【正文】 .............................................. 40 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒論 番茄紅素的簡介 番茄紅素是植物中所含的一種天然色素。番茄紅素是西方膳食中類胡蘿卜素最主要的來源，也是人體血清中含量較高的類胡蘿卜素之一。 番茄紅素的理化性質(zhì) 穩(wěn)定性 番茄紅素分子中有 11 個共扼雙鍵及 2 個非共軛雙鍵，使得番茄紅素的穩(wěn)定性比較蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 差，它在一定條件下可發(fā)生氧化降解和順反異構(gòu)化。當(dāng)番茄紅素的結(jié)晶形成時，質(zhì)體膜消失，色素結(jié)晶自由分散在原生質(zhì)中，在顯微鏡下觀察時，可以看到小粒狀的有色體，說明了有色體所顯現(xiàn)的顏色；另外一小部分（ 10%左右）則與蛋白質(zhì)形成復(fù)合體存在于細(xì)胞中。單線態(tài)氧是具有很強(qiáng)活性的氧自由基，具細(xì)胞毒性作用，以線粒體、細(xì)胞膜等部位對其最為敏感，能與大多數(shù)生物大分子發(fā)生作用，通過與分子結(jié)合造成細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷；番茄紅素能夠接受不同電子激發(fā)態(tài)的能量，吸收光能并通過單線態(tài) — 單線態(tài)能量轉(zhuǎn)移過程使單線態(tài)氧的蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 能量轉(zhuǎn)移到番茄紅素，生成基態(tài)氧分子和三重態(tài)番茄紅素分子，三重態(tài)番茄紅素通過與溶劑的一系列旋光和振動反應(yīng)得到再生，并在此過程中將能量散發(fā)；類胡蘿卜素的猝滅能力與其分子中所含有的共軛雙鍵的數(shù)目有著密切的關(guān)系，番茄紅素分子中有 11 個共軛雙鍵，一個番茄紅素分子可以清除數(shù)千個單線態(tài)氧，其猝滅單 線態(tài)氧的速率常數(shù)較β胡蘿卜素高 2 倍。實驗還表明，人體 3 個月內(nèi)每天補(bǔ)充 60 mg 番茄紅素，可減少 14%的胞質(zhì) LDL 膽固醇濃度。可將干燥過的番茄皮粉碎后直接作為著色劑食用；也可利用番茄紅素的特性，用有機(jī)溶劑浸提 。 超臨界流體萃取 超臨界流體萃取技術(shù) []使食品工業(yè)新興的項萃取，分離和純化技術(shù)，與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取法相比，其工藝簡單，能耗低，萃取劑便宜，無毒，易回收，它是低溫處理，適于提取番茄紅素等熱敏極性成分。 化學(xué)合成法 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 從 1831 年在胡蘿卜中首次分離胡蘿卜素到 1950 年首次完成 p 一胡蘿卜素的合成經(jīng)歷了 100 年的時間。從品質(zhì)、技術(shù)、生產(chǎn)、資源成本等分析，利用微生物技術(shù)生產(chǎn)番茄紅素等天然類胡蘿卜素將是未來發(fā)展的方向。相信隨著科技的發(fā)展和研究的深入這些技術(shù)會更加完善和成熟。在優(yōu)化發(fā)酵條件和保證菌株高產(chǎn)的前提下，結(jié)合各種發(fā)酵促進(jìn)劑的研究及利用，將會使微生物發(fā)酵法更經(jīng)濟(jì)高效。此外還可通過基因工程技術(shù)，構(gòu)建高產(chǎn)工程菌株生產(chǎn)番茄紅素。 發(fā)酵培養(yǎng) 將培養(yǎng)良好的（ +）（ ）菌孢子懸浮液在無菌條件下按 1:2 的體積比混合制成種子液在 30 L 的發(fā)酵罐中加入 5 L 初始發(fā)酵培養(yǎng)基，經(jīng) 121℃， 30 min 滅菌后，在無菌條件下接入種子液，在 28℃條件下進(jìn)行發(fā)酵。此時番茄紅 素溶在石油醚中，為油相；細(xì)胞壁等雜物在下水相中。結(jié)晶物經(jīng)過洗滌干燥后得到含有 90%番茄紅素純品，真空、低溫、避光保存。 （ 7）萃?。狠腿囟葹?60℃ 70℃之間，萃取劑用量 20 ml/g，添加 5%抗氧化劑TBHQ，萃取直至無色為止。因此，需要考察三孢布拉氏霉菌達(dá)到最佳的生產(chǎn)能力時的培養(yǎng)溫度。 轉(zhuǎn)速和裝液量對發(fā)酵的影響 溶氧是影響微生物發(fā)酵的重要因素之一。 接種量對發(fā)酵的影響 接種量的大小決定于生產(chǎn)菌種在發(fā)酵過程中生長繁殖的速度。為此，我們主要從兩方面來確立發(fā)酵時間的。250= t/d； ④ 發(fā)酵水平：番茄紅素產(chǎn)量 400 mg/L； ⑤番茄紅素萃取收率為 95%；皂化收率為 80%；精制階段的收率為 98%；產(chǎn)品純度 90%。80%= 番茄紅素萃取收率 95%可得： 發(fā)酵后的番茄紅素量： 1000kg247。95%106247?！?)； 棉籽油的比熱容為 kJ/(kg（ 110%） = 無水乙醇的量： 10= 原料日消耗量和年總消耗量 已知番茄紅素日生產(chǎn)量： ；年產(chǎn)量 15t 可得： 日需量 103=104t 年需量 10315= 186478L=11190L 年需量 186478L15=2797170L = 年需量 15= = 年需量 15= = 年需量 15= = 年需量 15=5594343L = 年需量 15= 103= 103t 年需量 10315= = 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 年需量 15= = 年需量 15= = 年需量 1 5=447546L = 年需量 15= = 年需量 15= （叔丁基對二苯酚）日需量 = 年需量 15= 表 1產(chǎn) 15噸番茄紅素消耗物料 物料名稱 每噸產(chǎn)品耗物量 年產(chǎn) 15噸番茄紅素耗物量 每天的 耗物量 每年的耗物量 接種量 5594343L 甲醇溶液 無水乙醇 VB1 104t 棉籽油 186478L 11190L 2797170L 玉米漿 硫酸鎂 葡萄糖 玉米淀粉 氫氧化鉀 103t 煙草廢棄物 磷酸二氫鉀 石油醚 447546L TBHQ 主要階段的能量衡算 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 發(fā)酵過程中蒸汽耗量的計算 ①計算公式 整個生產(chǎn)過程采用蒸汽加熱，蒸汽耗用量計算公式為： ?? ?? ?? CtittCGD ??????? 212 1 ? 式中：η為蒸汽損失效率，取η =10%； i為蒸汽熱焓，千焦 /千克； G 為發(fā)酵培養(yǎng)基，千克； C 為發(fā)酵培養(yǎng)基比熱容，千焦 /(千克攝氏度 )； T1 為加熱開始料頁溫度，攝氏度； t2 為加熱到的料液溫度，攝氏度； ②基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 在 28℃下查得：淀粉的比熱容為 (kg95%= 番茄紅素產(chǎn)量 400mg/L可得： 發(fā)酵液需求量： 1000kg247。90%247?？疾熳钄鄤┨砑拥臅r間我們可以看出，在發(fā)酵前 36 h添加阻斷劑（吡啶），會造成對菌體的毒害，從而菌體自溶；當(dāng)發(fā)酵 48 h 時，從鏡檢結(jié)果可以看出，菌體顏色開始轉(zhuǎn)為黃色；因而，可以推測在發(fā)酵 48 h 左右，菌體進(jìn)入生產(chǎn)期，在生產(chǎn)前期添加阻斷劑可以有效地阻遏番茄紅素環(huán)化酶的環(huán)化反應(yīng)，從而細(xì)胞合成番茄紅素。但是，如果接種量過多，往往使菌體隨著接種比例的增加，發(fā)酵液中β－胡蘿卜素的含量也在逐漸增加，當(dāng)接種量達(dá)到 10％時，β－胡蘿卜素的含量達(dá)到最大；而隨著接種量的繼續(xù)增加，細(xì)胞內(nèi)β－胡蘿卜素的含量卻在下降。但由于受到設(shè)備的限制，我們無法繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，考察轉(zhuǎn)速對發(fā)酵的影響。 ℃。 （ 11）洗滌干燥晶體：結(jié)晶物經(jīng)過洗滌干燥后得到含有 90%番茄紅素純品。在發(fā)酵的 48 h的時候加入流加糖液，在發(fā)酵的第 60 h加入阻斷劑，發(fā)酵 120 h停止。皂化 液為氫氧化鉀甲醇溶液，氫氧化鉀的量為 g/g菌粉，甲醇溶液為 80%的水溶液，其配比為 400 g/L，皂化收率為 80%。 固液分離 番茄紅素是三孢布拉氏霉菌的胞內(nèi)產(chǎn)物，在發(fā)酵過程中并沒有分泌到胞外，經(jīng)過過濾機(jī)過濾得到深紅色菌體；再將菌體真空干燥 24 h，菌體基本恒重可以稱量菌體干重。 發(fā)酵培養(yǎng)基 淀粉 40 g/L、棉籽油 50 ml/L、玉米漿 40 g/L、 g/L、 g/L、 VB少許， 。由于本設(shè)計選用玉米淀粉作為培養(yǎng)基來發(fā)酵番茄紅素，選用的玉米產(chǎn)自當(dāng)?shù)?，便于隨時購買，且減少了運(yùn)費(fèi)。1994 年， Franceschi[17]發(fā)現(xiàn)消化道癌的發(fā)生與番茄紅素的攝入有關(guān)隨后，對番茄紅素功能的研究成為一大熱點 1995 年 20xx 年，與番茄紅素有關(guān)的報道達(dá) 800 多篇，內(nèi)容涉及番茄紅素的吸收運(yùn)輸及新陳代謝的動力學(xué)，番茄紅素與癌癥心臟病及其他多種疾病的關(guān)系，番茄紅素的提取測定及番茄產(chǎn)品的開發(fā)研究等。利用產(chǎn)蛋白假絲酵母的重組 體培養(yǎng)生產(chǎn)番茄紅素 (產(chǎn)蛋白假絲酵母是一種不能天然合成類胡蘿卜素的食品酵母 )，可得到 758 g/1000 g 干重的八氫番茄紅素。近年來的研究表明，他們是人體內(nèi)血液中主要類胡蘿卜素，具有防癌和抗癌作用 [13]。采用微波輻射萃取 (MicrowaveAssisted Extraction．簡稱 MAE)可以提高其萃取效率近年來，微波輻射技術(shù)已有所應(yīng)用．其最佳的工藝條件是：提取劑為 6溶劑油，功率 200 W，萃取時間 80 s，液固比 2:1 二級提取，此條件下提取率為 。 Yen 等 [10]以苦瓜為原料，采用混合溶劑 (石油醚：丙酮 =l： 1)提取高純度的番茄紅素，不需要復(fù)雜的純化工藝。研究表明，番茄紅素對消化道癌、宮頸癌、乳腺癌、皮膚癌、膀胱癌等均有一定的抑制作用 []。實驗表明，番茄紅素通過誘導(dǎo)細(xì)胞間連接，增強(qiáng)正常細(xì)胞之間的 GJIC，控制細(xì)胞生長和誘導(dǎo)細(xì)胞分化來抑制腫瘤的增長。番茄紅素在各種溶劑中的溶解度隨著溫度的上升而增大，然而當(dāng)樣品越純時，溶解越困難。結(jié)果表明，番茄紅素對堿比較穩(wěn)定，對酸則不穩(wěn)定，故番茄紅素作為色素使用時并不適合于酸性飲料。有報道稱秋橄欖果實的番茄紅素含量也很高，可以達(dá) 15— 54mg/100g?？茖W(xué)證明，人體內(nèi)的單線態(tài)氧和氧自由基是侵害人體自身免疫系統(tǒng)的罪魁禍?zhǔn)住?該工藝所用設(shè)備 簡單 ，易于操作，提取時間短，生產(chǎn)成本低，提取率高。 70 完成工藝流程圖及設(shè)備圖的繪制。 完成任務(wù)所具備的條件及因素： 利用圖書館的 資料、文獻(xiàn)，查閱的各種期刊和網(wǎng)絡(luò)資源，不斷提出問題，同指導(dǎo)老師探討，并融合所學(xué)的相關(guān)知識。 。 ，論證本設(shè)計的可行性。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 設(shè)計要求 ： ； ，確定年產(chǎn) 15 噸番茄紅素的設(shè)計方案及工藝流程； ； CAD 畫出年產(chǎn) 15 噸番茄紅素的生產(chǎn)工藝流程圖和主設(shè)備圖。自 20xx 年 3 月 — 20xx 年 4 月，圍繞不同制備方法及不 同方法對番茄紅素產(chǎn)量的影響進(jìn)行資料收集，做好論文的前期準(zhǔn)備工作，在畢業(yè)論文開始兩周內(nèi)提交詳細(xì)論文寫作大綱。根據(jù)指導(dǎo)老師的意見，在 14 周 — 16 周進(jìn)行二稿、三稿的修改、打印、裝訂工作。 設(shè)計合理的年產(chǎn) 15 噸番茄紅素生產(chǎn)工藝流程。具體 為： 溫度 28℃， ，接種量 10％（體積比 ）；流加工藝最適為發(fā)酵后 48 h，在60 h 時添加阻斷劑。主要存在于茄科植物西紅柿的成熟果實中。 番茄紅素在番茄中的含量隨品種和成熟度的不同而不同。番茄紅素對氧化反應(yīng)很敏感，其溶液經(jīng)日光照射一段時間后，番茄紅素基本上損失殆盡。番茄紅素以不同的形態(tài)存在時具有不同的顏色和強(qiáng)度，而且會隨著溶劑和介質(zhì)的不同而呈現(xiàn)出不同的顏色。 1990 年 Paolo 等 [5]報道了類胡蘿卜素和生育酚等 30 余種生物抗氧化劑猝滅單線態(tài)氧的作用，番茄紅素是猝滅單線態(tài)氧最強(qiáng)的。 番茄紅素的保健作用 番茄紅素的上述生物學(xué)特性決定了它具有抗氧化、抑制突變、降低核酸損傷、減少心血管疾病及預(yù)防癌癥等多種保健功能 [6]。近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，酶反應(yīng)法和超臨界流體萃取等方法也被用于番茄皮中番茄紅素的提取，此外，微生物發(fā)酵法作為一種新型的方法將是未來發(fā)展的方向 [9]。安本光政等研究了超臨界 CO 從番茄皮中提取番茄紅素，原料微粉碎或經(jīng)果膠酶，纖維素酶處理后，提取壓力 270 kg／ cm，提取溫度 40℃，提取率達(dá) 95%。到現(xiàn)在，能用化學(xué)法合成的類胡蘿卜素已很多。目前含番茄紅素較高的有紅色細(xì)菌，但還未能工業(yè)化生產(chǎn)。 國內(nèi)外對番茄紅素的研究進(jìn)展 1873 年， Hartsen[15]最早從 Tamus 1875 年， Millardet[16]從番茄中獲得一種含有番茄紅素的粗提物，當(dāng)時命名為 Solanorubin. Schunck（ 1930 年）命名的“ lycopene”名稱（中文即番茄紅素）一直沿用至今。從發(fā)展趨勢來看，微 生物發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素有極大的蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 市場和工業(yè)化潛力，是實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)較理想的一條途徑。誘變菌種的生產(chǎn)性狀不穩(wěn)定，導(dǎo)致番茄紅素的 產(chǎn)量低，而基因工程技術(shù)雖可以從實驗室規(guī)模走向小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但由于工程細(xì)胞所攜帶的質(zhì)粒對于過程控制條件要求苛刻，那么在中試規(guī)模甚至大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化過程中，其所攜帶的質(zhì)粒容易脫落，從而導(dǎo)致產(chǎn)量大幅降低，是嚴(yán)重制約番茄紅素工程生產(chǎn)菌種走向產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。 發(fā)酵后期發(fā)酵液處理方法 分離純化工藝一般包括：培養(yǎng)液的預(yù)處理和固液分離；初步提取；高度純化和成品加工四個部分。 萃取過程中番茄紅素的損失主要在于番茄紅素的降解，因而在萃取過程中添加抗氧化劑 TBHQ（叔丁基對苯二酚，是一種安全食品添加劑），可使萃取率提高近 20%，而且萃取損失率只有 5%左右。