番茄红素的提取工艺优化及应用

范芳芳，魏宁果，邹 力，安 瑜，靳 迪

（1. 陕西省产品质量监督检验研究院，陕西 西安 710048；
2. 西安培华学院，陕西 西安 710125）

番茄红素是一种广泛存在于植物性食品中并呈现红色或深红色的类胡萝卜素[1]，分子式为C40H56，分子结构是有11 个共轭和2 个非共轭的碳- 碳双键组成的非环状平面共轭多烯[2]（见图1[3]）。根据结构式可知，番茄红素为脂溶性物质，稳定性差，容易发生顺反异构反应和氧化降解[4]，对光、热、氧、酸、金属离子等比较敏感[5]。研究发现，番茄红素具有较强的抗氧化性能力，能够降低癌症[6]和心血管[7]等疾病的发病率。同时，作为营养强化剂和天然色素[8]，番茄红素在保健食品、化妆品和医药行业越来越受到重视[9]。

研究发现，在各类水果中，番茄中番茄红素含量相对较高[10]。我国是番茄生产大国，资源极为丰富，研究番茄中番茄红素的提取，对于延长番茄产业链、提高番茄科技附加值、开发天然抗氧化剂具有重要的实际意义[11]。番茄红素常见的提取技术有溶剂提取法[12]、超声波辅助提取法[13]、超临界流体萃取法[14]和高压脉冲电场辅助提取法[15]等，每种方法各有优缺点[16]。在NY/T 1651—2008[17]的基础上采用有机溶剂- 水- 无机盐双水相体系液液萃取，氮吹富集，定量后采用高效液相色谱法进行分析测定的方法，整个试验过程采用单因素分析结合正交设计试验的方法进行研究。

番茄红素的结构式[3]见图1。

图1 番茄红素的结构式

1.1 材料与试剂

番茄，购自当地农贸市场和超市，为红色自然成熟番茄。

番茄红素标准品：BePure-23764；
二氯甲烷和丙酮为色谱纯，品牌为Tedia；
无水硫酸钠为分析纯，天津市天力化学试剂有限公司提供。

1.2 仪器与设备

1260 型高效液相色谱仪- 二极管检测器，美国安捷伦公司产品；
BAS224S 型电子分析天平，塞多利斯科学仪器北京公司产品；
RE-2000A 型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂产品；
KQ-500E 型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；
SK-680C1-A型榨汁机，湛江市家用电器工业公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 番茄预处理

新鲜番茄洗净去蒂、去皮，按照四分法取样后放入榨汁机捣碎成匀浆。将匀浆试样放入聚乙烯品中于-20～-16 ℃条件下保存。

1.3.2 番茄中番茄红素溶剂提取工艺

（1） 工艺流程。番茄匀浆→提取溶剂→无水硫酸钠→超声提取→浓缩→定容→测定。

（2） 参数工艺。番茄匀浆5.0 g，体积比1∶1 的石油醚- 丙酮溶液为提取剂，超声功率280 W，旋转蒸发后定容体积10 mL，其余按照试验设定条件进行。

1.3.3 溶剂提取工艺单因素试验

参考文献[18-20]，设计表1 的单因素试验方案，研究料液比、无水硫酸钠用量、超声时间和超声温度对番茄中番茄红素提取率的影响。

单因素试验设计见表1。

表1 单因素试验设计

1.3.4 超声- 微波辅助提取番茄红素的正交试验

根据单因素试验结果，选择对番茄中番茄红素提取率影响较大的料液比、超声时间、超声温度和无水硫酸钠用量为因素，设计四因素三水平正交试验。

L（934）正交试验因素与水平设计见表2。

表2 L9（34）正交试验因素与水平设计

1.3.5 番茄红素含量的测定

以番茄红素标准品为对照，采用高效液相色谱-二极管检测器测定提取液中番茄红素含量，计算番茄红素提取率。

（1） 番茄红素标准曲线的绘制。参考NY/T1651—2008 的方法。精确称取番茄红素标准品1.0 mg，用二氯甲烷配制质量浓度为100 mg/L 的番茄红素标准溶液。准确吸取番茄红素标准溶液0.05，0.10，1.00，2.00，4.00，6.00 mL，分别置于10 mL 比色管中，用二氯甲烷定容至刻度，在最大吸收波长472 nm处进行上机测定。以质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标，绘制标准曲线，得标准曲线方程为：A=3.607C-0.287，R2=0.996。番茄红素质量浓度为0.5～60.0 μg/mL时与其峰面积呈良好的线性关系。

（2） 番茄红素含量的测定。将试验得到的番茄红素提取液稀释一定倍数后，按1.3.5（1） 中方法测定并计算质量浓度，再按下式计算番茄红素含量。

2.1 料液比对番茄红素含量的影响

料液比对番茄红素含量的影响见图1。

图1 料液比对番茄红素含量的影响

研究了料液比为 1∶2～1∶16（g∶mL） 对番茄红素含量的影响，结果发现随着料液比的增大，番茄红素的含量增大，当料液比为1∶8 时达到最大，随后逐渐降低。这是由于提取溶剂的含量越大，越有利于番茄红素的溶出，但是样品基质中番茄红素的含量是一定的，过量的提取溶剂不仅浪费资源，而且在后续氮吹等操作中损失会更多，所以料液比选为 1∶8 （g∶mL）。

2.2 超声时间对番茄红素含量的影响

超声时间对番茄红素提取含量的影响见图2。

图2 超声时间对番茄红素含量的影响

研究了超声时间为0～60min 对番茄红素含量的影响，结果表明随着超声时间的增大，番茄红素的含量增大，当超声时间为30 min 时，达到最大，随后降低。这是由于超声时间越长，越有利于溶剂对番茄红素的提取，但是由于番茄红素的不稳定性，过长的超声时间可能导致其的结构被破坏，所以最优超声时间为30 min。

2.3 超声温度对番茄红素含量的影响

研究了超声温度为10～60 ℃对番茄红素含量的影响，结果表明随着超声温度的增大，番茄红素的含量增大，当超声温度为40 ℃时，达到最大，随后急剧降低。

这是由于适宜的温度有利于溶剂对番茄红素的提取，但是过高的温度会破坏番茄红素的分子结构，所以最优超声时间为40 ℃。

超声温度对番茄红素含量的影响见图3。

图3 超声温度对番茄红素含量的影响

2.4 无水硫酸钠的含量对番茄红素含量的影响

研究了无水硫酸钠的含量为0～6 g 对番茄红素含量的影响，结果表明无水硫酸钠用量为1 g 时，番茄红素的含量达到45.687 mg/kg，继续加大无水硫酸钠的含量，番茄红素的含量先降低再逐步增大，当无水硫酸钠用量为5 g 时，番茄红素的含量为45.658 mg/kg，再继续增加无水硫酸钠的用量至6 g，番茄红素的含量基本保持不变。

无水硫酸钠用量对番茄红素含量的影响见图4。

图4 无水硫酸钠用量对番茄红素含量的影响

这是由于无水硫酸钠用量为1 g 时，水- 有机相所形成的双水相达到平衡，分子力的作用使番茄红素更多地溶解于有机相，随着无水硫酸钠的含量增加，该双水相平衡被打破，无水硫酸钠对水分的吸附形式变为其结晶水合物的形成，随着无水硫酸钠用量的增加，水分越来越少，番茄红素的含量逐渐增大，当无水硫酸钠用量大于6 g 时，样品中的水分几乎被去除，番茄红素的含量基本保持不变。

2.5 正交试验

正交试验结果见表3。

表3 正交试验结果

由表3 可知，各因素影响番茄红素含量的大小顺序为料液比＞超声温度＞无水硫酸钠用量＞超声时间。有机溶剂- 水- 无机盐提取番茄中番茄红素的最佳工艺条件为A2B2C2D2，即超声时间30 min，料液比1∶8，超声温度40 ℃，无水硫酸钠用量为1 g。按照正交试验确定的最佳提取工艺条件进行3 次平行试验，测得番茄中番茄红素含量分别为43.56，42.88，44.30 mg/kg，平均为43.58 mg/kg，相对标准偏差RSD 为0.58%，表明该提取工艺稳定可靠、重现性好。

2.6 加标回收试验

试验将番茄红素储备液分别加入番茄样品中1，2，3 mL，加入质量浓度分别为 2.5，5.0，7.5 μg/mL，分别进行7 次重复性测试。

不同质量浓度下加标回收率情况见表4。

表4 不同质量浓度下加标回收率情况

由表4 可知，不同质量浓度的加标回收率均为78.65%～84.22%，番茄红素含量的相对标准偏差均小于2。

2.7 不同原料的处理结果对比

在市场分别采购自然成熟的红色番茄、红色圣女果、粉色圣女果和黄色圣女果各7 批次进行试验。

不同种类水果中番茄红素的含量见图5。

图5 不同种类水果中番茄红素的含量

由图5 可知，自然成熟的红色番茄和红色圣女果中番茄红素的含量为32.55～54.82 mg/kg，二者之间并无含量高低的明显差异。粉色圣女果中番茄红素的含量为8.7～13.45 mg/kg，明显低于以上2 种红色水果。黄色圣女果中番茄红素的含量最低，为0～4.36 mg/kg。

番茄红素为一种天然深红色素，其含量越大，相应的水果所呈现的红色越深。

同品种之间的个体差异可能跟其成熟度和生长环境（如光照、水分、土壤中重金属的种类含量）等有关。由于时间有限，试验所选取的样本量比较少且产地为陕西及其周边省份，显著性不够突出，后续工作中可以通过扩大不同区域的样本量进行更加深入的研究。

在单因素试验的基础上，采用正交试验对番茄中番茄红素进行有机溶剂- 水- 无机盐液液浸提-氮吹富集工艺进行了优化，得到提取番茄中番茄红素的最佳工艺条件为：以体积比1∶1 的石油醚- 丙酮溶液为提取剂，料液比1∶8（g∶mL），超声温度40 ℃，超声时间30 min，无水硫酸钠用量为1 g。在该工艺条件下，番茄中番茄红素不同浓度的回收率在80%左右。该工艺具有精密度高、稳定性好、回收率高、操作简单等优点。

在最佳工艺条件下，试验进一步对不同种类的番茄和圣女果中番茄红素的含量进行测定，结果表明，自然成熟的番茄品种中番茄红素的含量高低可以根据果实颜色初步判断，颜色越深，含量可能也越高。随着人们对番茄红素的逐步认识，近年来各种番茄嫁接品种层出不穷，打着“富含番茄红素”旗号迷惑消费者，试验不仅为番茄中番茄红素的提取提供了简单稳定的操作工艺，而且能够帮助消费者在鱼龙混杂的广告中辨认并购买所需要的产品。