番茄紅素生物活性功能及其在食品中的應(yīng)用研究

梁 凡，黎晨晨，李紫碩，張 桐，李 帆

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150028）

番茄紅素具備最強抗氧化活性，在成熟西紅柿和其他水果中大量發(fā)現(xiàn)，可作為紅色色素。有研究表明，由于西紅柿中含有番茄紅素，大量攝入西紅柿可以提高抗氧化能力，有效降低患癌癥的風(fēng)險。1873 年，Hartsen 于莓果中分離提取出一種結(jié)晶性暗紅色色素[1]，緊接著Millardet 于1875 年從西紅柿中提取出一種粗提取物，并于1903 年，這種色素被Schunck 正式定名為番茄紅素（Lycopene）[2-3]。后來，番茄紅素獨特的分子結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性被發(fā)現(xiàn)，人們開始廣泛研究其應(yīng)用。1989 年，有研究表明番茄紅素參與多種化學(xué)反應(yīng)，可阻止降解脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA[4]。1991 年，Campbell 通過一項研究表明癌癥患者的肝部番茄紅素水平較低。1997 年，Gerster H[5]通過體內(nèi)試驗表明，番茄紅素具有抑制人類和動物抑制體內(nèi)癌細(xì)胞繁殖的功能。這2 項研究最后所得結(jié)果都表明了番茄紅素可抑制癌細(xì)胞生長。

近年來，國內(nèi)外已經(jīng)大量報道了有關(guān)番茄紅素抗氧化、降血脂等多種生理活性功能的研究，番茄紅素相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)已成為各國研究的熱點，主要應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、畜牧業(yè)等行業(yè)。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)利用番茄紅素良好的色澤及天然安全等特性，還可作為某些食物的著色劑或防腐劑，在很大程度上推動了其在食品行業(yè)中的應(yīng)用研究。

1 番茄紅素理化性質(zhì)

番茄紅素屬于類胡蘿卜素的一種，不含氧，表現(xiàn)為暗紫紅色長針狀晶體，含有13 個雙鍵，其中的11 個是共軛雙鍵，這使得其擁有強大的抗氧化性能。番茄紅素的化學(xué)式是C40H56，分子量為536.85，熔點為174 ℃（反式），可以溶于非極性溶劑，如溶于乙醚、脂肪、油脂、己烷、丙酮和石油醚等溶劑[6]，也易溶于部分芳香烴和氯代烴如氯仿等。番茄紅素的異構(gòu)體大約有72 種，番茄紅素在蔬果中普遍以全反式結(jié)構(gòu)存在，且相對于順式異構(gòu)體，反式異構(gòu)體穩(wěn)定性更高。然而，由于高數(shù)量的共軛雙鍵，番茄紅素的加工和貯藏過程中受氧化劑、陽光和溫度的影響，容易重排成順式異構(gòu)體，也容易被氧化，從而導(dǎo)致著色劑和生物學(xué)特性的減少或損失[7]。番茄紅素的化學(xué)穩(wěn)定性差、口服利用率低，減輕了其有益效果。因此，國外有學(xué)者進(jìn)行試驗研究可以穩(wěn)定生產(chǎn)和加工番茄紅素的方法，并發(fā)現(xiàn)特定食品添加劑存在時，高壓均質(zhì)法可以提高番茄紅素的穩(wěn)定性和生物得率[8]。

2 番茄紅素生物活性功能

2.1 番茄紅素對皮膚的保護(hù)作用

番茄紅素是植物中較強的抗氧化劑之一，可以阻止前膠原蛋白的下調(diào)和丙二醛在細(xì)胞內(nèi)的累積，促進(jìn)皮膚細(xì)胞再生，起到抗衰老的作用。李童等人[9]制備番茄紅素抗衰老面膜的有關(guān)試驗，以保濕率為考查目標(biāo)，進(jìn)行了正交試驗設(shè)計優(yōu)化該面膜的配方，最終確定配方為6%甘油、10%蓖麻油、3%單甘酯，并通過試驗證實該面膜具備杰出的抗氧化能力。ROS是在光氧化過程中產(chǎn)生的，會破壞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，繼而引起細(xì)胞生化反應(yīng)如免疫和炎癥，或誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。因此，陽光是促使皮膚變化的一個主要環(huán)境因素，避免紫外線暴露是保護(hù)皮膚的首要策略。由于番茄紅素的強抗氧化性，可與受紫外線照射時產(chǎn)生的自由基結(jié)合，阻止肌膚自由基的生成，進(jìn)而緩解對細(xì)胞的損害。同時，番茄紅素分子結(jié)構(gòu)中含有共軛結(jié)構(gòu)，可以直接吸收紫外線[10]，減輕對皮膚的損傷程度。因此，番茄紅素可以作為輔助添加劑添加到防曬產(chǎn)品中。另外，攝入一定量的番茄紅素對皮膚組織有額外的好處，在保護(hù)皮膚的水分、質(zhì)地和彈性方面有很好的作用。有證據(jù)表明，經(jīng)常食用番茄的人群皮膚抗曬能力更強，并且每天攝入20~30 mg 以上的番茄紅素可以發(fā)揮其抗氧化、延緩衰老、美容等保健功能[11]。番茄紅素還可以解除被污染大氣中所含有的多環(huán)芳烴，減輕光致毒效應(yīng)，防止自由基的加速形成[12]，保護(hù)皮膚。目前，番茄紅素除具有杰出的抗衰老和防曬等作用，在化妝品行業(yè)中還可以作為天然的上色劑和穩(wěn)定劑。

2.2 番茄紅素對免疫系統(tǒng)的影響

番茄紅素具有調(diào)節(jié)機體免疫的作用，可以保護(hù)吞噬細(xì)胞免受自身的氧化損傷，促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖，刺激效應(yīng)T 細(xì)胞的功能，增強NK 細(xì)胞殺傷能力和單核-巨噬細(xì)胞碳廓清能力，減少淋巴細(xì)胞DNA 的氧化損傷，進(jìn)而調(diào)節(jié)機體免疫[13-14]。同時，番茄紅素還可以阻礙神經(jīng)炎癥通路NF-κB 的激活，抑制促炎癥介質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，減輕炎癥，進(jìn)而減輕海馬體損傷[15]。張丹等人[16]通過動物試驗發(fā)現(xiàn)，番茄紅素通過抑制IKK/IKB/NF-κB 信號通路減輕炎癥，同時降低血清炎癥因子水平，保護(hù)腎臟。一項用高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠進(jìn)行的研究表明，番茄紅素通過抑制IKK/IKB/NF-κB 信號的增加來改善炎癥。因此，番茄紅素可以預(yù)防胰島素抵抗、炎癥和脂質(zhì)積累[17]。綜上所述，番茄紅素的免疫作用與抗氧化性密切相關(guān)，番茄紅素可以促進(jìn)體液及細(xì)胞免疫，并通過抑制炎癥通路的激活及炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)機體免疫。但由于番茄紅素在水中溶解低，提取困難，工業(yè)化生產(chǎn)仍存在困難，同時在人體中的含量低，導(dǎo)致生物利用率低，因此一些學(xué)者采用番茄紅素與其他物質(zhì)，如黃酮類、人羊膜上皮細(xì)胞聯(lián)用或采用脂質(zhì)為載體的方式[18-20]，有效增強其效用。

2.3 番茄紅素的抗癌作用

番茄紅素缺少β - 芷香環(huán)結(jié)構(gòu)，因此常被人認(rèn)為沒有生理活性，無研究價值。但隨著研究的進(jìn)行，表明番茄紅素具有預(yù)防癌癥的效果，如結(jié)直腸癌、前列腺癌、食管癌等[21-23]。番茄紅素可以有效地阻截自由基，激活體內(nèi)的免疫細(xì)胞來預(yù)防癌癥。有研究表明，番茄紅素預(yù)防食管癌主要為以下幾個方面：激活具有調(diào)控機體多種生理和病理活動的PARy 蛋白，進(jìn)而促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡；適量劑量的番茄紅素可以抑制NF-κB，COX-2 及食管黏膜凋亡蛋白表達(dá)[23]。在動物模型中，番茄紅素還被證實抑制胰島素樣生長因子Ⅰ型（IGF1） 誘導(dǎo)的許多腫瘤細(xì)胞系的增殖及減少自發(fā)和化學(xué)誘導(dǎo)的乳腺腫瘤的發(fā)生方面明顯比任何胡蘿卜素更有效[24]。還有研究人員對番茄紅素的抗前列腺癌作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)番茄紅素在體內(nèi)和體外都能有效遏制前列腺癌細(xì)胞的繁衍、阻滯細(xì)胞周期、引誘細(xì)胞凋亡達(dá)到預(yù)防或治療前列腺癌的作用[22]。綜上所述，番茄紅素預(yù)防癌癥大多通過促凋亡的機制完成，還有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)番茄紅素及其代謝物對各種癌細(xì)胞的細(xì)胞具有毒性作用，同時還可以通過調(diào)控腸道微生物和膽固醇來達(dá)到抗癌的作用[22]。

3 番茄紅素在食品中應(yīng)用

由于番茄紅素色感明顯、無毒且具有優(yōu)良的抗氧化性、防癌、降脂、增強免疫等生物功能，在食品加工中可作為食品添加劑，近年也常用作某些食品的原料。在類胡蘿卜素中，番茄紅素變得越來越有利用價值。

3.1 番茄紅素在烘焙食品中的應(yīng)用

在焙烤食品上涂抹番茄醬，在一定程度上起到預(yù)防癌癥的作用。有研究表明，添加番茄紅素和番茄粉后，會與脂肪之間形成微球，硬度增加。由于番茄紅素具有脂溶性，可能會減少小麥粉中可用的游離脂肪量，從而降低餅干的攤鋪率。番茄紅素的強抗氧化能力也會使DPPH 自由基清除活性增高，具有更高的抗氧化潛能，防止過氧化物脂質(zhì)的形成。餅干在儲存期間硬度的下降可能是由于水活度的增加，含有番茄粉和粗番茄紅素餅干的光澤和色澤更好，添加番茄紅素后，食品中粗脂肪和灰分含量也會顯著增加[25]。為降低成本，也有研究人員直接在食物中加入番茄果皮，得到了富含番茄紅素的漢堡肉制品。由于含有番茄紅素，漢堡具有獨特的顏色，且漢堡的感官質(zhì)量仍然良好[26]。綜上所述，在烘焙產(chǎn)品中，如全麥餅干等添加番茄粉和粗番茄紅素可以在提高某些物理和感官性能的前提下提高抗氧化性能，有效改善烘焙產(chǎn)品在烘烤、包裝、運輸和儲存過程中營養(yǎng)品質(zhì)不斷下降的缺陷。

3.2 番茄紅素在肉制品中的應(yīng)用

在肉制品生產(chǎn)中，為延長食品的最佳食用時間常加入亞硝酸鹽。然而，亞硝酸鹽在微生物作用下產(chǎn)生的亞硝胺會致癌，因此有關(guān)研究中采用番茄紅素代替亞硝酸加入肉制品中。吳斌等人[27]則通過試驗發(fā)現(xiàn)，番茄紅素作為一些蔬果中紅色色素的主要成分，具有良好的抗氧化性能，可以降低肉制品氧化的程度，進(jìn)而起到防腐的作用；另一方面，番茄紅素可以與亞硝酸鹽配合使用可將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為NO，從而降低腌肉制品中亞硝酸鹽的殘留[28]。番茄紅素添加于某些產(chǎn)品中色素，可以穩(wěn)定制品顏色；除此之外，有關(guān)研究表明，番茄紅素可以制止微生物的繁殖，延長肉制品的最佳食用期。番茄紅素還可以應(yīng)用于畜禽飼料中，有研究表明投喂畜禽含有番茄紅素的飼料，可以降低畜禽肉中不被需要的膽固醇含量，而增加了必需膽固醇酸的比例，從而提高肉制品的營養(yǎng)價值；同時，抗氧化劑可增強膜的穩(wěn)定性，減少Ca2+從線粒體和肌漿網(wǎng)向肌漿內(nèi)的滲漏，導(dǎo)致糖酵解電位下降，引起死后pH 值的下降，可以減少肉的滴水損失。飼糧中添加番茄渣也可降低肉的光澤度[29-30]。綜上所述，番茄紅素可以以粉末狀加入畜禽飼料中，或者在腌肉制品中應(yīng)用，可以改善肉制品的風(fēng)味、色澤、營養(yǎng)價值，延長保質(zhì)期。

3.3 番茄紅素在食用油中的應(yīng)用

空氣中的氧氣、溫度和光照等因素均可能使食用油變質(zhì)，尤其是對光敏感。由于油脂中含有具有雙鍵的物質(zhì)，在光的照射下易氫化，產(chǎn)生的物質(zhì)會加快氧化反應(yīng)的進(jìn)行并引起酸臭味[31]。不僅油脂的風(fēng)味、色澤和營養(yǎng)成分等會遭到破壞，長期食用還會危害人體健康。為抑制食用油的氧化變質(zhì)，可在食用油中加入適量的抗氧化劑。為避免所用抗氧化劑對人具有潛藏的危害和毒性，常選用天然的抗氧化劑。國外一項研究表明，雖然加入番茄紅素提取物并沒有改變氧化機理，但作為一種清除劑，減緩了這一現(xiàn)象，試驗結(jié)果表明，番茄紅素提取物的添加使亞麻油的貨架期延長了31% （Ranimat 試驗） 和42%（貯藏期間的穩(wěn)定性動力學(xué)）[32]。富含番茄紅素的油樹脂可作為橄欖油和葵花油的膳食穩(wěn)定劑，可代替人工合成的防腐劑，在長時間的貯藏過程中起抗氧化的作用[33]。番茄紅素除可作為膳食穩(wěn)定劑加入食用油中，也可被引入基質(zhì)（封裝劑） 中，保護(hù)活性化合物免受外部條件的影響，抑制其與其他成分的接觸或控制其釋放。天然抗氧化劑的包封方法有多種，如噴霧干燥、超臨界CO2和冷凍干燥及微膠囊化等。在食用油應(yīng)用方面，有學(xué)者認(rèn)為，基于納米乳化的包封技術(shù)可能被認(rèn)為是一種更有前景的方法，無毒，具有可調(diào)的流變性、高分散性，相對其他包封技術(shù)來說，更好地的控釋和高物理穩(wěn)定性[34]。當(dāng)食用油暴露在光照下時，番茄紅素具有光屏障特性和氧屏障特性，以及進(jìn)行抗氧化釋放，可以有效抑制過氧化物的形成[35]。目前，將番茄紅素作為食品添加劑直接加入食用油中可以有效延長保質(zhì)期，但番茄紅素的生產(chǎn)成本高、穩(wěn)定性低，限制其在食用油中的使用。另外，番茄紅素以粉末狀的形式添加于食用油中可能會產(chǎn)生不良的感官影響。因此，天然活性物質(zhì)的封裝技術(shù)在食用油應(yīng)用中前景更好，但封裝設(shè)備要求過高、封裝成本高等問題尚未解決，技術(shù)仍有待改善。

3.4 其他應(yīng)用

番茄紅素天然無毒、功能豐富，可廣泛應(yīng)用于各類食品中，如利用其生物學(xué)性能研制具有保護(hù)人體健康功能的食品；番茄紅素還應(yīng)用于生產(chǎn)適用于特定人群的功能性飲料，包括運動飲料、早餐飲料和復(fù)合果汁飲料等、新口味飲料的開發(fā)。例如，有學(xué)者研發(fā)出一種珍珠粉圓蘇打水，可以中和胃酸[36]；2020 年，加拿大發(fā)布文件番茄紅素加入某些飲料中作為食品著色劑[37]。有研究采用3 種不同的方法制備了新型水溶性番茄紅素- 殼寡糖（LYC-CHIOS） 復(fù)合物，同時測定了配合物的抗氧化活性，該研究拓展了番茄紅素作為食品添加劑的應(yīng)用[38]。近年來，國外有學(xué)者將番茄紅素添加于冰激凌中，緩解面部炎癥，降低年輕群體因不適當(dāng)飲食患上痤瘡的風(fēng)險[39]。番茄紅素也可被用于抑制蘋果的新鮮切口處的氧化，國外研究發(fā)現(xiàn)用一定方式得到的番茄紅素微球強化鮮切蘋果，在5 ℃條件下處理9 d 后，抑制了酶促褐變且不影響理化或微生物質(zhì)量[40]。食品在人們?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)了比較重要的地位。食品除需滿足市場需求外，有不同種類的口感的風(fēng)味，所含營養(yǎng)成分也不同。目前，市場上食品種類非常多，但大多數(shù)仍無法滿足當(dāng)代人追求飲食健康的需求。人們便開始注意到天然的植物成分，番茄紅素由于其超強的抗氧化作用及降血脂、預(yù)防癌癥等功能，引起人們密切關(guān)注。

4 結(jié)語

番茄紅素被稱為“植物黃金”，是一種高效抗氧化劑，能夠消滅人體的氧化自由基，含番茄紅素豐富的食品與蛋白質(zhì)相結(jié)合時能被人體更好地吸收，也可以通過水煮食物的方式提高番茄紅素的吸收效率；除此之外，番茄紅素還具有保護(hù)皮膚等作用。番茄紅素廣泛存在于蔬果中，我國番茄紅素來源豐富。目前，番茄紅素被普遍應(yīng)用于各行各業(yè)中，應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)，可以影響骨溶解癥的發(fā)病進(jìn)程[41]；在化妝品行業(yè)，番茄紅素大多被應(yīng)用于抗衰老產(chǎn)品，如抗衰老面膜的制作；隨著研究的深入，有研究表明番茄紅素還可用于養(yǎng)殖業(yè)中，含有番茄紅素這種天然營養(yǎng)成分的飼料，幫助改善畜禽肉品質(zhì)和提高動物的生殖率，如在產(chǎn)蛋母雞每天的基礎(chǔ)飼料中添入適量的番茄紅素，降低了膽固醇在蛋和肉中的含量[42]。番茄紅素應(yīng)用多元化，但產(chǎn)量低，市場需求巨大，價格昂貴。這一問題限制了番茄紅素的工業(yè)化生產(chǎn)，而實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)不僅要考慮番茄紅素本身的提取率，還要考慮后續(xù)的可持續(xù)發(fā)展及實際的生產(chǎn)要求。目前，利用真菌、藻類和酵母的微生物發(fā)酵方法的生產(chǎn)和發(fā)展呈現(xiàn)出顯著的發(fā)展趨勢，其成本相對較低，對環(huán)境造成的污染較少。然而，這項技術(shù)還不成熟。因此，可以將不同提取方法的優(yōu)點結(jié)合起來，促進(jìn)工業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)優(yōu)化選擇[43]。綜上所述，有關(guān)番茄紅素的創(chuàng)新制品的研究越來越多，在多個行業(yè)的發(fā)展前景良好。