胡萝卜中β－胡萝卜素提取方法研究进展

赵丽琴，彭黔荣，3＊，李剑，杨敏，＊，鲍艺

（1.贵州大学 化学与化工学院，贵阳 550025；2.贵州大学 药学院，贵阳 550025；3.贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵阳 550009）

β－胡萝卜素［Greekβand Latin carota（carrot）］是一种天然的着色剂、膳食补充剂及维生素A（VA）原生体，广泛应用于食品、饲料、补品和化妆品等领域，属于类胡萝卜素。自2014年全球类胡萝卜素市场价值达15亿美元，预计在2019年将近18亿美元，年复合增长率（CAGR）为3.9%［1］，类胡萝卜素中有最大市场价值的是β－胡萝卜素（2010年为261亿美元，2018年预计增加至334亿美元，CAGR为3.1%）［2］。

胡萝卜（DaucuscarotaL.），属伞形科（Apiaceae，以前称为松花粉），它是一种直接播种的冷季作物，当空气温度为18～21℃时，根部呈现颜色最佳［3］。胡萝卜含β－胡萝卜素，它具有不同颜色，紫、黄、橘色较为常见，而不同颜色β－胡萝卜素的量不同。Roszkowska等［4］得出了3种不同颜色的胡萝卜即橘、紫、白中β－胡萝卜素的含量分别为74.2，9.1，1.8mg/100g。胡萝卜中类胡萝卜素的含量高低是评价胡萝卜品种优劣的重要指标，是开发和利用的主要依据［5］，胡萝卜可食部分总类胡萝卜素含量范围为6000～54800μg/100g［6］，在橘色胡萝卜中β－胡萝卜素占45%～80%［7］。不同品种的胡萝卜由于各种地理、环境等因素会引起含β－胡萝卜素的量不同［8］，Mendelová等研究9种不同种类的胡萝卜，得出了Kamaran F1中β－胡萝卜素含量最高（213.66mg/100g）。同种品种前处理及保存过程不同其β－胡萝卜素含量亦不同［9］。中国是世界上主要的胡萝卜生产国，由于胡萝卜中β－胡萝卜素是所有蔬菜中含量最高（47.5～1030μg/g）的食材［10］，且它廉价易得，可为大量提取天然β－胡萝卜素提供来源。本文介绍了β－胡萝卜素的结构与性质、用途以及国内外对胡萝卜中β－胡萝卜素提取方法的研究近况，以期为β－胡萝卜素的提取提供方法参考。

1 β－胡萝卜素的理化性能

1.1 β－胡萝卜素的性质

β－胡萝卜素的化学结构式见图1。

图1 β－胡萝卜素结构式Fig.1β－carotene structure

分子式C40H56，分子量536.88，中间为4个异戊二烯，尾部为紫罗兰酮环，溶点为176～182℃，对光、热、氧敏感。全反式分子中不存在不对称碳原子，不具备旋光性，高温高压（625MPa，117℃）对其不利，易造成其异构［11］，其异构体（见图1）主要为：9－顺式、13－顺式和15－顺式β－胡萝卜素。由于β－胡萝卜素稳定性较差及其溶解的局限性，可将其利用微胶囊、环糊精、囊泡等脂质体进行包裹，也可利用表面活性剂将其制备成液晶体系，还可将其制备成乳状液，减少其制备和贮藏过程中的损失，提高其溶解性及生物利用率［12］。周庆 新 等［13］对 比 了 抗 氧 化 剂 EDTA－2Na、L－抗坏血酸、维生素E醋酸酯以及它们的复配对β－胡萝卜素微乳液加工储存中稳定性的影响，以色差仪测定β－胡萝卜素的降解值，结果表明EDTA－2Na能更好地稳定β－胡萝卜素微乳液。

1.2 β－胡萝卜素用途

据报道，现已有700多种类胡萝卜素被鉴定出，其中大约有50多种出现在人类的日常饮食中［14］。β－胡萝卜素存在于人体的各个组织中，其中主要储存于脂肪和肝脏中［15］，人体自身是不能合成β－胡萝卜素的，需从食物中获取。影响人体对β－胡萝卜素的生物利用率和生物转化率的影响因素有：食用油脂、植物类型、纤维、温度等，其中食用油脂能促进β－胡萝卜素形成胶束而利于人体吸收，纤维不利于β－胡萝卜素从细胞中释放，生物选择性差［16］。天然的β－胡萝卜素是全反式结构，全反式β－胡萝卜素比其异构化的生物利用率强［17］，9－顺式、13－顺式的生物转化率分别为 38%，53%，全反式为100%［18］。β－胡萝卜素可从藻类、果蔬类以及一些菌类中得到，目前国外市场上β－胡萝卜素来源为化学合成，其比例占90%。从天然食物中获得β－胡萝卜素更有利于人体健康［19］，而从植物中吸收β－胡萝卜素量的范围为5%～65%［20］。β－胡萝卜素因其含有多不饱和共轭双键且仅由碳氢2种元素组成，使得它可猝灭单线态氧（1O2）和超氧阴离子（O2－）自由基，每分子可猝灭多达1000个自由基，具有较强的抗氧化性；它是维生素A（VA）的重要来源，缺乏VA会导致夜盲症、眼球干燥症，大量摄入VA又会造成致畸、骨质疏松、肝损坏等不良后果［21］。而人体大量摄入β－胡萝卜素后，在β－胡萝卜素15，15＇－单加氧酶的作用下，不仅能及时补充VA，还能有效地降低某些疾病的发生率，如最近发现β－胡萝卜素可以抑制神经母细胞瘤——儿童期最常见的颅外实体瘤［22］，9－顺式β－胡萝卜素能阻碍巨噬细胞转化为泡沫细胞，抑制动脉粥样硬化进程［23］；β－胡萝卜素的氧化产物：β－紫罗兰酮、5，6－环氧－β－紫罗兰酮和二氢猕猴桃（DHA）可为香精香料提供来源［24］；β－胡萝卜素还具有抗诱变、化学预防、光保护、增进细胞间通讯和调节免疫系统活动等特性，然而对于吸烟酗酒者来说，大量补充β－胡萝卜素可能会增加其患肺癌的风险［25］。

2 胡萝卜中β－胡萝卜素提取方法

β－胡萝卜素位于细胞组织的叶绿体上，要从胡萝卜中获得β－胡萝卜素，则需破坏其细胞壁。常见的细胞破碎方法有：机械研磨法、物理超声波法、化学溶解和酶学破碎法等。细胞壁较细胞膜坚硬，细胞膜可以通过渗透得以破坏，所以破碎主要集中在细胞壁上。从物理性质方面来看，冷冻胡萝卜更有利于β－胡萝卜素的提取，因为胡萝卜在解冻过程中细胞壁间的成分遭到了破坏，导致细胞壁解离，再加上冰晶的形成，进一步引起胡萝卜的结构组织损伤，这样β－胡萝卜素就很容易萃取出来［26］，而且冷冻处理过的胡萝卜营养成分流失较少［27］。

近几年国内外关于对胡萝卜中β－胡萝卜素的提取方法概括有：有机溶剂法、超声波辅助萃取法、微波辅助萃取法、微乳法、加速溶剂萃取法、酶溶解提取法、超临界液体法。

2.1 有机溶剂法

β－胡萝卜素是脂溶性物质，可溶于非极性溶剂中，如醚、氯仿、油脂等，难溶于甲醇和乙醇。有机溶剂提取原理是在扩散渗透作用下，溶剂分子通过细胞壁进入细胞中，溶解可溶物质，通过浓度差使得溶剂不断地进入细胞内，最后达到平衡时提取物从细胞内流到溶剂中，从而实现提取的目的［28］。虽然β－胡萝卜素难溶于极性溶剂如甲醇和乙醇，但在有机溶剂提取胡萝卜中β－胡萝卜素时使用到甲醇和乙醇，这是因为鲜胡萝卜含大量的水分（86%～89%），加入极性溶剂的目的是为了与水混溶，增加非极性溶剂的渗透性从而利于β－胡萝卜素的提取［29］。Nowak等［30］采用正己烷和96%乙醇的混合溶剂（1∶1体积比）对17种不同品种的胡萝卜进行了β－胡萝卜素提取研究，结果得出Kazan F1品种的胡萝卜含β－胡萝卜素为（17.1±3.7）mg/100g（鲜重）。

有机溶剂提取最为广泛且价格低廉，但有机溶剂用量大且毒性高，因此，需使用环保且用量少的溶剂来提取 β－胡 萝 卜 素［31］。Varón等［32］采 用 建 模 形 式：Hansen溶解度参数（HSP）和类导体溶剂筛选模型（COSMO－RS），对比了绿色低毒提取溶剂：2－甲基四氢呋喃（2－MeTHF）、碳酸二甲酯（DMC）、环戊基甲基醚（CPME）、异丙醇（IPA）、乙酸乙酯与正己烷对胡萝卜中类胡萝卜素的提取效果，2种模拟所得出的结果分别是：HSP模型表明非极性或低极性溶剂更有利于提取类胡萝卜素，而COSMO－RS模型表明类胡萝卜素在CPME、2－MeTHF和乙酸乙酯中的含量比在正己烷中的要高。通过实验验证结果更接近COSMO－RS模型模拟出的结果，且在CPME溶剂中的类胡萝卜素含量最高 （78.4mg/100g，干 重），其 中 β－胡 萝 卜 素 占66%。这意味着这些毒性指数更低的且能生物降解的溶剂可取代正己烷来提取胡萝卜中的类胡萝卜素，这对食品工业非常重要。Rajabi等［33］通过建立COSMO－RS模型，运用离子液体作为萃取剂，萃取正己烷中的β－胡萝卜素，对不同离子液体萃取能力进行了筛选，基于中心复合设计（CCD）的响应面法（RSM）优化了实验参数，结果得出四甲基铵阳离子与乙酸阴离子结合的离子液体提取β－胡萝卜素占63.09%。

综上可知，虽然有机溶剂操作简单，但它提取时间长对β－胡萝卜素不利，所以在此基础上应引进微波、超声等辅助工具来缩短提取时间。

2.2 微波辅助萃取法

传统的加热是以热传导的方式将热源的热量传给样品，而这种传导是需要中间介质的，与之相反，微波是不需要介质直接将能量引入到样品内部。非极性溶剂不吸收微波能，所以为了加速萃取，常在非极性溶剂中加入极性溶剂，极性分子接受微波辐射能量后，通过分子偶极以24.5亿次/s的频率旋转碰撞而产生热效应［34］。在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中［35］。Hiranvarachat等［36］对比了胡萝卜先浸泡在pH为5的柠檬酸中、沸水中以及沸腾的pH为5的柠檬酸水溶液中处理1～1.5min和没有经过前3种预处理的情况下，然后用微波辅助混合溶剂（50%己烷、25%乙腈、25%乙醇，共沸点接近58℃）提取β－胡萝卜素，固液量比为2∶75（g/mL），得出结果：酸浸渍过的胡萝卜中β－胡萝卜素量为23.10mg/100g，开水处理过的为29.74mg/100g，沸酸处理过的为32.08mg/100g，没有处理过的为23.26mg/100g，说明用沸柠檬酸焯过的情况下β－胡萝卜素量最高。因为用低酸（pH 5）处理可以破坏植物细胞壁中的多糖物质如果胶、半纤维素而不会影响β－胡萝卜素的降解，进而可增加β－胡萝卜素的含量［37］。但是微波辅助提取只能使用较小功率、较短时间处理，功率过大、微波处理时间过长会引起提取液温度升高而破坏β－胡萝卜素结构。Hiranvarachat等［38］在上一个实验的基础上，采用了间歇式微波提取法提取胡萝卜残渣中的β－胡萝卜素，在冷凝水温度为4℃，间歇率为1/4，微波能/溶剂与样品比为180W/75mL∶2g，300W/150mL∶2g，得出β－胡萝卜素的量分别为126，136mg/100g，证明间歇微波萃取胡萝卜中的β－胡萝卜素比连续的要好。

2.3 超声波辅助萃取法

超声波提取技术是依据超声波的空化效应来加强植物细胞壁的损坏，使得溶剂与被分析物的接触面加大，从而达到提取的效果。该技术可以促进、加速提取过程，避免高温对原物料中有效成分的破坏，使有效成分相对容易分离并达到比常规提取更加理想的提取结果。与传统萃取法相比，超声辅助提取技术可以缩短提取周期、提高产品质量，且具有萃取效率高等优点，超声波辅助提取技术可以破坏细胞壁结构，加速色素溶出［39］。

Carail等［40］探索了超声功率、超声时间、超声温度对β－胡萝卜素结构的影响，发现超声时间增长，因超声波的机械效应、热效应，提取溶剂从超声波获得的能量会转化为热量使得萃取体系的温度上升，β－胡萝卜素的降解越严重。Purohit等［41］对比了超声变幅器和超声浴对胡萝卜渣中β－胡萝卜素的提取效果。在超声变幅器下，超声时间50min，50℃，100W，60%占空比，固体与溶剂比为0.3∶20（g/mL），得到β－胡萝卜素的最大提取率为83.32%；在超声浴下，超声时间50min，50℃，180W，40kHz，β－胡萝卜素的最大提取率为64.66%。Sun等［42］建立了全反式β－胡萝卜素动力学降解方程，探索其在用超声辅助有机溶剂提取过程中的稳定性，发现β－胡萝卜素在二氯甲烷中稳定性很差。动力学降解方程表明：全反式β－胡萝卜素在二氯甲烷中－5～15℃下发生一级降解反应，在25℃下发生二级降解反应，结果表明二氯甲烷不适合在超声下提取β－胡萝卜素。Li等［43］利用葵花油作为溶剂，超声辅助萃取鲜胡萝卜中的β－胡萝卜素，采用响应面方法对超声参数进行了优化，并与传统的正己烷为提取溶剂进行了对比，结果得出：固油比为2∶10，超声强度22.5W·cm－2，超声时间20min，超声温度40℃，β－胡萝卜素量为334.75mg/L，大于正己烷为提取量（321.35mg/L），说明超声有效且过程符合绿色提取六项原则。

2.4 微乳法

微乳液是两种不互溶的液体形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明的分散体系，微观上是由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微滴所构成，由于微乳的热力学稳定性，使得它可防止类胡萝卜素的氧化，从而提高提取效率。微乳液可用于制备食品功能性β－胡萝卜素［44］，但也有报道使用微乳法来提取胡萝卜中的β－胡萝卜素，如Roohinejad等［45］使用水包油微乳液作为提取胡萝卜中β－胡萝卜素的介质，外加脉冲电场前处理下，通过使用微乳伪三元相图法确定了最佳的提取工艺参数，结果得出：提取时间为49.4min，温度为52.2 ℃，胡萝卜与微乳液比为1∶70（W/W），β－胡萝卜素负载量为19.6μg/g，多分散指数（PDI）为0.27和颗粒尺寸为74nm，提取效率高于100%己烷或100%甘油单乳磷脂油，证明了使用水包油微乳液可作为β－胡萝卜素的提取介质。

2.5 加速溶剂提取法

加速溶剂提取是近几年发展起来作为一种自动前处理技术，其提取原理为：通过提高温度（50～200℃）和压力（500～3000psi）下来破坏溶剂与基质之间的范德华力、氢键和偶极矩，降低溶剂的黏度，减少溶剂、溶质和基质的表面张力，增加分析物与溶剂的接触面积，加强溶质扩散效率，以提高提萃效率。与常用的索氏提取、超声提取、微波萃取技术等方法相比具有提取时间短（一般15min）、溶剂用量少（1g样品仅需1.5mL溶剂）、提取效率高、安全性高及自动化程度高等优点［46］，但加速溶剂萃取仪价格比一般的微波和超声要高。Saha等［47］采用了加速溶剂仪提取胡萝卜中的类胡萝卜素，实验用希尔德布兰德溶解度参数对三组不同组合溶剂即乙腈与己烷比为3∶5，乙醇与己烷比为4∶3，以及乙醇、己烷与乙腈比为2∶3∶1（均为体积比）进行了选择预测，并考察了不同提取温度40，50，60℃和时间5，10，15min的提取效果，经优化后得出：萃取剂为三组分混合剂，温度为60℃，时间为15min，萃取过程中加入硅藻土为干燥剂（胡萝卜∶硅藻土为4∶1），得出β－胡萝卜素量接近1200mg/kg。

2.6 酶溶解提取法

纤维素酶和果胶酶复合处理能有效提高β－胡萝卜素提取率。这是由于植物细胞壁是一个极其复杂的体系，主要由纤维素搭成骨架，其中填充有大量半纤维素、果胶等物质，还有不少的木质素等，这些物质相互交融混合构成了极其复杂的结构体系。在提高胡萝卜中β－胡萝卜素提取率时，必须克服细胞壁及细胞间质的双重阻力，纤维素酶单独使用难以将细胞壁彻底裂解，搭配果胶酶复合处理则能减小细胞壁、细胞间质等传质屏障对有效成分从细胞内向提取介质扩散的传质阻力，提高有效成分提取率［48］。Ma等［49］研究了不同酶对胡萝卜汁的前处理来提取里面的类胡萝卜素，经过单因素实验和正交优化得出了实验参数：在温度45℃，pH 5，反应时间120min，1.5%的果胶酶提取β－胡萝卜素的量为69.1μg/mL，而在50℃，pH 5，反应时间60min，1.5%纤维酶提取β－胡萝卜素的量为68.7μg/mL，且向体系依次加入单种酶进行处理时也可以显著提高β－胡萝卜素含量，但使用相等比例的果胶酶和纤维素酶同时加入时体系显示出拮抗作用，据分析得出因工业上使用的复合酶中，果胶酶占大多数，而纤维酶仅占小比例所以导致同比例的两种酶处理效果不好。酶价格贵，使得近几年来很少报道应用于这方面。

2.7 超临界液体萃取法

利用物质的临界点，在此临界点之上，气液两相的界面就会消失，两相将成为混合均一的一种流体状态，这种流体就是超临界流体。超临界状态下将超临界流体与待分离物质相互接触，使其有选择性地依次将溶解度大小、沸点高低、分子量大小的成分萃取分离出来，超临界流体的密度和介电常数将随着密闭体系压力的增加而增加，利用程序升压可将不同极性的分子逐步提取［50］。但超临界液体难得且要求高，使得它在各方面的应用不是很广。Mustafa等［51］采用超临界CO2对胡萝卜中的β－胡萝卜素进行了提取，利用植物矿物精油作为共溶剂来提高萃取产率，结果得出在40min，400bar，60℃下，CO2流量为5mL/min，矿物油流量为0.2mL/min，β－胡萝卜素提取量大约为270μg/g干重，35μg/g湿重。

3 问题与展望

目前提取胡萝卜中的β－胡萝卜素还存在着一些问题：（1）在环境安全方面以及其在食品和化妆品中的应用，使用低毒溶剂来提取胡萝卜中β－胡萝卜素比常规溶剂有着明显的好处，但它萃取一般时间较长（1～6h）会造成β－胡萝卜素的降解［52］，且低毒溶剂来源比一般溶剂昂贵；（2）β－胡萝卜素易降解且其异构体多种多样，由于缺乏标品从而难以准确定性定量；（3）超声辅助提取、加速液体提取、微波辅助提取、酶辅助提取和超临界流体提取快速有效，然而，这些技术仍处于实验室阶段，工业化大规模应用仍不是很常见。

我国对胡萝卜中β－胡萝卜素大规模的提取商业利用化不是很常见，大部分是用于加工成胡萝卜粉、酱，甚至喂养家畜，但是随着企业对这方面的重视，胡萝卜中提取β－胡萝卜素将会在我国实现规模化生产。