番茄紅素異構(gòu)化研究進(jìn)展

張紅艷，石凱欣，潘思軼

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，環(huán)境食品學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，果蔬加工與品質(zhì)調(diào)控湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

番茄紅素是一種常見(jiàn)的紅色色素，是類(lèi)胡蘿卜素中最強(qiáng)的抗氧化劑之一，僅次于蝦青素[1-2]，普遍存在于紅色水果和蔬菜中[3]。人體自身不能合成番茄紅素，只能從食物中攝取。番茄紅素具有優(yōu)越的生理功能，但其異戊二烯結(jié)構(gòu)使其極易受到外界理化因素的影響，導(dǎo)致其氧化降解，降低其生物可及性，這在一定程度上限制了番茄紅素的應(yīng)用。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，與全反式番茄紅素相比，番茄紅素順式異構(gòu)體具有更強(qiáng)的抗氧化活性[4]，生物利用度和生物活性也更高[5]。Ross等[6]通過(guò)研究飲食中的14C-番茄紅素證明了92%的全反式番茄紅素在人體內(nèi)代謝24 h后轉(zhuǎn)化為50%的全反式、38%的5-順式、1%的9-順式和11%的其他順式番茄紅素異構(gòu)體。以上結(jié)果都表明番茄紅素順式異構(gòu)體可能比反式異構(gòu)體具有更優(yōu)良的特性。番茄紅素異構(gòu)化逐漸走進(jìn)人們視線，并廣受關(guān)注。目前研究發(fā)現(xiàn)，光、熱、催化劑、電解等條件都會(huì)不同程度地影響番茄紅素的異構(gòu)化水平，并使其能更有效地發(fā)揮生理功能，但是有些異構(gòu)化類(lèi)型的作用機(jī)制還不是很明確。因此，明確影響番茄紅素異構(gòu)化的因素，闡明番茄紅素的異構(gòu)化機(jī)制是目前研究的核心問(wèn)題。本文總結(jié)了常見(jiàn)的番茄紅素異構(gòu)化反應(yīng)及其機(jī)制和順式番茄紅素的功能特性，以期為番茄紅素的高效利用提供理論依據(jù)。

1 番茄紅素異構(gòu)體的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)

番茄紅素是番茄、柑橘屬、胡蘿卜、西瓜、石榴等植物性食物中普遍存在的生物活性成分之一，是類(lèi)胡蘿卜素家族中的一員。番茄紅素不溶于水、乙醇、甲醇，易溶于四氫呋喃、氯仿、己烷、丙酮、苯、二硫化碳、石油醚等有機(jī)溶劑[7-8]，分子式為C40H56[9]，相對(duì)分子質(zhì)量為536.85，屬于異戊二烯化合物，由11 個(gè)共軛雙鍵和2 個(gè)非共軛雙鍵組成[10]，存在多種順式異構(gòu)體，在熱、光、催化劑等條件下會(huì)發(fā)生順?lè)串悩?gòu)。Pauling[11]認(rèn)為從反式到順式的異構(gòu)化可能是與雙鍵相鄰的碳原子相連的甲基與氫重疊的結(jié)果。番茄紅素是一種高效的抗氧化劑，能有效清除自由基，研究表明番茄紅素可預(yù)防和治療心血管疾病[12]、動(dòng)脈粥樣硬化[13]、癌癥[14]和神經(jīng)退行性疾病[8]。食品原料中的天然番茄紅素90%以上以全反式構(gòu)型存在，而在人體血液和組織中50%以上的番茄紅素為順式異構(gòu)體[15-16]，這可能是由于番茄紅素順式異構(gòu)體的吸收率高、不易結(jié)晶，有較低的聚集傾向，因此在膽汁酸膠束中的溶解度大，有利于被優(yōu)先攝取并摻入乳糜微粒，從而被有效吸收，進(jìn)入人體各組織器官[17-20]。順式構(gòu)型番茄紅素比全反式番茄紅素具有更高的生物利用度。在人體試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員飲用兩種番茄果汁，一種為經(jīng)過(guò)特殊培育的番茄所制得的果汁（番茄紅素總順式異構(gòu)體占比為94%），另一種為普通紅番茄的果汁（番茄紅素總順式異構(gòu)體占比為10%），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前者的番茄紅素生物利用度為后者的9.5 倍[21]，進(jìn)一步表明番茄紅素順式異構(gòu)體的生物利用度較高。順式番茄紅素除較高的生物利用度外，其生理活性功能也顯示出優(yōu)越性，比如抗氧化、抑制前列腺增生、抗肥胖等等。

盡管理論上來(lái)說(shuō)番茄紅素存在1 024 種立體異構(gòu)體，但由于空間位阻效應(yīng)，只有72 種異構(gòu)體是有利的構(gòu)型[22]，最常見(jiàn)的順式番茄紅素有5-順式、9-順式、13-順式和15-順式（圖1）[23]。不同番茄紅素異構(gòu)體的抗氧化活性大小不同，通常為5-順式＞9-順式＞13-順式＞15-順式＞全反式[24]。在所有異構(gòu)體中，5-順式番茄紅素具有較高的生物利用度[25]、生物活性[26]、抗氧化活性[27]和儲(chǔ)存穩(wěn)定性[28]，是一類(lèi)應(yīng)用價(jià)值極高的番茄紅素異構(gòu)體。全反式和單順式異構(gòu)體的勢(shì)能為全反式＞5-順式＞9-順式＞13-順式[29]，番茄紅素的異構(gòu)化需要相當(dāng)大的活化能[30]，全反式番茄紅素異構(gòu)化為單順式番茄紅素的活化能為5-順式＞9-順式＞13-順式[31-33]。在全反式番茄紅素轉(zhuǎn)化為單順式異構(gòu)體過(guò)程中，5-順式異構(gòu)體的旋轉(zhuǎn)屏障較高，在異構(gòu)化過(guò)程中不易形成[34]，但也不容易轉(zhuǎn)化為其他順式異構(gòu)體，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定；而13-順式番茄紅素活化能較低，是最容易產(chǎn)生的異構(gòu)體，在異構(gòu)化過(guò)程中的光和熱的影響下轉(zhuǎn)化為全反式番茄紅素或者其他異構(gòu)體[28,35]。Chasse等[30]利用從頭算分子建模程序進(jìn)一步研究番茄紅素的幾種順式異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)，得出穩(wěn)定性順序?yàn)?-順式＞全反式＞9-順式＞13-順式＞15-順式＞7-順式＞11-順式[28,30]。

圖1 番茄紅素結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structural formula of lycopene

2 提取方式對(duì)番茄紅素異構(gòu)化的影響

與全反式番茄紅素相比，番茄紅素順式異構(gòu)體的生理活性較高，但是如何有效地將順式異構(gòu)體從體系中提取出來(lái)還未見(jiàn)系統(tǒng)性的報(bào)道。本文綜述了部分關(guān)于番茄紅素及其順式異構(gòu)體的提取方法，如微波輔助提取、超聲輔助提取和超臨界CO2萃取等[36]，歸納了這些提取方法對(duì)番茄紅素異構(gòu)化的影響，旨在為番茄紅素異構(gòu)化及順式異構(gòu)體的提取提供理論依據(jù)。

2.1 微波輔助提取

微波處理使細(xì)胞膜破裂，有利于番茄紅素釋放[37-38]。該方法通過(guò)熱效應(yīng)、電效應(yīng)和磁效應(yīng)，使番茄紅素分子在較高溫度下發(fā)生變形和振動(dòng)[39]，進(jìn)一步提高異構(gòu)化程度，提高提取效率[37]。Honda等[37]探究了微波輻射預(yù)處理對(duì)番茄紅素提取效率的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1 050 W微波輻射60 s，木鱉果的果實(shí)“gac”中總順式異構(gòu)體相對(duì)含量從原來(lái)的6.4%增加到58.5%，在乙醇提取物中順式異構(gòu)體總相對(duì)含量達(dá)（91.5±0.7）%，主要增加的是9-順式和13-順式異構(gòu)體。此外，Yu Jiahao等[40]發(fā)現(xiàn)通過(guò)微波（250 W）輔助提取番茄紅素，在0～30 min內(nèi)，番茄紅素順式異構(gòu)體含量與加熱時(shí)間成正比例關(guān)系，5-順式、9-順式、13-順式番茄紅素含量逐漸增加，其中5-順式番茄紅素含量最高。

2.2 超聲輔助提取

除微波提取外，超聲波輔助提取也對(duì)番茄紅素的異構(gòu)化產(chǎn)生影響，產(chǎn)生一定比例的順式異構(gòu)體。Chen等[41]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可能會(huì)加速類(lèi)胡蘿卜素異構(gòu)化，在極端壓力及溫度條件下，異構(gòu)化會(huì)發(fā)生[42]。超聲波輔助提取法由于空化效應(yīng)（空化氣泡破裂）和熱效應(yīng)（熱量釋放），更易破壞基質(zhì)細(xì)胞壁，促進(jìn)生物活性化合物釋放[43]，空化效應(yīng)產(chǎn)生的高反應(yīng)性羥自由基以及較多熱量也為異構(gòu)化提供活化能，當(dāng)這兩種效應(yīng)隨溫度變化達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，全反式番茄紅素提取率最高[44]。Xu Yuan等[44]采用超聲波輔助法提取紅葡萄柚中的番茄紅素，在提取過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，番茄紅素發(fā)生幾何異構(gòu)化，產(chǎn)生了較多9-順式和13-順式異構(gòu)體。

2.3 超臨界CO2萃取

超臨界CO2流體萃取是一種新型提取方法，CO2流體能更好地?cái)U(kuò)散到提取溶質(zhì)中[45]，降低溶質(zhì)與氧氣接觸的可能性，有利于提取熱不穩(wěn)定化合物，如番茄紅素[46]。Murakami等[47]應(yīng)用超臨界CO2萃取法提取番茄粉中的番茄紅素，通過(guò)探究溫度、壓力等條件對(duì)提取物中番茄紅素總順式異構(gòu)體比例和回收率的影響，得出在140 ℃、30 MPa的條件下，總順式異構(gòu)體比例和回收率分別達(dá)到67%和84.8%，這可能是由于超臨界提取時(shí)，CO2密度增加，溶解番茄紅素的能力隨之提高[48]。Vallecilla-Yepez等[49]同樣采用超臨界CO2流體萃取法提取了番茄油樹(shù)脂中的番茄紅素順式異構(gòu)體，發(fā)現(xiàn)在30 MPa、80 ℃條件下，從果皮中提取的順式番茄紅素含量最高，油餾分中的順式異構(gòu)體相對(duì)含量為82%，不溶性組分中的順式異構(gòu)體相對(duì)含量為26%；當(dāng)壓力升高到50 MPa，油和不溶性餾分中順式番茄紅素相對(duì)含量分別達(dá)76%和38%。上述研究結(jié)果表明，超臨界CO2萃取法可應(yīng)用于番茄紅素的提取，CO2能更好地溶解順式異構(gòu)體[36]，有效提高番茄紅素順式異構(gòu)體的比例，進(jìn)而提高番茄紅素的生物利用度，且較有機(jī)溶劑提取更安全，提取效率亦大大提高。

改變提取方式是增加番茄紅素異構(gòu)體比例的有效途徑，微波輔助、超聲輔助、超臨界二氧化碳等提取方式均可使番茄紅素順式異構(gòu)體的比例增加。此外，增加樣品與萃取劑的接觸面積也可使番茄紅素異構(gòu)體的得率增加。魏建華[50]將番茄紅素在避光條件下置于氮?dú)夥諊羞M(jìn)行球磨，球磨速度200～1 300 r/min、溫度15～50 ℃，發(fā)現(xiàn)球磨1～2 h得到的5-順式番茄紅素相對(duì)含量達(dá)60%～65%。Knockaert等[51]發(fā)現(xiàn)利用高壓均質(zhì)處理番茄泥后，5-順式番茄紅素含量顯著增加，推測(cè)可能是均質(zhì)使番茄紅素更好地從番茄泥中釋放出來(lái)，提取效率增加[52]。

3 番茄紅素異構(gòu)化反應(yīng)類(lèi)型

鑒于番茄紅素順式異構(gòu)體的優(yōu)良特性，將異構(gòu)化視為番茄紅素及其產(chǎn)品貯存和加工過(guò)程中的重要目標(biāo)。熱、光、催化劑（天然催化劑和金屬離子催化劑）[53]、微波、電解等因素都會(huì)對(duì)番茄紅素的異構(gòu)化產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生多種類(lèi)型的順式異構(gòu)體。然而，在番茄紅素異構(gòu)化的同時(shí)，番茄紅素也會(huì)發(fā)生降解，使其活性減弱。因此，明確影響番茄紅素異構(gòu)化的因素，避免番茄紅素的降解是目前亟待解決的問(wèn)題。基于影響番茄紅素異構(gòu)化的因素，一般將番茄紅素的異構(gòu)化反應(yīng)分為熱異構(gòu)化反應(yīng)和光致異構(gòu)化反應(yīng)[54]。

3.1 熱異構(gòu)化反應(yīng)

3.1.1 熱致異構(gòu)化

熱致異構(gòu)化是通過(guò)直接加熱的方式促進(jìn)番茄紅素從全反式向順式異構(gòu)體轉(zhuǎn)化[54]，這一方法也是目前在異構(gòu)化研究中應(yīng)用最廣泛的一種方式。異構(gòu)化是各基團(tuán)相對(duì)位置發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化的結(jié)果[5,55]，Yeung等[56]利用從頭模型研究番茄紅素異構(gòu)化的機(jī)制，得出相鄰的甲基和氫原子基團(tuán)之間存在1,4相互作用，1,4位上原子相互吸引導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，陽(yáng)離子的形成將C4從近似四面體（sp3）旋轉(zhuǎn)扭曲為三角平面（sp2），由于額外的能量輸入，使全反式構(gòu)型轉(zhuǎn)化為順式異構(gòu)體。圖2為番茄紅素中甲基與氫原子基團(tuán)相互作用的幾種類(lèi)型。在加工過(guò)程中，番茄紅素全反式異構(gòu)體與順式異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)化，且順式異構(gòu)體比例隨溫度升高和加工時(shí)間延長(zhǎng)而增加[57]，熱處理顯著降低了全反式番茄紅素與13-順式異構(gòu)體濃度，增加了9-順式異構(gòu)體濃度[58]。在熱處理過(guò)程中番茄紅素的異構(gòu)化行為和其基質(zhì)密切相關(guān)，不同有機(jī)溶劑[29,59]、不同食用油基質(zhì)[33,60]、不同天然食品基質(zhì)中番茄紅素的異構(gòu)化行為不同。

圖2 番茄紅素中甲基與氫原子基團(tuán)相互作用的類(lèi)型[56]Fig.2 Types of interaction between methyl and hydrogen groups in lycopene[56]

3.1.1.1 有機(jī)溶劑中番茄紅素的異構(gòu)化

番茄紅素不溶于水，能溶于二氯甲烷、苯、乙酸乙酯、丙酮等有機(jī)溶劑，在有機(jī)溶劑中番茄紅素異構(gòu)化反應(yīng)可以通過(guò)溫度進(jìn)行調(diào)控。Honda等[29]考察了番茄紅素在CH2Cl2中熱異構(gòu)化24 h，溫度對(duì)順式異構(gòu)化的影響，結(jié)果表明在50 ℃下的熱異構(gòu)化比例（77.8%）明顯比4 ℃下（19.7%）高很多，順式異構(gòu)體比例明顯隨溫度升高而增加，并且主要產(chǎn)生5-順式異構(gòu)體，這表明在一定范圍內(nèi)，加熱會(huì)顯著促進(jìn)番茄紅素異構(gòu)化。才美慧[61]將番茄紅素油樹(shù)脂溶解在正己烷中進(jìn)行熱異構(gòu)化的結(jié)果也證實(shí)熱加工會(huì)促進(jìn)順式異構(gòu)體累積。為進(jìn)一步明確有機(jī)溶劑種類(lèi)與番茄紅素?zé)岙悩?gòu)化的關(guān)系，Honda等[29]探究了不同溶劑（CH2Cl2、CHCl3、CCl4、CH2Br2、丙酮、己烷和苯）對(duì)番茄紅素異構(gòu)化的影響，結(jié)果表明，在相對(duì)較高的溫度（50 ℃）下，所有有機(jī)溶劑中順式異構(gòu)體的異構(gòu)化比例增加，番茄紅素在具有較強(qiáng)溶劑效應(yīng)的溶劑（如CH2Cl2和CH2Br2）中的異構(gòu)化速率常數(shù)較大，強(qiáng)溶劑效應(yīng)可能降低5-順式異構(gòu)體的異構(gòu)化活化能，使5-順式番茄紅素作為主要異構(gòu)體產(chǎn)生。而在具有較弱溶劑效應(yīng)的溶劑中，13-順式異構(gòu)體活化能較低，較容易生成。Zhang Lianfu等[62]將乙酸乙酯作為溶劑通過(guò)熱回流方式異構(gòu)化番茄紅素，反應(yīng)24 h后，番茄紅素總順式異構(gòu)體占比從5.8%增加到49.9%；Lambelet等[63]采用了同種溶劑以同樣方法熱回流168 h，發(fā)現(xiàn)番茄紅素總順式異構(gòu)體占比低于55%，這可能是因?yàn)槿词椒鸭t素碳正離子中間體穩(wěn)定性大于其他碳正離子穩(wěn)定性[62]，導(dǎo)致其異構(gòu)化程度較小。上述研究結(jié)果表明，烷基鹵化物有利于番茄紅素異構(gòu)化，且異構(gòu)化速率：CH2Br2＞CH2Cl2＞CHCl3?；诖耍诂F(xiàn)有研究中，番茄紅素異構(gòu)體的制備基本上是將番茄紅素溶解在CH2Cl2中，并水浴加熱一定時(shí)間。

盡管有機(jī)溶劑（烷基鹵化物、乙酸乙酯、正己烷等）都能有效促進(jìn)全反式番茄紅素異構(gòu)化為順式異構(gòu)體。但是，有機(jī)溶劑殘留會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題，同時(shí)有機(jī)溶劑用于熱異構(gòu)化反應(yīng)時(shí)還存在因?yàn)槿軇┓悬c(diǎn)的限制導(dǎo)致加熱溫度有所局限從而降低反應(yīng)效率等問(wèn)題，因此在食品加工中應(yīng)盡量減少使用。

3.1.1.2 油基中番茄紅素的異構(gòu)化

除有機(jī)溶劑外，食用油也可促進(jìn)番茄紅素異構(gòu)化，且順式異構(gòu)體為彎曲結(jié)構(gòu)，不易聚集結(jié)晶，更易溶于油脂[64]。在溫和熱處理?xiàng)l件下，番茄紅素在基質(zhì)中非常穩(wěn)定，但在強(qiáng)烈加工條件下，異構(gòu)化可能會(huì)迅速發(fā)生[65]。Colle等[66]將番茄紅素溶解在橄欖油中對(duì)其進(jìn)行熱異構(gòu)化處理，發(fā)現(xiàn)在較低溫度下（80～90 ℃），全反式和總順式番茄紅素的異構(gòu)化幾乎不會(huì)發(fā)生，5-順式番茄紅素的異構(gòu)化在100 ℃以下幾乎不會(huì)發(fā)生。隨著加熱溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，5-順式和全反式異構(gòu)體含量逐漸減少，9-順式和13-順式異構(gòu)體含量逐漸增加，這可能是由于5-順式番茄紅素能量相對(duì)較低且有較大旋轉(zhuǎn)屏障，9-順式和13-順式異構(gòu)體更容易旋轉(zhuǎn)，且它們的順式構(gòu)型鍵位于共軛鏈中心附近，導(dǎo)致其溶解度更高[34,37]。番茄紅素在油基中加熱時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)對(duì)異構(gòu)化產(chǎn)生影響，Honda等[33]將番茄紅素溶于植物油中進(jìn)行微波加熱（2 450 MHz、500 W、1～7min）處理，發(fā)現(xiàn)微波處理4 min左右，順式異構(gòu)體相對(duì)含量達(dá)（65.9±2.7）%，番茄紅素幾乎不會(huì)分解；微波處理7 min后，總順式異構(gòu)體相對(duì)含量達(dá)80%以上，異構(gòu)化效率隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)而加快。油的類(lèi)型也會(huì)對(duì)番茄紅素的降解和異構(gòu)化產(chǎn)生影響，魚(yú)油中番茄紅素的降解速度大于橄欖油中的降解速度。在Colle等[67]的另一項(xiàng)研究中，采用多反應(yīng)建模方法研究了富含番茄紅素的橄欖油和魚(yú)油在熱處理過(guò)程中番茄紅素異構(gòu)體的變化，發(fā)現(xiàn)13-順式番茄紅素的降解和異構(gòu)化動(dòng)力學(xué)參數(shù)在魚(yú)油中顯著高于橄欖油，表明從全反式番茄紅素到13-順式番茄紅素的異構(gòu)化在魚(yú)油中更快，且對(duì)溫度更敏感。一些學(xué)者還比較了多種不同的植物油中番茄紅素的熱異構(gòu)化，在微波輻射條件下，烤紫蘇、烤菜籽油和大蒜油以及烤芝麻油中由于有大量脂溶性硫化合物[33]，都能顯著促進(jìn)5-順式番茄紅素形成。

3.1.1.3 天然食品基質(zhì)中番茄紅素的異構(gòu)化

Colle等[68]以新鮮的番茄果肉為基質(zhì)，探究了熱處理對(duì)番茄果肉中番茄紅素異構(gòu)化的影響，發(fā)現(xiàn)即使在較高溫度下（140 ℃），熱處理幾乎不會(huì)導(dǎo)致普通番茄果肉中番茄紅素的異構(gòu)化，只有少量x-順式異構(gòu)體（除圖1列出的主要順式異構(gòu)體外的其他順式異構(gòu)體的統(tǒng)稱(chēng)）含量增加，其他異構(gòu)體含量略微減少，這可能是由于番茄果肉中的番茄紅素處于結(jié)晶形式，幾乎不參與異構(gòu)化反應(yīng)[65]。李廣志等[69]探究了微波加熱對(duì)番茄果汁中番茄紅素異構(gòu)化的影響，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分別對(duì)溫度、加熱時(shí)間以及微波功率等條件進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)微波功率對(duì)番茄紅素異構(gòu)化的作用效果最明顯，這可能是因?yàn)槲⒉ㄍㄟ^(guò)電效應(yīng)、磁效應(yīng)等改變了番茄紅素分子結(jié)構(gòu)，加快了異構(gòu)化進(jìn)程，在250 W、90 ℃條件下加熱6 h，順式異構(gòu)體占比達(dá)51%左右。在天然基質(zhì)中番茄紅素異構(gòu)化與基質(zhì)中其他活性成分密切相關(guān)，Achir等[70]將葡萄柚汁提取物（酸化水介質(zhì)、補(bǔ)充抗壞血酸的酸化水介質(zhì)、補(bǔ)充柚皮苷的酸化水介質(zhì)）配制成果汁模型系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)果汁基質(zhì)會(huì)對(duì)番茄紅素產(chǎn)生保護(hù)作用，95 ℃熱處理90 min，葡萄柚汁中5-順式、9-順式、13-順式異構(gòu)體的含量增加，順式異構(gòu)體占番茄紅素總量的60%。

此外，由于番茄紅素是脂溶性物質(zhì)，不溶于水，因此在水基質(zhì)中的異構(gòu)化效率極低。Chen Jianchu等[71]將番茄粉末溶解在蒸餾水中并對(duì)其進(jìn)行熱異構(gòu)化處理，發(fā)現(xiàn)在水基樣品中，較溫和條件下（80 ℃）異構(gòu)化反應(yīng)幾乎不會(huì)發(fā)生。溫度升高后，由于水傳熱效率高，在高溫作用下細(xì)胞壁破裂使更多的番茄紅素從細(xì)胞中釋放出來(lái)與氧氣接觸，加速了異構(gòu)化。但是由于水基中含有較多溶解氧[55]，同時(shí)因?yàn)轫樖疆悩?gòu)體不穩(wěn)定[71]，番茄紅素降解作用非常明顯，在140 ℃加熱1 h，異構(gòu)化效率最高，之后隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)番茄紅素含量逐漸降低。

通過(guò)對(duì)80 ℃熱處理?xiàng)l件下不同基質(zhì)中番茄紅素的異構(gòu)化進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)在有機(jī)溶劑中可以觀察到較為明顯的異構(gòu)化發(fā)生。全反式番茄紅素溶解在CH2Cl2中熱處理一定時(shí)間，順式異構(gòu)體相對(duì)含量隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加，最終達(dá)到75.6%[72]，而在部分油基和水基中的異構(gòu)化反應(yīng)幾乎不會(huì)發(fā)生[66,71]，可能是由于番茄紅素在有機(jī)溶劑中溶解性更大，而在油中雖然也能溶解，但是傳熱效率低，導(dǎo)致其在相對(duì)較低的溫度下異構(gòu)化并不明顯；番茄紅素在水基中溶解度小，同時(shí)反應(yīng)溫度較低，導(dǎo)致其異構(gòu)化水平低。

3.1.2 熱促異構(gòu)化反應(yīng)

熱促異構(gòu)化反應(yīng)是指催化劑可影響番茄紅素的異構(gòu)化[54]，該反應(yīng)通常需要在一定加熱溫度下（低于熱致異構(gòu)化的溫度）進(jìn)行。以催化劑促進(jìn)異構(gòu)化反應(yīng)具有反應(yīng)時(shí)間短、催化效率高等優(yōu)點(diǎn)，金屬鹽[59,73]、碘摻雜二氧化鈦[54]、多硫化物和異硫氰酸酯（isothiocyanate，ITC）[53,60,74]、碘[53]、二硫化碳[53]等都是誘導(dǎo)全反式番茄紅素轉(zhuǎn)化為順式異構(gòu)體的有效催化劑。

3.1.2.1 天然催化劑催化異構(gòu)反應(yīng)

有研究報(bào)道天然催化劑通過(guò)不同的作用機(jī)制促進(jìn)番茄紅素的順式異構(gòu)化，ITC具有比較強(qiáng)的親電性，可通過(guò)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制有效實(shí)現(xiàn)番茄紅素的異構(gòu)化（圖3A），使5-順式異構(gòu)體含量顯著增加，提高了番茄紅素的生物利用度和抗氧化活性。而多硫化物的催化作用則與二硫鍵產(chǎn)生的自由基反應(yīng)有關(guān)，在加熱過(guò)程中，二硫化物裂解產(chǎn)生的噻吩基（RS?）催化異構(gòu)化反應(yīng)的進(jìn)行[74-76]（圖3B），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二硫化物可以顯著提高其熱穩(wěn)定性。Takemura[77]將含番茄紅素的物質(zhì)與含ITC的物質(zhì)混合在一起進(jìn)行異構(gòu)化反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)化。日常食物如蕓苔屬和蘿卜屬植物中含有親電的ITC，洋蔥、大蒜等蔥屬植物富含多硫化物，都能促進(jìn)番茄紅素的順式異構(gòu)化[53,78]。Honda等[35]探究了35 種不同的傳統(tǒng)調(diào)味品對(duì)番茄泥中全反式番茄紅素?zé)犴樖疆悩?gòu)化的影響，發(fā)現(xiàn)有些調(diào)味品如牛肉干醬、芥末，可能含有氯化鐵和二烯丙基二硫化物等催化劑，降低了全反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)化生成5-順式番茄紅素的活化能，促進(jìn)了5-順式異構(gòu)體的生成。除此之外，芥菜、甘藍(lán)屬植物（西蘭花和卷心菜）、魚(yú)露、酵母提取物、烹飪酒等也被證實(shí)可以增強(qiáng)番茄紅素的熱異構(gòu)化，其中，刺山柑對(duì)番茄紅素?zé)犴樖疆悩?gòu)化的促進(jìn)作用被首次報(bào)道[35]。

圖3 ITC（A）、二硫化物（B）催化類(lèi)胡蘿卜素異構(gòu)的機(jī)理[74]Fig.3 Mechanisms of carotenoid isomerization catalyzed by isothiocyanates (A) and disulfide compounds (B)[74]

3.1.2.2 離子催化異構(gòu)反應(yīng)

除天然催化劑外，金屬鹽離子也被證實(shí)是非常有效的催化劑。Wang Qun等[73]探究了11 種金屬鹽對(duì)番茄紅素異構(gòu)化和穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)其中5 種金屬鹽具有顯著的催化作用，催化得到順式異構(gòu)體總量為FeCl3（70.8%）＞Fe2(SO4)3（54.0%）＞AlCl3（50.2%）＞CuSO4（40.0%）＞Al2(SO4)3（29.3%），綜合考慮，F(xiàn)e3＋、Al3＋和Cu2＋對(duì)番茄紅素的催化能力大小排序?yàn)镕e3＋＞Al3＋＞Cu2＋，其中，AlCl3以分子形式催化番茄紅素，通過(guò)與雙鍵結(jié)合形成中間體，激活相應(yīng)位點(diǎn)形成反應(yīng)產(chǎn)物（圖4A），能催化異構(gòu)產(chǎn)生更高比例的5-順式番茄紅素。CuSO4與Fe3＋的異構(gòu)化機(jī)制類(lèi)似，可能通過(guò)與番茄紅素結(jié)合獲得電子轉(zhuǎn)移能力。Honda等[59]將番茄紅素溶解在丙酮中，在FeCl3的催化作用下于60 ℃反應(yīng)3 h，番茄紅素總順式占比達(dá)到79.9%，在相對(duì)較高的催化劑濃度下，5-順式番茄紅素比例顯著增加；當(dāng)催化劑濃度較低時(shí)，13-順式番茄紅素比例增加。在反應(yīng)過(guò)程中，F(xiàn)e3＋可能通過(guò)與電子結(jié)合使得電子轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生異構(gòu)反應(yīng)，F(xiàn)e3＋接受來(lái)自全反式番茄紅素的電子，反式的陽(yáng)離子番茄紅素物質(zhì)在雙鍵的缺電子位點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)化為相應(yīng)的順式構(gòu)型陽(yáng)離子后再接受來(lái)自Fe2＋的電子，形成番茄紅素順式異構(gòu)體[59,79]（圖4B），該反應(yīng)與ITC催化異構(gòu)化的機(jī)理類(lèi)似。

圖4 AlCl3（A）、Fe3＋（B）催化異構(gòu)化機(jī)理圖[59,73]Fig.4 Mechanism of isomerization catalyzed by AlCl3 (A) and Fe3+ (B)[59,73]

非金屬離子也被證實(shí)是一種很好的催化劑，Sun Qingrui等[64]應(yīng)用溶膠-凝膠法制備了碘摻雜二氧化鈦（I-TiO2）作為催化劑來(lái)異構(gòu)化溶解在乙酸乙酯中的番茄紅素。該實(shí)驗(yàn)中，催化反應(yīng)120 min時(shí)總順式異構(gòu)體的比例增加到78.5%，在隨后的180 min內(nèi)增加到85.5%后保持恒定。其中，在開(kāi)始反應(yīng)的60～120 min內(nèi)，5-順式異構(gòu)體比例由最初的0.1%增加到19.6%，進(jìn)一步證明了催化異構(gòu)的有效性。該異構(gòu)化反應(yīng)中制備的催化劑效率很高，被重復(fù)利用5 次后，活性損失低于16%，這也為生產(chǎn)高順式占比番茄紅素產(chǎn)品提供了一種高效制備路線。推測(cè)該反應(yīng)機(jī)理是I―進(jìn)攻通過(guò)雙鍵絡(luò)合生成的番茄紅素烯丙基碳正離子，導(dǎo)致單鍵旋轉(zhuǎn)扭曲，易于生成能量較低的異構(gòu)體。

總之，用催化劑異構(gòu)化番茄紅素催化效率高且能顯著增加5-順式異構(gòu)體含量，天然催化劑能更加綠色、安全地促進(jìn)番茄紅素異構(gòu)化，而部分金屬離子和非金屬離子催化劑具有強(qiáng)氧化性，殘留在食品中較難去除，對(duì)番茄紅素產(chǎn)品穩(wěn)定性及品質(zhì)產(chǎn)生影響，這也是限制該方法應(yīng)用的關(guān)鍵因素。如何解決催化劑殘留問(wèn)題的同時(shí)提高其應(yīng)用效率是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，也是今后研究的重點(diǎn)方向。

3.2 光致異構(gòu)化反應(yīng)

光致異構(gòu)化反應(yīng)是指直接的光照條件或者光敏化劑催化番茄紅素異構(gòu)化的反應(yīng)[54]。Kuki等[80]分析了三重態(tài)敏化光異構(gòu)化，通過(guò)與直接光異構(gòu)化進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩種異構(gòu)化的模式相似，研究表明共軛鏈中心部分從反式到順式的異構(gòu)化可以通過(guò)中心部分鍵序的降低來(lái)解釋。在直接光照條件下，不同種類(lèi)光源及不同的光照時(shí)間都會(huì)對(duì)番茄紅素異構(gòu)化產(chǎn)生影響。Murakami等[28]在4 ℃下用熒光燈照射番茄紅素樣品一段時(shí)間，在反應(yīng)前92 h內(nèi)，5-順式和9-順式異構(gòu)體含量增加。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所發(fā)現(xiàn)利用光化學(xué)法可獲得高達(dá)70%以上順式異構(gòu)體的番茄紅素并具有良好的穩(wěn)定性[81]。才美慧[61]則探究了不同光源（白、綠、紅、藍(lán)光）對(duì)番茄紅素異構(gòu)化的影響，將番茄紅素溶于正己烷置于4 ℃條件下用4 種光源照射，發(fā)現(xiàn)隨光照時(shí)間延長(zhǎng)，白光和藍(lán)光照射下總順式異構(gòu)體含量逐漸減少，紅光和綠光條件下的順式異構(gòu)體水平總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。在光照條件下，光敏化劑可以使番茄紅素異構(gòu)化程度進(jìn)一步提高，例如Honda等[82]在幾種敏化劑（包括可食用敏化劑）存在條件下，研究了全反式番茄紅素的光異構(gòu)化（480～600 nm輻照60 min），發(fā)現(xiàn)將全反式番茄紅素溶解在丙酮中光異構(gòu)化時(shí)，以亞甲藍(lán)和赤蘚紅為敏化劑異構(gòu)化效率較高，5-順式異構(gòu)體比例分別增加到39.9%和37.7%。以上實(shí)驗(yàn)證明光敏化異構(gòu)化是生產(chǎn)具有復(fù)雜功能和更高儲(chǔ)存穩(wěn)定性番茄紅素異構(gòu)體的有效方法，通過(guò)光敏劑誘發(fā)的三重態(tài)激發(fā)狀態(tài)可能會(huì)促進(jìn)番茄紅素從全反式到順式的異構(gòu)化[75,82]。孫清瑞[54]以I2為催化劑進(jìn)行光致異構(gòu)化反應(yīng)，得到的番茄紅素從全反式到順式異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化率為51.2%，該反應(yīng)是由于I·進(jìn)攻類(lèi)胡蘿卜素C—C鍵間的π鍵[54]。

光致異構(gòu)化反應(yīng)能高效地產(chǎn)生5-順式番茄紅素，但是反應(yīng)過(guò)程中添加的光敏化劑很難從產(chǎn)物中去除，無(wú)法保證產(chǎn)品的食用安全性，同時(shí)生產(chǎn)成本較高，不適于工業(yè)化生產(chǎn)。

3.3 其他異構(gòu)化反應(yīng)

除了上述提到的熱、催化劑、光致異構(gòu)化反應(yīng)外，逐漸出現(xiàn)了一些新型異構(gòu)化方法。Wei等[83]通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)形成的順式異構(gòu)體相對(duì)含量可達(dá)40%～60%，該反應(yīng)原理是全反式陽(yáng)離子自由基的某些鍵通過(guò)旋轉(zhuǎn)形成順式陽(yáng)離子自由基后，通過(guò)電子交換形成順式異構(gòu)體[84]。

熱、催化劑、光等均可促進(jìn)番茄紅素異構(gòu)化，但番茄紅素異構(gòu)化程度較低且不穩(wěn)定，存在一定限制，在后續(xù)研究中仍然需要尋找既可提高順式異構(gòu)體含量，又操作簡(jiǎn)便、能最大程度減少番茄紅素降解的處理方法來(lái)進(jìn)一步提高番茄紅素異構(gòu)化效率，擴(kuò)展應(yīng)用。

4 番茄紅素異構(gòu)化對(duì)生理功能的影響

由于番茄紅素?zé)oVA原活性，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)未受到重視。近年來(lái)，諸多研究表明番茄紅素具有多種生理活性，在抗氧化以及癌癥、炎癥、動(dòng)脈粥樣硬化、神經(jīng)性疾病等的預(yù)防和治療中發(fā)揮著積極作用，在功能食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著對(duì)番茄紅素異構(gòu)體研究的深入，眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)番茄紅素順式異構(gòu)體可能比全反式番茄紅素具有更強(qiáng)的生理活性。Mueller[27]和B?hm[85]等通過(guò)多項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)探究番茄紅素不同異構(gòu)體的抗氧化活性，結(jié)果表明，全反式番茄紅素異構(gòu)化為順式異構(gòu)體提高了所含番茄紅素的過(guò)氧自由基清除活性，這可能是由于順式異構(gòu)體的溶解度更高，且自聚集傾向更低[18-20]。此外，順式異構(gòu)體有較強(qiáng)的生理功能可能和β-胡蘿卜素9’,10’-加氧酶（β-carotene-9’,10’-oxygenase，BCO2）有關(guān)。Ip等[86]發(fā)現(xiàn)重組雪貂BCO2可以在9’,10’雙鍵處有效催化番茄紅素順式異構(gòu)體（5-順式和13-順式番茄紅素）生成其他胡蘿卜素，但全反式番茄紅素并不是重組雪貂BCO2的有效底物。

在人體內(nèi)，番茄紅素主要存在于脂肪組織中[87]，占類(lèi)胡蘿卜素總量的一半以上[87-89]。一些研究表明，番茄紅素在脂肪細(xì)胞和脂肪組織中表現(xiàn)出顯著的抗炎功效[26,88]。Fenni等[26]探究了番茄紅素5-順式異構(gòu)體在脂肪細(xì)胞中的生物學(xué)功能并將其與全反式番茄紅素的作用進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)5-順式番茄紅素調(diào)節(jié)的基因通過(guò)多種途徑顯著影響與脂質(zhì)和葡萄糖代謝相關(guān)的途徑，這與全反式番茄紅素的調(diào)節(jié)機(jī)制相同，表現(xiàn)出相似的作用。通過(guò)對(duì)不同濃度的番茄紅素溶液進(jìn)行反式激活實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)5-順式番茄紅素在較低濃度（0.2 μmol/L）就能顯著反式激活過(guò)氧化物酶體增殖激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ），在實(shí)驗(yàn)最高濃度（10 μmol/L）下激活作用最強(qiáng)烈，其作用效果達(dá)到全反式番茄紅素的2 倍，而全反式番茄紅素在濃度高于1 μmol/L時(shí)才能起作用[26]。但是5-順式番茄紅素激活信號(hào)通路的能力目前還沒(méi)有明確的研究結(jié)果，需要進(jìn)一步研究來(lái)驗(yàn)證。

番茄紅素可對(duì)診斷為良性前列腺增生（benign prostatic hyperplasia，BPH）的患者發(fā)揮有益作用，其中順式番茄紅素比反式番茄紅素對(duì)BPH的抑制程度更為顯著。Zou Ying等[90]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了番茄紅素順?lè)串悩?gòu)體對(duì)小鼠實(shí)驗(yàn)性前列腺增生的影響，通過(guò)設(shè)置多組別的模型組（生理鹽水組、對(duì)照組、BPH小鼠組）和治療組（番茄紅素治療組、順式異構(gòu)體治療組、藥物治療組），對(duì)小鼠進(jìn)行口服給藥30 d，通過(guò)測(cè)定前列腺指數(shù)、組織病理學(xué)檢查等參數(shù)水平來(lái)評(píng)估全反式和順式異構(gòu)體對(duì)BPH的抑制作用，結(jié)果表明在預(yù)防和治療前列腺增生方面，順式異構(gòu)體比全反式異構(gòu)體表現(xiàn)出高的生物活性。

目前，針對(duì)全反式番茄紅素生理功能的研究已經(jīng)基本清晰，但是各順式異構(gòu)體的特定生物活性尚不清楚，仍處于探索階段，需要后續(xù)進(jìn)行深入研究以探究各順式異構(gòu)體的生物效價(jià)以及作用機(jī)制。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)健康需求的日益增加，番茄紅素順式異構(gòu)體由于其高生物利用度廣受研究人員關(guān)注，關(guān)于番茄紅素順式異構(gòu)化的相關(guān)研究也取得了較大的進(jìn)展。本文綜述了番茄紅素提取過(guò)程中的異構(gòu)化情況，并基于熱、光、催化劑等對(duì)番茄紅素異構(gòu)化影響的因素，對(duì)涉及的番茄紅素異構(gòu)化反應(yīng)進(jìn)行總結(jié)及歸納。在熱處理?xiàng)l件下，不同基質(zhì)中番茄紅素的異構(gòu)體比例有差異，在較低溫度下，有機(jī)溶劑中番茄紅素的異構(gòu)化更易發(fā)生。在高于100 ℃溫度下，油基和天然食品基質(zhì)中的異構(gòu)化水平都比較高，更利于異構(gòu)化。添加催化劑和利用光源對(duì)番茄紅素進(jìn)行異構(gòu)，能產(chǎn)生較多的5-順式番茄紅素，提高了番茄紅素的穩(wěn)定性。此外，番茄紅素順式異構(gòu)體比全反式異構(gòu)體的生理活性更強(qiáng)，具體表現(xiàn)在過(guò)氧自由基清除活性、對(duì)肥胖相關(guān)的脂質(zhì)和葡萄糖代謝的調(diào)控能力、抑制前列腺增生等方面。

目前關(guān)于番茄紅素異構(gòu)化的研究仍然存在很多不足，需要進(jìn)一步研究探討以下方面：1）番茄紅素異構(gòu)體的制備仍存在很多限制，比如在熱致異構(gòu)化過(guò)程中較高溫度易導(dǎo)致番茄紅素降解，進(jìn)而導(dǎo)致異構(gòu)化效率低；盡管光照可使番茄紅素異構(gòu)體比例增加，但成本較高，未來(lái)需要探究開(kāi)發(fā)更加綠色、簡(jiǎn)單、高效的異構(gòu)體制備技術(shù)；同時(shí)，由于5-順式異構(gòu)體的生物活性更強(qiáng)，因此，在開(kāi)發(fā)富含番茄紅素順式異構(gòu)體的產(chǎn)品時(shí)，需要著力探索能有效提高5-順式番茄紅素含量的異構(gòu)方法；2）番茄紅素各類(lèi)順式異構(gòu)體的穩(wěn)定性較低，大部分都低于全反式異構(gòu)體，雖然目前一些研究發(fā)現(xiàn)添加抗氧化劑如α-生育酚、丁基羥基甲苯等會(huì)提高番茄紅素順式異構(gòu)體的儲(chǔ)存穩(wěn)定性[91]，但是其穩(wěn)定性并沒(méi)有得到很好的改善，研究也不夠全面，因此需要探尋一些新的技術(shù)手段加以改進(jìn)并提高其穩(wěn)定性；3）番茄紅素在提取的過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的異構(gòu)化，如何在促進(jìn)番茄紅素異構(gòu)化的同時(shí)提高番茄紅素的提取效率也是今后需要繼續(xù)探究的方向，并且目前關(guān)于單個(gè)番茄紅素順式異構(gòu)體的提取鮮見(jiàn)報(bào)道，這有待于進(jìn)一步深入研究；4）現(xiàn)階段對(duì)番茄紅素生理功能的研究大部分都集中于全反式構(gòu)型番茄紅素，對(duì)順式異構(gòu)體的各類(lèi)功能活性及作用機(jī)制的研究相對(duì)較少。在后續(xù)的研究中，需要深入探究不同順?lè)串悩?gòu)番茄紅素的比例對(duì)生理功能的影響及其作用機(jī)制，為進(jìn)一步提高番茄紅素的生物利用度、開(kāi)發(fā)富含番茄紅素順式異構(gòu)體的功能食品、更好地發(fā)揮番茄紅素的營(yíng)養(yǎng)與功能價(jià)值提供參考。