天然β胡蘿卜素提取工藝研究進(jìn)展

梁明

摘要 β胡蘿卜素是維生素A的重要來(lái)源并且可作為食品著色劑，同時(shí)其突出的抗癌特性和抗氧化性使其成為日常膳食補(bǔ)充劑的理想選擇。綜述了國(guó)內(nèi)外近十年來(lái)不同來(lái)源的生物原料中天然β胡蘿卜素提取工藝的研究概況，將其歸納為有機(jī)溶劑萃取法、超臨界CO2萃取法、超聲波輔助萃取法、微波輔助萃取法和酶解輔助萃取法，并對(duì)比了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為今后β胡蘿卜素及其他天然色素特別是類胡蘿卜色素的提取與開(kāi)發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞 β胡蘿卜素；超臨界CO2萃取；超聲波輔助萃??；微波輔助萃??；酶解輔助萃取

中圖分類號(hào) S609.9；TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）20-06771-03

Research Progress on Extraction Techniques of Natural βcarotene

LIANG Ming

（Infinite Pole Co. Ltd.， Guangzhou， Guangdong 510641）

Abstract βcarotene is the main source of provitamin A and is widely used as a food colorant and meanwhile， the outstanding antioxidant and anticancer properties of βcarotene make it an ideal component for daily food supplements. The present review is focused on the current technologies for natural βcarotene extraction and presents an overview of new tendencies regarding the carotenoids extraction from vegetables， filamentous fungi， bacteria， microalgae， yeasts and so on. Research advances of natural βcarotene extraction by different techniques in recent ten years were reviewed in this paper including conventional solvent extraction， supercritical CO2 extraction， ultrasoundassisted extraction， microwaveassisted extraction and so on. The advantages and disadvantages for each technique were given as well， which could supply useful information for further research on βcarotene and other natural pigments especially for carotenoids.

Key words βcarotene； Supercritical CO2 extraction； Ultrasoundassisted extraction； Microwaveassisted extraction； Enzymeassisted extraction

β胡蘿卜素（βcarotene）屬于類胡蘿卜素，分子式為C40H56，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。天然的β胡蘿卜素是全反式結(jié)構(gòu)。1分子β胡蘿卜素可轉(zhuǎn)化為2分子維生素A，因此β胡蘿卜素又被稱為VA原。

圖1 β胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

β胡蘿卜素是維生素A的重要來(lái)源，并且具有較強(qiáng)抗氧化作用，還可促進(jìn)細(xì)胞縫隙間的連接交流，提高人體免疫力并降低肺癌、結(jié)腸癌等癌癥的發(fā)病率。β胡蘿卜素具有良好的著色性能，著色范圍是黃色、橙紅，著色能力強(qiáng)并且色澤穩(wěn)定均勻，能與K+、Zn2+、Ca2+等離子并存而不變色[1]。β胡蘿卜素可以抑制乳腺癌、結(jié)腸癌、黑色素瘤以及前列腺癌等多種腫瘤細(xì)胞的增殖，并能通過(guò)激活caspase2和caspase8、降低線粒體膜電位、增加細(xì)胞色素C的釋放、調(diào)節(jié)核因子、抑制激活蛋白、下調(diào)抗凋亡蛋白的表達(dá)、上調(diào)過(guò)氧化酶體增殖因子受體以及熱休克蛋白的水平等機(jī)制促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[2]。

β胡蘿卜素在胡蘿卜、芒果、番木瓜、番茄等水果中含量較高。天然β胡蘿卜素的來(lái)源主要有微藻如杜氏鹽藻（Dunaliella）、絲狀真菌如Blakeslea trispora 和 Phycomyces blakesleeanus、酵母如薔薇色酵母屬（Rhodotorula）、基因工程菌如Escherichia coli，蔬菜如胡蘿卜、棕櫚油等[3]。比如在成熟的2種的芒果Malgoa和Badami中β胡蘿卜素的含量分別為（5.5±0.3）mg/kg和（32.1±2.5）mg/kg；而Badami和Raspuri 2種芒果中β胡蘿卜素的生物利用率分別為24.5%和39.1%[4]。β胡蘿卜素和天然胡蘿卜素是GB2760-2011《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》許可使用的著色劑，是可在各類食品中按生產(chǎn)需要適量使用的食品添加劑。預(yù)計(jì)到2015年，全球β胡蘿卜素的銷售額將超過(guò)2.80億美元[3]。目前β胡蘿卜素的生產(chǎn)方法主要有天然β胡蘿卜素提取法、化學(xué)合成法和生物合成法。生物合成法主要是利用紅酵母、三孢布拉氏霉、杜氏鹽藻、螺旋藻以及基因工程菌來(lái)生產(chǎn)和提取β胡蘿卜素[5]。

筆者綜述了天然β胡蘿卜素的提取工藝研究進(jìn)展，將其歸納為有機(jī)溶劑萃取法、超臨界CO2萃取法、超聲波輔助萃取法、微波輔助萃取法和酶解輔助萃取法，綜述了國(guó)內(nèi)外近十年來(lái)天然β胡蘿卜素提取工藝的研究概況。

1 有機(jī)溶劑萃取法

有機(jī)溶劑萃取法是提取生物活性物質(zhì)的傳統(tǒng)方法，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資成本較低、工藝技術(shù)成熟并且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。β胡蘿卜素是一種脂溶性色素，常用的提取劑有乙酸乙酯、丙酮、乙醇、石油醚、甲醇等，影響因素主要有提取劑、料液比、原料粒度、浸提溫度、浸提時(shí)間、浸提次數(shù)、pH等。

胡小明等以新疆產(chǎn)胡蘿卜為原料提取β胡蘿卜素，得出的提取工藝為：用石油醚作提取劑，以氨水/乙醇（5∶35， V/V）作穩(wěn)定劑，加入2%的CaCl2·2H2O作沉淀劑，CaCl2溶液與胡蘿卜汁的體積比為2∶1，β胡蘿卜素提取率為1 884.9 mg/kg[6]。呂爽以胡蘿卜為原料提取β胡蘿卜素，優(yōu)化得到的有機(jī)溶劑法最佳工藝參數(shù)為：以體積比為2∶1的乙酸乙酯和無(wú)水乙醇作提取劑，萃取時(shí)間120 min，萃取溫度50 ℃，料液比1∶10 g/ml，提取2次，色素的提取率為90.4%[7]。呂喬璐以葉綠素廠廢料為原料提取β胡蘿卜素，建立了乙醇提取、液液萃取兩步法提取工藝，具體工藝如下：以乙醇為提取劑，液固比為3 ml/g，室溫下攪拌10 min，加入0.1%（W/W）的抗氧化劑BHT；然后采用正己烷-乙醇-水（10∶10∶1）進(jìn)行液液萃取，室溫下萃取1次，上樣濃度為15%，粗提物β胡蘿卜素含量為0.2%，回收率約為85%[8]。

郭鵬飛以番木瓜果肉為原料，優(yōu)化得到的工藝條件為：以95%的乙醇為原料，料液比為1∶13 g/ml，溫度35 ℃，提取100 min；然后再用石油醚提取2次濾渣，料液比分別為1∶7和1∶6 g/ml，浸提2 h，提取物中總類胡蘿卜素的含量為（73.3±8.0） μg/g[9]。滕長(zhǎng)英等以鹽生杜氏藻（Duna liella salina）為原料，優(yōu)化得到的提取工藝為：以丙酮-甲醇混合溶劑（7∶2， V/V）為提取劑，在25 ℃下浸提5 min，提取3次，單位培養(yǎng)基中β胡蘿卜素含量為0. 464 mg/L[10]。Kubola等以木鱉果（Momordica cochinchinensis Spreng）假種皮為原料，優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為：提取劑為氯仿-甲醇混合溶劑（2∶1， V/V），料液比為1∶10 g/ml，萃取溫度為25 ℃，假種皮油中番茄紅素和β胡蘿卜素的含量分別為0.49 mg/g和1.18 mg/g，遠(yuǎn)高于新鮮假種皮中的含量0.045 mg/g和0.009 mg/g[11]。并且還發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥番茄紅素含量最高，為0.82 mg/（干基），其次為遠(yuǎn)紅外干燥0.67 mg/g（干基），再次為低相對(duì)濕度空氣干燥0.56 mg/g（干基）。

有機(jī)溶劑萃取法的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)，但是對(duì)于β胡蘿卜素的提取存在著選擇性不高、萃取得率較低的缺點(diǎn)，常常需要利用多種溶劑進(jìn)行提取，因而增加了安全性風(fēng)險(xiǎn)。另外，由于β胡蘿卜素在高溫下易發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)和氧化反應(yīng)，需要考慮溫度和氧氣對(duì)番茄紅素的影響，提取時(shí)應(yīng)避光操作。

2 超臨界CO2萃取法

超臨界流體萃?。⊿upercritical fluid extraction， SFE）是通過(guò)升溫和加壓使流體在高于臨界溫度和臨界壓力的狀態(tài)下萃取目標(biāo)組分的分離技術(shù)。目前超臨界CO2已廣泛應(yīng)用于番茄紅素、β胡蘿卜素等類胡蘿卜色素和其他色素類活性物質(zhì)的提取。

王大為等以玉米蛋白粉為原料，采用超臨界CO2萃取β胡蘿卜素，得出的最佳工藝條件為：以無(wú)水乙醇作夾帶劑，夾帶劑用量為10%，萃取溫度40 ℃，萃取壓力20 MPa，萃取時(shí)間150 min，β胡蘿卜素提取率為88.70%[12]。Cadoni等采用超臨界CO2萃取番茄漿和番茄皮中的番茄紅素和β胡蘿卜素，萃取工藝為：壓力27.58 MPa，溫度80 ℃，用氯仿作夾帶劑，夾帶劑和原料之比為1∶2.5 ml/g，CO2流速為500 cm3/min，萃取物中含有65%的番茄紅素（644.1±1.2）mg/kg和35%的β胡蘿卜素（348.8±4.2） mg/kg；而索氏提取的得率為：（770.8±0.7）mg/kg番茄紅素，（377.6±3.7）mg/kg β胡蘿卜素[13]。Sabio等以番茄加工副產(chǎn)物番茄皮為原料，得到的萃取工藝為：原料平均粒徑0.345 mm，萃取溫度80 ℃，萃取壓力30 MPa，CO2流速0.792 kg/h，萃取時(shí)間8.2 h，番茄紅素和β胡蘿卜素的回收率分別為80%和88%[14]。Sanal等以杏皮渣為原料，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為：萃取壓力31.1 MPa，萃取溫度68.85 ℃，夾帶劑為27.4%的乙醇，CO2和夾帶劑的流速為1 ml/min，β胡蘿卜素得率為98 μg/g（干基）[15]。

Davarnejad等采用超臨界CO2萃取天然棕櫚油中的β胡蘿卜素，試驗(yàn)得出的最有工藝參數(shù)為：萃取壓力7.5 MPa，萃取溫度120 ℃，萃取1 h，β胡蘿卜素得率為1.741×10-2%[16]。而通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)得出的最優(yōu)工藝為：萃取壓力14 MPa，溫度102 ℃，萃取3.14 h，β胡蘿卜素得率為1 028×10-2%。MacíasSánchez等以微藻（Scenedesmus almeriensis）為原料，得出超臨界萃取的工藝條件為：萃取壓力40 MPa，萃取溫度60 ℃，CO2流速1 g/min，萃取5 h，β胡蘿卜素得率為1.50 mg/g干基[17]。Bashipour等以庫(kù)拉索蘆薈（Aloe vera）為原料，通過(guò)遺傳算法得到的超臨界CO2萃取最優(yōu)工藝參數(shù)為：萃取壓力29 MPa，溫度60 ℃，CO2流速1 ml/min，靜態(tài)萃取時(shí)間15 min，動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間260 min，β胡蘿卜素得率為0.352 4 g/kg（干基）；與用石油醚索氏抽提（料液比1∶20 g/ml，萃取8 h）的得率0.362 6 g/kg（干基）接近[18]。

超臨界CO2萃取法通常和萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流速、原料粒度等因素有關(guān)，對(duì)于不同的原料需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)工藝。由于β胡蘿卜素在CO2中溶解度有限，需使用夾帶劑來(lái)提高萃取率，尋找合適的夾帶劑并進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以有效提高萃取率。

3 超聲波輔助萃取法

超聲波輔助萃取技術(shù)（Ultrasoundassisted extraction， UAE）是一種新型的化工分離技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于天然色素和生物活性物質(zhì)的提取。

秦宏偉等采用超聲波輔助萃取甘薯中的β胡蘿卜素，得出最佳條件為：提取溶劑為丙酮∶石油醚=3∶7（V/V），室溫下提取為25 min，料液比為1∶4 g/ml，提取3 次，回收率可達(dá)90%以上[19]。馬少君以甜橙皮為原料，得出超聲波輔助萃取的工藝條件為：提取溶劑為石油醚

∶丙酮=2∶1（V/V），凍干果皮，料液比1∶50 g/ml，超聲功率270 W，超聲時(shí)間6 min，提取5次，提取溫度40 ℃，粒度為100～120目，類胡蘿卜素的提取率為（82.4±1.2）%[20]。房明以螺旋藻為原料，采用超聲波輔助萃取法提取β胡蘿卜素，優(yōu)化得到的最佳工藝條件為：提取劑為甲醇-丙酮混合液（4∶6， V/V），固液比為1∶25 g/ml，超聲功率51%，超聲時(shí)間為17 min，β胡蘿卜素提取率為1 942.14 μg/g[21]。Sun等以柑橘皮為原料，采用超聲波輔助萃取全反式β胡蘿卜素，提取劑為乙酸乙酯，料液比為3∶30 g/ml，溫度25 ℃，萃取120 min，超聲強(qiáng)度為544.59 W/cm2，占空因數(shù)為66.70%[22]。并且還發(fā)現(xiàn)當(dāng)原料粒度小于0.28 mm時(shí)，超聲波輔助萃取跟傳統(tǒng)溶劑萃取相比沒(méi)有顯著性差異。Shen等以微藻（Dunaliella salina）為原料，采用超聲波輔助萃取全反式β胡蘿卜素，以四氫呋喃為溶劑，液料比240 ml/g，在29.85 ℃下提取30 min，超聲頻率為40 kHz，超聲功率300 W，提取物中全反式β胡蘿卜素含量為44.7 mg/g，回收率為100%[23]。經(jīng)柱色譜分離后再利用超臨界抗溶劑技術(shù)制粉，條件為：壓力18 MPa，40 min，CO2流速為0.2 ml/min，喂料濃度為4～5 mg/ml。產(chǎn)品的平均粒徑為3.5～19 μm，全反式β胡蘿卜素含量為926.8 mg/g，回收率為54%。Dey等采用超聲波輔助萃取法提取螺旋藻（Spirulina platensis）中的β胡蘿卜素，優(yōu)化的得到的工藝參數(shù)為：1.5 g螺旋藻，首先在甲醇中預(yù)浸泡2 min，然后加入50 ml正庚烷，萃取溫度為30 ℃，超聲強(qiáng)度為167 W/cm2，占空因數(shù)為61.5%，萃取8 min，超聲探頭距液面的深度為0.5 cm，β胡蘿卜素提取率為47.10%[24]。并且甲醇浸泡2 min預(yù)處理可以使β胡蘿卜素得率提高12倍。

對(duì)于β胡蘿卜素的提取，與其他新型萃取技術(shù)如微波輔助萃取等相比，超聲波輔助萃取技術(shù)的設(shè)備價(jià)格更低而且操作簡(jiǎn)單。然而對(duì)于超聲波輔助萃取β胡蘿卜素而言，原料粒度是一個(gè)很重要的影響因素，而且合適原料的預(yù)處理也可大大提高萃取得率。

4 微波輔助萃取法

微波輔助萃取技術(shù)（Microwave assisted extraction， MAE）是利用微波的熱效應(yīng)、生物效應(yīng)等多級(jí)效應(yīng)來(lái)輔助和強(qiáng)化溶劑萃取的一種新型化工分離技術(shù)。微波輔助萃取技術(shù)已廣泛應(yīng)用于番茄紅素、β胡蘿卜素等類胡蘿卜素及其他天然活性物質(zhì)的提取。

呂爽采用微波輔助萃取胡蘿卜中的β胡蘿卜素，得出的最佳工藝參數(shù)為：以體積比為2∶1的乙酸乙酯和無(wú)水乙醇混合液作提取劑，微波功率為480 W，提取時(shí)間40 s，料液比1∶10 g/ml，提取4次，色素的提取率為77.5%[7]。李亞萍等以新鮮胡蘿卜為原料，微波輔助提取的最佳工藝參數(shù)：微波功率394 W，時(shí)間6 min，液料比為43 ml/ g，β胡蘿卜素的提取率為0.399 mg/g[25]。于平等以鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）為原料，得出的最優(yōu)提取工藝為：以95%乙醇-丙酮混合液（3∶7， V/V）作提取劑，，先靜置60 min，然后在微波功率500 W下提取8 min，β胡蘿卜素的提取率為833.6 μg/g[26]。與單純?nèi)軇┓ㄌ崛∠啾龋捎梦⒉ㄝo助萃取法β胡蘿卜素得率提高了1 倍多。Hiranvarachat等以胡蘿卜為原料，采用微波輔助萃取法萃取β胡蘿卜素，優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為：以正己烷-丙酮-乙醇混合溶劑（2∶1∶1， V/V； 沸點(diǎn)為58 ℃）作提取劑，料液比2∶75 g/ml，微波功率為180 W，提取時(shí)間3 min[27]；還研究了不同預(yù)處理對(duì)β胡蘿卜素提取的影響，沸水中漂燙1.5 min和在檸檬酸溶液（pH=5； 0.5%檸檬酸， W/V）中漂燙1.5 min預(yù)處理，提取物中β胡蘿卜素含量分別為297.4 和320.8 mg/kg干基；顯著高于未處理樣品232.6 mg/kg干基。然而微波輔助萃取的得率（232.6±20.5）mg/kg干基顯著低于索氏抽提6 h的得率（291.8±5.8）mg/kg干基。但是前者的萃取時(shí)間（3 min）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于索氏抽提法（6 h）。

微波輔助萃取β胡蘿卜素具有提取得率高、提取時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。但是由于β胡蘿卜素在較高的溫度下易發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)和氧化降解反應(yīng)，而且微波加熱的溫度升高快，需考慮溫度對(duì)β胡蘿卜素的影響。

5 酶解輔助萃取法

酶解輔助萃取法（Enzymeassisted extraction， EAE）是一種條件溫和并且環(huán)境友好的提取方法。利用特定酶來(lái)降解或破壞細(xì)胞壁或細(xì)胞膜中的果膠、糖蛋白、纖維素和半纖維素等，使生物活性物質(zhì)從細(xì)胞中釋放出來(lái)，能夠減少使用有機(jī)溶劑、加快提取速度并提高萃取得率。

呂爽采用酶解輔助萃取胡蘿卜中的β胡蘿卜素，得出的最佳工藝為：以體積比為2∶1的乙酸乙酯和無(wú)水乙醇混合溶劑作提取劑，加入纖維素酶和果膠酶復(fù)合酶進(jìn)行酶解，纖維素酶的加酶量為0.7%，酶解溫度55 ℃，時(shí)間180 min，pH為4.6；果膠酶用量為12%，酶解溫度55 ℃，時(shí)間60 min，pH為4.6，色素的提取率為99.8%[7]。Ahmed等研究干燥條件對(duì)甘薯中β胡蘿卜素提取的影響，優(yōu)化得到的工藝為：將去皮后的甘薯切成1 mm厚的條狀，然后用2.0%的檸檬酸室溫下浸泡1.84 min，再在烘箱中55.06 ℃干燥6～7 h（水分含量為6%～7%），磨成粉過(guò)80目篩后進(jìn)行提取，β胡蘿卜素的含量為14.61 mg/g[28]。

利用食品級(jí)細(xì)胞壁降解酶類（如纖維素酶、果膠酶、半纖維素酶等）水解胡蘿卜、藻類等原料中的細(xì)胞壁多糖，可以減少萃取過(guò)程中的傳質(zhì)障礙，進(jìn)而提高萃取得率。由于操作條件溫和提取時(shí)間短，比較適合β胡蘿卜素這類易被氧化降解的物質(zhì)的提取，但是需要考慮酶在有機(jī)溶劑中的活性問(wèn)題。

6 存在的問(wèn)題與展望

β胡蘿卜素作為一種具有重要生理活性的脂溶性色素，由于它在較高的溫度下易發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)和氧化降解反應(yīng)，在萃取的過(guò)程中應(yīng)注意β胡蘿卜素的保護(hù)問(wèn)題。國(guó)外對(duì)超臨界萃取β胡蘿卜素的研究相對(duì)較深入，而尋找合適的夾帶劑和進(jìn)行合適的預(yù)處理是很好的突破口。由超聲波輔助萃取法和微波輔助萃取法能有效提高β胡蘿卜素萃取率并縮短提取時(shí)間。未來(lái)的研究應(yīng)注重萃取機(jī)理、工藝條件對(duì)β胡蘿卜素結(jié)構(gòu)、活性及生物利用率等的影響、多技術(shù)聯(lián)用協(xié)同萃取以及通過(guò)正交或響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，同時(shí)對(duì)于天然β胡蘿卜素的開(kāi)發(fā)應(yīng)注重開(kāi)拓原料來(lái)源，特別是從加工副產(chǎn)物中進(jìn)行提取和分離。

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