机械加工方式及油脂对胡萝卜中β-胡萝卜素
生物接近度的影响

樊金玲1，宋会娟1，孙玉宇2，张金迪1，朱文学1,*

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2.洛阳理工学院环境工程与化学系，河南 洛阳 471023）

摘 要：研究不同机械加工方式（1 mm×1 mm×1 mm切丁、2 mm×2 mm×2 mm切丁、打浆）和油脂（添加量 0%、3%、5%、10%）对β-胡萝卜素生物接近度的影响。采用高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）测定β-胡萝卜素浓度，采用静态体外消化法、以释放率和胶束化率为指标评估β-胡萝卜素生物接近度。结果表明：3 种机械加工处理的胡萝卜在相同油脂添加量条件下，β-胡萝卜素的释放率和胶束化率由大至小的排序均为：打浆处理（释放率为2.069%～32.565%，胶束化率为0.324%～1.999%）、切丁1 mm×1 mm×1 mm（释放率为1.088%～6.162%，胶束化率为0.226%～0.911%）和2 mm×2 mm×2 mm（释放率为0.335%～4.102%，胶束化率为0.109%～0.242%）；不同油脂添加量均提高了胡萝卜中β-胡萝卜素的释放率和胶束化率，且油脂添加量分别与释放率和胶束化率均呈线性关系，但是提高幅度因机械加工方式不同而异：10%油脂添加量与无油脂添加相比，打浆处理的释放率提高了约15倍，胶束化率提高了约5倍，1 mm×1 mm×1 mm胡萝卜丁的释放率和胶束化率分别提高了约5 倍、3 倍， 2 mm×2 mm×2 mm胡萝卜丁的释放率和胶束化率则分别提高了11倍、1 倍。

关键词：胡萝卜；β-胡萝卜素；机械加工；膳食油脂；体外消化法；生物接近度

Effect of Mechanical Processing and Dietary Lipids on β-Carotene Bioaccessibility of Carrots

FAN Jin-ling1, SONG Hui-juan1, SUN Yu-yu2, ZHANG Jin-di1, ZHU Wen-xue1,*

(1. College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China; 2. Department of Environmental Engineering and Chemistry, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

Abstract: The effect of mechanical processing and oil addition on the bioaccessibility of β-carotene from carrots was investigated. β-Carotene concentration was determined by high performance liquid chromatography (HPLC) and the bioaccessibility of β-carotene from three types of processed carrots (1 mm cubes, 8 mm cubes and grated carrot) was assessed by in vitro digestion model. The fraction of β-carotene transferred from the food matrix to a supernatant and a micellar phase was also investigated. The highest bioaccessibility of β-carotene measured in the supernatant and the micellar phase was observed in grated carrots, followed by 1 mm cubes and 8 mm cubes. The bioaccessibility of β-carotene in both the supernatant and the micellar phase was greatly enhanced after oil addition and highly correlated with oil content. Although the above-mentioned ranking of bioaccessibility remained unchanged after oil addition, there was a significant difference in increment rate among three types of mechanical processed carrots. Compared with no oil addition, the addition of 10% oil could result in approximately 16-fold and 6-fold increases in β-carotene bioaccessibility of the supernatant and the micellar phase from grated carrots, approximately 6-fold and 4-fold increases for 1 mm cubes, and 12-fold and 2-fold increases for 8 mm cubes, respectively.

Key words: carrots; β-carotene; mechanical processing; dietary oil; in vitro digestion; bioaccessibility

中图分类号：TS201.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）15-0025-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201415006

胡萝卜中胡萝卜素的含量很高，主要为β-胡萝卜素，其次为α-胡萝卜素，含量分别为46.0～130.0、5.3～51.6 μg/g[1]。α-胡萝卜素和β-胡萝卜素是人类食物中85%～97% VA活性的来源，具有抗癌、预防心血管疾病等多种功能，可防止老化和衰老引起的多种退化性疾病。但其在人体的利用率很低，仅为纯品的21%。类胡萝卜素的生物利用过程分为4 个步骤：从食品基质中释放、小肠内脂质微粒（胶束）的形成、小肠黏膜细胞的吸收、被转运至门脉及淋巴循环及在肝脏中转为VA或被贮存[2]。胡萝卜中β-胡萝卜素定位于细胞有色体的类囊体膜上，只有在食物的加工以及咀嚼等过程中细胞壁及膜等结构被破坏，β-胡萝卜素从食物中释放出来后才能被人体吸收[3-4]。生物接近度用于描述其从食品基质中释放到胃肠道以及被包被在脂质微粒中程度。

食物的加工制备过程影响其生物接近度，由于新鲜胡萝卜中的β-胡萝卜素的生物利用率仅为纯品的21%，因此，加工方式对其生物接近度的影响显得尤为重要。已有文献报道了热处理、高压处理等加工方法对胡萝卜中的β-胡萝卜素生物接近度的影响，但也许是由于原料状态（汁、块、条、片等）、处理参数的差异（温度、时间、压力等）等原因，已有的研究结果彼此矛盾。例如：Tydeman等[3]报道了蒸汽加热和沸水处理（100 ℃、20 min，胡萝卜片）使胡萝卜的细胞彼此分离（擦成丝状），从而造成β-胡萝卜素的胶囊包埋效应，使得其生物接近度下降，而Knockaert等[5]的研究则表明沸水处理（70℃、2 min；90℃、10 min）使β-胡萝卜素的生物接近度提高了1.4～1.5 倍（切成片状）。

类胡萝卜素是一种脂溶性营养素，通常认为油脂能促进类胡萝卜素的吸收利用，这是因为一方面油脂提供了一个疏水区域，在消化过程中使胡萝卜素溶于其中，促进其转运到脂质微粒中；另一方面，油脂可促进胆盐和胰脂酶的分泌，有利于脂质胶束的形成，从而增加小肠细胞的吸收[6-8]。如de Jesus Ornelas-Paz 等[9]研究表明：在不同成熟度（早期、中期、完全成熟）的芒果中加入鸡肉，胶束化率分别增加了25.7%、114.4%和231.1%，Hornero-Méndez等[10]在胡萝卜渣（切碎）中加入油脂（5%、10%橄榄油），胶束化率随油脂添加量的增加而增加，但是与此同时，也有研究报道了油脂对生物接近度无显著影响，如Knockaert等[6]研究表明：在胡萝卜泥高压均质处理前加入油脂（5%橄榄油），对β-胡萝卜素的释放率无显著影响，Fleshman等[11]的研究表明：添加2.5%～3%油脂对甜瓜β-胡萝卜素的胶束化率无显著影响。

本实验采用静态体外消化法，以释放率和胶束化率为指标评估β-胡萝卜素生物接近度，研究了不同机械加工方式（1 mm×1 mm×1mm切丁、2 mm×2 mm×2mm切丁、打浆）和油脂（添加量0%、3%、5%、10%）对β-胡萝卜素生物接近度的影响。本研究对于选择胡萝卜合适的加工方式、有效提高β-胡萝卜素生物利用率具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

胡萝卜购于当地超市；食用调和油（食品级） 中粮北海粮油工业有限公司。

正己烷（分析纯） 天津大茂化学试剂厂；丙酮（分析纯） 洛阳昊华化学试剂厂；无水乙醇（分析纯） 天津德恩化学试剂厂；胃蛋白酶、胰酶、胆盐（均为生化级）、β-胡萝卜素标准品（纯度98%） 美国
Sigma公司。

1.2 仪器与设备

FA1004 型分析天平 上海上平仪器公司；LGL-18C
型高速台式离心机 上海安亭科学仪器厂；NPW-12型水浴氮吹仪 合肥艾本科学仪器有限公司；1260高效液相色谱仪 美国安捷伦公司；PHS-3C pH计 上海宇隆仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

切丁：胡萝卜→清洗→削皮→切丁（1 mm×
1 mm×1 mm、2 mm×2 mm×2 mm）；打浆：胡萝卜→清洗→削皮→家用打浆机打打成泥浆状。

为了研究油脂对β-胡萝卜素生物接近度的影响，在部分样品中加入3%、5%、10%的食用油。

1.3.2 体外消化法

参考文献[8,10,12]，做适当修改。将10 g样品、15 mL电解质溶液（50 mmol/L NaCl、14 mmol/L KCl、3.5 mmol/L KH2PO4、10 mmol/L CaCl2•2H2O、3.6 mmol/L
MgCl2•6H2O）放入150 mL三角瓶中，用1 mol/L HCl调节pH值至2.00±0.05，加2 mL胃蛋白酶（50.25 mg/mL，胃蛋白酶溶于0.1 mol/L HCl）封口放入摇床，于37 ℃、95 r/min消化1 h。取出三角瓶，用1 mol/L NaHCO3调节pH值至6.90±0.05，加入9 mL胆盐-胰酶液（31.13、5 mg/mL；胆盐、胰酶溶于0.1 mol/L NaHCO3）封口放入摇床于37 ℃、95 r/min消化2 h。消化结束后，于5 000×g离心10 min得到上清液，用于分析β-胡萝卜素从食物中释放出来的程度（释放率），按式（1）计算释放率；上清液过0.22 μm滤膜得到胶束，用于分析β-胡萝卜素可能被小肠吸收的程度（胶束化率），按式（2）计算胶束化率。酶液和样品需实验当天准备，每个样品重复3次。

（1）

（2）

式中：m1为上清液中β-胡萝卜素的含量/（μg/g）；m2为胶束中β-胡萝卜素的含量/（μg/g）；m3为胡萝卜中β-胡萝卜素的含量/（μg/g）。

1.3.3 β-胡萝卜素的萃取

称1 g鲜胡萝卜样品于研钵中，放入少量石英砂，用50 mL萃取剂（正己烷、乙醇、丙酮体积比50∶25∶25）分数次研磨提取，直到萃取剂和渣为无色。合并萃取液，加入15 mL蒸馏水和1 g CaCl2•2H2O，振荡，避光静止分层；取分层后的上层有机相，待测。

在上清液或胶束中加入等体积萃取剂，轻微振荡，避光静止分层；重复2 次，合并分层后的有机相；用氮吹仪吹干后定容，待测。

1.3.4 β-胡萝卜素的测定

采用高效液相色谱外标法定量测定待测样品液中
β-胡萝卜素含量。

高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）条件：色谱柱：ZORBAX SB-C18；柱温：25 ℃；流速：1.2 mL/min；进样量：10 μL；流动相A：甲醇，流动相B：乙酸乙酯；线性梯度洗脱：0～15 min，90%～85% A，15～30 min，85%～70% A；检测器波长范围：190～550 nm；检测波长：450 nm，胡萝卜中β-胡萝卜素的色谱图和光谱图分别见图1、2。

图 1 胡萝卜中类胡萝卜素提取物的HPLC图（450 nm）

Fig.1 HPLC chromatogram of carotenoids extracted from carrots (450 nm)

图 2 胡萝卜中β-胡萝卜素的紫外-可见光谱图

Fig.2 UV-visible absorption spectrum of β-carotene in carrots

标准曲线制作：精密称取β-胡萝卜素标准品5 mg，溶于25 mL二氯甲烷中，得到β-胡萝卜素标准品储备液（质量浓度为200 μg/mL）。用流动相将储备液分别稀释为质量浓度2、4、10、20、40、100 μg/mL的标准品使用液，进行HPLC检测。以峰面积为纵坐标，以溶液质量浓度为横坐标，进行线性回归，得到标准曲线方程为y=79.526x＋13.980，R2=0.999。

样品中β-胡萝卜素的含量测定：取待测样品过0.45 µm滤膜，进行HPLC分析。通过标准曲线测得样品中β-胡萝卜素质量浓度，并计算胡萝卜、上清液和胶束中β-胡萝卜素的含量。

1.4 统计分析

用DPS3.01数据处理软件，对不同样品的释放率和胶束化率进行0.01水平上的单因素试验统计分析。

2 结果与分析

2.1 机械加工方式对β-胡萝卜素生物接近度的影响

大写字母不同表示差异显著（P＜0.05）。下同。

图 3 不同加工方式对β-胡萝卜素释放率的影响

Fig.3 Effect of different mechanical processing methods on β-carotene bioaccessibility in the supernatant phase

由图3可知，在同一油脂添加量条件下，打浆处理胡萝卜中β-胡萝卜素的释放率都显著高于切丁处理（1 mm×1 mm×1 mm、2 mm×2 mm×2 mm）。在未加油脂时，打浆处理的释放率为2.069%，约为1 mm×1 mm×1 mm切丁处理的2倍，约为2 mm×2 mm×2 mm切丁处理的6 倍；油脂添加量为10%时，打浆处理的释放率为32.565%，分别约为1 mm×1 mm×1 mm、2 mm×2 mm×2 mm切丁处理的5.2、7.9倍。同时，未加油脂和油脂添加量添加10%时，切丁1 mm×1 mm×1 mm的释放率显著高于2 mm×2 mm×2 mm，添加3%和5%油脂条件下，两种切丁处理的释放率差异不显著。

由图4可知，在同一油脂添加量条件下，3种处理方式后β-胡萝卜素的胶束化率之间的差异均显著，胶束化率从大至小的顺序为打浆处理、1 mm×1 mm×1 mm切丁、2 mm×2 mm×2 mm切丁。未加油脂时，打浆处理的胶束化率（0.324%）约为1 mm×1 mm×1 mm切丁处理的1.4倍，约为2 mm×2 mm×2 mm切丁处理的3倍。

图 4 不同机械加工方式对β-胡萝卜素胶束化率的影响

Fig.4 Effect of different mechanical processing methods on β-carotene bioaccessibility in the micellar phase

从上述分析可看出，胡萝卜中β-胡萝卜素的释放率和胶束化率都随胡萝卜细胞的破碎程度的增大而增大，即β-胡萝卜素的生物接近度随细胞破碎程度的增大而增大。这与β-胡萝卜素在胡萝卜中的存在位置和物理状态有关。在鲜胡萝卜中，β-胡萝卜素以晶体状态存在于细胞（被细胞壁，细胞膜包围）有色体（双分子层）的类囊体膜上[6]，在机械处理过程中，细胞壁、细胞膜、类囊体膜被破坏，从而使β-胡萝卜素释放至消化液中。打浆处理相对于切分处理，细胞被破坏的程度高、被破坏细胞的数量多，因此，β-胡萝卜素释放至消化液中的数量就多（释放率高），被胶束包被的数量也随之增加（胶束化率高）。Tydeman等[4]研究则表明：在人体内消化过程中，消化液仅使被消化胡萝卜的外层细胞壁略微肿胀，多数细胞在消化后仍保持完整的细胞结构，阻碍了β-胡萝卜素从类囊体膜向消化液中的释放。因此，机械加工方式对于β-胡萝卜素的生物接近度的影响至关重要。

目前，多数采用静态体外消化法测定β-胡萝卜素的生物接近度的报道中，研究者更注重体外消化条件对人体胃肠道的模拟，只有少数研究者注意到对人体口腔咀嚼作用的模拟，样品的前处理方式也有较大差异。从本实验的研究结果可推测，口腔咀嚼和样品的前处理方式对于测定结果将有极大影响，这也是导致研究结果差异较大，有时甚至相互矛盾的一个重要原因。

2.2 油脂添加量对β-胡萝卜素生物接近度的影响

图 5 不同油脂添加量对β-胡萝卜素释放率的影响

Fig.5 Effect of amount of oil added on β-carotene bioaccessibility in the supernatant phase

图 6 不同油脂添加量对β-胡萝卜素胶束化率的影响

Fig.6 Effect of amount of oil added on β-carotene bioaccessibility in the micellar phase

表 1 β-胡萝卜素的释放率和胶束化率随油脂添加量变化的线性回归方程

Table 1 Linear regression equations of β-carotene in supernatant and micellar phases as a function of amount of oil added

注：y为释放率和胶束化率；x为油脂添加量。

图5、6为不同油脂添加量对胡萝卜中β-胡萝卜素的释放率和胶束化率的影响，表1为不同粒度胡萝卜中β-胡萝卜素的释放率和胶束化率与油脂添加量间的回归方程和相关系数，油脂添加量选择在正常膳食中油脂含量范围内（10%以下）[6,10-11]。由图5、6和表1可知，不同油脂添加量均提高了3种粒度不同的胡萝卜中β-胡萝卜素的释放率和胶束化率，且释放率和胶束化率均随油脂添加量的增加呈线性增长趋势，释放率、胶束化率与油脂添加量线性回归方程的R2均大于0.88（表1）；但不同胡萝卜粒度中β-胡萝卜素的释放率和胶束化率的增长幅度有较大差异，表现为线性回归方程的斜率显著不同，增长幅度由大至小的顺序为：打浆处理、1 mm×1 mm×1 mm切丁、2 mm×2 mm×2 mm切丁。如油脂添加量从0%～10%时，打浆处理β-胡萝卜素的释放率由2.069%增至32.565% ，胶束化率由0.324%增长至1.999%，分别增长了约15、5倍，而1 mm×1 mm×1 mm、2 mm×2 mm×2 mm的释放率分别增长了约5、11倍，胶束化率分别增长了3、1倍。差异显著性分析表明，同一种机械加工方式下，10%油脂添加量条件下的释放率和胶束化率都显著高于其他油脂添加量（0%、3%和5%）；3%、5%油脂添加量条件下的释放率和胶束化率都显著高于无油脂添加，但二者之间差异不显著（打浆时的释放率除外）。

类胡萝卜素是一种脂溶性营养素，目前通常认为膳食油脂一方面提供了一个疏水区域，在消化过程中使类胡萝卜素溶于其中，促进其转运到脂质微粒中，从而更利于小肠细胞的吸收；另一方面，油脂可促进胆盐和胰脂酶的分泌，从而有利于脂质胶束的形成，增加小肠细胞的吸收[6,8]。例如，Homero-Mendez 等[10]的研究表明在胡萝卜烹调过程中或鲜胡萝卜消化前加入橄榄油（添加量5、10%）均有利于类胡萝卜素的胶束化率的提高；de Jesus Ornelas-Paz等[9]的研究表明加入鸡肉可促进不同成熟度的芒果泥中的β-胡萝卜素的胶束化率。但也有不同的研究结论出现，如Knockaert等[6]研究表明：在胡萝卜泥高压均质处理前加入油脂（5%橄榄油），对β-胡萝卜素的释放率无显著影响；Schweiggert等[12]的研究表明：添加2.5%～3%油脂对甜瓜β-胡萝卜素的胶束化率无显著影响。本实验结果支持前一结论，即油脂提高了β-胡萝卜素的生物接近度。同时实验结果表明，不同机械处理的胡萝卜，油脂提高β-胡萝卜素生物接近度的程度有所不同，提高程度由大至小的顺序依次为浆状、1mm×1mm×1mm切丁、2mm×2mm×2 mm切丁。机械加工使胡萝卜的粒度越小，细胞破坏程度越大，使更多定位于细胞类囊体膜上β-胡萝卜素有机会接触到油脂，并溶于其中，从而使释放率增加的比例增大；进而使得其向胶束中转移的推动力增大，胶束化率增加的比例也因此提高。

2.3 释放率与胶束化率的关系

图 7 释放率和胶束化率的关系

Fig.7 Relationship of β-carotene in the supernatant and micellar phases

由图7可知，释放率与胶束化率间成良好的线性关系，即胶束化率随释放率的增加而增加。

3 结 论

机械加工方式和油脂对胡萝卜中β-胡萝卜素的生物接近度影响显著。机械加工处理对胡萝卜细胞的破碎程度越大、油脂添加量越高，β-胡萝卜素的生物接近度越高；且随细胞破碎程度的增加，油脂对β-胡萝卜素生物接近度提高的幅度也随之增加。

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