年產15噸番茄紅素的生產工藝設計

畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日

注意事項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂

指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內畫“√”）指導教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學系意見：系主任：（簽名）年月日交通大學畢業(yè)設計（論文）任務書課題年產15噸番茄紅素生產工藝的設計姓名李文偉專業(yè)生物工程班級091班課題簡介本設計主要研究年產量為15噸的番茄紅素的工藝流程，因為番茄紅素的生物保健作用極強，其市場需求大，故本設計在實驗基礎上，進行工廠化放大生產，以玉米漿為原料，利用三孢布拉霉在溫度28℃，攪拌速度250r/min，設計任務設計要求：產品名稱：番茄紅素年處理量：15噸年工作時間：250天設計依據(jù)：發(fā)酵周期6天（含輔助時間）萃取率95%皂化率80%產品性狀：晶體為棕紅色設計任務：1.總述：提出選題的初步設想2.生產工藝流程或生產方案確定3.生產流程敘述4.工藝計算5.主要設備的工藝計算和設備選型6.用CAD畫主設備圖和工藝流程圖7.計算原材料、動力消耗定額及消耗量8.環(huán)境保護和安全措施9.結論10.設計體會和收獲圖紙要求：1.繪制帶控制點的工工藝流程圖（1#圖紙）2.根據(jù)計算數(shù)據(jù)繪制設備結構圖（1#圖紙）3.繪制要求詳見《化工工程制圖》，圖紙單獨裝訂作為附圖。設計要求1.通過文獻查閱及綜述，基本掌握本課題的國內外研究進展2.學會研究方案的制訂和設計方法3.確定設計方案、工藝流程4.進一步通過工藝計算，論證本設計的可行性5.運用專業(yè)知識分析、掌握設計技能，解決實際問題6.訓練實事求是和嚴謹?shù)目茖W作風，在德、智、體諸方面得到發(fā)展指導教師簽字系主任簽字主管院長簽章

蘭州交通大學畢業(yè)設計(論文)開題報告表課題名稱年產15噸番茄紅素的生產工藝設計課題來源蘭州交通大學自選課題課題類型AY導師任愛梅學生姓名李文偉學號200907241專業(yè)生物工程資料準備：收集有關番茄紅素的性質及生產的國內外研究進展資料，同時深入了解影響番茄紅素生產的有關因素，為設計方案的制定及論文寫作奠定了基礎。設計目的：通過分析發(fā)酵法生產番茄紅素及不同條件對番茄紅素產量的影響，掌握番茄紅素的生產過程，結合已有知識和現(xiàn)在的生產狀況對年產15噸番茄紅素生產工藝進行合理的設計，使之更適合生產需要。設計要求：1.查閱有關番茄紅素生產及番茄紅素提取等相關文獻；2.分析比較各種番茄紅素的生產方法，確定年產15噸番茄紅素的設計方案及工藝流程；3.完成番茄紅素生產工藝的基本設備配置；4.用CAD畫出年產15噸番茄紅素的生產工藝流程圖和主設備圖。設計思路：1.對番茄紅素相關背景知識和現(xiàn)狀進行綜述和分析，并掌握番茄紅素生產的國內外研進展。2.由前人對番茄紅素生產的研究進展分析存在的問題得出本設計的意義；3.通過分析比較粉碎法，有機溶劑提取法，超臨界流體萃取，微生物發(fā)酵法及它們各自的優(yōu)缺點，確定番茄紅素生產方案；4.設計番茄紅素生產的基本工藝流程；5.確定設計番茄紅素生產方案并畫設備圖和工藝流程圖;6.運用所學知識分析，論證本設計的可行性。預期成果:1.通過設計了解番茄紅素的生產技術。2.分析不同番茄提取方法、不同條件對番茄紅素產量的影響以及了解番茄紅素的生產。3.設計出產率高、周期短的年產15噸番茄紅素的生產線，并能在理論上滿足生產需求，達到降低成本的目的。任務完成階段及時間安排：1.收集有關番茄紅素生產技術及生產的資料，擬定論文提綱。自2013年3月—2013年4月，圍繞不同制備方法及不同方法對番茄紅素產量的影響進行資料收集，做好論文的前期準備工作，在畢業(yè)論文開始兩周內提交詳細論文寫作大綱。2.論文開題。詳細提綱經指導老師審定后，在3月20日前完成開題報告。3.撰寫初稿。自2013年3月21日—2013年4月30日（第13周）前完成初稿。4.畢業(yè)論文中期檢查。在5月10之前完成“蘭州交通大學畢業(yè)論文學生自查表”。5.論文修改。根據(jù)指導老師的意見，在14周—16周進行二稿、三稿的修改、打印、裝訂工作。6.定稿。在6月10號前交畢業(yè)論文終稿。完成任務所具備的條件及因素：利用圖書館的資料、文獻，查閱的各種期刊和網絡資源，不斷提出問題，同指導老師探討，并融合所學的相關知識。指導教師意見簽名：年月日

蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）學生自查表（中期教學檢查用）學生姓名李文偉專業(yè)生物工程班級生物091指導教師姓名任愛梅職稱講師課題名稱年產15噸番茄紅素的生產工藝設計個人精力實際投入作時間8小時周平均工作時間40小時迄今缺席天數(shù)無出勤率%100%指導教師每周指導次數(shù)5次每周指導時間（h）10小時備注2小時/天有問題時導師及時指導畢業(yè)設計（論文）工作進度（完成）內容及比重已完成主要內容%待完成主要內容%設計整體規(guī)劃。查閱有關番茄紅素的相關文獻及書籍并概括出番茄紅素的各種生產工藝。分析各種提取方法對番茄紅素生產及產量的影響。確定番茄紅素的生產工藝流程方案。設計合理的年產15噸番茄紅素生產工藝流程。翻譯了一篇與番茄紅素相關的外文文獻。初步完成設計說明書的撰寫。701、完成工藝流程圖及設備圖的繪制。2、說明書的修改補充及整理定稿。30存在問題由于缺乏實踐以及初次接觸工藝的生產線設計，所以生產線的設計還需進一步完善。由于本設計缺乏實驗生產數(shù)據(jù)，故其實際生產的可行性還有待實踐驗證。指導教師簽字：年月日摘要本文在對番茄紅素的特性以及作用進行綜述的基礎上，分析對比了各種提取方法的優(yōu)劣，并設計出了一套以玉米漿為原料，利用三孢布拉氏霉菌生產番茄紅素的發(fā)酵工藝。具體為：溫度28℃，pH6.5，接種量10％（體積比）；流加工藝最適為發(fā)酵后48h，在60h時添加阻斷劑。最佳發(fā)酵周期為120h，轉速為250轉/分。發(fā)酵完成后，經過過濾，干燥，破碎細胞，石油醚萃取，濃縮結晶，精制后為90%番茄紅素純品。該工藝所用設備簡單，易于操作，提取時間短，生產成本低，提取率高。關鍵詞：玉米漿；三孢布拉氏霉菌；發(fā)酵；番茄紅素

AbstractBasedonthefeaturesandfunctionsoflycopeneweresummarizedonthebasisoftheanalysiscomparedthestrengthsandweaknessesofvariousextractionmethods,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目錄TOC\o"1-3"\h\u264981緒論 1101671.1番茄紅素的簡介 152251.2番茄紅素的來源 150071.3番茄紅素的分子結構 179001.4番茄紅素的理化性質 165051.4.1穩(wěn)定性 1287521.4.2呈色能力 210591.4.3溶解性 2313611.5番茄紅素的生物學特性 2203691.5.1番茄紅素具有抗氧化性 2324701.5.2番茄紅素對細胞生長代謝起調控作用 384091.5.3番茄紅素可以調節(jié)膽固醇的代謝 3147971.6番茄紅素的保健作用 317031.7預防和抑制腫瘤的作用 3232671.8番茄紅素的提取原理 4266291.8.1直接粉碎法 4134541.8.2有機溶劑提取法 4324691.8.3超臨界流體萃取 5115931.8.4微波輻射法 5254111.8.5化學合成法 54511.8.6酶反應法 660591.8.7微生物發(fā)酵法 6106641.8.8其他方法 6165811.9國內外對番茄紅素的研究進展 7316521.9.1國外對番茄紅素的研究現(xiàn)狀 7215241.9.2我國對番茄紅素的研究現(xiàn)狀 7211352生產番茄紅素的意義 758673番茄紅素的生產工藝 8176343.1菌種的選擇 8231773.2培養(yǎng)基的選擇 8186593.2.1PDA培養(yǎng)基 815563.2.2種子培養(yǎng)基 8131033.2.3發(fā)酵培養(yǎng)基 8177963.2.4流加糖液 9108853.2.5阻斷劑 9114453.3設計步驟 9171533.3.1孢子懸浮液制備 9225843.3.2發(fā)酵培養(yǎng) 9174553.3.3發(fā)酵后期發(fā)酵液處理方法 986163.3.4流加工藝的確定 9308673.3.5固液分離 9275193.3.6萃取 1068153.3.7皂化 10268223.3.8精制階段 10210373.4工藝流程 11100043.5工藝說明 1138323.6培養(yǎng)條件的討論及優(yōu)化 1255593.6.1培養(yǎng)溫度對發(fā)酵的影響 12121983.6.2pH對發(fā)酵的影響 12232983.6.3轉速和裝液量對發(fā)酵的影響 1288053.6.4接種量對發(fā)酵的影響 1243613.6.5發(fā)酵時間的確立 13212873.6.6阻斷劑最佳添加時間的確立 1334204工藝計算 1374234.1物料衡算 13131844.1.1工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù) 13243694.1.2原料消耗計算(以一噸成品番茄紅素為基準) 1441434.1.3原料日消耗量和年總消耗量 1571534.2主要階段的能量衡算 16111814.2.1發(fā)酵過程中蒸汽耗量的計算 17301784.2.2發(fā)酵罐實罐滅菌保溫時消耗的蒸汽量 17132374.2.3種子罐實罐滅菌保溫時消耗的蒸汽量 18191614.2.4發(fā)酵車間總的消耗蒸汽量 18250264.2.5發(fā)酵過程冷卻水耗量的計算 18239244.2.6發(fā)酵過程無菌空氣耗量的計算 18268275設備選型 19195705.1主要設備的選型與計算 19198775.1.1發(fā)酵罐的選擇條件及計算 19199745.1.2種子罐的選型 21265335.2輔助設備的選型 2257455.2.1細胞過濾器 22295075.2.2真空干燥器 22196155.2.3細胞破碎器 22119695.2.4萃取設備 22175805.2.5濃縮設備 23310155.2.6結晶設備 23141925.2.7發(fā)酵后期發(fā)酵液處理總共時間 23281855.3主要設備（見表2） 23101136效益評估 2434036.1原料消耗（見表3） 24264576.2設備消耗（見表4） 25129576.3水電人工勞動力費用 2544706.4效益評估 2531187環(huán)境保護和安全措施 2627357.1環(huán)境保護 26260807.1.1廢氣 26102697.1.2廢水 2677187.1.3固體垃圾 2674857.1.4噪音 26302267.2安全規(guī)則 26154198結論 28161209設計體會與心得 29858410致謝 3014894參考文獻 3126228英文文獻 337033英文翻譯 411緒論1.1番茄紅素的簡介番茄紅素是植物中所含的一種天然色素。主要存在于茄科植物西紅柿的成熟果實中。它是許多類胡蘿卜素生物合成的中間體，類胡蘿卜素是由細菌、藻類及植物生物合成的類菇烯，動物無法生物合成，只能靠食物攝取[1]。目前，在自然界的植物中被發(fā)現(xiàn)的最強抗氧化劑就數(shù)番茄紅素?？茖W證明，人體內的單線態(tài)氧和氧自由基是侵害人體自身免疫系統(tǒng)的罪魁禍首。番茄紅素清除自由基的功效強于其他類胡蘿卜素和維生素E，其淬滅單線態(tài)氧速率常數(shù)是維生素E的100倍。因為它可以有效的防治因衰老，免疫力下降引起的各種疾病，所以，番茄紅素受到世界各國專家的關注。1.2番茄紅素的來源番茄紅素廣泛存在自然界中，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、紅荀、柑桔、云葛等的果實及胡蘿卜、蘿卜、蕪答甘藍等的根部。番茄紅素是西方膳食中類胡蘿卜素最主要的來源，也是人體血清中含量較高的類胡蘿卜素之一。番茄紅素在番茄中的含量隨品種和成熟度的不同而不同。一般說來，加工用番茄中番茄紅素的含量是鮮食用番茄的3.0—3.5倍，成熟度越高，番茄紅素的含量越高。我國新疆產加工用番茄的番茄紅素含量很高，番茄含量為400mg/100g以上，番茄皮中含量為20mg/100g[2]。有報道稱秋橄欖果實的番茄紅素含量也很高，可以達15—54mg/1.3番茄紅素的分子結構1910年，Willstaller[3]和Escher在對番茄紅素的研究中首次確定了其分子式為C40H56，分子量為536.85。天然存在的番茄紅素全都是全反式，但是通過高溫的油炸、蒸煮等加工方式可由反式構型向順式構型轉變。研究還表明，番茄紅素的順式異構體與反式異構體的物理和化學性質有所不同，與反式異構體相比，番茄紅素的順式異構體的極性強，熔點低，不易結晶，摩爾消光系數(shù)小，更易溶解，而且在放置過程中可能會回復到全反式狀態(tài)。1.4番茄紅素的理化性質1.4.1穩(wěn)定性番茄紅素分子中有11個共扼雙鍵及2個非共軛雙鍵，使得番茄紅素的穩(wěn)定性比較差，它在一定條件下可發(fā)生氧化降解和順反異構化。番茄紅素對氧化反應很敏感，其溶液經日光照射一段時間后，番茄紅素基本上損失殆盡。溶液中的Fe3+和Cu2+會對番茄紅素的光氧化反應起催化作用，而其它金屬離子如Mg2+、K+、Zn2+、Ca2+等則對其影響不大，所以天然番茄紅素在提取和應用過程中應盡量避免使用銅制和鐵制容器。此外，pH值對番茄紅素也有影響，當用乙醇溶解番茄紅素，并調制成PH值1～14。結果表明，番茄紅素對堿比較穩(wěn)定，對酸則不穩(wěn)定，故番茄紅素作為色素使用時并不適合于酸性飲料。由此可見，影響番茄紅素穩(wěn)定性的因素有金屬離子、氧、光、pH等，故番茄紅素的提取、加工、分析及貯存都應該在對環(huán)境因素進行控制的條件下進行[4]。1.4.2呈色能力番茄紅素作為一種天然紅色素，如何保持其最強的著色力是至關重要的。番茄果實中的番茄紅素有兩種存在狀態(tài)：其中大部分是以細長的、針狀的結晶形式存在于有色體中，呈現(xiàn)明亮的紅色。當番茄紅素的結晶形成時，質體膜消失，色素結晶自由分散在原生質中，在顯微鏡下觀察時，可以看到小粒狀的有色體，說明了有色體所顯現(xiàn)的顏色；另外一小部分（10%左右）則與蛋白質形成復合體存在于細胞中。番茄紅素以不同的形態(tài)存在時具有不同的顏色和強度，而且會隨著溶劑和介質的不同而呈現(xiàn)出不同的顏色。例如，溶解在石油醚中的番茄紅素呈黃色，在二硫化碳中則呈紅色。1.4.3溶解性番茄紅素是脂溶性色素，可溶于其他脂類和非極性溶劑中，不溶于水，難溶于強極性溶劑如甲醇、乙醇等，可溶于脂肪烴、芳香烴和氯代烴如乙烷、苯、氯仿等有機溶劑。番茄紅素在各種溶劑中的溶解度隨著溫度的上升而增大，然而當樣品越純時，溶解越困難。結晶的番茄紅素溶解緩慢，傾向于形成一種超飽和狀態(tài)，雖然提高溫度可加速其溶解，但冷卻時可能會出現(xiàn)結晶，這時可利用超聲波加速其溶解。純的番茄紅素雖然不溶于水，但當它與某些物質如蛋白質結合形成復合物時，則具有較高的溶解度。1.5番茄紅素的生物學特性1.5.1番茄紅素具有抗氧化性番茄紅素通過物理和化學方式猝滅單線態(tài)氧或捕捉過氧化自由基。單線態(tài)氧是具有很強活性的氧自由基，具細胞毒性作用，以線粒體、細胞膜等部位對其最為敏感，能與大多數(shù)生物大分子發(fā)生作用，通過與分子結合造成細胞膜系統(tǒng)的損傷；番茄紅素能夠接受不同電子激發(fā)態(tài)的能量，吸收光能并通過單線態(tài)—單線態(tài)能量轉移過程使單線態(tài)氧的能量轉移到番茄紅素，生成基態(tài)氧分子和三重態(tài)番茄紅素分子，三重態(tài)番茄紅素通過與溶劑的一系列旋光和振動反應得到再生，并在此過程中將能量散發(fā)；類胡蘿卜素的猝滅能力與其分子中所含有的共軛雙鍵的數(shù)目有著密切的關系，番茄紅素分子中有11個共軛雙鍵，一個番茄紅素分子可以清除數(shù)千個單線態(tài)氧，其猝滅單線態(tài)氧的速率常數(shù)較β-胡蘿卜素高2倍。1990年Paolo等[5]報道了類胡蘿卜素和生育酚等30余種生物抗氧化劑猝滅單線態(tài)氧的作用，番茄紅素是猝滅單線態(tài)氧最強的。番茄紅素還能通過與其他形式的活性氧的化學反應消除氧化自由基，如過氧化氫、亞硝酸根等氧化自由基，而氧化自由基能引起脂質過氧化形成多種產物，這些產物與人體老化、癌癥發(fā)生、自身免疫病及貧血等疾病都有關系。1.5.2番茄紅素對細胞生長代謝起調控作用通常細胞間隙之間有膜蛋白構成的通道，具有選擇通透性，允許第二信使及生長調節(jié)物質通過，細胞之間通過細胞間隙連接通訊（GJIC）傳輸細胞群體內生長調控信號，調節(jié)細胞的正常增殖與分化。實驗表明，番茄紅素通過誘導細胞間連接，增強正常細胞之間的GJIC，控制細胞生長和誘導細胞分化來抑制腫瘤的增長。日本學者在大鼠肝組織上用熒光染料示蹤技術研究番茄紅素對GJIC的作用時發(fā)現(xiàn)，每天飼喂5mg/kgBW番茄紅素，連續(xù)5d時，可以明顯增強GJIC功能；同時，由于大多數(shù)腫瘤細胞的GJIC功能微弱或缺失，細胞發(fā)生轉化后其GJIC功能降低或抑制，GJIC功能的抑制或被破壞被認為是促癌變階段的重要機制。1.5.3番茄紅素可以調節(jié)膽固醇的代謝番茄紅素是一種低膽甾醇劑，它可抑制巨噬細胞3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A，而它是一種膽固醇生物合成的限速酶。實驗發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)巨噬細胞的介質中加入番茄紅素后，其膽固醇合成降低，同時番茄紅素還增大巨噬細胞低密度脂蛋白（LDL）受體活性。實驗還表明，人體3個月內每天補充60mg番茄紅素，可減少14%的胞質LDL膽固醇濃度。1.6番茄紅素的保健作用番茄紅素的上述生物學特性決定了它具有抗氧化、抑制突變、降低核酸損傷、減少心血管疾病及預防癌癥等多種保健功能[6]。1.7預防和抑制腫瘤的作用番茄紅素具有預防和抑制腫瘤作用，一方面是因為它的抗氧化作用；另一方面是番茄紅素能夠阻斷組織細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制之一。實驗發(fā)現(xiàn)，番茄紅素可影響乳腺、肺和子宮癌細胞周期的S階段；番茄紅素通過抑制細胞周期中Gl到S的轉化階段來影響細胞的生長；番茄紅素通過可抑制LDL膽固醇的氧化和煎烤肉、魚的褐色反應中產生的雜環(huán)胺類的形成，從而有效地抑制致癌物的產生及誘發(fā)腫瘤。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[7.8]。1.8番茄紅素的提取原理由于合成色素一般都有毒性和致癌性，對人類造成極大的危害，從整個食用色素的發(fā)展情況來看，在世界范圍內，合成色素有被淘汰的可能性，從而勢必造成天然食用色素成為唯一的使用色素。但是，就目前來說，天然色素價格太高，在工業(yè)上得不到廣泛應用，因此提取天然色素要盡可能選擇便宜的原料，經濟的工藝條件，這樣便于實現(xiàn)工業(yè)化生產。番茄紅素在番茄皮的下表皮細胞中含量較高，一般在l0～15mg/100g，因此，可利用番茄皮提取番茄紅素?？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，用有機溶劑浸提。近年來，隨著技術的不斷發(fā)展，酶反應法和超臨界流體萃取等方法也被用于番茄皮中番茄紅素的提取，此外，微生物發(fā)酵法作為一種新型的方法將是未來發(fā)展的方向1.8.1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1.8.2有機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。利用這一特性，一般選用親油性有機溶劑提取番茄紅素工藝為：濾渣—二次浸提番茄皮—干燥—有機溶劑浸提—提取液—過濾—濾液提取液—色素—包裝選用此法提取番茄皮中的色素，采用石油醚室溫浸泡l0～24h。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，不需要復雜的純化工藝。歐洲一專利采用95%的乙醇作溶劑，逆流法78℃浸提5有機溶劑提取法：設備少，工藝簡單，操作方便，目前國內一般都采用這種方法。但通過此法獲得的產品質量差，純度低，有異味和溶劑殘留，嚴重影響了天然色素的推廣。1.8.3超臨界流體萃取超臨界流體萃取技術[11.12]使食品工業(yè)新興的項萃取，分離和純化技術，與傳統(tǒng)的有機溶劑提取法相比，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。安本光政等研究了超臨界CO從番茄皮中提取番茄紅素，原料微粉碎或經果膠酶，纖維素酶處理后，提取壓力270kg／cm，提取溫度40℃，提取率達95%。此外，日本另一專利報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，形成均質混合系，使原料中的紅素從己烷中溶出，在35～50℃，300kg1.8.4微波輻射法番茄紅素是脂溶性色素，而脂溶性色素的提取特點是提取時間較長，原因是有機溶劑不易滲透穿過物質的細胞壁和細胞膜，所以不能很好的將提取物從細胞器中溶出。采用微波輻射萃取(Microwave-AssistedExtraction．簡稱MAE)可以提高其萃取效率近年來，微波輻射技術已有所應用．其最佳的工藝條件是：提取劑為6#溶劑油，功率200W，萃取時間80s，液固比2:1二級提取，此條件下提取率為97.56。與傳統(tǒng)的有機溶劑提取法相比微波提取最大的優(yōu)點是提取時間大大縮短，且提取率較高。而與超臨界CO2相比，它成本低，投資少，提取率高?？梢哉f，微波提取在天然色素的提取工藝中具有廣闊的應用前景。1.8.5化學合成法從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歷了100年的時間。到現(xiàn)在，能用化學法合成的類胡蘿卜素已很多。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)當中，他們的生產與VA的生產類似，一般以p-紫羅酮作為原料來合成。另據(jù)資料報道，以乙酸松油酯為原料，經過系列化學反應，合成番茄紅素的代謝五：2,6-環(huán)番茄紅素-1,5-二醇和5,6-二羥基-5,6-氫番茄紅素。近年來的研究表明，他們是人體內血液中主要類胡蘿卜素，具有防癌和抗癌作用[13]。1.8.6酶反應法將番茄皮渣加堿調至pH7.5～9.0使番茄皮中的果膠酶和纖維素酶反應，分解果膠和纖維素，使得番茄紅素的蛋白質復合物從細胞中溶出，然后于4560℃下加熱攪拌5h左右，過濾，加酸調整濾液至弱酸性(pH4.0-4.5)，使類胡蘿卜素聚沉，靜止后吸去上清液，得含番茄紅素的沉淀，調整沉淀物的pH之后真空濃縮，然后加酸或食鹽保存等通過外加果膠酶和纖維素酶的方法來提取番茄紅素。其工藝為：番茄原料(番茄醬、番茄泥等)用果膠酶和纖維素酶(0.2～0.5)在50℃處理3h，出去901.8.7微生物發(fā)酵法除了從含有番茄紅素的物質中提取或用化學合成番茄紅素外，還可以采用藻類和真菌及酵母發(fā)酵[14]生產番茄紅素。從品質、技術、生產、資源成本等分析，利用微生物技術生產番茄紅素等天然類胡蘿卜素將是未來發(fā)展的方向。目前含番茄紅素較高的有紅色細菌，但還未能工業(yè)化生產。利用霉菌Blakesleacrispora的發(fā)酵可生產番茄紅素，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。另有資料表明：添加煙草的廢棄物于霉菌的發(fā)酵液中，經110h發(fā)酵，可得到番茄紅素約60--80mg/100mL。利用產蛋白假絲酵母的重組體培養(yǎng)生產番茄紅素(產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758g/1000g干重的八氫番茄紅素。此外，三孢布拉霉菌株具有獨特的代謝過程，添加植物油，表面活性劑，抗氧化劑和各種結構類似物能提高8一胡蘿卜素的產量，但如果添加其他的發(fā)酵促進劑可有助于其他類胡蘿卜素的產量，如通過改變以8一胡蘿b素為主的三孢布拉霉菌的生長條件和添加助劑(Na1.8.8其他方法在各國學者的不斷努力下，又開發(fā)出許多高科技的生產技術。日本KirinBrewerr公司采用代謝工程技術，即通過DNA重組技術改變細胞的代謝系統(tǒng)芻三產番茄紅素Kajiwara等從產生蝦黃素的酵母Pharffiarhosozyma和雨生紅球藻中分離出cDNA編碼異戊烯焦磷酸酯(Ipp)異構酶，將編碼IPP異構酶cDNA轉入E．coli菌株JmL01能增加番茄紅素的產量3.6～4.5倍。相信隨著科技的發(fā)展和研究的深入這些技術會更加完善和成熟。1.9國內外對番茄紅素的研究進展1873年，Hartsen[15]最早從TamuscommunisL.中分離得到深紅色的番茄紅素結晶1875年，Millardet[16]從番茄中獲得一種含有番茄紅素的粗提物，當時命名為Solanorubin.Schunck（1930年）命名的“l(fā)ycopene”名稱（中文即番茄紅素）一直沿用至今。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胞增殖，誘導細胞分化，增加免疫力，減少DNA損傷，以及對細胞間隙連接通訊的影響等多種生理功能，起到防癌抗癌預防心血管疾病，提高免疫功能和延緩衰老等作用。1.9.1國外對番茄紅素的研究現(xiàn)狀1989年，Mascio發(fā)現(xiàn)番茄紅素在所有類胡蘿卜素中對單線態(tài)氧的猝滅速度最高。1994年，F(xiàn)ranceschi[17]發(fā)現(xiàn)消化道癌的發(fā)生與番茄紅素的攝入有關隨后，對番茄紅素功能的研究成為一大熱點1995年-2003年，與番茄紅素有關的報道達800多篇，內容涉及番茄紅素的吸收運輸及新陳代謝的動力學，番茄紅素與癌癥心臟病及其他多種疾病的關系，番茄紅素的提取測定及番茄產品的開發(fā)研究等。1.9.2我國對番茄紅素的研究現(xiàn)狀我國對番茄紅素的研究在2000年以前鮮有報道，近3年驟然升溫，出現(xiàn)了大量綜述類文章，內容包括番茄紅素的性質和提取方法，番茄紅素保健功能的研究現(xiàn)狀，番茄紅素及其生產應用研究，番茄紅素的生產工藝研究進展，番茄紅素分離與分析的研究進展等[18]。2生產番茄紅素的意義因番茄紅素具有的優(yōu)越生理調節(jié)功能和防癌抗癌作用，故番茄紅素產業(yè)被稱為紅色產業(yè)，已納入到國家863計劃，受到社會各方的高度重視。采用發(fā)酵法能降低成本，污染相對較小，利用傳統(tǒng)的突變技術或應用分子生物學的技術可得到產番茄紅素的高產菌株。在優(yōu)化發(fā)酵條件和保證菌株高產的前提下，結合各種發(fā)酵促進劑的研究及利用，將會使微生物發(fā)酵法更經濟高效。從發(fā)展趨勢來看，微生物發(fā)酵法生產番茄紅素有極大的市場和工業(yè)化潛力，是實現(xiàn)工業(yè)化生產較理想的一條途徑。微生物發(fā)酵法生產番茄紅素與傳統(tǒng)的番茄提取法相比具有占用土地資源少、生產受季節(jié)和環(huán)境影響小等優(yōu)點。如何選育產量高、遺傳穩(wěn)定性好的番茄紅素生產菌株及優(yōu)化發(fā)酵生產工藝仍是現(xiàn)在研究的重點。由于本設計選用玉米淀粉作為培養(yǎng)基來發(fā)酵番茄紅素，選用的玉米產自當?shù)?，便于隨時購買，且減少了運費。生產出來的番茄紅素純度高，可以用于醫(yī)藥、保健等一些關鍵領域。3番茄紅素的生產工藝3.1菌種的選擇用于發(fā)酵法生產番茄紅素的微生物主要為三孢布拉氏霉菌(Blakesleatrispora)，經基因改造的酵母菌(Saccharomyces)，紅細菌(Rhodobacilluspalustris)以及革蘭氏陰性非光合菌。菌種選育通常采用誘變育種的方法，Mehta等[19]糾采用亞硝基胍對野生三孢布拉氏霉菌(B．trispora)：菌株(+)F986和菌株(一)F921進行突變改良，獲得兩性突變體菌株，番茄紅素的含量為15ms/s，較出發(fā)菌株提高了1.2倍。此外還可通過基因工程技術，構建高產工程菌株生產番茄紅素。誘變菌種的生產性狀不穩(wěn)定，導致番茄紅素的產量低，而基因工程技術雖可以從實驗室規(guī)模走向小規(guī)模產業(yè)化，但由于工程細胞所攜帶的質粒對于過程控制條件要求苛刻，那么在中試規(guī)模甚至大規(guī)模產業(yè)化過程中，其所攜帶的質粒容易脫落，從而導致產量大幅降低，是嚴重制約番茄紅素工程生產菌種走向產業(yè)化的瓶頸。在產業(yè)化過程中，研究者更多的傾向于選擇天然生產菌種，如具有較高生產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。3.2培養(yǎng)基的選擇3.2.1PDA培養(yǎng)基葡萄糖1.0g/L、玉米漿6.0g/L、KH2PO3.2.2種子培養(yǎng)基淀粉40g/L、玉米漿40g/L、葡萄糖25g/L、KH2PO3.2.3發(fā)酵培養(yǎng)基淀粉40g/L、棉籽油50ml/L、玉米漿40g/L、KH2PO3.2.4流加糖液淀粉經糖化后，制成300g/L的葡萄糖液，滅菌后備用[203.2.5阻斷劑添加煙草廢棄物13.3設計步驟3.3.1孢子懸浮液制備將三孢布拉氏霉菌（+）（-）原菌經活化后，分別接種于PDA斜面培養(yǎng)基上，在28℃條件下，培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h，然后在有氧有光的環(huán)境中，于18℃再繼續(xù)培養(yǎng)483.3.2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30L的發(fā)酵罐中加入5L初始發(fā)酵培養(yǎng)基，經3.3.3發(fā)酵后期發(fā)酵液處理方法分離純化工藝一般包括：培養(yǎng)液的預處理和固液分離；初步提取；高度純化和成品加工四個部分。發(fā)酵液經固液分離后，收集菌體并將菌體破碎；初步純化采用石油醚萃取技術，得到富含番茄紅素的萃取液；精致工藝采用真空濃縮、結晶技術后干燥可達到含量90%番茄紅素晶體。3.3.4流加工藝的確定在發(fā)酵時，按一定的時間一定的速度流加糖液，且在發(fā)酵60h時，添加阻斷劑采用正交實驗的方法分別考察糖液流加起始時間流加糖量發(fā)酵時間對發(fā)酵生物量以及番茄紅素含量的影響，并利用正交實驗的結果優(yōu)化流加條件[21]。3.3.5固液分離番茄紅素是三孢布拉氏霉菌的胞內產物，在發(fā)酵過程中并沒有分泌到胞外，經過過濾機過濾得到深紅色菌體；再將菌體真空干燥24h，菌體基本恒重可以稱量菌體干重。再將菌體經過細胞破碎儀粉碎成菌粉。3.3.6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溶劑石油醚為萃取劑，利用超聲波萃取機進行萃取。萃取溫度為60℃-70℃萃取過程中番茄紅素的損失主要在于番茄紅素的降解，因而在萃取過程中添加抗氧化劑TBHQ（叔丁基對苯二酚，是一種安全食品添加劑），可使萃取率提高近20%，而且萃取損失率只有5%左右。3.3.7皂化在萃取過程中，萃取劑會將菌體細胞壁中的脂肪酸和其他脂類物質萃取到萃取液中，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轉移到水相中，而脂溶性類胡蘿卜素繼續(xù)留在油相中。皂化時，溫度控制在50℃-60℃之間，皂化時間為30min。皂化液為氫氧化鉀甲醇溶液，氫氧化鉀的量為0.1g3.3.8精制階段皂化后，將下相水相處理后溶劑回收利用。上相（油相）真空濃縮，在在40℃下，真空度0.1MPa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晶溶劑。無水乙醇的用量為濃縮液的10倍時利于結晶，溫度控制在0℃-53.4工藝流程過濾發(fā)酵培養(yǎng)種子培養(yǎng)斜面培養(yǎng)28h48h流加糖

正負菌混合60h添加阻斷過濾發(fā)酵培養(yǎng)種子培養(yǎng)斜面培養(yǎng)細胞破碎石油醚萃取皂化細胞破碎石油醚萃取皂化真空干燥洗滌干燥晶體油樹脂保存真空濃縮洗滌干燥晶體油樹脂保存真空濃縮低溫結晶3.5工藝說明（1）PDA培養(yǎng)基培養(yǎng)菌種：將三孢布拉氏霉菌（+）、（-）原菌經活化后，分別接種于斜面培養(yǎng)基上，在28℃條件下，培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h。（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（3）發(fā)酵：將培養(yǎng)良好的（+）、（-）菌孢子懸浮液在無菌條件下按1:10的體積比混合制成種子液，在無菌條件下接入種子液，在28℃條件下進行發(fā)酵。在發(fā)酵的48h的時候加入流加糖液，在發(fā)酵的第60h加入阻斷劑，發(fā)酵120（4）過濾：將發(fā)酵液進行過濾，將菌體和發(fā)酵液分開而得到深紅色濕菌體。（5）真空干燥：將濕菌體真空干燥（45℃，0.1MPa真空下），真空干燥24h（6）細胞破碎：將干菌體細胞研磨破碎，粉碎成60-80目的菌粉。（7）萃?。狠腿囟葹?0℃-70℃（8）皂化：溫度控制在50℃-60℃（9）真空濃縮：溫度在40℃下，真空度0.1（10）低溫結晶：無水乙醇的用量為濃縮液體積的10倍，溫度控制在0℃（11）洗滌干燥晶體：結晶物經過洗滌干燥后得到含有90%番茄紅素純品。（12）保存：由于番茄紅素不穩(wěn)定，需低溫避光保存，選用石油醚來保存。3.6培養(yǎng)條件的討論及優(yōu)化3.6.1溫度是影響微生物代謝和生長的重要因素。對同一微生物來說，其不同的生理生化過程有著不同的最適溫度。因此，需要考察三孢布拉氏霉菌達到最佳的生產能力時的培養(yǎng)溫度。經過研究發(fā)現(xiàn)三孢布拉氏霉菌生物量最高的培養(yǎng)溫度是26℃，但在此時，細胞生產β－胡蘿卜素的能力并沒有達到最大；而在28℃時，細胞合成β－胡蘿卜素的能力達到最佳；但再隨著溫度的升高，菌體合成β－胡蘿卜素的能力開始下降。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。因而，在后續(xù)實驗中，我們就控制溫度變化范圍為±3.6.2pH對發(fā)酵的影響經過考察發(fā)酵液起的pH從4.5變化到8.0對發(fā)酵的影響。看出發(fā)酵起始最佳的pH是5.5～6.5之間，而當pH偏堿性后，菌體生產β－胡蘿卜素的能力明顯下降。另外，發(fā)酵后期pH偏酸性有利于β－胡蘿卜素的合成。3.6.3轉速和裝液量對發(fā)酵的影響溶氧是影響微生物發(fā)酵的重要因素之一。在搖瓶培養(yǎng)過程中，可以通過轉速和裝液量來考察溶氧對發(fā)酵的影響。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，細胞攝氧率低，無法合成大量的目標產物；因而，我們必須對轉速和裝液量進行考察。隨著轉速的提高，菌體中β－胡蘿卜素的含量增加，這說明三孢布拉氏霉菌對氧的需求量是很大的。但由于受到設備的限制，我們無法繼續(xù)提高轉速，考察轉速對發(fā)酵的影響。因而，我們選擇轉速為250轉/分。研究表明，裝液量在40ml～50ml時，發(fā)酵水平最高；如果裝液量小于40ml時，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。而裝液量太大時，細胞攝氧率下降，菌體生長代謝也受到抑制。3.6.4接種量對發(fā)酵的影響接種量的大小決定于生產菌種在發(fā)酵過程中生長繁殖的速度。采用較大的接種量可以縮短菌絲體達到高峰的時間，使得產物提早形成。同時，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，而影響產物合成。大量的體外水解酶類，有利于基質的利用。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，當接種量達到10％時，β－胡蘿卜素的含量達到最大；而隨著接種量的繼續(xù)增加，細胞內β－胡蘿卜素的含量卻在下降。這可能是由于接種量較高時，菌體生長迅速，很快耗盡了營養(yǎng)物質，而且大部分營養(yǎng)物質供給菌體生長，而沒有被利用來合成目標產物。3.6.5發(fā)酵時間的確立發(fā)酵終點的判斷須綜合多方面的因素統(tǒng)籌考慮。不過，一般都以提高生產率為首要的目標。為此，我們主要從兩方面來確立發(fā)酵時間的。一方面是菌體的生長指標，即菌體干重；另一方面則是菌體的代謝指標，即β－胡蘿卜素的產在發(fā)酵前48h，細胞合成β－胡蘿卜素的酶系還為完全建立，β－胡蘿卜素含量較低；而在48h以后，菌體開始大量合成β－胡蘿卜素，在120h達到最大，此時，菌體干重雖然開始下降，但單位發(fā)酵液中β－胡蘿卜素含量仍然保持較高的水平。因而，綜合以上因素，我們確立發(fā)酵時間為120h。3.6.6阻斷劑最佳添加時間的確立我們選擇吡啶作為阻斷劑?？疾熳钄鄤┨砑拥臅r間我們可以看出，在發(fā)酵前36h添加阻斷劑（吡啶），會造成對菌體的毒害，從而菌體自溶；當發(fā)酵48h時，從鏡檢結果可以看出，菌體顏色開始轉為黃色；因而，可以推測在發(fā)酵48h左右，菌體進入生產期，在生產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，從而細胞合成番茄紅素。但在發(fā)酵60h后添加阻斷劑，阻斷效果就明顯低于48h。因而，選擇48h添加阻斷劑。4工藝計算4.1物料衡算4.1.1工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù)①生產規(guī)模：年產量15t；②生產天數(shù)：除去節(jié)假日，機器維修時間，每年按工作250天計算；③日生產量：15÷250=0.06t/d；④發(fā)酵水平：番茄紅素產量400mg/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%；產品純度90%。⑥操作參數(shù)：發(fā)酵周期120h，發(fā)酵溫度28℃，攪拌速速24.1.2原料消耗計算(以一噸成品番茄紅素為基準)1.根據(jù)產品純度90%可得：番茄紅素純品量：1000kg÷90%=12.根據(jù)精制階段的收率98%可得：皂化后番茄紅素量：1000kg÷90%÷98%=1根據(jù)皂化收率80%可得：萃取后的番茄紅素量：1000kg÷95%÷98%÷80%=14根據(jù)番茄紅素萃取收率95%可得：發(fā)酵后的番茄紅素量：1000kg÷95%÷98%÷75%÷95%=1根據(jù)發(fā)酵水平番茄紅素產量400mg/L可得：發(fā)酵液需求量：1000kg÷95%÷98%÷75%÷95%×106÷400mg/L=37根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基各成分比例可得：已知發(fā)酵液需求量為3729562玉米淀粉量：3729562.00L×10g/L=149182480g=149.182t玉米漿量：3729562.00L×40g棉籽油量：3729562.00L×50ml/L=186478100ml=186478L磷酸二氫鉀量：3729562.00L×硫酸鎂量：3729562.00L×VB1量：3729562.00L×0.5mg/L=18根據(jù)流加糖液300g/L可得：已知發(fā)酵液需求量為3729562葡萄糖量：3729562.00L×10%×根據(jù)添加阻斷劑1g/L可得：已知發(fā)酵液需求量為3729562煙草廢棄物量：3729562.00L×1g/L=3729562根據(jù)接種比例10%可得：已知發(fā)酵液需求量為3729562接種量：3729562.00根據(jù)萃取劑用量20ml/g菌粉可得：干燥的菌粉約等于發(fā)酵后的番茄紅素的量，已知發(fā)酵后的番茄紅素量1491.82kg，則石油醚的量：1491.82kg×103×20ml/g菌粉=根據(jù)添加抗氧化劑TBHQ5%可得：已知萃取劑用量29836.4LTBHQ量：29836.4L×5%=12.根據(jù)皂化過程中皂化液氫氧化鉀的量為0.1g/g菌粉，甲醇溶液為80%的水溶液其配比為400g/L，可得：干燥的菌粉約等于發(fā)酵后的番茄紅素的量，已知發(fā)酵后的番茄紅素量1491.82kg，則：氫氧化鉀的量：1491.82kg×103×0.1g甲醇水溶液的量：149182g÷400g甲醇溶液的量：372.96L×80%=13.根據(jù)無水乙醇的用量為濃縮液的10倍可得：已知皂化后番茄紅素量：1133.79kg，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算，則有濃縮液體積為：1133.79kg÷1kg無水乙醇的量：1257.77L×10=4.1.3原料日消耗量和年總消耗量已知番茄紅素日生產量：0.06t/d；年產量15t可得：1.VB1日需量1.865kg×10-3×0.06=1.12×10-4年需量1.865kg×10-3×15=0.02.棉籽油日需量186478L×年需量186478L×153.玉米漿日需量149.182t×0.06=8.95t年需量149.182t×15=2237.73t4.硫酸鎂日需量0.932t×0.06=0.0559t年需量0.932t×15=13.98t5.葡萄糖日需量111.89t×0.06=6.71t年需量111.89t×15=1678.35t6.接種量日需量372956.20年需量372956.207.玉米淀粉日需量149.182t×0.06=8.95t年需量149.182t×15=2237.73t8.氫氧化鉀日需量149.18kg×10-3×0.06=8.95×10-3t年需量149.18kg×10-3×9.甲醇溶液日需量298.37L×0.06=年需量298.37L×15=10.無水乙醇日需量12577.7L×年需量12577.7L×11.石油醚日需量29836.4L×0.06=年需量29836.4L×15=12.煙草廢棄物日需量3.729t×0.06=0.2237t年需量3.729t×15=55.94t13.磷酸二氫鉀日需量3.729t×0.06=0.2237t年需量3.729t×15=55.94t14.TBHQ（叔丁基對二苯酚）日需量1491.82年需量1491.82表1產15噸番茄紅素消耗物料物料名稱每噸產品耗物量年產15噸番茄紅素耗物量每天的耗物量每年的耗物量接種量372956.20L22377.37L5594343L甲醇溶液298.37L17.90L4475.6L無水乙醇12577.7L754.66L188665.5LVB11.865kg1.12×10-4t0.0279t棉籽油186478L11190L2797170L玉米漿149.182t8.95t2237.73t硫酸鎂0.932t0.0559t13.98t葡萄糖111.89t6.71t1678.35t玉米淀粉149.182t8.95t2237.73t氫氧化鉀149.18kg8.95×10-3t2.24t煙草廢棄物3.729t0.2237t55.94t磷酸二氫鉀3.729t0.2237t55.94t石油醚29836.4L1790.18L447546LTBHQ1491.82L89.51L22377.3L4.2主要階段的能量衡算4.2.1發(fā)酵過程中蒸汽耗量的計算①計算公式整個生產過程采用蒸汽加熱，蒸汽耗用量計算公式為：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基礎數(shù)據(jù)在28℃下查得：淀粉的比熱容為1.55kJ/(kg·℃水的比熱容為4.174kJ/(kg·℃)；加熱蒸汽的熱焓為2549.5kJ/(kg·℃)；加熱蒸汽的冷凝水的熱焓為1250.60kJ/(kg·℃)；棉籽油的比熱容為1.97kJ/(kg·℃)；玉米漿的比熱容為2.01kJ/(kg·℃)；③培養(yǎng)基的比熱容已知淀粉的密度為0.83g/cm3；玉米漿的密度1.25g/cm3；培養(yǎng)基中淀粉的比例：÷1=40÷0.83÷1000÷1×100%=4.9%；培養(yǎng)基棉籽油的比例：×100%=50×10-3÷1×100%=5%；培養(yǎng)基玉米漿的比例：÷1=40÷1.25÷1000÷1×100%=3.2%；培養(yǎng)基的水的比例：1-4.9%-5%-3.2%=86.9%；培養(yǎng)基的比熱容：C=1.55×4.9%+1.97×5%+2.01×3.2%+4.174×86.9%=3.80kJ/(kg·℃)；④直接蒸汽消耗量=372956.20/1000×3.80（121-30）（1+10%）/(2549.5-121×3.80)=675.5tD1天=D1×0.06=40.53tD1年=D1×15=10132.5t4.2.2發(fā)酵罐實罐滅菌保溫時消耗的蒸汽量保溫時蒸汽消耗量D2與操作有很大的關系，比較難計算，一般按直接蒸汽加熱時消耗量的50%來估算，D2=D1×50%；D2=D1×50%=387.75tD2天=D2×0.06=23.26tD2年=D2×15=5816.25t4.2.3種子罐實罐滅菌保溫時消耗的蒸汽量按照種子罐接種量3%，估算種子罐消耗蒸汽量D0D0=（D1+D2）×3%=31.89tD0天=D0×0.06=1.91tD0年=D0×15=478.3t4.2.4發(fā)酵車間總的消耗蒸汽量D總=D0+D1+D2=1095.14tD總天=D0天+D1天+D2天=65.7tD總年=D0年+D1年+D2年=16427.1t4.2.5發(fā)酵過程冷卻水耗量的計算已知發(fā)酵培養(yǎng)基需要從121℃降溫到30=3.80×372956.20/1000×(121-30）=1.29×105（KJ）C--為比熱容；M--為培養(yǎng)基質量；T1、T2--為培養(yǎng)基冷卻前后的溫度；則需冷卻水吸收的溫度也為Q,需要冷卻水量為=1.29×105/4.174(28-15)=24142kg=2376.77kg=2.38tM天=2.38×0.06=0.14tM年=2.38×15=35.7t4.2.6發(fā)酵過程無菌空氣耗量的計算①單個發(fā)酵罐耗用無菌空氣量計算公式：V=發(fā)酵罐體積×通氣速率×填充系數(shù)已知：發(fā)酵罐體積為100m3；通氣速率為0.18vvm；填充系數(shù)為1/則V=100×0.18×1/5=3.6②單個種子罐耗用無菌空氣量取種子罐的無菌空氣耗量為發(fā)酵過程無菌空氣耗量的20%則V=20%V=0.2×3.6=0.72m5設備選型5.1主要設備的選型與計算5.1.1發(fā)酵罐的選擇條件及計算發(fā)酵設備是發(fā)酵工廠中最基本最重要的設備。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)有的發(fā)酵罐容量系列有：10，20，50，75，100，150，200，250，500m3等等。一般說來單罐容量越大，經濟性能越好，但風險也越大，要求技術管理水平也越高，根據(jù)生產的規(guī)模和實用性，可以先選擇公稱容積為100m1.發(fā)酵罐容積和個數(shù)的確定①日需發(fā)酵罐體積計算已知每噸番茄紅素需要發(fā)酵液為3729562.00L；已知日生產量：15÷250=0.06t/d；則日需發(fā)酵液體積：V發(fā)酵液=3729562.00×0.06=223773.73L已知裝液量為φ=1/5，則每天需要發(fā)酵罐的總體積為V0（發(fā)酵周期為72h）V0=V÷φ=223.78÷1/5=1②周期發(fā)酵需要發(fā)酵罐個數(shù)計算現(xiàn)選擇公稱容積為100m3N1=V0/100=1118.9÷100=11.189≈12一周期需要的發(fā)酵罐個數(shù)N=12×5＋1=61（個）即需要公稱容積為100m3的發(fā)酵罐612.發(fā)酵罐主要尺寸的計算現(xiàn)按公稱容積100m3的發(fā)酵罐計算,取高徑比H:D=2:1，公稱體積為10V=V桶+2V封=118m3則有：V全=0.785D2×H+2πD3/24=118其中，設H=2D，1.57D3+0.26D3=118，可求得D=4.009（m）取D=4m，則H=2D=8m查表可知封頭高H封=ha+hb=1000+50=1050（mm），則全容積V=V桶+2V封==0.785D2×H+2πD3/24+0.785D2×0.05×2=118.44（m3）從而滿足設計3.冷卻面積計算為了保證發(fā)酵在最旺盛、微生物消耗基質最多以及環(huán)境氣溫最高是也能冷卻下來，必須按發(fā)酵生成熱量高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下，冷卻水可能達到的最高溫度的惡劣條件下，設計冷卻面積。計算冷卻面積使用牛頓傳熱定律公式[22]，即對于番茄紅素的發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液每1h傳給冷卻器的的熱量大約為4.18×6000kJ/（m3·采用豎式蛇管換熱器，取經驗值K=4.18×500kJ/（m3·h·℃）。平均溫差Δtm：28℃─→15℃Δt128℃─→25℃Δt2代入得=6.9℃換熱面積為29m4.攪拌器設計（1）選用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的各部分尺寸與罐直徑D有一定的比例關系。攪拌器葉徑：Di=D/3=4/3=1.33（m），取Di=1.3（m）葉寬：B=0.2Di=0.2×1.3=0.26（m）弧長：l=0.375Di=0.375×1.3=0.49（m）底距：C=D/3=4/3=1.3（m）盤徑：di=0.75Di=0.75×1.3=0.98（m）葉弦長：L=0.25Di=0.25×1.3=0.33（m）葉距：Y=D=4（m）彎葉板厚：δ=12（mm）5.攪拌軸功率的計算淀粉水解糖液低濃度發(fā)酵醪可視為牛頓型流體，計算過程如下： 計算Rem其中：D—攪拌器直徑，D=1.3mN—攪拌器轉速，N=250/60=4.17（m/s）ρ—醪液密度，可取ρ=1050（kg/m3）μ—醪液粘度，可取μ=1.3×10-3N·s/m2則有=，視為湍流，則攪拌功率準數(shù)Np=4.7。5.1.2種子罐的選型種子罐容積和臺數(shù)的確定①種子罐容積的確定每天的接種量為22377.37L，即22.38m3，種子罐裝液量φ=75%，則每天需要種子罐體積V1=22.38÷0.75=②周期發(fā)酵需要種子罐個數(shù)計算選擇公稱容積為20m3的機械攪拌通風發(fā)酵罐為例，則日需要種子罐的個數(shù)為N2N2=29.84/20=1.49≈2一個周期需要的種子罐個數(shù)為2×6＋1=13（個）種子罐主要尺寸的計算V=V桶+2V封=23m=0.785D2×2D+π/12×D3=23解出D=2.325m，取D=2.4m=2400mm，則H=2D=4.8m實際容積為V=0.785×2×2.43+3.14×2.43/12=25.3m3>23m35.2輔助設備的選型5.2.1細胞過濾器根據(jù)工藝查《工藝設計手冊》[23]，假設選用內慮面轉鼓真空過濾機，型TY/GL-WKGL1,過濾面積20平方米，處理量約為200L/(m2·h)，發(fā)酵周期為6天（輔助時間1天），則有：每周期處理發(fā)酵液3729562.00L假設處理時間定為一天，每臺過濾器每天處理的量為：200L×20×24=則需要設備數(shù)量：1342642.32÷96000≈14（臺）所以我們選用該型號的過濾器14臺，即可保證生產工藝要求。5.2.2真空干燥器根據(jù)生產工藝，我們選取YZG/FZG系列真空干燥機兩臺，干燥速率100kgH2O/(m2·h),干燥面積3m2每周期發(fā)酵液經過慮后，干燥后的菌體量按菌體內的番茄紅素量計算得1491.82kg過濾后的菌體約帶有5%的水分，即該干燥的水分有：537.05kg÷95%×5%≈28.27kg每臺干燥器每小時處理的量為：100kg×3=300kg/h則選用一臺干燥器需要處理的時間為：28.27÷30≈0.94（h）滿足設計需求。根據(jù)實驗經驗需要真空干燥12h，干燥兩次時間為：12×2=24（h）。5.2.3細胞破碎器為滿足本設計處理量需求，我們選用工業(yè)生產超聲波細胞破碎機一臺，型號CSJ—400/WFM—10L，處理量為300需要破碎的細胞量按干燥后番茄紅素的量計算，1491.82kg×0.06×6≈537.05kg則選用一臺細胞破碎器需要處理時間：537.05kg÷300≈1.8（h）滿足設計需求。5.2.4萃取設備微波萃取設備，型號CNWB—1000一臺，處理量為1m3石油醚周期需量29836.4L×0.06×6=水和石油醚等量對比，則水的量10741.10抗氧化劑周期需量1491.82L×0.06×6≈破碎后的細胞量1491.82kg×0.06×6≈537.05kg約按水的密度算一共需要進入萃取設備的液體量有：10741.10L+10741.10L+537.05L+537.05L=則選擇一臺該設備處理時間需要22.6m3÷1m3/h=22.6后期的皂反應也可在萃取設備中完成，萃取完畢棄下相水相10741.10L，在上相中直接加入氫氧化鉀甲醇溶液298.37L皂化半小時即可。皂化時間則有：22.6×5.2.5濃縮設備真空濃縮設備一臺，型號ZRTN-500，容積500L，加熱面積2.0m2，濃縮速度500L/(m2·h)。本設備適用于中藥、食品、保健品等料液的真空濃縮、蒸餾酒精回收和簡單的回流提取需要濃縮的液體為萃取劑的量石油醚周期需量29836.4L×0.06×6=每臺濃縮設備每小時處理量為500×2.0=1000(L)則選擇一臺該濃縮設備處理時間需要10741.1÷1000≈10.7(h)滿足設計需求。5.2.6結晶設備結晶設備一臺，型號滾筒類型，規(guī)格?800×1000，結晶能力450kg/h。需要結晶處理的量為含有10%水的番茄紅素的量，1133.79kg×0.06×6≈則選用一臺結晶設備結晶處理時間需要：408.16kg÷450kg/h=0.91(h)即可滿足設計需求。根據(jù)經驗，需要結晶處理125.2.7發(fā)酵后期發(fā)酵液處理總共時間一個發(fā)酵周期需要：細胞過濾24h；真空干燥24h；細胞破碎1.8h；萃取22.6h；皂化11.3h；濃縮10.7h；結晶12h；后期精制時間約15h?？傆嫊r間：24+24+1.8+22.6+11.3+10.7+12+10=117.4<6天所以處理時間上滿足設計5.3主要設備（見表2）表2主要設備一覽設備名稱規(guī)格/型號發(fā)酵罐100m種子罐20m過濾器TY/GL-WKGL1干燥器YZG/FZG細胞破碎器CSJ—400/WFM—10L萃取設備CNWB—1000濃縮設備ZRTN-500結晶設備?800×1000滾筒6效益評估6.1原料消耗（見表3）表3原料消耗費用名稱單價(元/t)用量（t）總價（萬元）甲醇溶液15004.480.6720無水乙醇2500188.6747.1675石油醚5000447.5223.75TBHQ150006.710.05棉籽油50002797.171398.585玉米漿2002237.7344.7546硫酸鎂50013.980.699葡萄糖25001678.35419.5875玉米淀粉3002237.7367.1319氫氧化鉀60002.241.344磷酸二氫鉀400055.9422.3760總計2236.11756.2設備消耗（見表4）表4設備消耗費用名稱單價(元/臺)數(shù)量總價（萬元）發(fā)酵罐150006191.5種子罐7000139.1過濾器3000144.2干燥器57000211.4細胞破碎器2000012萃取設備1200011.2濃縮設備100000110結晶設備1000011總計--106125.56.3水電人工勞動力費用人工勞動費：雇傭20人，每人一年5萬，共20×5=100萬元水用量20000立方米2000×1=20000元3.電用量50000度50000×1=50000元6.4效益評估純度為90%的番茄紅素的市場價為200萬/噸年產總值：200×15=3000萬場地費、維修費、以及各種支出費用一年100萬年成本約：2236.1175+125.5+100+100+5+5=2572.6萬年利潤：3000-2572.6=427.4萬7環(huán)境保護和安