高婧宇，謝龍莉，陳 楠，吳 帆，彭 郁，李 茉，倪元穎，溫 馨

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

類胡蘿卜素是一類重要的天然色素，普遍存在于動(dòng)物、高等植物、藻類、真菌及細(xì)菌中[1]。類胡蘿卜素是脂溶性四萜類化合物，具有聚異戊二烯結(jié)構(gòu)，按照官能團(tuán)的不同，可將其分為兩大類：烴類和含氧類胡蘿卜素（圖1）[2]。烴類類胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu)中只含有碳?xì)湓兀绂?胡蘿卜素和番茄紅素；而含氧類胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu)中除碳?xì)湓赝?，還含有氧元素，具有環(huán)氧基、羥基、酮基、羧基、甲氧基等含氧官能團(tuán)，如蝦青素和葉黃素[3]。類胡蘿卜素的特殊分子結(jié)構(gòu)賦予了其自身多種重要功能，如β-胡蘿卜素分子結(jié)構(gòu)中存在的多個(gè)不飽和雙鍵和共軛雙鍵，使其具有抗氧化、提高人體免疫力、抗輻射等生物活性[4-5]；番茄紅素分子結(jié)構(gòu)中含有的11 個(gè)共軛雙鍵和2 個(gè)非共軛雙鍵的特殊結(jié)構(gòu)賦予了其極強(qiáng)的抗氧化、免疫調(diào)節(jié)和抗癌能力，對(duì)心血管疾病、眼部疾病等也有一定的預(yù)防作用[6-7]；葉黃素是構(gòu)成人眼視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域的主要色素，對(duì)于維持眼部健康、保護(hù)視力具有積極作用[8-9]；蝦青素分子多烯鏈兩端存在的羥基（OH）和酮基（C=O）結(jié)構(gòu)，使其具有降血糖、抗氧化、抗炎、抗腫瘤、預(yù)防心腦血管疾病和神經(jīng)保護(hù)等功能[10-11]。此外，蝦青素還具有較好的著色功能[12]。類胡蘿卜素的這些重要功能，使其在食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)均具有較為廣泛的應(yīng)用[13]。但由于人體自身不能合成類胡蘿卜素，必須依靠食物獲得[14]，因此從膳食或膳食補(bǔ)充劑中獲取足量的類胡蘿卜素，對(duì)于人體正常生理功能的發(fā)揮和身體健康的提升具有重要意義。

圖1 常見類胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of common carotenoids

目前類胡蘿卜素的產(chǎn)業(yè)化提取通常使用正己烷、丙酮和甲醇等有機(jī)溶劑[15]。有機(jī)溶劑提取法具有操作簡(jiǎn)單、提取率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)類胡蘿卜素產(chǎn)品。但是，由于有機(jī)溶劑提取時(shí)存在揮發(fā)性強(qiáng)、對(duì)人體和環(huán)境有害等問(wèn)題，尋求更環(huán)保和毒性更低的替代溶劑變得愈發(fā)重要。因此，研究人員一直致力于尋求新的可替代綠色溶劑，以獲得更加綠色、安全的類胡蘿卜素提取物。低共熔溶劑（Deep eutectic solvent，DES）是一種新型的綠色溶劑，具有在室溫下蒸汽壓低、綠色環(huán)保、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，且由于其結(jié)構(gòu)的多樣性和廣泛的適用性[16]，近年來(lái)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在天然產(chǎn)物提取上，DES 目前多應(yīng)用于多酚類[17]、多糖類[18]和生物堿類[19]等生物活性物質(zhì)的提取，而對(duì)類胡蘿卜素的提取研究尚處于起步階段。由于DES極性和粘度可調(diào)，其在類胡蘿卜素的提取方面表現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力[20]。

本文介紹了DES 的性質(zhì)和分類，綜述了近年來(lái)DES 在類胡蘿卜素提取上的研究進(jìn)展，總結(jié)了類胡蘿卜素的分離及DES 的回收方法，指出了目前DES提取類胡蘿卜素存在的問(wèn)題，并展望了DES 在類胡蘿卜素提取分離上的應(yīng)用前景，以期為新型類胡蘿卜素提取溶劑的開發(fā)和應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 低共熔溶劑的性質(zhì)和分類

DES 是一種新型的綠色溶劑，由氫鍵供體（Hydrogen bond donor，HBD）和氫鍵受體（Hydrogen bond acceptor，HBA）通過(guò)氫鍵作用形成，二者在一定溫度下以一定摩爾比混合，制備的DES 體系熔點(diǎn)至少低于其中一種組分[16,21]（圖2 中E 點(diǎn)即為DES 熔點(diǎn)）。當(dāng)使用天然物質(zhì)作為組分時(shí)，所形成的DES 被稱為天然低共熔溶劑（Natural deep eutectic solvent，NADES）[22]。研究表明，DES 具有制備簡(jiǎn)單、原料易得、成本低廉、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。此外，DES 還具有獨(dú)特的溶解能力，既可用于親水性化合物也可用于疏水性化合物的提取，且毒性低、粘度可調(diào)、極性范圍廣[23-24]。更重要的是，由于組分安全且綠色，DES被判定為無(wú)毒[25]。

圖2 具有一個(gè)低共熔點(diǎn)的簡(jiǎn)單二元系統(tǒng)相圖[16]Fig.2 Phase diagram of a simple binary system with a low eutectic[16]

由于HBA 和HBD 的種類繁多，形成的DES 體系的理化性質(zhì)也是可調(diào)節(jié)的，從而可以滿足不同工業(yè)應(yīng)用的廣泛需求。根據(jù)對(duì)水的親和力，DES 可分為親水性DES 和疏水性DES。由于其固有的氫鍵作用力，大部分DES 通常表現(xiàn)出高度的親水性，組成成分具有較高的極性且可與水混溶；而疏水性DES 由水溶性較差的物質(zhì)組成，通常具有較低的粘度和極性，并且與水不混溶[26]。DES 的親水性和疏水性對(duì)生物活性物質(zhì)的提取分離效果有很大影響，親水性DES 在提取極性較強(qiáng)的天然產(chǎn)物方面表現(xiàn)出較好的效果，如生物堿[27]、黃酮類[28]、黃嘌呤[29]、兒茶素[30]和精油[31]等，但不適合于含水或者親脂性樣品的提取。疏水性DES 在類胡蘿卜素等疏水性生物活性物質(zhì)的提取上得到了成功的應(yīng)用[32-33]。

2 低共熔溶劑在類胡蘿卜素提取上的應(yīng)用

作為一種新型的綠色溶劑，DES 在類胡蘿卜素的提取上展現(xiàn)出巨大的潛力。目前，DES 在類胡蘿卜素提取上的應(yīng)用方式主要有以下三種：a.DES 作為溶劑直接提?。籦.DES 作為助劑，輔助有機(jī)溶劑提??；c.其他方法如超聲波、微波和酶等輔助DES 提?。ㄔ斠姳?）。由于類胡蘿卜素自身具有較強(qiáng)的親脂性，在其提取上多利用疏水性DES（如薄荷醇基DES 和中鏈飽和脂肪酸基DES），這些DES 在極性更弱的類胡蘿卜素，如β-胡蘿卜素和番茄紅素的提取上表現(xiàn)出不錯(cuò)的效果。此外，也有一些研究利用極性相對(duì)較強(qiáng)的親水性DES 提取類胡蘿卜素（如氯化膽堿基DES 和醇基DES），這些DES 對(duì)極性相對(duì)較強(qiáng)的類胡蘿卜素，如葉黃素和蝦青素的提取效果更好。

表1 DES 在類胡蘿卜素提取中的應(yīng)用Table 1 Application of DES in carotenoid extraction

2.1 低共熔溶劑作為溶劑直接提取類胡蘿卜素

DES 作為溶劑直接提取類胡蘿卜素的研究中，提取葉黃素的較多，且DES 的提取效果優(yōu)于有機(jī)溶劑。研究顯示，百里酚-葑醇NADES 對(duì)微藻中葉黃素的提取率是傳統(tǒng)有機(jī)溶劑正庚烷-乙醇-水的6 倍[34]。此外，碳酸鉀-甘油DES 也可成功地從粗棕櫚油中提取葉黃素[35]。葉黃素是一種具有兩個(gè)羥基的類胡蘿卜素，具有一定的極性，故相較于極性低的傳統(tǒng)有機(jī)溶劑，極性較強(qiáng)的DES 對(duì)其提取效果更好。DES 作為溶劑直接提取β-胡蘿卜素的研究也有報(bào)道。親水性較強(qiáng)的氯化膽堿:丙二酸（1:1）DES 對(duì)枸杞中總胡蘿卜素的提取率（10 μg/g）是有機(jī)溶劑（己烷:乙醇:丙酮:甲苯=10:6:6:7，v/v/v/v）和超臨界CO2萃取的5 倍多[36]。此外，疏水性較強(qiáng)的中鏈飽和脂肪酸基DES（辛酸:癸酸）也可成功地將β-胡蘿卜素從南瓜中提取出來(lái)[37]。在結(jié)構(gòu)上，相較于葉黃素，β-胡蘿卜素的羥基數(shù)目更少，故其極性弱于葉黃素；但因β-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)中存在2 個(gè)β-紫羅酮環(huán)，賦予其比無(wú)環(huán)類胡蘿卜素如番茄紅素更強(qiáng)的極性，因此β-胡蘿卜素具有相對(duì)中等的極性，使得親水性較強(qiáng)的DES和疏水性較強(qiáng)的DES 均能很好地提取該物質(zhì)。

DES 作為溶劑直接提取類胡蘿卜素時(shí)，提取效果與DES 和目標(biāo)提取物之間的極性有較大關(guān)系。根據(jù)相似相溶原理，采用合適極性的DES 提取極性相近的類胡蘿卜素會(huì)有更好的效果。

2.2 低共熔溶劑作為助劑輔助有機(jī)溶劑提取類胡蘿卜素

當(dāng)DES 作為助劑使用時(shí)，合適的DES 種類及添加量，可以達(dá)到改變傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的粘度和極性的效果，更有利于類胡蘿卜素的提取。DES 作為助劑輔助有機(jī)溶劑提取類胡蘿卜素的研究以蝦青素提取為主。氯化膽堿-酒石酸DES 輔助甲醇（80:20，v/v）對(duì)蝦廢料中蝦青素的提取率是單獨(dú)使用甲醇提取時(shí)的1.1 倍（分別為267.00±2.50、239.20±0.63 μg/g）[42]。0.25 mg/mL 的醇基DES（甲基三苯基溴化膦:1,2-丁二醇=1:4）作為助劑，輔助丙酮從三疣梭子蟹中提取蝦青素的提取率是不加DES 組的3 倍多（分別為73、23 μg/g）[43]。蝦青素結(jié)構(gòu)中的-OH 和C=O 賦予了其自身較大的極性，有機(jī)試劑中添加合適濃度的DES 可以降低溶劑粘度并增加萃取基質(zhì)的極性。此外，DES 濃度的增大也增加了其與目標(biāo)化合物之間的氫鍵相互作用，也會(huì)使蝦青素的提取率增加。故添加合適濃度的、極性較高的DES，諸如醇基DES 和氯化膽堿基DES，可以使蝦青素更好地溶解在極性相似的溶劑中，從而獲得較高的提取率[49]。

以上研究表明，溶劑的粘度和極性都會(huì)對(duì)類胡蘿卜素的提取結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，添加合適種類和濃度的DES 能夠改善有機(jī)溶劑的極性和粘度，從而獲得更高的類胡蘿卜素提取率。

2.3 其他方法輔助低共熔溶劑提取類胡蘿卜素

除了上述兩種應(yīng)用方式，也有研究利用超聲波、微波或酶輔助DES 提取類胡蘿卜素。通過(guò)借助其他方法，可以進(jìn)一步增強(qiáng)DES 對(duì)類胡蘿卜素的提取效果。其中，超聲波輔助DES 提取法的應(yīng)用多集中于番茄紅素和蝦青素。研究顯示，超聲波輔助法有效提高了DL-薄荷醇-乳酸DES 對(duì)番茄皮渣中番茄紅素的提取效果，超聲波輔助后的提取率是未經(jīng)超聲波輔助的1.6 倍[45]。超聲波輔助氯化膽堿-1,2-丁二醇DES 對(duì)蝦殼粉末中蝦青素的提取率分別是室溫?cái)嚢璺ê图訜彷o助法的2.2 倍和1.2 倍（提取率分別為75、34、62 μg/g）[46]。超聲波輔助法可以顯著增強(qiáng)DES對(duì)類胡蘿卜素的提取率可能是因?yàn)?，一方面超聲波和DES 之間存在著協(xié)同作用，從而增強(qiáng)了傳質(zhì)效率，提高了類胡蘿卜素的提取率。另一方面，超聲波儀器發(fā)射的高頻脈沖會(huì)產(chǎn)生空化氣泡，當(dāng)這些氣泡在物質(zhì)表面附近破裂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞破裂以及固體粉碎，從而使得溶劑的傳質(zhì)阻力降低，提高了傳質(zhì)效率[50]。此外，微波輔助和酶法輔助DES 提取類胡蘿卜素也得到了不錯(cuò)的效果，如微波輔助甲醇-氯化膽堿-酒石酸DES 對(duì)蝦廢料中蝦青素的提取率是微波輔助甲醇提取的1.1 倍（提取率分別為267.00±2.50、239.20±0.63 μg/g）[42]，酶法輔助DL-薄荷醇-乳酸DES 對(duì)向日葵花中葉黃素的提取率是不加酶提取的9.9 倍（分別為14490、1470 μg/g）[48]。

綜上，DES 作為溶劑，與各輔助方法之間具有協(xié)同作用，同時(shí)輔助手段又通過(guò)對(duì)植物基質(zhì)或細(xì)胞的破壞作用增強(qiáng)傳質(zhì)效率，因此能大大增加類胡蘿卜素的提取率。

2.4 低共熔溶劑的分離及類胡蘿卜素的回收

與揮發(fā)性有機(jī)溶劑相比，DES 的優(yōu)點(diǎn)之一是蒸汽壓較低，然而這種優(yōu)勢(shì)會(huì)導(dǎo)致很難使用蒸發(fā)法從中回收生物活性物質(zhì)。目前在類胡蘿卜素的回收方面，研究多利用脂肪酸基NADES 的極性可調(diào)性，將類胡蘿卜素與提取溶劑分離開。如圖3 所示，NH3·H2O的加入可以使NADES 提取物極性發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而將類胡蘿卜素沉淀到底部，經(jīng)簡(jiǎn)單過(guò)濾即可實(shí)現(xiàn)類胡蘿卜素的分離；CO2可以使NADES 和氨溶液之間發(fā)生相分離，經(jīng)離心即可實(shí)現(xiàn)NADES 的回收。整個(gè)分離回收過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)溶劑極性的快速轉(zhuǎn)換，且不需要復(fù)雜的試驗(yàn)操作，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備也沒(méi)有很高的要求，可以用于類胡蘿卜素的回收[37,40,51]。此外，雖然目前離心仍然是實(shí)驗(yàn)室最常用的分離方法，但Shahbodaghi 等[52]發(fā)現(xiàn)，不采取離心操作，利用鹽析效應(yīng)用含鹽固相萃取柱也能夠更簡(jiǎn)單地從分散液中快速分離DES，程序如圖4 所示。一旦混濁的混合溶劑流經(jīng)含鹽固相萃取柱，樣品溶液與鹽之間的離子交換作用增加，從而也會(huì)使疏水性DES 發(fā)生相分離。

圖3 類胡蘿卜素與DES 的分離程序[40]（a）及DES 與氨溶液的[53]分離程序（b）Fig.3 Separation of carotenoids from DES[40] (a) and separation of DES from NH3·H2O[53] (b)

圖4 基于低共熔溶劑固化和鹽析效應(yīng)的無(wú)離心氣助液相微萃取[52]Fig.4 Centrifuge-free air-assisted liquid phase microextraction based on the solidification of deep eutectic solvent and salting-out effect[52]

3 總結(jié)與展望

DES 作為一種綠色溶劑，在類胡蘿卜素提取方面已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)其提取效果普遍優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑。目前，DES 在類胡蘿卜素的提取上主要有三種應(yīng)用方式：a.DES 作為溶劑直接提??；b.DES 作為助劑輔助有機(jī)溶劑提??；c.其他方法輔助DES 提取。當(dāng)DES 作為溶劑直接提取類胡蘿卜素時(shí)，HBA 和HBD 種類的選擇很大程度上決定著提取效果。合適粘度的DES 可以增加傳質(zhì)效率，合適極性和溶劑化能力的DES 能夠更多地溶解目標(biāo)化合物，獲得更好的提取效果。當(dāng)DES 作為助劑輔助有機(jī)溶劑提取類胡蘿卜素時(shí)，選擇合適的DES 種類及添加量，更有利于類胡蘿卜素的提取。此外，借助其他方法，如超聲波輔助DES 提取類胡蘿卜素，能夠進(jìn)一步增加類胡蘿卜素的提取率?？偟膩?lái)說(shuō)，DES 由于其自身特有的性質(zhì)，不論以何種方式應(yīng)用于類胡蘿卜素的提取，均表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)有機(jī)溶劑更好的提取效果。在實(shí)際操作中，充分考慮溶劑與目標(biāo)化合物之間的極性關(guān)系，會(huì)得到更高的提取率。

雖然DES 在類胡蘿卜素的提取上已表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)，但是仍然存在一些問(wèn)題，有待今后進(jìn)一步的研究。a.繼續(xù)開發(fā)探究其他更多類型的DES，目前用于類胡蘿卜素提取的DES 種類較少，HBA 主要集中于中鏈飽和脂肪酸、氯化膽堿和萜烯類物質(zhì)，HBD 主要為單羧酸。b.進(jìn)一步考察不同類型DES對(duì)同一種類胡蘿卜素提取效果的影響，以及同種DES 對(duì)不同類胡蘿卜素提取效果的影響。獨(dú)特的極性和可調(diào)節(jié)的粘度作為DES 的優(yōu)勢(shì)，也是影響類胡蘿卜素提取效果的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)探究DES 自身物理性質(zhì)與類胡蘿卜素提取率之間的關(guān)系，能夠?yàn)榻窈蟾珳?zhǔn)地開發(fā)用于類胡蘿卜素提取的其他類型DES 提供基礎(chǔ)與支持。c.尋找更多DES 與類胡蘿卜素高效分離的方法，提取物與溶劑的分離是后續(xù)研究目標(biāo)物質(zhì)性質(zhì)和應(yīng)用的前提，然而目前的研究尚停留在對(duì)DES 提取類胡蘿卜素工藝的優(yōu)化方面，對(duì)于DES 與類胡蘿卜素分離的方法報(bào)道較少，且現(xiàn)有的分離方法多基于中鏈飽和脂肪酸基DES，該方法是否同樣適用于其他類型DES 則有待進(jìn)一步考察。d.進(jìn)一步考察用于類胡蘿卜素提取的DES 的循環(huán)利用性能，真正實(shí)現(xiàn)提取溶劑的高效利用。e.鑒于DES 的可設(shè)計(jì)性，未來(lái)研究中可以增加DES 的組分構(gòu)建三元DES。三元DES 可以在二元DES 提取效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)于特定類胡蘿卜素的更高效提取，或者實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同極性類胡蘿卜素的同時(shí)高效提取，以達(dá)到更優(yōu)良的提取效果。總體來(lái)說(shuō)，DES 對(duì)類胡蘿卜素提取的研究仍處于初步階段，今后還需開展更加系統(tǒng)全面的探究。