劉俊紅，王艷珍，趙東曉，邱 旭

（1.河南城建學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

微波結(jié)合超聲波提取西瓜番茄紅素的工藝研究

劉俊紅1，王艷珍2，趙東曉1，邱 旭1

（1.河南城建學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

番茄紅素對(duì)于預(yù)防心血管疾病、動(dòng)脈硬化、增強(qiáng)人體免疫系統(tǒng)以及延緩衰老等具有重要意義，是一種很有發(fā)展前途的新型功能性天然色素。以成熟的沙石西瓜為原料，加入促效劑蔗糖溶液進(jìn)行充分研磨后得到西瓜汁，再經(jīng)微波超聲波對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎，加入提取劑石油醚對(duì)番茄紅素進(jìn)行提取。主要研究了研磨時(shí)蔗糖質(zhì)量濃度、微波處理功率、微波處理時(shí)間和液固比等因素對(duì)番茄紅素提取量的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得出西瓜番茄紅素的最優(yōu)提取工藝條件。結(jié)果表明：在0.7%蔗糖溶液輔助研磨下，經(jīng)微波80 W處理60 s，以液固比6∶1的石油醚為提取劑，結(jié)合超聲波處理，番茄紅素的提取量為64.6 μg/g。

番茄紅素；西瓜；微波；超聲波

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-4-20 14:09:49

0 引言

番茄紅素屬于異戊二烯類化合物，因最早從番茄中分離制得而得名，廣泛分布于番茄、木鱉果、西瓜、南瓜、李子、柿子等果實(shí)中，尤以木鱉果、番茄、西瓜、紅色葡萄柚、木瓜、番茄中含量較高[1]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，番茄紅素具有顯著的生理功能，不僅具有抗癌抑癌的功效，而且對(duì)于預(yù)防心血管疾病、動(dòng)脈硬化、增強(qiáng)人體免疫系統(tǒng)以及延緩衰老等具有重要意義，是一種很有發(fā)展前途的新型功能性天然色素[2]。

以色列率先開發(fā)研制番茄紅素制品，并且利用基因工程來提高食物中的番茄紅素，為提取番茄紅素做準(zhǔn)備[3]。此后日本和俄羅斯等國也逐漸開始了對(duì)番茄紅素的研究，并且申請(qǐng)了多項(xiàng)專利[3]。俄羅斯研究了以微生物螺旋藻等為原料生產(chǎn)番茄紅素的專利技術(shù)，但目前從新鮮番茄中提取番茄紅素的工藝只有在以色列實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)[3]。國內(nèi)番茄紅素提取方法主要有：有機(jī)溶劑浸提法、超聲輔助提取法、酶反應(yīng)法、超臨界CO2流體萃取法[4-5]。

超聲波提取是通過機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)加快細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散和溶解，從而提高提取速率，具有時(shí)間短、氧耗比小等優(yōu)點(diǎn)。采用微波和超聲波輔助提取時(shí)，微波能破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并且加快細(xì)胞內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)，而超聲波可加快細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)從細(xì)胞中溢出。因而在傳統(tǒng)的提取工藝之前，先用微波進(jìn)行預(yù)處理[6]，破壞植物的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，再用超聲波處理加快物質(zhì)從細(xì)胞中溢出，可提高目的產(chǎn)物的純度和提取率。

本文采用微波和超聲波輔助的方法提取西瓜番茄紅素，使西瓜細(xì)胞中番茄紅素被釋放出來，促進(jìn)番茄紅素與有機(jī)溶劑的接觸，從而有效地縮短提取時(shí)間，減少試驗(yàn)過程中番茄紅素因氧化變性而損失，大大提高番茄紅素的提取率。

1 材料和方法

1.1 材料

西瓜：市售；蔗糖（分析純）、蘇丹紅I（分析純）：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；石油醚（分析純）：洛陽市化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器

KDC-1044低速離心機(jī)：安徽嘉立儀器裝備有限公司；T6新世紀(jì)紫外分光光度計(jì)：北京市普析通用有限責(zé)任公司；MM721NG1-PW微波爐：廣東美的廚房電器制造有限公司；KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 西瓜的處理

取西瓜中間的一部分去籽，稱取后加入研磨輔助劑蔗糖溶液進(jìn)行充分研磨，直至西瓜汁中僅有少量絮狀物；破碎細(xì)胞使細(xì)胞中番茄紅素釋放；把研磨好的西瓜汁放到特定的容器里進(jìn)行微波處理，微波設(shè)定相應(yīng)的功率和時(shí)間；微波過后迅速取出放入已設(shè)定好溫度、功率和時(shí)間的超聲波清洗器里進(jìn)行超聲波處理，使其細(xì)胞中的番茄紅素盡可能多地釋放出來。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作[7]

由于番茄紅素易變性，因此采用蘇丹紅I代替番茄紅素制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，步驟如下：

準(zhǔn)確稱取蘇丹紅I 0.025 0 g，溶于石油醚中，用石油醚定容至 50 mL，再用移液槍準(zhǔn)確吸取52 μL、104 μL、156 μL、208 μL、260 μL的配制溶液分別注入10 mL的試管中。用無水乙醇定容至10 mL，混勻后相當(dāng)于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 μg/mL番茄紅素的標(biāo)準(zhǔn)溶液[8]。用石油醚作空白，測定475 nm處的吸光值（OD值），制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)

分別研究研磨輔助劑蔗糖溶液質(zhì)量濃度、微波功率、微波時(shí)間和有機(jī)提取劑石油醚與西瓜的液固比等因素對(duì)番茄紅素提取量的影響（每個(gè)梯度做3個(gè)平行）。

1.3.3.1 蔗糖溶液質(zhì)量濃度對(duì)番茄紅素提取量的影響

配制蔗糖溶液的質(zhì)量濃度依次為：0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%；稱取5 g西瓜，分別加入5 mL不同質(zhì)量濃度的蔗糖溶液，微波100 W處理40 s后，超聲波120 W 40℃ 處理6 min后離心，上清液中加入20 mL石油醚浸提。用石油醚做空白，在475 nm的波長下測定溶液的OD值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線、OD值以及提取溶液的體積計(jì)算提取的番茄紅素的量。

1.3.3.2 微波功率對(duì)番茄紅素提取量的影響

稱取5 g西瓜，加入5 mL、0.5%的蔗糖溶液，微波功率設(shè)定為 10 W、30 W、50 W、80 W、100 W，加熱40 s，其余操作同1.3.3.1。

1.3.3.3 微波時(shí)間對(duì)番茄紅素提取量的影響

稱取5 g西瓜，加入5 mL、0.5%的蔗糖溶液，微波功率100 W，處理時(shí)間依次為：20 s、30 s、40 s、50 s、60 s，其余操作同1.3.3.1。

1.3.3.4 液固比對(duì)番茄紅素提取量的影響

稱取5 g西瓜，加入5 mL、0.5%的蔗糖溶液，微波功率100 W、加熱40 s，液固比依次為：3∶1、 4∶1、5∶1、6∶1、7∶1，其余操作同1.3.3.1。

1.3.3.5 正交試驗(yàn)

通過正交試驗(yàn)研究蔗糖溶液質(zhì)量濃度、微波功率、微波時(shí)間和液固比的最佳組合，探索提高番茄紅素得率的優(yōu)化反應(yīng)條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

不同濃度蘇丹紅 I的吸光值見表1。

表1 不同質(zhì)量濃度的蘇丹紅I的吸光值Table 1 OD values of Sudan Red I with various mass concentrations

根據(jù)表1的結(jié)果繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of Sudan Red I

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 蔗糖質(zhì)量濃度對(duì)番茄紅素提取量的影響

蔗糖質(zhì)量濃度對(duì)番茄紅素提取量的影響如圖2所示。

蔗糖作為一種促效劑，能提高番茄紅素提取的速率，并且減少節(jié)省有機(jī)提取劑的用量[9]。由圖2可以看出，在蔗糖質(zhì)量濃度較低時(shí)，隨著質(zhì)量濃度的升高，番茄紅素的提取量逐漸升高，在蔗糖質(zhì)量濃度為0.7%時(shí)達(dá)到頂峰；隨著蔗糖質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，番茄紅素的提取量降低?？梢?，蔗糖溶液會(huì)因?yàn)橘|(zhì)量濃度過大而影響溶液中分子的運(yùn)動(dòng)速率，進(jìn)而使番茄紅素進(jìn)入有機(jī)溶劑的速率減慢，導(dǎo)致提取量下降。

2.2.2 微波功率對(duì)番茄紅素提取量的影響

微波功率對(duì)番茄紅素提取量的影響如圖3所示。

圖2 蔗糖質(zhì)量濃度對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.2 Effect of sucrose mass coxcentration on the yield of lycopene

圖3 微波功率對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.3 Effect of microwave power on the yield of lycopene

由圖3可見，隨著微波功率逐漸增大，番茄紅素的提取量隨之增多。微波功率在10～50 W之間時(shí)，番茄紅素的提取量增長速度較快；80 W之后番茄紅素的提取量增速趨于平緩。由此可知：西瓜細(xì)胞中的番茄紅素在經(jīng)微波功率80 W處理后，再經(jīng)120 W、40℃超聲波6 min處理后幾乎全部被釋放，持續(xù)提高功率對(duì)提取量沒有顯著影響。

2.2.3 微波時(shí)間對(duì)番茄紅素提取量的影響

微波時(shí)間對(duì)番茄紅素提取量的影響如圖4所示。

由圖4可見，隨著微波處理時(shí)間的延長，番茄紅素的提取量逐漸增多。微波處理時(shí)間在20～50 s時(shí)番茄紅素提取量的增長較快；50 s以后番茄紅素的提取量逐漸趨于穩(wěn)定。原料處理時(shí)間偏短時(shí)，番茄紅素釋放速度緩慢，提取率偏低；在20～50 s間，隨著微波時(shí)間的延長，微波作用的效果得以強(qiáng)化，番茄紅素釋放速率的增長速度比較快；50～60 s時(shí)番茄紅素幾乎被充分釋放，即使延長提取時(shí)間，也不能顯著提高番茄紅素的提取量。

圖4 微波處理時(shí)間對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.4 Effect of treatment time of microwave on the yield of lycopene

2.2.4 液固比對(duì)番茄紅素提取量的影響

液固比對(duì)番茄紅素提取量的影響如圖5所示。

圖5 液固比對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.5 Effect of liquid-solid ratio on the yield of lycopene

由圖5可見，隨著液固比的增大，番茄紅素的提取量增大。液固比為3∶1～5∶1時(shí)，番茄紅素的提取量增長速度較快；在6∶1～7∶1時(shí)番茄紅素的提取量增加值逐漸趨于平緩?？芍?∶1的液固比足以使試劑與原料充分接觸，將原料中的大部分番茄紅素提取出來，繼續(xù)增加液固比，不會(huì)顯著提高提取量。

2.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)L34的正交試驗(yàn)。因素水平表和試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2和表3。

表2 因素與水平Table 2 Factors and levels

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表3可以看出，功率和液固比兩個(gè)因素是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，實(shí)際操作中應(yīng)嚴(yán)格控制。提取工藝條件為A3B1C3D2，即微波處理功率80 W，微波處理時(shí)間40 s，液固比6∶1，蔗糖質(zhì)量濃度為0.7%時(shí)，番茄紅素的最高提取量為63.4 μg/g。

極差分析結(jié)果顯示：A3B3C3D2是最佳提取條件。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示：A3B1C3D2和A3B3C3D2的番茄紅素的得率分別為 62.0 μg/g和 64.6 μg/g，因此，提取番茄紅素的最優(yōu)條件為A3B3C3D2，即微波處理功率80 W，微波處理時(shí)間60 s，液固比6∶1，蔗糖質(zhì)量濃度為0.7%。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Design and result of orthogonal experiment

3 討論及結(jié)論

本文研究了微波和超聲波聯(lián)合處理西瓜后，用有機(jī)溶劑提取西瓜中番茄紅素的工藝條件。主要探討了蔗糖質(zhì)量濃度、微波功率、處理時(shí)間、液固比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，優(yōu)化了工藝條件。當(dāng)蔗糖質(zhì)量濃度為0.7%、微波功率為80 W、微波時(shí)間為60 s、液固比為6∶1時(shí)，番茄紅素得率最高，為64.6 μg/g。資料顯示：西瓜中細(xì)胞中番茄紅素的含量為39.2 μg/g～80 μg/g[8]。

通過試驗(yàn)操作，感覺仍有不足，可做如下改進(jìn)：

（1）蔗糖溶液做為一種促效劑，只是加快番茄紅素溶于有機(jī)溶劑的速率，并不能改變有機(jī)溶劑提取番茄紅素的量?？筛鶕?jù)這一特性探究多次提取對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[9]。

（2）由于西瓜中西瓜瓤所在部位不同，會(huì)引起切取不同部位的西瓜中番茄紅素含量的差異，可把西瓜去籽后放入粉碎攪拌機(jī)里直接打碎打勻，隨取隨用，保證了所取西瓜中番茄紅素含量的均勻性。

（3）通過微波結(jié)合超聲波處理，提高了番茄紅素從細(xì)胞內(nèi)釋放的速率，節(jié)約了提取的時(shí)間和有機(jī)溶劑的用量。本文僅對(duì)微波處理的條件進(jìn)行了優(yōu)化，超聲波處理?xiàng)l件采用了黃國貞[8]的研究結(jié)果。由于方法的不同和溶劑的差異，處理?xiàng)l件也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，下一步可考慮同時(shí)對(duì)超聲波處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高微波-超聲波處理方法中番茄紅素的得率。

［1］王月華，趙靜，孟實(shí)，等.從圣女果中提取番茄紅素的工藝優(yōu)化［J］.山東食品發(fā)酵，2014（1）:3-7.

［2］韓文杰，張俊強(qiáng)，袁新英，等.從番茄皮渣中提取番茄紅素工業(yè)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化［J］.中國食品添加劑，2014（2）:137-140.

［3］范永仙，汪釗．番茄紅素的生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展［J］．食品科技，2002（3）:53－55．

［4］劉振春，陳彥平，李慧，等.酶輔助超臨界萃取番茄紅素工藝研究［J］.食品科學(xué)，2009，30（20）:246-250.

［5］陳孝云，朱俊向，吳昊，等.不同提取方式番茄紅素的抗氧化活性研究［J］.中國調(diào)味品，2015，40（4）:102-106.

［6］方志峰，劉昆侖，陳復(fù)生，等.PEG6000輔助微波-稀H2SO4溶液預(yù)處理花生殼工藝優(yōu)化研究［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（2）:25-29.

［7］袁永成.番茄皮渣中番茄紅素的提取、穩(wěn)定性及其抗氧化性研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2011.

［8］黃國貞.西瓜中超聲提取番茄紅素的工藝研究［J］.廣州化工，2015，43（19）:80-85.

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TECHNOLOGY FOR EXTRACTING LYCOPENE FROM WATERMELON BY COMBINATION OF MICROWAVE AND ULTRASONIC TREATMENT

LIU Junhong1，WANG Yanzhen2，ZHAO Dongxiao1，QIU Xu1
（1.School of Life Science and Engineering，Henan University of Urban Construction，Pingdingshan 467036，China；2.Hebi Polytechnic，Hebi 458030，China）

As a novel functional natural pigment，lycopene has effects in preventing cardiovascular disease and arteriosclerosis，strengthening the human immune system and antiaging，and has promising development.The paper studied the extraction process of lycopene from watermelon，the extraction process including the steps of adding sugar solution in mature sand watermelon，grinding to obtain watermelon juice，disrupting cells with microwave and ultrasonic treatments，and adding petroleum ether to extract lycopene.Single factor experiments were carried out to study the effects of the concentration of sugar solution，microwave power，microwave treatment time，and liquid-to-solid ratio（petroleum ether:watermelon）on the yield of lycopene.On the basis of single factor experiments，the optimum extraction condition of lycopene was determined through orthogonal experiment.The results showed that the lycopene yield was 64.6 μg/g under the optimum extraction conditions: sucrose solution 0.7%，microwave power 80 W，microwave time 60 seconds，and liquid-to-solid ratio 6∶1.

lycopene；watermelon；microwave；ultrasonic

TS201.2

B

1673-2383(2017)02-0095-05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.032.html

2016-08-05

劉俊紅（1972—），女，河南鶴壁人，博士，副教授，主要從事生物活性物質(zhì)的分離與純化方面的研究。

*通信作者