CN113045377A - 一种基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了新鲜番茄预处理，以亚临界水绿色萃取番茄红素，收集提取液；提取液除水，不添加任何辅料，通过超临界二氧化碳流体技术制粒即得高溶解性番茄红素微粒。本发明使番茄红素提取率从99.45μg/g提高至342.4～1060.8μg/g，最高增加了10.7倍，制备的番茄红素微粒使溶解度从0.002μg/mL提高至0.005μg/mL，增加了2.5倍，有效解决了番茄红素的提取率低和提取的番茄红素使用时利用率低两大问题。

Description

一种基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒 的制备方法
技术领域
本发明涉及番茄红素微粒的制备方法，特别涉及一种基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法。
背景技术
番茄红素(Lycopene)在自然界中存在广泛，存在于各种水果蔬菜之中，包括番茄、西瓜、南瓜、木瓜等，是成熟番茄中的主要色素之一。番茄红素具有十分强的抗氧化能力，它的抗氧化能力远超自然界其他物质，同时也是自然界抗氧化性最强的物质之一(TheAmerican Journal ofClinical Nutrition，2012，96(5)：1173-1178)。番茄红素具有多种生物活性和功能，能够增强机体氧化应激能力，清除体内的自由基，保护皮肤，增强免疫力，因此，番茄红素常应用于化妆品、保健品、食品饮料等中。
研究表明，人和动物体内不能合成番茄红素，只能通过膳食摄取。想通过生吃番茄来补充番茄红素，无论什么品种和含量的番茄，提供的番茄红素量都不够。番茄被油炒过能被人体吸收，但其量仍非常有限(The American Journal of Clinical Nutrition，1997，66(1)：116-122)。因此，人体要想有效吸收番茄红素，必须对番茄等果蔬进行精深加工，以获得番茄红素，而非初级加工。
亚临界萃取是利用亚临界流体作为萃取剂，在密闭、无氧、低压的压力容器内，依据有机物相似相溶的原理，通过萃取物料与萃取剂在浸泡过程中的分子扩散过程，达到固体物料中的脂溶性成分转移到液态的萃取剂中，再通过减压蒸发的过程将萃取剂与目的产物分离，最终得到目的产物的一种新型萃取与分离技术。亚临界水萃取法是近年以来兴起的一项绿色、环境友好型的萃取技术，以亚临界水作为高效萃取剂，可以萃取极性与非极性的物质。亚临界水的存在条件为在温度为100℃到374℃之间，在压力低于 22MPa的条件下，这时水的极性降低，性质接近于有机溶剂，容易萃取番茄红素。
需注意的是，即便通过萃取获得的番茄红素，人体直接使用，其生物利用度依然较低。原因在于番茄红素属脂溶性不饱和碳氢化合物，即难溶于水。因此，人体即便服用纯的番茄红素，但由于其溶解性差，无法被人体吸收，这也是番茄红素实际使用时的真正瓶颈问题。超临界流体抗溶剂法微粒制备技术的原理是将一种超细固体溶质溶于某一有机溶剂以此形成溶液，然后选择一种超临界流体作为反溶剂，作为反溶剂一般能与溶液中的溶剂互溶，而不能溶解溶质。当反溶剂与溶液一接触，便迅速扩散到溶液中，接着体积膨胀，溶质的溶解度也逐渐下降，形成过饱和溶液，最后析出固体溶质。超临界流体制备超细微粒技术具有速度快，产率高，溶剂易彻底除去，无污染等优点。同时，利用超临界二氧化碳制粒技术也日趋成熟，二氧化碳价廉易得，所制得微粒粒径大小可控，比表面积的改善可促进溶解，无溶剂残留，且适用于温敏性物质的制粒。温敏性物质番茄红素经制粒后，可增加溶出。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种提取率和利用率高的于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法。
技术方案：本发明提供一种基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)番茄的预处理；
(2)亚临界萃取：将预处理的番茄装入萃取罐，加入纯水，加热，达到一定温度后停止加热，加压至一定压力萃取一定时间，萃取结束后，冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后蒸汽进一步冷却，最终萃取液进入接收罐，收集萃取液；
(3)超临界二氧化碳制粒：将萃取液充分除去水后，使用有机溶剂溶解得进样溶液，将CO2通入结晶釜，设定一定压力和一定的温度范围，将进样溶液打入结晶釜，同时通入CO2，待溶液进样结束，维持CO2流量一定时间，排除残留溶剂，最后卸压，当结晶釜内逐步降压至大气压之后，打开结晶釜收集番茄红素超细微粒。
进一步地，所述步骤(1)中番茄的预处理：将一定量新鲜番茄利用榨汁机制成糊状或利用切粒机切成不大于10cm3番茄丁。
进一步地，所述步骤(2)中有机溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷或丙酮。
进一步地，所述步骤(2)液料比为15∶1～24∶1(mL/g)。
进一步地，所述步骤(2)的亚临界萃取，萃取温度为110～140℃，萃取压力为0～4MPa，萃取时间为20～50min。
进一步地，所述步骤(3)进样溶液范围在0～0.15mg/mL，不添加任何辅料。
进一步地，所述步骤(3)温度40～55℃，所述压力9～12MPa，制粒时间20～50min。
作为优选方案：
将预处理的番茄放入萃取罐，加入纯水，液料比为24∶1，打开加热开关，达到130℃后停止加热，进行加压，当压力表达到2Mpa后，关泵停止加压，加热萃取50min，萃取结束后打开循环泵，使冷却水冷却从萃取罐放出蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐。利用冻干机将萃取液除去水分，使用丙酮溶解除水后的提取液，配制浓度0.15mg/mL进样溶液，将CO2通入结晶釜，压力为10MPa，温度范在40℃；高效液相泵将溶液打入结晶釜同时以一定流速继续通CO2，CO2流速1L/min，溶液流速在1mL/min；待溶液进样结束，维持CO2流量40min，以达到排除残留溶剂的目的，卸压时间为1h，当结晶釜内中逐步降压至大气压之后，打开结晶釜收集番茄红素超细微粒。
有益效果：本发明基于以水为萃取介质的亚临界水绿色高效萃取装置，不使用任何有机溶剂，结果表明番茄红素提取率从99.45μg/g提高至342.4～1060.8μg/g，最高增加了 10.7倍，实现新鲜番茄中番茄红素的高效萃取。同时因番茄红素的脂溶性导致其生物利用度低，通过超临界CO2流体技术制备番茄红素微粒，不添加任何辅料，结果表明番茄红素溶解度从0.002μg/mL提高至0.005μg/mL，增加了2.5倍，提高了提取的番茄红素使用时生物利用度。
附图说明
图1为紫外分光光度法测得番茄红素标准曲线；
图2实施例13中超临界二氧化碳制得番茄红素微粒电镜图；
图3实施例13中制粒前后番茄红素微粒在37℃磷酸盐缓冲溶液中的溶解度。
具体实施方式
本发明实验室阶段设定的完成工序为：
1、番茄的预处理，将一定量新鲜番茄利用榨汁机制成糊状或利用切粒机切成不大于10cm3番茄丁。
2、亚临界水萃取中，取适量预处理后番茄加入萃取釜中，不使用任何有机溶剂，以纯水作萃取剂，液料比为15∶1～24∶1(mL/g)，萃取温度110～140℃，萃取压力0～4MPa，萃取时间20～50min，收集提取液。
3、以番茄红素标准品测得的吸光度标曲为基准，拟合得吸光度与浓度关系式：A(吸光度)＝0.0272C(浓度)+0.0078，利用上式用于计算萃取出来的番茄红素的含量。
4、利用超临界二氧化碳制粒，提取液除去水分后，不添加任何辅料，使用丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷等有机溶剂溶解除水后的提取液，浓度范围在0～0.15mg/mL，将 CO2通入结晶釜设定压力在9～12MPa，温度范围在40～55℃；高效液相泵将溶液打入结晶釜同时以一定流速继续通入CO2，CO2流速0.1～10L/min，溶液流速在0.1～3.0 mL/min；待溶液进样结束，维持CO2流量0.1～10L/min，以达到排除残留溶剂的目的，卸压时间为0.5～10h，当结晶釜中逐步降压至大气压之后，打开结晶釜收集番茄红素超细微粒。
5、称取少量所得微粒，投入稍过量pH＝7.4的10mmol/L的磷酸盐缓冲液中，37℃下溶解，确保充分溶解即2小时后测其吸光度并代入标准曲线计算浓度，即为此时溶解度。
实施例1
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至110℃后进行加压，当压力表达到1 MPa后停止加压，继续保持110℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为342.4μg/g。
实施例2
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至120℃后进行加压，当压力表达到1 MPa后停止加压，继续保持120℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为848.0μg/g。
实施例3
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到1 MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为689.6μg/g。
实施例4
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至140℃后进行加压，当压力表达到1 MPa后停止加压，继续保持140℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为742.2μg/g。
实施例1～4的萃取率数据参见表1。
表1亚临界提取温度与萃取率之间的关系
Figure BDA0003048553660000051
对比表中数据可以看出，随着温度的升高，番茄红素的萃取率整体呈升高趋势，这是因为随着温度的增加，分子扩散速率也随着增加，溶剂对番茄红素的萃取效率也随着增加。当温度达到120℃时，萃取率达到最高，为848.0μg/g，当温度继续升高时，可能由于温度过高，导致部分番茄红素被分解，导致番茄红素的萃取率下降。所以选120℃为最佳萃取温度，此时的萃取率最大。
实验证明，亚临界萃取的时间对于番茄红素萃取率也有较大的影响，探究其之间的关系，具体实施过程，参见实施例5～8。
实施例5
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到2 MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取20min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为654.4μg/g。
实施例6
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到2 MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为689.6μg/g。
实施例7
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到2 MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取40min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为936.0μg/g。
实施例8
精确称取预处理后的番茄66g，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到2 MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取50min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为1060.8μg/g。
实施例5～8的萃取率数据参见表2。
表2亚临界提取时间与萃取率之间的关系
Figure BDA0003048553660000061
对比表中数据可以看出，番茄红素的萃取率随着时间的增加而增大，尤其是当萃取时间从30min延长到到40min时，萃取率增加明显。当把萃取时间延长到50min时，萃取率虽然仍有所增加，但增加幅度明显放缓很多，即可得出结论，在此温度与压力下的亚临界水，萃取时间为50min时萃取效果最佳，但是对比40min升到50min时的萃取率提升不如从30min升到40min明显。
同时，亚临界萃取的液料比对番茄红素的萃取率也有一定的影响，探究其之间的关系，具体实施过程，参见实施例9～12。
实施例9
精确称取预处理后的番茄66g(液料比24∶1)，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到4MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为695.6μg/g。
实施例10
精确称取预处理后的番茄76g(液料比21∶1)，放入萃取罐中，加入纯水1600mL，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到4MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为680.6μg/g。
实施例11
精确称取预处理后的番茄88.8g(液料比18∶1)，放入1600mL的萃取罐中，加入纯水，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到4MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为720.9μg/g。
实施例12
精确称取预处理后的番茄106.6g(液料比15∶1)，放入1600mL的萃取罐中，加入纯水，将罐体密封，开启搅拌器，调至120r/min，打开加热器，加热至130℃后进行加压，当压力表达到4MPa后停止加压，继续保持130℃加热萃取30min。萃取结束后，打开循环泵，用冷却水冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后进一步冷却，最终萃取液进入接受罐，使用紫外分光光度法测量得到萃取率为689.6μg/g。
实施例9～12的萃取率数据参见表3。
表3亚临界提取中液料比与萃取率之间的关系
Figure BDA0003048553660000071
对比表中数据可以看出，随着液料比的增大，番茄红素的萃取率随着也随着增大，但是变化的幅度不大，当液料比为18∶1的时候，番茄红素的萃取率达到最高点。所以，可以选择液料比为18∶1的条件作为最佳液料比。
实施例13
将实施例8所获得的提取液冻干3天后，取适量冻干物，使用丙酮在常温下溶解50分钟，得浓度为0.15mg/mL番茄红素溶液。在40℃，10MPa超临界条件下制粒。称取所得微粒0.1mg，投入5mL、pH＝7.4的10mmol/L的磷酸盐缓冲液中，37℃下，2 小时后测其吸光度并计算浓度为0.005μg/mL。
实施例14
将实施例8所获得的提取液冻干3天后，取适量冻干物，使用二氯甲烷在常温下溶解50分钟，得浓度为0.03mg/mL番茄红素溶液。在45℃，9Mpa超临界条件下制粒。称取所得微粒0.1mg，投入5mL、pH＝7.4的10mmol/L的磷酸盐缓冲液中，37℃下， 2小时后测其吸光度并计算浓度为0.0023μg/mL。
实施例15
将实施例8所获得的提取液冻干3天后，取适量冻干物，使用乙酸乙酯在常温下溶解50分钟，得浓度为0.1mg/mL番茄红素溶液。在55℃、12Mpa超临界条件下制粒。称取所得微粒0.1mg，投入5mL、pH＝7.4的10mmol/L的磷酸盐缓冲液中，37℃下，2 小时后测其吸光度并计算浓度为0.003μg/mL。

Claims (7)

1.一种基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)番茄的预处理；
(2)亚临界萃取：将预处理的番茄装入萃取罐，加入纯水，加热，达到一定温度后停止加热，加压至一定压力萃取一定时间，萃取结束后，冷却从萃取罐放出的蒸汽，经低温冷却槽后蒸汽进一步冷却，最终萃取液进入接收罐，收集萃取液；
(3)超临界二氧化碳制粒：将萃取液充分除去水后，使用有机溶剂溶解得进样溶液，将CO2通入结晶釜，设定一定压力和一定的温度范围，将进样溶液打入结晶釜，同时通入CO2，待溶液进样结束，维持CO2流量一定时间，排除残留溶剂，最后卸压，当结晶釜内逐步降压至大气压之后，打开结晶釜收集番茄红素超细微粒。
2.根据权利要求1所述的基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中番茄的预处理：将一定量新鲜番茄利用榨汁机制成糊状或利用切粒机切成不大于10cm3番茄丁。
3.根据权利要求1所述的基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中有机溶剂为丙酮、乙酸乙酯或二氯甲烷。
4.根据权利要求1所述的基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)液料比为15∶1～24∶1(mL/g)。
5.根据权利要求1所述的基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的亚临界萃取，萃取温度为110～140℃，萃取压力为0～4MPa，萃取时间为20～50min。
6.根据权利要求1所述的基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)进样溶液范围在0～0.15mg/mL，不添加任何辅料。
7.根据权利要求1所述的基于亚临界萃取与超临界制粒组合工艺的番茄红素微粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)温度40～55℃，所述压力9～12MPa，制粒时间20～50min。
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