β-胡蘿卜素提取方法、生理功能及應用研究進展

曲蕙名，楚 杰，韓利文，劉建龍，劉可春

(1山東師范大學生命科學院，濟南 250014；2山東省科學院生物研究所/山東省生物檢測技術工程實驗室/山東省生物傳感器重點實驗室/山東省科學院藥物篩選技術重點實驗室，濟南 250014)

β-胡蘿卜素提取方法、生理功能及應用研究進展

曲蕙名1，楚 杰2，韓利文2，劉建龍1，劉可春2

(1山東師范大學生命科學院，濟南 250014；2山東省科學院生物研究所/山東省生物檢測技術工程實驗室/山東省生物傳感器重點實驗室/山東省科學院藥物篩選技術重點實驗室，濟南 250014)

對β-胡蘿卜素的提取方法、生理功能和應用領域進行綜述，為β-胡蘿卜素的研究和開發提供參考。

β-胡蘿卜素；提取；生理功能

β-胡蘿卜是良好的食品添加劑和營養增補劑，有較強的自由基捕捉能力，同時具有抗癌、防衰老等功效[1-3]。基于β-胡蘿卜素這些特性，近年來對其研究利用的程度大大增加，全世界β-胡蘿卜素的年需求量在1 000t左右[4-5]，已廣泛應用在醫藥、食品等各個領域。本文對β-胡蘿卜素提取方法、生理功能及應用方面的研究進行綜述，旨在為β-胡蘿卜素的研究和開發提供參考。

1 β-胡蘿卜素的提取方法

β-胡蘿卜素來源主要有三種：化學合成法、植物提取法和微生物發酵法。微生物發酵法生產胡蘿卜素不受環境條件的限制，具有安全性高、低成本等優勢。發酵生產β-胡蘿卜素的主要菌株有克拉克須霉菌、杜氏鹽藻、三孢布拉氏霉菌和紅酵母。由于β-胡蘿卜素的來源不同，因此提取方法也有多種。

1.1 有機溶劑提取法

陳永斌[6]通過設計正交試驗方案，考察水浴溫度、水浴時間、提取溶劑的配比和料液比4個因素，對甘薯“紅心 431”β-胡蘿卜素提取工藝進行研究，最優搭配為溫度60℃、提取時間 45 min、料液比 2∶50、丙酮—石油醚比2∶3。Azmi Wamik等[7]利用超聲技術對紅酵母細胞進行破碎，再用己烷和乙酸乙酯(1∶1，v/v)提取，得到的β-蘿卜素的最大提取量濃度為每克干細胞重量336μg。

有機溶劑提取法的優點是設備投資成本較低、工藝技術成熟并且易于實現工業化，但其提取率較低且需要多種溶劑進行提取，大量有機溶劑的使用會帶來不同程度的污染，且不易回收。β-胡蘿卜素對氧氣、熱、光不穩定，此方法可能導致β-胡蘿卜素的異構和氧化。

1.2 柱層析法

劉卉琳等[8]利用大孔樹脂對粘性紅圓酵母RM-1產β-胡蘿卜素進行提取純化，得到最佳的吸附和解吸條件為X-5吸附樹脂，乙醚作洗脫劑，上樣質量濃度111.82μg/mL、吸附流速1mL/min、洗脫流速0.5mL/min。韓梅等[9]對鎖擲酵母油中的主要功能性成分用兩次硅膠柱層析進行提取純化，將酵母油溶于60～90℃的石油醚中，硅膠柱(ID32mm×25mm，硅膠粒度200～300目)上樣，洗脫條件為石油醚200mL梯度添加20%丙酮的石油醚200mL，然后換為300mL 20%的石油醚丙酮溶液逐漸梯度添加300mL乙酸乙酯，流速5 mL/min，每管收集2 min，從鎖擲酵母油中提取分離出β-胡蘿卜素、γ-蘿卜素和紅酵母烯等9種成分。

與其他提取方法相比較，柱層析法具有能耗低、洗脫劑易于回收再利用和所得產品純度高等優點，但也存在提取工藝復雜、所耗時間長和所需溶劑量大的缺點，β-胡蘿卜素難以較快洗脫。實際生產中，很難工業化。

1.3 超臨界CO2萃取

高梁[10]利用響應面法對西瓜蜂花粉β-胡蘿卜素超臨界CO2萃取條件優化，發現最佳萃取條件為萃取溫度51℃、萃取壓力34 MPa、萃取時間80 min，在此條件下β-胡蘿卜素的提取率達到8.79 mg/100g。Montero等[11]對萃取一種海洋藍藻的β-胡蘿卜素所需溫度、壓力、萃取時間、助溶劑和流速5種因素進行評估，在65℃和30MPa，添加5%乙醇的情況下，在2h(流速=4kg/h)中β-胡蘿卜素提取率最大。Sabio等[12]以番茄加工副產物番茄皮為原料，得到的萃取工藝為：原料平均粒徑0.345mm、萃取溫度80℃、萃取壓力30MPa、CO2流速0.792kg/h、萃取時間8.2h，β-胡蘿卜素的回收率分別為88%。超臨界CO2萃取法與傳統的溶劑萃取法相比，無化學溶劑殘留，無污染，保護活性物質的生理活性，工藝簡單，已被廣泛應用。由于β-胡蘿卜素在CO2中溶解度有限，需使用夾帶劑來提高萃取率。

1.4 超聲提取

超聲提取法是近年來新興的一種節能高效的提取方法。陳莉等[13]用正交試驗優化了超聲法提取三孢布拉霉中β-胡蘿卜素的工藝條件：15倍量的乙酸乙酯(v/w)、35℃、100W超聲提取40min，2級提取。加入抗氧化劑可使β-胡蘿卜素提取率提高到89.2%。張海霞[14]以胡蘿卜干粉為原材料，操作條件為超聲溫度55℃、超聲功率50W、頻率100KHz、超聲時間90min，β-胡蘿卜素的提取率達到85%。Soumen等[15]探究從螺旋藻中提取β-胡蘿卜素的方法，最佳條件是在30℃下，50mL正庚烷中的加入1.5g螺旋藻(在甲醇中預浸泡2min)，超聲強度為167W/cm2和61.5%的占空比，超聲時間為8min，探針尖端長度為0.5cm，獲得的最大提取率為47.10%。Ashwini J.Purohit等[16]使用2個超聲波照射源對胡蘿卜廢渣中的β-胡蘿卜素進行超聲輔助提取，結果發現：超聲波照射50min、50℃溫度、100W功率，固體與溶劑的比率為0.3：20(g/mL)，使用超聲變幅桿時，β-胡蘿卜素的提取率達到83.32%；而使用超聲波浴時，最大提取率為64.66%。

超聲提取法操作簡便，且提取率高。超聲提取適應性廣，提取中藥材不受中藥材成分性質、分子量大小的限制，適用于絕大多數種類中藥材和各類成分的提取。對遇熱不穩定、易水解或氧化的藥材中的有效成分如β-胡蘿卜素具有保護作用。然而超聲提取受粒度大小、含水量等因素限制，并且現階段超聲提取法基本還停留在實驗室研究上，工業應用還存在如超聲功率與工業大容積提取罐難匹配等問題有待解決。

1.5 微波提取

陳磊等[17]采用微波輔助提取枸杞中β-胡蘿卜素，考察了微波萃取功率、提取時間、固液比和提取溫度對β-胡蘿卜素提取率的影響。在單因素試驗基礎上，通過正交試驗優化了提取工藝。結果表明，最佳工藝參數為：枸杞在丙酮—石油醚體積比(3∶7)作萃取劑、固液比1∶15、提取溫度25℃、提取時間80s、提取功率400W，β-胡蘿卜素的提取率為0.55%。孫協軍等[18]建立了一種從鹽藻粉中快速提取β-胡蘿卜素的微波輔助提取方法：乙酸乙酯為溶劑、微波功率500W、液固比232mL/g、提取溫度42℃、萃取時間7.0min、攪拌轉速180r/min，鹽藻β-胡蘿卜素的得率為1.03%。

微波提取β-胡蘿卜素等天然產物減少了萃取時間，降低了溶劑的消耗，提高了提取率和提取效率。微波加熱的溫度升高快，需考慮溫度對β-胡蘿卜素造成的的異構化等影響。

1.6 酶解輔助萃取法

張瑋瑋等[19]研究了酶法水解從胡蘿卜中提取水溶性β-胡蘿卜素的關鍵工藝參數，結果表明，較優提取工藝條件為：取鮮胡蘿卜50g，直接打漿后加入100mL的0.2g/100mL的吐溫-80溶液，響應面分析優化得到的提取條件為果膠酶0.49g、酶解pH 6.08、超聲波時間41.58min、調節pH至6.0，于40℃攪拌2h后加入2g硅藻土抽濾，β-胡蘿卜素提取率為12.23μg/g。呂爽[20]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的乙酸乙酯和無水乙醇混合溶劑作提取劑，在同一緩沖液體系中使用纖維素酶和果膠酶的復合酶進行處理，纖維素酶的加酶量為0.7%、酶解溫度55℃、時間180min、pH 4.6；果膠酶用量為12%、酶解溫度55℃、時間60min、pH 4.6，β-胡蘿卜素的提取率為99.8%。SIMS等[21]研究發現，果膠酶和纖維素酶處理胡蘿卜泥可以提高出汁率，胡蘿卜素提出率比較單一溶劑萃取法可增加2倍多，穩定性提高，胡蘿卜汁的顏色變深。酶解輔助法提取β-胡蘿卜素具有反應溫和、專屬性強且反應活化能低等特點，可大幅度提高提取率。該技術對酶法預處理的實驗條件要求較高，需對酶種類、最佳酶解溫度、pH及時間等因素進行篩選以獲得最佳工藝條件。

2 β-胡蘿卜素的功能

β-胡蘿卜素是維生素A的重要來源，早在20世紀Steenkbock[22]就發現β-胡蘿卜素可能具有維生素A活性。

2.1 β-胡蘿卜素的抗氧化性

β-胡蘿卜素是良好的自由基猝滅劑，因其多烯烴結構，具有較強的自由基捕捉能力，能清除氧自由基、單線態氧和降低脂質氧化物的產生，使機體的抗氧化狀態明顯改善。袁磊等[23]采用DPPH法、水楊酸法和鄰苯三酚自氧法分別表征β-胡蘿卜素清除DPPH·自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基能力，結果表明，β-胡蘿卜素具有較強的清除自由基能力，且清除能力均遵循劑量—效應關系；在濃度為100μg/mL時，對DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子的清除率分別為65.50%、69.22%和69.50%。劉曉庚等[24]發現，β-胡蘿卜素對DPPH自由基有較強的清除作用，當β-胡蘿卜素質量濃度高于80μg/mL時，其清除DPPH自由基能力與維生素E相當，且高于BHT清除DPPH自由基的能力；在一定范圍內β-胡蘿卜素質量濃度越高，其DPPH自由基清除能力越強，當β-胡蘿卜素質量濃度增大到某個臨界值時，DPPH自由基清除率保持穩定。β-胡蘿卜素作為抗氧化劑在30min內可達到較好的抗氧化效果。劉明美等[25]在山羊日糧中添加不同水平的β-胡蘿卜素，當日糧中β-胡蘿卜素添加水平為82.5mg/d時，山羊血清中SOD、GSH-Px、CAT活性和T-AOC水平均極顯著高于對照組，所有處理的山羊血清MDA含量都極顯著低于對照組，得出日糧中添加適量的β-胡蘿卜素能增強山羊的抗氧化能力。Daniel等[26]評估了β-胡蘿卜素在脂質體和微粒體膜中的抗氧化作用：脂質體制備時，實驗組將0.35mol%的β-胡蘿卜素加入到二亞油酰磷脂酰膽堿脂質體中，可以抑制由AAPH引發的脂質過氧化作用；對照組未添加β-胡蘿卜素的脂質體懸浮液中，未觀察到抗氧化作用。

2.2 β-胡蘿卜素對免疫系統的調節作用

β-胡蘿卜素在特定條件下可提高機體的細胞免疫、體液免疫及非特異性免疫反應，增強對某些疾病的抵抗力，改善健康狀況。喬冬等[27]將β-胡蘿卜素以灌胃和腹腔注射兩種方式作用于小鼠，采用液體芯片檢測技術，對小鼠血清24種細胞因子含量的變化進行測定。發現β-胡蘿卜素能促進炎癥細胞因子的產生，不同途徑對細胞因子的作用強度有所不同。β-胡蘿卜素調節機體的免疫，其作用的信號途徑涉及NF-κB、JAK-STAT等途徑。Amar等[28]用天然來源的β-胡蘿卜素以口服的方式作用于虹鱒魚，飼養9周來評價其對虹鱒魚非特異性防御機制的影響，結果表明，β-胡蘿卜素可顯著提高血清溶菌酶濃度，可以調節虹鱒魚的一些先天防御機制。Cucco等[29]研究表明，在成年鷓鴣飼糧中添加27mg/kg β-胡蘿卜素，可顯著提高雌鳥的免疫力，所產卵的蛋清中可檢測出高含量的β-胡蘿卜素，這些卵的孵化率更高，蛋的抗菌能力更強，而對于雄鳥其差異不顯著。

2.3 提高繁殖性能

通過在日糧中添加不同水平的β-胡蘿卜素，可提高生產性能和后代成活率，其提高動物繁殖性能的機制可能是：作為一種生理抗氧化劑，它可通過保護活性較高的卵泡和子宮細胞免受自由基的破壞，保護重要的細胞器，這有助于卵巢細胞內類固醇的機能及重要的子宮蛋白質分泌達到最佳水平，從而改善子宮內環境[30]。任延利等[31]在蛋鴨基礎日糧中加入不同水平的β-胡蘿卜素菌粉，飼喂15d，結果顯示：添加1 000mg/kg的β-胡蘿卜素菌粉能降低料蛋比12.4%，提高產蛋率1.94%，增加蛋色度5度。葛金山等[32]采用非配對單因子隨機分組設計對長大母豬進行實驗，結果表明，日糧中添加β-胡蘿卜素能顯著減少弱仔數、死胎數；提高平均出生窩重和斷奶個體重。劉汝祥等[33]以荷斯坦種公牛為實驗對象，單因子試驗設計，隨機分組后分別飼喂基礎日糧和添加β-胡蘿卜素試驗日糧(按日糧風干物質計)，試驗期為6個月，觀察不同β-胡蘿卜素添加水平對種公牛精液品質和血清指標的影響，發現添加β-胡蘿卜素可極顯著地提高種公牛血清β-胡蘿卜素含量，而血清和精清中睪酮的濃度隨β-胡蘿卜素添加水平的提高呈先上升后下降趨勢；種公牛的射精量和鮮精活力顯著高于對照組，精液密度也極顯著高于對照組。

2.4 β-胡蘿卜素對癌癥的防治

β-胡蘿卜素通過不同的機制對多種癌癥具有防治作用，能夠抑制癌細胞的增殖，誘導癌細胞凋亡且能減少化療的不良反應。Cui Bokang等[34]通過對肝細胞癌大鼠中β-胡蘿卜素活性的研究發現，β-胡蘿卜素治療可顯著抑制腫瘤生長，增強血液NK、IL-2、TNF-α、WBC、TP、ALB和A/G水平，并降低血液ALT、AST、ALP活性。肝組織的病理分析表明，β-胡蘿卜素治療可減輕HCC大鼠肝組織的損傷，可以得出β-胡蘿卜素可以改善HCC大鼠的免疫功能和抑制腫瘤生長。地鼠實驗證明了β-胡蘿卜素對口腔癌的作用，用二甲基苯并蒽誘發制作地鼠口腔頰黏膜癌前病變模型，天然胡蘿卜素可明顯降低腫瘤壞死因子表達量的升高，抑制IL-10的表達，Senesse等[35]認為，β-胡蘿卜素對地鼠頰黏膜癌前病變具有一定的局部免疫調節作用，能夠干涉誘癌因素誘發腫瘤的過程，對口腔癌有化學預防作用。Matos等[36]對用鐵誘導大鼠前列腺氧化損傷模型進行實驗，在大鼠中腹腔注射β-胡蘿卜素(10mg/kg)5d后，測量血漿中Fe-NTA殘余物濃度，與對照組相比明顯降低，減少了脂質的損傷，證明β-胡蘿卜素對前列腺癌有預防作用。此外，Kim等[37]發現，多食用富含β-胡蘿卜素的食物的人胃癌發生率可降低至33%。Tamimi等[38]對969位女性進行血漿檢測及巢式病例對照研究，發現血漿中含β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素量高的女性比含類胡蘿卜素低的女性患乳腺癌的幾率低25%～35%。

2.5 其他功能

為研究β-胡蘿卜素對腸上皮細胞緊密連接的作用，董宏偉等[39]對豬空腸上皮細胞添加β-胡蘿卜素進行預處理，添加脂多糖刺激，檢測細胞活力和跨膜電阻抗，結果表明，與對照組和脂多糖刺激組比較，β-胡蘿卜素組IPEC-J2細胞活力以及跨膜電阻抗值最高，說明β-胡蘿卜素對腸上皮細胞有緊密連接的保護作用。Rauscher等[40]在鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸缺陷菌株中添加從蔬菜水果中提取的天然β-胡蘿卜素，發現AFB1、BaP、CP和IQ的細菌致突變性分別降低了72%、67%、53%、27%，證明了β-胡蘿卜素具有體外抗誘變的功效。Bechor等[41]發現，β-胡蘿卜素通過改善來自巨噬細胞的膽固醇流出，對抑制動脈粥樣硬化可達到有益效果。β-胡蘿卜素是一種較為安全穩定的天然食用色素，已被廣泛應用在食品和天然著色劑行業。此外，β-胡蘿卜素還具有光保護、預防眼疾、白內障，防止老化和衰老引起的多種退化性疾病的功效[42-43]，口服β-胡蘿卜素可降低阿爾茨海默病的發病風險[44]。

3 應用

β-胡蘿卜素是GB 2760—2011《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》許可使用的著色劑，被認定為A類優秀營養色素，并在世界52個國家和地區獲準應用。據報道，全世界β-胡蘿卜素的年需求量在1 000t左右，在我國其年銷售量約為4～5t[4]。β-胡蘿卜素本身的顏色可涵蓋由紅色至黃色的所有色系，非常適合油性產品及蛋白質性產品的開發。而經過微囊化處理的β-胡蘿卜素，可溶在水中，幾乎所有的食品和飼料都可應用。基于其著色、抗氧化、提高免疫力等功能，β-胡蘿卜素已被廣泛應用于天然著色劑、食品添加劑、營養食品、保健品、藥品、化妝品及生物工程產品的生產。

4 展望

將超聲提取、微波萃取、酶解法等現代技術與傳統方法有機溶劑萃取法結合，能有效提高β-胡蘿卜素提取率并縮短提取時間。另外，需找到一些適宜大規模工業生產的方法，以滿足人們對β-胡蘿卜素的需求。同時，要擴大β-胡蘿卜素的來源，如利用果皮和果蔬廢渣提取。◇

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(責任編輯 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

國合項目(項目編號：2014DFR30840)。

曲蕙名(1991— )，女，在讀碩士，研究方向：食品科學。

楚 杰(1965— )，女，學士，研究員，研究方向：生物學。