β-胡萝卜素提取方法、生理功能及应用研究进展

曲蕙名，楚 杰，韩利文，刘建龙，刘可春

(1山东师范大学生命科学院，济南 250014；2山东省科学院生物研究所/山东省生物检测技术工程实验室/山东省生物传感器重点实验室/山东省科学院药物筛选技术重点实验室，济南 250014)

β-胡萝卜素提取方法、生理功能及应用研究进展

曲蕙名1，楚 杰2，韩利文2，刘建龙1，刘可春2

(1山东师范大学生命科学院，济南 250014；2山东省科学院生物研究所/山东省生物检测技术工程实验室/山东省生物传感器重点实验室/山东省科学院药物筛选技术重点实验室，济南 250014)

对β-胡萝卜素的提取方法、生理功能和应用领域进行综述，为β-胡萝卜素的研究和开发提供参考。

β-胡萝卜素；提取；生理功能

β-胡萝卜是良好的食品添加剂和营养增补剂，有较强的自由基捕捉能力，同时具有抗癌、防衰老等功效[1-3]。基于β-胡萝卜素这些特性，近年来对其研究利用的程度大大增加，全世界β-胡萝卜素的年需求量在1 000t左右[4-5]，已广泛应用在医药、食品等各个领域。本文对β-胡萝卜素提取方法、生理功能及应用方面的研究进行综述，旨在为β-胡萝卜素的研究和开发提供参考。

1 β-胡萝卜素的提取方法

β-胡萝卜素来源主要有三种：化学合成法、植物提取法和微生物发酵法。微生物发酵法生产胡萝卜素不受环境条件的限制，具有安全性高、低成本等优势。发酵生产β-胡萝卜素的主要菌株有克拉克须霉菌、杜氏盐藻、三孢布拉氏霉菌和红酵母。由于β-胡萝卜素的来源不同，因此提取方法也有多种。

1.1 有机溶剂提取法

陈永斌[6]通过设计正交试验方案，考察水浴温度、水浴时间、提取溶剂的配比和料液比4个因素，对甘薯“红心 431”β-胡萝卜素提取工艺进行研究，最优搭配为温度60℃、提取时间 45 min、料液比 2∶50、丙酮—石油醚比2∶3。Azmi Wamik等[7]利用超声技术对红酵母细胞进行破碎，再用己烷和乙酸乙酯(1∶1，v/v)提取，得到的β-萝卜素的最大提取量浓度为每克干细胞重量336μg。

有机溶剂提取法的优点是设备投资成本较低、工艺技术成熟并且易于实现工业化，但其提取率较低且需要多种溶剂进行提取，大量有机溶剂的使用会带来不同程度的污染，且不易回收。β-胡萝卜素对氧气、热、光不稳定，此方法可能导致β-胡萝卜素的异构和氧化。

1.2 柱层析法

刘卉琳等[8]利用大孔树脂对粘性红圆酵母RM-1产β-胡萝卜素进行提取纯化，得到最佳的吸附和解吸条件为X-5吸附树脂，乙醚作洗脱剂，上样质量浓度111.82μg/mL、吸附流速1mL/min、洗脱流速0.5mL/min。韩梅等[9]对锁掷酵母油中的主要功能性成分用两次硅胶柱层析进行提取纯化，将酵母油溶于60～90℃的石油醚中，硅胶柱(ID32mm×25mm，硅胶粒度200～300目)上样，洗脱条件为石油醚200mL梯度添加20%丙酮的石油醚200mL，然后换为300mL 20%的石油醚丙酮溶液逐渐梯度添加300mL乙酸乙酯，流速5 mL/min，每管收集2 min，从锁掷酵母油中提取分离出β-胡萝卜素、γ-萝卜素和红酵母烯等9种成分。

与其他提取方法相比较，柱层析法具有能耗低、洗脱剂易于回收再利用和所得产品纯度高等优点，但也存在提取工艺复杂、所耗时间长和所需溶剂量大的缺点，β-胡萝卜素难以较快洗脱。实际生产中，很难工业化。

1.3 超临界CO2萃取

高梁[10]利用响应面法对西瓜蜂花粉β-胡萝卜素超临界CO2萃取条件优化，发现最佳萃取条件为萃取温度51℃、萃取压力34 MPa、萃取时间80 min，在此条件下β-胡萝卜素的提取率达到8.79 mg/100g。Montero等[11]对萃取一种海洋蓝藻的β-胡萝卜素所需温度、压力、萃取时间、助溶剂和流速5种因素进行评估，在65℃和30MPa，添加5%乙醇的情况下，在2h(流速=4kg/h)中β-胡萝卜素提取率最大。Sabio等[12]以番茄加工副产物番茄皮为原料，得到的萃取工艺为：原料平均粒径0.345mm、萃取温度80℃、萃取压力30MPa、CO2流速0.792kg/h、萃取时间8.2h，β-胡萝卜素的回收率分别为88%。超临界CO2萃取法与传统的溶剂萃取法相比，无化学溶剂残留，无污染，保护活性物质的生理活性，工艺简单，已被广泛应用。由于β-胡萝卜素在CO2中溶解度有限，需使用夹带剂来提高萃取率。

1.4 超声提取

超声提取法是近年来新兴的一种节能高效的提取方法。陈莉等[13]用正交试验优化了超声法提取三孢布拉霉中β-胡萝卜素的工艺条件：15倍量的乙酸乙酯(v/w)、35℃、100W超声提取40min，2级提取。加入抗氧化剂可使β-胡萝卜素提取率提高到89.2%。张海霞[14]以胡萝卜干粉为原材料，操作条件为超声温度55℃、超声功率50W、频率100KHz、超声时间90min，β-胡萝卜素的提取率达到85%。Soumen等[15]探究从螺旋藻中提取β-胡萝卜素的方法，最佳条件是在30℃下，50mL正庚烷中的加入1.5g螺旋藻(在甲醇中预浸泡2min)，超声强度为167W/cm2和61.5%的占空比，超声时间为8min，探针尖端长度为0.5cm，获得的最大提取率为47.10%。Ashwini J.Purohit等[16]使用2个超声波照射源对胡萝卜废渣中的β-胡萝卜素进行超声辅助提取，结果发现：超声波照射50min、50℃温度、100W功率，固体与溶剂的比率为0.3：20(g/mL)，使用超声变幅杆时，β-胡萝卜素的提取率达到83.32%；而使用超声波浴时，最大提取率为64.66%。

超声提取法操作简便，且提取率高。超声提取适应性广，提取中药材不受中药材成分性质、分子量大小的限制，适用于绝大多数种类中药材和各类成分的提取。对遇热不稳定、易水解或氧化的药材中的有效成分如β-胡萝卜素具有保护作用。然而超声提取受粒度大小、含水量等因素限制，并且现阶段超声提取法基本还停留在实验室研究上，工业应用还存在如超声功率与工业大容积提取罐难匹配等问题有待解决。

1.5 微波提取

陈磊等[17]采用微波辅助提取枸杞中β-胡萝卜素，考察了微波萃取功率、提取时间、固液比和提取温度对β-胡萝卜素提取率的影响。在单因素试验基础上，通过正交试验优化了提取工艺。结果表明，最佳工艺参数为：枸杞在丙酮—石油醚体积比(3∶7)作萃取剂、固液比1∶15、提取温度25℃、提取时间80s、提取功率400W，β-胡萝卜素的提取率为0.55%。孙协军等[18]建立了一种从盐藻粉中快速提取β-胡萝卜素的微波辅助提取方法：乙酸乙酯为溶剂、微波功率500W、液固比232mL/g、提取温度42℃、萃取时间7.0min、搅拌转速180r/min，盐藻β-胡萝卜素的得率为1.03%。

微波提取β-胡萝卜素等天然产物减少了萃取时间，降低了溶剂的消耗，提高了提取率和提取效率。微波加热的温度升高快，需考虑温度对β-胡萝卜素造成的的异构化等影响。

1.6 酶解辅助萃取法

张玮玮等[19]研究了酶法水解从胡萝卜中提取水溶性β-胡萝卜素的关键工艺参数，结果表明，较优提取工艺条件为：取鲜胡萝卜50g，直接打浆后加入100mL的0.2g/100mL的吐温-80溶液，响应面分析优化得到的提取条件为果胶酶0.49g、酶解pH 6.08、超声波时间41.58min、调节pH至6.0，于40℃搅拌2h后加入2g硅藻土抽滤，β-胡萝卜素提取率为12.23μg/g。吕爽[20]采用酶解辅助萃取胡萝卜中的β-胡萝卜素，得出的最佳工艺为以体积比为2∶1的乙酸乙酯和无水乙醇混合溶剂作提取剂，在同一缓冲液体系中使用纤维素酶和果胶酶的复合酶进行处理，纤维素酶的加酶量为0.7%、酶解温度55℃、时间180min、pH 4.6；果胶酶用量为12%、酶解温度55℃、时间60min、pH 4.6，β-胡萝卜素的提取率为99.8%。SIMS等[21]研究发现，果胶酶和纤维素酶处理胡萝卜泥可以提高出汁率，胡萝卜素提出率比较单一溶剂萃取法可增加2倍多，稳定性提高，胡萝卜汁的颜色变深。酶解辅助法提取β-胡萝卜素具有反应温和、专属性强且反应活化能低等特点，可大幅度提高提取率。该技术对酶法预处理的实验条件要求较高，需对酶种类、最佳酶解温度、pH及时间等因素进行筛选以获得最佳工艺条件。

2 β-胡萝卜素的功能

β-胡萝卜素是维生素A的重要来源，早在20世纪Steenkbock[22]就发现β-胡萝卜素可能具有维生素A活性。

2.1 β-胡萝卜素的抗氧化性

β-胡萝卜素是良好的自由基猝灭剂，因其多烯烃结构，具有较强的自由基捕捉能力，能清除氧自由基、单线态氧和降低脂质氧化物的产生，使机体的抗氧化状态明显改善。袁磊等[23]采用DPPH法、水杨酸法和邻苯三酚自氧法分别表征β-胡萝卜素清除DPPH·自由基、羟基自由基和超氧阴离子自由基能力，结果表明，β-胡萝卜素具有较强的清除自由基能力，且清除能力均遵循剂量—效应关系；在浓度为100μg/mL时，对DPPH自由基、羟基自由基和超氧阴离子的清除率分别为65.50%、69.22%和69.50%。刘晓庚等[24]发现，β-胡萝卜素对DPPH自由基有较强的清除作用，当β-胡萝卜素质量浓度高于80μg/mL时，其清除DPPH自由基能力与维生素E相当，且高于BHT清除DPPH自由基的能力；在一定范围内β-胡萝卜素质量浓度越高，其DPPH自由基清除能力越强，当β-胡萝卜素质量浓度增大到某个临界值时，DPPH自由基清除率保持稳定。β-胡萝卜素作为抗氧化剂在30min内可达到较好的抗氧化效果。刘明美等[25]在山羊日粮中添加不同水平的β-胡萝卜素，当日粮中β-胡萝卜素添加水平为82.5mg/d时，山羊血清中SOD、GSH-Px、CAT活性和T-AOC水平均极显著高于对照组，所有处理的山羊血清MDA含量都极显著低于对照组，得出日粮中添加适量的β-胡萝卜素能增强山羊的抗氧化能力。Daniel等[26]评估了β-胡萝卜素在脂质体和微粒体膜中的抗氧化作用：脂质体制备时，实验组将0.35mol%的β-胡萝卜素加入到二亚油酰磷脂酰胆碱脂质体中，可以抑制由AAPH引发的脂质过氧化作用；对照组未添加β-胡萝卜素的脂质体悬浮液中，未观察到抗氧化作用。

2.2 β-胡萝卜素对免疫系统的调节作用

β-胡萝卜素在特定条件下可提高机体的细胞免疫、体液免疫及非特异性免疫反应，增强对某些疾病的抵抗力，改善健康状况。乔冬等[27]将β-胡萝卜素以灌胃和腹腔注射两种方式作用于小鼠，采用液体芯片检测技术，对小鼠血清24种细胞因子含量的变化进行测定。发现β-胡萝卜素能促进炎症细胞因子的产生，不同途径对细胞因子的作用强度有所不同。β-胡萝卜素调节机体的免疫，其作用的信号途径涉及NF-κB、JAK-STAT等途径。Amar等[28]用天然来源的β-胡萝卜素以口服的方式作用于虹鳟鱼，饲养9周来评价其对虹鳟鱼非特异性防御机制的影响，结果表明，β-胡萝卜素可显著提高血清溶菌酶浓度，可以调节虹鳟鱼的一些先天防御机制。Cucco等[29]研究表明，在成年鹧鸪饲粮中添加27mg/kg β-胡萝卜素，可显著提高雌鸟的免疫力，所产卵的蛋清中可检测出高含量的β-胡萝卜素，这些卵的孵化率更高，蛋的抗菌能力更强，而对于雄鸟其差异不显著。

2.3 提高繁殖性能

通过在日粮中添加不同水平的β-胡萝卜素，可提高生产性能和后代成活率，其提高动物繁殖性能的机制可能是：作为一种生理抗氧化剂，它可通过保护活性较高的卵泡和子宫细胞免受自由基的破坏，保护重要的细胞器，这有助于卵巢细胞内类固醇的机能及重要的子宫蛋白质分泌达到最佳水平，从而改善子宫内环境[30]。任延利等[31]在蛋鸭基础日粮中加入不同水平的β-胡萝卜素菌粉，饲喂15d，结果显示：添加1 000mg/kg的β-胡萝卜素菌粉能降低料蛋比12.4%，提高产蛋率1.94%，增加蛋色度5度。葛金山等[32]采用非配对单因子随机分组设计对长大母猪进行实验，结果表明，日粮中添加β-胡萝卜素能显著减少弱仔数、死胎数；提高平均出生窝重和断奶个体重。刘汝祥等[33]以荷斯坦种公牛为实验对象，单因子试验设计，随机分组后分别饲喂基础日粮和添加β-胡萝卜素试验日粮(按日粮风干物质计)，试验期为6个月，观察不同β-胡萝卜素添加水平对种公牛精液品质和血清指标的影响，发现添加β-胡萝卜素可极显著地提高种公牛血清β-胡萝卜素含量，而血清和精清中睾酮的浓度随β-胡萝卜素添加水平的提高呈先上升后下降趋势；种公牛的射精量和鲜精活力显著高于对照组，精液密度也极显著高于对照组。

2.4 β-胡萝卜素对癌症的防治

β-胡萝卜素通过不同的机制对多种癌症具有防治作用，能够抑制癌细胞的增殖，诱导癌细胞凋亡且能减少化疗的不良反应。Cui Bokang等[34]通过对肝细胞癌大鼠中β-胡萝卜素活性的研究发现，β-胡萝卜素治疗可显著抑制肿瘤生长，增强血液NK、IL-2、TNF-α、WBC、TP、ALB和A/G水平，并降低血液ALT、AST、ALP活性。肝组织的病理分析表明，β-胡萝卜素治疗可减轻HCC大鼠肝组织的损伤，可以得出β-胡萝卜素可以改善HCC大鼠的免疫功能和抑制肿瘤生长。地鼠实验证明了β-胡萝卜素对口腔癌的作用，用二甲基苯并蒽诱发制作地鼠口腔颊黏膜癌前病变模型，天然胡萝卜素可明显降低肿瘤坏死因子表达量的升高，抑制IL-10的表达，Senesse等[35]认为，β-胡萝卜素对地鼠颊黏膜癌前病变具有一定的局部免疫调节作用，能够干涉诱癌因素诱发肿瘤的过程，对口腔癌有化学预防作用。Matos等[36]对用铁诱导大鼠前列腺氧化损伤模型进行实验，在大鼠中腹腔注射β-胡萝卜素(10mg/kg)5d后，测量血浆中Fe-NTA残余物浓度，与对照组相比明显降低，减少了脂质的损伤，证明β-胡萝卜素对前列腺癌有预防作用。此外，Kim等[37]发现，多食用富含β-胡萝卜素的食物的人胃癌发生率可降低至33%。Tamimi等[38]对969位女性进行血浆检测及巢式病例对照研究，发现血浆中含β-胡萝卜素等类胡萝卜素量高的女性比含类胡萝卜素低的女性患乳腺癌的几率低25%～35%。

2.5 其他功能

为研究β-胡萝卜素对肠上皮细胞紧密连接的作用，董宏伟等[39]对猪空肠上皮细胞添加β-胡萝卜素进行预处理，添加脂多糖刺激，检测细胞活力和跨膜电阻抗，结果表明，与对照组和脂多糖刺激组比较，β-胡萝卜素组IPEC-J2细胞活力以及跨膜电阻抗值最高，说明β-胡萝卜素对肠上皮细胞有紧密连接的保护作用。Rauscher等[40]在鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸缺陷菌株中添加从蔬菜水果中提取的天然β-胡萝卜素，发现AFB1、BaP、CP和IQ的细菌致突变性分别降低了72%、67%、53%、27%，证明了β-胡萝卜素具有体外抗诱变的功效。Bechor等[41]发现，β-胡萝卜素通过改善来自巨噬细胞的胆固醇流出，对抑制动脉粥样硬化可达到有益效果。β-胡萝卜素是一种较为安全稳定的天然食用色素，已被广泛应用在食品和天然着色剂行业。此外，β-胡萝卜素还具有光保护、预防眼疾、白内障，防止老化和衰老引起的多种退化性疾病的功效[42-43]，口服β-胡萝卜素可降低阿尔茨海默病的发病风险[44]。

3 应用

β-胡萝卜素是GB 2760—2011《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》许可使用的着色剂，被认定为A类优秀营养色素，并在世界52个国家和地区获准应用。据报道，全世界β-胡萝卜素的年需求量在1 000t左右，在我国其年销售量约为4～5t[4]。β-胡萝卜素本身的颜色可涵盖由红色至黄色的所有色系，非常适合油性产品及蛋白质性产品的开发。而经过微囊化处理的β-胡萝卜素，可溶在水中，几乎所有的食品和饲料都可应用。基于其着色、抗氧化、提高免疫力等功能，β-胡萝卜素已被广泛应用于天然着色剂、食品添加剂、营养食品、保健品、药品、化妆品及生物工程产品的生产。

4 展望

将超声提取、微波萃取、酶解法等现代技术与传统方法有机溶剂萃取法结合，能有效提高β-胡萝卜素提取率并缩短提取时间。另外，需找到一些适宜大规模工业生产的方法，以满足人们对β-胡萝卜素的需求。同时，要扩大β-胡萝卜素的来源，如利用果皮和果蔬废渣提取。◇

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(责任编辑 李婷婷)

Research Progress on Extraction Methods，Physiological Function and Application of β-carotene

QU Hui-ming1，CHU Jie2，HAN Li-wen2，LIU Jian-long1，LIU Ke-chun2
(1Life Sciences Institute of Shandong Normal University， Jinan 250014，China；2Biology Research Institute of Shandong Academy of Sciences/Shandong Provincial Engineering Laboratory for Biological Testing Technology/Key laboratory for Biosensor of Shandong Province/Key Laboratory for Drug Screening Technology of Shandong Academy of Sciences，Jinan 250014，China)

This article reviewed the research progress in extraction methods，physiological function and application of β-carotene to provide references for further research and development of β-carotene.

β-carotene；extraction；physiological function

国合项目(项目编号：2014DFR30840)。

曲蕙名(1991— )，女，在读硕士，研究方向：食品科学。

楚 杰(1965— )，女，学士，研究员，研究方向：生物学。