Feasibility study of lycopene extraction from tomatoes using non-toxic solvent

Abstract

This research is to study the extraction of lycopene from tomatoes using several vegetable oils as non-toxic solvents namely, sunflower oil, soybean oil, olive oil, coconut oil and palm oil. Ethanol was used as the additional solvent to improve extraction efficiency. Tomato paste and tomato peel waste were used as the raw material. The effect of various parameters on extraction yield including solvent to dry peel ratio, particle size, extraction temperature, extraction time and ethanol concentration were investigate.

In case of tomato paste, pure coconut oil brings the highest yield of lycopene. The addition of ethanol can improve the yield of lycopene. A Box-Behnken Design (BBD) of response surface methodology was applied to optimize the process conditions. The optimum conditions were a solvent to paste ratio of 50 mL/g, temperature of 46°C and extraction time of 42 minutes, which achieved a maximum lycopene yield of up to 78 % or namely 8.01 mg/g paste.

In case of tomato peel waste, sunflower oil was the solvent that provided the highest yield of lycopene. The optimum conditions from BBD were as follows: solvent to dry peel ratio of 40 mL/g, particle size of 0.3 mm, ethanol concentration 56 % and extraction time of 90 min. which resulted in a maximum yield of lycopene of 96 % or namely 4.36 mg/g dry peel.

The high purity of lycopene more than 90% of total carotenoids was confirmed by HPLC analysis. The results from kinetic study showed that extraction of lycopene from tomatoes using vegetable oils is the pseudo-second order process. The activation energy was in the range 14.519-18.822 kJ/mol indicating the extraction of lycopene in the investigated system is controlled by diffusion process.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการสกัดไลโคปีนจากมะเขือเทศด้วยด้วยตัวทำละลาย น้ำมันพืชชนิดต่างๆได้แก่ น้ำมันทานตะวัน, น้ำมันถั่วเหลือง, น้ำมันมะกอก, น้ำมันมะพร้าว และน้ำมันปาล์ม ถูกนำมาใช้เป็นตัวทำละลายที่ไม่มีพิษ นอกจากนี้ยังมีการใช้เอทานอลเป็นตัวทำละลายเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการสกัด วัตถุดิบที่นำมาสกัด ได้แก่ มะเขือเทศเข้มข้น และกากผิวมะเขือเทศจากกระบวนการผลิต ตัวแปรต่างๆที่มีผลต่อการสกัด ได้แก่ อัตราส่วนของตัวทำละลายต่อวัตถุดิบ, ขนาดอนุภาค, ความเข้มเข้นของเอทานอล, อุณหภูมิในการสกัด และเวลาในการสกัด ถูกนำมาศึกษา

ในกรณีของมะเขือเทศเข้มข้น น้ำมันมะพร้าวบริสุทธิ์จะให้ผลได้ (Yield) ของไลโคปีนสูงที่สุด รองลงมาคือ น้ำมันมะกอก, น้ำมันถั่วเหลือง, น้ำมันปาล์ม และน้ำมันดอกทานตะวัน ตามลำดับ จากการทดลองพบว่า การเติมเอทานอลสามารถเพิ่มผลได้ของไลโคปีน การออกแบบบ็อกซ์-เบห์นเก้น (Box-Behnken Design, BBD) ของวิธีการผิวตอบสนองถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาหาสภาวะที่ที่เหมาะสมของกระบวนการสกัด โดยพบว่า สภาวะที่เหมาะสม คือ อัตราส่วนของตัวทำละลายต่อมะเขือเทศเข้มข้น 50: 1 มิลลิลิตรต่อกรัม, อุณหภูมิ 46 องศาเซลเซียส และระยะเวลาการสกัด 42 นาที ทำให้ผลได้ไลโคปีนสูงสุดถึง 8.01 มิลลิกรัมต่อกรัมมะเขือเทศเข้มข้น หรือคิดเป็น78 เปอร์เซ็นต์ของผลได้ไลโคปีนทั้งหมด

ในกรณีกากผิวมะเขือเทศจากกระบวนการผลิต พบว่า น้ำมันดอกทานตะวันเป็นตัวทำละลายที่ให้ผลได้ไลโคปีนสูงที่สุด จากการออกแบบบ็อกซ์-เบห์นเก้น พบว่า สภาวะที่เหมาะสม คือ อัตราส่วนตัวทำละลายต่อกากผิวแห้งของมะเขือเทศ 40:1 มิลลิลิตรต่อกรัม, ขนาดอนุภาค 0.3 มิลลิเมตร, ความเข้มข้นของเอทานอล 56 เปอร์เซ็นต์ และระยะเวลาในการสกัด 90 นาที ซึ่งทำให้ได้ผลได้ไลโคปีนสูงสุดคือ 4.36 มิลลิกัมต่อกรัมของกากผิวแห้ง หรือคิดเป็น 96 เปอร์เซ็นต์ของผลได้ไลโคปีนทั้งหมด

ไลโคปีนที่สกัดได้มีความบริสุทธิ์สูงมากกว่า90เปอร์เซ็นต์ของแคโรทีนอยด์ทั้งหมด ถูกยืนยันจากการวิเคราะห์ด้วยเครื่องโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง ผลจากการศึกษาทางจลนพลศาสตร์พบว่าการสกัดไลโคปีนจากมะเขือเทศโดยใช้ตัวทำละลายที่ไม่มีพิษเป็นกระบวนการชนิดอันดับสองเทียม ค่าพลังงานกระตุ้นอยู่ในช่วง 14.52-18.82 กิโลจูลต่อโมล แสดงให้ว่า การแพร่ เป็นขั้นตอนควบคุมการสกัด