毕业设计-年产20吨番茄红素生产工艺的设计.doc

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270 r/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 （2013.2.252013.3.10）2. 查阅文献，阅读资料，完成开题报告和论文大纲。 2周 （2013.3.112013.3.24）3. 番茄红素生产工艺流程设计选择论证。 2周 （2013.3.253013.4.7）4. 工艺计算。 2周 （2013.4.82013.4.21）5. 设备计算选型。 2周 （2013.4.222013.5.5）6. CAD设计绘图。 2周 （2013.5.62013.5.19）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 (2013.5.272013.6.2)9. 定稿，打印，装订。 2天 （2013.6.32013.6.4）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270 r/min，pH 6.5，接种量10(体积比)条件下发酵生产；流加工艺最适为发酵后48 h，阻断物添加时间为发酵后60 h，最佳发酵周期为120 h。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AbstractBased on the properties of lycopene, biological function and production method of the e-xisting research review,compare advantages and disadvantages of all kinds of production me-thods of lycopene, and ultimately determine the optimal production of lycopene process sche-me:mainly corn starch as raw material for the application of blakeslea trispora production ly-copene of the fermentative , temperature 25, stirring speed, 270 r/min, pH 6.5, inoculation amount 10% (volume ratio); fed-batch process suitable for fermentation of 48h, blocker addit-ion time was 60 h after fermentation, the optimum fermentation period 120 h.After the ferme-ntation process, after filtration, drying, crushing cell, ethyl acetate extraction, saponification, concentration and crystallization, purification of 95% lycopene pure. The process has simple process, high production efficiency, low cost and suitable for industrial production, environ-mental protection.Key word: Corn starch; Lycopene; Blakeslea trispora; Fermentation目录1. 概述11.1 引言11.2 国内外研究进展11.2.1 国外对番茄红素的研究现状11.2.2 国内对番茄红素的研究现状11.2.3 市场需求11.3 番茄红素的基本特征21.3.1 番茄红素的基本特征21.3.2 番茄红素的物理性质21.3.3 番茄红素的化学性质21.3.4 番茄红素的分布21.4 番茄红素的作用机制和生理功能31.4.1 番茄红素的作用机制31.4.2 番茄红素的生理功能41.5 番茄红素的生产方法51.5.1 直接粉碎发51.5.2 有机溶剂提取法51.5.3 超临界CO2提取法61.5.4 超声波辅助提取法61.5.5 酶解提取法61.5.6 化学合成法61.5.7 微生物发酵法71.6 生产番茄红素的意义72. 生产工艺82.1 菌种的选择82.2 培养基的组成82.2.1 土豆培养基（PDA）82.2.2 种子培养基82.2.3 发酵培养基82.2.4 流加糖液82.2.5 阻断剂制备92.3 发酵条件选择92.3.1 pH选择92.3.2 温度的选择92.3.3 搅拌速度选择92.3.4 接种量的选择92.3.5 流加工艺的选择92.3.6 阻断物添加时间段选择102.3.7 发酵周期的确定102.4 培养方法的确定102.4.1 种子扩大培养102.4.2 发酵培养102.5 发酵条件结论112.6 发酵后期发酵液处理方法112.6.1 固液分离112.6.2 萃取112.6.3 皂化112.6.4 精制阶段122.7 工艺技术特点122.8 工艺流程图132.9 工艺说明143. 工艺计算153.1 物料衡算153.1.1 工艺技术指标及基础数据153.1.2 原料消耗计算(以一吨成品番茄红素为基准)153.1.3 原料日消耗量和年总消耗量163.2 能量衡算183.2.1 发酵过程中蒸汽耗量的计算183.2.2 发酵罐实罐灭菌保温时消耗的蒸汽量193.2.3 种子罐实罐实罐灭菌保温时消耗的蒸汽量193.2.4 发酵车间总的消耗蒸汽量193.2.5 发酵过程冷却水耗量的计算193.2.6 发酵过程无菌空气耗量的计算204. 设备选型214.1 主要设备的选型214.1.1 发酵罐的选型214.1.2 种子罐的选型234.2 辅助设备的选型234.2.1 细胞过滤器234.2.2 真空干燥244.2.3 细胞破碎器244.2.4 萃取设备244.2.5 浓缩设备254.2.6 结晶设备254.2.7 发酵后期发酵液处理总共时间254.3 主要设备一览表265. 效益评估275.1 原料消耗费用275.2 设备消耗费用275.3 水电人工劳动力费用275.4 效益评估286. 三废处理与环保296.1 噪音296.2 废气296.3 废水296.4 固体垃圾29结论30设计体会与心得31致谢32参考文献33英文文献35英文翻译50651. 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100 g番茄中番茄红素可达3-14 mg1，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，Franceschi2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1000104 t，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172175，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/nmolg-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21.361.4 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Levy5研究，番茄红素对子宫癌，乳癌，肺癌细胞生长抑制作用比-胡萝卜素和-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-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，Rotterdam8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、-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、-生育酚、-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30 MPa，60，2 h，CO2流量为20 kg/h，以无水乙醇作夹带剂，100 g干物料中可以获取47.986 g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1.5 h。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-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400 mg/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-胡萝卜素的产量，通过改变以产-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），可阻断该菌-胡萝卜素生物合成途径中最后的两步环化反应，从而使番茄红素积累19。它也是目前唯一能实现工业化生产的菌株。所以本设计选用的菌株为三孢布拉氏霉菌（）和（）菌，购自ATCC。2.2 培养基的组成2.2.1 土豆培养基（PDA）葡萄糖 1.0%、黄豆粉 3.0%、玉米浆 6.0%、KH2PO4 0.5%、MgSO4 0.025%、VB1少许，pH 6.5。2.2.2 种子培养基玉米淀粉30 g/L、玉米浆60 g/L、葡萄糖10 g/L、KH2PO4 0.5 g/L、MgSO4 0.25 g/L、VB10.5 mg/L、pH 6.5。2.2.3 发酵培养基玉米淀粉40 g/L、玉米浆40 g/L、棉籽油50 ml/L、KH2PO4 1 g/L、MgSO4 0.25 g/L、VB1 0.5 mg/L、pH 6.5。2.2.4 流加糖液淀粉经糖化后，制成300 g/L的葡萄糖。2.2.5 阻断剂制备烟草水提取物制备比列：取干燥烟草2 g，加入水40 mL，超声波提取15 min，过滤后取滤液，121灭菌15 min。发酵60 h同时添加烟草1 g/L可提高番茄红素的产量。2.3 发酵条件选择在有氧发酵过程中，培养条件直接影响细胞的生产代谢，因而必须进行培养条件优化选择。2.3.1 pH选择LopezNieto等20研究表明发酵液的初始pH6.5时较利于番茄红素的积累，但在发酵过程中控制恒定的pH6.5，因为不调节pH时，菌体能产生多种有机酸，作为自身利用的碳源。当pH偏酸或者偏碱后，菌体生长繁殖能力明显下降。2.3.2 温度的选择对同一微生物来说，不同的生理生化过程有着不同的最适温。经张邦建等21实验研究表明三孢布拉氏霉菌最佳的培养温度为25，三孢布拉氏霉菌最适培养温度范围较窄，生产中控制温度变化越精确越好。2.3.3 搅拌速度选择对于好氧菌来说，发酵液的溶氧是影响其发酵的重要因素之一。经张邦建等21实验结果来看，随着转速的提高，单位发酵液中细胞数增加，这说明三孢布拉氏霉菌对氧的需求量是很大的，但过度的转速对设备的要求较高。因而，综合各因素选择转速为270 r/min。2.3.4 接种量的选择接种量的大小决定于生产菌种在发酵过程中生长繁殖的速度，大的接种量发酵，虽然可以缩短菌丝体达到高峰的时间，使得产物提早形成，但是，接种量过多，往往使菌体生长过快、培养液粘度增加，造成溶解氧不足，而影响产物生成。若接种量过小，也不利于菌种的生长，经试验21可得，10%(体积比)的接种量利于菌种的生长和发酵。2.3.5 流加工艺的选择三孢布拉氏霉菌发酵生产番茄红素流加工艺中，在确定发酵温度、pH、搅拌速度、接种量的情况下，实验21确定流加工艺最佳条件为流加时间48 h、发酵时间120 h。若糖量流加过多，糖的浓度高，反而会抑制菌种的生长繁殖，使产物生成量减少。2.3.6 阻断物添加时间段选择阻断剂的添加时间对番茄红素产量的影响很大，因此，确定阻断剂的最优添加时间非常必要。王航等22可以得出，在发酵60 h时添加烟草废弃物1 g/L，此时番茄红素的产量最高，可以达到400 mg/L，分析原因，若阻断剂添加时间过早，会抑制三孢布拉氏霉菌的生长，以致番茄红素的产量降低；若添加时间过晚，发酵已进入后期，阻断不充分，菌体中-胡萝卜素含量较多，而番茄红素的产量就会相应减少，故选择60 h为阻断剂的最优添加时间。2.3.7 发酵周期的确定发酵终点的判断需综合多方面的因素统筹考虑。不过，一般都是以提高生产率为首要的目标，主要从两方面来确立发酵时间：一方面是菌体的生长指标，即细胞质量浓度；另一方面则是菌体的代谢指标，即番茄红素的产量。经试验22确定细胞中的番茄红素在第五天达到最大，在第7天后开始逐渐减少，我们确定培养工艺的发酵培养时间为5天，即120 h。2.4 培养方法的确定以往发酵法生产番茄红素的过程中，其种子培养阶段采用的是将PDA培养基中的菌丝体连同培养基一起挑块儿直接加入种子培养基中进行液态培养。但是，由于菌种退化，其生长活力降低，现在采用相同的接种方式，在培养到所需时间后菌体容易集结成团(一般是负菌)，而不是需要的米粒大小的菌球23，为后续的发酵培养带来很大的困难。根据三孢布拉氏霉菌的生长特性，试验确定采用孢子悬液的接种方式，菌体在种子培养基中均可生长为极小的菌球或丝状，没有成团现象发生。一般而言，丝状形态或极小的菌球形态均有利于其在液体发酵培养基中氧气运输和营养物质的吸收，因此，在以后的培养工艺中均考虑采用孢子悬液的接种方式22。2.4.1 种子扩大培养将三孢布拉氏霉菌（+）、（）原菌经活化后，分别接种于PDA斜面培养基上，可在28条件下，培养箱中培养72 h，然后在有氧的环境下种子罐液体培养基中，于18再继续培养28 h可得生长良好的（+）、（）菌孢子。2.4.2 发酵培养将培养良好的（+）、（）菌孢子悬浮液在无菌条件下按1:10的体积比混合制成种子液。在发酵罐中加入发酵罐体积比1/6的发酵培养基，经121、30 min灭菌后，在无菌条件下接入种子液，在25条件下进行发酵。2.5 发酵条件结论综上所述，在25、搅拌速度270 r/min、pH 6.5，接种量10(体积比)，正负菌接种比例1:10，装液量40 ml/250 ml条件下，三孢布拉氏霉菌的生长与代谢达到最优。在发酵过程中流加营养物质（糖），可增加发酵液中菌体的数量和发酵产物的产量，其最适流加时间为发酵后48 h，添加阻断物最佳时间为发酵后第60h,添加量为1 g/L，最佳发酵周期为120 h。2.6 发酵后期发酵液处理方法分离纯化工艺一般包括：培养液的预处理和固液分离；初步提取；高度纯化和成品加工四个部分。发酵法生产番茄红素的过程中，番茄红素在胞内大量积累，因此必须从细胞中抽提出番茄红素。发酵液经固液分离后，收集菌体并将菌体破碎；初步纯化采取萃取技术，得到富含番茄红素的萃取液；精致工艺采用真空浓缩、结晶技术后干燥可达到含量95%番茄红素晶体。2.6.1 固液分离番茄红素是三孢布拉氏霉菌的胞内产物，在发酵过程中并没有分泌到胞外，经过过滤机过滤得到深红色菌体；再将菌体真空干燥24 h，菌体基本恒重可以称量菌体干重。再将菌体经过细胞破碎仪粉碎成菌粉。2.6.2 萃取番茄红素是脂溶性类胡萝卜素，在萃取过程中选用极性溶剂乙酸乙酯为萃取剂，利用超声波萃取机进行萃取。萃取温度为60-70之间，萃取剂用量20 ml/g，添加5%抗氧化剂TBHQ，萃取直至无色为止。此时番茄红素溶在乙酸乙酯中，为油相；细胞壁等杂物在下水相中。萃取过程中番茄红素的损失主要在于番茄红素的降解，因而在萃取过程中添加抗氧化剂TBHQ（叔丁基对苯二酚，是一种安全食品添加剂），可使萃取率提高近20%，而且萃取损失率只有5%左右。2.6.3 皂化在萃取过程中，萃取剂会将菌体细胞壁中的脂肪酸和其他脂类物质萃取到萃取液中，而且菌体合成的少量水溶性类胡萝卜素也会被萃取到萃取液中，采用皂化法将上述杂质转移到水相中，而脂溶性类胡萝卜素继续留在油相中。皂化时，温度控制在50-60之间，皂化时间为30 min。皂化液为氢氧化钾甲醇溶液，氢氧化钾的量为0.1 g/g菌粉，甲醇溶液为80%的水溶液，其配比为400 g/L，皂化收率为75%。2.6.4 精制阶段皂化后，将下相水相处理后溶剂回收利用。上相（油相）真空浓缩，在40下，真空度0.1 MPa条件下浓缩直至有部分晶体析