胡蘿卜中β－胡蘿卜素提取方法研究進展

趙麗琴，彭黔榮，3＊，李劍，楊敏，＊，鮑藝

（1.貴州大學 化學與化工學院，貴陽 550025；2.貴州大學 藥學院，貴陽 550025；3.貴州中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，貴陽 550009）

β－胡蘿卜素［Greekβand Latin carota（carrot）］是一種天然的著色劑、膳食補充劑及維生素A（VA）原生體，廣泛應用于食品、飼料、補品和化妝品等領域，屬于類胡蘿卜素。自2014年全球類胡蘿卜素市場價值達15億美元，預計在2019年將近18億美元，年復合增長率（CAGR）為3.9%［1］，類胡蘿卜素中有最大市場價值的是β－胡蘿卜素（2010年為261億美元，2018年預計增加至334億美元，CAGR為3.1%）［2］。

胡蘿卜（DaucuscarotaL.），屬傘形科（Apiaceae，以前稱為松花粉），它是一種直接播種的冷季作物，當空氣溫度為18～21℃時，根部呈現(xiàn)顏色最佳［3］。胡蘿卜含β－胡蘿卜素，它具有不同顏色，紫、黃、橘色較為常見，而不同顏色β－胡蘿卜素的量不同。Roszkowska等［4］得出了3種不同顏色的胡蘿卜即橘、紫、白中β－胡蘿卜素的含量分別為74.2，9.1，1.8mg/100g。胡蘿卜中類胡蘿卜素的含量高低是評價胡蘿卜品種優(yōu)劣的重要指標，是開發(fā)和利用的主要依據(jù)［5］，胡蘿卜可食部分總類胡蘿卜素含量范圍為6000～54800μg/100g［6］，在橘色胡蘿卜中β－胡蘿卜素占45%～80%［7］。不同品種的胡蘿卜由于各種地理、環(huán)境等因素會引起含β－胡蘿卜素的量不同［8］，Mendelová等研究9種不同種類的胡蘿卜，得出了Kamaran F1中β－胡蘿卜素含量最高（213.66mg/100g）。同種品種前處理及保存過程不同其β－胡蘿卜素含量亦不同［9］。中國是世界上主要的胡蘿卜生產國，由于胡蘿卜中β－胡蘿卜素是所有蔬菜中含量最高（47.5～1030μg/g）的食材［10］，且它廉價易得，可為大量提取天然β－胡蘿卜素提供來源。本文介紹了β－胡蘿卜素的結構與性質、用途以及國內外對胡蘿卜中β－胡蘿卜素提取方法的研究近況，以期為β－胡蘿卜素的提取提供方法參考。

1 β－胡蘿卜素的理化性能

1.1 β－胡蘿卜素的性質

β－胡蘿卜素的化學結構式見圖1。

圖1 β－胡蘿卜素結構式Fig.1β－carotene structure

分子式C40H56，分子量536.88，中間為4個異戊二烯，尾部為紫羅蘭酮環(huán)，溶點為176～182℃，對光、熱、氧敏感。全反式分子中不存在不對稱碳原子，不具備旋光性，高溫高壓（625MPa，117℃）對其不利，易造成其異構［11］，其異構體（見圖1）主要為：9－順式、13－順式和15－順式β－胡蘿卜素。由于β－胡蘿卜素穩(wěn)定性較差及其溶解的局限性，可將其利用微膠囊、環(huán)糊精、囊泡等脂質體進行包裹，也可利用表面活性劑將其制備成液晶體系，還可將其制備成乳狀液，減少其制備和貯藏過程中的損失，提高其溶解性及生物利用率［12］。周慶 新 等［13］對 比 了 抗 氧 化 劑 EDTA－2Na、L－抗壞血酸、維生素E醋酸酯以及它們的復配對β－胡蘿卜素微乳液加工儲存中穩(wěn)定性的影響，以色差儀測定β－胡蘿卜素的降解值，結果表明EDTA－2Na能更好地穩(wěn)定β－胡蘿卜素微乳液。

1.2 β－胡蘿卜素用途

據(jù)報道，現(xiàn)已有700多種類胡蘿卜素被鑒定出，其中大約有50多種出現(xiàn)在人類的日常飲食中［14］。β－胡蘿卜素存在于人體的各個組織中，其中主要儲存于脂肪和肝臟中［15］，人體自身是不能合成β－胡蘿卜素的，需從食物中獲取。影響人體對β－胡蘿卜素的生物利用率和生物轉化率的影響因素有：食用油脂、植物類型、纖維、溫度等，其中食用油脂能促進β－胡蘿卜素形成膠束而利于人體吸收，纖維不利于β－胡蘿卜素從細胞中釋放，生物選擇性差［16］。天然的β－胡蘿卜素是全反式結構，全反式β－胡蘿卜素比其異構化的生物利用率強［17］，9－順式、13－順式的生物轉化率分別為 38%，53%，全反式為100%［18］。β－胡蘿卜素可從藻類、果蔬類以及一些菌類中得到，目前國外市場上β－胡蘿卜素來源為化學合成，其比例占90%。從天然食物中獲得β－胡蘿卜素更有利于人體健康［19］，而從植物中吸收β－胡蘿卜素量的范圍為5%～65%［20］。β－胡蘿卜素因其含有多不飽和共軛雙鍵且僅由碳氫2種元素組成，使得它可猝滅單線態(tài)氧（1O2）和超氧陰離子（O2－）自由基，每分子可猝滅多達1000個自由基，具有較強的抗氧化性；它是維生素A（VA）的重要來源，缺乏VA會導致夜盲癥、眼球干燥癥，大量攝入VA又會造成致畸、骨質疏松、肝損壞等不良后果［21］。而人體大量攝入β－胡蘿卜素后，在β－胡蘿卜素15，15＇－單加氧酶的作用下，不僅能及時補充VA，還能有效地降低某些疾病的發(fā)生率，如最近發(fā)現(xiàn)β－胡蘿卜素可以抑制神經母細胞瘤——兒童期最常見的顱外實體瘤［22］，9－順式β－胡蘿卜素能阻礙巨噬細胞轉化為泡沫細胞，抑制動脈粥樣硬化進程［23］；β－胡蘿卜素的氧化產物：β－紫羅蘭酮、5，6－環(huán)氧－β－紫羅蘭酮和二氫獼猴桃（DHA）可為香精香料提供來源［24］；β－胡蘿卜素還具有抗誘變、化學預防、光保護、增進細胞間通訊和調節(jié)免疫系統(tǒng)活動等特性，然而對于吸煙酗酒者來說，大量補充β－胡蘿卜素可能會增加其患肺癌的風險［25］。

2 胡蘿卜中β－胡蘿卜素提取方法

β－胡蘿卜素位于細胞組織的葉綠體上，要從胡蘿卜中獲得β－胡蘿卜素，則需破壞其細胞壁。常見的細胞破碎方法有：機械研磨法、物理超聲波法、化學溶解和酶學破碎法等。細胞壁較細胞膜堅硬，細胞膜可以通過滲透得以破壞，所以破碎主要集中在細胞壁上。從物理性質方面來看，冷凍胡蘿卜更有利于β－胡蘿卜素的提取，因為胡蘿卜在解凍過程中細胞壁間的成分遭到了破壞，導致細胞壁解離，再加上冰晶的形成，進一步引起胡蘿卜的結構組織損傷，這樣β－胡蘿卜素就很容易萃取出來［26］，而且冷凍處理過的胡蘿卜營養(yǎng)成分流失較少［27］。

近幾年國內外關于對胡蘿卜中β－胡蘿卜素的提取方法概括有：有機溶劑法、超聲波輔助萃取法、微波輔助萃取法、微乳法、加速溶劑萃取法、酶溶解提取法、超臨界液體法。

2.1 有機溶劑法

β－胡蘿卜素是脂溶性物質，可溶于非極性溶劑中，如醚、氯仿、油脂等，難溶于甲醇和乙醇。有機溶劑提取原理是在擴散滲透作用下，溶劑分子通過細胞壁進入細胞中，溶解可溶物質，通過濃度差使得溶劑不斷地進入細胞內，最后達到平衡時提取物從細胞內流到溶劑中，從而實現(xiàn)提取的目的［28］。雖然β－胡蘿卜素難溶于極性溶劑如甲醇和乙醇，但在有機溶劑提取胡蘿卜中β－胡蘿卜素時使用到甲醇和乙醇，這是因為鮮胡蘿卜含大量的水分（86%～89%），加入極性溶劑的目的是為了與水混溶，增加非極性溶劑的滲透性從而利于β－胡蘿卜素的提取［29］。Nowak等［30］采用正己烷和96%乙醇的混合溶劑（1∶1體積比）對17種不同品種的胡蘿卜進行了β－胡蘿卜素提取研究，結果得出Kazan F1品種的胡蘿卜含β－胡蘿卜素為（17.1±3.7）mg/100g（鮮重）。

有機溶劑提取最為廣泛且價格低廉，但有機溶劑用量大且毒性高，因此，需使用環(huán)保且用量少的溶劑來提取 β－胡 蘿 卜 素［31］。Varón等［32］采 用 建 模 形 式：Hansen溶解度參數(shù)（HSP）和類導體溶劑篩選模型（COSMO－RS），對比了綠色低毒提取溶劑：2－甲基四氫呋喃（2－MeTHF）、碳酸二甲酯（DMC）、環(huán)戊基甲基醚（CPME）、異丙醇（IPA）、乙酸乙酯與正己烷對胡蘿卜中類胡蘿卜素的提取效果，2種模擬所得出的結果分別是：HSP模型表明非極性或低極性溶劑更有利于提取類胡蘿卜素，而COSMO－RS模型表明類胡蘿卜素在CPME、2－MeTHF和乙酸乙酯中的含量比在正己烷中的要高。通過實驗驗證結果更接近COSMO－RS模型模擬出的結果，且在CPME溶劑中的類胡蘿卜素含量最高 （78.4mg/100g，干 重），其 中 β－胡 蘿 卜 素 占66%。這意味著這些毒性指數(shù)更低的且能生物降解的溶劑可取代正己烷來提取胡蘿卜中的類胡蘿卜素，這對食品工業(yè)非常重要。Rajabi等［33］通過建立COSMO－RS模型，運用離子液體作為萃取劑，萃取正己烷中的β－胡蘿卜素，對不同離子液體萃取能力進行了篩選，基于中心復合設計（CCD）的響應面法（RSM）優(yōu)化了實驗參數(shù)，結果得出四甲基銨陽離子與乙酸陰離子結合的離子液體提取β－胡蘿卜素占63.09%。

綜上可知，雖然有機溶劑操作簡單，但它提取時間長對β－胡蘿卜素不利，所以在此基礎上應引進微波、超聲等輔助工具來縮短提取時間。

2.2 微波輔助萃取法

傳統(tǒng)的加熱是以熱傳導的方式將熱源的熱量傳給樣品，而這種傳導是需要中間介質的，與之相反，微波是不需要介質直接將能量引入到樣品內部。非極性溶劑不吸收微波能，所以為了加速萃取，常在非極性溶劑中加入極性溶劑，極性分子接受微波輻射能量后，通過分子偶極以24.5億次/s的頻率旋轉碰撞而產生熱效應［34］。在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質從基體或體系中分離，進入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對較差的萃取劑中［35］。Hiranvarachat等［36］對比了胡蘿卜先浸泡在pH為5的檸檬酸中、沸水中以及沸騰的pH為5的檸檬酸水溶液中處理1～1.5min和沒有經過前3種預處理的情況下，然后用微波輔助混合溶劑（50%己烷、25%乙腈、25%乙醇，共沸點接近58℃）提取β－胡蘿卜素，固液量比為2∶75（g/mL），得出結果：酸浸漬過的胡蘿卜中β－胡蘿卜素量為23.10mg/100g，開水處理過的為29.74mg/100g，沸酸處理過的為32.08mg/100g，沒有處理過的為23.26mg/100g，說明用沸檸檬酸焯過的情況下β－胡蘿卜素量最高。因為用低酸（pH 5）處理可以破壞植物細胞壁中的多糖物質如果膠、半纖維素而不會影響β－胡蘿卜素的降解，進而可增加β－胡蘿卜素的含量［37］。但是微波輔助提取只能使用較小功率、較短時間處理，功率過大、微波處理時間過長會引起提取液溫度升高而破壞β－胡蘿卜素結構。Hiranvarachat等［38］在上一個實驗的基礎上，采用了間歇式微波提取法提取胡蘿卜殘渣中的β－胡蘿卜素，在冷凝水溫度為4℃，間歇率為1/4，微波能/溶劑與樣品比為180W/75mL∶2g，300W/150mL∶2g，得出β－胡蘿卜素的量分別為126，136mg/100g，證明間歇微波萃取胡蘿卜中的β－胡蘿卜素比連續(xù)的要好。

2.3 超聲波輔助萃取法

超聲波提取技術是依據(jù)超聲波的空化效應來加強植物細胞壁的損壞，使得溶劑與被分析物的接觸面加大，從而達到提取的效果。該技術可以促進、加速提取過程，避免高溫對原物料中有效成分的破壞，使有效成分相對容易分離并達到比常規(guī)提取更加理想的提取結果。與傳統(tǒng)萃取法相比，超聲輔助提取技術可以縮短提取周期、提高產品質量，且具有萃取效率高等優(yōu)點，超聲波輔助提取技術可以破壞細胞壁結構，加速色素溶出［39］。

Carail等［40］探索了超聲功率、超聲時間、超聲溫度對β－胡蘿卜素結構的影響，發(fā)現(xiàn)超聲時間增長，因超聲波的機械效應、熱效應，提取溶劑從超聲波獲得的能量會轉化為熱量使得萃取體系的溫度上升，β－胡蘿卜素的降解越嚴重。Purohit等［41］對比了超聲變幅器和超聲浴對胡蘿卜渣中β－胡蘿卜素的提取效果。在超聲變幅器下，超聲時間50min，50℃，100W，60%占空比，固體與溶劑比為0.3∶20（g/mL），得到β－胡蘿卜素的最大提取率為83.32%；在超聲浴下，超聲時間50min，50℃，180W，40kHz，β－胡蘿卜素的最大提取率為64.66%。Sun等［42］建立了全反式β－胡蘿卜素動力學降解方程，探索其在用超聲輔助有機溶劑提取過程中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)β－胡蘿卜素在二氯甲烷中穩(wěn)定性很差。動力學降解方程表明：全反式β－胡蘿卜素在二氯甲烷中－5～15℃下發(fā)生一級降解反應，在25℃下發(fā)生二級降解反應，結果表明二氯甲烷不適合在超聲下提取β－胡蘿卜素。Li等［43］利用葵花油作為溶劑，超聲輔助萃取鮮胡蘿卜中的β－胡蘿卜素，采用響應面方法對超聲參數(shù)進行了優(yōu)化，并與傳統(tǒng)的正己烷為提取溶劑進行了對比，結果得出：固油比為2∶10，超聲強度22.5W·cm－2，超聲時間20min，超聲溫度40℃，β－胡蘿卜素量為334.75mg/L，大于正己烷為提取量（321.35mg/L），說明超聲有效且過程符合綠色提取六項原則。

2.4 微乳法

微乳液是兩種不互溶的液體形成的熱力學穩(wěn)定、各向同性、外觀透明或半透明的分散體系，微觀上是由表面活性劑界面膜所穩(wěn)定的一種或兩種液體的微滴所構成，由于微乳的熱力學穩(wěn)定性，使得它可防止類胡蘿卜素的氧化，從而提高提取效率。微乳液可用于制備食品功能性β－胡蘿卜素［44］，但也有報道使用微乳法來提取胡蘿卜中的β－胡蘿卜素，如Roohinejad等［45］使用水包油微乳液作為提取胡蘿卜中β－胡蘿卜素的介質，外加脈沖電場前處理下，通過使用微乳偽三元相圖法確定了最佳的提取工藝參數(shù)，結果得出：提取時間為49.4min，溫度為52.2 ℃，胡蘿卜與微乳液比為1∶70（W/W），β－胡蘿卜素負載量為19.6μg/g，多分散指數(shù)（PDI）為0.27和顆粒尺寸為74nm，提取效率高于100%己烷或100%甘油單乳磷脂油，證明了使用水包油微乳液可作為β－胡蘿卜素的提取介質。

2.5 加速溶劑提取法

加速溶劑提取是近幾年發(fā)展起來作為一種自動前處理技術，其提取原理為：通過提高溫度（50～200℃）和壓力（500～3000psi）下來破壞溶劑與基質之間的范德華力、氫鍵和偶極矩，降低溶劑的黏度，減少溶劑、溶質和基質的表面張力，增加分析物與溶劑的接觸面積，加強溶質擴散效率，以提高提萃效率。與常用的索氏提取、超聲提取、微波萃取技術等方法相比具有提取時間短（一般15min）、溶劑用量少（1g樣品僅需1.5mL溶劑）、提取效率高、安全性高及自動化程度高等優(yōu)點［46］，但加速溶劑萃取儀價格比一般的微波和超聲要高。Saha等［47］采用了加速溶劑儀提取胡蘿卜中的類胡蘿卜素，實驗用希爾德布蘭德溶解度參數(shù)對三組不同組合溶劑即乙腈與己烷比為3∶5，乙醇與己烷比為4∶3，以及乙醇、己烷與乙腈比為2∶3∶1（均為體積比）進行了選擇預測，并考察了不同提取溫度40，50，60℃和時間5，10，15min的提取效果，經優(yōu)化后得出：萃取劑為三組分混合劑，溫度為60℃，時間為15min，萃取過程中加入硅藻土為干燥劑（胡蘿卜∶硅藻土為4∶1），得出β－胡蘿卜素量接近1200mg/kg。

2.6 酶溶解提取法

纖維素酶和果膠酶復合處理能有效提高β－胡蘿卜素提取率。這是由于植物細胞壁是一個極其復雜的體系，主要由纖維素搭成骨架，其中填充有大量半纖維素、果膠等物質，還有不少的木質素等，這些物質相互交融混合構成了極其復雜的結構體系。在提高胡蘿卜中β－胡蘿卜素提取率時，必須克服細胞壁及細胞間質的雙重阻力，纖維素酶單獨使用難以將細胞壁徹底裂解，搭配果膠酶復合處理則能減小細胞壁、細胞間質等傳質屏障對有效成分從細胞內向提取介質擴散的傳質阻力，提高有效成分提取率［48］。Ma等［49］研究了不同酶對胡蘿卜汁的前處理來提取里面的類胡蘿卜素，經過單因素實驗和正交優(yōu)化得出了實驗參數(shù)：在溫度45℃，pH 5，反應時間120min，1.5%的果膠酶提取β－胡蘿卜素的量為69.1μg/mL，而在50℃，pH 5，反應時間60min，1.5%纖維酶提取β－胡蘿卜素的量為68.7μg/mL，且向體系依次加入單種酶進行處理時也可以顯著提高β－胡蘿卜素含量，但使用相等比例的果膠酶和纖維素酶同時加入時體系顯示出拮抗作用，據(jù)分析得出因工業(yè)上使用的復合酶中，果膠酶占大多數(shù)，而纖維酶僅占小比例所以導致同比例的兩種酶處理效果不好。酶價格貴，使得近幾年來很少報道應用于這方面。

2.7 超臨界液體萃取法

利用物質的臨界點，在此臨界點之上，氣液兩相的界面就會消失，兩相將成為混合均一的一種流體狀態(tài)，這種流體就是超臨界流體。超臨界狀態(tài)下將超臨界流體與待分離物質相互接觸，使其有選擇性地依次將溶解度大小、沸點高低、分子量大小的成分萃取分離出來，超臨界流體的密度和介電常數(shù)將隨著密閉體系壓力的增加而增加，利用程序升壓可將不同極性的分子逐步提?。?0］。但超臨界液體難得且要求高，使得它在各方面的應用不是很廣。Mustafa等［51］采用超臨界CO2對胡蘿卜中的β－胡蘿卜素進行了提取，利用植物礦物精油作為共溶劑來提高萃取產率，結果得出在40min，400bar，60℃下，CO2流量為5mL/min，礦物油流量為0.2mL/min，β－胡蘿卜素提取量大約為270μg/g干重，35μg/g濕重。

3 問題與展望

目前提取胡蘿卜中的β－胡蘿卜素還存在著一些問題：（1）在環(huán)境安全方面以及其在食品和化妝品中的應用，使用低毒溶劑來提取胡蘿卜中β－胡蘿卜素比常規(guī)溶劑有著明顯的好處，但它萃取一般時間較長（1～6h）會造成β－胡蘿卜素的降解［52］，且低毒溶劑來源比一般溶劑昂貴；（2）β－胡蘿卜素易降解且其異構體多種多樣，由于缺乏標品從而難以準確定性定量；（3）超聲輔助提取、加速液體提取、微波輔助提取、酶輔助提取和超臨界流體提取快速有效，然而，這些技術仍處于實驗室階段，工業(yè)化大規(guī)模應用仍不是很常見。

我國對胡蘿卜中β－胡蘿卜素大規(guī)模的提取商業(yè)利用化不是很常見，大部分是用于加工成胡蘿卜粉、醬，甚至喂養(yǎng)家畜，但是隨著企業(yè)對這方面的重視，胡蘿卜中提取β－胡蘿卜素將會在我國實現(xiàn)規(guī)?；a。