【正文】 輔酶 A，而它是一種膽固醇生物合成的限速酶。實(shí)驗(yàn)還表明，人體 3 個(gè)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。 預(yù)防和抑制腫瘤的作用 番茄紅素具有預(yù)防和抑制腫瘤作用，一方面是因?yàn)樗目寡趸饔?；另一方面是番蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 茄紅素能夠阻斷組織細(xì)胞在外界誘變劑的作用下發(fā)生基因突變過程，這是腫瘤生成的重要機(jī)制之一。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 []。但是，就目前來說，天然色素價(jià)格太高，在工業(yè)上得不到廣泛應(yīng)用，因此提取天然色素要盡可能選擇便宜的原料，經(jīng)濟(jì)的工藝條件，這樣便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)?？蓪⒏稍镞^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 。 直接粉碎法 將番茄皮粉碎，作為著色劑直接添加于食品中，工藝為： 番茄籽 原料 番茄皮 晾干 粉碎 包裝一著色粉 有機(jī)溶劑提取法 番茄紅素不溶于水，難溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、三硫化碳、苯等有劑溶劑。 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。 有機(jī)溶劑提取法：設(shè)備少，工藝簡單，操作方便，目前國內(nèi)一般都采用這種方法。 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(xiàng)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。此外，日本另一專利報(bào)道了超臨界流體萃取精制番茄紅素，將粗番茄紅色粉末和己烷 (1:2)放入抽提罐，形成均質(zhì)混合系，使原料中的紅素從己烷中溶出，在 35～50 ℃， 300 kg/cm的條件下，接觸超臨界 CO，用減壓法進(jìn)行色素回收，在分離罐中得到精制番茄紅素 (含量為 ％ )，沒有臭味，在油中著色時(shí)，呈非常鮮明的橙色，而且在 15℃放置一個(gè)月，無異味、異臭，也不變色。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(shí)間 80 s，液固比 2:1 二級提取，此條件下提取率為 。而與超臨界 CO2 相比，它成本低，投資少，提取率高。 化學(xué)合成法 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)間。目前，番茄紅素在瑞士羅氏公司和德國的巴地斯化工公司也都在開發(fā)當(dāng)中，他們的生產(chǎn)與 VA 的生產(chǎn)類似，一般以 p紫羅酮作為原料來合成。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]。其工藝為：番茄原料 (番茄醬、番茄泥等 )用果膠酶和纖維素酶 (～ )在 50℃處理 3 h，出去 90％ 的非色素物質(zhì)，離心沉淀，用 96％的乙醇洗滌，然后用乙醇和植物油提取、分離油相，得到產(chǎn)品。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。利用霉菌 Blakesleacrispora 的發(fā)酵可生產(chǎn)番茄紅素，但需加入一些雜環(huán)氮化物如咪啶等來抑制番茄紅素的環(huán)化反應(yīng)。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。 其他方法 在各國學(xué)者的不斷努力下，又開 發(fā)出許多高科技的生產(chǎn)技術(shù)。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。番茄紅素具有淬滅單線態(tài)氧，清除自由基，阻斷亞硝胺形成抑制細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞分化，增加免疫力，減少 DNA 損傷，以及對細(xì)胞間隙連接通訊的影響等多種生理功能，起到防癌抗癌預(yù)防心血管疾病，提高免疫功能和延緩衰老等作用。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(diǎn) 1995 年 20xx 年，與番茄紅素有關(guān)的報(bào)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。 2 生產(chǎn)番茄紅素的意義 因番茄紅素具有的優(yōu)越生理調(diào)節(jié)功能和防癌抗癌作用，故番茄紅素產(chǎn)業(yè)被稱為紅色產(chǎn)業(yè)，已納入到國家 863 計(jì)劃，受到社會各方的高度重視。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。 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素與傳統(tǒng)的番茄提取法相比具有占用土地資源少、生產(chǎn)受季節(jié)和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。由于本設(shè)計(jì)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(shí)購買，且減少了運(yùn)費(fèi)。 3 番茄紅素的生產(chǎn)工藝 菌種的選擇 用于發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素的微生物主要為三孢布拉 氏霉菌 (Blakesleatrispora)，經(jīng)基因改造的酵母菌 (Saccharomyces)，紅細(xì)菌 (Rhodobacilluspalustris)以及革蘭氏陰性非光合菌。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。在產(chǎn)業(yè)化過程中，研究者更多的傾向于選擇天然生產(chǎn)菌種，如具有較高生產(chǎn)能力的三孢布拉氏霉菌 (B． trispora)，這樣就可以避免發(fā)酵工程上。 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， 。 阻斷劑 添加煙草廢棄物 1 g/L 可提 高番茄紅素的產(chǎn)量。 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。發(fā)酵液經(jīng)固液分離后，收集菌體并將菌體破碎；初步純化采用石油醚萃取技術(shù)，得到富含番茄紅素的萃取液；精致工藝采用真空濃縮、結(jié)晶技術(shù)后干燥可達(dá)到含量 90%番茄紅素晶體。 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。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 萃取 番茄紅素是脂溶性類胡蘿卜素，在萃取過程中選用有機(jī)溶劑石油醚為萃取劑，利用超聲波萃取機(jī)進(jìn)行萃取。此時(shí)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。 皂化 在萃取過程中，萃取劑會將菌體細(xì)胞壁中的脂肪酸和其他脂類物質(zhì)萃取到萃取液中，而且菌體合成的少量水溶性類胡蘿卜素也會被萃取到萃取液中，采用皂化法將上述雜質(zhì)轉(zhuǎn)移到水相中，而脂溶性類胡蘿卜素繼續(xù)留在油相中。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%。上相（油相）真空濃縮，在在 40℃下，真空度 MPa 條件下濃縮直至有部分晶體析出為止；番茄紅素不溶于無水乙醇，則選用無水乙醇作為結(jié)晶溶劑。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。 （ 2）種子培養(yǎng) 基培養(yǎng)菌種：有氧、有光的環(huán)境中，于 18℃再繼續(xù)培養(yǎng) 28 h可得生長良好的（ +）、（ ）菌孢子。在發(fā)酵的 48 h的時(shí)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。 （ 5）真空干燥：將濕菌體真空干燥（ 45℃， MPa 真空下），真空干燥 24 h。 （ 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。 （ 9）真空濃縮：溫度在 40℃下，真空度 MPa 條件下濃縮直至有部分晶體（含水 10%）析出為止。 （ 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。 培養(yǎng)條件的 討論 及優(yōu)化 培養(yǎng)溫度對發(fā)酵的影響 溫度是影響微生物代謝和生長的重要因素。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(shí)的培養(yǎng)溫度。因此可以看出，三孢布拉氏霉菌對于溫度 的要求是比較苛刻的。 ℃?？闯霭l(fā)酵起始最佳的 pH是 ～ 之間，而當(dāng) pH 偏堿性后，菌體生產(chǎn)β－胡蘿卜素的能力明顯下降。 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。三孢布拉氏霉菌是好氧菌，而且配制的發(fā)酵培養(yǎng)基粘度比較高，如果培 養(yǎng)條件不合適，會造成發(fā)酵液中溶氧水平低，細(xì)胞攝氧率低，無法合成大量的目標(biāo)產(chǎn)物；因而，我們必須對轉(zhuǎn)速和裝液量進(jìn)行考察。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。研究表明，裝液量在 40 ml～ 50 ml 時(shí)，發(fā)酵水平最高；如果裝液量小于 40 ml時(shí)，由于菌體發(fā)生粘壁現(xiàn)象，菌體無法與發(fā)酵培養(yǎng)基良好接觸，其生長受到限制。 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。同時(shí)，種子液中含有生長過快、培養(yǎng)液粘度增加，造成溶解氧不足，而影響產(chǎn)物合成。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(shí)，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。 發(fā)酵時(shí)間的確立 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷須綜合多方面的因素統(tǒng)籌考慮。為此，我們主要從兩方面來確立發(fā)酵時(shí)間的。因而，綜合以上因素，我們確立發(fā)酵時(shí)間為 120 h?？疾熳钄鄤┨砑拥臅r(shí)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(shí)，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。因而，選擇 48 h添 加阻斷劑。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%。 原料消耗計(jì)算 (以一噸成品番茄紅素為基準(zhǔn) ) 90%可得： 番茄紅素純品量： 1000kg247。90%247。95%247。80%= 番茄紅素萃取收率 95%可得： 發(fā)酵后的番茄紅素量： 1000kg247。98%247。95%= 番茄紅素產(chǎn)量 400mg/L可得： 發(fā)酵液需求量： 1000kg247。98%247。95%106247。400g/L= 甲醇溶液的量： 8 0%= 10倍可得： 已知 皂化后番茄紅素量： ，其濃縮后的番茄紅素含水量為 10%，濃縮液密度按水的密度計(jì)算，則有 濃縮液體積為： 247。（ 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(jì)（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(jì)（論文） 17 發(fā)酵過程中蒸汽耗量的計(jì)算 ①計(jì)算公式 整個(gè)生產(chǎn)過程采用蒸汽加熱，蒸汽耗用量計(jì)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 (kg℃ )； 加熱蒸汽的熱焓為 kJ/(kg℃ )； 棉籽油的比熱容為 kJ/(kg℃ )； ③培養(yǎng)基的比熱容 已知淀粉的密度為 ；玉米漿的密度 ； 培養(yǎng)基中淀粉的比例：