超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化_朱俊向

试剂 1.1.1 冻干番茄粉的制备 市售红熟番茄→清洗、去蒂→切块、打浆 →3 000 r/min 离心 20 min 除水→番茄浆→冷冻干燥 → 超微粉碎 → 冻干番茄粉 → 真空干燥器避光贮存 备用参考宋宏新等 [17] 建立的番茄真空冷冻干燥曲 线，设定如下干燥工艺条件：番茄浆（物料厚度 10 mm） 置于−20℃冰箱中预冻 12 h， 然后转入冻干 机中冷冻干燥 24 h（冷阱温度−50℃，干燥室真空 度 0.081 MPa）。 参考范明月等[18]超微粉碎条件，做稍微修改： 一次进样量 5 g，粉碎时间 10 s。 1.1.2 试剂 乙酸乙酯，二氯甲烷和石油醚均为分析纯。 1.2 仪器与设备 JJ-2 组织捣碎机 （常州国华有限公司 金坛市） ； AR2140 型分析天平 （奥豪斯国际贸易有限公司 美 国）；TDL-40B 台式离心机（上海安亭科学仪器厂 上海市）；GB/T6003-1997 标准检验筛（上虞市纱 筛厂 上虞市）；754 紫外-可见分光光度计（上海 光谱仪器有限公司 上海市）。 ALPHA1-2 LDPlus 型真空冷冻干燥机，配有 LDPlus 控制器，相关冻干参数可设（CHRIST 公司 德国）。 FDV 型气流式超细粉碎机，转速 25 000 r/min （北京兴时利和科技发展有限公司 北京市）。 SY-1000E 型恒温超声提取机，采用聚能中间 探入式超声换能器（探头 Φ15 mm），配有数控超 声发生器（频率 20 kHz）和加热制冷配套装置（北 京弘祥隆生物技术开发有限公司 北京市）。 1.3 试验方法 1.3.1 番茄红素提取率的测定 取 1 mL 参考张连富等[19]建立的简便测定方法， 待测液，用含 2%二氯甲烷的石油醚稀释一定倍数， 于 502 nm 处测定其吸光度，根据下面公式计算番 茄红素提取率。公式如下： A V N 10 （1） 番茄红素提取率(mg/g) = 3078 m
0
引
言
番茄红素是成熟番茄中最主要的呈色色素，在 过去只是被当作一种没有生物活性的植物色素[1]。 近年来，越来越多的试验和研究表明，番茄红素具 有多种生物活性，作为存在于人类血清和其他组织 中主要的类胡萝卜素[2]，番茄红素是一种优良的天 然抗氧化剂，保护细胞内脂质、蛋白质和 DNA 免 受自由基氧化损伤[3]，其抗氧化活性优于其他类胡 萝卜素色素[4]。许多研究已经证实了它在治疗慢性 疾病方面的重要地位，尤其是其代谢产物在预防癌 随着对番茄 症方面所起到的作用更是不可忽视[5-6]。 红素有益健康的认识不断深入，人们开始将番茄红 素浓缩品添加到功能食品中，并且也愈加关注绿色 高效提取番茄红素的工艺技术。 常规溶剂提取（CSE）番茄红素增加了提取溶 剂用量和提取时间，而超声辅助提取（UAE）可以 有效地改善萃取效率[7]。Mason 等[8]综述了超声辅
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朱俊向等：超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化
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和吸收，但将二者结合应用在番茄红素提取方面， 目前国内外尚未有文献报道。因此该文通过冷冻干 燥结合超微粉碎技术处理红熟番茄得到冻干番茄 粉， 用标准筛筛选出粒度区间为<74 µm 的粉体作为 提取原料，采用超声辅助提取（UAE）从中提取番 茄红素，以期为番茄红素的高效提取及番茄的综合 利用提供一定的理论指导和技术支持。
式中， A 为待测液吸光度； V 为提取溶液体积， mL； N 为稀释倍数，该文中 N = 50；3078 为番茄红素在 含 2%二氯甲烷石油醚中的百分吸光系数；m 为冻 干番茄粉的质量，g 1.3.2 超微粉碎粒度区间的选择 在超声萃取杯中，5 份粒度区间分别为<180、 <98、<74、<63 和<50 µm 的冻干番茄粉按液料比 40:1 mL·g-1，在超声比功率 16 W·g-1，40℃条件下 以处理 2 s，间歇 1 s 的方式超声提取 10 min，得到 的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液， 按照 1.3.1 测定并计算各次番茄红素提取率，每组重复 3 次。 经比较后，确定提取原料的超微粉碎粒度区间。 对不同粒度区间粉体对提取率的影响做了进 一步研究。称取适量冻干番茄粉，用标准筛依次筛 选出 6 份小粒度区间分别为>180、98～180、74～ 98、63～74、50～63 和<50 μm 的番茄粉，称量并 计算每个粒度区间番茄粉的质量分数，计算粒度分 布。在超声萃取杯中，6 份番茄粉按液料比 40:1 mL/g， 在超声比功率 16 W/g， 40℃条件下以处 理 2 s，间歇 1 s 的方式超声提取 10 min，得到的提 取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照 1.3.1 测 定并计算各次番茄红素提取率，每组重复 3 次。 1.3.3 超声辅助法提取番茄红素工艺条件的优化 1）单因素试验 ① 液料比对番茄红素提取率的影响：在超声 萃取杯中，5 份冻干番茄粉(<74 μm)按液料比 30:1、 35:1、 40:1、 45:1 和 50:1 mL/g， 在超声比功率 8 W/g， 40℃条件下以处理 2 s，间歇 1 s 的方式超声提取 10 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测 液，按照 1.3.1 测定并计算各次番茄红素提取率， 每组重复 3 次。 ② 超声温度对番茄红素提取率的影响：在超 声萃取杯中， 5 份冻干番茄粉 (<74 μm) 按液料比 25:1 mL/g，在超声比功率 5 W/g，温度分别为 40、 45、50、55 和 60℃条件下以处理 2 s，间歇 1 s 的 方式超声提取 10 min，得到的提取液冷却到室温后 抽滤得到待测液，按照 1.3.1 测定并计算各次番茄 红素提取率，每组重复 3 次。 ③ 超声比功率对番茄红素提取率的影响：在 超声萃取杯中，5 份冻干番茄粉(<74 μm)按液料比 25:1 mL/g，在超声比功率分别为 5、10、15、20 和 25 W/g，温度 40℃条件下以处理 2 s，间歇 1 s 的方 式超声提取 10 min，得到的提取液冷却到室温后抽 滤得到待测液，按照 1.3.1 测定并计算各次番茄红 素提取率，每组重复 3 次。 2）多因素综合模拟试验 在单因素试验的基础上，应用 Box-Benhnken
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农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.29 No.18 Sep. 2013
超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化
朱俊向，吴 昊，杨绍兰，王成荣※
表 1 Box-Benhnken 试验因素水平表 Table 1 Factors and levels in BBD
助提取的作用机制，主要是超声空穴效应的强烈机 械作用，有效地改善了提取的传质过程，具体表现 在 3 个方面：非对称气泡的崩坏扰乱了物料表面溶 剂层，促进了提取溶剂的扩散；伴随空化效应出现 的定向冲流， 导致声致毛细效应(指毛细管内的液体 在超声空化场中不寻常的上升现象，低频超声波的 声致毛细效应主要由冲流产生[9])的发生，声致毛细 效应能够促进植物原料毛细管系统中生物活性成 分（例如分布在肉桂茎皮韧皮部导管中的挥发油成 分[10]）的释放；空穴气泡破裂产生的巨大能量加剧 了物料颗粒之间的碰撞，增加了提取的传质速率。 另外，Chemat 等[11]指出，空穴效应产生的足够能 量也充分地破坏了植物原料的细胞壁，加速了植物 细胞中有效成分的转移和扩散。作为绿色高效萃取 技术的代表，近几年，超声辅助提取已被广泛应用 于天然产物的提取。 与其他原料预处理方式[12]相比，冷冻干燥和超 微粉碎是 2 种较为理想的处理方式。冷冻干燥更好 地保留了原料中番茄红素的活性[13]，降低了由于预 处理过程中的氧气、热处理等不利因素带来的番茄 红素降解损失，同时，又升华去除了原料中大量的 水分，这样就可以避免超声提取体系中由水分子产 生的羟基自由基对番茄红素的破坏[14]。超微粉碎是 一种细胞级粉碎技术[15]，得到的原料粉体颗粒粒径 小、比表面积大[16]、有利于原料中营养成分的释放
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农业工程学报
2013 年
试验设计，以冻干番茄粉(<74 μm)为原料，液料比、 超声温度和超声比功率为自变量，番茄红素提取率 为响应值设计三因素三水平响应面试验，试验设计 试验结果拟合为二次回归模型， 因素水平表见表 1。 方程如下：
Y β0 βi X i
i 1
3
2
i 1 j i 1

3
βij X i X j βii X i 2 （2）
i 1
3
式中，Y 表示预测响应值，Xi, Xj 表示影响响应值 Y 的自变量，β0 表示常数项，βi 表示一次项系数，βij 表示二次交互项系数，βii 表示二次方项系数。拟合 模型的质量用确定系数(R2)、失拟项(lack of fit)、变 异系数(C.V.%)、调整确定系数(Adj-R2)和预测确定 系数(Pred-R2)等来评价。模型的统计分析用方差分 析来表示，统计意义用 F 值和 p 值来检验[20]。
收稿日期：2013-03-07 修订日期：2013-08-05
基金项目：山东省现代蔬菜产业技术体系（SDSXDSCCYJSTX） 作者简介：朱俊向（1989－） ，男，山东潍坊人，主要研究方向：果蔬 深加工。青岛 青岛农业大学食品学院，266109。 Email: zhujunxiang89@ ※通信作者：王成荣（1958－） ，男，教授，主要研究方向：果蔬贮藏 与深加工。青岛 青岛农业大学食品学院果蔬深加工实验室，266109。 Email: qauwcr@
（青岛农业大学食品科学与工程学院，青岛 266109） 摘 要：为了提高番茄原料中番茄红素的提取率，增加番茄深加工的利用价值，该文研究了冻干番茄粉粒度范围、 液料比、超声温度、超声比功率和超声处理时间 5 个因素对番茄红素提取率的影响，通过响应面分析优化出超声 辅助提取 (ultrasound assisted extraction, UAE) 冻干番茄粉 (<74 µm) 中番茄红素的最佳工艺，并与常规溶剂提取 (conventional solvent extraction, CSE)进行了比较。确定的最优工艺条件为：液料比 41:1 mL/g、超声温度 55℃、超 声比功率 18 W/g，超声处理时间 15 min。响应面验证试验番茄红素提取率为 1.82±0.05 mg/g（超声时间 10 min） ， 与优化模型预测值 1.83 mg/g 基本一致，验证了模型的可靠性。UAE 的番茄红素提取率较 CSE 增加了 6.04%，提 取时间节省了 92.47%。该文为番茄红素的高效提取及番茄的综合利用提供了参考。 关键词：优化，超声，提取，冻干番茄粉，番茄红素 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.18.034 中图分类号：TS255.36 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-18-0284-08 朱俊向，吴 昊，杨绍兰，等. 超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化[J]. 农业工程学报，2013，29(18)： 284－291. Zhu Junxiang, Wu Hao, Yang Shaolan, et al. Technology optimization of ultrasonic-assisted extraction for lycopene from lyophilized tomato powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 284－291. (in Chinese with English abstract)