番茄红素生产工艺研究进展

张玉丹，杨　阳，刘沐霖

(新疆红帆生物科技有限公司，新疆库尔勒　841100)



番茄红素生产工艺研究进展

张玉丹，杨阳，刘沐霖

(新疆红帆生物科技有限公司，新疆库尔勒841100)

摘要：番茄红素结构中含有碳-碳双键，能够清除氧自由基，具有很强的抗氧化活性，可防止脂蛋白和DNA氧化损伤，还具有抗衰老和降低肿瘤发生的作用，因此具有重要的研究价值。本文综述了番茄红素的生产工艺，主要包括化学合成法、溶剂及辅助萃取法和微生物发酵法。

关键词：番茄红素；合成；萃取；发酵

番茄红素是一种脂溶性的类胡萝卜素，存在于番茄中，且含量最高，另外还广泛存在于西瓜、木瓜、红色葡萄柚、苦瓜籽和粉红色番石榴等水果中。成熟的番茄果实中番茄红素含量可达到3～14mg/100g，不同地区的番茄中含量不同，其中新疆地区番茄中含量可达到40mg/100g[1]。

番茄红素是一种多不饱和脂肪烃。1991年，Di Mascio P和Woodall AA等人证明了番茄红素抗氧化活性在类胡萝卜素中最强，从而对氧自由基继发的脂质过氧化和DNA损害的保护作用[2，3]。番茄红素猝灭单线态氧的能力是常用抗氧化剂维生素E的100倍，β-胡萝卜素的2倍多[4]。

Dipartimento di Gerntologia等研究表明，番茄红素作为天然的强抗氧化剂，对许多心脑血管疾病的防治上可以发挥积极作用[5]，可作为抗癌、防癌[6，7]、预防心血管疾病[8，9]、延缓动脉粥样硬化和抗衰老[10，11]、保护皮肤[12]的药品和保健品。Riso P等研究表明：番茄红素能够防止淋巴细胞的DNA免受氧化损伤[13]；Watzl B等的研究表明番茄红素可以调节T淋巴细胞的功能[14]；国外已经开始关于番茄红素应用于多种疾病防治的研究，但有关细胞水平的实验室研究不多。因此，考虑机体免疫系统状态对疾病转归的巨大影响，袁暾等[15]结果表明：适宜浓度番茄红素乙醇溶液对T淋巴细胞转化有促进作用，同时适当浓度的番茄红素对NK细胞杀伤功能也有一定的促进作用。番茄红素可降低红细胞的聚集性，改善由运动引起的人体血液流变性恶化的现象[16]。将番茄红素添加到冰淇淋、饮料、面包、饼干、糕点等食品中，可提高营养价值。另一方面番茄红素在药品、食品添加剂、功能食品、天然着色剂和化妆品等领域具有重要的应用价值。随着人们越来越注重自身健康，对番茄红素的研究也成为一个热门课题。目前，番茄红素可通过化学合成法、植物萃取法和微生物发酵法获得。

1化学合成法

化学合成法成本低，是番茄红素的重要来源之一，因此一直是各国制药企业和化学家研究的热点。自1950年三个实验室同时完成β-胡萝卜素的化学合成至今，已有β-胡萝卜素、β-阿朴-8-胡萝卜醛、角黄素、β-阿朴-8-胡萝卜素酸乙基酯、柠檬黄质和虾青素等六种类胡萝卜素投入商业生产，其生产工艺多以假紫罗兰酮、乙炔、乙炔基假紫罗兰醇、香叶醇等为原料经过加成反应、Lindl-ar还原反应、加氢还原反应、氯代反应、砜化反应、Grignard缩合反应合成中间体，再经过关键反应合成番茄红素[17]。其中关键反应可分为Wittig反应法、Wittig-Horner反应法、醛-砜法、Heck烯化反应法、Ram-berg成烯法和McMurry烯化反应法等。李卓才[18]以假紫罗兰酮、乙烯基溴化镁、2，7-二甲基-2，4，6-辛三烯二醛为起始原料，依次通过Grignard缩合反应、取代成盐反应、Witting缩合反应、转位异构反应，经结构鉴定和定量分析，产物为全反式番茄红素。

番茄红素在生物体内通过异戊二烯途径通过一系列步骤合成，在番茄红素产品中，一定比例的反式异构体的存在对番茄红素的抗氧化活性起着重要的作用。王雪松等[19]将全反式番茄红素溶于有机溶剂中，在氮气保护下，控制温度在23～30℃，通过高压汞灯照射反应3～6h，得到含有高比例顺式异构体的番茄红素混合液。光化学异构体反应条件温和、环境友好，因此是具有良好前景的工艺方法。该方法的优点是原料廉价易得、生产周期短、但其反应收率较低，容易产生部分副产物，且与番茄红素分离困难，难以实现工业化生产。

2萃取法

番茄红素是一种脂溶性色素，可溶于乙醚、石油醚、乙酸乙酯、己烷和丙酮等有机溶剂，易溶于氯仿、二硫化碳、甲苯和苯，不溶于水，难溶于甲醇和乙醇。利用这一溶解性质，一般可选用亲油性有机溶剂萃取。

据专利报道[20]，采用新鲜样品制备番茄酱，再通过真空过滤工艺得到萃取原料，将该原料与丙酮按照 1∶0.8～1.2的质量体积比混合，在40～50s内萃取3次得到紫红色固体物，在将其与乙醚按照1∶0.8～1.2的质量体积比混合提取3次得到白色固体物质和红色的乙醚萃取液，将萃取液减压蒸馏，为避免番茄红素见光氧化，充入氮气5～15min后，即可得到萃取产品番茄红素。除了选用单一和几种组合有机溶剂提取外，还可以采用超声波、高压脉冲技术和酶辅助破碎细胞壁，使得番茄红素快速溶出，节约了提取时间。杨红梅等[21]采用超声波逆流法提取，首先将番茄榨汁得到果浆，真空烘干果皮，再将果皮经粉碎后置于有机溶剂中超声浸泡多次，用醇类絮集沉淀浓缩液得到精制产物。朱俊向等[22]以冻干番茄粉(<74μm)，通过对冻干番茄粉粒度范围、料液比、超声温度、超声比功率和超声处理时间，五个单因素和响应面分析优化得出最佳提取工艺，通过超声辅助作用，加快了提取渗透速度，缩短了提取时间，有利于节约成本，适用于工业化生产的要求。

由于传统的水浴有机溶剂提取存在萃取时间长、效率低、污染环境等缺点，因此新技术和新工艺在番茄红素提取中的应用成为了近年来研究的热点。高压脉冲电场是近年来兴起的非热加工技术，已被广泛用于商业杀菌。金声琅等[23]采用高压脉冲电场技术，通过单因素和正交试验确定了最佳提取工艺条件，从番茄皮渣中提取番茄红素，试验表明：以乙酸乙酯为提取剂，电场强度为30kV/cm、液料比为9mL/g、脉冲数为8、温度为30℃，提取率可达到96.7%，是有机溶剂法的2.4倍、微波辅助法的1.23倍、超声波辅助法的1.04倍，且处理时间缩短，因此高压脉冲技术可成为番茄红素辅助提取的新兴技术。

由于有机溶剂不容易渗透到物料内部，因此，近年来也有采用微波加热辅助提取的报道[24]。采用微波辅助提取，外电磁场的变化可使物料内部极性分子随之发生激烈的碰撞和摩擦，细胞破碎，使内部有效成分容易流出，从而有利于有机溶剂萃取[25]。另外，生物酶富集法[26]也是提高提取率、降低有机溶剂用量和成本的重要方法，在适合的pH条件下，向番茄皮渣中加入果胶酶[27]和纤维素酶等，控制温度在40～45℃进行酶处理3h，再进行脱水富集，经97%的乙醇洗涤和丙酮的循环设备提取，最终得到高纯度的番茄红素结晶。由于单一酶具有后续研磨工序、工业化困难等缺点，万红贵等[28]采用复合酶对三孢布拉霉菌丝体进行酶解处理，蛋白酶处理4h后，纤维素酶酶解2h，最终提取率可达到90.2%，实现了低耗、环保的生产提取工艺。

超临界CO2流体萃取技术作为现代食品行业新兴的一项分离技术，其优势在于超临界流体具有独特的溶剂性质，可通过改变溶剂的相实现被萃取物的溶解和分离，因此成为了近年来萃取和分离技术中研究的热点之一。已有专利[29]实现了采用超临界CO2流体提取番茄红素油树脂的工艺流程，此工艺首先对含有水、糖和果胶的原料进行前处理，再以番茄、西瓜等为原料，采用超临界二氧化碳、乙烷、丙烷和乙烯流体对原料进行萃取得到番茄红素油树脂。除超临界流体和有机溶剂混合作用外，也可超临界CO2单一流体作为溶剂提取[30]，CO2流量为30L/h，萃取压力为30MPa，在45℃的条件下，以体积分数为90%的乙醇作为携带剂萃取2h。与传统溶剂萃取相比，超临界流体萃取无化学溶剂残留，避免了高温下萃取物的热劣化，有效保护其生物活性，并且萃取剂无毒，易回收，可重复利用。

3微生物发酵法

微生物发酵法也是获得番茄红素的重要方法之一。通过诱变、基因重组和基因敲除等方法调节修饰生产番茄红素的关键酶来改变番茄红素的合成工艺和产量。用于生产番茄红素的微生物[31]主要有三孢布拉氏霉菌、经基因改造的酵母菌、红色细菌以及革兰氏阴性非光合菌。Gavrilov AS等[32]向霉菌的发酵液中添加1%的烟草粉末，经110h的恒温发酵，料液中番茄红素的浓度能够达到60～80mg/100mL。马兴群等[33]采用三孢布拉氏霉菌(+)和三孢布拉氏霉菌(-)菌株，在26～28℃条件下，通过斜面培养6～7d，种子培养36～46h，200～250r/min的条件下第一次加入甜菜碱，促进菌体的呼吸链系统、提高菌体氧消耗速率、有效解除呼吸抑制，发酵100～120h，在发酵42h时加入阻断剂，同时第二次加入甜菜碱至发酵结束，收集菌体经真空冷冻干燥得到含有番茄红素的干菌体。

三孢布拉氏霉菌生产番茄红素的能力最突出，目前唯一能够实现胡萝卜素工业化生产的一种高产丝状真菌[34]，向发酵液中加入维生素A醋酸盐1000 mg/L，三孢布拉氏霉菌(B1trispora)(+)NRRL 2895和(-)NRRL 2896经摇瓶发酵，所得番茄红素的产量达(775±5)mg/L[35]。发酵过程中存在着菌种衰退，随着培养时间延长，番茄红素产量逐渐下降等问题，因此，王航等[34]首次采用培养菌落孢子悬液直接接种的方式，不仅节省了种子培养工序，而且大大提高了菌种在发酵培养基中 的生长能力。

除上述高产菌株外，Fayin Zhu[36]等通过高通量筛选法选育通过甲戊二羟酸途径提高倍半萜烯的产量时，发现将该途径用于生产番茄红素，采用两株大肠杆菌突变体发酵，番茄红素产量可达1.44g/L，最大产率可达74.5mg/L/h。阻断剂与促进剂、氧通量、表面活性剂对发酵具有显著影响。朱艳等[37]研究表明：在三孢布拉氏霉菌发酵第48h添加1.2mL/L的MPTA胺类化合物，相比添加15g/L的烟草废弃物，番茄红素含量可提高38.3%。在发酵最初添加1%的正十二烷可提高发酵液溶氧量，产量提高72.84%，同时添加表明活性剂Tween80产量可提高114.83%。小分子效应物对发酵产量也有一定的影响。王永生等[38]分别考察了trinton-X100、span-20、β-紫罗酮、和异烟肼对番茄红素产量的影响，结果表明：添加span-20可使番茄红素含量提高2倍，达到98.6mg/L。

自20世纪70年代以来，微生物的生理研究和基因重组技术飞速发展。采用基因重组技术向试验菌株中定向导入目的基因，对微生物细胞的代谢途径进行修饰，构建新的细胞代谢流，增强特定代谢流，加快限速反应，阻断其他竞争代谢途径，从而提高代谢产物的产率[39]。Lei Huang等[40]在氨基酸转录表达过程中引入cAMP受体蛋白，出现mcrp26、mcrp159和mcrp424三个突变类型，将突变基因导入大肠杆菌，结果表明：突变基因的导入促进了β-胡萝卜素的表达，其中导入mcrp26的受体菌番茄红素产量最高，可达到18.49mg/g DCM，10L发酵罐中发酵20h得到的番茄红素产量提高25%，可达128mg/L。

4展望

番茄红素有多种异构体，化学合成方法可得到单一异构体，但是从植物中萃取和发酵法得到的番茄红素为混合物，分离纯化工序复杂，且在纯化过程中造成异构化，使得抗氧化活力出现下降趋势，都成为目前番茄红素在各领域工业化的限制因素。另外，番茄红素在人体内的消化、吸收、分布和代谢等研究较少，其抗病机理将逐渐成为保健品行业研究的热点，有助于促进工业纯化过程中的工艺改进，提高活性。番茄红素具有广阔的市场发展前景，随着对番茄红素研究的逐步重视，对于生产效率提高、副产物的处理、工业化扩大等问题都将逐步开展，将有更加系统全面的实验数据使得番茄红素的生物活性得到充分利用，广泛应用到医药、食品和化妆品等领域。◇

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(责任编辑李燕妮)

作者简介：张玉丹(1984—)，女，硕士，研究方向：食品添加剂的研发。

Research Advancement in Processing Technology of Lycopene

ZHANG Yu-dan，YANG Yang，LIU Mu-lin

(Xinjiang Tomato Red Co.Ltd of Biological Science and Technology，Kuerle 841100，China)

Abstract：Lycopene has attracted significant research interest due to quenching singlet oxygen，deleting free radicals and its highest antioxidant activity in the carotenoids.It also plays an important role in preventing the oxidative damage of lipoprotein and DNA，anti-aging and reducing risk of tumorigenesis.The paper reviewed the current production ways of lycopene including chemical synthesis，extraction and microbial fermentation process.

Keywords：lycopene；chemical synthesis；extraction；fermentation