番茄红素提取纯化及稳定性改善技术的研究进展

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(河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018)

番茄红素提取纯化及稳定性改善技术的研究进展

王庆发,吴彤娇,梁铎,郝建雄*

(河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018)

番茄红素具有抑制多种心脑血管疾病的功效,其中它的抗氧化性已经成为近年来的研究热点。提取番茄红素的方法有很多,本文主要从溶剂提取法、超声波辅助提取法、超临界流体萃取法、高压脉冲电场辅助法、膜分离技术和大孔树脂吸附法入手,详细论述了它们的提取纯化原理、特点及近几年研究进展。由于番茄红素本身的稳定性不够高,本文在常规技术的基础上,综述了微乳化技术、微胶囊技术及纳米处理技术这些稳定性改善技术相关内容。总之,本文从番茄红素产品的生产线入手。分析了其工艺特点,并对番茄红素产品的发展前景进行了展望,以期促进其开发利用。

番茄红素,功效,提取,稳定性,工艺

曾经被誉为“植物黄金”的番茄红素是存在于成熟番茄及西瓜等果实中的一种天然色素,同时在人类血清及其他组织中也能发现这种物质;在自然界中它多以全反式构型的形式存在[1-2]。目前越来越多的实验和研究都已表明,这种类胡萝卜素对人体具有许多种生理功能[3];而且它在所有的类胡萝卜素中具有最优越的性能[4]。它可以被添加到各种食品中,兼有保健和着色的双重作用[5]。但是,番茄红素的稳定性不够高、对环境因素比较敏感,处理条件不当即可使其性质劣变、甚至对人体产生毒副作用。本文主要就番茄红素的提取与其稳定性改善技术进行综述,以期为番茄红素及其保健品的生产与开发利用提供理论指导。

1 番茄红素的概述

作为一种广泛存在于自然界中的天然色素,类胡萝卜素在所有自养型生物中都能合成,而一些异养型生物,如动物和人类,不能依靠自身产生这些物质,而必须从食物中获取[6]。番茄红素一种重要的类胡萝卜素,因在防治各种疾病发生方面占有较大的优势而成为近年来的研究热点[7]。

番茄红素具有抗氧化、降低核酸损伤、抑制基因突变、减少心血管疾病发生及预防癌症等多种生物学作用[8-11]。其中它的抗氧化活性是β-胡萝卜素的2～3倍、维生素E的100倍[12]。另外,越来越多的学者都在研究番茄红素的抗肿瘤作用。过去体内外实验和人群研究均已表明,番茄红素可以抑制多种肿瘤的发生发展,如前列腺癌、食管癌、白血病、肉瘤等[13-15]。而且田亚兰[16]等人研究表明番茄红素可以通过上调PPARγ蛋白的表达水平抑制食管癌细胞的增殖;陈立武[17]等人研究发现,番茄红素能够通过提高宿主免疫水平而显著增强细胞因子诱导的杀伤细胞(CIK)治疗的抗肿瘤效果;Karin[18]研究了番茄红素对心血管疾病的影响,通过Meta分析表明了当每日番茄红素的摄入量大于等于25 mg时低密度脂蛋白胆固醇水平及血压可以得到有效降低,但是摄入较低剂量的番茄红素时不能取得明显的效果。

总之,番茄红素之所以可以预防各种慢性疾病,大部分原因源于它的抗氧化能力[17];另外,当它和其他药物共同使用时,它的生物活性可能会更好地发挥出来,增强对各种疾病的疗效,如邹莹[19]研究表明,当番茄红素和苄基芥子油苷联合使用时抑制前列腺增生的效果比其单独使用时更加明显。

2 番茄红素的提取技术研究进展

番茄红素可以从天然原料如番茄、西瓜等中提取,亦可通过化学合成或微生物发酵的方法来生产,后者已经成为近年来的研究热点,但相关技术还有待于进一步成熟,因此其在食品工业中的应用受到限制。而从天然原料中提取既可充分利用我国的自然资源,在大规模工业生产方面又占有优势,因而已经被广泛采用。

2.1溶剂提取法

溶剂提取法是指利用相似相溶的原理及番茄红素在有机溶剂中溶解性能的差异而将其从原料中提取出来。该法是我国工业化生产中最为古老的方法,包含一系列的操作步骤:首先对原料进行预处理,经过溶剂萃取后,需将提取液浓缩,最终得到粗产品。常用的有机溶剂有石油醚、丙酮、氯仿、乙醚和正己烷等[20]。

Mahesha[21]等利用丙酮和正己烷的混合物对番茄中的番茄红素进行提取,通过一级传质动力学模型,研究了提取溶剂的比例和提取温度对提取效果的影响,结果表明:当丙酮和正己烷的体积比为1∶3时,提取效果最佳,番茄红素提取量最高可达4.03 mg/100 g,回收率为75.75%。Jittawan[22]等用溶剂提取法从木鳖果假种皮油中提取番茄红素,得出结论:当采用的提取溶剂比例不同时,番茄红素的得率也有所差异,且当氯仿和甲醇的体积比为2∶1时,得率较高,为0.49 mg/g。尽管这种方法成本较低、操作简单、技术成熟,但提取效率低、产品纯度不高以及目的产物回收率低,难以满足需求,而且,多数提取溶剂对人体有毒从而对食品安全造成严重威胁;较高的处理温度不利于番茄红素等热敏性物质的保持。为了克服这些缺陷,一些高新技术开始崭露头角。

2.2超声波辅助提取法

近年来超声波辅助提取技术(ultrasonic assisted extraction,UAE)逐渐发展起来,主要用于从天然原料中提取一些天然物质,这是由于超声波能够产生空化效应、强烈震动以及机械搅拌、从而加速目的成分进入溶剂中,进一步用溶剂提取法将其收集,从而大大提高了产物的提取效率[23-25]。目前在国内外相关的研究报道中,考察的因素主要有提取温度、提取时间、混合萃取溶剂配比、超声强度以及超声波频率等[23,26]。

Alice[27]等人用超声波辅助法提取番茄中的番茄红素,通过响应曲面法进行研究,得出结论:相对优化的传统工艺技术来说,该法能将反式番茄红素的产量提高75.93%,极大地改善了提取效率,而且整个过程在氮气流中进行,从而最大限度地避免了番茄红素的降解。Xu[26]等以红葡萄柚为原料,用石油醚、丙酮与95%乙醇(2∶1∶1)混合溶剂(含2%二氯甲烷和0.5% BHT)作提取剂,在超声功率为20 kHz的条件下,得出如下的提取工艺参数:提取时间30 min,提取温度30 ℃,液料比(mL/g)3∶1、超声强度605 W/cm2,占空比为66.7%,产品中全 反式番茄红素的质量分数为87.1%。Rocktotpal[28]等人联合使用酶解法和超声波辅助法提取番茄皮中的番茄红素,结果发现:与单独使用酶解法和超声波法相比,二者耦合系统的提取率要分别高出5.62倍、1.25倍和0.5倍。可见,超声波辅助法更有利于番茄红素的提取,但由于在处理过程中超声波容易衰减,一般超声有效作用区域呈环状,如果提取容器直径太大,罐的周壁就会出现超声空白区,这一点限制了此法用于番茄红素的大规模工业化生产。

2.3超临界流体萃取法

超临界流体萃取法(supercritical fluid extration,SCFE)是在超临界状态下,首先使超临界流体与待分离的物质接触,在一定温度及压力下,萃取介质即可将具有不同沸点、分子量及极性的组分依次萃取出来;然后通过减压、升温将超临界流体还原为普通状态,目的产物就会基本或完全析出,最后经过分离而得到我们所期望的产物[29-30]。其中可以充当萃取介质的物质有很多,如乙烯、甲醇、乙烷、丙烷、CO2等。由于生产成本的限制,目前应用最多的是CO2[31-32]。

国内外有很多相关的报道,他们主要研究了萃取温度、萃取压力、萃取时间、CO2流量等因素对番茄红素得率的影响。Katherine[33]等以新鲜西瓜为原料,确定了超临界CO2流体萃取法的最佳工艺参数,即萃取温度为70 ℃、压力为20.7 MPa、乙醇体积为15%,番茄红素得率为(103±6) μg/g样品。Andreia[34]等人利用响应曲面法、并考虑到生产成本,对比考察CO2和乙烷的超临界提取效果,确定了萃取番茄红素的最佳条件:当萃取压力为300 Bar、萃取温度为60 ℃、萃取溶剂为乙烷时,番茄红素的提取率较高、生产周期较短,年产量较高。作为提取溶剂,CO2对人体无毒、无害;而且该技术在完成提取过程后,只需经历一道降压程序即可得到目的组分,这些都避免了传统的溶剂提取法造成的有毒物质残留,改善了食品安全性和环境清洁度。此外,该过程是动态的,可以随时通过调节温度、压力和超临界流体的密度来提高提取效率和原料利用率。然而,超临界技术需要先进的操作仪器,消耗的成本过高,所以食品工业的发展在一定程度上还依赖于国家经济水平的提高。

2.4高压脉冲电场辅助提取法

高压脉冲电场法(high intensity pulsed electric field,HIPEF)是近年来新兴起的一项技术,它的基本原理是对处于两极电场间的物料施加短脉冲的高电压,其中的极性分子在电场的作用下即会向电极方向高速运动,根据细胞膜电穿孔理论,组织细胞此时会受到不可逆的破坏,从而促进番茄红素从细胞内溶出。它属于一种非热处理技术,从而在一定程度上避免了食品天然风味及功能成分生物活性的损失[35-38]。

对于这项技术的提取效果,国内外学者研究较多的因素有电场强度、脉冲数、处理时间等[39]。Gemma[40]等人利用这种方法提取西瓜汁中的番茄红素,并用分光光度计测定了提取物中番茄红素的含量,同时考察了该法对其抗氧化能力的影响。结果表明:当电场强度为35 kv/cm、脉冲宽度为7 μs、频率为200 Hz、处理时间为50 μs时,所得的西瓜汁中番茄红素含量为7.006 mg/100 mL,是未经HIPEF处理的1.13倍,能够100%地保全其抗氧化活力。Eda[41]以番茄为原料、以水为提取剂,在料液比(mL/g)为1∶10的条件下,得到优化的HIPEF工艺参数为:电场强度80 V/cm,时间4 s,这时番茄红素提取率比对照组提高112.4%。总之,HIPEF法能够大大缩短提取时间,有效保持原料中番茄红素的含量,但这项技术较为复杂,工艺条件难以实时监控,从而为它的普及增添了障碍。

3 番茄红素的纯化技术研究进展

自从番茄红素的生理功能被认识以来,对于番茄红素的产量要求就越来越大,特别是高纯度番茄红素的制备已经成为当前面临的重大课题。目前,利用有机溶剂从天然原料中获得的粗提物,番茄红素的纯度低,基本不能达到市场需求的含量;而且番茄红素的粗提物中一般含有大量的油性树脂等杂质,这些有毒的溶剂残留会导致产品不能直接食用。因此,只有经过纯化处理,才能将其应用到各类食品中、确保食品安全。

3.1膜分离技术

膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质,利用膜对混合物中各组分渗透性的差异,使番茄红素得到富集,部分或完全实现分离、纯化目的。如错流微滤法正是一种膜分离过程,可以在不加热条件下分离植物提取物中的成分[42]。该法分离效果的好坏取决于膜的选择性,膜的种类有很多,其中陶瓷膜的化学稳定性及热稳定性强、机械强度高,而且成本较低[43],基于这些特点,一些烧结物质已被用作制备陶瓷膜的材料,如生黏土[44]、胶岭石钠[45]、高岭土[46]、硅镁土[47]等。膜分离过程中不会发生相变;当操作温度较低时,其可以有效避免番茄红素等热敏性成分的损失,同时可减少感官品质如色泽的变化;而且该过程具备消耗的能量少、产生的废料少及不使用有机溶剂等优点,因此,它是一种经济上可行、符合绿色发展理念的技术。

Luis[48]等人对西瓜汁中的番茄红素进行纯化,研究了不同微滤条件对膜分离效果的影响,在最佳的操作条件下,渗透流量接近于110 L/(h·m2),滞留物中番茄红素的含量达到657 mg/kg,比原来提高了11倍;同时研究发现,当联合使用透析过滤、错流微滤以及离心分离方法时,可以使西瓜原汁中的番茄红素浓度从60 mg/kg上升至2495 mg/kg,提高了41倍;纯度由0.6 g/kg总干重上升为20.3 g/kg总干重,提高了34倍。Cássia[49]等人用微滤、透析过滤以及反渗透过滤的混合方法对西瓜汁中的番茄红素进行富集,实验中微滤/透析过滤、反渗透过滤的平均渗透流量分别为69.6、19.1 kg/(h·m2),在最终的浓缩提取物中,番茄红素占总类胡萝卜素含量的89.5%、为新鲜果汁的17.7倍;其抗氧化能力提高到5.66 μmol水溶性维生素E当量/100 g湿基、为原来的11倍;最终产品为暗红色,亮度值为37.06。

3.2大孔吸附树脂法

大孔吸附树脂是由聚合单体、交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂聚合反应制备的有机高分子聚合物。由于它具有独特的多孔结构、较高的机械强度、耐酸碱性能好、复杂的表面功能改性作用、成本低、操作简单、可再生、使用寿命长等优点[50-51],而且目前各种特异性的基团已被移接到大孔吸附树脂上,从而极大地改善了它的吸附性能[52-53]。因此它已被广泛用作食品工业、制药领域、废水处理[54]中的吸附剂。

Liu[55]等人利用大孔树脂吸附法对番茄皮提取物中的番茄红素进行纯化,研究了24种大孔树脂的吸附特性,发现LX-68类型树脂的吸附性能最好;以此作为吸附剂,通过动力学吸附/解吸实验优化了分离纯化条件,结果表明:仅仅经过一轮处理,粗提物中番茄红素的含量就增加了30.4倍(从0.21%到6.38%),回收率达到66.9%,进一步说明了该法在大规模工业化生产中的优势。

4 番茄红素稳定性的改善技术研究进展

尽管番茄红素对人体健康发挥着重要的功能,而且它的提取纯化方法有很多,但将其广泛应用于食品工业的各个领域,并非是件易事,因为番茄红素属于直链不饱和烯烃化合物,这种结构决定了其性质的不稳定性,如水溶性较差、对光和热以及一些金属离子敏感等。针对部分问题,我们采取常规技术来解决。如在利用过程中避免接触铜铁用具、将其处于低温避光的条件下保存[56]等。而有些问题如要增强其水溶性,我们必须采取高新技术来满足需要。

4.1微乳化技术

番茄红素的微乳化技术是指将水相、番茄红素、表面活性剂及助表面活性剂按照一定的比例混合、形成具有各向同性、透明、热力学稳定性好的一种纳米级别的小液滴的过程。如此一来(助)表面活性剂的存在可以降低O/W体系的界面张力、甚至降为负值,进而导致界面不断扩张,最终使得番茄红素均匀地分散于混合体系中,水溶性及稳定性得到很好的改善。

John[57]等发现:当乳清蛋白浓度为0.2%(w/w)、高甲氧基果胶浓度为0.5%(w/w)、油相分数为5%(v/v)时,番茄红素微乳体系稳定性最高,该体系受温度及pH的变化影响较小,但对NaCl溶液较敏感。Lopes[58]等将聚氧乙烯脂肪醇醚与丙二醇以2∶1的比例混合作为乳化剂制备番茄红素微乳,研究了油相的选择对体系的影响,当体系中采用乳化剂∶辛酸-癸酸甘油一/二酯∶水=40∶36∶24及乳化剂∶辛酸癸酸甘油三酯∶水=50∶36∶14时可制得内相直径分别为27 nm和52 nm的番茄红素微乳液,这两种体系可以将番茄红素在角质层中的穿透能力分别提高6倍和3.6倍,其在猪耳皮活细胞中的含量分别提高至172.6±41.1、103.1±7.2 ng/cm2;并通过铜离子还原能力实验证明,存留于皮层中的番茄红素的抗氧化活力比对照组高10倍。马倩雯[59]以吐温-80作为乳化剂,确定了最佳微乳液配方:油相为番茄红素粗提液和乙酸乙酯,二者的体积比为1∶12.5;水相为无水乙醇和蒸馏水,二者的体积比为1∶1;油相与乳化剂的体积比为1∶0.4,此时即可形成与水无限稀释的、红色、透明的微乳液,提高了其稳定性;再加上微乳化技术的低能耗、操作简单,更为番茄红素产品的研制开辟了道路。

4.2微胶囊技术

对番茄红素进行微胶囊处理,即以合成的或天然的高分子成膜材料作为壁材,将其包覆形成微小颗粒的过程。其中壁材对芯材中的番茄红素可以起到保护的作用、避免其被氧化及遇光分解[60];而且成膜材料还具有缓释功能,进而延长番茄红素在体内发挥作用的时间;另外,微胶囊化使物质方便携带并提高了其稳定性[60-61]。

Feng[62]等用玉米蛋白作为包覆番茄红素的膜材,并用一级反应测定其在微胶囊中的分解情况,控释结果表明在pH为3.5的模拟人类胃系统中,经过2 h,以玉米蛋白胶粒作为膜材的微胶囊中番茄红素释放率少于30%,大部分则可能随微胶囊进入小肠,从而避免其过早释放而提高了其吸收利用率;但此结论在人体及动物体内是否仍然成立有待于进一步研究。范少丽[63]等用阿拉伯胶和变性淀粉作为一次包被壁材、β-环糊精作为二次包被壁材,研究发现番茄红素的双包被微胶囊外部结构基本上都是近球形的颗粒,平均直径约25 μm;具有良好的水溶解性和分散性;常温状态下不会发生玻璃化转变,几乎不分解;常温下经过3个月的储藏,番茄红素保留率可达92.60%。与常规技术相比,这些示例突出了番茄红素微胶囊产品的优势,但实验数据能否直接应用于大规模工业化生产仍是食品工业中亟待解决的问题。

4.3纳米处理技术

本次研究数据中计数资料以n统计、计量资料用（±s）统计；并分别使用χ2检验、t检验，检验后P值在0.05以内表示两组差异显著，且有统计学意义，数据处理软件为SPSS21.0软件。

纳米处理与微胶囊技术在本质上是一致的,但前者可以将体系缩小到纳米级别,使材料获得了纳米的一些特性,如体积效应、表面效应及尺寸效应等。这项技术有许多种形式,如材料可被加工成纳米囊、纳米球、纳米脂质体、分散液等。经过纳米处理,番茄红素的溶解性、稳定性、靶向释放性进一步增强,极大地提高了其生物利用度[64-66]。

Priscilla[67]等研究了由聚己内酯预制成的番茄红素纳米囊在光照、加热及冷藏条件下的稳定性,结果发现:当该纳米囊体系在5 ℃下冷藏84 d,其平均直径及电动势均保持稳定,而且番茄红素仍有约40%的含量;在光照及有氧条件下加热,该体系的活化能分别为67 kcal/mol和24.9 kcal/mol,而Kleidson[68]等人研究发现,在相同条件下,红木素的纳米脂质体活化能只有7.09 kcal/mol和11.48 kcal/mol,突出了纳米处理技术对番茄红素的保护作用。柴星星[69]等采用乳化蒸发法制备出的番茄红素纳米分散体的平均粒径大小为230.3 nm,PDI值为0.208,浓度达到192 μg/mL,其体外抗氧化的活性得到增强。胡琳琳[70]研究确定了制备番茄红素纳米胶囊的条件:将明胶和阿拉伯胶以1∶1的比例混合作为壁材,浓度为0.5%;以番茄红素作为芯材,浓度为0.5%;将Span 80和Tween 80以1∶1的比例混合作为乳化剂,浓度为0.5%;选用TGase为固化剂;获得的体系中番茄红素的浓度为15 mg/mL,平均粒径为139.2 nm,多分散指数为0.157,贮藏25 d后仍有80%的保留量。尽管在改善番茄红素稳定性方面,纳米化技术与微胶囊处理效果不相上下,但纳米化使得番茄红素/水混合体系更接近均相体系,有利于改善产品如饮料的外观,符合消费者的感官需求。

5 展望

作为一种功能性天然产物,番茄红素产品的开发为日益崇尚自然、追求绿色、注重养生的人们指明了方向;从番茄等原料及其废渣中提取纯化番茄红素,有利于充分发挥我国的资源优势,为实现变废为宝、农产品的产业化生产提供了宝贵的机遇,给予了其市场化的潜力;番茄红素的稳定性改善技术在整个生产线中起到了锦上添花的作用,为保健品的开发铺平了道路,丰富了其种类。

随着人们对一些高新技术研究的不断深入,特别是番茄红素的高压脉冲电场提取、超临界流体萃取技术的出现,为它在食品工业各个领域中的应用带来了巨大优越性。然而,这些高新提取技术虽然极大地提高了产品的回收率和提取效率、在一定程度上解除了民众的食品安全之忧,但高成本的设备无形中为番茄红素产品的优化平添了壁垒;一些技术(如高压脉冲电场技术)的操作条件较为复杂,难以实现全过程自动化;膜分离过程中用到的膜容易被污染、分离效率仍有待于进一步提升,从而阻碍了它的进一步普及,等等。在现有条件下,我们可以通过联合使用高新技术和常规技术从整体上使提取纯化后的产品达到理想效果,如酶辅助提取法和超声波辅助法均能使细胞受到破坏,二者的耦合系统在取长补短、优势互补的基础上则更有利于目的成分的提取。

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Researchprogressinextractionandpurificationoflycopeneandtechniquesofimprovingitsstability

WANGQing-fa,WUTong-jiao,LIANGDuo,HAOJian-xiong*

(College of Biological Science and Engineering,University of Science and Technology in Hebei,Shijiazhuang 050018,China)

Lycopene has the effect of inhibiting many kinds of cardiovascular and cerebrovascular diseases and its antioxidant ability has become an investigating spot in recent years. There are numerous approaches to extracting lycopene. Starting with the methods of solvent extraction,ultrasonic assisted extraction,supercritical fluid extraction,high intensity pulsed electric field assisted extraction,membrane separation and macroporous resin adsorption method,the passage specifically discussed the extracting and purifying theory,feature and research report in recent years. The intrinsic stability of lycopene isn’t high enough,and the review summarized the techniques of microemulsion,microcapsule and nanometer processing on the foundation of normal processing which are relevant to the improvement in its stability. To conclude,starting with the manufacturing line of lycopene products,the paper analyzed the feature of related techniques and discussed the developing prospects of lycopene products to promote their exploitation and utilization.

lycopene;effect;extraction;stability;technologies

2017-03-03

王庆发(1994-)，男，硕士研究生，研究方向：食品加工，E-mail:2278592723@qq.com。

*

郝建雄(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：食品加工，E-mail：cauhjx@163.com。

TS201.1

A

1002-0306(2017)21-0307-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.060