用也会增加。因此，从长远发展的角度考虑，萃取压力为30MPa比较合适。

图3提取率随层析压力变化情况折线图

2.3 对CO2流量条件的优化

由图4可以看出，通常情况下，流量越大萃取速率越快，反之亦然。不仅如此，如CO2流量过大，会因CO2的过度消耗从而导致生产成本的提高。因此，依靠提高CO2流量来提升番茄红素与番茄籽油的提取率相对来说不划算。因此，全面考虑各种因素，选择CO2流量为30kg/h比较合适。

图4提取率随CO2流量变化情况折线图

2.4 对萃取温度条件的优化

依次观察不同萃取温度对番茄红素及番茄籽油提取率的影响，结果如图5所示。温度的变化同样能对番茄红素和番茄籽油的回收和分离产生重要干扰，温度的提升使超临界CO2流体对番茄渣中的成分溶解更充分，从而使番茄红素与番茄籽油的回收率得到相应的提升。但是，如果温度提升过快，则会影响番茄渣中各成分的活性，不利于番茄红素与番茄籽油充分溶解，从而导致提取分离效率略减。故可知，萃取温度选择50℃较为适宜。

图5提取率随层析温度变化情况折线图

2.5 柱前压的优化

柱前压的变化对层析分离番茄红素与番茄籽油的容量因子有较大影响。调整柱前压，使柱前压从17.0MPa升高到20.0MPa，可见番茄红素与番茄籽油的容量因子逐渐变小(如图6)。二者在层析柱中的停留时间越来越短，但还能使番茄红素与番茄籽油完成分离。为了尽可能使番茄籽油的停留时间缩短，所以层析柱压选择20.0MPa较为合适。

图6 容量因子随柱前压变化情况折线图

2.6 柱后压的优化

柱后压的变化对层析分离番茄红素与番茄籽油的容量因子有较大影响，调整柱后压，将柱后压从15.0MPa升高到19.0MPa，可见番茄红素与番茄籽油的容量因子逐渐变小，番茄红素与番茄籽油在层析柱的停留时间随着柱后压的升高而减小(如图7)。分离度也有下降的趋势，其停留时间接近，更不利于分离，所以层析柱后压选择15.0MPa较为合适。

图7容量因子随柱后压变化情况折线图

2.7 柱温的优化

调整温度参数，使温度从室温25℃升高到50℃，记录番茄红素与番茄籽油的容量因子随温度升高的变化趋势，如图8所示。从图8观察可知，温度的提高使番茄红素与番茄籽油的容量因子变小，番茄红素与番茄籽油在层析柱中的停留时间25℃时最长，且分离度较大。温度继续上升，停留时间越短，分离度随之下降，因此层析温度选择室温条件25℃较为合适。

图8容量因子随柱温度变化情况折线图

2.8 萃取混合物中层析分离得到番茄红素的含量分析

称量10mg的番茄皮渣萃取后的样品物质，经过超临界CO2流体层析，取分离后的产物，用正己烷溶于10 mL的容量瓶，定容完后，提取出20μL的样品液经超临界CO2流体色谱，依照所显示的吸光度大小，对照标准曲线可得到其含量，从而计算出分离出来的番茄红素含量以及占整个番茄红素与番茄籽油混合样品含量的比例[10]。重复3次，从表1可知，超临界CO2流体层析分离番茄红素的分离率。

3 结论

本实验主要研究番茄酱渣料不经过皮籽分离，采用超临界流体CO2萃取和层析技术使两种提取物有效分离的一步提取法，直接从番茄酱渣废料中提取番茄红素和番茄籽油，通过研究萃取的压力、温度、CO2流速、时间4种参数的合理配比，以及层析分离的柱前压、柱后压、柱温等条件的优化，进而得出一步萃取-层析分离番茄红素与番茄籽油的最佳工艺条件。

实验结果显示：超临界CO2流体层析分离番茄红素与番茄籽油在萃取压力30MPa，萃取温度50℃，萃取时间为1.5h，CO2流量为30kg/h，柱前压20.0MPa，柱后压15.0MPa，柱温为25℃的最佳工艺条件下，番茄红素的提取率达90%，番茄籽油的提取率达86%，超临界CO2流体层析分离番茄红素与番茄籽油的过程中，分离得到番茄红素含量仅为6.2%，分离率非常低。

由于超临界CO2层析分离操作技术影响因素较多，操作条件要求特别苛刻，而且通过实验层析分离得到的番茄红素含量非常低，不能满足生产需要。因此，从实验结果看来，本实验虽然进行了大量分离条件的优化，但是由于层析分离番茄红素的含量实在太低，而且实验操作过程还有很大的不足之处，还需更进一步的研究完善。

从理论上而言，同时分离番茄红素与番茄籽油时的提取率不如分步提取时的提取率高。但此工艺可免除番茄酱渣分离皮与籽的工序，降低生产成本，提高生产设备的使用效率，并将提取完番茄红素和番茄籽精油的残渣作为原料提取番茄膳食纤维，同时结合膳食纤维提取技术，使3种提取物的生产技术有效结合，进而确定3种提取物最合理的工艺流程，使其达到最佳的生产效率[11，12]。此项实验探索不但可当作应对当前番茄加工企业所面临的副产物无法得到有效处理的困境，最重要的是还能有效降低企业生产成本。如此，既可提高番茄的综合利用率，又能提高企业的经济效益的一项技术，对未来企业长远发展有非常积极的意义。

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基金项目：山西省大同市科技攻关项目(2016046)。