Estudio sobre la síntesis de betacaroteno

beta-carotenois a carotenoid, an orange-yellow fat-soluble compound. It is one of the most common and most stable natural pigments in nature. It is widely found in plants and is a polyene compound. It is an antioxidant with detoxification effects and an essential nutrient for maintaining the health of humans and animals. It strengthens the immune system, thereby enhancing the immunity of humans or animals and promoting animal growth. Beta-carotene is a precursor of vitamin A and can be converted into vitamin A in the body after entering the body of animals.

Beta-carotene is a fat-soluble pigment that can have a yellow to red color depending on its concentration. It can be used as a food additive or animal feed additive. Beta-carotene has been recommended by the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives as a food additive and nutritional supplement and is classified as a Class A nutritional food fortifier. Beta-carotene can be used as an animal feed additive to enhance the animal's mejorar la tasa de supervivencia de los animales criados, mejorar la capacidad reproductiva de los animales, mejorar el rendimiento de la producción, aumentar el color del ganado, aves de corral y productos de animales acuáticos, y mejorar la tasa de crecimiento animal y la calidad de la carne. Se informa que la demanda nacional e internacional de beta-carotenestá aumentando año tras año, y tiene buenos beneficios económicos en el mercado internacional. Por lo tanto, este artículo revisa los métodos de extracción, síntesis y separación del beta-caroteny su aplicación en la industria alimenticia.

1. The Chemical structure and Properties of β -caroteno (en inglés)

− -caroteno, con la fórmula molecular C40 H56 y una masa molecular relativa de 536,88, tiene un punto de fusión de 176-180 β C, un ligero olor peculiar o extraño, y un polvo cristalino de color rojo púrpura o rojo oscuro. Una solución diluida es de color amarillo anaranjado A amarillo. Es insoluble en agua, propilenglicol y glicer, ligeramente soluble en etanol y éter, soluble en cloroform, hexano, disulfurde de carbono, acetona, benceny aceite. Es inestable en presencia de luz y calor y se oxida fácilmente. 

2 producción de − -caroteno

2. 1 proceso de extracción de − -caroteno natural

2.1.1 extracción con disolventes orgánicos

El método de extracción con disolventes orgánicos es el más tradicional para la extracción de pigmentos naturales. El principio es seleccionar un disolvente adecuado basado en el principio de como disuelve como, y luego calentar la mezcla durante un período de tiempo para disolel beta-carotenen el disolvente. Los disolventes comúnmente utilizados incluyen éter de petróleo, acetona, acetato de etilo y cloroform. Pasos específicos: pretratamiento de la muestra → pesaje de la muestra → adición de líquido a una cierta relación → calentamiento y extracción a una temperatura y tiempo adecuados → filtrado → concentración al vacío del filtrado bajo presión reducida → obtención de → -caroteno crudo. Este método es sencillo de operar y requiere pocos instrumentos y equipos. Es ampliamente utilizado para extraer beta-carotende de algunas plantas. Sin embargo, la extracción con disolventes orgánicos tiene las desventajas de utilizar una gran cantidad de disolvente, tomar mucho tiempo, causar una mayor contaminación ambiental, tener una baja tasa de recuperación del disolvente orgánico, y dañar el pigmento hasta cierto punto.

Zhang Yan et al. used single factor and orthogonal experiments to investigate the effects of extraction solvent, extraction time, extraction temperature, liquid-to-material ratio and extraction times on the extraction of β-carotene from white lotus powder. The results showed that the optimal extraction conditions for β-carotene from white lotus powder were ethyl acetate as the organic extraction solvent, extraction time 180 min, temperature 45 °C, liquid-to-material ratio 1:6, extracted twice, and the extraction rate can reach 679. 864 μg / g.

Wu Yanmiao et al. usaron té de baja calidad como materia prima y determinaron el proceso óptimo a través de pruebas de un solo factor. El proceso óptimo es el siguiente: temperatura de extracción 50 ℃, relación líquido-material 1 − 3, tiempo de extracción 60 min, extraído dos veces, la tasa de extracción puede alcanzar el 80%. El − -carotenen el extracto fue analizado por cromatolíquida de alta eficiencia (HPLC), y se encontró que el contenido de − -carotenen el extracto era de aproximadamente 0,2%. La saponificación y la cromatode columna se utilizaron para obtener un producto − -carotencon una pureza de 22%.

2. 1. 2 extracción de fluido supercrítico

El CO2 supercrítico es el tipo más común de fluido supercrítico. Este método utiliza los efectos de la temperatura y la presión sobre la solubilidad de fluidos supercríticos. Los fluidos supercríticos por encima de la temperatura y presión crítica tienen la fluidez de un gas y la solubilidad de un líquido. Después de contactar con la muestra, el extractante puede disolselectivamente componentes con diferentes polaridades, puntos de ebulliy masas moleculares relativas de la muestra en secuencia. Entonces, a otra temperatura y presión, el fluido supercrítico se convierte en un gas normal, reduciendo la solubilidad del producto objetivo y haciendo que precipcompletamente o casi completamente, logrando así el objetivo de separación y purificación. Este método tiene las ventajas de ser barato y fácil de obtener, seguro y fiable, simple en proceso, sin residuos de disolvente, no tóxico, inofensivo y no contaminante, y es ampliamente utilizado en la extracción de algunos productos naturales.

Yao Ping et al. usaron espinacas como materia prima y tecnología de extracción de CO2 supercrítico para extraer − -caroteno. Los principales factores que afectan la tasa de extracción se estudiaron y analizaron mediante experimentos ortogonales, y las condiciones óptimas de proceso para la extracción de -caroteno de espinacas se determinaron en una dosis de agente de arrastre del 10%, una temperatura de extracción de 40 β C, una presión de extracción de 20 MPa y un tiempo de extracción de 120 min. Bajo estas condiciones, la tasa de extracción de -caroteno alcanzó 5,04 mg/100 g.

Su Haijian et al. usaron el método del CO2 supercrítico para extraer carotenoides de las hojas de tabaco de desecho. Utilizando la tasa de extracción de carotenoides como indicador, y basándose en experimentos de un solo factor, se utilizó el método de superficie de respuesta Box-Behnken para optimizar la presión de extracción, la temperatura de extracción, el tiempo de extracción y la tasa de flujo de CO2. Los resultados muestran que la interacción de la temperatura de extracción, la presión de extracción y la tasa de flujo de CO2 tiene un efecto muy significativo en la tasa de extracción de carotenoides en las hojas de tabaco; El efecto de la presión de extracción es significativo. Las condiciones óptimas de proceso obtenidas a través de la optimización fueron una presión de extracción de 23,53 MPa, un tiempo de extracción de 1,72 h, una temperatura de extracción de 50,00 °C, y una tasa de flujo de CO2 de 8,05 L/h. En estas condiciones, la tasa de extracción de carotenoides en las hojas de tabaco fue de 285,1 μg/100 g.

2. 1. 3 método de extracción por ultrasonidos

La extracción ultrasónica utiliza la fuerte oscilación, el efecto cavitación y el efecto térmico del ultrasonido. Las burbujas de cavitación son generadas por la oscilación ultrasónica, y las burbujas de cavitcontinúan movien el ambiente oscil. Durante el movimiento, continúan creciendo y luego revientan. Cuando revientan, absorben energía en el campo del sonido y la liberan en un tiempo muy corto y un espacio muy pequeño, creando un ambiente de alta temperatura y alta presión acompañado por una onda de choque. Esto hace que las células revienten, liberando su contenido y disolviendo el producto en el disolvente. La tecnología de extracción asistida por ultrasonido reduce en gran medida el tiempo de extracción en comparación con la extracción con solventes orgánicos tradicionales, tiene una tasa de extracción más alta, es fácil de operar, tiene bajos costos de proceso de extracción, es ampliamente adaptable y tiene relativamente pocas impurezas en el extracto. En los últimos años, este método ha sido ampliamente utilizado en la extracción de productos naturales y la extracción de ingredientes activos de hierbas medicinales.

Zhou Mingqian et al. estudiaron el proceso de extracción por ultrasonidos de − -caroteno de Dunaliella salina. El rendimiento de − -carotense utilizó como índice de evaluación. Basándose en pruebas de un solo factor, se utilizaron experimentos ortogonales para determinar las condiciones óptimas del proceso de extracción de − -carotende Dunaliella salina bajo los efectos combinados de temperatura de extracción, tiempo de extracción, tiempo de mejora ultrasónico y relación líquido-material. Es decir, una relación líquido-sólido de 1:6 (g:mL), un tiempo de realce ultrasónico de 70 s, una temperatura de extracción de 20 °C, y un tiempo de extracción de 9 min. En estas condiciones, el rendimiento de − -caroteno puede alcanzar 4,418%.

Ma Shaojun et al. utilizaron la cáscara de naranja dulce como materia prima para extraer carotenoides utilizando tecnología ultrasónica. Se utilizó un diseño de prueba ortogonal Box-Behnken para analizar el efecto en la composición de carotenoides por cromatolíquida de alta performance. Los resultados mostraron que el método de secado de la cáscara fue liofilización, el tamaño de partícula fue de 100 a 120 malla, la relación líquido-sólido fue de 1:50 (g:mL), la potencia ultrasónica fue de 270 W, el tiempo ultrasónico fue de 7 a 10 min, la temperatura ultrasónica fue de 30 a 50 °C, y la extracción se realizó 4 a 5 veces. Optimi, el contenido de carotenoides varió de 0. 130 a 0. 150 mg/g, y el valor verificado fue 0. 152 mg/g. El análisis de cromatografía líquida de alta eficacia mostró que la extracción ultrasónica no tuvo un efecto significativo sobre los principales componentes de los carotenoides en las condiciones de ensayo.

2. 1.4 método de extracción asistida por microondas

Las microondas son ondas electromagnéticas de alta frecuencia con una frecuencia de entre 300 MHz y 300 GHz. Tienen un poderoso poder de penetración y pueden penetrar en el medio de extracción directamente a los haces microtubulares y sistemas de células glandulares del material de la muestra, generando altas temperaturas dentro de las células y causando que la presión interna exceda las células#39; Capacidad de resistirlo, rompilas células y liberando los ingredientes activos en su interior. Además, el campo electromagnético generado por las microondas puede acelerar la velocidad a la que las moléculas extraídas se difundesde el interior de la muestra a la interfaz entre las células de la muestra y el solvente, acelerando así la velocidad de liberación del producto objetivo. La extracción asistida por microondas utiliza una pequeña cantidad de muestra, ahorra energía, causa menos contaminación, tiene un proceso simple, es altamente eficiente, acorta el tiempo de extracción, y es fácil de seguir. Como una nueva tecnología de extracción, tiene obviventajas en la extracción de productos naturales y ha sido ampliamente utilizado en la extracción de diversos productos naturales en los últimos años.

Wang Ying et al. used a mixture of ethyl acetate and absolute ethanol to extract β-carotene from carrots by microwave. The effects of the liquid-to-material ratio, microwave time and microwave power on the extraction rate were investigated. The results showed that the optimal process conditions for β-carotene extraction were a liquid-to-material ratio of 1:5 (g:mL), a microwave time of 40 s and a microwave power of 400 W. Under the optimal conditions, the extraction rate can reach 47.8%.

Chen Lei et al. extrajeron → -caroteno de la baya de licio usando la extracción asistida por microondas, examinel disolvente para extraer → -caroteno, e investigaron los efectos de la potencia de microondas, el tiempo de extracción, la relación líquido-sólido y la temperatura de extracción en la tasa de extracción de → -caroteno. Sobre la base de un solo factor, el proceso de extracción se optimipor ensayo ortogonal. Los resultados mostraron que los parámetros óptidel proceso son potencia de microondas 400 W, tiempo 80 s, temperatura 25 ℃, relación líquido-sólido 1:15. Bajo estas condiciones, la tasa de extracción de beta-carotenes de 0,55%.

2. 1. 5 método de reacción enzimática

El método de reacción enzimutiliza la especificidad de las enzimas para producir − -caroteno. Las enzimas comúnmente usadas incluyen celulasa y pectinasa. Las células vegetales se componen de una gran cantidad de celuly pectina. La celulasa puede lisis las paredes celulares de las plantas, y cuando se utiliza en combinación con la pectinasa, puede reducir eficazmente la resistencia de las barreras de transferencia de masa, tales como las paredes celulares y el citoplasma a la difusión hacia el exterior de ingredientes eficaces en las células, de modo que se liberan ingredientes más eficaces. En comparación con los métodos tradicionales de extracción, el método enzimtiene una mayor tasa de extracción y condiciones de extracción más suaves.

Yuan Xuhong et al. (en inglés)Fruta de espino de marComo materia prima para estudiar las condiciones óptimas para la extracción y purificación de carotenoides por el método de enzimas compuestas. Los resultados mostraron que las condiciones óptimas para la extracción de carotenoides de espino espino de mar por el método enzimcompuesto fueron celulasa: pectinasa 2:1 (g:g), temperatura enzim30 °C, tiempo enzim25 min, cantidad de adición enzim0,20%, pH enzim7, y la tasa de extracción bajo estas condiciones fue 89,88%. El contenido de carotenoides se incrementó de 23,08% a 69,53% mediante la purificación del extracto de carotenoides crudo por saponificación, y los carotenoides saponificados fueron purificados por cromatode columna de gel de sílice, aumentando el contenido de 69,52% a 84,36%.

Comparando los métodos de extracción anteriores, el método de extracción con disolvente orgánico es más adecuado cuando las condiciones experimentales son relativamente simples y se requiere una pequeña cantidad de caroteno crudo. La extracción de fluido supercrítico es más adecuada cuando se requiere más puro − -caroteno. La extracción asistida por ultrasonidos y la extracción asistida por microondas tienen tasas de extracción más altas, tiempos más cortos y menos contaminación. Estos dos métodos son más adecuados para la producción industrial a gran escala porque sus ventajas están en línea con los conceptos de producción actuales de la mayoría de las empresas - alta eficiencia y protección del medio ambiente. Debido a que las condiciones para extraer − -caroteno por reacción enzimson más suaves, se puede obtener − -carotencon mayor actividad. Cuando se estudian las propiedades del acaroteno extraído, el método de reacción enzimes más adecuado.

2. 2 síntesis de − -caroteno

2. 2. 1 fermentación microbiana

El uso de microorganismos para producir beta-carotense concentra principalmente en el uso de Trichoderma reesei y levadura roja.

La fermentación microbiana es un método que utiliza tecnología de cultivo microbipara permitir que los microorganismos sinteel → -caroteno in vivo, y luego aislar el → -caroteno de los microorganismos. Este método tiene las ventajas de un rápido crecimiento microbi, una fuerte capacidad para producir − -caroteno, una calidad relativamente buena del − -carotenobtenido, un fácil control bajo condiciones seguras y no tóxicas, y una medición rápida y conveniente.

Wang Aijun et al. optimized the seed medium and fermentation medium in the method of producing natural β-carotene by fermentation of Trichoderma reesei. The results showed that: starch was selected as the medium, and ethyl acetate was used as the solvent for fermentation. The starch content was 2.3%, the pH was 6.6, and the fermentation unit was increased by 94.21%.

Se ha informado que el uso de levadura roja tratada con alta presión hidrostática, el medio de fermentación se puede optimizar mediante el análisis de la superficie de respuesta para producir − -carotenhasta 13,43 mg/L.

2.2.2 ingeniería genética

Con el desarrollo de la tecnología genética, el uso de métodos genéticos para producir carotenoides ha recibido mucha atención de muchos estudiosos en los últimos años. La aplicación de la tecnología de ingeniería genética ha aumentado considerablemente la cantidad de − -carotensintetizen los organismos, aumentando así la cantidad de − -carotenextraído. El pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y el pirofosfato de isopentenilo (IPP) son los dos precursores comunes para la producción de carotenoides. Actualmente existen dos vías sintéticas conocidas: la vía 2-c-metil-d-eritritol (MEP), que se encuentra principalmente en bacterias y organismos vegetales; Y la vía metil-d-eritritol-4-fosfato (MVA), que se encuentra principalmente en el citoplasma o retículo endoplásmico de arqueas, hongos y plantas.

Zhao Jing et al. utilizaron seis elementos regulados artificialmente con muy diferentes fuerzas para estudiar la regulación de ocho genes en la vía de síntesis de terpenoides. Los resultados mostraron que la fuerza óptima del elemento regulador varió para diferentes genes. La regulación de los ocho genes aumentó la producción de beta-carotenen 1,2 a 3,5 veces. También se encontró que los elementos reguladores de fuerza adecuada también podrían aumentar la producción de caroteno después de regular los genes DXR, ispG y ispH también pueden aumentar la producción de caroteno. La regulación combinada de los genes DXR e idi puede aumentar la producción de acaroteno en 8 veces, y en última instancia la producción de acaroteno puede alcanzar 17,59 mg/g de masa seca de las células.

2. 2. 3 síntesis química

La síntesis química es un método de síntesis artificial de beta-carotenusando materias primas químicas orgánicas y reacciones de síntesis química. En la actualidad, las principales vías son: el uso de la vitamina A como materia prima, la conversión de la vitamina A en reactivo de viashina de xanaldehído y metilo, y luego la condensación para formar − -caroteno; − -ionona como materia prima, la ruta de la compañía Roche caracterizada por la reacción de Grignard; − -ionona como materia prima, sintetizpor vinilo - − -ionol, C15+C2+C15 reacción de Wittig.

Jin Xiao et al. usaron furano como materia prima, el intermediario clave 2,7-dimetil-2,4,6-octatriena-1,8-dialdehído para la síntesis de − -caroteno fue sintetizen cuatro pasos: hidrólisis, reacción de hidrolisis-wittig in situ, reducción y oxid. El intermediario reaccionó con una sal de fosfonio cuaternario en la reacción de Wittig para sintetizar -caroteno, con un rendimiento total de 43%.

Fan Guixiang utilizó vitamina A aldehído como materia prima. Mediante la combinación de un metal de transición con aldehído de vitamina a, el metal fue oxidado, el grupo carbonilo de aldehído de vitamina a fue reducido y acoplado para formar un doble enlace, y aβ-carotene product with a content of more than 98% was obtained, with a recovery rate of more than 80%.

3 separación y purificación de − -caroteno

Los principales métodos para la separación y purificación del caroteno incluyen la adsory separación de resina macropor, cromatode columna de gel de sílice, separación de resina de intercambio iónico, purificación de enzimas, separación y purificación de membranas, y separación y purificación de recristalización.

Liu Huilin et al. utilizaron la resina de adsormacroporx-5 y el éter como el eluente para separar y puriel β -caroteno producido por la levadura roja adhesiva RM-1, y obtuvieron el β -caroteno con una pureza de 33,29%, que es 6,87 veces mayor que la de los no puri. Jiaoyuzhi et al. usaron una columna de intercambio de óxido de magnesio para aislar y puriel caroteno de la harina de trigo rica en selenio, y el rendimiento de caroteno podría alcanzar el 93.37%. Xia Wei et al. usaron cromatode columna y recristalización para separar y puriel acaroteno extraído de tabaco molido o extracto de tabaco molido, obteniendo acaroteno con una pureza de 98% y una tasa de recuperación de hasta 80%. Tang Dandan utilizó − -ionona como materia prima para sintetizar − -caroteno a través de la ruta de reacción Darzens + Wittig-Horner, y luego lo separó y puripor recristalización. La pureza del caroteno fue de 96% según lo determinado por HPLC, y la tasa de recuperación fue de 81.58%.

En comparación, las resinas de adsormacroporosas tienen un área de superficie específica grande, buena selectividad, adsorrápida, condiciones de desorción suaves, regeneración conveniente, una larga vida útil y ahorro de energía. Las resinas de intercambio iónico son renovables y relativamente de bajo costo, pero tienen una pobre selectividad. La cromatode gel de sílice y los métodos de separación de membrana tienen mayor pureza y ciclos de producción más cortos. El método de separación por recristalización es sencillo de operar y ahorra energía, pero para algunos − -carotenextraídos de plantas, no logra los resultados deseados.

4. Aplicación en la industria de piensos

El betacaroteno es un pigmento natural that is non-toxic and harmless. It has good coloring properties and a stable and uniform color. It is a precursor of vitamin A, and its efficiency in converting to vitamin A varies greatly depending on the animal species. Beta-carotene can enhance the transmission of information between cells. Its molecule has 11 conjugated double bonds. This special structure allows it to scavenge toxic oxygen radicals and quench singlet oxygen in animals, acting as an antioxidant to cut off chain reactions. It also enhances the animal's propia inmunidad contra los ataques de bacterias y virus, mejorando así el cuerpo 's aumentar la capacidad inmuny la tasa de supervivencia de la cría de animales; En los animales, los carotenoides pueden dificultar la peroxidlipíy proteger a las células germinales del daño causado por las reacciones oxidativas, mejorando así la fertilidad animal y mejorando el rendimiento de la producción.

Because β-carotene is naturally yellow or orange, it is also an effective coloring agent. Adding coloring agents to feed can increase the color of livestock, poultry and aquatic animal products, such as the buttery color of milk, the color of the yolk and outer skin of poultry eggs, and the color of poultry feathers. It can also change the color of feed to stimulate the appetite of livestock and poultry. With the development of the feed industry, various feed additives are increasingly being used in compound feeds. β-carotene is one of them. As a feed additive, β-carotene can improve the growth rate of animals and the quality of meat, enhance the reproductive capacity of cows, horses and pigs, and also enhance the color and quality of fish and shrimp, and deepen the color of poultry eggs. Studies have shown that adding 50, 150 and 200 mg/kg of β-carotene to the feed of breeder chickens can increase their egg production rates by 2.15%, 2.73% and 5.97% respectively compared to the control group, and improve fertilisation and hatchability rates. The egg yolks are also darker in colour and of better quality.

Se ha informado de que las vacas alimentadas con una dieta sin beta-carotena menudo presentan "fiebre sin calor" y ovulación tardía, quistes foliculares, reducción y retraso en la formación del cuerpo lúteo, que en casos graves puede conducir a trastornos reproductivos y estasis dela placenta. Sin embargo, añadir → -carotena a la dieta puede corregir estos síntomas. Durante el proceso de producción, se encontró que la leche del grupo con un alto nivel de suplementos de carotenera de color ligeramente amarillo en comparación con el grupo de control yel grupo de baja suplementación. Esto se debe a que el carotenen sí mismo es también un pigmento que se almacena fácilmente en la grasa. El grupo con un alto nivel de suplementos de caroteno también tuvo una concentración másica más alta de -caroteno en la leche, lo cual causó un cambio en el color de la grasa de la leche y resultó en un color amarillde la leche. Complementar a los toros con una cierta cantidad de − -caroteno puede aumentar el número de espermatozoides producidos y mejorar la motilidad de los espermatozoides. Por el contrario, un suministro insuficiente dará lugar a una relación anormalta de cromosomas anormales en comparación con el semen normal.

El betacaroteno también puede promover el crecimiento de cangrejos. Yuan Chunyang et al. alimentcon alimentos experimentales enriqucon betacarotena a los cangrejos de China mitten, lo que aumentó la calidad de los cangrejos de China mitten, mejoró la tasa de supervivencia de los cangrejos de cultivo, y aumentó el porcentaje de fagocitosis de células sanguíneas en los cangrejos de China mitten, redujo la actividad del suero superóxido dismutasa, aumentando significativamente el índice de ovariy el diámetro de ovodel cangrechino mitten. Los carotenoides juegan un papel importante en la maduración de las gónadas de los peces, el desarrollo embriony el desarrollo larval. Los estudios han demostrado que la alimentación con alimentos enriquecidos con carotendurante el período de cría puede afectar significativamente la calidad de los huevos de salmón y trucha y la salud y la supervivencia de las primeras larvas. Cuando el contenido de carotenoides de los huevos de salmón y trucha es de 1 a 3 mg/kg, la tasa de eclode de los huevos es de aproximadamente el 60%; Si el contenido de carotenoides de los huevos está por debajo de este nivel, la tasa de eclode de los huevos es inferior al 50%.

5 perspectivas

Betacaroteno tiene una variedad de funciones fisiológicas, en particular, puede aumentar el cuerpo's immune capacity, enhance the anti-cancer ability of the human immune system, promote animal growth, and improve reproductive capacity. It has been widely used in the development of animal feed, human health products and pharmaceuticals. Due to its effect of beautifying and nourishing the skin, it has also been well used in cosmetics. International demand for beta-carotene is also growing year by year, and the market demand for beta-carotene will be even greater in the future. It has a very promising market with good economic benefits. Researchers are studying the mechanism of action of beta-carotene, finding more natural sources of beta-carotene extraction and synthetic pathways, improving the yield and purity of beta-carotene, and finding more extensive uses for it. We hope that scholars will conduct further research.

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