番茄红素热异构化机制及其影响因素研究进展

朱 倩，高瑞萍，雷 琳，赵国华,2,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 400715）

番茄红素（C40H56）是最重要的类胡萝卜素之一，除可作为食用色素外，还具有抗氧化、抗癌及预防心血管疾病等多种功能[1-3]。根据《中国居民膳食营养素参考摄入量》（2013版）规定，番茄红素的特定建议值（specified proposed level，SPL）为18 mg/d，其可耐受最高摄入量（tolerable upper intake level，UL）为70 mg/d[4]。新鲜植物性食物中的番茄红素主要以全反式构型（80%～97%）存在[5]，而动物组织中的超过50%属于顺式异构体（cis-异构体）[6]。这说明番茄红素在食物加工或者生物体内发生了异构化。研究发现番茄红素顺式异构体比其全反式构型具有更高的抗氧化活性[7]和生物利用率[8-9]。这些研究结果表明在食品加工过程中实现番茄红素从全反式到顺式的异构化具有重要的意义。全反式番茄红素可通过光照、加热、氧化、改变pH值、添加表面活性剂等多种方式进行异构化，这些方式在异构化效率、各类食品中的通用性以及对食品体系带来的负面影响上各不相同。鉴于大多数食品都要经过加热处理（烫漂、热杀菌、干燥等）[5]，综合来看热处理是实现番茄红素异构化最方便、最经济的方法。为有效控制及高效利用这种热诱导异构化作用提升产品品质，本文对番茄红素热异构化的机制及其影响因素进行了综述。

1 热异构化的机制

图 2 常见的番茄红素几何异构体[14]Fig. 2 Common geometrical isomers of lycopene[14]

番茄红素具有11 个共轭双键和2 个非共轭双键[2,10]。理论上番茄红素可以形成1 056 种几何（顺式/反式）构型，然而实际上仅有72 种异构体在结构上是有利的[11-12]。

几何异构化是与旋转受限的官能团结合的基团的相对位置发生相反的化学转化的结果[13]。与双键相邻的碳原子上的甲基或氢原子与氢原子之间相互重叠，发生1,4-非键合相互作用，即1、4位上的原子相互吸引使分子结构扭转，从而使全反式构型转化为顺式构型[14]。图1给出了番茄红素中甲基或氢原子和氢原子基团之间相互作用常见的类型。由于相邻氢原子之间或甲基和氢原子基团之间的许多可能的1,4-非键合相互作用，不是所有顺式异构体都具有相同的稳定性[15]。根据相对基团的大小，甲基和氢原子之间的空间相互作用（图1-C型）是最不稳定的。对4 类顺式异构体的相对稳定性研究发现稳定性顺序为A’型＞A型＞B型＞C型[15]。由于顺式双键导致的空间位阻效应，番茄红素的11 个共轭双键中只有7 个为立体化学有效双键，能够在热处理下使番茄红素从全反式构型异构化为单或多顺式构型[11,13]。常见的番茄红素异构化产物是5-顺式、9-顺式、13-顺式和15-顺式异构体（也称为5-cis、9-cis、13-cis和15-cis番茄红素）[16-17]。番茄红素几何构型如图2所示。

图 1 番茄红素中甲基或氢原子和氢原子基团之间相互作用的类型[14]Fig. 1 The type of interaction between methyl or hydrogen atoms and hydrogen groups in lycopene[14]

番茄红素的异构化需要大量的活化能。全反式分子是完全拉伸的平面构型，顺式双键的引入使分子扭转并收缩，由于额外的能量输入，全反式异构体转化为顺式异构体使其有相对较高的能量和活性，并导致其处于不稳定的状态[15,18]。番茄红素在热处理中的异构化符合一级动力学反应模型，其异构化反应速率常数随温度升高而升高，食品基质组分对其速率常数也有影响[17,19-21]。番茄红素热异构化的活化能为4 kJ/mol，当有油脂存在时，异构化所需活化能显著增加。

2 番茄红素异构体的检测方法

目前，用于番茄红素异构体的检测方法主要为高效液相色谱法[21-23]，其使用的色谱柱主要包括C18、C30、

Nucleosil 300-5、Cosmosil Cholester等[24]。研究表明C18和Nucleosil 300-5对顺式异构体的分离效果不及C30和Cosmosil Cholester。色谱分离后的异构体可利用紫外-可见[25-26]、核磁共振[21,25]、二极管阵列[27-29]以及质谱[28-31]等检测器根据保留时间和光谱特征进行定性分析[28,32]。全反式番茄红素特征吸收峰位于472 nm波长处，异构化会导致该峰向短波长方向“紫移”5～10 nm[33]，且各异构体同时会在360～365 nm波长处范围内出现特征顺式峰。研究发现各异构体的顺式峰位置不同，且它们与对应主峰吸光度的比值也各不一样[33]。异构体的定量检测主要利用标准品通过色谱的内标法或外标法进行[21]。

3 模拟体系中番茄红素的热异构化

在模拟体系中，当全反式番茄红素溶解于油脂、有机溶剂并随后进行热处理时，顺式异构体的含量显著增加且降解速率较低[19,30]。模拟体系中番茄红素热异构化的动力学方程如式（1）[24]。

式中：C是番茄红素异构体含量/（μg/g）；C0是初始番茄红素异构体含量/（μg/g）；k是反应速率常数/min－1；t是反应时间/min。

番茄红素的异构化在不同的热处理之间以显著不同的方式发生，且具有明显的温度和时间依赖性[17,25]。

3.1 溶剂种类对模拟体系中番茄红素异构化的影响

在油脂模拟体系中，油脂有利于番茄红素的稳定和顺式异构体的积累[34]：一方面，热处理下低氧含量的油脂保护顺式异构体不被氧化[34]；另一方面，油脂不同即脂肪酸的类型不同，异构化程度也有较大差异[35-36]。部分油脂中含有的催化剂降低了异构化所需活化能，而不饱和脂肪酸的双键形成自由基加速番茄红素异构化[17,35,37]。Honda等[35]研究不同食用植物油中全反式番茄红素的异构化时发现，紫苏、亚麻籽和葡萄籽油的高碘值加速了番茄红素异构化（表1）。在有机溶剂模拟体系中，热处理可以加速番茄红素顺式异构体的异构化比例。溶剂效应也会影响不同顺式异构体的形成和积累[21]。强溶剂效应的溶剂热处理异构化的速率常数较大，主要产生5-cis异构体，而13-cis异构体在该溶剂中稳定性较差，在弱溶剂效应的溶剂中占优势[25]。Honda等[25]发现，在CH2Cl2和CH2Br2中，热处理主要产生5-cis异构体且与温度无关，而13-cis异构体优先在其他溶剂中形成。这可能是因为烷基卤化物的碳原子与全反式番茄红素的双键部分缔合，使番茄红素发生异构化和降解。Takehara等[21]研究50 ℃下己烷和苯中全反式番茄红素的异构化时发现，全反式番茄红素在己烷和苯中降低的速率常数分别为3.19×10－5s－1和3.55×10－5s－1，

表 1 溶剂种类对模拟体系中顺/反番茄红素异构体含量的影响Table 1 Effect of solvent type on cis/trans lycopene isomer contents in model food system

且形成13-cis番茄红素的反应速率大于其他异构体，这可能是溶剂效应选择性富集所需的异构体而导致的[21]。

3.2 加热温度对模拟体系中番茄红素异构化的影响

表 2 加热温度对模拟体系中顺/反番茄红素异构体含量的影响Table 2 Effect of temperature on cis/trans lycopene isomer contents in model food systems

模拟体系中番茄红素的异构化程度也取决于热处理温度（表2）。热处理期间，较低的温度有利于形成顺式异构体，或者说顺式异构体的降解速率在较低的温度下较慢并易于积聚[22]。在较高的温度处理下全反式至顺式番茄红素的异构化反应快速，但由于顺式异构体的热不稳定性而发生降解，引起更多番茄红素损失。Hackett等[30]的研究发现，不同品种的番茄红素油树脂在25 ℃和50 ℃下主要发生氧化降解，而温度升至75 ℃和100 ℃时，异构化程度提高。

3.3 加热时间对模拟体系中番茄红素异构化的影响

如表3所示，番茄红素异构化作用随热处理时间的延长而增强，但时间过长，形成的顺式异构体随之降解，导致总番茄红素含量降低。在热处理过程中，不同顺式异构体异构程度不同，生成顺序也有所差异[26-27,39]。Colle等[40]发现5-cis和9-cis番茄红素的异构化温度分别低于100 ℃和110 ℃。对不同杀菌方式的温度条件研究，发现9-cis番茄红素含量增加最多（8.0 倍），其次是13-cis番茄红素（6.4 倍），这可能是因为全反式至13-cis番茄红素的转化的旋转屏障小于全反式至9-cis番茄红素，热处理前期形成的13-cis异构体在后期转化为其他更稳定的形式[39]。

表 3 加热时间对模拟体系中顺/反番茄红素异构体含量的影响Table 3 Effect of heating time on cis/trans lycopene isomer contents in model food systems

4 食物体系中番茄红素的热异构化

食物热处理期间，食物体系中的番茄红素在时间、温度组合作用下经历反式-顺式异构化。异构化时间依赖性可采用分数转换模型（式（2））描述[19]。

式中：C是番茄红素异构体含量/（μg/g）；Cf是平衡状态下番茄红素异构体含量/（μg/g）；C0是初始番茄红素异构体含量/（μg/g）；k是反应速率常数/min－1；t是反应时间/min。

异构化温度依赖性可采用Arrhenius方程（式（3））描述[19]。

式中：C是番茄红素异构体含量/（μg/g）；Cf(T)是平衡中温度依赖性番茄红素含量/（μg/g）；kref是在参考温度Tref（110 ℃）下的反应速率常数/min－1；Ea是异构化所需活化能/（J/mol）；R是通用气体常数（8.314 J/（mol·K））；T是热处理温度/℃；t是反应时间/min。

4.1 加热温度对食物体系中番茄红素异构化的影响

食物体系中温度对番茄红素顺/反异构化的影响与模拟体系相同（表4）。不同之处在于较高的热处理温度一定程度上增加了番茄红素的提取率，从而使顺式异构体含量增加。漂白番茄皮比未漂白的番茄皮多诱导产生约110%的番茄红素含量，这是由于果皮的高番茄红素含量和热处理诱导的番茄红素提取能力增加，且部分全反式番茄红素异构化为顺式构型，并未达到降解的程度[41]。此外有研究表明，在不同番茄产品中，超过130 ℃的强热处理诱导总番茄红素降解并发生显著的异构化[28,34,42]。

表 4 加热温度对食物体系中顺/反番茄红素异构体含量的影响Table 4 Effect of temperature on cis/trans lycopene isomer contents in actual food systems

4.2 加热时间对食物体系中番茄红素异构化的影响

表 5 加热时间对食物体系中顺/反番茄红素异构体含量的影响Table 5 Effect of heating time on cis/trans lycopene isomer contents in actual food systems

食物体系中时间对番茄红素顺/反异构化的影响也与模拟体系相同（表5）。Shi等[18]报道在90 ℃热处理2 h后，番茄红素的总顺式异构体从0增加到约1.75 mg/kg番茄纯品。且顺式异构体含量仅在加热的第一个小时增加，2 h后减少。因此工业热处理不会导致番茄红素的广泛异构化，长时间和非常高的温度如罐装、灭菌、糊状物和番茄酱生产等热处理才能显著增加顺式异构体含量[11]。新鲜番茄或番茄匀浆、番茄肉的番茄红素含量不受短时间沸腾或热烫（85 ℃、4 min）的影响[44-45]。微波（约1 000 W）番茄浆料60 s之后仅减少了35%的番茄红素[42]。而对番茄（完整、粉碎或切碎）的热处理（90 ℃、5～10 min）和冷处理（60～80 ℃、2.0～2.5 min）没有改变番茄红素含量，也没有观察到异构化现象[46-48]。

4.3 食物基质组分对食物体系中番茄红素异构化的影响

食物基质组分对番茄红素异构化作用影响较大。番茄红素在植物基质中以类胡萝卜素-蛋白质复合物或衍生自质体的膜结合半结晶结构而存在[10]。该基质的保护使番茄红素以稳定构型存在于结晶体中，不易溶解，对降解和异构化具有抗性[49-50]。即使在加工的红番茄产品中，番茄红素也呈现特异性的结晶状态，这表明番茄红素的物理形式可以提供几何热稳定性[51-52]。Nguyen等[53]报道了全反式番茄红素在典型热处理下不会从反式异构转化为顺式。然而，溶解的番茄红素易发生异构化和降解，且由于水基的高传热效率和高极性，水基中的番茄红素比油基中产生更多的顺式异构体，但油基的保护作用使得顺式异构体在热处理后保持较高的含量[8]。有研究发现，由于橘色番茄中的番茄红素溶解于脂质液滴中，这种非结晶状态使得番茄红素极易发生异构化和降解[11]。此外脂肪酸的类型是加热致番茄红素顺式异构化的重要因素[36]，Colle等[19]发现，90 ℃下在10 min内用质量分数5%橄榄油热处理番茄酱后，13-cis番茄红素含量显著增加，而其他异构体的变化不明显。Ax等[20]报道，在对无氧条件下25～90 ℃下含有番茄红素的水包油乳液的热效应的研究中，在90 ℃温育期间，乳液中9-cis番茄红素的含量在7 h内升至150%，而50%的13-cis番茄红素发生了降解。

5 结 语

近年来番茄红素的顺/反异构化已被证实能够提高番茄红素的生物利用率，其可通过食品加工异构化为更具有生物可利用性的顺式异构体形式。然而，目前就热加工对番茄红素异构化作用的影响仍存在较大的争议。综合评价当前的研究状况，番茄红素异构化的研究有待从以下几个方面加强：1）目前的研究对象大多是番茄、胡萝卜中的番茄红素，对其他种类番茄红素热异构化研究很少；2）研究发现不同异构体热异构化程度不同，这种区别值得深入研究；3）可以基于番茄红素生物功能性如提高抗氧化性的加工工艺进行优化研究，提高真实食品体系中番茄红素的异构化，从而增加富含番茄红素食品的营养价值和功效。