改善番茄紅素生物利用度的研究進展

于 穎，張 維，謝 凡，顧欣哲，吳金鴻，王正武*

（上海交通大學農業與生物學院，上海 200240）

番茄紅素是一類重要的類胡蘿卜素，結構中存在的大量不飽和雙鍵（圖1），能夠有效地吸收長波和淬滅單線態氧，從而具備較好的抗氧化能力[1-2]。除了在食品和藥品中作為色素外，番茄紅素還具備防治糖尿病血管并發癥、預防前列腺癌和心血管疾病等功能[3]。未經過加工的果蔬中，番茄紅素的生物利用度通常較低（0.1%～3.0%）[4]，主要與番茄紅素自身的化學性質和其所處的微環境有關[5-6]。傳統的食品加工通常專注于改善食品的感觀品質和降低營養成分的損失，而營養成分能被人體吸收利用的程度則對提高食品的營養價值至關重要，引起了越來越多的研究和關注。本文就近年來提高番茄紅素生物利用度的研究進行了概述，擬為開發新的提高番茄紅素生物利用度的方法提供理論依據。

圖1 番茄紅素的全反式構象Fig. 1 Chemical structure of (all-E)-lycopene

1 番茄紅素的吸收機制

番茄紅素主要存在于蔬菜水果如西瓜、木瓜、番茄等植物源的葉綠體和色質體中，此外在部分古細菌、真細菌和藻類等一些真核生物的細胞色素中也有發現。人體和動物通常不能合成番茄紅素，需要通過攝取植物源的產品來滿足健康和營養需求。在植物源中，番茄紅素與脂質、蛋白質所構成的特殊亞結構嵌入對胃腸消化具有一定抗性的色質體中[7]。番茄紅素在人體內的吸收過程如圖2[8]所示，主要經歷3 個階段，包括從食品基質的釋放、溶入脂肪顆粒和膠束化。在口腔和胃消化階段，主要是通過咀嚼、酶消化淀粉等碳水化合物和少量的脂肪（小于10%）促進番茄紅素和脂肪的釋放，釋放的番茄紅素溶解于脂肪顆粒，并通過胃部的蠕動形成乳化油脂。進入十二指腸后，由于膽鹽的作用，乳化油脂顆粒減小，脂肪被脂肪酶所消化，番茄紅素被釋放出來。釋放的番茄紅素、膽鹽和消化形成的膽固醇會形成膠束化顆粒。研究表明，長鏈的甘油三酯比中鏈和短鏈的甘油三酯更能有效地促進膠束顆粒的形成[9]，膠束化的番茄紅素才能結合運輸蛋白SR-B1被小腸上皮細胞所吸收，從而被人體所利用[10]。番茄紅素從色質體中的釋放、番茄紅素依賴于脂肪的乳化和膠束化的形成是番茄紅素生物利用度的重要限制性因素。因此，能夠提高番茄紅素吸收階段效率的因素，均能夠促進番茄紅素的生物利用度的提高。

圖2 番茄紅素在人體的吸收過程[8]Fig. 2 Lycopene absorption processes[8]

2 影響番茄紅素生物利用度的因素

生物活性成分的營養價值取決于其生物利用度，即離開食物基質穿過腸道屏障到達靶向細胞的比例。番茄紅素的性質和存在狀態、食物基質、番茄紅素與其他營養成分的相互作用、腸道健康等能夠影響番茄紅素的生物吸收，因此均對番茄紅素的生物利用度有重要影響。

2.1 番茄紅素種類

番茄紅素具有11 個共軛雙鍵和2 個非共軛雙鍵，這種共軛雙鍵的結構使番茄紅素可以產生多種類型的順反異構體[11]。在天然果蔬中，90%以上的番茄紅素是以全反式構型存在，而在人體的組織和血清中，只存在順式的番茄紅素，其中5-順式、9-順式、13-順式和15-順式番茄紅素約占番茄紅素總量的50%。研究表明，順式番茄紅素的極性較強，不易結晶，更易溶于膠束被人體吸收和利用，且與反式異構體相比，其生物利用度約為全反式番茄紅素的5 倍[12]。Sun Qingrui等[13]使用通過溶膠-凝膠法制備的碘摻雜二氧化鈦催化劑實現番茄紅素的高效非均相催化異構化（75 ℃下在乙酸乙酯中回流2 h），最終能夠得到番茄紅素的最大總順式異構體的比例超過78%，并利用擴散模型中的分區因素評價不同順式異構體比例下番茄紅素的生物利用度，結果顯示與全反式番茄紅素相比，高比例的順式異構體具有更高的生物利用度。

2.2 食物基質

番茄紅素所在的基質在其生物利用度方面扮演著重要的角色。Palmero等[14]利用胡蘿卜和番茄兩種果蔬比較不同基質中天然的結構屏障對番茄紅素生物利用度的影響，實驗中分別將胡蘿卜和番茄的不同部分（色質體、細胞簇）分離出來，模擬體外消化實驗考察番茄紅素的生物利用度，結果顯示，對于胡蘿卜而言，去除細胞壁后番茄紅素的生物利用度提高；對于番茄而言，番茄紅素溶解在油相后生物利用度明顯增加。說明不同細胞壁的組成以及色質體的結構（隨基質而變）都會影響番茄紅素生物利用度。有研究表明，葉綠體對胃和腸消化具有高抗性，且葉綠體在腸道中被破壞的程度低于色質體，因此番茄紅素嵌入在水果和蔬菜的葉綠體中是限制飲食來源番茄紅素生物利用度的重要因素[15]。

2.3 食物組分間的相互作用

隨同番茄紅素一起攝入體內的其他營養物（如脂質、蛋白、膳食纖維、礦物質等）會影響番茄紅素的吸收和代謝。二價礦物質可能會通過形成不溶的脂質-皂復合物阻止番茄紅素從脂質小滴向形成的混合膠束轉運，從而影響番茄紅素的生物利用度。Borel等[16]采用臨床研究，選擇10 名健康的非肥胖受試者，通過測量攝食含補充劑（500 mg鈣）和不含補充劑的受試者餐后血漿中類胡蘿卜素濃度來評估膳食來源的鈣是否影響健康受試者類胡蘿卜素的生物利用度，結果顯示在攝入對照膳食后2 h血漿類胡蘿卜素濃度增加，而在攝入含鈣膳食后5 h依然沒有顯著增加。Al-Yafeai等[17]研究番茄醬中果膠含量對類胡蘿卜素生物利用度的影響，分別設置3 個實驗組：未處理番茄醬、果膠酶處理后的番茄醬以及添加果膠的番茄醬，并用體外消化模型計算其生物利用度，結果發現3 種體系下番茄紅素生物利用度分別為46%、60%和16%；且實驗中發現不同樣品中β-胡蘿卜素的生物利用度均高于番茄紅素，β-胡蘿卜素形成膠束化的過程會與番茄紅素的吸收形成競爭性關系，從而影響番茄紅素的生物利用度。Xu Honggao等[18]的研究表明果膠通過吸附油脂和膽鹽，同時增加腸道消化物的黏性從而減少酶作用的位點，均可以影響番茄紅素膠束顆粒的形成，從而導致番茄紅素的生物利用度下降。可溶性膳食纖維的分子質量、殘基組成和疏水性能均能影響番茄紅素膠束顆粒的形成，從而限制番茄紅素的吸收。

2.4 宿主因素的影響

類胡蘿卜素的吸收和代謝在不同物種間有所不同，在人類和少數哺乳動物中，大部分類胡蘿卜素可以被小腸黏膜細胞完整吸收；在嚙齒動物中，有些類胡蘿卜素不能被吸收。近年來幾項研究表明一些宿主相關因子包括疾病狀態、體質量、飲酒、吸煙、藥物攝入、年齡和遺傳方面等都會對番茄紅素的生物利用度造成一定的影響[19]。Cardinault等[20]選擇16 名非肥胖、不吸煙的健康志愿者（8 名年輕人、8 名老年人）給予3 種不同的實驗餐（其中61 g番茄醬可提供30 mg番茄紅素），研究年齡對類胡蘿卜素生物利用度的影響，番茄紅素血脂化效率的結果顯示老年受試者的反應顯著低于年輕受試者，這可以說明，在老年受試者中番茄紅素的生物利用度明顯降低。類胡蘿卜素的生物利用度存在較高的個體差異，部分原因是遺傳多態性，Borel等[21]研究幾種單核苷酸多態性組合與番茄紅素生物利用度的關系，實驗中33 名健康男性志愿者服用100 g番茄汁（含有9.7 mg全反式番茄紅素）后，在規定的時間內測血漿乳糜微粒中番茄紅素的濃度，結果表明個體間的差異會影響血漿中番茄紅素的濃度，從而影響番茄紅素的生物利用度。

3 提高番茄紅素生物利用度的方法

不同基質之間細胞壁物質和色素細胞之間的差異會影響包裹在膠束中番茄紅素的釋放，因此對于番茄紅素來說，細胞壁是影響番茄紅素生物利用度的重要屏障，而番茄中色質體的亞結構是抗番茄紅素增溶的重要屏障[22]。因此要提高番茄紅素的生物利用度可以從以下兩方面進行研究：一方面可以在加工過程中破壞細胞壁和色質體亞細胞結構，促進番茄紅素的釋放；另一方面，通過構建乳液、與油脂共消化等方法構建新的食品分散體系，促進乳糜微粒膠束的形成。對食品材料的加工、乳液構建及利用番茄紅素與油脂共消化均為有效提高番茄紅素生物利用度的方法。

3.1 食品加工

食品加工（熱處理、光照、脈沖電場等）對番茄紅素最直接的影響即番茄紅素從食品基質的釋放和番茄紅素的順式異構化，從而改變番茄紅素的生物利用度[23]。Honda等[24]將番茄汁、番茄醬等在120 ℃加熱1 h，順式番茄紅素的比例由加熱前的4.6%～9.2%提高至27.4%～33.4%，其中植物油脂的存在能顯著提高番茄紅素異構體的相對含量（39.2%～50.7%）。Stahl等[25]將番茄汁與1%的玉米油在100 ℃下加熱1 h后，發現與未加熱的樣品相比，血清中的番茄紅素濃度增加。Honda等[26]將番茄漿分別在120 ℃和150 ℃下加熱1 h，發現番茄漿中順式異構體的含量分別由未處理新鮮番茄中的6.1%增加至10.0%和56.2%。Mutsokoti等[27]從番茄中提取出富含色素體的細胞和細胞簇部分，并將5%的油分別與兩部分混合后進行高壓均質處理，結果發現在0～50 MPa內，色素體細胞和細胞簇中的番茄紅素轉移到油相中的比例隨著壓力的增加而增加，50～100 MPa內幾乎無顯著變化。說明高壓均質能夠有效地將類胡蘿卜素從基質中釋放并轉移到油相。Anese[28]、Colle[29]和Panozzo[30]等的研究表明，超聲處理、高壓均質及脈沖電場等非熱加工對番茄紅素從食物基質的釋放作用是復雜的，一方面非熱加工能夠破壞色質體和番茄紅素形成的結晶體；另一方面非熱加工所產生的纖維網絡的重組會阻止番茄紅素形成膠束。不同食品加工方式對番茄紅素的生物利用度影響如表1所示。高壓均質、脈沖電場和超聲波等物理加工方式需要結合熱加工或油脂的存在，才能消除食品基質重組造成的不利影響，最大限度地提高番茄紅素的生物利用度。熱加工雖然能使蛋白在消化過程中聚集，與植物纖維構建新的纖維網絡，卻能導致番茄紅素由全反式構象向順式異構體轉化，依然是提高番茄紅素生物利用度最簡單、經濟的加工方式。

表1 不同加工方式對番茄紅素生物利用度的影響Table 1 Effect of different food processing technologies on lycopene bioavailability

3.2 賦形劑乳液

生物活性物質在加工的過程中極易受到光、熱等外力因素的作用，像類胡蘿卜素等脂溶性物質在消化吸收過程中因疏水作用其生物利用度也會受到限制，由于乳液能夠包封、保護和傳遞脂溶性化合物，因此可利用賦形劑乳液提高番茄紅素生物利用度。賦形劑乳液對類胡蘿卜素生物利用度的影響受多方面因素的作用，包括油相的種類、乳液液滴的粒徑、乳化劑的種類等。有研究表明對于用50%（體積分數，下同）玉米油配制的乳液而言，番茄紅素的生物利用度顯著低于100%橙油配制的乳液[39]。近幾年利用納米乳液為載體研究其對活性物質生物利用度方面的影響越來越多，其具有以下優點：首先，納米乳液具有更高的穩定性；其次，小液滴更容易滲透到植物組織中，并溶解類胡蘿卜素；再者，小液滴具有更大的比表面積，增加了納米乳液中食品組分與膽汁鹽、脂肪酶等之間的相互作用，促進番茄紅素等親脂性物質的溶解，從而促進包埋物質的生物利用度[40]。Salvia-Trujillo等[41]將6 mL兩種不同粒徑的乳液與24 mL番茄汁分別混合后在體外模擬消化實驗中進行共消化，以考察賦形劑乳液（液滴大小）對植物產品中類胡蘿卜素生物利用度的影響，結果顯示兩種乳液粒徑分別為0.17 μm和19 μm，番茄紅素的生物利用度分別為12.5%和10.0%，顯著高于未形成乳液的番茄汁的生物利用度（7.5%）。乳液粒徑較小易于被小腸脂肪顆粒所包埋和吸收，當脂肪顆粒直徑小于200 nm時，番茄紅素的生物利用度會顯著提高。同樣，Zhang Ruojie等[42]將胡蘿卜制成泥與不同粒徑（0.17、0.46、10 μm）的賦形劑乳液混合，結果表明，賦形劑乳液能夠顯著提高番茄紅素的生物利用度，且類胡蘿卜素的生物利用度隨著乳液粒徑的增大而降低。Ha等[40]以富含番茄紅素的提取物為原料，采用乳化蒸發技術制備番茄紅素納米乳液，通過測定從食物基質中釋放的番茄紅素含量以及形成膠束形式的番茄紅素含量，以確定其生物利用度，結果發現未形成乳液的番茄紅素體外生物利用度僅為0.01%，粒徑為150 nm和69 nm的番茄紅素納米乳液生物利用度分別為53%、0.77%。Verkempinck等[43]研究不同乳化劑（吐溫-80、蔗糖酯）對脂質水解、膠束形成以及類胡蘿卜素生物利用度的動力學影響，結果表明吐溫-80乳液與蔗糖酯乳液相比具有更高的類胡蘿卜素生物利用度；且在番茄基質中吐溫-80乳液對順式和全反式番茄紅素的生物利用度均高于蔗糖酯乳液。Ho[44]、Yildiz[45]、Jain[46]等通過植物原蛋白（大豆蛋白、豌豆蛋白等）、改性淀粉、乳制品蛋白以及植物蛋白-多糖復合物等制備負載番茄紅素的蛋白質穩定的賦形劑乳液，以改善番茄紅素的物理化學穩定性以及提高其生物利用度，結果發現改性淀粉、乳清分離蛋白等作為乳化劑產生的乳液穩定性更好，動物模型顯示其形成的包覆番茄紅素的納米乳液能改善番茄紅素生物利用度。綜上，利用賦形劑乳液可以促進脂質水解、促進小腸環境中番茄紅素脂肪膠束顆粒的形成，從而提高番茄紅素的生物利用度。

3.3 構建共消化體系

油脂是食品體系中的主要成分，其與番茄紅素構成的共消化體系是攝取番茄紅素的主要來源。番茄紅素與油脂共消化可以增加番茄紅素的生物利用度，其中可能存在的機理有以下幾個方面[47]：1）可以通過提供番茄紅素溶解的疏水相促進番茄紅素從食物基質中的釋放；2）刺激膽汁分泌、增加膠束的產生；3）甘油三酯可以增加腸細胞外類胡蘿卜素的分泌，防止其細胞內積聚，從而促進其吸收。所消耗油脂自身的特點會影響番茄紅素的生物利用度，比如油脂的組成和含量不同，番茄紅素生物利用度也不相同，含有大部分長鏈甘油三酯（例如向日葵油、橄欖油、可可脂）的脂質更有效地從食物基質中轉移番茄紅素，進入到膽汁鹽形成的膠束中，從而被小腸黏膜細胞吸收利用。Arranz等[48]給志愿者單獨食用番茄汁或者輔以橄欖油同時食用后，檢測其血漿中番茄紅素的含量，發現橄欖油與番茄汁同時食用能夠增加血漿中番茄紅素的含量。在與油脂構建共消化體系的過程中，加入脂質的種類不同，對番茄紅素生物利用度的影響也不同（表2）。另外，番茄紅素生物利用度也會因加入油脂的含量不同有所變化，若攝入油脂含量過高，可能因為甘油三酯水解不完全，從而導致番茄紅素的生物利用度下降[34,49]。Colle等[50]研究油脂加入量對番茄紅素生物利用度的影響，分別將添加量0%、1%、2%、5%和10%的油脂（橄欖油、椰子油、魚油）與番茄漿共消化，結果顯示當橄欖油和魚油的添加量分別為2%和1%時，番茄紅素生物利用度達到最大，隨著油脂添加量的繼續增加，其生物利用度又下降。Mashurabad等[51]采用體外消化模型和Caco-2細胞模型研究不同種類和含量的油脂與不同果蔬（胡蘿卜、菠菜、木瓜）共消化時對番茄紅素生物利用度的影響，結果顯示當木瓜分別與添加量0%、1%、2.5%、5%和10%的橄欖油共消化時，當橄欖油的添加量為5%時番茄紅素膠束化達到最大（22.1%）。在與油脂等構建共消化體系的過程中，油脂的添加量在5%以內足以對番茄紅素生物利用度產生較好的效果，油脂的種類和含量以及番茄紅素存在的基質等都會影響其生物利用度，其中不飽和脂肪酸的效果優于飽和脂肪酸。

表2 不同油脂種類對番茄紅素生物利用度的影響Table 2 Effects of different oil types on lycopene bioavailability

4 生物利用度的評價方法

生物利用度是指在消化過程中從食物基質中釋放的營養物，能夠吸收到黏膜中并且通常使用體外和體內消化實驗進行測定[53]。主要通過體外消化模型、動物模型和臨床實驗等3 種方式進行評估[54-56]。體外消化模型因其操作方便、周期短等優勢在番茄紅素的生物利用度評價中受到廣泛應用，該模型主要通過模擬4 個過程：模擬口腔消化、模擬胃消化、模擬腸道消化和膠束顆粒的分離。Sun Qingrui等[13]利用體外消化模型和擴散模型證明了番茄紅素的順式異構體比其反式異構體更易吸收，其生物利用度（19%～31%）高于反式異構體（2.38%～6.18%）。Failla等[57]在體外使用Caco-2人體腸道細胞模型進行實驗，結果表明番茄紅素順式異構體的生物利用度高于全反式結構。Mashurabad等[51]的實驗中利用體外消化/Caco-2細胞模型評估植物油的種類和含量對不同果蔬中的類胡蘿卜素膠束化的影響，結果顯示類胡蘿卜素的膠束化與食物基質、極性、油脂的類型等有關。

5 結 語

采用新型方法提升番茄紅素的生物利用度時，需要兼顧番茄紅素的穩定性和食品體系的理化品質。通過食品加工的方法提升番茄紅素的生物利用度具有操作簡單、適合大規模應用等優勢，食品加工一般會促進番茄紅素從細胞和色質體中釋放，然而缺乏了結晶體的保護，番茄紅素易受到外界因素的影響而降解，而賦形劑和采用復配等方法需要建立在番茄紅素處于游離狀態的情況下。

未來對于改善番茄紅素中生物利用度的研究應更加精細化并聚焦于以下幾個方面：第一，多種食品加工工藝相互結合對番茄紅素生物利用度的影響，如輻照、電阻等新型的殺菌工藝的影響。第二，番茄紅素分散體系的理化性質。在番茄紅素主要來源——番茄中，碳水化合物（主要為纖維和果膠）對分散體系的影響不可忽略。果膠和膳食纖維的二級結構，如酯化度、殘留糖醛酸組成等對食品體系的粒徑、黏度、流變性能等的改變以及對番茄紅素在腸道微環境中的影響機制還需要進一步研究。第三，新型賦形劑乳液的構建，隨著越來越多的農副產品資源的開發和利用，改性淀粉和纖維素作為最易獲得的多糖資源，利用其自身的乳化性能或通過與蛋白等成分構建新的番茄紅素乳化體系有待進一步的開發。