年产15吨番茄红素的生产工艺项目设计方案

年产15吨番茄红素的生产工艺项目设计方案绪论1.1番茄红素的简介番茄红素是植物中所含的一种天然色素。

主要存在于茄科植物西红柿的成熟果实中。

它是许多类胡萝卜素生物合成的中间体，类胡萝卜素是由细菌、藻类及植物生物合成的类菇烯，动物无法生物合成，只能靠食物摄取⑴。

目前，在自然界的植物中被发现的最强抗氧化剂就数番茄红素。

科学证明，人体内的单线态氧和氧自由基是侵害人体自身免疫系统的罪魁祸首。

番茄红素清除自由基的功效强于其他类胡萝卜素和维生素E, 其淬灭单线态氧速率常数是维生素E的100倍。

因为它可以有效的防治因衰老，免疫力下降引起的各种疾病，所以，番茄红素受到世界各国专家的关注。

1.2番茄红素的来源番茄红素广泛存在自然界中，主要分布于西瓜、柿、胡椒果、南瓜、桃、木瓜、芒果、葡萄、番茄、葡萄抽、番石榴、红荀、柑桔、云葛等的果实及胡萝卜、萝卜、芜答甘蓝等的根部。

番茄红素是西方膳食中类胡萝卜素最主要的来源，也是人体血清中含量较高的类胡萝卜素之一。

番茄红素在番茄中的含量随品种和成熟度的不同而不同。

一般说来，加工用番茄中番茄红素的含量是鲜食用番茄的3.0— 3.5倍，成熟度越高，番茄红素的含量越高。

我国新疆产加工用番茄的番茄红素含量很高，番茄含量为400 mg/100 g以上，番茄皮中含量为20 mg/100g[2]。

有报道称秋橄榄果实的番茄红素含量也很高，可以达15—54mg/100g。

1.3番茄红素的分子结构1910年，Willstaller[3]和Escher在对番茄红素的研究中首次确定了其分子式为C40H56，分子量为536.85c天然存在的番茄红素全都是全反式，但是通过高温的油炸、蒸煮等加工方式可由反式构型向顺式构型转变。

研究还表明，番茄红素的顺式异构体与反式异构体的物理和化学性质有所不同，与反式异构体相比，番茄红素的顺式异构体的极性强，熔点低，不易结晶，摩尔消光系数小，更易溶解，而且在放置过程中可能会回复到全反式状态。

1.4番茄红素的理化性质1.4.1稳定性番茄红素分子中有11个共扼双键及2个非共轭双键，使得番茄红素的稳定性比较差，它在一定条件下可发生氧化降解和顺反异构化。

番茄红素对氧化反应很敏感，其溶液经日光照射一段时间后，番茄红素基本上损失殆尽。

溶液中的Fe3+和Cu2+会对番茄红素的光氧化反应起催化作用，而其它金属离子如Mg2+、K+、Zn2+、Ca2+等则对其影响不大，所以天然番茄红素在提取和应用过程中应尽量避免使用铜制和铁制容器。

此外，pH 值对番茄红素也有影响，当用乙醇溶解番茄红素，并调制成PH值1〜14。

结果表明，番茄红素对碱比较稳定，对酸则不稳定，故番茄红素作为色素使用时并不适合于酸性饮料。

由此可见，影响番茄红素稳定性的因素有金属离子、氧、光、pH等，故番茄红素的提取、加工、分析及贮存都应该在对环境因素进行控制的条件下进行⑷。

1.4.2呈色能力番茄红素作为一种天然红色素，如何保持其最强的着色力是至关重要的。

番茄果实中的番茄红素有两种存在状态：其中大部分是以细长的、针状的结晶形式存在于有色体中，呈现明亮的红色。

当番茄红素的结晶形成时，质体膜消失，色素结晶自由分散在原生质中，在显微镜下观察时，可以看到小粒状的有色体，说明了有色体所显现的颜色；另外一小部分（10%左右）贝U与蛋白质形成复合体存在于细胞中。

番茄红素以不同的形态存在时具有不同的颜色和强度，而且会随着溶剂和介质的不同而呈现出不同的颜色。

例如，溶解在石油醚中的番茄红素呈黄色，在二硫化碳中则呈红色。

1.4.3溶解性番茄红素是脂溶性色素，可溶于其他脂类和非极性溶剂中，不溶于水，难溶于强极性溶剂如甲醇、乙醇等，可溶于脂肪烃、芳香烃和氯代烃如乙烷、苯、氯仿等有机溶剂。

番茄红素在各种溶剂中的溶解度随着温度的上升而增大，然而当样品越纯时，溶解越困难。

结晶的番茄红素溶解缓慢，倾向于形成一种超饱和状态，虽然提高温度可加速其溶解，但冷却时可能会出现结晶，这时可利用超声波加速其溶解。

纯的番茄红素虽然不溶于水，但当它与某些物质如蛋白质结合形成复合物时，则具有较高的溶解度。

1.5番茄红素的生物学特性1.5.1番茄红素具有抗氧化性番茄红素通过物理和化学方式猝灭单线态氧或捕捉过氧化自由基。

单线态氧是具有很强活性的氧自由基，具细胞毒性作用，以线粒体、细胞膜等部位对其最为敏感，能与大多数生物大分子发生作用，通过与分子结合造成细胞膜系统的损伤；番茄红素能够接受不同电子激发态的能量，吸收光能并通过单线态一单线态能量转移过程使单线态氧的能量转移到番茄红素，生成基态氧分子和三重态番茄红素分子，三重态番茄红素通过与溶剂的一系列旋光和振动反应得到再生，并在此过程中将能量散发；类胡萝卜素的猝灭能力与其分子中所含有的共轭双键的数目有着密切的关系，番茄红素分子中有11个共轭双键，一个番茄红素分子可以清除数千个单线态氧，其猝灭单线态氧的速率常数较B -胡萝卜素高2倍。

1990年Paolo等⑸报道了类胡萝卜素和生育酚等30余种生物抗氧化剂猝灭单线态氧的作用，番茄红素是猝灭单线态氧最强的。

番茄红素还能通过与其他形式的活性氧的化学反应消除氧化自由基，如过氧化氢、亚硝酸根等氧化自由基，而氧化自由基能引起脂质过氧化形成多种产物，这些产物与人体老化、癌症发生、自身免疫病及贫血等疾病都有关系。

1.5.2番茄红素对细胞生长代谢起调控作用通常细胞间隙之间有膜蛋白构成的通道，具有选择通透性，允许第二信使及生长调节物质通过，细胞之间通过细胞间隙连接通讯（GJIC）传输细胞群体内生长调控信号，调节细胞的正常增殖与分化。

实验表明，番茄红素通过诱导细胞间连接，增强正常细胞之间的GJIC，控制细胞生长和诱导细胞分化来抑制肿瘤的增长。

日本学者在大鼠肝组织上用荧光染料示踪技术研究番茄红素对GJIC的作用时发现，每天饲喂5 mg/kgBW番茄红素，连续5 d 时，可以明显增强GJIC功能；同时，由于大多数肿瘤细胞的GJIC功能微弱或缺失，细胞发生转化后其GJIC功能降低或抑制，GJIC功能的抑制或被破坏被认为是促癌变阶段的重要机制。

1.5.3番茄红素可以调节胆固醇的代谢番茄红素是一种低胆甾醇剂，它可抑制巨噬细胞3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A，而它是一种胆固醇生物合成的限速酶。

实验发现，在培养巨噬细胞的介质中加入番茄红素后，其胆固醇合成降低，同时番茄红素还增大巨噬细胞低密度脂蛋白（LDL ）受体活性。

实验还表明，人体3个月内每天补充60 mg番茄红素，可减少14%的胞质LDL胆固醇浓度。

1.6番茄红素的保健作用番茄红素的上述生物学特性决定了它具有抗氧化、抑制突变、降低核酸损伤、减少心血管疾病及预防癌症等多种保健功能⑹。

1.7预防和抑制肿瘤的作用番茄红素具有预防和抑制肿瘤作用，一方面是因为它的抗氧化作用；另一方面是番茄红素能够阻断组织细胞在外界诱变剂的作用下发生基因突变过程，这是肿瘤生成的重要机制之一。

实验发现，番茄红素可影响乳腺、肺和子宫癌细胞周期的S阶段；番茄红素通过抑制细胞周期中GI到S的转化阶段来影响细胞的生长；番茄红素通过可抑制LDL 胆固醇的氧化和煎烤肉、鱼的褐色反应中产生的杂环胺类的形成，从而有效地抑制致癌物的产生及诱发肿瘤。

研究表明，番茄红素对消化道癌、宫颈癌、乳腺癌、皮肤癌、膀胱癌等均有一定的抑制作用[7.8]o1.8番茄红素的提取原理由于合成色素一般都有毒性和致癌性，对人类造成极大的危害，从整个食用色素的发展情况来看，在世界范围内，合成色素有被淘汰的可能性，从而势必造成天然食用色素成为唯一的使用色素。

但是，就目前来说，天然色素价格太高，在工业上得不到广泛应用，因此提取天然色素要尽可能选择便宜的原料，经济的工艺条件，这样便于实现工业化生产。

番茄红素在番茄皮的下表皮细胞中含量较高，一般在I0〜15 mg/100 g,因此, 可利用番茄皮提取番茄红素。

可将干燥过的番茄皮粉碎后直接作为着色剂食用；也可利用番茄红素的特性，用有机溶剂浸提。

近年来，随着技术的不断发展，酶反应法和超临界流体萃取等方法也被用于番茄皮中番茄红素的提取，此外，微生物发酵法作为一种新型的方法将是未来发展的方向[9]o1・8・1直接粉碎法将番茄皮粉碎，作为着色剂直接添加于食品中，工艺为:番茄籽原料番茄皮晾干粉碎包装一着色粉1.8.2有机溶剂提取法番茄红素不溶于水，难溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、三硫化碳、苯等有剂溶剂。

利用这一特性，一般选用亲油性有机溶剂提取番茄红素工艺为：滤渣一二次浸提番茄皮一干燥一有机溶剂浸提一提取液一过滤一滤液提取液一色素一包装选用此法提取番茄皮中的色素，采用石油醚室温浸泡10〜24 ho Yen等［10］以苦瓜为原料，采用混合溶剂（石油醚：丙酮=1: 1）提取高纯度的番茄红素，不需要复杂的纯化工艺。

欧洲一专利采用95%的乙醇作溶剂，逆流法78C浸提5 h,获得色素液，真空浓缩除去溶剂后得粉状色素产品。

有机溶剂提取法：设备少，工艺简单，操作方便，目前国内一般都采用这种方法。

但通过此法获得的产品质量差，纯度低，有异味和溶剂残留，严重影响了天然色素的推广01・8・3超临界流体萃取超临界流体萃取技术［11.12］使食品工业新兴的项萃取，分离和纯化技术，与传统的有机溶剂提取法相比，其工艺简单，能耗低，萃取剂便宜，无毒，易回收，它是低温处理，适于提取番茄红素等热敏极性成分。

安本光政等研究了超临界CO从番茄皮中提取番茄红素，原料微粉碎或经果胶酶，纤维素酶处理后，提取压力270 kg/cm，提取温度40C, 提取率达95%。

此外，日本另一专利报道了超临界流体萃取精制番茄红素，将粗番茄红色粉末和己烷（1:2）放入抽提罐，形成均质混合系，使原料中的红素从己烷中溶出，在35〜50 C, 300 kg/cm的条件下，接触超临界CO,用减压法进行色素回收，在分离罐中得到精制番茄红素（含量为13.7%），没有臭味，在油中着色时，呈非常鲜明的橙色，而且在15C放置一个月，无异味、异臭，也不变色。

1.8.4微波辐射法番茄红素是脂溶性色素，而脂溶性色素的提取特点是提取时间较长，原因是有机溶剂不易渗透穿过物质的细胞壁和细胞膜，所以不能很好的将提取物从细胞器中溶出。

采用微波辐射萃取（Microwave-Assisted Extraction .简称MAE）可以提高其萃取效率近年来，微波辐射技术已有所应用•其最佳的工艺条件是：提取剂为6#溶剂油，功率200 W，萃取时间80 s,液固比2:1二级提取，此条件下提取率为97.56o与传统的有机溶剂提取法相比微波提取最大的优点是提取时间大大缩短，且提取率较高。

而与超临界CO2相比，它成本低，投资少，提取率高。

可以说，微波提取在天然色素的提取工艺中具有广阔的应用前景。