毕业设计年产20吨番茄红素生产工艺的设计.docx
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毕业设计年产20吨番茄红素生产工艺的设计
毕业设计（论文）任务书
课题
年产20吨番茄红素生产工艺的设计
姓名
专业
生物工程
班级
课
题
简
介
本课题是研究年产量为20吨番茄红素的工艺，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，主要以玉米淀粉为原料，利用三孢布拉霉在温度25℃，搅拌速度270r/min，pH在6.5环境下发酵生产番茄红素。
设
计
任
务
设计要求：
产品名称：
番茄红素年处理量：
20吨年工作时间：
300天
设计依据：
发酵周期6天（含辅助时间）萃取率95%皂化率75%
产品性状：
晶体为深红色
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
毕业设计（论文）开题报告表
课题名称
年产20吨番茄红素生产工艺的设计
课题来源
结合实际，导师制定
课题类型
AY
导师
学生姓名
学号
专业
生物工程
资料准备：
收集有关番茄红素的性质及生产方法的国内外研究文献，同时深入了解影响番茄红素
生产的有关因素，为番茄红素设计生产方案的制定及论文写作奠定了基础。
设计目的：
通过分析各种番茄红素生产工艺利弊，确定最优番茄红素生产工艺，结合已有知识和现
在的生产状况对年产20吨番茄红素生产工艺进行适当的设计，使之更适合生产需要。
设计要求：
1.查阅番茄红素性质，生物学特性，生产提取等相关文献；
2.分析不同方法对番茄红素的生产提取及产量的影响，确定生产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.设计年产20吨番茄红素的生产工艺。
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，并深入了解番茄红素生产的国内外研究进展。
2.在前人对番茄红素生产的研究进展和分析存在的问题基础上得出本设计的意义；
3.通过分析比较多种番茄红素生产方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完成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.分析不同生产番茄红素的方法、确定最优番茄红素生产方案。
3.设计出生产效益高、周期短的年产20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.收集有番茄红素生产技术及生产的资料，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。
2周（2013.2.25——2013.3.10）
2.查阅文献，阅读资料，完成开题报告和论文大纲。
2周（2013.3.11——2013.3.24）
3.番茄红素生产工艺流程设计选择论证。
2周（2013.3.25——3013.4.7）
4.工艺计算。
2周（2013.4.8——2013.4.21）
5.设备计算选型。
2周（2013.4.22——2013.5.5）
6.CAD设计绘图。
2周（2013.5.6——2013.5.19）
7.设计经济效益估算评析。
1周（3013.5.20_2013.5.26）
8.完稿，论文排版，核对矫正，检查。
1周（2013.5.27——2013.6.2）
9.定稿，打印，装订。
2天（2013.6.3——2013.6.4）
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
摘要
本文通过对番茄红素的性质，生物学功能以及现有的生产方法的研究，比较各种生产番茄红素的方法利弊，最终确定最优生产番茄红素工艺方案为：
主要以玉米淀粉为原料，利用三孢布拉氏霉菌在25℃，搅拌速度270r/min，pH6.5，接种量10％（体积比）条件下发酵生产；流加工艺最适为发酵后48h，阻断物添加时间为发酵后60h，最佳发酵周期为120h。
发酵完成后，经过过滤，干燥，破碎细胞，乙酸乙酯萃取，皂化，浓缩结晶，精制后为95%番茄红素纯品。
该工艺简单，生产效率高，成本较低，且环保，适合工业生产。
关键词：
玉米淀粉；三孢布拉氏霉；发酵；番茄红素
Abstract
Basedonthepropertiesoflycopene,biologicalfunctionandproductionmethodofthee-
xistingresearchreview,compareadvantagesanddisadvantagesofallkindsofproductionme-
thodsoflycopene,andultimatelydeterminetheoptimalproductionoflycopeneprocesssche-
me:
mainlycornstarchasrawmaterialfortheapplicationofblakesleatrisporaproductionly-
copeneofthefermentative,temperature25℃,stirringspeed,270r/min,pH6.5,inoculationamount10%（volumeratio）;fed-batchprocesssuitableforfermentationof48h,blockeraddit-
iontimewas60hafterfermentation,theoptimumfermentationperiod120h.Aftertheferme-
ntationprocess,afterfiltration,drying,crushingcell,ethylacetateextraction,saponification,concentrationandcrystallization,purificationof95%lycopenepure.Theprocesshassimpleprocess,highproductionefficiency,lowcostandsuitableforindustrialproduction,environ-
mentalprotection.
Keyword:
Cornstarch;Lycopene;Blakesleatrispora;Fermentation
1.概述
1.1引言
番茄红素（1ycopene）是一种脂溶性不饱和碳氢化合物，是类胡萝卜素中结构最简单的一种天然色素，呈红色，由于最先发现于番茄中而得名。
其在自然界中分布很广，如番茄，西瓜，胡萝卜，葡萄，草莓，柑桔等，其中以番茄中含量最高，每100g番茄中番茄红素可达3-14mg[1]，由于其兼具较高的营养价值和药用价值，目前广泛应用于食品、医药、化妆品和保健品行业。
研究表明，番茄红素除可作为天然食用色素使用外，还具有许多生物学活性。
在所有的类胡萝卜素中，他是最强的单线态氧淬灭剂，抗氧化能力也最强。
有研究表明番茄红素对前列腺癌、乳腺癌、以及胰腺癌等癌症的癌细胞具有抑制作用，对于预防和治疗心脑血管疾病、动脉硬化和肿瘤等具有重要的作用，是目前很具有开发价值的一种功能性天然色素。
1.2国内外研究进展
1.2.1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[2]发现消化道癌的发生与番茄红素的摄入有关。
随后的十年内，对番茄红素功能的研究成为一大热点，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，还涉及到番茄红素与癌症、心脏病及其他多种疾病的关系，这些为番茄红素的提取、测定及番茄产品的开发研究奠定了基础。
1.2.2国内对番茄红素的研究现状
我国对番茄红素的研究在2000年以前鲜有报道，近3年国内综述文章也大量踊跃，内容包括番茄红素的性质和提取方法，番茄红素保健功能的研究现状，番茄红素及其生产应用研究番茄红素的生产工艺研究进展，番茄红素分离与分析的研究进展等。
1.2.3市场需求
我国是番茄生产大国，年产量仅次于美国、意大利而位居世界第三，占全球生产总量的20%左右，每年番茄产量达1000×104t，其中90%以上的番茄在新疆生产。
2000年新疆石河子开发区鸿博有限责任公司在番茄红素粗加工的基础上，已生产出番茄红素系列营养食品，产品有番茄红素胶囊、亚油酸番茄红素胶囊等，但在投资规模、产品开发和市场运作方面还远远滞后于国外。
抗氧化和延缓衰老是开发以番茄红素为有效成分功能性食品的主要定位，亚健康人群是其目标消费群体；抗癌和保护心血管[3]是开发以番茄红素为有效成分药品的主要定位，已服务于临床。
此外，番茄红素还可用于化妆品的开发。
总之，作为功能性天然色素的番茄红素，在医药、食品、化妆品等方面都有着良好的应用前景，它的开发应用将给农业、食品加工业、医药行业、美容业等与之相关的行业带来可观的经济效益，需求量可观，具有广阔的市场前景。
1.3番茄红素的基本特征
1.3.1番茄红素的基本特征
番茄红素是胡萝卜素化学结构的异构体，分子式为C40H56，相对分子质量为536.85，熔点为172～175℃，它由11个共轭双键及2个非共轭碳—碳双键构成高度不饱和直链型烃类化合物，为脂溶性色素，纯品为无毒针状深红色晶体。
番茄红素不具有VA原活性，不溶于水，难溶于甲醇、乙醇，可溶于脂肪、乙酸乙酯和石油醚等。
因其11个共轭双键能够异化，故可以产生多种不同单顺或多顺异构体。
1.3.2番茄红素的物理性质
番茄红素为暗红色粉末或油状液体，不溶于水，难溶于甲醇等极性有机溶剂，可溶于乙酸乙酯、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、CS2、苯、油脂等，番茄红素油溶液呈黄橙色，熔点174℃。
1.3.3番茄红素的化学性质
番茄红素的性质极其活泼，易受氧化、紫外线及温度的影响而迅速氧化分解，并能从反式结构向顺式结构转变。
当番茄红素分子从反式结构变为顺式结构时，其颜色变浅，熔点降低。
在有CO2存在，温度低于50℃的酸性条件下，番茄红素的稳定性较好；番茄红素在碱性条件下不稳定，其吸光度值显著下降。
K+，Na+，Mg2+和Zn2+对番茄红素影响不大，Fe2+，Cu2+易引起番茄红素较大的损失，Fe3+和Al3+引起的损失较少。
1.3.4番茄红素的分布
番茄红素在自然界中分布很广，主要存在于植物细胞有色体中，如番茄、西瓜、胡萝卜、葡萄、红色葡萄柚、草莓、柑桔等，并且越成熟的番茄中番茄红素的含量越高。
在人体内主要分布于血液、肾上腺、肝脏、睾丸、前列腺、乳腺、卵巢、消化道等组织器官，其中肾上腺和睾丸含量较多，见表1。
表1人体部分器官和组织中番茄红素的含量[6]/nmol·g-1
组织名称
含量
组织名称
含量
肾上腺
21.60
脂肪
1.30
乳房
0.78
结肠
0.31
皮肤
0.42
肝脏
5.72
肾
0.62
卵巢
0.28
肺
0.57
睾丸
21.36
1.4番茄红素的作用机制和生理功能
番茄红素的抗氧化性、清除自由基、诱导细胞间信息传递、抑制细胞增殖、增加免疫力等功能，对预防疾病起着关键的作用。
1.4.1番茄红素的作用机制
（1）抗氧化性和清除自由基
番茄红素可以通过淬灭单线态氧来预防脂类过氧化，保护生物膜免受自由基的损伤。
研究发现，当紫外线照射皮肤时，皮肤中的番茄红素优先被破坏，这表明番茄红素具有较强的减轻组织氧化损伤的作用[4]。
（2）诱导细胞间隙连接通讯功能
大多数肿瘤的细胞间隙连接通讯功能微弱或缺失，细胞发生转化后，其细胞间隙连接通讯功能降低或被抑制，细胞间隙连接通讯功能的抑制或破坏，被认为是促癌变阶段的重要机制。
据Levy[5]研究，番茄红素对子宫癌，乳癌，肺癌细胞生长抑制作用比α-胡萝卜素和β-胡萝卜素强10倍。
番茄红素抗癌作用主要是改善细胞之间隙缝的结合蛋白遗传密码的连接，以促进隙缝结合点信息传递[6]。
（3）抑制细胞增殖
番茄红素能抑制许多癌细胞的增殖，如能抑制人体口腔癌细胞的增殖。
番茄红素可通过影响乳腺癌、肺癌和子宫癌细胞周期的转化阶段，来影响肿瘤细胞的生长。
（4）增加免疫力
番茄红素可以增强正常细胞间GJIC，促进吞噬细胞、淋巴细胞间的相互作用，通过分泌的细胞活化因子来活化免疫细胞，保护吞噬细胞免受自身氧化的损伤，促进T、B淋巴细胞增殖，刺激效应T细胞的功能，增强巨噬细胞和T细胞杀伤肿瘤细胞的能力，增强免疫功能。
番茄红素可以促进白介素2（IL-2）和白介素4（IL-4）的分泌，增强体液免疫能力，提高老年人的免疫功能。
1.4.2番茄红素的生理功能
（1）番茄红素防癌抗癌作用
番茄红素具有防癌和抗癌作用，一方面因为番茄红素具有抗氧化作用；另一方面因为番茄红素能够阻断组织细胞在外界诱变剂的作用下发生的基因突变过程，这是其抑制肿瘤生成的重要机制之一。
番茄红素具有消除致使癌细胞扩散的活性氧的作用，能够促进细胞间正常结合蛋白合成，并抑制癌症细胞转移增殖因子α-TGF的遗传表达，从而番茄红素对前列腺癌、卵巢癌、乳腺癌、消化道癌、肺癌等都有很好的防治作用[7]。
（2）防治心血管疾病
番茄红素可显著抑制血清脂质和LDL的氧化，从而减少冠心病的发病概率。
番茄红素对主动脉脂质过氧化损伤具有较好的保护作用，且能降甘油三酯，保护血管内皮功能，减轻高脂主动脉硬化病变，具有抗动脉硬化的作用。
机体中番茄红素浓度与动脉硬化、心肌梗死呈负相关关系，脂肪中番茄红素含量最高的20%人群比含量最低的20％人群心肌梗死的危险性要低得多；番茄红素还可使胆固醇合成减少，细胞中LDL的降解增加，从而减少心肌梗死的危险性。
番茄红素能阻止低密度脂蛋白的氧化，抑制DNA和脂蛋白氧化物的形成，从而防止心血管病的发生。
2000年，Rotterdam[8]研究显示，血清中番茄红素的水平与动脉硬化呈负相关，而其他类胡萝卜素则无此相关性，可见，番茄红素在动脉硬化的发展过程中，可起到一定保护血管的作用。
（3）缓解骨质疏松症
流行病学研究显示，氧化应激是与骨质疏松症有联系，抗氧化剂可以抵消这些作用。
某些抗氧化制剂包括维生素C、维生素E、β-胡萝卜素可减少骨质疏松的风险和抵制导致在体力锻炼期间的不利影响。
患有骨质疏松症的妇女已被证明抗氧化维生素水平减少。
美国最近发表的临床研究显示，血清中番茄红素和绝经后妇女的骨质疏松成负相关。
增加血清中番茄红素水平，可以抑制骨骼系统发病诱因（氧化应激反应），从而降低了骨质疏松的发病风险[9]。
（4）保护皮肤
紫外线辐射可以导致皮肤烧伤、老化和引发皮肤癌，其原因是紫外线与单线态氧和自由基的产生有关。
类胡萝卜素在植物中的作用之一就是猝灭紫外线产生的氧化产物，现在认为这和类胡萝卜素在人类皮肤中的功能相似。
最近的研究发现受阳光照射的皮肤比相邻不受阳光照射的皮肤内番茄红素含量下降了31%～46%，而增加皮肤内番茄红素的含量可以防止或减轻紫外线对皮肤的损伤而起到保护皮肤的作用[10]。
（5）抗老化
人类的许多组织都随着年龄的增长而变性。
番茄红素可以抑制由衰老引起的疾病。
血清中番茄红素的低水平与衰老和低含量LDL胆固醇直接相关。
有试验发现，老年人的自理能力及自控能力与血清中高水平番茄红素含量相关。
Gross等[11]通过比较中年人和老年人血浆中番茄红素、α-生育酚、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素浓度时发现，老年人血浆中番茄红素浓度显著低于中年人血浆中番茄红素水平，并且随着年龄的增加而降低；除番茄红素以外，其它指标均等于或高于中年人。
（6）防治白内障
由于衰老而发生的肌肉退化—白内障，可使65岁以上的老年人引发不能恢复的盲眼病。
据美国眼健康保护组织估计，现在美国大约有1300万人存在肌肉退化症状，有120万人因此导致视觉损伤。
通过研究血浆中维生素E、类胡萝卜素水平和白内障的关系时发现，血浆中番茄红素含量最低的人患白内障的可能性要比正常人高2倍，而和其它类型的胡萝卜素（叶黄素和玉米黄质等）及维生素E无关[12]。
1.5番茄红素的生产方法
番茄红素的主要制取方法有直接粉碎法、有机溶剂提取、超临界CO2提取法、超声波辅助提取法、酶反应法、化学合成发和微生物发酵法。
1.5.1直接粉碎发
将番茄皮粉碎，作为着色粉直接添加于食品中。
工艺流程如下：
原料→番茄皮→晾干→粉碎→着色粉→包装→产品
↓
番茄籽
缺点：
原材料需求过大，人工劳动力投入过多，工业化生产不合理。
1.5.2有机溶剂提取法
番茄红素是一种脂溶性类胡萝卜素，难溶于甲醇、乙醇，能溶于石油醚、乙醚，易溶于苯、氯仿、乙酸乙酯等有机溶剂，可溶解提取。
一般选用亲油性的有机溶剂，从番茄或番茄制品的废弃物中提取粗产品，再用皂化、浓缩、结晶等分离手段将其纯化，工艺流程如下[13]：
番茄→捣碎成泥→有机溶剂浸提→抽滤得滤液→干燥→真空浓缩→粗番茄红素→精制
缺点：
上述流程得到的是粗产品，还需进一步分离纯化。
由于整个过程太长、产品收率低，很难用于工业化生产。
1.5.3超临界CO2提取法
王宪青等[14]以新鲜番茄为原料，打浆后冷冻干燥，获得番茄粉，再用超临界CO2提取法提取番茄粉中的番茄红素，并通过实验总结出用超临界CO2提取番茄红素的最佳工艺参数为30MPa，60℃，2h，CO2流量为20kg/h，以无水乙醇作夹带剂，100g干物料中可以获取47.986g纯度为0.803％的番茄红素提取物。
工艺流程如下：
原料→打浆→压榨过滤→真空冷冻干燥→粉碎→过筛→称重→装提取槽、密封→控制适宜的工作参数→静态、动态提取→降压分离→由分离柱获得番茄红素→纯度测定
缺点：
超临界CO2提取法虽然收率较高，但要实现工业化生产比较困难。
1.5.4超声波辅助提取法
生产工艺：
番茄→打浆→离心脱水→乙醇预处理→加入有机溶剂超声波提取→滤液真空减压浓缩→粗成品。
缺点：
采用超声波辅助提取番茄红素，可大大缩短提取时间，避免因提取时间过长而造成的番茄红素氧化损失，提取率较高、但原料需求过大，不宜工业化生产。
1.5.5酶解提取法
生产工艺：
番茄→去皮→打浆→加热钝化酶活→冷却→调pH值→加酶→恒温保存→有机溶剂浸提→提取液→分离塔分离→粗品→精制。
刘振春等[15]通过单因素试验及正交试验，研究酶辅助超临界CO2流体萃取番茄红素的工艺条件。
结果表明，果胶酶和纤维素酶破壁处理的最佳反应条件为：
温度40℃、pH值4.0、加酶量为4%果胶酶和3%纤维素酶、反应时间1.5h。
优点：
此方法与传统的有机溶剂提取法相比，缩短了提取时间，同时提取率也有
了显著提高。
缺点：
酶的价格昂贵，高产量的成本较高。
1.5.6化学合成法
化学合成番茄红素主要是Wittig反应法，以假紫罗兰酮为原料合成三苯基氯化磷，三苯基氯化磷与辛三烯二醛、甲醇在2-丙醇中反应[16]。
优点：
不需要原材料，没有时间季节气候的限制。
缺点：
由于双键立体选择性难以控制致使产物不可控，而且使用的化学试剂在产品中会有不同程度的残留。
番茄红素作为一种药或功能食品，对纯度有较高的要求，而且大量化学试剂的使用会造成环境污染，从而限制了产品质量及使用范围。
1.5.7微生物发酵法
发酵法利用特定微生物的代谢将淀粉、葡萄糖、黄豆饼粉等廉价原料转化为番茄红素，不受原材料、地理环境和气候等因素影响，工艺简单、生产周期短、生产效率高、生产成本低，且产物质量可控，并减少了对环境的污染。
最重要的是发酵法生产的番茄红素属于天然型产品，其活性与天然植物提取的活性成分一致，且与合成法生产的相比易于人体吸收。
特点：
通过发酵法来提高番茄红色素提取全年均可进行，不受季节和地理影响、工艺简单、生产周期短、生产成本及污染相对较低。
1.6生产番茄红素的意义
随着人们对番茄红素生理功能的研究发现，番茄红素不仅对前列腺癌、乳腺癌、以及胰腺癌等癌症的癌细胞具有抑制作用，而且对血管硬化和冠心病均有防治作用，因而番茄红素在食品、化妆品以及医药领域具有重要用途。
国外已将这一产品广泛用于食品添加剂、功能性食品、医药原料。
番茄红素因其独特的消除单线态氧的能力、强力抗氧化作用及清除自由基能力以及卓越的防癌、抗癌、预防心血管疾病等功效使其成为西方最受欢迎的功能性食品添加剂。
国内目前番茄红素的生产工艺是以番茄为原料进行提取，由于原料含量低（通常每吨西红柿中仅含20克番茄红素），生产成本高居不下，目前市售5%含量的番茄红素价格高达380美元/公斤，限制了番茄红素的广泛使用。
中国高校科技集团生物工程中心利用在生物工程技术上的优势，采用玉米淀粉发酵法进行生产，采用溶剂从发酵菌丝体中提取总收率高。
本设计的先进性在于选择了一种天然植物材料代替有毒化合物作为β-胡萝卜素合成途径中的环化阻断剂，通过代谢调控使番茄红素产量大于400mg/l，产品质量稳定，使发酵法生产番茄红素的工业化生产成为可能。
技术居国内领先地位，产品质量达到国际先进水平。
采用本生产工艺可大幅度降低番茄红素的生产成本，使其广泛应用成为可能，对保障人类的健康有十分重要的作用，因而具有重要的社会意义。
2.生产工艺
由于番茄中的番茄红素含量较低，天然提取法成本高，无法满足日益增长的市场需求，通过上文几种提取法的优劣比较，微生物发酵法则以低成本、高产量，在当前的番茄红素生产中占据了明显的优势。
所以本设计选择微生物发酵法来完成年产量20吨番茄红素的工艺生产。
2.1菌种的选择
朱博斐等[17]以三孢布拉氏霉菌为生产菌，研究了番茄红素的发酵动力学，通过模拟方程预测出菌体生长量、产物生成量，以及葡萄糖的消耗量。
该理论方法可以应用到工业放大生产中，通过取样和模拟值进行比较可以达到在线监控的目的，为工业放大生产番茄红素提供了理论依据和方法。
赵清等[18]研究表明三孢布拉霉性能最优的是个大、底色黄、孢子多且黑、边缘整齐的菌落，直径在10mm左右，此型菌落发酵单位平均达到1.9g/L，比较稳定，对于防止菌种退化和菌种的保存有着重要的意义。
该菌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β-胡萝卜素的产量，通过改变以产β-胡萝卜素为主的三孢布拉氏霉菌的生长条件和添加助剂（Na2CO3、呱啶等），可阻断
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