類胡蘿卜素降解方式的研究進(jìn)展

朱明明，樊明濤，何鴻舉,*

（1.河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

類胡蘿卜素降解方式的研究進(jìn)展

朱明明1，樊明濤2，何鴻舉1,*

（1.河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

類胡蘿卜素是一類由植物和某些光合微生物產(chǎn)生的親脂性異戊二烯類色素，廣泛存在于自然界中。根據(jù)其種類和化學(xué)鍵斷裂位置不同，可生成多種在生物體內(nèi)有重要功能的衍生物，包括類維生素A、色素、植物激素和香氣物質(zhì)。目前，類胡蘿卜素的降解方式有多種，如物理降解、化學(xué)降解和生物降解等，其中生物降解又分為特異性酶降解和非特異性酶降解。本文對(duì)類胡蘿卜素降解產(chǎn)物的種類和功能進(jìn)行介紹，并對(duì)其降解方式進(jìn)行全面綜述，重點(diǎn)闡述生物降解的優(yōu)勢(shì)，對(duì)特異性酶和非特異性酶及其作用位點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，指出篩選高活性類胡蘿卜素降解酶及其在食品加工工業(yè)上的應(yīng)用為今后研究的方向。

類胡蘿卜素；降解產(chǎn)物；降解途徑；生物酶；微生物

朱明明, 樊明濤, 何鴻舉. 類胡蘿卜素降解方式的研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(11): 308-317. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711048. http://www.spkx.net.cn

ZHU Mingming, FAN Mingtao, HE Hongju. Advances in methods for the degradation of carotenoids[J]. Food Science, 2017, 38(11): 308-317. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711048. http://www.spkx.net.cn

類胡蘿卜素是一類由植物和某些光合微生物生成的呈紅色、橘黃色或者黃色的親脂性異戊二烯類色素，一般在波長(zhǎng)300～600 nm之間有吸收峰[1]。在自然界中已鑒定出天然類胡蘿卜素的種類超過700 種，廣泛存在于食物中，如蔬菜、水果和海鮮。由于種類繁多，所以分類方式也有多種。若類胡蘿卜素按長(zhǎng)鏈C原子數(shù)量分類可分為：C30、C40、C50三大類，其中絕大部分類胡蘿卜素是C40類，而在甲基桿菌和葡萄球菌等細(xì)菌中會(huì)產(chǎn)生一些C30類[2]。若類胡蘿卜素按長(zhǎng)直鏈含有六元環(huán)的數(shù)目分類可分為：番茄紅素的直鏈類、β-阿樸-8’-胡蘿卜醛的單環(huán)類以及β-胡蘿卜素的雙環(huán)類胡蘿卜素。如按照構(gòu)成元素可分為兩大類：一類是由C、H兩種元素組成的環(huán)狀或非環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物，將其稱為胡蘿卜素類，這類化合物極性較小，典型代表為β-胡蘿卜素和番茄紅素；一類是由C、H、O三大元素構(gòu)成的化合物，稱之為含氧類胡蘿卜素，分子中含有氧原子，可形成羥基、甲氧基、羰基和環(huán)氧化物等[3]，極性較大，典型代表為葉黃素類[2,4]。

在自然狀態(tài)下，類胡蘿卜素的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是高度不飽和，其最顯著特征為含有3～15 個(gè)共軛雙鍵[5]，共軛雙鍵存在的位置決定類胡蘿卜素的功能特性，包括在光合生物中可起到光吸收和光保護(hù)的作用[6-7]；可作為細(xì)胞膜的抗氧化保護(hù)劑[8]；具有抗氧化和抗癌特性[6,9-10]；對(duì)眼睛具有保護(hù)功能等[11-12]。但類胡蘿卜素除上述功能外，還可作為一些派生物的重要底物。根據(jù)類胡蘿卜素種類和降解位點(diǎn)、降解方式的不同，可生成多種衍生物，其在生物體中具有重要的功能，如可作為維生素、植物激素及芳香類化合物等。因此利用類胡蘿卜素降解生成活性物質(zhì)，尤其是香氣物質(zhì)已經(jīng)成為近年來食品、果酒、化妝品等學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一。本文簡(jiǎn)要介紹類胡蘿卜素降解產(chǎn)物的種類與功能，并重點(diǎn)對(duì)類胡蘿卜素的降解方式進(jìn)行綜述，以期揭示類胡蘿卜素的降解機(jī)理、類胡蘿卜素的代謝途徑，并為類胡蘿卜素更加合理、高效地應(yīng)用于食品加工業(yè)提供一定的參考。

1 類胡蘿卜素降解產(chǎn)物的種類及功能

類胡蘿卜素根據(jù)其種類和化學(xué)鍵斷裂位置的不同，可生成多種衍生物，其在生物體中具有重要的功能，如可作為維生素、色素、植物激素及芳香類化合物等[13]。1.1 類維生素A

類維生素A是一類重要的類胡蘿卜素降解產(chǎn)物，由含有一個(gè)及以上β-末端基團(tuán)的C40類胡蘿卜素或含足夠長(zhǎng)的異戊二烯鏈的阿樸類胡蘿卜素（如β-阿樸-8’-胡蘿卜醛和β-阿樸-10’-胡蘿卜醛）在C15—C15’雙鍵位置斷裂生成的化合物[13]，如圖1a、d[14]所示。

圖1 類胡蘿卜素底物的斷裂位置及其對(duì)應(yīng)生成的產(chǎn)物[14]Fig. 1 Educts, products and cleavage positions of the substrates[14]

VA在脊椎動(dòng)物及細(xì)菌的視循環(huán)中有著至關(guān)重要的作用，可促進(jìn)感光蛋白視紫紅質(zhì)的形成[15]。在脊椎動(dòng)物中，其他的類維生素A如（3,4）-二脫氧VA、（3R）-3-OH-VA、（3S）-3-OH-VA、（4R）-4-OH-VA等也可作為視循環(huán)中的發(fā)色團(tuán)[16]。當(dāng)類維生素A含量不足時(shí)，會(huì)引發(fā)視力障礙、角膜軟化及夜盲癥等疾病[17]。所有的反式視黃醇可氧化為反式視黃酸，從而轉(zhuǎn)化為9-順式異構(gòu)體，這類物質(zhì)是核視黃酸和視黃酸X的重要組成成分，因此在免疫缺陷病及癌癥治療中有著重要的作用[18-19]。

另外，類維生素A還可促進(jìn)食物中鐵元素的吸收，并保持正常的上皮組織形態(tài)和功能，使皮膚保持濕潤(rùn)，避免粗糙、干燥及毛囊角質(zhì)化[20]。

1.2 色素

若類胡蘿卜素降解產(chǎn)物保留有較多的共軛雙鍵，則這類阿樸-類胡蘿卜素可保有原類胡蘿卜素色素的性質(zhì)。如藏紅花呈現(xiàn)出亮橘紅色的原因主要是：1）C20阿樸-類胡蘿卜素藏花酸可降解生成配糖體（圖1a）；2）C24阿樸-類胡蘿卜素胭脂素可生成橘紅色的胭脂紅（圖1c）[21]。番茄紅素在C5—C6和C5’—C6’雙鍵位置同時(shí)斷裂是合成色素胭脂素的第一步。所以從胭脂樹（Bixa orellana）種子中提取的胭脂素可廣泛用作食品和化妝品的色素添加劑。

1.3 植物激素

類胡蘿卜素氧化降解生成的多種阿樸-類胡蘿卜素中，有些可作為調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的激素[22]。目前研究最多的是脫落酸（abscisic acid，ABA），由9-順式環(huán)氧類胡蘿卜素氧化降解生成。如圖1b所示，9-順式環(huán)氧類胡蘿卜素在C11—C12氧化降解生成黃質(zhì)醛，這是合成脫落酸的第一步也是關(guān)鍵的步驟，然后黃質(zhì)醛被氧化生成一種酮，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)锳BA-醛，最終氧化形成ABA[23]。脫落酸在植物生長(zhǎng)過程中有極其重要的作用，除了能夠誘導(dǎo)植物休眠、促進(jìn)種子中貯藏蛋白的合成、促進(jìn)光合產(chǎn)物運(yùn)往發(fā)育的種子等功能外，在植物抗旱、糖感應(yīng)等方面也有著重要的調(diào)節(jié)作用[24]。

另外，已有研究表明反式類胡蘿卜素降解生成的阿樸-類胡蘿卜素在調(diào)控頂端優(yōu)勢(shì)中有重要的作用[25]。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）的突變體中發(fā)現(xiàn)了兩類新型類胡蘿卜素降解酶，分別是類胡蘿卜素加雙氧酶7（carotenoid cleavage dioxygenase 7，CCD7）和CCD8，可催化類胡蘿卜素降解生成一種抑制分枝發(fā)育的阿樸-類胡蘿卜素，即獨(dú)腳金內(nèi)酯[26]。

1.4 降異戊二烯類香氣物質(zhì)

類胡蘿卜素氧化降解生成的另一類重要產(chǎn)物是C9～C13類的降異戊二烯香氣物質(zhì)。這種降解的途徑主要有：1）直接氧化裂解；2）先形成糖基化的中間產(chǎn)物，再水解。根據(jù)類胡蘿卜素化學(xué)鍵斷裂位置的不同，可生成多種含碳數(shù)不同的香氣物質(zhì)，具體如表1所示。其中類胡蘿卜素在C9—C10/C9’—C10’雙鍵位置降解生成的C13類的類胡蘿卜素衍生物（圖1a、c），由于在水中有極低的香氣閾值及特殊的香氣特征而成為茶葉、葡萄、玫瑰、洋蔥及果酒香氣物質(zhì)必不可少的成分[28-29]，同時(shí)也成為食品和化妝品中最具潛力的商業(yè)添加劑。如Bolt等[30]首次在玫瑰精油中檢測(cè)到β-大馬酮，接著Kotseridis等[31]在葡萄和葡萄酒中也檢測(cè)到該化合物的存在。β-大馬酮呈現(xiàn)出熱帶水果的香氣和花香，存在于所有葡萄品種中，是形成葡萄酒香氣的重要的降異戊二烯化合物。而β-紫羅蘭酮于1929年首次被發(fā)現(xiàn)，隨后有研究表明在白葡萄酒中也存在此化合物[32]，呈現(xiàn)典型的紫羅蘭香，閾值極低，是果酒香氣的重要物質(zhì)。環(huán)檸檬醛則是由類胡蘿卜素在C7—C8/C7’—C8’雙鍵位置斷裂生成的，是合成香料最重要的中間物質(zhì)之一[33]。而類胡蘿卜素在C6—C7/C6’—C7’雙鍵位置斷裂可生成異氟爾酮類香氣物質(zhì)，典型代表是2,2,6-三甲基環(huán)己酮，在水中的閾值為44.3 μg/L，具有巖薔薇脂的特殊香味[34]。類胡蘿卜素降解生成的降異戊二烯化合物及其衍生物是形成果酒香氣的重要物質(zhì)，與其他揮發(fā)性化合物共同作用可顯著影響果酒的香氣品質(zhì)。

已有研究表明，C13類的類胡蘿卜素衍生物不僅具有特殊香味，還具有對(duì)人體有益的生物活性功能，如β-紫羅蘭酮可抑制癌細(xì)胞、調(diào)控癌細(xì)胞的增殖，并具有降血脂等功能[35-36]。

表1 C[27]—C異戊二烯類化合物斷裂位置及其典型代表和化學(xué)結(jié)構(gòu)式913Table 1 Number of carbon atoms, cleavage positions, examples, and chemical structures of C—Cnorisoprenoids[27]913

2 類胡蘿卜素的降解方式

由于從植物中直接提取上述活性物質(zhì)，尤其是香氣物質(zhì)，其工序繁瑣、成本高且含量極低[37]，故而越來越多的人們關(guān)注研究類胡蘿卜素的降解方式。類胡蘿卜素易受光照、溫度、氧氣等影響，所以類胡蘿卜素的降解方式有多種，可分為物理降解[38]、化學(xué)降解[39]和生物降解[40]。

2.1 物理降解

圖2 β-胡蘿卜素在加熱過程中形成香氣物質(zhì)和非香氣物質(zhì)的反應(yīng)順序[38]Fig. 2 Reaction sequence for the formation of nonvolatile and volatile compounds during heating of β-carotene[38]

物理降解主要包括光降解和熱降解。由于在大多數(shù)的食品加工中光降解是不可避免的，也無法控制，所以研究光降解途徑意義不大，在此不多做贅述。而熱降解根據(jù)處理溫度的不同可分為高溫降解和中低溫降解。由于類胡蘿卜素是非極性物質(zhì)，所以氧化降解環(huán)境可分為兩種，即水相和有機(jī)相。然而，類胡蘿卜素大多存在于食品的水相體系中，因此研究水相中類胡蘿卜素的熱降解能更好地反映其在食品熱加工中的降解過程。圖2顯示了β-胡蘿卜素在97 ℃的水相環(huán)境中加熱3 h的降解路徑[38]。

由圖2可知，β-胡蘿卜素在高溫下首先發(fā)生環(huán)氧化，破壞其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形成中間物，從而導(dǎo)致碳鏈斷裂生成香氣物質(zhì)。但Crouzet等[41]在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，生成的產(chǎn)物含量逐步減少。同樣的，新黃質(zhì)在加熱條件下可產(chǎn)生β-大馬酮；9’-cis-新黃質(zhì)則在加熱條件下經(jīng)過氧乙酸氧化后生成β-大馬酮[42]。Zepka等[43]發(fā)現(xiàn)加熱是引起果汁中類胡蘿卜素降解的主要因素，可導(dǎo)致果汁中的5 種葉黃素類全部降解，生成5 種環(huán)氧化物以及兩種新的同分異構(gòu)體和呋喃衍生物。上述研究結(jié)果表明水相類胡蘿卜素在加熱過程中可發(fā)生異構(gòu)化和氧化反應(yīng)，破壞類胡蘿卜素的原本結(jié)構(gòu)，從而生成降異戊二烯香氣物質(zhì)。當(dāng)加熱溫度高于600 ℃時(shí)，形成的芳香化合物種類迅速減少且含量降低，而萘、蒽、菲等化合物含量迅速增加[44]。

相較于高溫降解，關(guān)于類胡蘿卜素中低溫降解的研究較少，可能是在溫和條件下類胡蘿卜素降解緩慢，耗時(shí)長(zhǎng)所致。Handelman等[45]報(bào)道了β-胡蘿卜素在37 ℃條件下的自氧化，其氧化產(chǎn)物主要為阿樸-胡蘿卜素如β-阿樸-13-胡蘿卜素，阿樸-胡蘿卜醛如阿樸-14’-胡蘿卜醛、阿樸-12’-胡蘿卜醛、阿樸-10’-胡蘿卜醛，這表明在溫和條件下，β-胡蘿卜素可在多個(gè)雙鍵位置同時(shí)發(fā)生斷裂。Henry等[46]在溫和條件下（30 ℃）采用含飽和氧氣和臭氧的純水氧化C18柱上吸附的β-胡蘿卜素、β-隱黃質(zhì)及番茄紅素，可生成阿樸-胡蘿卜酮、阿樸-胡蘿卜醛及胡蘿卜素環(huán)氧化物等。

2.2 化學(xué)降解

化學(xué)氧化降解方面，國(guó)內(nèi)外都有較多的研究。Rodriguez等[39]檢測(cè)得到經(jīng)高錳酸鉀氧化劑作用后的β-胡蘿卜素降解產(chǎn)物有8’、10’、12’、14’、15-胡蘿卜醛及阿樸-胡蘿卜酮類物質(zhì)和胡蘿卜素環(huán)氧化物等；經(jīng)間氯過氧苯甲酸氧化劑作用后的產(chǎn)物主要是胡蘿卜素-5,6-環(huán)氧化物、5,8-環(huán)氧化物及雙環(huán)氧化物等。孫力等[47]研究了β-胡蘿卜素經(jīng)臭氧氧化-NaBH4還原后的生成物，檢測(cè)到β-紫羅蘭酮、2,3-環(huán)氧-β-紫羅蘭酮、3-氧-β-紫羅蘭酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯及2,6,6-三甲基環(huán)己烯-1-乙醛等香氣物質(zhì)。張成敏等[48]分別采用了5 種化學(xué)方法（O3氧化-NaBH4還原、O3氧化-Zn粉醋酸還原、有機(jī)過氧酸-高碘酸氧化、K2Cr2O7氧化、紫外光下空氣氧化）作用于天然類胡蘿卜素，測(cè)得其降解產(chǎn)物為香氣物質(zhì)混合物。張連富等[49]則選擇NaClO、紫外光照射、OsO4和偶氮二異丁腈等氧化β-胡蘿卜素，采用薄層層析法分離得到產(chǎn)物，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行體外細(xì)胞培養(yǎng)，觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)OsO4處理后得到的產(chǎn)物可有效抑制SGC27901癌細(xì)胞的增殖。

分析現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，已有許多研究致力于葉黃素的化學(xué)降解，主要采用AgNO3、H2O2、K2Cr2O7、KMnO4等化學(xué)氧化劑作用于葉黃素，其氧化降解產(chǎn)物種類和數(shù)目略有不同，但大多數(shù)為C9～C13類的降異戊二烯香氣物質(zhì)，包括二氫獼猴桃內(nèi)酯和環(huán)氧紫羅蘭酮等[50-51]。

2.3 生物降解

熱降解需在處理過程中進(jìn)行高溫處理，不利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用；化學(xué)降解則需加入化學(xué)試劑催化降解，而化學(xué)試劑難去除，且有的對(duì)人體有害。另外，上述兩種降解方法都存在降解效率低、降解產(chǎn)物難以控制、產(chǎn)生的目標(biāo)產(chǎn)物含量低等缺點(diǎn)，而生物降解具有降解效率高、專一性強(qiáng)、催化條件溫和、產(chǎn)物中目標(biāo)化合物含量高的特點(diǎn)，所以近年來，生物降解受到越來越多的關(guān)注。生物降解主要指酶催化降解，包括特異性酶[52]及非特異性酶[53]的催化作用。

2.3.1 類胡蘿卜素降解氧合酶

目前所指的特異性酶為類胡蘿卜素降解氧合酶（carotenoid cleavage oxygenases，CCOs）家族。CCOs是一類非血紅素鐵加氧酶，雖然該酶家族的氨基酸序列多樣化，可隨機(jī)作用于類胡蘿卜素的共軛雙鍵，但其具有一致的絕對(duì)保守區(qū)域，包括4 個(gè)完全保守的、與鐵結(jié)合的組氨酸殘基[14]。該家族酶存在于除古生菌（Archacea）外的所有生物中。

2.3.1.1 CCOs種類

表2 CCOs的功能特點(diǎn)[14,27,54]Table 2 Functionally characterized carotenoid cleavage oxygenases[14,27,54]

根據(jù)CCOs的來源及催化類胡蘿卜素的作用位點(diǎn)不同，可將CCOs分為VP14（viviparous 14）、CCDs、9-順式-環(huán)氧化-類胡蘿卜素加雙氧酶（9-cis-epoxy-carotenoid dioxygenases，NCEDs）、β,β-類胡蘿卜素氧合酶（β,βcarotene oxygenase，BCO）、視黃醛色素上皮蛋白65（retinal pigment epithelium 65，RPE65），其分子質(zhì)量為65 kD、阿樸-類胡蘿卜素氧合酶（apocarotenoid oxygenase，ACO）[54]。表2列出了這些CCOs的類型、來源及作用位點(diǎn)、催化產(chǎn)物。

VP14是發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)類胡蘿卜素氧合酶，可催化9-順式-紫黃質(zhì)在C11—C12雙鍵位置斷裂生成脫落酸[55]。隨后學(xué)者對(duì)VP14序列的同源性進(jìn)行研究，在植物中發(fā)現(xiàn)了CCDs家族和NCEDs家族[54]。NCEDs家族包括6 種酶，即NCED1、NCED2、NCED3、NCED5、NCED6、NCED9，由表1可知其與VP14具有很高的同源性和相同的活性[56-57]。而CCDs家族包括4 種酶，即CCD1、CCD4、CCD7和CCD8，與NCEDs家族的同源性較低，且底物特異性不同。該家族酶可對(duì)稱性或非對(duì)稱性的催化降解類胡蘿卜素的雙鍵，不僅存在于植物中，也存在于某些微生物中[58-59]。目前而言，CCD1可催化多種類胡蘿卜素在C9—C10和C9’—C10’雙鍵位置對(duì)稱降解而生成C13衍生物如β-紫羅蘭酮、環(huán)檸檬醛、二氫獼猴桃內(nèi)酯等降異戊二烯香氣物質(zhì)和C14二醛[58,60]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)CCD1也可作用于C5—C6、C7—C8和C11—C12雙鍵[21,61-63]。CCD4則可催化玉米黃質(zhì)的C7—C8降解生成胭脂樹橙（圖1a），也可作用于β-胡蘿卜素的C9—C10雙鍵，形成β-紫羅蘭酮香氣物質(zhì)[63]。CCD7則可非對(duì)稱性的作用于β-胡蘿卜素的C9’—C10’雙鍵，生成β-紫羅蘭酮和阿樸-10’-β-胡蘿卜醛，而CCD8則作用于阿樸-10’-β-胡蘿卜醛的C13—C14，生成阿樸-13’-β-胡蘿卜醛[64]。Alder等[26]發(fā)現(xiàn)CCD7和CCD8在獨(dú)腳金內(nèi)酯的生物合成中有至關(guān)重要的作用。

由表2可知，BCO和RPE65主要來自于動(dòng)物，尤其是哺乳類動(dòng)物。其中BCO可分為兩類：一類是BCO1，可作用于類胡蘿卜素的C15—C15’雙鍵位置，生成視黃醛及其衍生物，由于視黃醛在視循環(huán)中的重要性，所以BCO1是人體視循環(huán)、胚胎發(fā)育（尤其是在VA缺乏的情況下）的必須參與者[65]。另一類是BCO2，可催化較廣泛的類胡蘿卜素底物[66-67]，作用位點(diǎn)為C9—C10雙鍵，與CCD1相似，可生成β-紫羅蘭酮等香氣物質(zhì)。RPE65則是專指分子質(zhì)量65 kD，催化生成類維生素A的蛋白，與BCO家族具有高度同源性，但其是異構(gòu)酶[68]。RPE65可裂解和異構(gòu)所有的反式視黃酯生成11-順式-視黃醇，從而形成11-順式-視黃醛[69-70]。

微生物中發(fā)現(xiàn)的CCOs可作用于多種類胡蘿卜素底物，其中最典型的是存在于藍(lán)細(xì)菌中的ACO，可特異性催化C20～C27類的阿樸-類胡蘿卜素，作用位點(diǎn)高度專一，只選擇性催化這些底物的C15—C15’雙鍵，生成C20視黃醛和其他醛類物質(zhì)[14,69]。如從念珠藻屬（Nostoc sp.）得到的念珠藻屬阿樸類胡蘿卜醛降解氧合酶（Nostoc apocarotenal cleavage oxygenase，NSC2），屬于ACO家族，其催化位點(diǎn)為C15—C15’[71]。此外從鞘氨醇單胞RB2256、太平洋鄰囊菌SIR-1和結(jié)核桿菌ORF Rv0654菌株中也得到了類胡蘿卜素降解酶[13,72]，對(duì)其作用位點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)于不同底物的作用位點(diǎn)不同，與之前植物報(bào)道的酶有較大差異，但由于未檢測(cè)生成的揮發(fā)性物質(zhì)，因此對(duì)其降解產(chǎn)物是否為香氣物質(zhì)還不清楚，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。而王樹林[34]首次在巴氏葡萄球菌ts-82中發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素降解酶，其結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。該酶可催化胡蘿卜素類和葉黃質(zhì)類底物降解生成C13類香氣化合物[73]。

2.3.1.2 CCOs的結(jié)構(gòu)

近年來，關(guān)于CCOs反應(yīng)機(jī)制的研究受到越來越多的關(guān)注。自2005年起，學(xué)者經(jīng)研究得到了3 種不同CCOs家族的晶體結(jié)構(gòu)，分別是藍(lán)細(xì)菌集胞藻屬中的ACO[74]、家牛中的RPE65[75]、玉米中的VP14[76]。這些結(jié)構(gòu)信息及其生化和功能特性為研究該家族蛋白的功能多樣性提供極其重要的依據(jù)，以便更好的探究該家族酶的反應(yīng)機(jī)制。

圖3 ACO（a）、VP14（b）和RPE65（c）的晶體結(jié)構(gòu)和拓展圖[54]Fig. 3 Crystal structures and topology diagrams of ACO (a), VP14 (b) and RPE65 (c)[54]

圖3 顯示了ACO、VP14和RPE65的晶體結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋱D，其PDB登錄號(hào)分別為2BIW、3NPE和3FSN。這些晶體結(jié)構(gòu)圖表明從微生物到高等動(dòng)植物中發(fā)現(xiàn)的所有CCOs都含有7 個(gè)β-螺旋槳式支架，此為CCOs的關(guān)鍵標(biāo)志。這3 種結(jié)構(gòu)中的Ⅲ螺旋槳片有一些差別，RPE65結(jié)構(gòu)中的Ⅲ比ACO和VP14結(jié)構(gòu)中的Ⅲ多了兩條延長(zhǎng)線，由6 個(gè)反平行線條構(gòu)成。這3 種家族酶的次生結(jié)構(gòu)起始均為α-螺旋線。由圖3可知，α-螺旋線堆疊在螺旋槳主體的頂部表面，這種α-螺旋結(jié)構(gòu)及其延伸的環(huán)狀區(qū)域堆疊起來在β-螺旋槳主體頂部表面形成大的圓頂狀區(qū)域，此區(qū)域?qū)е略摷易迕付鄻踊?、功能多樣性。在?螺旋槳的中心軸線上接近頂部表面的地方結(jié)合有Fe2+輔離子，是該家族酶的活性中心，四周有4組氨酸保守序列殘基結(jié)合，如圖3、4所示[54]。

圖4 ACO（A）、VP14（B）和RPE65（C）的催化中心[54]Fig. 4 Catalytic centers of ACO (A), VP14 (B) and RPE65 (C)[54]

2.3.2 過氧化物酶

圖5 過氧化物酶的5 種氧化態(tài)[78]Fig. 5 Five oxidation states of peroxidases[78]

過氧化物酶在微生物、植物和動(dòng)物中無處不在。大部分過氧化物酶是一類血紅素酶，有Fe3+卟啉Ⅸ類似結(jié)構(gòu)的活性中心[77]。該酶為一種非特異性酶，可參與多種生化反應(yīng)，但其催化生成的中間產(chǎn)物具有高度相似的氧化狀態(tài)（圖5）。其催化反應(yīng)一般分為過氧化物反應(yīng)和氧化反應(yīng)，在反應(yīng)過程中所得到的過氧化物酶的氧化狀態(tài)共有5 種，即化合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，以及Fe3+酶的基本狀態(tài)、Fe2+酶。化合物Ⅰ、Ⅱ是過氧化物酶分別失去2 個(gè)和1 個(gè)電子所形成的，其氧化態(tài)均為Fe（Ⅳ）[78]。

過氧化物酶是一類極其復(fù)雜的非特異性酶類，可催化多種化學(xué)反應(yīng)，有多種功能[79-80]。近年來，已有報(bào)道稱一些過氧化物酶如山葵過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶、灰蓋鬼傘菌過氧化物酶等在有氧和酸性環(huán)境下可催化底物中相鄰的C—C雙鍵降解生成香氣物質(zhì)[81]。從真菌中提取得到的可降解類胡蘿卜素產(chǎn)香的酶主要是過氧化物酶[37]。Rodríguez-Bustamante等[82]雖然發(fā)現(xiàn)阿氏絲孢酵母和解淀粉類芽孢桿菌混合發(fā)酵液可催化降解葉黃質(zhì)產(chǎn)香，但是一直未說明在降解過程中酶的作用。而Zorn等[83]首次在真菌杏鮑菇發(fā)現(xiàn)可有效催化β-胡蘿卜素降解產(chǎn)香的萬能過氧化物酶，可作用于C9—C10/C9’—C10’和C7—C8/C7’—C8’雙鍵位置，從而生成β-紫羅蘭酮、β-環(huán)檸檬酸、二氫獼猴桃內(nèi)酯和2-OH-2,6,6-三甲基環(huán)己酮等香氣物質(zhì)。近幾年，在皮傘屬[84]、側(cè)耳屬[85]和靈芝屬[86]中也分離純化得到了過氧化物酶。其中皮傘屬中有兩種，分別命名為皮傘屬過氧化物酶1（Marasmius scorodonius peroxidase 1，MsP1）、MsP2，可作用于多種類胡蘿卜素底物，催化位點(diǎn)主要為C9—C10/C9’—C10’，生成一系列C13降異戊二烯化合物。過氧化物酶多數(shù)在酸性環(huán)境下有催化活性[80]，而靈芝屬中的過氧化物酶卻可在堿性環(huán)境下催化β-胡蘿卜素降解[84]。

2.3.3 脂肪氧合酶

脂肪氧合酶（EC 1.13.11.12）主要存在于植物和動(dòng)物中，是一類單一的多肽鏈蛋白質(zhì)，為非血紅素鐵加雙氧酶，是一類非特異性酶，可催化所有含cis,cis-1,4-戊二烯特定結(jié)構(gòu)的不飽和脂肪酸進(jìn)行加氧反應(yīng)，產(chǎn)物為此類脂肪酸的氫過氧化物[56]。已有研究表明脂肪氧合酶也可高效催化類胡蘿卜素雙鍵斷裂[87]。Firn等[88]首次發(fā)現(xiàn)大豆脂肪氧合酶可有效催化紫黃質(zhì)降解產(chǎn)生3-OH-β-紫羅蘭酮。在脂肪氧合酶的催化作用下，類胡蘿卜素底物可降解生成多種香氣物質(zhì)，如紫羅蘭酮、黃質(zhì)醛、紫黃質(zhì)和香葉醇等[89]。

3 展 望

類胡蘿卜素作為具有多種理化功能的物質(zhì)，其降解產(chǎn)物也一直是研究的熱門。大多數(shù)阿樸-類胡蘿卜素不是由小分子合成，而是由大分子底物氧化降解而成。從現(xiàn)有類胡蘿卜素降解途徑的研究成果看，生物降解具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：降解效率高、專一性強(qiáng)、催化條件溫和、產(chǎn)物中目標(biāo)化合物含量高。但是，從目前的研究來看，關(guān)于酶尤其是CCOs家族催化底物降解方面仍有許多問題。盡管已得到該家族的典型結(jié)構(gòu)，并利用同位素標(biāo)記法測(cè)定其作用機(jī)制，但仍然未得出其是單氧還是雙氧機(jī)制。因此仍需進(jìn)一步探究該家族酶的作用機(jī)制。

而相較于動(dòng)植物而言，微生物降解具有較大的優(yōu)勢(shì)：微生物種類多、含酶豐富、生長(zhǎng)快且易于規(guī)模化培養(yǎng)。然而，綜上可知用于催化降解類胡蘿卜素及其香氣產(chǎn)物研究的微生物仍在少數(shù)，且大部分菌株產(chǎn)過氧化物酶，而不產(chǎn)特異性酶。另外，所研究菌株的活性均不突出，分離得到的高活性酶甚少。因此，篩選高活性微生物菌株和類胡蘿卜素降解酶及其在食品加工工業(yè)上的應(yīng)用等方面有待于進(jìn)一步解決。

[1] BRITTON G, LIAAEN-JENSEN S, PFANDER H. Natural functions[M]. Carotenoids. Basel: Birkh?user, 2008: 1-6.

[2] 劉曉瑞. 一株鞘氨醇桿菌合成類胡蘿卜素的分子機(jī)制和代謝雜環(huán)的氧化壓力研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2013: 10-15.

[3] 孫玉敬, 喬麗萍, 鐘烈洲, 等. 類胡蘿卜素生物活性的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào), 2012, 12(1): 160-166. DOI:10.3969/ j.issn.1009-7848.2012.01.025.

[4] BRITTON G. Structure and properties of carotenoids in relation to function[J]. Faseb Journal, 1995, 9(15): 1551-1558.

[5] RAISIG A, SANDMANN G. Functional properties of diapophytoene and related desaturases of C30and C40carotenoid biosynthetic pathways[J]. Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-Molecular and Cell Biology of Lipids, 2001, 1533(2): 164-170. DOI:10.1016/S1388-1981(01)00154-8.

[6] 張巖巖, 陳玉超. 類胡蘿卜素的研究進(jìn)展[J]. 硅谷, 2009, 2: 8; 29. DOI:10.3969/j.issn.1671-7597.2009.02.007.

[7] COGDELL R J, THORNBER J P. Light-harvesting pigment-protein complexes of purple photosynthetic bacteria[J]. FEBS Letters, 1980, 122(1): 1-8. DOI:10.1016/0014-5793(80)80388-7R.J.

[8] BERTRAM J S. Induction of connexin 43 by carotenoids: functional consequences[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2004, 430(1): 120-126. DOI:10.1016/j.abb.2004.02.037.

[9] ALI E A, LOWE G M, MEGARVEY D J, et al. Carotenoid radical chemistry and antioxidant/pro-oxidant properties[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2004, 430(1): 37-48. DOI:10.1016/ j.abb.2004.03.007.

[10] OSHIMA S, OJIMA F, SAKAMOTO H, et al. Supplementation with carotenoids inhibits singlet oxygen-mediated oxidation of human plasma low-density lipoprotein[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1996, 44(8): 2306-2309. DOI:10.1021/jf950350i.

[11] 馬樂, 林曉明. 葉黃素干預(yù)對(duì)長(zhǎng)期熒屏光暴露者視功能的影響[J]. 營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2008, 30(5): 438-442. DOI:10.3321/ j.issn:0512-7955.2008.05.005.

[12] ALEXANDRA A R, ANDREW S. The science behind lutein[J]. Toxicology Letters, 2004, 150(1): 57-83. DOI:10.1016/j.toxlet.2003.10.031.

[13] HOFFMANN J, BóNA-LOVáSZ J, BEUTTLER H, et al. In vivo and in vitro studies on the carotenoid cleavage oxygenases from Sphingopyxis alaskensis RB2256 and Plesiocystis pacifica SIR-1 revealed their substrate specif i cities and non-retinal-forming cleavage activities[J]. FEBS Journal, 2012, 279(20): 3911-3924. DOI:10.1111/ j.1742-4658.2012.08751.x.

[14] KLOER D P, SCHULZ G E. Structural and biological aspects of carotenoid cleavage[J]. Cellular and Molecular Life Sciences, 2006, 63(19/20): 2291-2303. DOI:10.1007/s00018-006-6176-6.

[15] GROTE M, O’MALLEY M A. Enlightening the life sciences: the history of halobacterial and microbial rhodopsin research[J]. FEMS Microbiology Reviews, 2011, 35(6): 1082-1099. DOI:10.1111/j.1574-6976.2011.00281.x.

[16] SEKI T, ISONO K, OZAKI K, et al. The metabolic pathway of visual pigment chromophore formation in Drosophila melanogaster-alltrans(3S)-3-hydroxyretinal is formed from all-trans retinal via (3R)-3-hydroxyretinal in the dark[J]. European Journal of Biochemistry, 1998, 257(2): 522-527. DOI:10.1046/j.1432-1327.1998.2570522.x.

[17] 趙珺彥, 陳啟和. 某保健乳飲料緩解視疲勞功能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志, 2009, 19(3): 507-508.

[18] SPILIANAKIS C G, LEE G R, FLAVELL R A. Twisting the Th1/Th2 immune response via the retinoid X receptor: lessons from a genetic approach[J]. European Journal of Immunology, 2005, 35(12): 3400-3404. DOI:10.1002/eji.200535588.

[19] ABU J, BATUWANGALA M, HERBERT K, et al. Retinoic acid and retinoid receptors: potential chemopreventive and therapeutic role in cervical cancer[J]. Lancet Oncology, 2005, 6(9): 712-720. DOI:10.1016/S1470-2045(05)70319-3.

[20] HEINRICH U, NEUKAM K, TRONNIER H, et al. Long-term ingestion of high fl avanol cocoa provides photoprotection against UV-induced erythema and improves skin condition in women[J]. Journal of Nutrition, 2006, 136(6): 1565-1569.

[21] BOUVIER F, DOGBO O, CAMARA B. Biosynthesis of the food and cosmetic plant pigment bixin (annatto)[J]. Science, 2003, 300: 2089-2091. DOI:10.1126/science.1085162.

[22] BOUVIER F, SUIRE C, MUTTERER J, et al. Oxidative tailoring of carotenoids: a prospect towards novel functions in plants[J]. Trends in Plant Science, 2005, 10(4): 187-194. DOI:10.1016/ j.tplants.2005.02.007.

[23] LI C N, SRIVASTAVA M K, NONG Q, et al. Molecular cloning and characterization of SoNCED, a novel gene encoding 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase from sugarcane (Saccharum officinarum L.)[J]. Genes & Genomics, 2013, 35(1): 101-109. DOI:10.1007/s13258-013-0065-9.

[24] 劉丹, 姜中珠, 陳祥偉. 水分脅迫下脫落酸的產(chǎn)生、作用機(jī)制及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 31: 34-38. DOI:10.3969/ j.issn.1000-5382.2003.01.012.

[25] XIONG L M, ZHU J K. Regulation of abscisic acid biosynthesis[J]. Plant Physiology, 2003, 133(1): 29-36. DOI:10.1104/pp.103.025395.

[26] ALDER A, JAMIL M, MARZORATI M, et al. The path from betacarotene to carlactone, a ctrigolactone-like plant hormone[J]. Science, 2012, 335: 1348-1351. DOI:10.1126/science.1218094.

[27] RODRíGUEZ-BUSTAMANTE E, SáNCHEZ S. Microbial production of C13-norisoprenoids and other aroma compounds via carotenoid cleavage[J]. Critical Reviews in Microbiology, 2007, 33(3): 211-230. DOI:10.1080/10408410701473306.

[28] UENOJO M, PASTORE G M. β-carotene biotransformation to obtain aroma compounds[J]. Ciência E Tecnologia de Alimentos, 2010, 30(3): 822-827. DOI:10.1590/S0101-20612010000300039.

[29] YAHYAA M, BAR E, DUBEY N K, et al. Formation of norisoprenoid fl avor compounds in carrot (Daucus carota L.) roots: characterization of a cyclic-specif i c carotenoid cleavage dioxygenase 1 gene[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2013, 61(50): 12244-12252. DOI:10.1021/jf404085k.

[30] BOLT A J N, PURKIS S W, SADD J S. A damascone derivative from Nicotiana tabacum[J]. Phytochemistry, 1983, 22(2): 613-614. DOI:10.1016/0031-9422(83)83068-4.

[31] KOTSERIDIS Y, BAUMES R L, BERTRAND A, et al. Quantitative determination of beta-ionone in red wines and grapes of Bordeaux using a stable isotope dilution assay[J]. Journal of Chromatography A, 1999, 848(1/2): 317-325. DOI:10.1016/S0021-9673(99)00422-7.

[32] MENDES-PINTO M M. Carotenoid breakdown products thenorisoprenoids-in wine aroma[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2009, 483(2): 236-245. DOI:10.1016/j.abb.2009.01.008.

[33] 和承堯, 胡元文. β-環(huán)檸檬醛的合成[J]. 云南化工, 2004, 31(1): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.1004-275X.2004.01.001.

[34] 王樹林. 沙棘酒香味前體物β-胡蘿卜素降解產(chǎn)香規(guī)律及機(jī)理研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2011: 16-31.

[35] 孫向榮, 劉家仁, 陳炳卿. β-紫羅蘭酮的生物活性研究進(jìn)展[J]. 毒理學(xué)雜志, 2008, 22(6): 477-480. DOI:10.3969/ j.issn.1002-3127.2008.06.023.

[36] GURAK P D, MERCADANTE A Z, GONZáLEZ-MIRET M L, et al. Changes in antioxidant capacity and colour associated with the formation of β-carotene epoxides and oxidative cleavage derivatives[J]. Food Chemistry, 2014, 147: 160-169. DOI:10.1016/ j.foodchem.2013.09.106.

[37] ZELENA K, HARDEBUSCH B, HULSDAU B, et al. Generation of norisoprenoid flavors from carotenoids by fungal peroxidases[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(21): 9951-9955. DOI:10.1021/jf901438m.

[38] KANASAWUD P, CROUZET J C. Mechanism of formation of volatile compounds by thermal degradation in aqueous medium. 1. β-Carotene degradation[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1990, 38(1): 237-243. DOI:10.1021/jf00091a052

[39] RODRIGUEZ E B, RODRIGUEZ-AMAYA D B. Formation of apocarotenals and epoxycarotenoids from β-carotene by chemical reactions and by autoxidation in model systems and processed foods[J]. Food Chemistry, 2007, 101(2): 563-572. DOI:10.1016/ j.foodchem.2006.02.015.

[40] BERGER R G. Biotechnology of flavours: the next generation[J]. Biotechnology Letters, 2009, 31(11): 1651-1659. DOI:10.1007/ s10529-009-0083-5.

[41] CROUZET J, KANASAWUD P. Formation of volatile compounds by thermal degradation of carotenoids[J]. Methods in Enzymology, 1992, 213: 54-62. DOI:10.1016/0076-6879(92)13111-A.

[42] BEZMAN Y, BILKIS I, WINTERHALTER P, et al. Thermal oxidation of 9’-cis-neoxanthin in a model system containing peroxyacetic acid leads to the potent odorant β-damascenone[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(23): 9199-9206. DOI:10.1021/jf051330b.

[43] ZEPKA L Q, MERCADANTE A Z. Degradation compounds of carotenoids formed during heating of a simulated cashew apple juice[J]. Food Chemistry, 2009, 117(1): 28-34. DOI:10.1016/ j.foodchem.2009.03.071.

[44] 羅昌榮, 趙震毅, 劉涵剛, 等. β-胡蘿卜素裂解溫度對(duì)其裂解產(chǎn)物的影響[J]. 無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22(3): 67-75. DOI:10.3321/ j.issn:1673-1689.2003.03.014.

[45] HANDELMAN G J, van KUIJK F J, CHATTERJEE A, et al. Characterization of products formed during the autoxidation of β-carotene[J]. Free Radical Biology and Medicine, 1991, 10(6): 427-437. DOI:10.1016/0891-5849(91)90051-4.

[46] HENRY L K, PUSPITASARI-NIENABER N L, JARéN-GALáN M, et al. Effects of ozone and oxygen on the degradation of carotenoids in an aqueous model system[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2000, 48(10): 5008-5013. DOI:10.1021/jf000503o.

[47] 孫力, 肖燕, 張成敏, 等. β-胡蘿卜素O3-NaBH4化學(xué)降解產(chǎn)物及應(yīng)用[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào), 1999, 5(1): 47-48.

[48] 張成敏, 繆明明, 胡群. 從提取的天然類胡蘿卜素制備煙用香料的方法: CN 1242417A[P]. 2000-01-26[2016-01-21]. http://dbpub.cnki. net/grid2008/dbpub/detail.aspx?QueryID=2&CurRec=1&dbcode=SC PD&dbname=SCPD0003&f i lename=CN1242417&urlid=&yx=&uid= WEEvREcwSlJHSldRa1FhdXNXZjJDVVVjM1FFY0lBaVp2MGgrT mMvWmJEOD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4ggI8 Fm4gTkoUKaID8j8gFw!!

[49] 張連富, 胡興娟. β-胡蘿卜素氧化降解及產(chǎn)物對(duì)SGC-7901細(xì)胞的抑制作用[J]. 天然產(chǎn)物研究與開發(fā), 2007, 19(5): 781-784. DOI:10.3969/j.issn.1001-6880.2007.05.010.

[50] 許春平, 王錚, 鄭堅(jiān)強(qiáng), 等. 類胡蘿卜素降解方式的研究綜述[J]. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 27(4): 56-59. DOI:10.3969/ j.issn.1004-1478.2012.04.015.

[51] 劉金霞, 李元實(shí), 姬小明, 等. 葉黃素氧化降解產(chǎn)物GC-MS分析及在卷煙加香中的應(yīng)用[J]. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 26(2): 24-27. DOI:10.3969/j.issn.1004-1478.2011.02.007.

[52] SCHWARTZ S H, QIN X, ZEEVAART J A. Characterization of a novel carotenoid cleavage dioxygenase from plants[J]. Journal of Biological Chemistry, 2001, 276(27): 25208-25211. DOI:10.1074/jbc. M102146200.

[53] YVES W, AURELIE B D, JEAN-CLAUDE L, et al. Effect of cis/trans isomerism of β-carotene on the ratios of volatile compounds produced during oxidative degradation[J]. American Chemical Society, 2003, 51(7): 1984-1987. DOI:10.1021/jf021000g.

[54] SUI X W, KISER P D, von LINTING J, et al. Structural basis of carotenoid cleavage: from bacteria to mammals[J]. Archives of Biochemistry & Biophysics, 2013, 539(2): 203-213. DOI:10.1016/ j.abb.2013.06.012.

[55] SCHWARTZ S H, TAN B C, GAGE D A, et al. Specific oxidative cleavage of carotenoids by VP14 of maize[J]. Science, 1997, 276: 1872-1874. DOI:10.1126/science.276.5320.1872.

[56] 孟凡來, 趙昶靈, 段麗斌, 等. 高等植物類胡蘿卜素的生物降解途徑研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2013, 29(24): 143-150. DOI:10.3969/ j.issn.1000-6850.2013.24.027.

[57] TAN B C, JOSEPH L M, DENG W T, et al. Molecular characterization of the Arabidopsis 9-cis epoxycarotenoid dioxygenase gene family[J]. The Plant Journal: for Cell and Molecular Biology, 2003, 35(1): 44-56. DOI:10.1046/j.1365-313X.2003.01786.x.

[58] SUN Z, HANS J, WALTER M H, et al. Cloning and characterisation of a maize carotenoid cleavage dioxygenase (ZmCCD1) and its involvement in the biosynthesis of apocarotenoids with various roles in mutualistic and parasitic interactions[J]. Planta, 2008, 228(5): 789-801. DOI:10.1007/s00425-008-0781-6.

[59] KHAN H, FLINT S H, yU P L. Development of a chemically def i ned medium for the production of enterolysin A from Enterococcus faecalis B9510[J]. Journal of Applied Microbiology, 2013, 114(4): 1092-1102. DOI:10.1111/jam.12115.

[60] OHMIYA A. Carotenoid cleavage dioxygenases and their apocarotenoid products in plants[J]. Plant Biotechnology, 2009, 26(4): 351-358. DOI:10.5511/plantbiotechnology.26.351.

[61] ILG A, BEYER P, Al-BABILI S. Characterization of the rice carotenoid cleavage dioxygenase1 reveals a novel route for geranial biosynthesis[J]. FEBS Journal, 2009, 276(3): 736-747. DOI:10.1111/ j.1742-4658.2008.06820.x.

[62] VOGEL J T, TAN B C, MCCHARTY D R, et al. The carotenoid cleavage dioxygenase 1 enzyme has broad substrate specificity, cleaving multiple carotenoids at two different bond positions[J]. Journal of Biological Chemistry, 2008, 283(17): 11364-11373. DOI:10.1074/jbc.M710106200.

[63] BOUVIER F, SUIRE C J, CAMARA B. Oxidative remodeling of chromoplast carotenoids: identif i cation of the carotenoid dioxygenase CsCCD and CsZCD genes involved in Crocus secondary metabolite biogenesis[J]. Plant Cell, 2003, 15(1): 47-62. DOI:10.1105/tpc.006536. [64] SCHWARTZ S H, QIN X, LOEWEN M C. The biochemical characterization of two carotenoid cleavage enzymes from Arabidopsis indicates that a carotenoid-derived compound inhibits lateral branching[J]. Journal of Biological Chemistry, 2004, 279(45): 46940-46945. DOI:10.1074/jbc.M409004200.

[65] KOWATZ T, BABINO D, KISER P, et al. Characterization of human β,β-carotene-15,15’-monooxygenase (BCMO1) as a soluble monomeric enzyme[J]. Archives of Biochemistry & Biophysics, 2013, 539(2): 214-222. DOI:10.1016/j.abb.2013.05.007.

[66] LOBO G P, ANDREA I, SYLVIA H, et al. BCDO2 acts as a carotenoid scavenger and gatekeeper for the mitochondrial apoptotic pathway[J]. Development, 2012, 139(16): 2966-2977. DOI:10.1242/dev.079632.

[67] AMENGUAL J, GOURANTON E, van HELDEN Y G, et al. Betacarotene reduces body adiposity of mice via BCMO1[J]. PLoS ONE, 2011, 6(6): e20644. DOI:10.1371/journal.pone.0020644.

[68] REDMOND T M, GENTLEMAN S, DUNCAN T, et al. Identif i cation, expression, and substrate specificity of a mammalian beta-carotene 15,15’-dioxygenase[J]. Journal of Biological Chemistry, 2001, 276: 6560-6565. DOI:10.1074/jbc.M009030200.

[69] MOISEYEV G, CHEN Y, TAKAHASHI Y, et al. RPE65 is the isomerohydrolase in the retinoid visual cycle[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, 102(35): 12413-12418. DOI:10.1073/pnas.0503460102.

[70] JIN M, LI S W, SUN H, et al. Rpe65 is the retinoid isomerase in bovine retinal pigment epithelium[J]. Cell, 2005, 122(3): 449-459. DOI:10.1016/j.cell.2005.06.042.

[71] JüTTNER F, H?FLACHER B. Evidence of β-carotene 7,8(7′,8′) oxygenase (β-cyclocitral, crocetindial generating) in Microcystis[J]. Archives of Microbiology, 1985, 141(4): 337-343. DOI:10.1007/ BF00428846.

[72] HEO J, KIM S H, LEE P C. New insight into the cleavage reaction of Nostoc sp. PCC7120 carotenoid cleavage dioxygenase in natural and non-natural carotenoids[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(11): 3336-3345. DOI:10.1128/AEM.00071-13.

[73] SCHERZINGER D, SCHEFFER E, B?R C, et al. The Mycobacteriumtuberculosis ORF Rv0654 encodes a carotenoid oxygenase mediating central and excentric cleavage of conventional and aromatic carotenoids[J]. FEBS Journal, 2010, 277(22): 4662-4673. DOI:10.1111/j.1742-4658.2010.07873.x.

[74] KLOER D P, SANDRA R, SALIM A B, et al. The structure of a retinal-forming carotenoid oxygenase[J]. Science, 2005, 308: 267-269. DOI:10.1126/science.1108965.

[75] KISER P D. Structural and biochemical studies of RPE65, the retinoid isomerase of the visual cycle[D]. Cleveland: Case Western Reserve University, 2010: 1-10.

[76] MESSING S A J, GABELLI S B, ECHEVERRIA I, et al. Structural insights into maize viviparous14, a key enzyme in the biosynthesis of the phytohormone abscisic acid[J]. Plant Cell, 2010, 22(9): 2970-2980. DOI:10.1105/tpc.110.074815.

[77] ADAM W, LAZARUS M, SAHA-MOLLER C R, et al. Biotransformations with peroxidases[J]. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 1999, 63: 73-108.

[78] FRANCESCO G M. Alkene cleavage catalysed by heme and nonheme enzymes: reaction mechanisms and biocatalytic applications[J]. Bioinorganic Chemistry and Applications, 2012(23): 1-13. DOI:10.1155/2012/626909.

[79] BERGLUND G I, CARLSSON G H, SMITH A T, et al. The catalytic pathway of horseradish peroxidase at high resolution[J]. Nature, 2002, 417: 463-468. DOI:10.1038/417463a.

[80] SCHLICHTING I, BERENDZEN J, CHU K, et al. The catalytic pathway of cytochrome P450cam at atomic resolution[J]. Science, 2000, 287: 1615-1622. DOI:10.1126/science.287.5458.1615.

[81] MUTTI F G, LARA M, KROUTIL M, et al. Ostensible enzyme promiscuity: alkene cleavage by peroxidases[J]. Chemistry, 2010, 16(47): 14142-14148. DOI:10.1002/chem.201002265.

[82] RODRíGUEZ-BUSTAMANTE E, MALDONADO-ROBLEDO G, ORTIZ M A, et al. Bioconversion of lutein using a microbial mixture-maximizing the production of tobacco aroma compounds by manipulation of culture medium[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2005, 68(2): 174-182. DOI:10.1007/s00253-004-1868-z.

[83] ZORN H, LANGHOFF S, SCHEIBNER M, et al. A peroxidase from Lepista irina cleaves beta,beta-carotene to flavor compounds[J]. Biological Chemistry, 2003, 384(7): 1049-1056. DOI:10.1515/ BC.2003.117.

[84] SCHEIBNER M, HüLSDAU B, ZELENA K, et al. Novel peroxidases of Marasmius scorodonius degrade beta-carotene[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 77(6): 1241-1250. DOI:10.1007/s00253-007-1261-9.

[85] SCHüTTMANN I, BOUWS H, SZWEDA R T, et al. Induction, characterization, and heterologous expression of a carotenoid degrading versatile peroxidase from Pleurotus sapidus[J]. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2014, 103: 79-84. DOI:10.1016/ j.molcatb.2013.08.007.

[86] LANFERMANN I, LINKE D, NIMTZ M, et al. Manganese peroxidases from Ganoderma applanatum degrade β-carotene under alkaline conditions[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2015, 175(8): 3800-3812. DOI:10.1007/s12010-015-1548-8.

[87] 何承剛, 曾旭波. 烤煙香氣物質(zhì)的影響因素及其代謝研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)煙草科學(xué), 2005, 26(2): 40-43. DOI:10.3969/ j.issn.1007-5119.2005.02.013.

[88] FIRN R D, FRIEND J. Enzymatic production of the plant growth inhibitor, xanthoxin[J]. Planta, 1972, 103(3): 263-266. DOI:10.1007/ BF00386849.

[89] ENZELL C. Biodegradation of carotenoids: an important route to aroma compounds[J]. Pure and Applied Chemistry, 1985, 57(5): 693-700. DOI:10.1351/pac198557050693.

Advances in Methods for the Degradation of Carotenoids

ZHU Mingming1, FAN Mingtao2, HE Hongju1,*
(1. School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China; 2. College of Food Science and Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

Carotenoids are lipophilic isoprenoid pigments produced by plants and some photosynthetic microorganisms, which are ubiquitous in nature. Depending on the variety and the bond cleavage positions, carotenoids can be derivatized into various products playing key roles in living organisms such as retinoids, pigments, phytohormones and aroma compounds. Currently, many methods including physical, chemical and biological (specific enzymatic and non-specific enzymatic degradation) methods have been presented to degrade carotenoids. In this article, the classif i cation and functional properties of cleavage products of carotenoids are described. Moreover, this article provides a comprehensive review of the current methods to degrade carotenoids and highlights the advantages of the biological degradation methods with focus on specif i c enzymatic and non-specif i c enzymatic degradation as well as the enzymatic cleavage sites. In the end, we conclude with some perspectives on future research efforts to screen highly active carotenoid-degrading enzymes for application in the food industry.

carotenoids; cleavage products; degradation pathways; biological enzymes; microorganisms

10.7506/spkx1002-6630-201711048

TS201.2

A

1002-6630（2017）11-0308-10引文格式：

2016-03-21

河南科技學(xué)院高層次人才科研項(xiàng)目（2016020；2015015）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31171728）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（17A550001）

朱明明（1989—），女，講師，博士，主要從事食品分析研究。E-mail：happyzhumingming@126.com

*通信作者：何鴻舉（1983—），男，教授，博士，主要從事食品質(zhì)量分析與快速檢測(cè)研究。E-mail： hongju_he007@126.com