番茄紅素熱異構化機制及其影響因素研究進展

朱 倩，高瑞萍，雷 琳，趙國華,2,*

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，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、抗癌及預防心血管疾病等多種功能[1-3]。根據《中國居民膳食營養素參考攝入量》（2013版）規定，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型（80%～97%）存在[5]，而動物組織中的超過50%屬于順式異構體（cis-異構體）[6]。這說明番茄紅素在食物加工或者生物體內發生了異構化。研究發現番茄紅素順式異構體比其全反式構型具有更高的抗氧化活性[7]和生物利用率[8-9]。這些研究結果表明在食品加工過程中實現番茄紅素從全反式到順式的異構化具有重要的意義。全反式番茄紅素可通過光照、加熱、氧化、改變pH值、添加表面活性劑等多種方式進行異構化，這些方式在異構化效率、各類食品中的通用性以及對食品體系帶來的負面影響上各不相同。鑒于大多數食品都要經過加熱處理（燙漂、熱殺菌、干燥等）[5]，綜合來看熱處理是實現番茄紅素異構化最方便、最經濟的方法。為有效控制及高效利用這種熱誘導異構化作用提升產品品質，本文對番茄紅素熱異構化的機制及其影響因素進行了綜述。

1 熱異構化的機制

圖 2 常見的番茄紅素幾何異構體[14]Fig. 2 Common geometrical isomers of lycopene[14]

番茄紅素具有11 個共軛雙鍵和2 個非共軛雙鍵[2,10]。理論上番茄紅素可以形成1 056 種幾何（順式/反式）構型，然而實際上僅有72 種異構體在結構上是有利的[11-12]。

幾何異構化是與旋轉受限的官能團結合的基團的相對位置發生相反的化學轉化的結果[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構扭轉，從而使全反式構型轉化為順式構型[14]。圖1給出了番茄紅素中甲基或氫原子和氫原子基團之間相互作用常見的類型。由于相鄰氫原子之間或甲基和氫原子基團之間的許多可能的1,4-非鍵合相互作用，不是所有順式異構體都具有相同的穩定性[15]。根據相對基團的大小，甲基和氫原子之間的空間相互作用（圖1-C型）是最不穩定的。對4 類順式異構體的相對穩定性研究發現穩定性順序為A’型＞A型＞B型＞C型[15]。由于順式雙鍵導致的空間位阻效應，番茄紅素的11 個共軛雙鍵中只有7 個為立體化學有效雙鍵，能夠在熱處理下使番茄紅素從全反式構型異構化為單或多順式構型[11,13]。常見的番茄紅素異構化產物是5-順式、9-順式、13-順式和15-順式異構體（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]

番茄紅素的異構化需要大量的活化能。全反式分子是完全拉伸的平面構型，順式雙鍵的引入使分子扭轉并收縮，由于額外的能量輸入，全反式異構體轉化為順式異構體使其有相對較高的能量和活性，并導致其處于不穩定的狀態[15,18]。番茄紅素在熱處理中的異構化符合一級動力學反應模型，其異構化反應速率常數隨溫度升高而升高，食品基質組分對其速率常數也有影響[17,19-21]。番茄紅素熱異構化的活化能為4 kJ/mol，當有油脂存在時，異構化所需活化能顯著增加。

2 番茄紅素異構體的檢測方法

目前，用于番茄紅素異構體的檢測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對順式異構體的分離效果不及C30和Cosmosil Cholester。色譜分離后的異構體可利用紫外-可見[25-26]、核磁共振[21,25]、二極管陣列[27-29]以及質譜[28-31]等檢測器根據保留時間和光譜特征進行定性分析[28,32]。全反式番茄紅素特征吸收峰位于472 nm波長處，異構化會導致該峰向短波長方向“紫移”5～10 nm[33]，且各異構體同時會在360～365 nm波長處范圍內出現特征順式峰。研究發現各異構體的順式峰位置不同，且它們與對應主峰吸光度的比值也各不一樣[33]。異構體的定量檢測主要利用標準品通過色譜的內標法或外標法進行[21]。

3 模擬體系中番茄紅素的熱異構化

在模擬體系中，當全反式番茄紅素溶解于油脂、有機溶劑并隨后進行熱處理時，順式異構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熱異構化的動力學方程如式（1）[24]。

式中：C是番茄紅素異構體含量/（μg/g）；C0是初始番茄紅素異構體含量/（μg/g）；k是反應速率常數/min－1；t是反應時間/min。

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

3.1 溶劑種類對模擬體系中番茄紅素異構化的影響

在油脂模擬體系中，油脂有利于番茄紅素的穩定和順式異構體的積累[34]：一方面，熱處理下低氧含量的油脂保護順式異構體不被氧化[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化時發現，紫蘇、亞麻籽和葡萄籽油的高碘值加速了番茄紅素異構化（表1）。在有機溶劑模擬體系中，熱處理可以加速番茄紅素順式異構體的異構化比例。溶劑效應也會影響不同順式異構體的形成和積累[21]。強溶劑效應的溶劑熱處理異構化的速率常數較大，主要產生5-cis異構體，而13-cis異構體在該溶劑中穩定性較差，在弱溶劑效應的溶劑中占優勢[25]。Honda等[25]發現，在CH2Cl2和CH2Br2中，熱處理主要產生5-cis異構體且與溫度無關，而13-cis異構體優先在其他溶劑中形成。這可能是因為烷基鹵化物的碳原子與全反式番茄紅素的雙鍵部分締合，使番茄紅素發生異構化和降解。Takehara等[21]研究50 ℃下己烷和苯中全反式番茄紅素的異構化時發現，全反式番茄紅素在己烷和苯中降低的速率常數分別為3.19×10－5s－1和3.55×10－5s－1，

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

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

3.2 加熱溫度對模擬體系中番茄紅素異構化的影響

表 2 加熱溫度對模擬體系中順/反番茄紅素異構體含量的影響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體，或者說順式異構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化反應快速，但由于順式異構體的熱不穩定性而發生降解，引起更多番茄紅素損失。Hackett等[30]的研究發現，不同品種的番茄紅素油樹脂在25 ℃和50 ℃下主要發生氧化降解，而溫度升至75 ℃和100 ℃時，異構化程度提高。

3.3 加熱時間對模擬體系中番茄紅素異構化的影響

如表3所示，番茄紅素異構化作用隨熱處理時間的延長而增強，但時間過長，形成的順式異構體隨之降解，導致總番茄紅素含量降低。在熱處理過程中，不同順式異構體異構程度不同，生成順序也有所差異[26-27,39]。Colle等[40]發現5-cis和9-cis番茄紅素的異構化溫度分別低于100 ℃和110 ℃。對不同殺菌方式的溫度條件研究，發現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），這可能是因為全反式至13-cis番茄紅素的轉化的旋轉屏障小于全反式至9-cis番茄紅素，熱處理前期形成的13-cis異構體在后期轉化為其他更穩定的形式[39]。

表 3 加熱時間對模擬體系中順/反番茄紅素異構體含量的影響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化

食物熱處理期間，食物體系中的番茄紅素在時間、溫度組合作用下經歷反式-順式異構化。異構化時間依賴性可采用分數轉換模型（式（2））描述[19]。

式中：C是番茄紅素異構體含量/（μg/g）；Cf是平衡狀態下番茄紅素異構體含量/（μg/g）；C0是初始番茄紅素異構體含量/（μg/g）；k是反應速率常數/min－1；t是反應時間/min。

異構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 ℃）下的反應速率常數/min－1；Ea是異構化所需活化能/（J/mol）；R是通用氣體常數（8.314 J/（mol·K））；T是熱處理溫度/℃；t是反應時間/min。

4.1 加熱溫度對食物體系中番茄紅素異構化的影響

食物體系中溫度對番茄紅素順/反異構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，從而使順式異構體含量增加。漂白番茄皮比未漂白的番茄皮多誘導產生約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的番茄紅素提取能力增加，且部分全反式番茄紅素異構化為順式構型，并未達到降解的程度[41]。此外有研究表明，在不同番茄產品中，超過130 ℃的強熱處理誘導總番茄紅素降解并發生顯著的異構化[28,34,42]。

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

4.2 加熱時間對食物體系中番茄紅素異構化的影響

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

食物體系中時間對番茄紅素順/反異構化的影響也與模擬體系相同（表5）。Shi等[18]報道在90 ℃熱處理2 h后，番茄紅素的總順式異構體從0增加到約1.75 mg/kg番茄純品。且順式異構體含量僅在加熱的第一個小時增加，2 h后減少。因此工業熱處理不會導致番茄紅素的廣泛異構化，長時間和非常高的溫度如罐裝、滅菌、糊狀物和番茄醬生產等熱處理才能顯著增加順式異構體含量[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）沒有改變番茄紅素含量，也沒有觀察到異構化現象[46-48]。

4.3 食物基質組分對食物體系中番茄紅素異構化的影響

食物基質組分對番茄紅素異構化作用影響較大。番茄紅素在植物基質中以類胡蘿卜素-蛋白質復合物或衍生自質體的膜結合半結晶結構而存在[10]。該基質的保護使番茄紅素以穩定構型存在于結晶體中，不易溶解，對降解和異構化具有抗性[49-50]。即使在加工的紅番茄產品中，番茄紅素也呈現特異性的結晶狀態，這表明番茄紅素的物理形式可以提供幾何熱穩定性[51-52]。Nguyen等[53]報道了全反式番茄紅素在典型熱處理下不會從反式異構轉化為順式。然而，溶解的番茄紅素易發生異構化和降解，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生更多的順式異構體，但油基的保護作用使得順式異構體在熱處理后保持較高的含量[8]。有研究發現，由于橘色番茄中的番茄紅素溶解于脂質液滴中，這種非結晶狀態使得番茄紅素極易發生異構化和降解[11]。此外脂肪酸的類型是加熱致番茄紅素順式異構化的重要因素[36]，Colle等[19]發現，90 ℃下在10 min內用質量分數5%橄欖油熱處理番茄醬后，13-cis番茄紅素含量顯著增加，而其他異構體的變化不明顯。Ax等[20]報道，在對無氧條件下25～90 ℃下含有番茄紅素的水包油乳液的熱效應的研究中，在90 ℃溫育期間，乳液中9-cis番茄紅素的含量在7 h內升至150%，而50%的13-cis番茄紅素發生了降解。

5 結 語

近年來番茄紅素的順/反異構化已被證實能夠提高番茄紅素的生物利用率，其可通過食品加工異構化為更具有生物可利用性的順式異構體形式。然而，目前就熱加工對番茄紅素異構化作用的影響仍存在較大的爭議。綜合評價當前的研究狀況，番茄紅素異構化的研究有待從以下幾個方面加強：1）目前的研究對象大多是番茄、胡蘿卜中的番茄紅素，對其他種類番茄紅素熱異構化研究很少；2）研究發現不同異構體熱異構化程度不同，這種區別值得深入研究；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行優化研究，提高真實食品體系中番茄紅素的異構化，從而增加富含番茄紅素食品的營養價值和功效。