食品与营养科学中的类胡萝卜素分析：采样、处理、提取、皂化、鉴定与定量的一般性及注意事项

《Food Research International》：Carotenoid analysis in food and nutritional science: generalities, do's and don'ts on sampling, handling, extraction, saponification, identification and quantification

　　

•概括了类胡萝卜素的结构和性质信息。
•提供了可靠的类胡萝卜素提取和分析的关键建议。
•包含了防止类胡萝卜素在加工过程中降解的指导方针。
•提供了根据研究目标选择方法学的建议。
•在某些情况下，在线PDA-MS联用对于准确鉴定至关重要。

引言

类胡萝卜素是生物上重要的化合物。它们是异戊二烯类化合物，通常被称为萜烯或萜类化合物，构成了生物体中最大的天然化合物家族。这些化合物是通过异戊烯基二磷酸（IPP）及其异构体二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）（图1）的连续缩合反应生物合成的，两者均为5个碳原子的前体，代表生物异戊二烯单元（Meléndez-Martínez, Mapelli-Brahm等，2019）。

异戊二烯类化合物根据其所含异戊二烯单元的数量进行分类（表1），其中绝大多数类胡萝卜素属于四萜类。

类胡萝卜素由所有光合生物以及某些非光合细菌、古菌和真菌生物合成。现已知某些节肢动物可以从头生物合成类胡萝卜素，但总体而言，动物通过饮食获取类胡萝卜素或通过共生关系获得（Meléndez-Martínez, 2019; Rodriguez-Concepcion等，2018）。

类胡萝卜素在自然界中广泛存在。目前已在生命三个域——古菌、细菌和真核生物——约700个物种中描述了超过一千种类胡萝卜素（Nupur等，2016; Yabuzaki, 2017）。这些物种适应于各种环境，包括冰川、热泉、极地水域、高盐环境以及海洋底部等（Amaretti等，2014; Ben Amotz, 1996; Duc等，2006; Mapelli-Brahm等，2023; Olmos-Soto & Ruiz, 2012; Tian & Hua, 2010）。类胡萝卜素在光合作用中至关重要，光合作用是地球上生命的驱动力和食物生产的主要过程。与其他天然色素一起，类胡萝卜素由于其颜色而对传粉和种子传播（即植物繁殖）至关重要。类胡萝卜素也可以裂解形成植物激素如脱落酸和独脚金内酯等化合物，这些激素调节着对植物发育和韧性极为重要的诸多过程。除了植物-动物交流外，类胡萝卜素的色素沉着在同种内信号传递中也起着至关重要的作用。在动物中，体色是物种识别、警告信号或配偶选择等过程的重要属性。在某些物种中，基于类胡萝卜素的体色是性信号传递的关键，因为它们传达了关于寄生虫负荷、营养和免疫状态、生殖能力、遗传质量等信息以及光保护（Blount, 2004; Blount & McGraw, 2008; Britton, 2008; Meléndez-Martínez, 2016; Pike等，2010）。还有证据表明，类胡萝卜素可以发挥有益的效应，改善家禽、哺乳动物、鱼类或甲壳类等动物的生育力和繁殖成功率（Ismail等，2022; Li?án-Cabello等，2002; Mangiagalli等，2016; Pasquariello等，2022; Shahidi等，1998）。因此，类胡萝卜素在食品安全方面的作用不容置疑（Meléndez-Martínez, B?hm等，2021）。

动物可以改变类胡萝卜素的结构，产生氧化衍生物如类视黄醇和短链类胡萝卜素，这些物质可在体内发现（Rodriguez-Concepcion等，2018）。"短链类胡萝卜素"一词目前在实践中被普遍用来泛指所有类胡萝卜素裂解产物，从而包括类视黄醇和更短的裂解衍生物（Meléndez-Martínez, 2019）。短链类胡萝卜素可以通过类胡萝卜素裂解加氧酶（CCOs）形成，也可以通过非特异性反应形成（通过单线态氧、脂氧合酶共氧化或光氧化），产生众多代谢物。这扩展了类胡萝卜素参与的过程和作用的范畴。因此，特定的短链类胡萝卜素已被描述为具有驱虫作用、气味化合物、味道化合物，或作为前文提到的植物激素脱落酸和独脚金内酯的前体（Mapelli-Brahm等，2020）。

就食品而言，类胡萝卜素的主要膳食来源通常是水果和蔬菜，虽然它们也可以从豆类、谷物、油脂、草药或动物食品（蛋黄、禽畜内脏、三文鱼、虹鳟、贻贝等）中获取（Dias等，2018; Dias等，2021; Meléndez-Martínez, 2019）。来自替代来源（微藻、海藻、细菌、昆虫、真菌）的类胡萝卜素在可持续生产健康促进食品的背景下引起了越来越多的关注。类胡萝卜素还可以从补充剂或将其用作添加剂的产品（乳制品、软饮料、酱料、果汁、糖果等）中获取。补充剂的目的是增加膳食类胡萝卜素的摄入量，以期获得健康促进作用甚至美容效果（Mapelli-Brahm等，2020）。事实上，富含类胡萝卜素的产品据记载自古以来就被用于美容目的。据说克利奥帕特拉曾使用藏红花用于美容目的，而南美洲和中美洲的原住民使用胭脂树种子涂抹面部（Britton等，2017）。自20世纪70年代以来，类胡萝卜素不仅作为美黑剂，还作为临床光保护剂，高剂量β-胡萝卜素被用于减少红细胞生成性原卟啉症患者的光敏感性（Mathews-Roth等，1970）。近年来，吸收紫外光的无色类胡萝卜素植烷和植酮正被用作皮肤美白剂（Meléndez-Martínez, 2019）。类胡萝卜素在饲料中也很重要，例如可以添加以改善蛋黄或三文鱼肉的颜色（Meléndez-Martínez, Mandi?等，2021）。

多年来，对膳食类胡萝卜素的主要兴趣在于某些类胡萝卜素是维生素A（一种必需营养素）的前体。然而，在过去几十年中，大量证据表明类胡萝卜素可能具有超出其对维生素A贡献之外的健康益处。尽管类胡萝卜素可能的健康益处通常被归因于抗氧化机制，但它们也可能作为促氧化剂、吸收光线或调节细胞间通讯、膜特性或信号通路。除维生素A前体类胡萝卜素在对抗维生素A缺乏症中的基本作用外，类胡萝卜素还与免疫能力方面的可能益处以及降低癌症、心血管疾病、骨骼、皮肤或眼部疾病、精神衰退或代谢障碍（如糖尿病、肥胖症）等疾病风险相关联。近年来，类胡萝卜素在孕期和生命早期可能的有益效应也引起了越来越多的关注，以及它们与微生物组的相互作用（Bohn等，2021; Bohn等，2023; Eggersdorfer & Wyss, 2018; Eroglu等，2023; Meléndez-Martínez, 2019）。鉴于其多功能性，人们对联胡萝卜素在开发旨在促进人类健康的产品（功能性食品、营养保健品、营养化妆品等）方面非常有兴趣（Meléndez-Martínez, B?hm等，2021）。

由于类胡萝卜素在自然界和食品中的重要性，对类胡萝卜素及其衍生物的研究仍在不断扩展。依赖可靠的分析方案来进行测定对于得出有意义的研究结论以及含类胡萝卜素产品的开发和质量控制至关重要。在此背景下，在强调类胡萝卜素在不同层面的重要性之后，本工作的主要目标是概括类胡萝卜素的结构和性质，并列举其处理和分析的推荐实践。重点在于汇编有关类胡萝卜素处理的基础知识，因为即使最先进的人工智能仪器也无法弥补不当的类胡萝卜素操作所带来的问题。

章节片段

化学结构

类胡萝卜素分子的主要结构特征是多烯骨架的存在。这个共轭双键（c.d.b.）系统是类胡萝卜素颜色、反应性、光化学性质和形状的主要贡献因素之一。如上所述，大多数类胡萝卜素是四萜类，由8个异戊二烯单元组成，含有40个碳原子。类胡萝卜素中有七种基本末端基团，其中一种是无环的（表2）。这些末端基团可以包含

一般性质及其与某些作用的关系

类胡萝卜素的物理化学行为，包括其颜色、溶解度和化学反应性，在很大程度上由其共轭双键系统和分子结构特征决定（Meléndez-Martínez, 2019）。

开始研究类胡萝卜素之前

鉴于其特性和不稳定性，类胡萝卜素的分析特别具有挑战性。在开始研究类胡萝卜素之前，了解其采样和处理的基本知识至关重要，否则即使实验室拥有最先进的仪器，仪器也永远无法弥补所犯的错误。因此，建议阅读有关类胡萝卜素处理和分析的经典指南、书籍、文章和综述及其参考文献，因为大多数

质谱法与分光光度法

为了实现最可靠的类胡萝卜素鉴定，尤其是在纯标准品不可用的情况下，强烈建议将二极管阵列检测器/光电二极管阵列检测器（DAD/PDA）与质谱仪（MS）在线联用进行HPLC/UHPLC分析。这种方法至关重要，因为不同的类胡萝卜素经常表现出相同的紫外-可见光谱但具有不同的分子质量，或者相反的情况。

理解电离的基本原理对于成功应用至关重要

分析误差来源

类胡萝卜素的分析通常包括以下阶段：
- 采样和分析样品的制备。
- 提取
- 在某些情况下，分配至与后续色谱步骤相容的溶剂中。
- 在某些情况下，皂化和洗涤（例如，针对高脂基质或水解黄质酯）。
- 浓缩。
- 色谱分离。
- 鉴定。
- 定量分析。

分析误差可能因不同原因而产生，包括：
- 固有的不稳定性

类胡萝卜素分析的注意事项

根据上述考量，可以明确类胡萝卜素分析的注意事项。

作者贡献

所有作者均对原始稿件的概念化、调查和写作部分做出了贡献。A.J.M.M.负责资金获取和资源。P.M.B.负责协调论文审阅和编辑。所有作者均已阅读并同意已发表的论文版本。

CRediT作者贡献声明

Antonio J. Meléndez-Martínez：原始稿件撰写、资源、调查、概念化。Jessica L. Cooperstone：原始稿件撰写、调查、概念化。Giuffrida Daniele：原始稿件撰写、调查、概念化。Dámaso Hornero-Méndez：原始稿件撰写、调查、概念化。Paula Mapelli-Brahm：审阅与编辑、原始稿件撰写、验证、调查、概念化。ángeles Morón-Ortiz：撰写——

未引用参考文献

Comm. and on the Nomenclature of Org. Chem., and I.-I. Comm. Biochem. N., 1975
de Meulenaer等，2022
del García-Rodríguez, Bagur, Salinas和Alonso, 2017
Meléndez-Martínez, Stinco和Mapelli-Brahm, 2019

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/人际关系，可视为潜在的利益冲突：Antonio J. Melendez Martinez偶尔与某些公司存在关系，包括咨询或顾问。如果还有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或可能影响本论文所报告工作的个人关系。

致谢

AJMM、DHM、BOA和PMB是西班牙类胡萝卜素网络（CaRed）成员，项目编号RED2022-134577-T，由MCIN/AEI/10.13039/501100011033资助。PMB感谢塞维利亚大学第七次自有研究和技术转让计划（VII PPIT-US）的资金支持，以及人才吸引和保留计划（PPIT）下的II.4 PPIT合同，并感谢安达卢西亚经济转型、工业、知识和大学部提供的博士后奖学金。

Antonio J. Meléndez-Martínez | Jessica L. Cooperstone | Giuffrida Daniele | Dámaso Hornero-Méndez | Paula Mapelli-Brahm | ángeles Morón-Ortiz | Bego?a Olmedilla-Alonso | Delia B. Rodriguez-Amaya