超声波辅助提取类胡萝卜素研究进展

金思，马空军

（新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046）

超声波辅助提取类胡萝卜素研究进展

金思，马空军*

（新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046）

类胡萝卜素是一种天然色素，具有抗氧化、抗癌、预防衰老等多种生理功能，广泛应用于食品、医学、保健、化妆品等各个领域。超声辅助提取方法具有节能、省时、高效的优点，越来越受到人们的关注。综合国内外相关文献，对超声辅助提取类胡萝卜素的传质机理进行解释，同时针对超声辅助类胡萝卜素提取方面的应用及研究进展进行阐述分析，并对未来超声提取技术应用于工业提出展望，以期为超声辅助提取类胡萝卜素领域的科研工作提供参考。

超声辅助；类胡萝卜素；传质机理；提取；展望

类胡萝卜素是一种天然色素，呈黄色、红色或橙红色的异戊二烯类化合物[1]。类胡萝卜素由胡萝卜素和胡萝卜醇两类组成。胡萝卜素分子由碳氢构成，可称为碳氢类化合物；胡萝卜醇属于高级醇，是胡萝卜素分子的氧化物[2]。常见的类胡萝卜素有β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素、辣椒红素和虾青素。类胡萝卜素具有多种有益的生理功能。首先，类胡萝卜素是人体中一种重要的微量营养素VA的来源，具有促进细胞分裂、促进胚胎发育、维持视力、提高免疫能力、抗氧化的功能[3]。其次，研究表明类胡萝卜素可以淬灭单线态氧、消除自由基、防止低密度脂蛋白的氧化，并且具有加强细胞和细胞缝之间联结交流的能力[4]。再者，膳食中的类胡萝卜素可以降低癌症发生率，比如：番茄红素具有抗前列腺癌的作用[5]，α-胡萝卜素具有减缓肺癌的作用[6]。此外，类胡萝卜素具有保护眼睛和皮肤的作用，以及预防心血管疾病、促进骨健康、预防骨质疏松等功效，研究表明叶黄素对视力功能有明显的改善作用[7]。类胡萝卜素在人类生活、保健、医疗等方面的开发和应用促使其需求量不断增大，因此高效提取天然胡萝卜素广泛受到人们的关注。

类胡萝卜素是脂溶性色素，多数不溶于水而易溶于有机溶剂[8]。但有机溶剂不易透过提取物的细胞膜和细胞壁，故其提取时间较长且提取效率低，此外提取过程中色素结构也有可能遭到破坏[9]。传统的提取方法主要有索氏抽提法、普通蒸馏法等。现代提取方法有乳化钙盐提取法、微波萃取法、超临界萃取法、超声波-微波协同萃取法、加压溶剂萃取等[10]。近年来关于萃取类胡萝卜素的方法颇多，而超声波萃取类胡萝卜素技术已广泛应用于不同种类的植物和藻类中，有必要结合国内外相关文献对超声波辅助类胡萝卜素提取技术进行综述。

1 超声提取类胡萝卜素机理

超声波是一种机械波，在弹性介质中传播，振动频率高于20 000 Hz。超声波具有聚束、定向、反射、透射等特性。利用超声波可以提高产品的质量，如获得较小和较规则的粒度分布；超声波还可以强化单元操作速率，如加速干燥、分离等操作[11]。作为一种物理能量形式，超声波广泛应用于各个领域，如化学与化工过程、环境保护、生物工程、食品工业、医学诊断与治疗、金属探伤等方面[12]。一般认为超声强化传质机理有以下3种。

1.1 机械作用

超声波的机械作用是由超声压强和辐射压强引起的。超声压强给予悬浮体与溶剂不同的加速度，引起溶剂与悬浮体之间产生摩擦，进而使细胞壁上的成分溶于溶剂中。辐射压强引起骚动效应，该效应引起细胞组织变形，蛋白质变性。

1.2 热效应

超声波通过两种途径将声能转化为热能：一是细胞介质不断吸收超声波的能量并转化为热能；二是超声传播过程中悬浮体与溶剂间产生的内摩擦引起介质温度升高[13]。引起的这种热效应导致介质的温度升高，加速有效成分的溶解。且由于这种效应是在瞬间完成的，因此待提取成分的性质基本不变。这就是超声热效应作用原理。

1.3 空化效应

液体中存在一些气泡，当一定频率的超声作用于液体时，这些气泡在声波稀疏阶段迅速长大，然后在声波压缩阶段绝热压缩，最后溃灭[14]。溃灭过程中，气泡内部达到上千个大气压和几千度的高温，并伴有强烈的冲击波，这种现象即为空化现象[15]。空化效应可以造成细胞壁破裂、细化颗粒物质并制造乳浊液，加速有效成分进入溶剂进而增加提取效率[16]。

除上述3种作用原理外，超声波还具有生物、化学、扩散、乳化、凝聚等次级效应。凝聚作用可使悬浮于液体中的颗粒聚集沉淀，加速植物有效成分在溶剂中的扩散，缩短提取时间并提高提取率[17]。将超声波应用于提取植物的有效成分，提取方法方便、快速简单、安全，且提取物的结构未被破坏，显示出明显的优势[3，18]。

2 超声辅助提取类胡萝卜素的应用

2.1 超声辅助与有机溶剂协同萃取技术

传统的有机溶剂萃取法是类胡萝卜素常用的提取方法之一。有机溶剂提取法工艺条件相对成熟、适用范围广泛、设备投资费用较少，但是其流程复杂、分离不彻底、提取率普遍较低等缺点促使其他辅助提取技术近年来迅速发展。超声波提取技术是近年来备受关注的一项新技术，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。Deenu等[19]优化了超声辅助乙醇提取小球藻中的叶黄素的工艺条件，最优预处理条件：1.23%的乙醇在pH= 4.5、温度为50℃的条件下处理2 h；然后在超声强度56.58 W/cm2、超声功率35 kHz、提取时间162 min、提取温度37.7℃、固液比1∶35.6（g/mL）的条件下，叶黄素的收率为（3.36±0.10）mg/g。辣椒红素作为天然类胡萝卜素的一种，具有较好的保健抗癌作用，且着色能力好，稳定性强，广泛应用于食品、医学、化妆品行业中。目前的传统萃取法提取辣椒红色素面临的挑战亟待解决，比如产品纯度不高、有异味、溶剂残留高等问题。崔荣健等[20]通过对超声波辅助提取辣椒红素的初步研究表明，采用无水乙醇做提取溶剂，料液比1∶12（g/mL），超声时间25 min，超声功率800 W时，辣椒红素的提取率可达6.87%。与传统的提取方法法相比，该法该工艺具有溶剂用量少，提取周期较短，提取率较高的特点，且该工艺操作稳定，有较好的重复性。易醒等[21]以醋酸乙酯为溶剂采用碱处理结合超声辅助提取无辣味的辣椒红色素，首先以12% NaOH溶液处理辣味，于室温条件下浸泡干辣椒48 h后水洗至中性，然后烘干粉碎进行超声提取。提取工艺条件为：料液比1∶14（g/mL），温度30℃，超声时间5 min，超声功率225 W。在此条件下辣椒红色素产品的色价为97.2，得率为20.28%。与传统提取方法相比，该方法操作简便，生产周期短，可为获得高色价、无辣味的辣椒红素提供参考。

此外，一些富含类胡萝卜素的植物具有坚硬的细胞壁，使得破坏细胞壁十分困难，直接采用有机溶剂浸提法不能将提取物从细胞组织中彻底溶出，导致类胡萝卜素提取不完全[22]。因此，在提取类胡萝卜素之前，需要对细胞进行破壁操作，或是采用一些辅助提取手段，从而提高类胡萝卜素的提取率。超声波辅助提取技术可以破坏细胞壁结构，加速色素溶出。赵娟娟[23]以番茄皮渣为原料，比较了溶剂浸提法和超声波辅助提取法两种不同的提取方法对番茄红素提取效果的影响。结果表明，超声波提取番茄皮渣中番茄红素的最优工艺条件为：超声输出功率300 W，料液比1∶6（g/mL），超声提取时间6 min，超声辐射时间3 s，此条件下提取3次，番茄红素提取率达98%以上。经超声波提取过后的番茄皮渣的细胞形状非常不规则，细胞壁较提取前变薄，壁上存在许多小孔且细胞间隙明显增大，由此可见超声辅助提取番茄红素可以破坏细胞壁结构，加速色素溶出。同时，超声波辅助提取法缩短了提取时间，避免因提取时间过长而引起的番茄红素氧化损失。

2.2 超声辅助与超临界流体协同萃取技术

超临界技术是利用超临界流体的特性而发展起来的一门新兴技术。超临界流体是一种温度、压力均高于其临界状态的流体，兼具气液两态双重性质和优点[24]。超临界CO2是一种常见的超临界流体，具有安全无毒、廉价且可循环利用等特点[25]。但是，超临界CO2萃取时间长，萃取压力及温度高，尤其是针对固体物料的萃取，不仅效率低而且循环次数多，因而超临界CO2萃取技术大规模的应用受到了限制[26]。鉴于超临界CO2萃取存在的这些缺点，国内外研究人员对超声强化超临界CO2萃取展开了广泛的研究。超声强化超临界CO2萃取技术是指外加超声场强化传统的超临界CO2萃取技术，来降低萃取温度和压力以及夹带剂用量，并提高萃取率、缩短萃取时间，同时保持萃取对象结构不变[27-30]。近年来，超声辅助超临界CO2萃取技术引起广泛关注，成为当下研究的热点。

Fan等[31]用超声强化亚临界CO2萃取技术从小球藻中提取叶黄素，通过正交试验考察了萃取压力、温度、助溶剂用量及萃取时间对萃取率的影响，最佳工艺条件为：萃取压力21 MPa，萃取温度27℃，助溶剂为1.5 mL/g的乙醇，超声功率为1 000 W，叶黄素得率为124.01 mg/100 g。研究表明，超声辅助超临界CO2萃取技术能够在低温低压条件下显著增加提取效率。丁彩梅等[32]采用自行设计的内插式超声强化超临界流体萃取装置，研究了超声强化超临界流体萃取的数学模型及机理。实验结果表明，所提出的数学模型证实了超声能够强化超临界流体萃取过程，并且低频超声强化超临界流体萃取的效果比高频超声要好。黄星歆等[33]利用超声强化亚临界CO2技术研究了萃取小球藻中叶黄素的工艺条件，初步分析了超声强化的机理。并得到了最佳的工艺条件：萃取温度25℃，萃取压力11 MPa，萃取时间3 h，超声功率750 W，流体流量30 kg/h，夹带剂用量为1.5 mL/g的无水乙醇。超临界萃取技术可以有效避免类胡萝卜素的降解，得到高品质的类胡萝卜素产品。目前，超临界萃取类胡萝卜素技术将随着新技术的融入日趋完善，推动类胡萝卜素萃取技术的进一步发展。

2.3 超声辅助与微波协同萃取技术

超声波—微波协同萃取新技术充分利用了超声波振动空化作用以及微波高能作用，将开放式微波与超声波振荡两种方式的优势互补，以弥补单一微波和超声波辅助萃取技术的不足[34]，并达到了在低温常压条件下，对固体样品快速、高效、可靠地进行预处理的目标[35-36]。细胞壁主要由纤维素、半纤维素及木质素构成，超声波和微波的优势结合可以使纤维素结晶区尺寸发生变化，降低其结晶度，并能够部分降解木质素和半纤维素，使得溶剂快速进入细胞内，可有效缩短提取时间、提高提取率[37]。此外，该技术利于萃取极性和热稳定性较差的组分，可避免因长时间在高温高压条件下萃取而引起的分解，从而使提取物分子结构不被破坏[38]。

马利华等[39]研究了传统蒸馏法与超声波-微波协同萃取法对牛蒡中类胡萝卜素提取率的影响，通过正交实验确定了超声波-微波协同萃取法最佳提取条件：萃取时间为30 s，料液比1∶25（g/mL），超声波功率40 W，微波功率为350 W，牛蒡粉碎粒度为60目。在超声波-微波协同作用下，原料细胞结构被充分破坏，有效成分更易扩散到浸提液中。微波振荡能够加速原料颗粒运动，利于物质扩散，并提高浸提液的温度，进而提高提取率[40]。Zhang等[41]在提取番茄中番茄红素的进程中，采用响应面法对比并优化了超声协同微波与单一超声场辅助提取的工艺。在超声功率（50 W）、频率（40 kHz）和微波频率（2 450 MHz）固定的条件下，超声协同微波最优提取工艺为：微波功率98 W，固液比1∶10.6（g/mL），提取时间367 s，此时番茄红素得率为97.44%。而只采用超声辅助萃取的最佳结果为提取29.1 min得率89.4%。由此可见，超声协同微波萃取能有效缩短提取时间，提高提取效率。

此外，对待萃取物进行粉碎预处理，增大了原料颗粒的比表面积，使原料与浸提液充分混合，促使超声波辅助微波萃取技术萃取效率明显增大。李晓玲等[42]采用超微粉碎与微波-超声组合协同辅助法，先采用超微粉碎技术对原料玉米蛋白粉进行粉碎预处理，再提取黄色素。最佳浸提条件是：微粉粒度500目，超声功率480 W，微波功率480 W，微波时间115 s。该条件下，玉米黄色素的提取率高达0.640 mg/g。同时发现：随着粒度越来越小，玉米黄色素的提取率越来越高，说明超微粉碎处理对玉米黄色素的提取率有显著作用。

2.4 超声辅助与冷冻协同萃取技术

冷冻-超声萃取是指在低温条件下采用冷冻干燥对物料进行预处理，再用超声波辅助快速萃取的技术。冷冻干燥可以有效地保存提取物的生物活性成分，基本不破坏其原有的化学组成和物理性质。此外，原物料中的水分经冷冻后升华，可以去除大量的水分。同时避免了类胡萝卜素结构遭到水分子产生的羟基自由基的破坏，又可以降低由于前期处理过程中少量的氧气、热处理等诸多不利因素引起的类胡萝卜素降解损失[43]。

刘绪广等[44]采用冷冻-超声技术、冷冻-微波解冻的方法萃取胡萝卜素，研究发现超声波的空化作用使提取更加充分，且该方法能去除胡萝卜的大量水分（原胡萝卜水分降低45%）而对胡萝卜素的损失极小。此外，该研究探讨了超声波辅助萃取的最佳工艺，确定了最佳工艺参数为：提取温度为40℃，料液比为1∶6（g/mL），处理时间为20 min，超声波处理次数3次，在该工艺条件下，β-胡萝卜素提取率可达85%以上。朱俊向等[43]为了提高番茄原料中番茄红素的提取率，增加番茄深加工的经济效益，通过响应面分析法优化超声辅助提取冻干番茄粉中番茄红素的工艺条件。确定的最优工艺条件为：液料比1∶41（g/mL）、超声温度55℃、超声波功率18 W/g，超声处理时间15 min。

2.5 超声辅助与双水相协同萃取技术

双水相萃取始于20世纪60年代，是一项新型的固液分离技术。双水相体系是两种聚合物或者一种聚合物和无机盐的混合溶液，在适当的浓度或特定的温度下，形成互不相溶且含高溶度水的双水相系统。双水相提取技术操作环境温和、生物亲和性好、成相时间短，可有效避免生物活性物质的脱水变性，因此广泛应用于植物中生物活性物质提取和分离等方面[22]。但是由于传统双水相体系中水溶性高聚物黏度较大，且难以挥发、不易定量控制，使得高聚物回收困难[45]。此外，传统聚合物-盐双水相分离和后处理的成本较高[46]。超声波在介质中传播时产生的空化作用及其次级效应，可加速提取物从固相转移到液相。超声耦合双水相萃取相较于单一双水相萃取而言，具有提取充分、提取时间短、试剂用量少等特点，适用于实验室少量精确的研究[47]。

张喜峰[48]采用响应面法优化了超声集成双水相体系萃取螺旋藻中β-胡萝卜素的工艺条件。结果表明最佳萃取工艺条件为：乙醇质量分数8.2%，正丁醇质量分数36%，料液比为1∶20（g/mL），超声时间3 min。在该工艺下，β-胡萝卜素的得率可达3.13 mg/g，且耗时短，反应条件温和，溶剂易回收。目前超声辅助双水相萃取类胡萝卜素的研究较少，但采用该技术萃取其他物质已经得到广泛研究，如萃取山楂叶中的酚类化合物[49]、蛋清中的蛋白质[50]、桦褐孔菌中的三萜类物质[51]等，这说明该技术在萃取类胡萝卜素领域有着很大的应用前景。

2.6 超声辅助与其他萃取技术协同联用

为了提高类胡萝卜素的提取率，研究人员采用了不同的预处理办法对原物料进行处理，以期达到理想的提取效果。不同的预处理办法对初始物料的结构性能，物理特性有不同的改变效果，针对不同物料所含类胡萝卜素种类不同，采用合适的预处理方法同样可以显著提高类胡萝卜素的提取效率，得到高质量、高纯度的类胡萝卜素。

李祖明等[52]采用酸溶辅助超声波法提取类球红细菌中的类胡萝卜素，最佳提取条件为料液比1∶10、超声波处理总时间20 min、超声工作/间隔时间2 min/1 min、超声波振幅40%、酸溶时间25 min、酸浓度3 mol/L、酸溶温度27℃，优化后类胡萝卜素的提取率相较于优化前提高了74.8%。李曼等[53]采用皂化预处理，以KOH、异丙醇和甲醇的三元混合溶剂为皂化液，并以超声波辅助提取的方法进行皂化反应得到叶黄素，显著提高了提取效率。皂化处理可以将不溶物质溶于水相，使提取液与细胞内组织混溶，并破坏细胞组织结构，有利于叶黄素的溶出。王振强等[54]采用95%乙醇对原物料进行预处理，后以乙酸乙酯为溶剂超声提取番茄皮渣中的番茄红素。研究发现：经乙醇预处理后细胞壁变薄，细胞间隙明显增大；提取过程中超声辅助可促使细胞间隙更加明显，增加了细胞壁的通透性，提高了番茄红素的溶出速度。崔萌等[55]以离子液体作为萃取剂，用超声波辅助萃取新鲜番茄中的番茄红素，研究发现离子液体污染小，并在分离中能够循环利用。

3 展望

类胡萝卜素广泛存在于自然界中，是一类具有特殊药理功能和生理功能的有机化合物，对于人类的健康有重要的作用，但人体需要从外界摄取类胡萝卜素，因此，类胡萝卜素的提取在工业生产和日常生活中尤显重要。类胡萝卜素的后加工产品也很多，有些工艺已经十分成熟。随着人类对类胡萝卜素产品需求的增大，提取工序、后加工工序和相关的基因工程都需要更加深入的研究。超声辅助萃取技术是一种清洁的萃取方法。与传统索氏提取法和浸提法相比，超声萃取技术减少溶剂消耗量和容器用量。就能源消耗与提取时间而言，超声提取有显著优势。超声辅助萃取技术是一种可以用于实验室规模的环境友好型新技术，有待于转换为工业规模。

超声提取类胡萝卜素可以加快提取速度，增加提取液浓度，缩短提取时间，具有显著优势。但目前工业上应用还有待进一步探索，主要存在以下原因：一方面，受超声波功率限制，大规模生产不具备经济性且超声波的安全性有待验证；另一方面，受超声波传播性质影响，超声波振幅随传播距离增大而减弱，超声强度因此分布不均，进而影响类胡萝卜素的提取效率。其次，超声设备本身存在一些缺点，如：超声作用范围窄，噪音大，能耗高等。再者，目前超声作用机理仍然停留在假设阶段，需要进行深入研究和进一步探讨。未来对于类胡萝卜素的开发应用应集中在以下几个方面：1）研究超声传质特性，开发具有安全性且适用于大规模工业生产的超声设备。2）根据不同原料性质，筛选出生长周期快、富含类胡萝卜素的经济性物种，并选择合适的原料粒度和预处理方式。3）深入研究超声提取机理模型，建立相应的动力学模型或数学模型，为超声技术应用于工业提供理论支持。4）将超声波提取技术与其它技术相结合，如与生物合成技术、生物工程技术、基因工程技术等[56]，对富含类胡萝卜素的动植物细胞进行改造，推动类胡萝卜素生产的工业化进程；还可将超声技术与计算机技术及软件工程和控制工程相结合，开发利于超声精确控制、检测的大规模生产的自动调控设备。

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Research Progress in Ultrasound-Assisted Extraction of Carotenoids

JIN Si，MA Kong-jun*
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，Xinjiang，China）

Carotenoids are natural pigments with a variety of bioactivities of anti-oxidation，anti-cancer，prevent senility，widely used in food，medicine，health care，cosmetics and other fields.The method of ultrasound-assisted extraction with a series of advantages such as energy saving，time-saving and high efficiency，has received substantial attention.In current work，combined with the related literature domestic and foreign，the mass transfer mechanism of ultrasound-assisted extraction of carotenoids was explained.The applications and developments of ultrasound-assisted extraction technology in extracting carotenoids were investigated in present paper as well.Meanwhile，in order to provide references for the researches of ultrasound-assisted extraction of carotenoids，the prospect of ultrasonic extraction technology for industrial field in the future was also presented.

ultrasound-assisted；carotenoids；mass transfer mechanism；extraction；prospect

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.044

2016-08-08

国家自然科学基金项目（21166023）

金思（1992—），女（汉），在校研究生，研究方向：化工传质与分离。

*通信作者：马空军（1969—），男（汉），副教授，博士，研究方向：化工传质与分离。