番茄皮废弃物的利用：番茄红素封装技术的优化与两种绿色工艺的比较

《The Journal of Supercritical Fluids》：Valorisation of Tomato Peel Waste for Lycopene Encapsulation: Optimization and Comparison of Two Green Techniques

番茄红素从番茄皮废料中提取并封装于聚ε-己内酯（PCL）微球中，对比溶剂蒸发法和超临界乳化萃取法（SEE）。通过响应面法优化工艺参数（搅拌速度、时间和PCL浓度），发现SEE法能获得更小（1.12-2.72 μm）、均匀的微球且封装效率更高（66.52%-89.45%），且支持可持续发展目标。

　　本研究聚焦于从番茄果皮这一常见的农业工业废弃物中提取番茄红素，并通过两种不同的微粒封装技术——溶剂蒸发法和超临界乳化萃取（SEE）法，将番茄红素封装在聚己内酯（PCL）这一可生物降解的聚合物中。研究不仅评估了不同工艺参数对封装效率和微粒尺寸的影响，还利用统计学方法对实验过程进行了优化，以期在提高产品性能的同时，实现资源的高效利用和环境友好型生产。番茄红素是一种脂溶性类胡萝卜素，具有强大的抗氧化能力，常用于保健品和食品添加剂中，其提取和封装对于提升其稳定性和生物利用度具有重要意义。

### 1. 研究背景与意义

食品加工过程中会产生大量副产品和废弃物，这些材料不仅是丰富的资源，也是低成本、可再生的原料。研究表明，典型的食品废弃物中包含约30-60%的淀粉、10-40%的脂类和5-10%的蛋白质。因此，从这些材料中回收营养成分具有巨大的潜力，尤其是在植物和动物来源中。随着全球番茄加工行业的迅速发展，番茄废弃物的产量也随之增加。据研究，番茄加工过程中会产生30%-40%的废弃物，这些废弃物的处理不仅面临经济上的挑战，还对环境产生负面影响，如温室气体排放等。因此，将这些废弃物重新利用，转化为高附加值的营养产品，不仅是对资源的再利用，也有助于实现可持续发展目标。

番茄果皮、种子和果渣等副产品富含纤维、多酚、类胡萝卜素（包括番茄红素和β-胡萝卜素）、油脂和蛋白质，这些成分具有显著的健康益处。其中，番茄红素因其强大的抗氧化活性而受到广泛关注，已被证实有助于降低氧化应激，预防癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。然而，由于番茄红素的不稳定性以及其低生物利用度，目前仍未能被充分应用。因此，开发一种能有效提升其稳定性和生物可用性的封装方法，对于扩大其在营养保健品中的应用具有重要意义。

微粒封装技术是一种广泛使用的手段，用于将脂溶性物质封装在聚合物中。其中，溶剂蒸发法是较为常见的一种方法，通过将生物活性物质和聚合物溶解在有机相中，再将其分散到含有表面活性剂的水相中，最后通过溶剂的蒸发形成聚合物微粒。然而，这种方法通常需要较长时间，且为间歇式操作，限制了其生产效率。相比之下，超临界乳化萃取（SEE）技术则因其在温和条件下进行，同时具备连续操作的优势，被认为是一种更高效的封装方式。SEE利用超临界二氧化碳作为萃取介质，能够有效去除有机溶剂，同时避免干燥步骤，从而减少溶剂残留。这种技术不仅适用于热敏感化合物，如精油、维生素和疏水性药物，还能够实现更精细的微粒控制，从而提升封装效率和产品质量。

### 2. 材料与方法

本研究使用的番茄废弃物由意大利北部的一家番茄酱生产商提供。PCL是一种生物降解性和生物相容性良好的聚合物，被广泛用于医药和食品工业中。研究中还使用了聚山梨酯80（Tween 80）作为表面活性剂，以及氯仿作为提取溶剂。为了实现番茄红素的高效封装，实验设计采用了响应面法（RSM）和Box-Behnken设计，用于优化封装过程中的关键参数，如乳化搅拌速度、乳化时间和PCL的重量百分比。

在实验过程中，番茄果皮被部分干燥至恒重，随后使用氯仿进行固液提取，提取比例为1:10。提取后的溶液通过离心和过滤获得。随后，利用溶剂蒸发法和SEE法进行微粒封装。在溶剂蒸发法中，将油相与水相混合，并通过搅拌形成乳化体系，再通过溶剂的蒸发形成聚合物微粒。而SEE法则是在超临界条件下，利用二氧化碳作为萃取剂，将有机溶剂从油相中去除，从而形成微粒。两种方法均采用相同的乳化体系，并通过不同的工艺参数进行优化。

### 3. 实验结果与分析

实验结果显示，两种方法均能成功封装番茄红素，但SEE方法在封装效率和微粒尺寸控制方面表现更优。通过溶剂蒸发法，微粒的尺寸范围在1.77 ± 0.10到2.82 ± 0.17 μm之间，而SEE方法的微粒尺寸范围则在1.12 ± 0.03到2.72 ± 0.15 μm之间。这表明SEE方法在控制微粒尺寸方面具有更强的能力，从而提高了封装效率的稳定性。

在封装效率方面，溶剂蒸发法的效率范围为28.45 ± 0.28%至89.94 ± 1.70%，而SEE方法的效率范围为66.52 ± 0.64%至89.45 ± 1.31%。这说明SEE方法在封装效率上具有更显著的优势，尤其是在稳定性和一致性方面。此外，SEE方法还能够实现连续操作，进一步提升生产效率，同时减少溶剂的使用和废弃物的产生，为可持续发展提供了更优的解决方案。

通过扫描电子显微镜（FESEM）观察，所有实验获得的微粒均呈现出良好的球形结构，表明两种方法在微粒形态上均具有较高的质量。同时，粒径分布分析显示，两种方法都能获得单峰分布，表明微粒的均匀性和一致性较好。在溶解测试中，两种方法的释放曲线相似，但SEE方法的初始释放速度更快，这可能与其更快速的溶剂去除过程有关。因此，SEE方法在提升番茄红素的生物利用度方面具有潜在优势。

### 4. 讨论与结论

本研究不仅验证了两种微粒封装技术的可行性，还通过实验优化确定了最佳的工艺参数。对于溶剂蒸发法，最佳条件为搅拌速度7400 rpm、乳化时间8.978 min、PCL重量百分比14.992%。而在SEE方法中，最佳条件为搅拌速度8429 rpm、乳化时间8.821 min、PCL重量百分比14.481%。这些条件不仅提高了封装效率，还优化了微粒的尺寸和形态，为后续的工业化生产提供了理论依据。

通过对比两种方法，可以看出SEE方法在多个方面均优于传统的溶剂蒸发法。首先，SEE方法能够在更短时间内完成微粒的形成，且无需干燥步骤，减少了生产过程中的能耗和时间成本。其次，SEE方法在控制微粒尺寸方面表现更优，能够生成更小、更均匀的微粒，这对提高番茄红素的生物利用度具有重要意义。最后，SEE方法的封装效率更高，且结果更稳定，这有助于提高产品的质量一致性。

本研究的另一个重要发现是，通过优化工艺参数，能够显著减少废弃物的产生，并提高生产效率。这不仅有助于实现资源的循环利用，也符合可持续发展的理念。番茄红素的封装不仅提升了其稳定性，还为营养保健品的开发提供了新的可能性。此外，SEE方法的应用展示了将农业废弃物转化为高价值产品的新途径，具有广阔的市场前景。

综上所述，本研究为番茄红素的提取与封装提供了新的方法，并验证了SEE方法在封装效率、微粒尺寸控制和环境友好性方面的优势。通过优化工艺参数，能够有效提升产品的质量和生产效率，同时减少废弃物的产生，为食品工业的可持续发展提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索SEE方法在不同生物活性物质封装中的应用，以及如何在实际生产中实现更大规模的推广和应用。