番茄紅素?zé)岙悩?gòu)化機(jī)制及其影響因素研究進(jìn)展

朱 倩，高瑞萍，雷 琳，趙國(guó)華,2,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715）

番茄紅素（C40H56）是最重要的類胡蘿卜素之一，除可作為食用色素外，還具有抗氧化、抗癌及預(yù)防心血管疾病等多種功能[1-3]。根據(jù)《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量》（2013版）規(guī)定，番茄紅素的特定建議值（specified proposed level，SPL）為18 mg/d，其可耐受最高攝入量（tolerable upper intake level，UL）為70 mg/d[4]。新鮮植物性食物中的番茄紅素主要以全反式構(gòu)型（80%～97%）存在[5]，而動(dòng)物組織中的超過(guò)50%屬于順式異構(gòu)體（cis-異構(gòu)體）[6]。這說(shuō)明番茄紅素在食物加工或者生物體內(nèi)發(fā)生了異構(gòu)化。研究發(fā)現(xiàn)番茄紅素順式異構(gòu)體比其全反式構(gòu)型具有更高的抗氧化活性[7]和生物利用率[8-9]。這些研究結(jié)果表明在食品加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)番茄紅素從全反式到順式的異構(gòu)化具有重要的意義。全反式番茄紅素可通過(guò)光照、加熱、氧化、改變pH值、添加表面活性劑等多種方式進(jìn)行異構(gòu)化，這些方式在異構(gòu)化效率、各類食品中的通用性以及對(duì)食品體系帶來(lái)的負(fù)面影響上各不相同。鑒于大多數(shù)食品都要經(jīng)過(guò)加熱處理（燙漂、熱殺菌、干燥等）[5]，綜合來(lái)看熱處理是實(shí)現(xiàn)番茄紅素異構(gòu)化最方便、最經(jīng)濟(jì)的方法。為有效控制及高效利用這種熱誘導(dǎo)異構(gòu)化作用提升產(chǎn)品品質(zhì)，本文對(duì)番茄紅素?zé)岙悩?gòu)化的機(jī)制及其影響因素進(jìn)行了綜述。

1 熱異構(gòu)化的機(jī)制

圖 2 常見(jiàn)的番茄紅素幾何異構(gòu)體[14]Fig. 2 Common geometrical isomers of lycopene[14]

番茄紅素具有11 個(gè)共軛雙鍵和2 個(gè)非共軛雙鍵[2,10]。理論上番茄紅素可以形成1 056 種幾何（順式/反式）構(gòu)型，然而實(shí)際上僅有72 種異構(gòu)體在結(jié)構(gòu)上是有利的[11-12]。

幾何異構(gòu)化是與旋轉(zhuǎn)受限的官能團(tuán)結(jié)合的基團(tuán)的相對(duì)位置發(fā)生相反的化學(xué)轉(zhuǎn)化的結(jié)果[13]。與雙鍵相鄰的碳原子上的甲基或氫原子與氫原子之間相互重疊，發(fā)生1,4-非鍵合相互作用，即1、4位上的原子相互吸引使分子結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，從而使全反式構(gòu)型轉(zhuǎn)化為順式構(gòu)型[14]。圖1給出了番茄紅素中甲基或氫原子和氫原子基團(tuán)之間相互作用常見(jiàn)的類型。由于相鄰氫原子之間或甲基和氫原子基團(tuán)之間的許多可能的1,4-非鍵合相互作用，不是所有順式異構(gòu)體都具有相同的穩(wěn)定性[15]。根據(jù)相對(duì)基團(tuán)的大小，甲基和氫原子之間的空間相互作用（圖1-C型）是最不穩(wěn)定的。對(duì)4 類順式異構(gòu)體的相對(duì)穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性順序?yàn)锳’型＞A型＞B型＞C型[15]。由于順式雙鍵導(dǎo)致的空間位阻效應(yīng)，番茄紅素的11 個(gè)共軛雙鍵中只有7 個(gè)為立體化學(xué)有效雙鍵，能夠在熱處理下使番茄紅素從全反式構(gòu)型異構(gòu)化為單或多順式構(gòu)型[11,13]。常見(jiàn)的番茄紅素異構(gòu)化產(chǎn)物是5-順式、9-順式、13-順式和15-順式異構(gòu)體（也稱為5-cis、9-cis、13-cis和15-cis番茄紅素）[16-17]。番茄紅素幾何構(gòu)型如圖2所示。

圖 1 番茄紅素中甲基或氫原子和氫原子基團(tuán)之間相互作用的類型[14]Fig. 1 The type of interaction between methyl or hydrogen atoms and hydrogen groups in lycopene[14]

番茄紅素的異構(gòu)化需要大量的活化能。全反式分子是完全拉伸的平面構(gòu)型，順式雙鍵的引入使分子扭轉(zhuǎn)并收縮，由于額外的能量輸入，全反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為順式異構(gòu)體使其有相對(duì)較高的能量和活性，并導(dǎo)致其處于不穩(wěn)定的狀態(tài)[15,18]。番茄紅素在熱處理中的異構(gòu)化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型，其異構(gòu)化反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度升高而升高，食品基質(zhì)組分對(duì)其速率常數(shù)也有影響[17,19-21]。番茄紅素?zé)岙悩?gòu)化的活化能為4 kJ/mol，當(dāng)有油脂存在時(shí)，異構(gòu)化所需活化能顯著增加。

2 番茄紅素異構(gòu)體的檢測(cè)方法

目前，用于番茄紅素異構(gòu)體的檢測(cè)方法主要為高效液相色譜法[21-23]，其使用的色譜柱主要包括C18、C30、

Nucleosil 300-5、Cosmosil Cholester等[24]。研究表明C18和Nucleosil 300-5對(duì)順式異構(gòu)體的分離效果不及C30和Cosmosil Cholester。色譜分離后的異構(gòu)體可利用紫外-可見(jiàn)[25-26]、核磁共振[21,25]、二極管陣列[27-29]以及質(zhì)譜[28-31]等檢測(cè)器根據(jù)保留時(shí)間和光譜特征進(jìn)行定性分析[28,32]。全反式番茄紅素特征吸收峰位于472 nm波長(zhǎng)處，異構(gòu)化會(huì)導(dǎo)致該峰向短波長(zhǎng)方向“紫移”5～10 nm[33]，且各異構(gòu)體同時(shí)會(huì)在360～365 nm波長(zhǎng)處范圍內(nèi)出現(xiàn)特征順式峰。研究發(fā)現(xiàn)各異構(gòu)體的順式峰位置不同，且它們與對(duì)應(yīng)主峰吸光度的比值也各不一樣[33]。異構(gòu)體的定量檢測(cè)主要利用標(biāo)準(zhǔn)品通過(guò)色譜的內(nèi)標(biāo)法或外標(biāo)法進(jìn)行[21]。

3 模擬體系中番茄紅素的熱異構(gòu)化

在模擬體系中，當(dāng)全反式番茄紅素溶解于油脂、有機(jī)溶劑并隨后進(jìn)行熱處理時(shí)，順式異構(gòu)體的含量顯著增加且降解速率較低[19,30]。模擬體系中番茄紅素?zé)岙悩?gòu)化的動(dòng)力學(xué)方程如式（1）[24]。

式中：C是番茄紅素異構(gòu)體含量/（μg/g）；C0是初始番茄紅素異構(gòu)體含量/（μg/g）；k是反應(yīng)速率常數(shù)/min－1；t是反應(yīng)時(shí)間/min。

番茄紅素的異構(gòu)化在不同的熱處理之間以顯著不同的方式發(fā)生，且具有明顯的溫度和時(shí)間依賴性[17,25]。

3.1 溶劑種類對(duì)模擬體系中番茄紅素異構(gòu)化的影響

在油脂模擬體系中，油脂有利于番茄紅素的穩(wěn)定和順式異構(gòu)體的積累[34]：一方面，熱處理下低氧含量的油脂保護(hù)順式異構(gòu)體不被氧化[34]；另一方面，油脂不同即脂肪酸的類型不同，異構(gòu)化程度也有較大差異[35-36]。部分油脂中含有的催化劑降低了異構(gòu)化所需活化能，而不飽和脂肪酸的雙鍵形成自由基加速番茄紅素異構(gòu)化[17,35,37]。Honda等[35]研究不同食用植物油中全反式番茄紅素的異構(gòu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，紫蘇、亞麻籽和葡萄籽油的高碘值加速了番茄紅素異構(gòu)化（表1）。在有機(jī)溶劑模擬體系中，熱處理可以加速番茄紅素順式異構(gòu)體的異構(gòu)化比例。溶劑效應(yīng)也會(huì)影響不同順式異構(gòu)體的形成和積累[21]。強(qiáng)溶劑效應(yīng)的溶劑熱處理異構(gòu)化的速率常數(shù)較大，主要產(chǎn)生5-cis異構(gòu)體，而13-cis異構(gòu)體在該溶劑中穩(wěn)定性較差，在弱溶劑效應(yīng)的溶劑中占優(yōu)勢(shì)[25]。Honda等[25]發(fā)現(xiàn)，在CH2Cl2和CH2Br2中，熱處理主要產(chǎn)生5-cis異構(gòu)體且與溫度無(wú)關(guān)，而13-cis異構(gòu)體優(yōu)先在其他溶劑中形成。這可能是因?yàn)橥榛u化物的碳原子與全反式番茄紅素的雙鍵部分締合，使番茄紅素發(fā)生異構(gòu)化和降解。Takehara等[21]研究50 ℃下己烷和苯中全反式番茄紅素的異構(gòu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，全反式番茄紅素在己烷和苯中降低的速率常數(shù)分別為3.19×10－5s－1和3.55×10－5s－1，

表 1 溶劑種類對(duì)模擬體系中順/反番茄紅素異構(gòu)體含量的影響Table 1 Effect of solvent type on cis/trans lycopene isomer contents in model food system

且形成13-cis番茄紅素的反應(yīng)速率大于其他異構(gòu)體，這可能是溶劑效應(yīng)選擇性富集所需的異構(gòu)體而導(dǎo)致的[21]。

3.2 加熱溫度對(duì)模擬體系中番茄紅素異構(gòu)化的影響

表 2 加熱溫度對(duì)模擬體系中順/反番茄紅素異構(gòu)體含量的影響Table 2 Effect of temperature on cis/trans lycopene isomer contents in model food systems

模擬體系中番茄紅素的異構(gòu)化程度也取決于熱處理溫度（表2）。熱處理期間，較低的溫度有利于形成順式異構(gòu)體，或者說(shuō)順式異構(gòu)體的降解速率在較低的溫度下較慢并易于積聚[22]。在較高的溫度處理下全反式至順式番茄紅素的異構(gòu)化反應(yīng)快速，但由于順式異構(gòu)體的熱不穩(wěn)定性而發(fā)生降解，引起更多番茄紅素?fù)p失。Hackett等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，不同品種的番茄紅素油樹(shù)脂在25 ℃和50 ℃下主要發(fā)生氧化降解，而溫度升至75 ℃和100 ℃時(shí)，異構(gòu)化程度提高。

3.3 加熱時(shí)間對(duì)模擬體系中番茄紅素異構(gòu)化的影響

如表3所示，番茄紅素異構(gòu)化作用隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，形成的順式異構(gòu)體隨之降解，導(dǎo)致總番茄紅素含量降低。在熱處理過(guò)程中，不同順式異構(gòu)體異構(gòu)程度不同，生成順序也有所差異[26-27,39]。Colle等[40]發(fā)現(xiàn)5-cis和9-cis番茄紅素的異構(gòu)化溫度分別低于100 ℃和110 ℃。對(duì)不同殺菌方式的溫度條件研究，發(fā)現(xiàn)9-cis番茄紅素含量增加最多（8.0 倍），其次是13-cis番茄紅素（6.4 倍），這可能是因?yàn)槿词街?3-cis番茄紅素的轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)屏障小于全反式至9-cis番茄紅素，熱處理前期形成的13-cis異構(gòu)體在后期轉(zhuǎn)化為其他更穩(wěn)定的形式[39]。

表 3 加熱時(shí)間對(duì)模擬體系中順/反番茄紅素異構(gòu)體含量的影響Table 3 Effect of heating time on cis/trans lycopene isomer contents in model food systems

4 食物體系中番茄紅素的熱異構(gòu)化

食物熱處理期間，食物體系中的番茄紅素在時(shí)間、溫度組合作用下經(jīng)歷反式-順式異構(gòu)化。異構(gòu)化時(shí)間依賴性可采用分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換模型（式（2））描述[19]。

式中：C是番茄紅素異構(gòu)體含量/（μg/g）；Cf是平衡狀態(tài)下番茄紅素異構(gòu)體含量/（μg/g）；C0是初始番茄紅素異構(gòu)體含量/（μg/g）；k是反應(yīng)速率常數(shù)/min－1；t是反應(yīng)時(shí)間/min。

異構(gòu)化溫度依賴性可采用Arrhenius方程（式（3））描述[19]。

式中：C是番茄紅素異構(gòu)體含量/（μg/g）；Cf(T)是平衡中溫度依賴性番茄紅素含量/（μg/g）；kref是在參考溫度Tref（110 ℃）下的反應(yīng)速率常數(shù)/min－1；Ea是異構(gòu)化所需活化能/（J/mol）；R是通用氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））；T是熱處理溫度/℃；t是反應(yīng)時(shí)間/min。

4.1 加熱溫度對(duì)食物體系中番茄紅素異構(gòu)化的影響

食物體系中溫度對(duì)番茄紅素順/反異構(gòu)化的影響與模擬體系相同（表4）。不同之處在于較高的熱處理溫度一定程度上增加了番茄紅素的提取率，從而使順式異構(gòu)體含量增加。漂白番茄皮比未漂白的番茄皮多誘導(dǎo)產(chǎn)生約110%的番茄紅素含量，這是由于果皮的高番茄紅素含量和熱處理誘導(dǎo)的番茄紅素提取能力增加，且部分全反式番茄紅素異構(gòu)化為順式構(gòu)型，并未達(dá)到降解的程度[41]。此外有研究表明，在不同番茄產(chǎn)品中，超過(guò)130 ℃的強(qiáng)熱處理誘導(dǎo)總番茄紅素降解并發(fā)生顯著的異構(gòu)化[28,34,42]。

表 4 加熱溫度對(duì)食物體系中順/反番茄紅素異構(gòu)體含量的影響Table 4 Effect of temperature on cis/trans lycopene isomer contents in actual food systems

4.2 加熱時(shí)間對(duì)食物體系中番茄紅素異構(gòu)化的影響

表 5 加熱時(shí)間對(duì)食物體系中順/反番茄紅素異構(gòu)體含量的影響Table 5 Effect of heating time on cis/trans lycopene isomer contents in actual food systems

食物體系中時(shí)間對(duì)番茄紅素順/反異構(gòu)化的影響也與模擬體系相同（表5）。Shi等[18]報(bào)道在90 ℃熱處理2 h后，番茄紅素的總順式異構(gòu)體從0增加到約1.75 mg/kg番茄純品。且順式異構(gòu)體含量?jī)H在加熱的第一個(gè)小時(shí)增加，2 h后減少。因此工業(yè)熱處理不會(huì)導(dǎo)致番茄紅素的廣泛異構(gòu)化，長(zhǎng)時(shí)間和非常高的溫度如罐裝、滅菌、糊狀物和番茄醬生產(chǎn)等熱處理才能顯著增加順式異構(gòu)體含量[11]。新鮮番茄或番茄勻漿、番茄肉的番茄紅素含量不受短時(shí)間沸騰或熱燙（85 ℃、4 min）的影響[44-45]。微波（約1 000 W）番茄漿料60 s之后僅減少了35%的番茄紅素[42]。而對(duì)番茄（完整、粉碎或切碎）的熱處理（90 ℃、5～10 min）和冷處理（60～80 ℃、2.0～2.5 min）沒(méi)有改變番茄紅素含量，也沒(méi)有觀察到異構(gòu)化現(xiàn)象[46-48]。

4.3 食物基質(zhì)組分對(duì)食物體系中番茄紅素異構(gòu)化的影響

食物基質(zhì)組分對(duì)番茄紅素異構(gòu)化作用影響較大。番茄紅素在植物基質(zhì)中以類胡蘿卜素-蛋白質(zhì)復(fù)合物或衍生自質(zhì)體的膜結(jié)合半結(jié)晶結(jié)構(gòu)而存在[10]。該基質(zhì)的保護(hù)使番茄紅素以穩(wěn)定構(gòu)型存在于結(jié)晶體中，不易溶解，對(duì)降解和異構(gòu)化具有抗性[49-50]。即使在加工的紅番茄產(chǎn)品中，番茄紅素也呈現(xiàn)特異性的結(jié)晶狀態(tài)，這表明番茄紅素的物理形式可以提供幾何熱穩(wěn)定性[51-52]。Nguyen等[53]報(bào)道了全反式番茄紅素在典型熱處理下不會(huì)從反式異構(gòu)轉(zhuǎn)化為順式。然而，溶解的番茄紅素易發(fā)生異構(gòu)化和降解，且由于水基的高傳熱效率和高極性，水基中的番茄紅素比油基中產(chǎn)生更多的順式異構(gòu)體，但油基的保護(hù)作用使得順式異構(gòu)體在熱處理后保持較高的含量[8]。有研究發(fā)現(xiàn)，由于橘色番茄中的番茄紅素溶解于脂質(zhì)液滴中，這種非結(jié)晶狀態(tài)使得番茄紅素極易發(fā)生異構(gòu)化和降解[11]。此外脂肪酸的類型是加熱致番茄紅素順式異構(gòu)化的重要因素[36]，Colle等[19]發(fā)現(xiàn)，90 ℃下在10 min內(nèi)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%橄欖油熱處理番茄醬后，13-cis番茄紅素含量顯著增加，而其他異構(gòu)體的變化不明顯。Ax等[20]報(bào)道，在對(duì)無(wú)氧條件下25～90 ℃下含有番茄紅素的水包油乳液的熱效應(yīng)的研究中，在90 ℃溫育期間，乳液中9-cis番茄紅素的含量在7 h內(nèi)升至150%，而50%的13-cis番茄紅素發(fā)生了降解。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)番茄紅素的順/反異構(gòu)化已被證實(shí)能夠提高番茄紅素的生物利用率，其可通過(guò)食品加工異構(gòu)化為更具有生物可利用性的順式異構(gòu)體形式。然而，目前就熱加工對(duì)番茄紅素異構(gòu)化作用的影響仍存在較大的爭(zhēng)議。綜合評(píng)價(jià)當(dāng)前的研究狀況，番茄紅素異構(gòu)化的研究有待從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)：1）目前的研究對(duì)象大多是番茄、胡蘿卜中的番茄紅素，對(duì)其他種類番茄紅素?zé)岙悩?gòu)化研究很少；2）研究發(fā)現(xiàn)不同異構(gòu)體熱異構(gòu)化程度不同，這種區(qū)別值得深入研究；3）可以基于番茄紅素生物功能性如提高抗氧化性的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，提高真實(shí)食品體系中番茄紅素的異構(gòu)化，從而增加富含番茄紅素食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和功效。