番茄红素的顺反异构化及生物利用率研究进展

利慧华，叶　成，李莉莉，鲍　波（广东医学院病理生理教研室，广东湛江524023）

番茄红素的顺反异构化及生物利用率研究进展

利慧华，叶成，李莉莉，鲍波
（广东医学院病理生理教研室，广东湛江524023）

摘要：番茄红素是一种在自然界分布广泛的脂溶性类胡萝卜素，因其优越的生理功能引起人们的关注。流行病学研究、组织培养及动物实验的结果均表明其具有很强的抗氧化活性，能有效改善心血管、癌症、神经退行性疾病等疾病的病情，被广泛应用于医药、保健食品、食品添加剂、化妆品等行业。本文对番茄红素的理化性质、来源、提取工艺、在体内的吸收分布与代谢及生物利用率进行了阐述。

关键词：番茄红素；顺反异构化；生物利用率；代谢

番茄红素是一种在自然界中分布广泛的红色色素，日常摄入的番茄红素主要来源于番茄红素及番茄红素制品。其他来源包括杏、胡萝卜、西柚、西瓜、葡萄、木瓜、番石榴等蔬菜水果。番茄中的番茄红素含量最高[1]。1873年，Hartsen首次将它从Tamuscommunis L.浆果中提取出来。番茄红素属于β-胡萝卜素家族的一员，但没有VA活性，抗细胞增殖能力也优于β-胡萝卜素。番茄红素有多种作用方式，如减少DNA损伤、清除过氧化自由基及高效猝灭单线态氧、抑制细胞增殖、诱导细胞分化、增加免疫力、阻断亚硝胺形成及对细胞间隙连接通讯的影响，通过以上形式起到降低癌症、心血管疾病、神经退行性疾病发病率的作用[2]。除此之外，番茄红素还具有调节机体免疫功能，保护心血管，延缓衰老，影响人类生殖功能，保护皮肤，抗运动疲劳等多种生理功能。番茄红素性质不稳定，具有多种同分异构体。膳食中的番茄红素大部分为全反式结构，而人体组织中大部分为顺式构型，而且体内番茄红素顺式构型所占比例恒定，不随食物中番茄红素构型的差异而改变[3]。长时间加热或紫外线照射可使其异构化，产生部分顺式构型，从而影响番茄红素的物理化学性质和生物学功能。本文主要对番茄红素的理化性质、体内代谢、顺反异构化以及生物利用率进行综述。

1　番茄红素的结构与理化性质

番茄红素的纯品为针状深红色晶体，分子式为C40H56。番茄红素的分子由多聚烯链构成，含11个共轭双键和2个非共轭双键，为开环结构，长链状结构使番茄红素易于形成不同的同分异构体，并可能拥有不同的生物学作用，其分子结构见图1[4]。

番茄红素这种长链多共轭双键多不饱和烯烃分子结构，富含电子，故易受亲电子剂的攻击。这导致番茄红素性质不稳定，易发生顺反异构化和氧化降解，但这也是番茄红素抗氧化并发挥生理功能的基础。1941年Zechmeister等认为，番茄红素由于主链含11个碳碳双键，构型多变，理论上应有两百或两千多种顺-反异构体，然而事实上存在可能性较大的番茄红素异构体约有72种。这是由于空间障碍，番茄红素分子中只有少数基团能参与异构[5]。研究表明，在天然植物中存在的绝大部分是反式异构体的番茄红素。但在动物和人体组织中，顺式异构体比例增加，反式异构体比例减小，如人体血液中顺式异构体总含量达60%以上，前列腺中更是高达80%[6]。

番茄红素在物理性质上表现为暗红色粉末或油状液体，不溶于水，难溶于甲醇、乙醇等极性有机溶剂，可溶于石油醚、己烷、乙醚、丙酮，易溶于二氯化碳、苯、氯仿、油脂等，番茄红素油溶液呈黄橙色。因番茄红素为脂肪烃，在推广应用过程中遇到了很多阻碍。

番茄红素作为平面共轭不饱和烯烃，化学性质十分不稳定，易受氧化、温度及紫外线的影响而迅速氧化分解，发生构型改变，从反式结构转变为顺式结构。当番茄红素分子从反式构型变为顺式构型时，其熔点降低，颜色变浅。番茄和番茄制品中的番茄红素则相对较稳定，不易发生构型变化，而高纯度番茄红素易被氧化破坏。酸、金属离子、氧、光、氧化剂、抗氧化剂等都会影响番茄红素稳定性的因素。番茄红素耐碱不耐酸，具有良好的热稳定性，不耐Fe3+和Cu2+等离子，能耐Ca2+、Mg2+、K+、Fe2+等离子。

图1　番茄红素分子结构Fig.1　Molecular structure of lycopene

2　番茄红素的来源与提取

番茄红素广泛分布于多种蔬菜水果中，如番茄、西瓜、南瓜、李、柿、胡椒果、桃、芒果、木瓜、番石榴、葡萄、葡萄袖、柑橘等的果实和茶叶及萝卜、胡萝卜、芜菁甘蓝等，犹以番茄中含量最高。此外，有的微生物，如红色细菌，也产番茄红素。番茄中番茄红素的含量随品种和成熟度的不同而有很大差异。一般说来，加工用番茄中番茄红素的含量比生番茄中的含量高2倍，番茄红素的含量跟成熟度呈正相关关系，成熟度越高，番茄红素含量越高。不同来源的番茄红素生物利用率会有很大不同。

番茄红素是脂溶性物质，提取工艺多种多样，如可采用有机溶剂提取法、超临界CO2萃取法、微波辐射萃取、化学合成、酶法、微生物发酵法及直接粉碎法等提取工艺进行制备[7]。番茄红素具有脂溶性性质，可直接用有机溶剂浸提原料，提取液经过虑、浓缩等步骤得到粗品，此为有机溶液提取法。不同溶剂可能对番茄红素的提取率及稳定性有影响。超临界CO2萃取技术是食品工业的一项萃取、分离和纯化技术。它利用超临界流体做萃取剂，从液体或固体物料中萃取、分离和纯化物料。可用于提取新鲜番茄的番茄红素。微波辐射萃取与超临界CO2萃取相比，成本低，投资少，提取效率高，但仅用于实验室操作。除了从番茄中提取番茄红素外，还可以采用藻类和真菌及酵母发酵生产番茄红素，红色细菌含番茄红素较高。

番茄红素来源的广泛及提取工艺的进步都未番茄红素的推广运用制造了有利条件。

3　番茄红素的吸收、转运、分布、代谢

人体不能自身合成番茄红素，必须从食物中补充。番茄红素在体内吸收和转运过程如下：番茄红素进入肠道后经过小肠黏膜细胞掺入到乳糜微粒中，通过主动扩散由淋巴管进入血液，在血浆中以血清中的低密度脂蛋白（LDL）和极低密度脂蛋白（VLDL）为载体转运。然后经门脉系统被转运到肝脏贮存。当需要时，番茄红素可从肝脏中调出，再经血清运输至靶器官[8]。番茄红素的吸收过程中有LDL受体的参与，因为肝脏、肾上腺、睾丸的LDL受体活性高，所以这几个组织中的番茄红素含量也高。血浆中的番茄红素大部分由低密度脂蛋白为载体转运，胆汁酸盐的存在可使其提高吸收效率。这可能是因为顺式异构体易溶于胆汁酸微团，优先渗入乳糜微粒而造成的。番茄红素的毒性研究表明，服用番茄红素发生不良反应很罕见且与剂量没有直接关系。

与其他类胡萝卜素相比，番茄红素在体内的半衰期较短。正常饮食的平常人血浆中番茄红素的半衰期约为12 d～33 d。给予受试者微量14C标注番茄红素后，番茄红素在血浆中的达峰时间为6 h，半衰期为5 d，在皮肤残留时间长达42 d，可在体内检测出5-，9-，13-，15-顺式番茄红素，证实了番茄红素在体内发生广泛异构化。番茄红素可以在体内经β-氧化生成二氧化碳，代谢生成的极性产物则通过尿液排出。肝脏是累积番茄红素的主要器官[9]。未被人体吸收的番茄红素主要通过粪便排泄[10]。女性体内番茄红素含量比男性更高，老年人体内蕃茄红素的含量水平较低，说明激素及年龄都是影响番茄红素代谢的因素。番茄红素可分布在人体的多种组织中，血液、肾上腺、前列腺等器官中含量较高。人体部分组织和器官中番茄红素的分布见表1[11]。

表1　人体部分器官和组织中番茄红素的含量Table 1　The content of lycopene in human organs and tissues

2015年以前的研究表明我们对体内番茄红素的代谢产物还了解不够多。在人的皮肤、血清及乳汁中检测到2种番茄红素的氧化代谢物，即5，6-二羟基-5，6二氢番茄红素及1，5-二羟基-2，6-环氧番茄红素。番茄红素在体内的代谢可能首先氧化生成环氧化物，然后再被还原，生成5，6-二羟基-5，6-二氢番茄红素[12-13]。

4　番茄红素顺反异构体吸收比较

番茄红素分子中有11个碳-碳双键，为长链构型，因此存在多种异构体。番茄红素的顺式与反式异构体的性质有很大不同，主要表现在呈色能力、熔点、摩尔吸光系数、溶解性、极性、最大吸收波长和生物活性等方面[14]。

相关研究表明，大部分反式构型的番茄红素在胃肠道变构为顺式构型。给予雪貂番茄红素后，肠道内顺式异构体增加，说明酸跟番茄红素的顺反异构化相关。反式构型的番茄红素在体内更容易沉淀形成晶体，影响其吸收。说明顺式异构体可以优先被胃肠道吸收。番茄红素被胃肠道吸收后也可能在体内发生广泛的异构化。顺式异构体更容易被吸收的机制尚未完全研究清楚，可能是因为长链变短更容易进入细胞被吸收。反式结构番茄红素则会在肠道内形成胶束影响其吸收。影响番茄红素吸收的其他因素还有很多，食物中的蛋白质-胡萝卜素复合物、结合胆固醇和树脂、大量的可溶性膳食纤维（如果胶），患肠道疾病，以及缺乏铁、锌和蛋白质等都可能干扰番茄红素的吸收[15-17]。热加工可将部分天然番茄红素的反式结构转变为顺式结构，但加热仅使少部分番茄红素发生顺反异构变化，番茄红素的顺反异构化主要是通过体内生理过程发生的。且食物基质中脂类可促进番茄红素的释放，加入油脂热处理后的番茄红素比未加工的番茄红素更易吸收[15]。这是因为加热使番茄红素与组织基质间的结合力减弱，有助于番茄红素溶出，脂质增加了番茄红素溶解率。

番茄红素在血和组织器官中顺反异构体都存在，但血和组织中顺式异构体占了很大比例[18]。原因可能为，膳食中的顺式异构体优先被人体吸收，其次，自然界中和番茄制品中存在的全反式构型番茄红素在体内转化为顺式异构体。这说明番茄红素在机体的吸收、转运和贮存过程中会发生几何异构体的变化。李京等研究表明这一变化最先发生在血液中，肝组织中顺式异构体的比例也有所增加[19]。顺式异构体溶解性要好于全反式异构体，反式异构体在体内转变为顺式异构体提示顺式构型番茄红素比反式构型的番茄红素更易吸收。所以在生物利用率的研究中要注意番茄红素异构化的影响。

5　番茄红素生物利用率的影响因素

生物利用率是指，在正常生理功能下药物制剂进入体循环、达到作用部位的比例。番茄红素功能发挥主要依据是其生物利用率。Giovannucci等的研究就表明番茄红素有抗前列腺癌作用，但番茄红素生物利用率低的时候则不表现出这种作用，证明要提高番茄红素的作用效率必先提升其生物利用率。现有的研究表明，与其他类胡萝卜素相比，番茄红素的生物利用率较低，并且番茄红素中的共轭双键极易受光、氧、酸、热等外界条件的影响，影响到番茄红素产品的保存价值和生物利用率。了解番茄红素的生物利用率影响因素对于增强番茄红素的生理功能的发挥具有重要意义。

脂肪饮食有利于番茄红素的吸收，范远景曾研究得出油脂有助于番茄红素的吸收[20]。原因可能为：番茄红素是脂溶性物质，脂肪的存在增加了其溶解性；番茄红素的代谢吸收过程中有胆汁酸的参与，而胆汁酸在脂肪的刺激下生成，所以跟适量脂肪一起摄入有利于番茄红素的吸收，提高其生物利用率。国内有番茄红素脂质体，番茄红素纳米脂质体，番茄红素微囊生物利用率的报道，而且证明了番茄红素脂质体和番茄红素纳米脂质体都可以提高番茄红素的生物利用率，这些制剂都通过改善番茄红素的溶解性和靶向性提高了番茄红素的生物利用率。番茄制品中的番茄红素，如番茄泥，番茄汁的生物利用率高于生番茄。表明以不同形式摄入的番茄红素，生物利用率不同。食物的加工方式可以影响番茄红素的生物利用率，如Tang等进行的一项人体干预试验显示，试验4周内受试者血浆中番茄红素生物利用度均为番茄酱好于番茄汁，番茄汁好于番茄[21]。表明经过加工处理的番茄制品的番茄红素的利用率比新鲜的番茄红素高。热加工通过增加番茄红素的吸收同样起到增加生物利用率的作用。

6　小结

番茄红素具有独特的结构和化学特征，流行病学研究、细胞培养跟动物实验都表明番茄红素及其代谢产物具有较强的抗氧化、抗增殖和抗肿瘤等多种生物活性。其显著的保健和医疗功效得到研究者的重视。关于番茄红素的功能性研究有很多，但番茄红素在机体中的吸收、分布、排泄、代谢和生物利用率的资料非常有限。番茄红素在体内发生广泛异构化，但机制尚不明确。番茄红素顺反异构体在生理功能上，生物利用度上存在的差异，让我们不禁思考番茄红素多样的生理功能起作用的究竟是番茄红素本身还是其体内代谢生成的特定同分异构体。所以，更多的体外研究有助于了解番茄红素的生物利用率和顺反异构化现象。番茄红素不同同分异构体的生理作用及生物利用率应当深入研究。番茄红素与其它因素的协同作用，及番茄红素不同的同分异构体如何影响生物利用率效果等方面也待进一步研究。

参考文献：

[1]Wilhelm S,Ulrike H,Olivier A,et al.Lycopene-rich products and dietary photoprotection[J].Sci,2005,5(2):238-242

[2]Johonson J.The Role of Carotenoids in Human Health[J].Nutrition in Clinical Care,2002,5(2):56-65

[3]Shao A,Hathcok J N.Risk assessment for the carotenoids lutein and lycopene[J].Regulatory Toxicology and Pharmacology,2006,45(3): 289-298

[4]Pennathur S,Maitra M,Byun J,et al.Potent antioxidative activity of lycopene:A potential role in scavenging hypochlorous acid[J].Free Radical Biology and Medicine,2010,49(2):205-213

[5]孙莹.番茄红素纳米分散体的制备及稳定性研究[D].无锡:江南大学,2008:1-2

[6]Zechmeister L,Tuzson P.Isomerization of carotenoids[J].Biochem, 1938,32(8):1305-1311

[7]柴星星,鲍波.番茄红素提取工艺探讨[J].食品研究与开发,2013, 34(6):121-125

[8]Morann,Erdman J W,Clinton S K.Complex interactions between dietary and genetic factors impactlycopene metabolism and distribution[J].Archives of Biochemistry and Biophysics,2013,539(2):171-180

[9]Alastair B Ross,Le Thuy Vuong,Jon Ruckle,et al.Lycopene bioavailability and metabolism in humans:an accelerator mass spectrometry study[J].Am J Clin Nutr,2011,93(6):1263-1273

[10]Clinton SK.Lycopene:Chemistry,Biology,and Implications for Human Health and Disease[J].Nutrition Review,1998,56(2):35-51

[11]李春生.番茄红素的研究概况[J].农产品加工·学刊,2009,160 (1):71-74

[12]Giovannuccie.A Review of Epidemiologic Studies of Tomatoes,Lycopene,and Prostate Cancer[J].Exp Biol Med,2002,227(10):852-859

[13]AllenCM,SmithAM,ClintonSK,et al.Tomato consumption increases lycopene isomer concentrations in breast milk and plasma of lactating women[J].The American dietetic asssociation,2002,102(9): 1257-1262

[14]Boileau T E M,Boileau A C,ErdmanJ.Bioavailability of all-trans and cis-Isomersof Lycopene[J].Exp Biol Med(Maywood),2002,227 (10):914-919

[15]Stahl W,Sies H.Uptake of Lycopene and its Geometrical Isomers is greater from Heat-Processed than from Unprocessed tomato juice in humans[J].Human and Clinical Nutrition,1992,122(11):2161-2166

[16]Erdman J W,Bierer T L,Gugger E T.Absorption and Transport of Carotenoids[J].Ann N Y A cad Sci,1993,691:76-85

[17]Shao A,Hathcock J N.Risk assessment for the carotenoids lutein and lycopene[J].Regul Toxicol Pharm,2006,45(3):289-298

[18]刘玲.番茄红素生物活性与慢性病关系的研究进展[J].国外医学卫生学分册,2008,35(1):48-51

[19]李京.番茄红素在体内代谢中的几何异构体组成变化[J].食品科学,2008,29(9):94-591

[20]范远景,黄璐.番茄红素吸收与体内抗氧化的机理研究[J].食品科学,2007,28(11):545-548

[21]Tang G,Lucia A,Ferreur A.Bioavailability of synthetic and biosynthetic deuterated lycopene in humans[J].Journal of Nutritional Biochemistry,2005,16(4):229-235

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.18.049

收稿日期：2015-07-03

基金项目：广东省科技计划项目(2013B060300038)

作者简介：利慧华（1990—），女（汉），在读硕士，研究方向：神经疾病。*通信作者

Research Progress on Isomerization and Bioavailibility of Lycopene

LI Hui-hua，YE Cheng，LI Li-li，BAO Bo
（Department of Pathophysiology，Guangdong Medical College，Zhanjiang 524023，Guangdong，China）

Abstract：Lycopene is a natural distribution of a wide range of fat-soluble carotenoid，in recent years，because of its advantageous physiological function aroused people's concern.Epidemiological，tissue culture and animal studies provide convincing evidence supporting the anti-oxidant capacity of lycopene and its role in reducing the risk of cardiovascular diseases，cancers and neurodegenerative diseases.Therefore，lycopene is widely used in medicines，health foods，food additives and cosmetics.Lycopene's physical chemical property，souce，extraction solution，absorption，distribution，metabolism and bioavailability in vivo are explicated in this article.

Key words：lycopene；isomerization；bioavailability；metabolism