果蔬食品中类胡萝卜素生物利用度研究进展

易建勇 侯春辉，2 毕金峰* 刘 璇

（1中国农业科学院农产品加工研究所 农业农村部农产品加工重点实验室 北京 100193

2天津科技大学食品工程与生物技术学院 天津 300457）

类胡萝卜素是一类广泛存在于果蔬中的具有8个类异戊二烯基本结构的脂溶性天然色素，具有VA原活性、抗氧化、预防心血管疾病、保护视网膜、增强免疫力等功效。众所周知，生物利用度是实现类胡萝卜素上述生理功效发挥的决定因素，而不是食品中类胡萝卜素的绝对含量[2]。在植物组织中，类胡萝卜素主要存在于细胞内的有色体中，在有色体的发育过程中，形成由脂类、蛋白质和类胡萝卜素组成的特殊亚结构单元。常见的有色体结构形态有晶体状、球状、纤维状、膜状或管束状等。

1 类胡萝卜素的生物利用度

近年来，类胡萝卜素的生物有效性（bioaccessibility）和生物利用度（bioavailability）在食品科学研究领域受到的关注逐渐提高。类胡萝卜素的生物利用度指可以被人体吸收、贮藏或利用的那部分类胡萝卜素。实现类胡萝卜素的生物利用的前提是类胡萝卜素在小肠中的生物有效性，即食物经胃肠道消化后释放出来的，可被小肠吸收的那部分类胡萝卜素。由于利用人体或动物研究类胡萝卜素生物利用度一方面涉及到伦理问题，一方面不同个体差异带来的试验误差也使试验的客观性受到影响。采用体外消化模型研究生物利用度可有效解决上述问题。当然这种方法也存在自身的一些缺陷[3]。自从Garrett等[4]首次采用体外消化模型评价类胡萝卜素生物利用度以来，该方法逐渐成为一种常用的研究手段。一般而言，利用体外消化模型获得的生物利用度，实质上是指类胡萝卜素的生物有效性。本文也采用这一表述习惯，即用生物利用度泛指类胡萝卜素生物有效性。由于类胡萝卜素的脂溶特性和其特殊的胞内存在形式，类胡萝卜素被人体利用前必须从植物组织细胞中释放出来，然后在消化过程中进入油相并形成脂滴，进而形成可被小肠吸收的微胶束（micelles）。大部分果蔬食品中类胡萝卜素的生物利用度通常很低，常常不到10%。目前，无论是发达国家还是发展中国家，都未能较好解决如何提高果蔬食品中类胡萝卜素生物利用度这一难题。近年来，国内外学者采用了多种方法和技术研究影响类胡萝卜素生物利用度的因素，遗憾的是，目前获得的研究结果尚未就此问题形成明确和系统的结论。

有研究表明，类胡萝卜素的生物利用度受到众多因素的影响，归结起来可以用英文缩写“SLAMENGHI”表示，即类胡萝卜素种类、分子间作用、类胡萝卜素含量、食品体系、外源化学物质、人体的营养状况、基因型和与机体相关的其它影响因素，以及上述因素间的相互影响[5]。可以看到，这其中主要包括两类因素，一类是食品物料自身理化特性，另一类是影响消化吸收的个体生理生化因素，后者则偏重营养学和医学领域。针对食品自身理化特性，研究表明类胡萝卜素在食品中的存在形式和种类，以及物料微观结构特征是影响生物利用度的重要因素，决定着类胡萝卜素的释放率。此外，虽然果蔬中的脂类物质含量一般较低，但为了增加饱腹感和改善口感，加工过程中常常加入油脂或油脂乳化液。由于类胡萝卜素是典型的脂溶性物质，油脂的存在对于类胡萝卜素的溶出和微胶束的形成，以及进一步被人体吸收等过程中起到重要作用。此外，食品的微观结构特征与加工过程息息相关，例如机械破碎、均质、热处理等加工操作单元。本文主要从食品自身理化特性的角度综述其对类胡萝卜素生物利用度的影响，包括影响在消化过程中类胡萝卜素传递过程的因素等，并且对果蔬类胡萝卜素生物利用度相关研究进行了展望。

2 果蔬食品中影响类胡萝卜素生物利用度的主要因素

2.1 类胡萝卜素的种类及结构

从果蔬中释放出来的类胡萝卜素，依次经过口腔、胃和小肠消化，只有进入胶束的那一部分才能被小肠吸收利用。研究表明，不同种类的类胡萝卜素的生物利用度存在明显差异。相对于亲脂性较强的胡萝卜素，亲脂性较弱的叶黄素经消化后更容易形成胶束[6-7]。Panozzo等[8]研究也表明，叶黄素（60%～90%）的生物利用度高于番茄红素、ζ-胡萝卜素（7%～30%），表明类胡萝卜素分子极性是影响生物利用度的重要因素。但是，Caco-2细胞体外模拟小肠吸收试验却表明，β-胡萝卜素的吸收率却高于叶黄素，这可能是亲脂性强的β-胡萝卜素的胶束更稳定，较易转运到细胞中，或者可能是不同类型类胡萝卜素相互竞争的结果[9]。此外，不同类胡萝卜素异构体的生物利用度也存在差异。研究发现，顺式异构体比天然存在的反式异构体更容易形成胶束[10]。因此，要阐明果蔬制品中类胡萝卜素生物利用度，必须明确加工（如高温杀菌、高压均质、瞬时压差等处理）对类胡萝卜素组分、结构的影响。

2.2 果蔬食品的微观组织结构

考虑到类胡萝卜素在植物中的天然存在形式，果蔬原料的组织结构、细胞结构、细胞器或其组成单元的结构都将成为影响类胡萝卜素溶出和消化吸收的屏障。表1是近年来部分关于果蔬组织结构和类胡萝卜素相关性的研究。由表可见，大多相关研究都是2010年以后完成的，原料主要集中在胡萝卜和番茄，重点关注β-胡萝卜素、番茄红素和叶黄素等几种类胡萝卜素。部分已有的研究[11-13]也总结了一些规律，即存在较大的细胞、较薄的细胞壁以及较多的类胡萝卜素质体特征的果蔬原料，其生物利用度一般较高，反之亦然。换句话说，类胡萝卜生物利用度与其包埋程度高低呈相反的关系。Palmero等[14]以胡萝卜和番茄为原料，系统研究了果蔬物料微观结构对生物利用度的影响。值得一提的是，该项研究采用了较为简单的体系，即通过从果蔬浆复杂体系中分离出来一系列具有不同生物包埋（bio-encapsulation）程度的类胡萝卜素组分，即载油的类胡萝卜素乳液、含有色体组分、仅含单细胞结构的小细胞簇，以及含多细胞结构的组织颗粒这4种组分。结果表明，类胡萝卜素的生物包埋程度与其生物利用度呈现相反的规律，即随着包埋程度的提高，阻碍类胡萝卜素的结构屏障越明显。

此外，针对不同果蔬原料，影响其生物利用度的首要结构屏障存在差异。对于胡萝卜，Moelants等[11]将胡萝卜破碎为不同粒径大小的颗粒，发现当颗粒平均粒径小于125μm（单细胞平均直径）这一临界值时，类胡萝卜素生物利用度显著提高，表明细胞壁是阻碍类胡萝卜素释放的首要物理屏障。Jeffery等[15]研究也表明，细胞壁和有色体结构是影响类胡萝卜素消化吸收的关键结构屏障。但是，不同于胡萝卜这类具有相对厚实细胞壁结构的果蔬原料（硬度较高），影响番茄中类胡萝卜素释放的首要限制因素则是有色体结构屏障[14]。Low等[16]也发现类似现象：鲜芒果经咀嚼后的粒径大小（粗咀嚼 2.8 mm、精细咀嚼 75 μm～1 mm）对其类胡萝卜素生物利用度无显著影响，证明对于芒果这类具较柔软细胞壁的水果（硬度较低），细胞壁屏障并不是影响其类胡萝卜素生物利用度的最主要因素。在此之后，许多学者就不同果蔬原料中的类胡萝卜素生物利用度开展了研究。

从加工角度看，被鲜食的果蔬首先经历的阶段是口腔咀嚼过程中的物料破碎，加工制品则需经历破碎、再造型、脱水、杀菌等操作单位。这些过程与果蔬及其制品的质构特征或组织微观结构密切相关，是影响类胡萝卜素释放的重要因素。表1中所列的相关研究均强调为了提高果蔬中类胡萝卜素的释放率，机械处理或热处理等是必不可少的加工环节。因为一般情况下，热处理或者机械破碎等加工单元可打破限制类胡萝卜素生物利用的结构性屏障，进而可提高消化过程中类胡萝卜素的释放率。然而，也要认识到，一些加工方式可能会给类胡萝卜素生物利用度带来负面影响[8]。例如，打浆等加工单元引入的额外结构屏障或网状结构也可能降低类胡萝卜素的生物利用度[12]。高压均质和超声波处理可能使番茄浆形成较强的纤维网状结构，进而降低番茄红素的生物利用度[17]。Panozzo等[8]研究表明，随着均质压力的提高，类胡萝卜素生物利用度呈现降低的趋势。一些研究[18-19]还发现热加工处理并未增加消化液中类胡萝卜素的微胶束化，其原因可能是热处理后的植物组织在消化过程中仅仅发生了细胞分离而非细胞破裂，这限制了类胡萝卜素的释放。此外，还必须注意到热处理可导致果胶等细胞壁物质降解，进而也会引起细胞瓦解和提高类胡萝卜素的释放和溶解[20]。

（续表1）

2.3 脂类、膳食纤维、金属离子等与类胡萝卜素的交互作用

在细胞层面上，细胞壁完整性和细胞网络结构是决定类胡萝卜素生物利用度的关键因素，有色体结构进一步决定类胡萝卜素的生物利用度。然而，要实现类胡萝卜素的生物利用，其必须在口腔-胃消化阶段释放并溶解到油相中，同时形成较好的乳化液形态。进一步，溶解于脂滴乳化液中的类胡萝卜素在小肠消化阶段，与游离脂肪酸、单甘酯和胆盐共同形成微胶束，这是实现类胡萝卜素生物利用度的前提条件。因此，上述传递过程也是影响类胡萝卜素的重要因素，这些过程对脂溶性物质生物利用度的影响常常是一个限速步骤。由于大多数果蔬含有的脂类物质较少，因此在加工或消化过程中添加外源脂类物质可显著提高类胡萝卜素的生物利用度。这主要是因为油脂经消化水解成游离脂肪酸后，有助于形成胶束来携带类胡萝卜素进入小肠细胞[34-35]。

基于类胡萝卜素的亲脂性特征，消化过程中脂溶性物质与类胡萝卜素生物利用度关系密切。表2总结了近年来关于脂类物质对类胡萝卜生物利用度的影响。针对大多数果蔬及其含有的不同种类胡萝卜素，例如胡萝卜、绿叶蔬菜、芒果、紫薯、木瓜、番茄，添加外源脂类物质可明显提高类胡萝卜素的生物利用度[36-38]。针对油脂的种类，学者们主要考察了橄榄油、棕榈油、花生油、菜籽油、葵花油、大豆油等。一些研究还通过添加鸡肉、牛奶等含油脂的食材来提高果蔬食品中类胡萝卜素的生物利用度。在这些研究中，体外消化方法中与油脂消化相关的因素都被作为一个重要影响因素考虑，比如消化过程中的机械力、脂肪酶含量、以及胆盐含量等[39]。因此，如果抛开体外消化过程中上述影响因素来考虑载油体系中类胡萝卜素的生物利用度是不可取的。基于此，建议多从试验结果中类胡萝卜素生物利用度的变化趋势而不是绝对数值来分析数据，因为对比研究时采用的消化吸收条件很难完全一致。此外，评价油脂对类胡萝卜素生物利用度的影响，需要考虑到添加油脂的方式和时机。一方面，可以在果蔬加工过程中就加入油脂，使其成为食品的组成部分（如曲奇饼干），这之后油脂在加工和消化过程中可以携带类胡萝卜素；另一方面，也可以在进入消化过程前加入油脂，这种引入油脂的方式和实际摄食过程中引入油脂的情况类似（如果蔬沙拉）。此外，考察外源油脂对生物利用度的影响，还要区分引入油脂的自身特性，例如，在消化吸收阶段加入的是液体油脂还是油脂乳化液。如果是直接加入油脂，就意味着其必须在消化阶段被乳化；如果加入的是油脂乳化液，则要关注乳化液中油脂的粒径大小和乳化剂的类型。

分析表2中的研究结果可以获得一些结论。首先，载油对胡萝卜素生物利用度的影响大于对叶黄素的影响。Victoria-Campos等[18]研究表明，辣椒中叶黄素的生物利用度是其胡萝卜素的8倍，但载油以后叶黄素的生物利用度下降为胡萝卜素的2.5倍。这种变化是因为胡萝卜素的极性大于叶黄素，其更易进入到脂滴中。其次，许多学者研究了油脂种类以及添加量对生物利用度的影响。针对油脂种类，主要考察了其不饱和度和脂肪酸链长短。Hornero-Méndez等[40]研究发现β-胡萝卜素生物利用度随着橄榄油（0%～10%）添加量提高而升高。Colle等[36]发现番茄浆中番茄红素的生物利用度在特定载油量下达到最高值，而不是一直随着载油量的增加而升高；这一最佳载油量与油脂种类相关。脂肪链的长度是油脂的重要特征，也是影响类胡萝卜素的重要因素。橄榄油、葵花油和大豆油是西方饮食中常用的油脂，其中橄榄油主要含有油酸，是一种单不饱和长链脂肪酸（C18∶1）。Hou等[41]研究表明随着脂肪酸碳链的延长（C18∶1＞C8∶1＞C4∶0），沙拉中番茄红素的生物利用度逐渐提高。然而，由于长链脂肪酸酯的水解速率相对较慢[42]，添加这类脂肪酸并未较大地提高类胡萝卜素的生物利用度[43]。再者，类胡萝卜素生物利用度的实现需要形成微胶束，而微胶束体积的膨胀能力也是一个重要因素。通常情况下，水解具有较长碳链的甘油三酯有利于微胶束体积的增长，而这可提高类胡萝卜素的生物利用度；短链甘油三酯的水解则对微胶束的膨胀作用有限，限制了其对生物利用度的提高作用。当然，上述作用与载油量相关。此外，学者们还研究了脂肪酸的不饱和程度对类胡萝卜素生物利用度的影响，但目前未获得较为明确的结论。Huo等[41]的研究显示脂肪酸的不饱和程度对类胡萝卜素生物利用度无明显影响，但Nagao等[43]则发现添加多不饱和酸对提高生物利用度的效果远不如加入单不饱和脂肪酸。然而，也有研究表明，如果食品在加入油脂后经历了热处理，载油对生物利用度的影响将大幅减小[44]。通过将番茄浆进行不同程度的热处理，考察加入5%不同类型油脂对其番茄红素生物利用度的影响（橄榄油、椰子油、鱼油）发现，仅较剧烈的热处理（120℃处理20 min）可以显著加速番茄红素的释放并提高其生物利用度，表明剧烈的热处理显然缩小了添加不同油脂对类胡萝卜素生物利用度影响的区别。

综上所述，消化过程中类胡萝卜素从食品中扩散到油相中可能是实现其生物利用度的限速步骤，但很多相关研究并未对此因素形成足够的认识。Degrou等[29]发现，番茄红素在消化过程中进入油相还受到油相比例（饱和度）的限制，如果油相比例过低，很可能会低估番茄红素扩散速率及其生物利用度。因此，在分析生物利用度结果时要充分考虑这一问题。此外，类胡萝卜素还可与其它食品组分相互作用，例如与细胞壁物质、蛋白质、乳化剂等化学组分的作用，而这些情况恰恰是真实状态下常常发生的。通常这些相互作用会限制类胡萝卜素进入油脂的速率，进而降低类胡萝卜素的生物利用度。这一认识就进一步解释了载油状态下类胡萝卜素生物利用度还与摄入食品的组分密切相关的研究结果。

表2 脂类物质对类胡萝卜素生物利用度影响Table 2 Influences of lipids on the carotenoid bioavailability of fruit-and vegetable-based foods

近年来，以果胶、纤维素、半纤维素为代表的细胞壁大分子对类胡萝卜素生物利用度的影响成为研究热点。膳食纤维对类胡萝卜素生物利用度可能存在正反两方面作用，主要归纳为以下方面：一方面通过包埋提高类胡萝卜素在消化过程中的稳定性，且水溶性果胶可通过提高消化液黏度来延长消化吸收时间，提升其生物利用度。另一方面，膳食纤维与脂肪酶结合后降低其水解催化活性；包裹脂滴并限制其被催化水解；包裹类胡萝卜素后将阻碍其溶出和进一步形成胶束，降低其消化吸收率；直接螯合类胡萝卜素微胶束[51]；增加消化液黏度导致胃肠消化进程减缓进而降低其被消化吸收的速度，这些因素都可能导致类胡萝卜素生物利用度降低。近期，Verrijssen等[52]研究发现，果胶可通过与胆盐结合来抑制类胡萝卜素进入胶束，同时也可充当油脂的乳化剂。特别是低酯化度的果胶，因其在消化过程中易形成凝胶，可阻碍β-胡萝卜素的胶束化[53]；此外，因果胶具有一定的乳化性能[54]，在消化过程中实际上还有可能对类胡萝卜素起到包埋、稳态和促进传递的作用。综上所述，果胶等膳食纤维对类胡萝卜素从原料释放、加工、消化和吸收全过程的影响，及其与类胡萝卜素的相互作用机制仍不明确，需进一步研究。

最新研究表明，二价金属离子（特别是Ca2+）可显著降低叶黄素、隐黄质、番茄红素和β-胡萝卜素的生物利用度[55]。Borel等[56]也发现，膳食中进行钙离子营养补充可导致番茄红素的生物利用度显著降低。这些新的研究结果虽然初步揭示了金属离子对类胡萝卜素生物利用度的影响，但仍需更系统和深入的研究来确证。

3 加工对类胡萝卜素生物利用度的影响

综合已有研究报道，加工对类胡萝卜素生物利用度的影响主要总结有以下几个方面：①利用破碎、打浆、榨汁等机械手段直接破坏阻碍类胡萝卜素释放的各级物理屏障；②煮制、漂烫、冻融等操作可破坏细胞壁结构，损伤细胞和有色体质膜，促进物质释放[56]；③利用高压均质、高压微射流等手段对类胡萝卜素进行稳态化处理，构建物质传递体系[58]；④通过煎炒、油浴等加工方式引入外源油脂[59]；⑤利用挤压膨化等质构重组技术[30]，上述加工操作均可提高类胡萝卜素消化吸收效率。此外，常见的加工过程（如煮制）会不同程度引起类胡萝卜素降解或异构化[45，60]，同时也引起果胶结构和功能特性的改变[61]，这些也将影响类胡萝卜素的生物利用度。

4 展望

本文综述了近年来关于果蔬食品中类胡萝卜素存在形式、体系微观组织结构以及添加外源油脂对类胡萝卜素生物利用度的影响。显而易见，人们对在该领域的科学问题的认识大幅提高了，然而，还存在一些挑战和未来需要攻克的问题。基于果蔬中类胡萝卜素的存在形式、溶解性特征和消化吸收特性，涉及类胡萝卜素生物利用的关键传递过程和未来的重点研究方向如图1所示。已有的研究可确证，人体要吸收利用果蔬中类胡萝卜素必须突破释放、溶解、形成微胶束、转运、小肠吸收等几个关键阶段[5，13-14，62]。要深入了解类胡萝卜素经历的复杂消化过程，可以进一步以加工的视角去有针对性的设计消化过程的每个环节，逐步明确果蔬食品中类胡萝卜素“加工-结构-功能”这三者的关系，探讨加工过程对类胡萝卜素生物利用多重影响的主导因素。首先，如前面所述，由于类胡萝卜素需要从细胞质水相环境转移到油滴中，物质传递在实现类胡萝卜素生物利用度的过程中扮演了重要角色。图1中，箭头的粗细与类胡萝卜素转移难易程度成反比，即当存在较多的结构屏障时，类胡萝卜素就较难进入油相中。近期，这一系列传递现象被认为是类胡萝卜素消化过程的限速步骤。因此，研究类胡萝卜素的生物利用必须高度重视这一过程。其次，油脂是和类胡萝卜素一起被消化的，深入研究油脂消化与类胡萝卜素消化之间的关系将有利于进一步了解消化过程中两者的相互影响。再者，必须明确类胡萝卜素在消化的不同阶段中的分布、存在状态和稳定性，特别是类胡萝卜素与膳食纤维、酚类等化学物质的交互作用本质。此外，口腔消化对类胡萝卜素生物利用度的影响研究很少，这是需要完善的一方面。一些新的技术手段，如仿生咀嚼机器人、标准化的全自动体外消化模拟系统、相干反斯托克斯-拉曼散射（Coherent anti-strokes raman scattering，CARS）、扫描电镜-拉曼光谱联用（Combined scanning electron microscopy with Raman spectroscopy，Cryo In-SEM Raman）等将是开展该领域工作的有力助推。

图1 影响果蔬中类胡萝卜素生物利用度的关键传递过程Fig.1 Important phenomena and future directions of carotenoid bioavailability of fruit and vegetable based foods