Karakteristik Likopen KemurnianTinggi dari Limbah Tomat

Menggunakan suatu PendekatanEkstraksi Bertekanan yang Baru

MAGISTER ILMU PANGAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2014

Likopen, pigmen merah dari tomat, merupakan suatu C40-karotenoid yang dibuat dari 8 unit isoprene (2-methyl-1,3-butadiene); membuat satu tetraterpene.

Lycopene (2,6,10,14,19,23,27,31- Octamethyl-dotri-aconta- 2,6,8,10,12,14,16,18, 20,22, 24,26,30- tridecaene)

Sumber-sumber lain dari senyawa mencakup:

Vegetable Source µg Lycopene per Gram Wet Weight

Gac 2000 – 3000

Tomato 8.8 – 42

Tomato Juice 86 – 100

Tomato Sauce 63 – 131

Tomato Ketchup 124

Watermelon 23 – 72

Pink Grapefruit 3.6 – 34

Pink Guava 54

Papaya 20 - 53

Figure 1. Structural formula of lycopene

β-Carotene, pigmen kuning dari wortel merupakan suatu isomerLikopen yang mana ikatan rangkapnya pada C1-C2 dan C'1-C'2digantikan dengan perluasan ikatan dari C1 ke C6 dan dari C'1 keC'6 ke bentuk cincin, dan juga komponen dari tomat.

Molecular Formula C40H56Molecular Weight 536.85DaMelting Point 172-1750CCrystal Form Long red needles separate from a mixture of carbon disulfide and ethanol.Powder Form Dark reddish brown.Solubility Soluble in chloroform, hexane, benzene, carbon disulfide, acetone,

petroleum ether and oil; Insoluble in water, ethanol and methanol.Stability Sensitive to light, oxygen, high temperature, acids, catalysts and metal

ions.

ABSTRAK

Metode: ekstraksi likopen kemurnian tinggi dari limbah tomat. Didasarkan padaekstraksi bertekanan menggunakan Extraktor Naviglio, pada rentang 0.7-0,9 MPa.

Kulit tomat, produk samping manufaktur tomat, didispersi air, sebagai bahan starting.

Likopen ditransfer, efek tekanan tinggi digunakan, dalam bentuk agregat molekul kedalam air sebagai dispersi, senyawa apolar tetap dalam matriks.

Agregat mudah dimurnikan dengan metanol, dengan demikian, diperoleh lycopenekromatografi kemurnian 98% atau lebih tinggi.

Analisis HPLC Likopen menggunakan fase stasioner baru, silikon fenil-hexyl dangradien air/asetonitril sederhana.

Ekstrak ditandai dengan Spektrofotometri UV-Vis, 1H NMR, 13C NMR, dan spektrometrimassa ionisasi electrospray.

Perolehan rata-rata 2.8 mg lycopene/ kg limbah tomat diperoleh setelah ekstraksi 4jam menggunakan air keran sebagai cairan ekstraksi.

Persen perolehan sekitar 10%.

Hasil samping tomat buangan dapat dengan mudah dikeringkan dan digunakan dipertanian atau sebagai makan hewan.

KEYWORDS: Lycopene; Extractor Naviglio; tomato wastes; pressurized extraction; HPLC; UV-Vis; 1H NMR; 13C NMR; ESI-MS KEYWORDS: Lycopene; Extractor Naviglio; tomato wastes; pressurized extraction; HPLC; UV-Vis; 1H NMR; 13C NMR; ESI-MS

I. PENDAHULUAN

Likopen digunakan secara luas pada formulasikosmetik, digunakan pada industri makanandan minuman sebagai pewarna sehinggapermintaan likopen kemurniantinggi, karakteristik baik dan harga murahterus meningkat.

Sayangnya, semua jalur sintetis yangdiusulkan hingga sekarang tidak nyamansecara ekonomi, dan saat ini, cara termudahuntuk mendapatkan ini adalah dengan metodaekstraksi dari sumber-sumber alam.

Tomat berisi sekitar 30-400 mg/kg dalam bubur dan 20-30mg/kg dalam kulit (9).

Jumlah produk sampingan tomat yang berasal dari prosesindustri meningkat setiap tahun; di Eropa, diperkirakan bahwasekitar 10 juta ton tomat diproses oleh industri makanan, danlimbah sekitar 0,1 juta ton.

Residu ini dapat inkorporasi ulang dalam produk-produk tomatkualitas rendah, digunakan dalam bahan makananhewan, atau digunakan sebagai sumber Likopen paling murni.

II. BAHAN DAN METODE

Bahan mentah : sampel tomat dari area Naples dan diproses olehpabrik di area tsb; setelah pengumpulan, disimpan pada 277 K

Pelarut organik : grade analisa.

Standar Likopen dibeli dari Sigma-Aldrich kemurnian 90-95%tersertifikasi.

Air deionisasi grade HPLC

Ekstraksi dilakukan menggunakan Ekstraktor Naviglio mod, 500 mL(Nuova Estrazione s.a.s., Naples, Italy).

Untuk mencegah sampel teroksidasi, semua ekstrak dikeringkandibawah suatu atmosfir nitrogen menggunakan evaporator rotaripada 303 K dan disimpan pada 253 K, melindungi dari cahaya danoksigen atmosfir.

Faktanya dilaporkan bahwa oksigen atmosfir sangat kuatmengoksidasi likopen, sementara cahaya mengkatalisis konversitrans ke cis, dan kedua reaksi menetapkan penurunan aktivitasbiologikal dari molekul.

Kartrids SPE-C18 (10 g) dari Restek Corp Bellefonte, PA).

Analisis Kromatografi HPLC 1100 Agilent Technologies (SantaClara, CA), dilengkapi dengan detektor array dioda.

Kolom fase diam Fenil hexyl silikon 250 mm × 4.6 mmid, ukuran partikel 5 μm digunakan(Phenomenex, Torrance, CA).

Filter Membrane 0.20 μm porositas dibeli oleh Millipore(Bedford, MA).

Spektrum UV-Vis tercatat dengan spektrometer Lambda EZ201UV/vis (Perkin-Elmer, Waltham, MA).

Spektrum NMR tercatat dengan di 400.135 MHz untuk 1 H dan100.03 MHz untuk 13C dengan 400 DRX Bruker (Bruker BioSpinCorp, Billerica, MA).

Mass spectra dilakukan dengan spektrometer massa tripelMicromass Quattro mikro API dilengkapi sumber ionelectrospray (air, Milford, MA).

Pengaturan instrumen yang digunakan adalah sebagaiberikut: tegangan kapiler, 3.4 kV; tegangan kerucut, 20 V;tegangan lensa Extractor, 2 V; sumber suhu, 373 K; suhudesolvation, 523 K; RF lensa, 0.2 V.

Nitrogen digunakan baik sebagai nebulizer (60 L/h) dan gasdesolvation (di 550 L/h).

Percobaan ESI-MS/MS dilaksanakan dengan menggunakanargon sebagai gas tabrakan dengan energi tabrakan 20 EV.

Ekstraksi dan Purifikasi Likopen

Jumlah 100 g tomat kulit ditempatkan dalam dua 50 μm tas membranpenyaringan dan ditempatkan ke dalam dua 500 mL Naviglio Extractor,diisi dengan air terionisasi.

Setiap siklus ekstraksi terdiri dari 2 menit fase statis, fase yang dinamisdan waktu delay sekitar 10-15 s sebelum siklus baru, dan 4 menit untukpenyelesaian;

Total siklus adalah 60 dengan total waktu 4 jam.

Pada akhir proses ekstraksi, tas disingkirkan dan diperas, dan fasa cairdiperoleh dan dimuat ke octadecyl padat tahap ekstraksi kolom (SPE-C18) 10 g packed colomn vakum.

Lycopene, hadir dalam bentuk padat agregat, pada gambar 1.

Sebagian kecil pigmen lain dalam bahan awal ditahan di kepala kolom.

Kolom dicuci dengan metanol untuk menghilangkan pigmen selainlycopene, yang sangat tidak larut dalam pelarut polar ini.

Lycopene akhirnya diperoleh dengan melarutkan residu merah di aseton,dan ekstrak dianalisis dengan Spektrofotometri UV-Vis dan HPLC-array.

Perolehan Likopen dalam ekstrak padat-cair diukur menggunakan kurvakalibrasi yang disiapkan dengan menggunakan standar lycopene, denganmemvariasikan waktu ekstraksi keseluruhan.

Karakteristik Ekstrak Likopen

Menentukan kemurnian lycopene. Kolom silikonfenil-hexyl digunakan untuk pemisahan, denganlaju alir 1 mL/menit dan gradien H2O CH3CNdimulai dengan 100% H2O hingga 3 menit,berakhir dalam waktu 20 menit dengan 100%CH3CNelusi Likopen dari C18 SPE menggunakanaseton sebagai eluent, atau dengan mencucikolom dengan metanol sebelum elusi denganaseton.

Dengan HPLC

Koefisien penyerapan molar Likopen di wilayahspektrum terlihat ditetapkan pada CHCl3 (polaritasrelatif : 0.259) dan CH2Cl2 (polaritas relatif: 0.309).Sebelum merekam spektrum, ekstrak limbah tomatdisaring melalui membran 0.20 μm untukmenghilangkan kotoran kasar. Larutan bersihgamenndung 1.0 × 10-5 mol/L Likopen dalamkloroform dan pada diklorometana, disiapkan mulaidari lycopene dikeringkan pada nitrogen saatmenggunakan evaporator berputar, dianalisis.

DenganSpectrophotometry

Karakteristik Ekstrak Likopen

Larutan Likopen dalam CDCl3 dianalisis oleh1H NMR dan 13C NMR. sift bahan kimia(ppm) sesuai 56 proton dalam spektrum NMR1H dan 40 karbon pada spektrum 13C NMRditandai.

Dengan NMR

fragmentasi Lycopene dipelajari spektrometrimassa tandem dengan sumber ionisasielectrospray (ESIMS / MS).

DenganMass spectrometry

Eksperimen dilaksanakan dalam modus ion positif pada larutanmicromolar analyte di CH3CN CHCl3 rasio 1:1. Scan penuhspektrum massa tercatat dalam interval massa/biaya (m/z)250-800, pada berbagai tegangan kerucut.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dua chamber ekstraksi berhubungan satu sama lain melalui pipa termasukelectro gauge, yang ditutup selama tahap ekstraksi dan dibuka untukmengumpulkan fase cair setelah program ekstraksi berakhir.

Untuk mengatasi masalah ketidaklarutan Likopen dalampelarut polar, maka disuspensi dalam air dalam bentukagregat padat.

Tujuan ini dicapai dengan menerapkan tekanan moderatpadat matriks, sekitar 1000 kali lebih rendah dari pengolahanbertekanan tinggi sebelumnya.

Extractor Naviglio mampu memaksakan dispersi padat-cairyang sesuai diprogram siklus tekanan pada 0.1-0,9 MPa.

Di bagian bawah chambers ekstraksi, dua set porimembiarkan fase cair untuk mengalir, sementara partikelpadat diblokir.

Ketika nilai maksimum untuk tekanan tercapai (0.9 MPa), perangkat berhentiuntuk interval waktu yang ditentukan, dengan demikian, memungkinkan matrikspadat seimbang dengan pelarut (fase statik). Segera setelah langkah ini, pistonakan tiba-tiba dipindahkan, menciptakan gradien tekanan negatif antara luar dandalam matriks padat (fase dinamis).

Selama langkah ini, tergantung pada komposisi fase cair, senyawa dalam matrikspadat dapat secara fisik dan/atau kimia diekstrak dari matriks padat danditransfer ke pelarut karena gradien tekanan yang ada.

Efek dari beberapa siklus, yang dapat dilakukan pada suhu yang dikontrol ataupada suhu subambient, adalah untuk mentransfer analit dari matriks padat kefase cair secara kimiawi, oleh Difusi dan osmosis (tergantung pelarut yangdigunakan), dan secara fisik (karena gradien tekanan negatif antara cairantersebut ke dalam fase padat dan larutan).

Dengan hati-hati mengendalikan kombinasi matriks pelarut/padatan dan sesuaipemrograman siklus tekanan, masing-masing efek di atas yang disebutkan dapatditingkatkan terhadap yang lain. Hal ini memungkinkan peningkatan selektivitasekstraksi sehubungan dengan analit yang dipilih.

Lebih jauh lagi, kemungkinan untuk beroperasi pada suhu kamar atau pada suhusubambient sangat mengurangi stres termal seperti dalam kasus Likopen.Dengan mengulangi siklus ini berkali-kali, pengeluaran lengkap matriks padatdapat diperoleh dalam waktu singkat dan dengan perolehan analit tinggi di fasecair (17, 18).

Figure 2. Chromatogram of 0.1 mg/mLpurified lycopene extract in CH2Cl2.Mobile phase gradient: up to 3 min H2O100%; time 20 min, CH3CN 100%. Flowrate: 1 mL/min. Diode array detector at474.0 nm

In the first case, low-purity lycopene was obtained because of the presence of other carotenoids (such as -carotene and lutein) in the extract. On the contrary, washing the column with methanol before dissolving the residue with acetone allowed the recovery of lycopene at more than 98% (w/w) purity. In Figure 2, a typical HPLC chromatogram of the extract is presented; under these chromatographic conditions, the retention time for lycopene was about 16 min.

C6-C7 and C6′-C7′ (Figure 1). Proses ekstraksi ini dapat denganmudah diperbesar menjadi aplikasi industri untuk produksi kelaskemurnian sangat tinggi (98%) lycopene, dimana permintaanterus-menerus meningkat.

Lycopene diperoleh ditandai menggunakan NMR dan spektrometrimassa.

Pergeseran kimia dilaporkan dalam ppm dan sinyal CHCl3 (7.26ppm untuk 1H) dan CDCl3 (77.23 ppm untuk 13C) digunakansebagai standar referensi internal; sinyal yang dihubungkansebagai berikut: 1H NMR (CDCl3, ppm) 6.68-6.13 (14 H, m),5.954 (2 H, d, J) 10.9 Hz), 5.111 (2 H, BS), 2.114 (8 H, bs),1.969 (12 H, s), 1.820 (6 H, s), 1.690 (6 H, s), 1.616 (6 H, s).

Nilai konstan coupling sinyal yang berpusat di 5.954 ppm untuksuatu konfigurasi trans di sekitar ikatan ganda parsial, seperti diantara C6-C7 dan C6′-C7′ (gambar 1).

Table 1. Lycopene Recovery (mg/kg) of Tomato Byproducts Using Tap and Deionized Water at Different Values of the Extraction Time

lycopene content (mg/kg)

Sample deionized water tap water tap water tap water tap water

(4 h) (4 h) (2 h) (6 h) (8 h)

1 2.3 3.2 1.5 2.6 2.5

2 3.4 3.0 1.9 2.8 3.2

3 2.7 3.5 1.1 2.5 3.3

4 1.9 1.5 0.9 1.4 1.6

5 2.8 3.9 2.1 2.9 3.5

6 1.7 1.7 1.2 1.8 1.8

7 2.9 2.5 1.8 2.4 2.6

8 3.9 3.6 1.8 2.9 3.5

9 2.2 2.0 1.4 1.7 1.9

10 2.6 2.9 1.5 2.0 2.8

Table 2. Lycopene Recovery (mg/kg) from Tomato Byproducts Using Tap and Deionized Water at the Optimum Extraction Time of 4 h

sample deionized water tap water

1 2.3 3.2

2 3.4 3.0

3 2.7 3.5

4 1.9 1.5

5 2.8 3.9

6 1.7 1.7

7 2.9 2.5

8 3.9 3.6

9 2.2 2.0

10 2.6 2.9

Tabel 1 menunjukkan perolehan likopen dari produk sampingtomat menggunakan air deionisasi pada waktu ekstraksiyang berbeda, sementara pada Tabel 2 suatu perbandingandari likopen yang dicapai (mg/Kg) pada air kran dandeionisasi, pada waktu ekstraksi yang optimum 4 jam,ditunjukkan.

Perolehan tertinggi, sekitar 2.6 mg (rata-rata nilai) lycopene /kgtomat diperoleh setelah 4 h waktu ekstraksi.

Pada skala laboratorium dengan menggunakan Extractor Naviglio500 mL, sekitar 0,5 mg Likopen murni diperoleh dari 200 g limbahtomat dalam 4 jam waktu ekstraksi, dan perolehan sekitar 10%(w/w) sehubungan dengan 20±3 mg/kg bahan baku (rata-rata 10sampel dianalisis) diperoleh dengan menggunakan ekstraksitradisional.

Gambar 3: ion positif pengamatan penuh ESI-MS dari ekstraklikopen pada (a) 10 V, (b) 20 V, dan (c) voltase cone 30 V .

Lycopene kemurnian tinggi yang diperoleh akan ditelitidengan VIS spectrophotometry untuk menentukan koefisienpenyerapan molar mempertimbangkan reproduktibilitasminimal dari koefisien penyerapan molar untuk lycopenedilaporkan dalam literatur yang dapat dikaitkan dengan faktabahwa hal ini tidak mudah untuk mendapatkan molekul inipada kemurnian yang cukup tinggi.

Gambar 3 melaporan spektrum likopen pada 303 k padaCHCl3; maksimum Koefisien eliminasi (log ε=5,15) muncul di483.6 nm.

Spektrum solusi diklorometana disajikan persis eliminasi yangsama seperti di gambar 3, tapi itu menunjukkan pergeseransift hypsochromic lemah, dengan maksimum penyerapan di480.2 nm.

Gambar 4: Spektrum tampak dari ekstrak likopen dimurnikanpada CHCL3. Temperatur: 303 K. kecepatan pengamatan: 100 nm/min. Lebar pita: 2 nm.

Kemurnian terbaik diperoleh untuk lycopene adalah sekitar 90-95%, kemurnian tinggi lycopene didapat bisa membuat prosesyang sangat menarik, dan produk murni diperolehmenjadikannya mungkin untuk sangat berguna, pada dosisdiketahui, sebagai obat dan tidak hanya sebagai integratormakanan.

Pada skala semi industri, lycopene 98% diperoleh denganmenggunakan prosedur yang disajikan di sini dapat dijual disekitar 1/10 dari harga komersial saat ini.

Selain itu, proses ini menghasilkan produk samping yangdibuang, karena hanya air, yang dapat juga diperoleh denganfiltrasi dan penggunaan ulang, digunakan dalam jumlah besar;limbah tomat yang dikeluarkan setelah ekstraksi dapat denganmudah kering tanpa degradasi cukup besar dan mungkindigunakan dalam pertanian atau sebagai makan hewan.

Jumlah pelarut organik yang digunakan dalam prosespemurnian (misalnya, metanol dan aseton) diabaikan dan tidakberkompromi keuntungan ekonomikal dan kepentingan seluruhproses.

THANK YOU