食品中類胡蘿卜素提取方法探討

彭偉，趙媛媛，姜巍偉

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266000)

類胡蘿卜素是一種類異戊二烯顏料,綠葉蔬菜、水果和單細胞微藻都是天然類胡蘿卜素的主要來源[1]。天然類胡蘿卜素具有多種生理功能：超氧自由基陰離子介導的抗氧化性質；防紫外線的光保護性能；調節細胞分化、細胞周期和凋亡等。在工業上類胡蘿卜素常被用作食品著色劑、營養強化劑和抗氧化劑等[2]。葉黃素可作為食品著色劑用于面條、蛋黃醬、色拉調味品以及烘焙食品中[3]；在豆腐乳等調味品中，利用番茄紅素具有超強的抗氧化活性，代替亞硝酸鹽防止食物腐敗變質，有效延長保質期。然而，人工合成的類胡蘿卜素不具有這些特殊的生理功能[4]，因此天然類胡蘿卜素的制備顯得尤為重要。近幾十年來，科研工作者們致力于類胡蘿卜素提取方法的開發與改進。本文綜述了類胡蘿卜素各種提取方法、原材料的前處理以及提取溶劑的選擇，對其今后更為廣泛的提取應用具有一定的參考價值。

1 生物材料的預處理

植物和微藻細胞存在剛性細胞壁，其胞內類胡蘿卜素與蛋白質等大分子之間有強大的作用力，這就使溶劑很難進入細胞，從而阻礙了提取過程中類胡蘿卜素的傳質。在提取前應用凍融、低溫研磨、高壓均質等物理方法，酸、堿、表面活性劑等化學方法，酶催化等生物方法對材料進行預處理，可有效增加類胡蘿卜素的提取效率。Singh等[5]對提取海洋真菌中蝦青素的各種物理、化學和機械方法進行比較。結果表明：與直接萃取相比，溶劑萃取前用二甲基亞砜(DMSO)處理后，蝦青素產率提高了2.5倍。用鹽酸處理后，蝦青素的產率最高。蝦青素的產率與酸的濃度成正比，然而酸度過高會引起蝦青素降解。在不同的機械細胞破碎方法中，用超聲波處理的蝦青素產率是珠磨法、勻漿法以及研磨法的5～6倍。

2 溶劑的選擇

類胡蘿卜素具有疏水性，通常使用丙酮、氯仿、己烷、甲醇和乙醚等有機溶劑進行萃取。溶劑的選擇要考慮到諸多方面的因素，如生物材料的種類，水分含量及類胡蘿卜素的極性等。通常選擇丙酮和己烷分別提取極性和非極性類胡蘿卜素。提取混合極性的類胡蘿卜素時，最常使用丙酮/乙醇/己烷的混合溶劑。丙酮和乙醇可以與水互溶，能夠有效提取含有大量水分的植物材料中的類胡蘿卜素。Alfonsi等[6]試驗了使用各種有機溶劑從番茄中提取番茄紅素，結果表明：與己烷、乙醚、二氯甲烷和氯仿相比，乙醇和丙酮的回收率分別達到80%和75%，同時這兩種溶劑對人體危害最小，是番茄紅素提取的優選溶劑。

3 類胡蘿卜素的提取方法

3.1 索氏提取法

索氏提取法是一種液固萃取方法，它是利用在沸騰溫度下冷凝下來的萃取溶劑對樣品進行反復萃取[7]，得到目標化合物。然而，該方法耗時較長，需使用大量溶劑，從而增加了萃取成本。Cardenas-Toro等[8]利用索氏提取法從壓制棕櫚纖維中提取棕櫚油類胡蘿卜素，將溶劑/樣品比優化為20 (mL/g)，獲得較高產率，而滲濾(35 ℃，2.4 g/min)和加速溶劑萃取(55 ℃，40 bar，2.4 g/min)則產率較低。

3.2 加速溶劑萃取(ASE)

加速溶劑萃取是通過高壓萃取促進細胞滲透性、分子間物理作用以及萃取溶劑的滲透，從而改善類胡蘿卜素提取過程中的傳質。在高壓條件下，類胡蘿卜素結合蛋白發生變性，可以提高類胡蘿卜素的產率[9]。Zaghdoudi等[10]發現了ASE法提取不同極性類胡蘿卜素的最佳條件。以凍干杏、桃和柿子等水果為原材料，在40 ℃，103 bar壓力下，使用甲醇和四氫呋喃作為萃取劑，提取5 min，使葉黃素和玉米黃質的回收率分別達到79%和71%。此外，ASE與傳統的溶劑萃取法相比，溶劑使用量較少而且不影響提取產率。

3.3 超臨界流體萃取(SFE)

超臨界流體萃取是使用超臨界CO2(SC-CO2)作為提取溶劑，從固體或液體基質中提取類胡蘿卜素等不耐熱化合物的有效方法。與常規方法相比，超臨界CO2擴散系數較高而粘度較低，能夠快速滲透到生物基質中，從而提高萃取效率[11]。此外，該過程中使用的CO2可以在降壓過程中去除，使得提取物高度濃縮且沒有有機溶劑殘留，是提取類胡蘿卜素這種高純度不耐熱化合物的“綠色方法”。近年來，SFE與色譜技術如液相色譜(LC)、氣相色譜(GC)和超臨界流體色譜(SFC)等成功耦合，應用于同時提取和分析類胡蘿卜素[12]。Pol等[13]采用SFE耦合高效液相色譜法(HPLC)，以番茄、葡萄柚、西瓜等新鮮水果為原材料，在90 ℃，400 bar壓力下，CO2流速為1.5 mL/min，以90%乙腈和10%甲基叔丁基醚作為流動相，流速為1 mL/min，使番茄紅素的回收率達到了88.7%。

3.4 酶輔助提取(EAE)

酶輔助提取利用水解酶破壞細胞壁的結構完整性，暴露細胞內物質從而提高提取產率。常用的水解酶為纖維素酶和果膠酶，纖維素酶水解植物細胞壁中纖維素的1,4-β-d糖苷鍵，果膠酶分解細胞壁中的果膠物質。Strati等利用纖維素酶和果膠酶(分別為70 U/g和122.5 U/g)從番茄、番石榴、胡蘿卜等中提取類胡蘿卜素，與非酶處理相比，處理后的回收率是未經處理的6倍和10倍。

3.5 超聲輔助提取(UAE)

超聲輔助提取利用超聲波技術與其他提取方法聯合，用于提取熱不穩定性生物活性物質。該方法應用廣泛、操作簡單易行、節能環保。影響該提取方法的因素包括超聲功率、強度、溫度和樣品與溶劑比等。Yan等[14]從油菜籽中提取類胡蘿卜素，運用響應面法優化了提取條件，提取溫度49.6 ℃，超聲功率252.9 W，樣品溶劑比41.4 (mL/g)，提取時間48.5 min，使類胡蘿卜素的回收率達到79.61%。Jaeschke等[15]利用超聲輔助提取法以微藻為原料提取類胡蘿卜素，在30 ℃，超聲功率664 W，75%的乙醇濃度下，使類胡蘿卜素回收率達到80%。

3.6 離子液體提取

離子液體(ILs)完全由陰陽離子構成，室溫下呈現液態，是提取類胡蘿卜素的“綠色溶劑”[16]。Desai等[17]利用ILs在45 ℃下提取血球囊腫細胞中的蝦青素，ILs具有強溶解能力，在帶電環境能夠起到保護蝦青素的作用，使其免于氧化，蝦青素回收率達到79%。同時，Bi等[18]從廢蝦料中提取蝦青素，試驗了7種不同的離子液體，結果表明：與1-乙基咪唑鹽酸鹽、1-乙基咪唑四氟硼酸鹽等相比，1-正丁基-3-甲基咪唑鹽酸鹽(0.50 mol/L)的水溶液可獲得較高的蝦青素產率(82%)。

4 結論

天然類胡蘿卜素具有多種生理和藥理功能，其相關功能性產品的開發和應用前景廣闊，在調味品行業的突出貢獻更是不容小覷，如何經濟高效地“綠色”提取類胡蘿卜素成為近期的研究熱點。利用數學建模來預測生物材料和溶劑之間的相互作用，有助于選擇合適的溶劑，從而提高類胡蘿卜素的產率。超臨界流體萃取是目前提取類胡蘿卜素的“綠色方法”，但其設備成本高，對極性類胡蘿卜素的回收率較低。用于類胡蘿卜素提取的其他方法也都存在利弊，因此未來還需要對這些方法的成本、環境安全性、效率和再現性進行進一步的分析與評估，為今后類胡蘿卜素的提取工作提供一個借鑒，從而促進類胡蘿卜素更高水平的加工和更好的利用[19]，為中國調味品行業的發展做出貢獻。

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