番茄紅素的特性和應(yīng)用研究進(jìn)展

安建勇 白鵬勛 崔茂盛 喬家運(yùn) 王文杰

(天津市畜牧獸醫(yī)研究所,天津市 300384)

番茄紅素是目前發(fā)現(xiàn)的600種類胡蘿卜素(carotenoid)之一,在1910年通過實(shí)驗(yàn)方法被成功提取[1]。類胡蘿卜素可以分為碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)類胡蘿卜素,包括番茄紅素、β胡蘿卜素或葉黃素。Schunck在發(fā)現(xiàn)番茄中這種特殊的色素與胡蘿卜中的類胡蘿卜素具有不同的吸收光譜后,將其命名為番茄紅素。番茄紅素是眾多番茄產(chǎn)品的主要色素,并且是番茄中起主要功能的化學(xué)成分。研究表明,攝入的番茄制品越多,罹患若干種癌癥和心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)就越低。這主要得益于番茄紅素的抗氧化性能,它可以保護(hù)細(xì)胞對(duì)抗氧化損傷從而降低慢性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。此外,番茄紅素還具有介導(dǎo)細(xì)胞通訊和調(diào)節(jié)內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的作用[2]。動(dòng)物和人體不能合成類胡蘿卜素,食物是唯一獲取來源。至少85%的番茄紅素是來自番茄或番茄制品,這些制品中番茄紅素的含量從42mg/kg到365mg/kg不等[3],番茄加工副產(chǎn)物中亦含有豐富的番茄紅素。

1 結(jié)構(gòu)特性

Willstatter和Escher計(jì)算出番茄紅素的分子結(jié)構(gòu)式為C40H56,他們同時(shí)證明番茄紅素是胡蘿卜素的異構(gòu)體。Karrer等發(fā)表了番茄紅素的分子結(jié)構(gòu)式,如圖1所示。此后Kuhn和Grundmann通過對(duì)番茄紅素進(jìn)行鉻酸氧化并分析其降解產(chǎn)物,對(duì)該分子結(jié)構(gòu)式進(jìn)行了驗(yàn)證[1]。番茄紅素的分子量為536.85道爾頓,為含11個(gè)共軛雙鍵的脂肪烴,具有紅色和脂溶性的特性。番茄紅素的吸收光譜在可見光范圍,溶解在石油醚中最大吸收波長(zhǎng)為472nm[1]。由于番茄紅素具有11個(gè)C-C雙鍵,理論上具有211個(gè)異構(gòu)體[4]。在自然界中番茄紅素主要以全反式構(gòu)型存在,因?yàn)檫@種構(gòu)型具有最穩(wěn)定的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)[5]。但是,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)合成的全反式構(gòu)型與熱力學(xué)穩(wěn)定性無關(guān)。在人體血漿中,番茄紅素以各種異構(gòu)體混合的形式存在,至少60%的番茄紅素以順式結(jié)構(gòu)存在[4,6]。 全反式、5-順式、9-順式、13-順式和15-順式是最常見的異構(gòu)體形式。他們的穩(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[4,6]。所以從熱力學(xué)穩(wěn)定性上講5-順式比全反式的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。而基于Zechmeister[5]的研究發(fā)現(xiàn)生物合成異構(gòu)體幾乎全部為全反式。只有番茄紅素上少數(shù)烯醇基團(tuán)由于空間位阻的作用能夠產(chǎn)生順式異構(gòu)體。實(shí)際上,只有72種順式番茄紅素異構(gòu)體在各種實(shí)驗(yàn)中被檢測(cè)到[1]。

圖1 番茄紅素分子結(jié)構(gòu)式

Lee和Chen等研究發(fā)現(xiàn)[7],在50℃下,12h內(nèi)全反式結(jié)構(gòu)無顯著性變化；在100～150℃下,9h內(nèi)主要進(jìn)行異構(gòu)體變化,之后則開始降解。番茄紅素主要在小腸中進(jìn)行吸收。在小腸組織中的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),順式結(jié)構(gòu)比全反式結(jié)構(gòu)的含量顯著要高[8]。這可能是由于順式結(jié)構(gòu)的番茄紅素更容易吸收。在攝入加工后的番茄汁后,人體血清中番茄紅素的水平顯著上升,但是食用未加工的番茄,上升不明顯[8]。相似的,Gartner等[9]發(fā)現(xiàn)番茄膏調(diào)味的食品可使血清中番茄紅素提高2.5倍,但以鮮番茄提供的相同劑量的番茄紅素不能夠提高血清中的番茄紅素。加工后番茄制品的生物利用率提升可能是由于加工過程使番茄紅素從植物組織中釋放出來,同時(shí)加熱過程破壞了番茄紅素-蛋白質(zhì)復(fù)合體,同時(shí)使全反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦孜盏捻樖浇Y(jié)構(gòu)[10]。

2 生物活性

番茄紅素對(duì)機(jī)體的保護(hù)作用包括：抗氧化作用；增加細(xì)胞與細(xì)胞的通訊；減少突變的發(fā)生；抑制癌細(xì)胞增殖；提高抗腫瘤免疫反應(yīng)[11]。

眾多研究推測(cè)番茄紅素對(duì)健康有裨益都是基于番茄紅素具有對(duì)抗氧化損傷的作用[1]。Velmurugan等[12]發(fā)現(xiàn)番茄紅素可以通過上調(diào)谷胱甘肽依賴型肝臟排毒系統(tǒng)來阻斷胃癌的發(fā)生,也因此可以保護(hù)致癌物誘發(fā)的氧化損傷。他們發(fā)現(xiàn)番茄紅素在癌癥發(fā)生過程中能夠提高谷胱甘肽(GSH)濃度,刺激肝臟排毒系統(tǒng)中的谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)和谷胱甘肽還原酶(GR)通過清除親電子部分來對(duì)抗化學(xué)致癌物的危害,因此也可改變腫瘤在肝臟其他部位的發(fā)展。

另有研究認(rèn)為低濃度的番茄紅素衍生物可能具有類激素活性,這些衍生物可以作為細(xì)胞核受體的基團(tuán),作用方式類似于類胡蘿卜素產(chǎn)生的維甲酸。在人類乳腺癌細(xì)胞中的研究顯示,番茄紅素可以刺激AP-1(Activating Protein-1),而類胰島素因子1對(duì)AP-1具有抑制作用[13]。

細(xì)胞間隙連接(GJC)是細(xì)胞與細(xì)胞的通道,這種連接可以使細(xì)胞間交換低分子量物質(zhì)如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和信號(hào)分子。Austa等[6]通過WB-F344細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明番茄紅素的其他氧化產(chǎn)物可以影響細(xì)胞通訊。非腫瘤細(xì)胞的通訊都是通過GJC來完成,然而大多數(shù)的腫瘤細(xì)胞都具有同質(zhì)或異質(zhì)的GJC功能失調(diào)[14]。目前的研究顯示番茄紅素降解產(chǎn)物通過細(xì)胞間隙連接可以增強(qiáng)細(xì)胞與細(xì)胞的通訊。細(xì)胞培養(yǎng)的證據(jù)表明β胡蘿卜素中間裂解產(chǎn)生的維甲酸和類胡蘿卜素產(chǎn)生的4氧代維甲酸是觸發(fā)GJC的最終激活成分[15]這從側(cè)面支持了番茄紅素的作用。

3 動(dòng)物中的應(yīng)用效果

Yang等[1]總結(jié)了番茄紅素在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中的作用效果。將C-6神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞移植到小鼠中,番茄紅素能夠抑制細(xì)胞的增殖,在移植前投喂抑制作用更強(qiáng)。長(zhǎng)期服用番茄紅素(0.5mg/kg)能夠顯著延遲SHN處女鼠乳腺瘤細(xì)胞的啟動(dòng)和生長(zhǎng)。這種作用是由于番茄紅素可以降低乳腺中胸苷酸的合成并減少血清中自由脂肪酸和催乳素水平。番茄紅素能夠增加T細(xì)胞來增強(qiáng)身體的免疫反應(yīng)。番茄紅素和葉黃素在低劑量時(shí)可以減少Sprague-Dawley鼠N甲基亞硝脲誘導(dǎo)的異常腺窩病(ACF)。Levy等研究發(fā)現(xiàn)番茄紅素可以有效抑制人類子宮內(nèi)膜、乳腺(MCF-7)和肺(NCI-H226)細(xì)胞增殖,同時(shí)可以抑制類胰島素生長(zhǎng)因子刺激的細(xì)胞生長(zhǎng)。

Olson等[16]以白來航蛋雞為實(shí)驗(yàn)材料,雞群隨機(jī)分為4組分別飼喂0mg/kg,65mg/kg,257mg/kg和650mg/kg的番茄紅素,第15d開始采集雞蛋對(duì)蛋品質(zhì)和血液指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：番茄紅素飼喂組蛋黃顏色顯著加深(P＜0.01)。飼喂0mg/kg,65mg/kg,257mg/kg和650mg/kg番茄紅素實(shí)驗(yàn)組蛋黃顏色的羅氏比色扇(RYCF)評(píng)分分別為8.5,11.5,12.0,12.0.高效液相色譜對(duì)飼喂組蛋黃中的番茄紅素進(jìn)行測(cè)定顯示257mg和650mg組蛋黃中番茄紅素富集量為4mg/kg,顯著高于空白組和65mg組(P＜0.05)。

Sun等[17]應(yīng)用720只杏花雞進(jìn)行實(shí)驗(yàn),雞群隨機(jī)分為4組,各組純番茄紅素的添加量分別為0.06mg/kg,10.45mg/kg,26.56mg/kg和35.96mg/kg,分別于 0d、7d、14d、21d、28d、35d 收集雞蛋并進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果顯示7～35d雞蛋的RYCF評(píng)分與空白組相比均顯著增高(P＜0.05),同時(shí)番茄紅素高飼喂組顯著高于低飼喂組(P＜0.05)。血液抗氧化指標(biāo)顯示番茄紅素可以顯著增加21d血清和35d肝臟中SOD和T-AOC的水平(P＜0.05)。番茄紅素可以顯著增加 21d、28d和 35d血清中 GSH水平(P＜0.05),但是對(duì)CAT和MDA的影響不顯著。

Akademir等[18]應(yīng)用90只白來航蛋雞進(jìn)行研究,雞群隨機(jī)分為3組,分別飼喂基礎(chǔ)日糧、5g/kg和10g/kg的番茄粉,番茄粉含番茄紅素6%。飼喂番茄粉組的采食量、產(chǎn)蛋率、蛋重、蛋黃重和蛋黃顏色均顯著高于對(duì)照組(P＜0.05)。同時(shí),隨著番茄粉添加量的升高,采食量(P＜0.01)、產(chǎn)蛋率(P＜0.01)、蛋重(P＜0.01)、蛋黃重(P＜0.01)和蛋黃顏色(P＜0.01)均有顯著提高。同時(shí),飼喂組血清和蛋黃中MDA含量比對(duì)照組均顯著降低(P＜0.01)。

Sahin等[19]應(yīng)用90只日本鵪鶉進(jìn)行研究,群體隨機(jī)分為3組,日糧中分別添加0,100mg/kg和200mg/kg的番茄紅素,并將含有番茄紅素的鵪鶉蛋給15名30～40歲的志愿者服用。結(jié)果顯示番茄紅素可以顯著增加鵪鶉的采食量(P＜0.01)并增加產(chǎn)蛋量(P＜0.01)。蛋黃顏色加深(P＜0.01),且蛋黃中MDA降低(P＜0.01)。志愿者血清中番茄紅素與蛋中的番茄紅素成顯著性回歸關(guān)系(P＜0.01),其血清中MDA濃度與鵪鶉蛋中的MDA濃度呈顯著性回歸關(guān)系(P＜0.01)。

番茄紅素最佳的添加量目前還不清楚,上述實(shí)驗(yàn)中的添加量可以作為參考。番茄紅素尚未發(fā)現(xiàn)毒性,其添加量似乎可以不設(shè)上限。一種叫NTOE的專利產(chǎn)品源自番茄自然提取物,含有6%的番茄紅素。Matulka等對(duì)NTOE的毒性進(jìn)行了測(cè)試,他應(yīng)用Sprague-Dawley大鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。口服50%致死劑量(LD50)大于5000mg/kg體重?cái)z入。應(yīng)用80只公鼠和80只母鼠進(jìn)行13周實(shí)驗(yàn),結(jié)果無可見損害劑量(NOAEL)為4500mg/kg/d[20]。

綜上所述,番茄紅素具有顯著的抗氧化作用,能夠保護(hù)機(jī)體免受氧化損傷,同時(shí)可以增加細(xì)胞通訊和提高腫瘤免疫反應(yīng)的作用。家禽飼喂實(shí)驗(yàn)也證明番茄紅素能夠提高一定的生產(chǎn)性能,并且可以提高蛋品品質(zhì)尤其是可以提高蛋黃顏色。這表明番茄紅素是一種潛在的功能性飼料添加劑。同時(shí),大劑量的動(dòng)物毒性實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)可見不良反應(yīng)。值得注意的是,植物中的番茄紅素主要是全反式結(jié)構(gòu),加熱或輻射方式可以使全反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為順式結(jié)構(gòu)從而增加腸道吸收,提高番茄紅素的使用效果。目前在家禽中的添加劑量從幾十毫克到幾百毫克每公斤不等,且實(shí)驗(yàn)群體較小,在大群體中的最優(yōu)添加劑量還需要進(jìn)一步研究。