趙芳，于有偉，張少穎，李為琴*

(1.山西師范大學(xué)設(shè)備處，山西 臨汾 041004；2.山西師范大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)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(qiáng)的抗氧化作用，可以減緩低密度脂蛋白的氧化，從而防治動(dòng)脈硬化；能有效抑制癌細(xì)胞的繁殖；在所有的類胡蘿卜素中，它具有最強(qiáng)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(yīng)用。目前番茄紅素已被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)、食品添加劑委員會(huì)(JECFA)和世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)定為A類營養(yǎng)素，并被50多個(gè)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(yīng)用潛力[3]。

超微粉碎是指利用機(jī)械或流體動(dòng)力的方法克服固體內(nèi)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(shù)，是20世紀(jì)70年代以后，為適應(yīng)現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種物料加工高新技術(shù)[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(yīng)增大。目前，已經(jīng)有多糖、膳食纖維、黃酮、色素等采用超微粉碎技術(shù)提取的報(bào)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(shù)。微波引起極性分子間的相互摩擦可以產(chǎn)生大量的熱，使細(xì)胞內(nèi)部溫度上升迅速，細(xì)胞壁承受不了細(xì)胞內(nèi)部的壓力，最終破壞細(xì)胞，使內(nèi)部物質(zhì)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(bào)道[7-9]。本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(yīng)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(nóng)貿(mào)市場；番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)品(純度>95%)：購于山東西亞化學(xué)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(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；GZX-9246MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；WBL25B26攪拌料理機(jī) 廣東美的電器股份有限公司；FDV氣引式超微粉碎機(jī) 北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司；WBFY-201微波化學(xué)反應(yīng)器 上海恬恒儀器有限公司；標(biāo)準(zhǔn)篩 浙江上虞市華豐五金儀器有限公司。

1.3 樣品預(yù)處理

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

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行比較。隨后對微波功率、微波提取時(shí)間和料液比進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行紫外掃描，確定最大吸收波長，然后繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，用于計(jì)算番茄紅素的提取量[10]。番茄紅素的提取率按照下式計(jì)算：

番茄紅素提取率(mg/100 g)=番茄紅素質(zhì)量/干重番茄質(zhì)量×100。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

各處理重復(fù)3次，采用 DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用 Duncan＇s 新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄紅素最大吸收波長的確定和標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of lycopene

由圖2可知，番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=492.24x+5.7618(R2=0.9997)，且在0～400 mg/L內(nèi)存在非常好的線性關(guān)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(gòu)化反應(yīng)，因此應(yīng)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(qiáng)，易于回收利用且價(jià)格便宜，因此本實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(nèi)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(shí)，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(gè)提取體系的溫度升高，番茄細(xì)胞壁發(fā)生破裂，有利于番茄紅素從細(xì)胞中溶出[13]。隨著功率的進(jìn)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(shí)，雖然能促進(jìn)番茄紅素的溶出，溶劑中的番茄紅素也會(huì)發(fā)生氧化降解反應(yīng)，導(dǎo)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(shí)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(shí)間加熱提取。

圖6 提取時(shí)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(shí)間的延長，番茄紅素的提取率逐漸提高。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到60 s時(shí)，番茄紅素的提取率達(dá)到5.69 mg/100 g，比30 s時(shí)的提取率高32.0%。隨著微波處理時(shí)間的進(jìn)一步增加，番茄紅素的提取率開始降低，可能是由于溫度進(jìn)一步升高，熱量增大，導(dǎo)致溶劑中的番茄紅素發(fā)生了降解反應(yīng)[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(xiàn)增大的趨勢；當(dāng)料液比達(dá)到1∶7時(shí)，番茄紅紅素提取率達(dá)到平衡。隨著料液比的進(jìn)一步增大，提取率沒有顯著增加(P>0.05)。

2.7 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)對超微粉碎協(xié)同微波提取番茄紅素的條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Orthogonal experimental results

由極差R值分析可知，本實(shí)驗(yàn)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(shí)間>微波功率。空列的R值最小，表明選取的幾個(gè)正交因素的交互作用較弱。直觀實(shí)驗(yàn)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(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，超微粉碎的番茄粉末采用乙酸乙酯提取時(shí)，在最優(yōu)組合微波功率455 W，微波提取時(shí)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(jié)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(shí)間的延長，番茄紅素提取率呈現(xiàn)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(dá)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(shí)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(zhǔn)番茄紅素作為著色劑、食品添加劑應(yīng)用到食品加工過程中。番茄紅素作為食品配料的應(yīng)用研究得到了飛速發(fā)展，在果蔬產(chǎn)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(yīng)用效果。