年产15吨番茄红素的生产工艺设计讲解.docx
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年产15吨番茄红素的生产工艺设计讲解
交通大学毕业设计（论文）任务书
课题
年产15吨番茄红素生产工艺的设计
姓名
李文伟
专业
生物工程
班级
091班
课
题
简
介
本设计主要研究年产量为15吨的番茄红素的工艺流程，因为番茄红素的生物保健作用极强，其市场需求大，故本设计在实验基础上，进行工厂化放大生产，以玉米浆为原料，利用三孢布拉霉在温度28℃，搅拌速度250r/min，pH6.5环境下，生产出胞内产物番茄红素，经发酵后期的处理得到番茄红素产品。
设
计
任
务
设计要求：
产品名称：
番茄红素年处理量：
15吨年工作时间：
250天
设计依据：
发酵周期6天（含辅助时间）萃取率95%皂化率80%
产品性状：
晶体为棕红色
设计任务：
1.总述：
提出选题的初步设想2.生产工艺流程或生产方案确定
3.生产流程叙述4.工艺计算5.主要设备的工艺计算和设备选型6.用CAD画主设备图和工艺流程图7.计算原材料、动力消耗定额及消耗量8.环境保护和安全措施9.结论10.设计体会和收获
图纸要求：
1.绘制带控制点的工工艺流程图（1#图纸）
2.根据计算数据绘制设备结构图（1#图纸）
3.绘制要求详见《化工工程制图》，图纸单独装订作为附图。
设
计
要
求
1.通过文献查阅及综述，基本掌握本课题的国内外研究进展
2.学会研究方案的制订和设计方法
3.确定设计方案、工艺流程
4.进一步通过工艺计算，论证本设计的可行性
5.运用专业知识分析、掌握设计技能，解决实际问题
6.训练实事求是和严谨的科学作风，在德、智、体诸方面得到发展
指导教师
签字
系主任
签字
主管院长签章
兰州交通大学毕业设计（论文）开题报告表
课题名称
年产15吨番茄红素的生产工艺设计
课题来源
兰州交通大学
自选课题
课题类型
AY
导师
任爱梅
学生姓名
李文伟
学号
200907241
专业
生物工程
资料准备：
收集有关番茄红素的性质及生产的国内外研究进展资料，同时深入了解影响番茄红素生产的有关因素，为设计方案的制定及论文写作奠定了基础。
设计目的：
通过分析发酵法生产番茄红素及不同条件对番茄红素产量的影响，掌握番茄红素的生产过程，结合已有知识和现在的生产状况对年产15吨番茄红素生产工艺进行合理的设计，使之更适合生产需要。
设计要求：
1.查阅有关番茄红素生产及番茄红素提取等相关文献；
2.分析比较各种番茄红素的生产方法，确定年产15吨番茄红素的设计方案及工艺流程；
3.完成番茄红素生产工艺的基本设备配置；
4.用CAD画出年产15吨番茄红素的生产工艺流程图和主设备图。
设计思路：
1.对番茄红素相关背景知识和现状进行综述和分析，并掌握番茄红素生产的国内外研进展。
2.由前人对番茄红素生产的研究进展分析存在的问题得出本设计的意义；
3.通过分析比较粉碎法，有机溶剂提取法，超临界流体萃取，微生物发酵法及它们各自的优缺点，确定番茄红素生产方案；
4.设计番茄红素生产的基本工艺流程；
5.确定设计番茄红素生产方案并画设备图和工艺流程图;
6.运用所学知识分析，论证本设计的可行性。
预期成果:
1.通过设计了解番茄红素的生产技术。
2.分析不同番茄提取方法、不同条件对番茄红素产量的影响以及了解番茄红素的生产。
3.设计出产率高、周期短的年产15吨番茄红素的生产线，并能在理论上满足生产需求，达到降低成本的目的。
任务完成阶段及时间安排：
1.收集有关番茄红素生产技术及生产的资料，拟定论文提纲。
自2013年3月—2013年4月，围绕不同制备方法及不同方法对番茄红素产量的影响进行资料收集，做好论文的前期准备工作，在毕业论文开始两周内提交详细论文写作大纲。
2.论文开题。
详细提纲经指导老师审定后，在3月20日前完成开题报告。
3.撰写初稿。
自2013年3月21日—2013年4月30日（第13周）前完成初稿。
4.毕业论文中期检查。
在5月10之前完成“兰州交通大学毕业论文学生自查表”。
5.论文修改。
根据指导老师的意见，在14周—16周进行二稿、三稿的修改、打印、装订工作。
6.定稿。
在6月10号前交毕业论文终稿。
完成任务所具备的条件及因素：
利用图书馆的资料、文献，查阅的各种期刊和网络资源，不断提出问题，同指导老师探讨，并融合所学的相关知识。
指导
教师
意见
签名：
年月日
兰州交通大学毕业设计（论文）学生自查表
（中期教学检查用）
学生姓名
李文伟
专业
生物工程
班级
生物091
指导教师
姓名
任爱梅
职称
讲师
课题名称
年产15吨番茄红素的生产工艺设计
个人精力
实际投入
日平均工作时间
8
小时
周平均工作时间
40
小时
迄今缺席天数
无
出勤率%
100%
指导教师
每周指导
次数
5次
每周指导时间（h）
10小时
备注
2小时/天
有问题时导师及时指导
毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重
已完成主要内容
%
待完成主要内容
%
1、设计整体规划。
2、查阅有关番茄红素的相关文献及书籍并概括出番茄红素的各种生产工艺。
3、分析各种提取方法对番茄红素生产及产量的影响。
4、确定番茄红素的生产工艺流程方案。
5、设计合理的年产15吨番茄红素生产工艺流程。
6、翻译了一篇与番茄红素相关的外文文献。
7.初步完成设计说明书的撰写。
70
1、完成工艺流程图及设备图的绘制。
2、说明书的修改补充及整理定稿。
30
存在问题
1、由于缺乏实践以及初次接触工艺的生产线设计，所以生产线的设计还需进一步完善。
2、由于本设计缺乏实验生产数据，故其实际生产的可行性还有待实践验证。
指导教师签字：
年月日
摘要
本文在对番茄红素的特性以及作用进行综述的基础上，分析对比了各种提取方法的优劣，并设计出了一套以玉米浆为原料，利用三孢布拉氏霉菌生产番茄红素的发酵工艺。
具体为：
温度28℃，pH6.5，接种量10％（体积比）；流加工艺最适为发酵后48h，在60h时添加阻断剂。
最佳发酵周期为120h，转速为250转/分。
发酵完成后，经过过滤，干燥，破碎细胞，石油醚萃取，浓缩结晶，精制后为90%番茄红素纯品。
该工艺所用设备简单，易于操作，提取时间短，生产成本低，提取率高。
关键词：
玉米浆；三孢布拉氏霉菌；发酵；番茄红素
Abstract
Basedonthefeaturesandfunctionsoflycopeneweresummarizedonthebasisoftheanalysiscomparedthestrengthsandweaknessesofvariousextractionmethods,andputsfor-wardasetofthreesporebrady'smoldintheproductionoflycopenefermentationprocess.Sp-ecificasfollows:
temperature28℃,pH6.5,inoculationamount10%（volumeratio）;Flowpr-ocessoptimalfor48hafterfermentation,addblockersin60h.Bestfermentationperiodis120h,andtherotatingspeedis250RPM.Fermentationiscompleted,afterfiltering,drying,thebrokencells,petroleumetherextraction,enrichmentcrystallization,refinedafter90%lyc-openeistasted.Equipmentusedintheprocessissimple,easyoperation,shortextractiontime,lowproductioncost,highextractionyield.
Keywords:
lycopenethreesporebrady'smoldproductionprocessProcessdesign
1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[1]。
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400mg/100g以上，番茄皮中含量为20mg/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536.85。
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[4]。
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）则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—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β-胡萝卜素高2倍。
1990年Paolo等[5]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5mg/kgBW番茄红素，连续5d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60mg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[6]。
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Gl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]。
1.8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l0～15mg/100g，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]。
1.8.1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—二次浸提
番茄皮—干燥—有机溶剂浸提—提取液—过滤—滤液
提取液—色素—包装
选用此法提取番茄皮中的色素，采用石油醚室温浸泡l0～24h。
Yen等[10]以苦瓜为原料，采用混合溶剂（石油醚：
丙酮=l：
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78℃浸提5h，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。
1.8.3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270kg／cm，提取温度40℃，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℃，300kg/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15℃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-AssistedExtraction．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200W，萃取时间80s，液固比2:
1二级提取，此条件下提取率为97.56。
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。
1.8.5化学合成法
从1831年在胡萝卜中首次分离胡萝卜素到1950年首次完成p一胡萝卜素的合成经历了100年的时间。
到现在，能用化学法合成的类胡萝卜素已很多。
目前，番茄红素在瑞士罗氏公司和德国的巴地斯化工公司也都在开发当中，他们的生产与VA的生产类似，一般以p-紫罗酮作为原料来合成。
另据资料报道，以乙酸松油酯为原料，经过系列化学反应，合成番茄红素的代谢五：
2,6-环番茄红素-1,5-二醇和5,6-二羟基-5,6-氢番茄红素。
近年来的研究表明，他们是人体内血液中主要类胡萝卜素，具有防癌和抗癌作用[13]。
1.8.6酶反应法
将番茄皮渣加碱调至pH7.5～9.0使番茄皮中的果胶酶和纤维素酶反应，分解果胶和纤维素，使得番茄红素的蛋白质复合物从细胞中溶出，然后于45---60℃下加热搅拌5h左右，过滤，加酸调整滤液至弱酸性（pH4.0-4.5），使类胡萝卜素聚沉，静止后吸去上清液，得含番茄红素的沉淀，调整沉淀物的pH之后真空浓缩，然后加酸或食盐保存等通过外加果胶酶和纤维素酶的方法来提取番茄红素。
其工艺为：
番茄原料（番茄酱、番茄泥等）用果胶酶和纤维素酶（0.2～0.5）在50℃处理3h，出去90％的非色素物质，离心沉淀，用96％的乙醇洗涤，然后用乙醇和植物油提取、分离油相，得到产品。
1.8.7微生物发酵法
除了从含有番茄红素的物质中提取或用化学合成番茄红素外，还可以采用藻类和真菌及酵母发酵[14]生产番茄红素。
从品质、技术、生产、资源成本等分析，利用微生物技术生产番茄红素等天然类胡萝卜素将是未来发展的方向。
目前含番茄红素较高的有红色细菌，但还未能工业化生产。
利用霉菌Blakesleacrispora的发酵可生产番茄红素，但需加入一些杂环氮化物如咪啶等来抑制番茄红素的环化反应。
另有资料表明：
添加烟草的废弃物于霉菌的发酵液中，经110h发酵，可得到番茄红素约60--80mg/100mL。
利用产蛋白假丝酵母的重组体培养生产番茄红素（产蛋白假丝酵母是一种不能天然合成类胡萝卜素的食品酵母），可得到758g/1000g干重的八氢番茄红素。
此外，三孢布拉霉菌株具有独特的代谢过程，添加植物油，表面活性剂，抗氧化剂和各种结构类似物能提高8一胡萝卜素的产量，但如果添加其他的发酵促进剂可有助于其他类胡萝卜素的产量，如通过改变以8一胡萝b素为主的三孢布拉霉菌的生长条件和添加助剂（Na2CO3、呱啶等），可阻断该菌8一胡萝卜素生物合成途径中最后的二步环化反应，从而使番茄红素积累。
1.8.8其他方法
在各国学者的不断努力下，又开发出许多高科技的生产技术。
日本KirinBrewerr公司采用代谢工程技术，即通过DNA重组技术改变细胞的代谢系统刍三产番茄红素Kajiwara等从产生虾黄素的酵母Pharffiarhosozyma和雨生红球藻中分离出cDNA编码异戊烯焦磷酸酯（Ipp）异构酶，将编码IPP异构酶cDNA转入E．coli菌株JmL01能增加番茄红素的产量3.6～4.5倍。
相信随着科技的发展和研究的深入这些技术会更加完善和成熟。
1.9国内外对番茄红素的研究进展
1873年，Hartsen[15]最早从TamuscommunisL.中分离得到深红色的番茄红素结晶1875年，Millardet[16]从番茄中获得一种含有番茄红素的粗提物，当时命名为Solanorubin.Schunck（1930年）命名的“lycopene”名称（中文即番茄红素）一直沿用至今。
番茄红素具有淬灭单线态氧，清除自由基，阻断亚硝胺形成抑制细胞增殖，诱导细胞分化，增加免疫力，减少DNA损伤，以及对细胞间隙连接通讯的影响等多种生理功能，起到防癌抗癌预防心血管疾病，提高免疫功能和延缓衰老等作用。
1.9.1国外对番茄红素的研究现状
1989年，Mascio发现番茄红素在所有类胡萝卜素中对单线态氧的猝灭速度最高。
1994年，Franceschi[17]发现消化道癌的发生与番茄红素的摄入有关随后，对番茄红素功能的研究成为一大热点1995年-2003年，与番茄红素有关的报道达800多篇，内容涉及番茄红素的吸收运输及新陈代谢的动力学，番茄红素与癌症心脏病及其他多种疾病的关系，番茄红
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