黑胡萝卜色素的稳定性、提取及生物学活性研究进展

李涛，姚全才，赵媛媛

(青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042)

1 概述

研究表明，水果和蔬菜具有某些对人体有益的植物活性物质，如多酚类活性物质。 这些植物活性成分具有缓解氧化应激和炎症，改善血脂以及增强葡萄糖代谢的能力。大量数据表明，富含植物多酚的食物对一系列活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)引发的疾病如癌症、心血管疾病以及糖尿病等具有预防作用。

黑胡萝卜(DaucuscarotaL.)，原产于土耳其，尽管它不为大众所知，但是它的种植历史要比胡萝卜的种植历史古老很多，在一些国家，如埃及、巴基斯坦、印度，仍然将其作为传统的种植项目进行种植和消费。此外，与橙色或红色胡萝卜相比，黑胡萝卜含有较高含量的类黄酮类化合物。这些黄酮类化合物在抗氧化、抗炎症、抗动脉粥样硬化、抗血小板聚集、抗肿瘤、抗微生物药物和抗过敏药物等生物化学和药理作用方面具有重要意义[1]。而且黑胡萝卜中含有的类胡萝卜素、多炔、镰叶芹二醇以及花青素(矢车菊色素、翠雀素、牵牛花色素、芍药素、锦葵色素和天竺葵色素)等大量生物活性化合物已经被研究证实[2,3]。这些黑胡萝卜中的多酚对某些疾病，如不同类型的癌症、糖尿病、心血管疾病和氧化应激具有预防作用[4,5]。

用不同分析技术估算的黑胡萝卜中各种多酚的浓度见表1。

表1 通过不同的分析技术估计黑胡萝卜中各种多酚的浓度Table 1 Concentration of various polyphenols in black carrot estimated by different analytical techniques

本文旨在突出黑胡萝卜多酚对人体的益处，以及它们的化学性质和稳定性。并且进一步讨论了黑胡萝卜色素的提取方式以及黑胡萝卜中各种生物活性物质对癌症、心血管疾病和糖尿病的预防作用。

2 黑胡萝卜色素的性质、提取与应用

2.1 黑胡萝卜色素的化学性质

热、光、pH以及化学结构等已被证明是基本的花青素去稳定因子[9]。黑胡萝卜中的酰化花青素似乎对水合作用更有抵抗力，在食物的pH下颜色稳定性高。研究表明，相对于5位糖苷取代降低花青素的稳定性，肉桂酸酰化提高了花青素的稳定性[10,11]。研究人员调查了加热对花青素降解的影响，发现在70，80 ℃时，相对于柑橘汁，苹果和葡萄汁中来自黑胡萝卜的花青素具有更高的稳定性。另外，在加热和储存期间，这些花青素在橙汁中不太稳定。此外，相对于来自酸樱桃和血橙的花青素，来自黑胡萝卜的花青素具有更高的热稳定性。这是由于黑胡萝卜花青素含有酰化花青素，在中性或弱酸性介质中显示出不同寻常的稳定性[12]。

在pH 3.5，95 ℃下加热2 h或3 h，考察包括黑胡萝卜汁在内的不同汁液的稳定性。结果显示：色素稳定性和颜色变化取决于花青素结构和果汁基质。 此外，该研究进一步验证了黑胡萝卜汁展现了比接骨木果汁和草莓汁更高的总花青素半衰期，黑胡萝卜汁更好的稳定性可能归因于存在于黑胡萝卜中的酰化花青素[13,14]。

鉴于热处理和储存的降解特性，花青素的颜色稳定性以及大量生物活性化合物的存在使黑胡萝卜成为食品加工中的新宠。这些与黑胡萝卜花青素稳定性有关的研究表明，在各种食品和果汁配方中使用黑胡萝卜花青素作为着色剂是合成食品着色剂的潜在替代品。

2.2 黑胡萝卜色素提取方法

黑胡萝卜色素的提取主要采用溶剂提取法、微波提取法、超临界提取法以及超声波提取法。刘楠等采用酸水提取，通过单因素及正交实验研究确定了酸水提取黑胡萝卜色素的最佳工艺条件：浸提液酸度pH 值1，浸提温度70 ℃，料液比1∶6，浸泡时间1.5 h[15]。戴余军等通过响应面优化设计确定了纤维素酶辅助提取黑胡萝卜色素的最佳工艺条件：液固比30∶1，pH值3.9，浸提次数2次[16]。郭炳其等研究了真空低温工艺技术在黑胡萝卜色素提取中的应用[17]。李芊等通过单因素与正交试验确定了超声波辅助提取黑胡萝卜色素的最优方法：浸提液pH值5.5，浸泡时间75 min，浸提温度40 ℃，超声功率360 W[18]。相似的研究还有很多，同时戴余军等对大孔树脂吸附、分离、纯化黑胡萝卜色素也有一定的研究，确定了纯化的最优条件。

国外也有关于黑胡萝卜色素提取的相关研究。Uzel R A采用亚临界水萃取与颗粒生产相结合的方式，在提取黑胡萝卜色素的同时进行加工，最后以颗粒形式获取最后的产品。最终确定10 MPa，80 ℃条件下进行提取，获得产品的平均粒度为3 μm[19]。Agcam E等采用超声波与温度相结合的方式提取黑胡萝卜残渣中的花青素，当超声能量密度为183.1 J/g，温度为50 ℃时，花青素的提取量达到最大[20]。国内外对黑胡萝卜色素提取的研究很多，但相信更多、更先进、更有效的提取方式还有待发掘。

2.3 黑胡萝卜色素在健康方面的益处

2.3.1 黑胡萝卜多酚在癌症预防方面的作用

由于化疗使癌症患者遭受很大痛苦，世界各地对癌症患者的治疗方案已发生了很大变化。草药相对温和的疗效使草药制剂越来越受欢迎。有研究表明，水果和蔬菜中的某些植物活性物质可降低患一些慢性疾病的风险，因为这些物质可改变致癌物质的代谢，从而防止自由基对身体的损害。

Van Breemen和Pajkovic证实，胡萝卜含有几种具有降低前列腺、肺、喉、肠以及膀胱等部位发生恶性肿瘤几率的生物活性物质，如类胡萝卜素(β-胡萝卜素和叶黄素)、炔类化合物和镰叶芹二醇[21]。与橙色和红色胡萝卜相比，除了大量相似酚类化合物之外，黑胡萝卜具有含量更高的花青素。同时黑胡萝卜花青素似乎对各种类型的癌症更有防护作用。一项研究表明，使用剂量范围为0～2.0 mg/mL的黑胡萝卜花青素冻干粉水溶液可抑制HT-29和HL-60癌细胞的生长。抑制效果取决于剂量的大小，当使用最高浓度的花青素2.0 mg/mL时具有80%的抑制作用[22,23]。同样，Wang和Stoner针对花青素乙醇提取物对人类乳腺癌细胞(MCF-7、SK-BR-3和MDA-MB-231)、人类结肠腺癌细胞(HT-29)以及人类前列腺癌细胞(PC-3)等癌细胞的疗效进行了研究[24]。这些研究表明黑胡萝卜提取物具有显著的抗氧化活性，同时对某些特定癌细胞具有抗增殖作用。他们从这些研究中得出结论：单独使用黑胡萝卜提取物或与抗癌药物联合使用可能成为治疗多种人类癌症的替代疗法。

胡萝卜中的β-胡萝卜素和炔类化合物被认为是治疗白血病的有效药物。有研究表明，胡萝卜汁提取物能诱导骨髓和淋巴白血病细胞的凋亡并抑制细胞周期的进行，这表明黑胡萝卜可成为治疗白血病优良生物活性化学品的来源[25,26]。

2.3.2 黑胡萝卜多酚在心脑血管疾病预防方面的作用

全球每年因心血管疾病(CVD)而死亡的人数日益增长，黑胡萝卜生物活性化合物有助于预防CVD，包括具有激活淋巴细胞、细胞增殖抑制、抗炎、降低体重指数、降低血压和甘油三酯水平以及降低胆汁酸结合活性等效用[27]。

有研究表明，黑胡萝卜中的花青素、酚酸和类胡萝卜素等生物活性物质通过改善血脂异常、葡萄糖耐量、高血压以及胰岛素抵抗来减轻代谢综合征。研究显示在动物消耗α-以及β-胡萝卜素后血清胆固醇显著降低，并且粪便胆汁酸和粪便脂肪增加。此外，与对照相比，喂食黑胡萝卜后，粪便总类固醇分泌物、维生素E血浆水平和血浆铁还原能力(FRAP)增加[28-30]。黑胡萝卜中的花青素具有很高的抗氧化活性。Diaz，Frei，Vita和Keaney揭示黑胡萝卜中酰化花青素有降低LDL和增强HDL水平的作用[31]。同时一些报道证实了黑胡萝卜多酚在多种代谢综合征如高血压、心脏纤维化、内皮功能障碍中的作用。

2.3.3 黑胡萝卜多酚在糖尿病预防方面的作用

血糖浓度升高的原因为胰岛素释放受限或胰岛素摄取减少。

研究人员强调了黑胡萝卜酚类化合物对糖尿病并发症的疗效，这些化合物包括酰化和非酰化的花青素以及类胡萝卜素。特别是花青素(矢车菊素、飞燕草素和牵牛花色素)通过诱导细胞凋亡在慢性代谢综合征中发挥重要作用，并且这一观点得到了接受临床试验的44名Ⅱ型糖尿病患者的支持。给这些患者提供胡萝卜汁，8周以后，他们的血糖水平和低密度脂蛋白水平显著降低，而高密度脂蛋白水平在受试者中升高[32]。

有研究表明，来自胡萝卜的花青素和花青素衍生物在增加胰腺B细胞释放胰岛素和抑制COX-2酶方面非常有效。除抑制餐后葡萄糖水平增加外，这些化合物还表现出良好的α-葡糖苷酶抑制活性[33,34]。此外，研究人员发现来自黑色和紫色胡萝卜的多酚类化合物对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性以及细胞葡萄糖摄取具有抑制作用，表明这些多酚具有潜在的抗糖尿病特性[35]。

3 展望

众所周知，饮食对很多人类疾病具有预防作用。蔬菜中植物活性物质对重大疾病的抑制作用为探索疾病治疗方案开辟了新的途径。花青素是黑胡萝卜中有前景的植物活性物质，具有很高的抗氧化活性，并作为预防剂参与各种疾病的治疗。黑胡萝卜中含有的这些生物活性物质已经被认为有助于预防许多类型的癌症、糖尿病以及心血管等疾病。因此，黑胡萝卜中的这些植物活性物质可以用作预防和治疗多种疾病的补充药物，并且可能减轻合成药物的滥用现象。本文中，我们列举了黑胡萝卜色素的稳定性及其提取方法，同时证明了黑胡萝卜可以为包括癌症在内的不同疾病提供预防和治疗的选择。然而，还需要对黑胡萝卜中生物活性化合物进行更详细的研究，以确定黑胡萝卜中存在的植物活性物质在进入市场之前的安全和有效，并更好地了解它们对人类的影响。