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几种常见的类胡萝卜素提取技术

    类胡萝卜素是一种广泛存在的脂溶性天然色素，对人体健康和预防疾病都有重要作用[1]，迄今为止，在自然界中被发现的类胡萝卜素已经高达600 多种[2]，其中几种常见的类胡萝卜素有α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄素、番茄红素以及虾青素等。近年来，随着人们健康意识的增强，对天然类胡萝素的需求大大增加，开发利用类胡萝卜素已经成为一个引人注目的发展趋势[3]。然而，天然存在的类胡萝卜素种类及异构体繁多、稳定性差、对光、热、氧等敏感，在众多提取方法中没有一种能适合所有样品中类胡萝卜素的方法，因此，基于不同样品中类胡萝卜素的性质选取合适的提取方法，有利于提高类胡萝卜素的提取效果，避免提取过程中的提取不完全及提取损失。
    1 ·类胡萝卜素的主要提取方法
    样品提取作为分析检测过程中的第一步对其定量分析结果起着至关重要的作用，同样的材料采用不同的提取方法，结果有很大的差异[4]。类胡萝卜素种类繁多，在提取过程中要基于其性质提取，主要的提取方法有：有机溶剂直接提取法、皂化后提取法、超声波辅助提取法等。
    1.1 有机溶剂直接提取法
    作为一种天然存在的脂溶性维生素，类胡萝卜素不溶于水，易溶于丙酮、正己烷、石油醚、乙醚等有机溶剂，样品中类胡萝卜素的种类及存在形式直接决定了有机溶剂的选择。不同种类的类胡萝卜素极性大小有很大的差异，如叶黄素的极性大于胡萝卜素的极性，根据相似相溶的规律，在极性较强的溶剂中,叶黄素的饱和溶解度一般比较高[5]，非极性溶剂中, 胡萝卜素的溶解度较高。在万寿菊花中绝大多数叶黄素均以酯形1式存在，而非游离态[6]，极性较大的游离叶黄素占16 %[7]，在提取过程中宜选用极性与非极性溶剂配比提取。Vicario 等用甲醇/丙酮/正己烷（1 ∶ 1 ∶ 2，体积比）提取橘汁中的类胡萝卜素[8]。然而，没有一种溶剂能适合所有样品中的类胡萝卜素。
    1.2 皂化后提取法
    皂化可以使组织中的脂肪水解，纯化用于检测的类胡萝卜素样品；破坏样品的组织细胞，提高类胡萝卜素的提取率；使非游离态的类胡萝卜素转变为游离态的类胡萝卜素[9-10]，使样品中的类胡萝卜素完全释放出来。皂化后再选取合适的溶剂提取，溶液更容易分层，有利于提取完全，并提高提取率。如Deming 等采用60 ℃、25 min 皂化来提取沙土鼠组织中的类胡萝卜素[11]，李国银等用皂化可以有效去除枸杞果肉中的大部分脂肪酸甘油酯和游离脂肪酸[12]。   1.3 超声波辅助提取法
    天然植物成分大多为细胞内产物，提取时往往需要将细胞破碎，而现有的机械或化学破碎方法有时难于取得理想的破碎效果。超声波辅助法在植物有效成分的提取中已显示出了明显的优势[6]。超声波通过溶剂内小气泡的形成和破碎，产生冲击波，在短距离范围内产生高温和高压，可有效破碎生物细胞和组织，能在较短时间内达到高效提取类胡萝卜素的目的[13]。研究表明，超声波辅助提取可大大提高蚕沙中类胡萝卜素的提取率，超声波法提取率是溶剂法提取率的2.04 倍[14]。   2 ·几种常见类胡萝卜素的特性及提取方法
    2.1 β-胡萝卜素
    2.1.1 β-胡萝卜素的特性
    β-胡萝卜素主要存在于深绿色或红黄色的蔬菜和水果中，如胡萝卜、西兰花、菠菜、空心菜、甘薯、芒果、哈密瓜、杏及甜瓜等，越是颜色强烈的水果或蔬菜，含β-胡萝卜素越丰富。
    β-胡萝卜素由4 个异戊二烯双键首尾相连而成，属四萜类化合物，在分子的两端各有1 个β-紫萝酮环，中心断裂可产生2 个维生素A 分子，因此被称作维生素A 原，具有抗氧化、增强免疫、抗癌和强化营养的作用[15]。
    2.1.2 β-胡萝卜素的提取方法
    β-胡萝卜素极性较小，耐光、耐热耐氧化性较差，见光受热易分解，为了提高β-胡萝卜素的品质和提取率，应采取避光、低温提取的方法。根据原料中各种成分在溶剂中的溶解性，选用对活性成分溶解度大、对不需要溶出成分溶解度小的溶剂。Watanabe 等用二氯甲烷：甲醇（2 ∶ 1，体积比）提取卷心菜中β-胡萝卜素[16]。胡小明等研究发现，利用石油醚提取胡萝卜中的β-胡萝卜素，可以提高提取率[17]。刘晓燕等实验表明，将试样预处理后，用4 % NaOH 甲醇溶液在60℃~70℃皂化1 h，3 ∶ 7（体积比）的丙酮与石油醚混合溶剂反复萃取，可显著提高提取率[9]。
    2.2 叶黄素
    2.2.1 叶黄素的特性
    叶黄素是一种含氧的极性较强的类胡萝卜素，不溶于水，溶于某些有机溶剂，如氯仿、二氯甲烷、正己烷等。叶黄素在偏酸溶液、弱光和低温下比较稳定，在偏碱性条件下较不稳定，在弱酸性、弱碱性条件下，发生颜色可逆变化，在强碱、强光或高温条件下被破坏[18]。   叶黄素在甘蓝、羽衣甘蓝、菠菜等深绿色叶菜及金盏花、万寿菊等花卉中含量最高，其次，南瓜、桃子、辣椒、芒果、柑橘中含有丰富的“叶黄素酯”。万寿菊中的叶黄素含量较高，而且叶黄素的含量远远大于其它的类胡萝卜素。叶黄素具有抗氧化、预防疾病、保健和着色等功能[19]。
    2.2.2 叶黄素的提取方法
    目前提取天然叶黄素的方法有: 有机溶剂萃取、CO2 超临界萃取、生物技术萃取、微波萃取、超声波萃取等方法[20]。有机溶剂提取是传统的生产方法，以万寿菊为例，万寿菊中叶黄素占类胡萝卜素的85 %[21]，极性较大的游离叶黄素占16 %，其他叶黄素大部分以酯的形式存在，是工业上提取分离叶黄素的理想工业原料，在提取系统中若极性溶剂的比例太低，则游离的叶黄素可能提取不完全[6，7， 22]。车越等研究表明，菊花中含氧类胡萝卜素含量较高，含有较多酯类化合物，醇类等极性强的溶剂提取率较高[23]。利用超声波辅助正己烷和石油醚提取万寿菊花中叶黄素，超声波作用30 min 时，叶黄素的提取率达95 % 以上[6]。
    2.3 玉米黄素
    2.3.1 玉米黄素的特性
    玉米黄素的分子式均为C40H56O2，与叶黄素互为同分异构体。玉米黄素易溶于乙醚、丙酮、石油醚、酯等有机溶剂，在金盏菊、玉米和柑橘皮中含量比较丰富。在食品保鲜剂、天然着色剂、新型饮料、保健等方面应用广泛。
    研究表明，玉米黄素能高效去除体内的自由基，减少主动脉内皮细胞表面的粘附因子，在防止动脉硬化过程发病过程中起重要作用[24-25]，对抑制细胞脂质的自动氧化和防止氧化带来的细胞损伤方面有一定的作用[26]，玉米黄素通过淬灭单线态氧，来防止眼球晶状体中蛋白和脂类的氧化，从而间接地减少晶状体蛋白的氧胁强，起到预防白内障的病发的作用[27]。
    2.3.2 玉米黄素的提取方法
    目前，玉米黄素主要采用有机溶剂法和超临界二氧化碳萃取法提取。有机溶剂分离提取法的主要特点是提取工序比较简单，提取率较高。有研究表明，利用正己烷等极性高的有机溶剂提取玉米黄素，能够提取较高浓度的玉米黄素，但有一定的溶剂残留[28]。枸杞中含有的游离玉米黄素占3 %左右[29]，在提取过程中要选用含有一定比例的极性溶剂。超临界二氧化碳萃取法是近年来新兴起的新型化工分离技术，它分离的天然产物有效成分具有安全、无毒、高效的特点[30]。
    2.4 番茄红素
    2.4.1 番茄红素的特性
    番茄红素是一种只有碳氢组成的类胡萝卜素，分子式为C40H56，为开环结构，具有高度的不饱和性[31]，存在于多种植物、细菌、真菌及人的血液、组织中[32]。番茄红素易溶于丙酮、氯仿、苯和二氧化碳中，难溶于甲醇和乙醇[33]。
    研究发现，番茄红素不仅作为添加剂用于食品工业，而且还有很强的抗氧化、降低核酸损伤、抑制突变、保护心血管、减少心血管疾病、预防和抑制癌症等功能[34]，日益受到营养界的关注。
    2.4.2 番茄红素的提取方法
    以提取新鲜番茄中的番茄红素为例，新鲜番茄中含有丰富番茄红素，一般可达3 mg/100 g~14 mg/100 g，并且含量随品种和成熟度的不同而不同，成熟度越高，番茄红素的含量也越高，最高可达每百克400 mg以上[35]，但也含有大量水分，只有除去水分后才能将番茄红素提取出来，在提取时，借助与水混溶的极性溶剂除掉水分，非极性溶剂从组织中溶出番茄红素，好的提取溶剂应是极性和非极性溶剂的混合液[7]，邓书平等研究表明，溶剂法萃取番茄红素的最佳条件是氯仿-丙酮（2 ∶ 1）混合液作为萃取剂进行提取[36]。
    2.5 虾青素
    2.5.1 虾青素的特性
    虾青素，分子式为C40H56O4，分子量为596.84，主要存在形式有：蛋白质结合式，酯化形式，游离态形式[37]。它具有亲脂性，易溶于食用油、二硫化碳、丙酮、苯和氯仿等有机溶剂。虾青素作为一种天然生物色素，广泛存在在虾、蟹壳、红色酵母及雨生藻中[38]，具有很强的生物活性。
    基于虾青素较高的抗氧化性，在医药领域有广泛应用[39-40]；虾青素可以作为鱼类和家禽的饲料添加剂，是养殖的鱼类及禽蛋着色；可以作为食品保鲜剂，防止食品变质；掺和到化妆品中起到美容护肤的作用；还可以制成保健品、饮料等。
    2.5.2 虾青素的提取方法
    低沸点有机溶剂是一类提取虾青素的有效溶剂。由于选择的萃取剂沸点低，故可借助蒸馏技术将溶剂回收而循环利用，并可得到浓度较大的虾青素油。常见的溶剂有丙酮、乙醇、氯仿、二氯甲烷等，不同的溶剂提取效果不同[41]。在室温下，虾青素的溶解度：二氯甲烷＞氯仿＞丙酮＞乙醇。研究表明，用丙酮从冷冻干燥的南极鳞虾废弃物中提取虾青素，产率达到129.5 mg/g[42]，用乙酸乙酯提取虾青素，从2.13 kg 对虾壳中提取得到了392 mg 虾青素[43]。此外，超临界CO2 萃取法由于其提取的产品具有纯度高、溶剂残留少、无毒副作用等优点，越来越受到人们的关注。Felix 等研究发现，CO2超临界萃取时以乙醇作萃取剂效果良好[44]。
    3· 展望
    类胡萝卜素具有良好的生物活性，随着人们健康意识增强，对功能性食品的需求大大增加，全球市场对类胡萝卜素的需求量以每年2.9 %的速度增加。然而，在销售市场中的类胡萝卜素的以化学合成为主，远不能满足现代消费者的需求，因此，从化学合成转为从生物中提取是一种必然趋势。建立基于样品种类的提取分离方法不仅能高效地提取类胡萝卜素，发挥其良好的生物活性，造福人类，还具有很高的经济效益，有广阔的市场前景。此外，建立准确高效的类胡萝卜素检测方法对于促进类胡萝卜素的应用也具有十分重要的意义。
  

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