改善番茄红素生物利用度的研究进展

于 颖，张 维，谢 凡，顾欣哲，吴金鸿，王正武*

（上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

番茄红素是一类重要的类胡萝卜素，结构中存在的大量不饱和双键（图1），能够有效地吸收长波和淬灭单线态氧，从而具备较好的抗氧化能力[1-2]。除了在食品和药品中作为色素外，番茄红素还具备防治糖尿病血管并发症、预防前列腺癌和心血管疾病等功能[3]。未经过加工的果蔬中，番茄红素的生物利用度通常较低（0.1%～3.0%）[4]，主要与番茄红素自身的化学性质和其所处的微环境有关[5-6]。传统的食品加工通常专注于改善食品的感观品质和降低营养成分的损失，而营养成分能被人体吸收利用的程度则对提高食品的营养价值至关重要，引起了越来越多的研究和关注。本文就近年来提高番茄红素生物利用度的研究进行了概述，拟为开发新的提高番茄红素生物利用度的方法提供理论依据。

图1 番茄红素的全反式构象Fig. 1 Chemical structure of (all-E)-lycopene

1 番茄红素的吸收机制

番茄红素主要存在于蔬菜水果如西瓜、木瓜、番茄等植物源的叶绿体和色质体中，此外在部分古细菌、真细菌和藻类等一些真核生物的细胞色素中也有发现。人体和动物通常不能合成番茄红素，需要通过摄取植物源的产品来满足健康和营养需求。在植物源中，番茄红素与脂质、蛋白质所构成的特殊亚结构嵌入对胃肠消化具有一定抗性的色质体中[7]。番茄红素在人体内的吸收过程如图2[8]所示，主要经历3 个阶段，包括从食品基质的释放、溶入脂肪颗粒和胶束化。在口腔和胃消化阶段，主要是通过咀嚼、酶消化淀粉等碳水化合物和少量的脂肪（小于10%）促进番茄红素和脂肪的释放，释放的番茄红素溶解于脂肪颗粒，并通过胃部的蠕动形成乳化油脂。进入十二指肠后，由于胆盐的作用，乳化油脂颗粒减小，脂肪被脂肪酶所消化，番茄红素被释放出来。释放的番茄红素、胆盐和消化形成的胆固醇会形成胶束化颗粒。研究表明，长链的甘油三酯比中链和短链的甘油三酯更能有效地促进胶束颗粒的形成[9]，胶束化的番茄红素才能结合运输蛋白SR-B1被小肠上皮细胞所吸收，从而被人体所利用[10]。番茄红素从色质体中的释放、番茄红素依赖于脂肪的乳化和胶束化的形成是番茄红素生物利用度的重要限制性因素。因此，能够提高番茄红素吸收阶段效率的因素，均能够促进番茄红素的生物利用度的提高。

图2 番茄红素在人体的吸收过程[8]Fig. 2 Lycopene absorption processes[8]

2 影响番茄红素生物利用度的因素

生物活性成分的营养价值取决于其生物利用度，即离开食物基质穿过肠道屏障到达靶向细胞的比例。番茄红素的性质和存在状态、食物基质、番茄红素与其他营养成分的相互作用、肠道健康等能够影响番茄红素的生物吸收，因此均对番茄红素的生物利用度有重要影响。

2.1 番茄红素种类

番茄红素具有11 个共轭双键和2 个非共轭双键，这种共轭双键的结构使番茄红素可以产生多种类型的顺反异构体[11]。在天然果蔬中，90%以上的番茄红素是以全反式构型存在，而在人体的组织和血清中，只存在顺式的番茄红素，其中5-顺式、9-顺式、13-顺式和15-顺式番茄红素约占番茄红素总量的50%。研究表明，顺式番茄红素的极性较强，不易结晶，更易溶于胶束被人体吸收和利用，且与反式异构体相比，其生物利用度约为全反式番茄红素的5 倍[12]。Sun Qingrui等[13]使用通过溶胶-凝胶法制备的碘掺杂二氧化钛催化剂实现番茄红素的高效非均相催化异构化（75 ℃下在乙酸乙酯中回流2 h），最终能够得到番茄红素的最大总顺式异构体的比例超过78%，并利用扩散模型中的分区因素评价不同顺式异构体比例下番茄红素的生物利用度，结果显示与全反式番茄红素相比，高比例的顺式异构体具有更高的生物利用度。

2.2 食物基质

番茄红素所在的基质在其生物利用度方面扮演着重要的角色。Palmero等[14]利用胡萝卜和番茄两种果蔬比较不同基质中天然的结构屏障对番茄红素生物利用度的影响，实验中分别将胡萝卜和番茄的不同部分（色质体、细胞簇）分离出来，模拟体外消化实验考察番茄红素的生物利用度，结果显示，对于胡萝卜而言，去除细胞壁后番茄红素的生物利用度提高；对于番茄而言，番茄红素溶解在油相后生物利用度明显增加。说明不同细胞壁的组成以及色质体的结构（随基质而变）都会影响番茄红素生物利用度。有研究表明，叶绿体对胃和肠消化具有高抗性，且叶绿体在肠道中被破坏的程度低于色质体，因此番茄红素嵌入在水果和蔬菜的叶绿体中是限制饮食来源番茄红素生物利用度的重要因素[15]。

2.3 食物组分间的相互作用

随同番茄红素一起摄入体内的其他营养物（如脂质、蛋白、膳食纤维、矿物质等）会影响番茄红素的吸收和代谢。二价矿物质可能会通过形成不溶的脂质-皂复合物阻止番茄红素从脂质小滴向形成的混合胶束转运，从而影响番茄红素的生物利用度。Borel等[16]采用临床研究，选择10 名健康的非肥胖受试者，通过测量摄食含补充剂（500 mg钙）和不含补充剂的受试者餐后血浆中类胡萝卜素浓度来评估膳食来源的钙是否影响健康受试者类胡萝卜素的生物利用度，结果显示在摄入对照膳食后2 h血浆类胡萝卜素浓度增加，而在摄入含钙膳食后5 h依然没有显著增加。Al-Yafeai等[17]研究番茄酱中果胶含量对类胡萝卜素生物利用度的影响，分别设置3 个实验组：未处理番茄酱、果胶酶处理后的番茄酱以及添加果胶的番茄酱，并用体外消化模型计算其生物利用度，结果发现3 种体系下番茄红素生物利用度分别为46%、60%和16%；且实验中发现不同样品中β-胡萝卜素的生物利用度均高于番茄红素，β-胡萝卜素形成胶束化的过程会与番茄红素的吸收形成竞争性关系，从而影响番茄红素的生物利用度。Xu Honggao等[18]的研究表明果胶通过吸附油脂和胆盐，同时增加肠道消化物的黏性从而减少酶作用的位点，均可以影响番茄红素胶束颗粒的形成，从而导致番茄红素的生物利用度下降。可溶性膳食纤维的分子质量、残基组成和疏水性能均能影响番茄红素胶束颗粒的形成，从而限制番茄红素的吸收。

2.4 宿主因素的影响

类胡萝卜素的吸收和代谢在不同物种间有所不同，在人类和少数哺乳动物中，大部分类胡萝卜素可以被小肠黏膜细胞完整吸收；在啮齿动物中，有些类胡萝卜素不能被吸收。近年来几项研究表明一些宿主相关因子包括疾病状态、体质量、饮酒、吸烟、药物摄入、年龄和遗传方面等都会对番茄红素的生物利用度造成一定的影响[19]。Cardinault等[20]选择16 名非肥胖、不吸烟的健康志愿者（8 名年轻人、8 名老年人）给予3 种不同的实验餐（其中61 g番茄酱可提供30 mg番茄红素），研究年龄对类胡萝卜素生物利用度的影响，番茄红素血脂化效率的结果显示老年受试者的反应显著低于年轻受试者，这可以说明，在老年受试者中番茄红素的生物利用度明显降低。类胡萝卜素的生物利用度存在较高的个体差异，部分原因是遗传多态性，Borel等[21]研究几种单核苷酸多态性组合与番茄红素生物利用度的关系，实验中33 名健康男性志愿者服用100 g番茄汁（含有9.7 mg全反式番茄红素）后，在规定的时间内测血浆乳糜微粒中番茄红素的浓度，结果表明个体间的差异会影响血浆中番茄红素的浓度，从而影响番茄红素的生物利用度。

3 提高番茄红素生物利用度的方法

不同基质之间细胞壁物质和色素细胞之间的差异会影响包裹在胶束中番茄红素的释放，因此对于番茄红素来说，细胞壁是影响番茄红素生物利用度的重要屏障，而番茄中色质体的亚结构是抗番茄红素增溶的重要屏障[22]。因此要提高番茄红素的生物利用度可以从以下两方面进行研究：一方面可以在加工过程中破坏细胞壁和色质体亚细胞结构，促进番茄红素的释放；另一方面，通过构建乳液、与油脂共消化等方法构建新的食品分散体系，促进乳糜微粒胶束的形成。对食品材料的加工、乳液构建及利用番茄红素与油脂共消化均为有效提高番茄红素生物利用度的方法。

3.1 食品加工

食品加工（热处理、光照、脉冲电场等）对番茄红素最直接的影响即番茄红素从食品基质的释放和番茄红素的顺式异构化，从而改变番茄红素的生物利用度[23]。Honda等[24]将番茄汁、番茄酱等在120 ℃加热1 h，顺式番茄红素的比例由加热前的4.6%～9.2%提高至27.4%～33.4%，其中植物油脂的存在能显著提高番茄红素异构体的相对含量（39.2%～50.7%）。Stahl等[25]将番茄汁与1%的玉米油在100 ℃下加热1 h后，发现与未加热的样品相比，血清中的番茄红素浓度增加。Honda等[26]将番茄浆分别在120 ℃和150 ℃下加热1 h，发现番茄浆中顺式异构体的含量分别由未处理新鲜番茄中的6.1%增加至10.0%和56.2%。Mutsokoti等[27]从番茄中提取出富含色素体的细胞和细胞簇部分，并将5%的油分别与两部分混合后进行高压均质处理，结果发现在0～50 MPa内，色素体细胞和细胞簇中的番茄红素转移到油相中的比例随着压力的增加而增加，50～100 MPa内几乎无显著变化。说明高压均质能够有效地将类胡萝卜素从基质中释放并转移到油相。Anese[28]、Colle[29]和Panozzo[30]等的研究表明，超声处理、高压均质及脉冲电场等非热加工对番茄红素从食物基质的释放作用是复杂的，一方面非热加工能够破坏色质体和番茄红素形成的结晶体；另一方面非热加工所产生的纤维网络的重组会阻止番茄红素形成胶束。不同食品加工方式对番茄红素的生物利用度影响如表1所示。高压均质、脉冲电场和超声波等物理加工方式需要结合热加工或油脂的存在，才能消除食品基质重组造成的不利影响，最大限度地提高番茄红素的生物利用度。热加工虽然能使蛋白在消化过程中聚集，与植物纤维构建新的纤维网络，却能导致番茄红素由全反式构象向顺式异构体转化，依然是提高番茄红素生物利用度最简单、经济的加工方式。

表1 不同加工方式对番茄红素生物利用度的影响Table 1 Effect of different food processing technologies on lycopene bioavailability

3.2 赋形剂乳液

生物活性物质在加工的过程中极易受到光、热等外力因素的作用，像类胡萝卜素等脂溶性物质在消化吸收过程中因疏水作用其生物利用度也会受到限制，由于乳液能够包封、保护和传递脂溶性化合物，因此可利用赋形剂乳液提高番茄红素生物利用度。赋形剂乳液对类胡萝卜素生物利用度的影响受多方面因素的作用，包括油相的种类、乳液液滴的粒径、乳化剂的种类等。有研究表明对于用50%（体积分数，下同）玉米油配制的乳液而言，番茄红素的生物利用度显著低于100%橙油配制的乳液[39]。近几年利用纳米乳液为载体研究其对活性物质生物利用度方面的影响越来越多，其具有以下优点：首先，纳米乳液具有更高的稳定性；其次，小液滴更容易渗透到植物组织中，并溶解类胡萝卜素；再者，小液滴具有更大的比表面积，增加了纳米乳液中食品组分与胆汁盐、脂肪酶等之间的相互作用，促进番茄红素等亲脂性物质的溶解，从而促进包埋物质的生物利用度[40]。Salvia-Trujillo等[41]将6 mL两种不同粒径的乳液与24 mL番茄汁分别混合后在体外模拟消化实验中进行共消化，以考察赋形剂乳液（液滴大小）对植物产品中类胡萝卜素生物利用度的影响，结果显示两种乳液粒径分别为0.17 μm和19 μm，番茄红素的生物利用度分别为12.5%和10.0%，显著高于未形成乳液的番茄汁的生物利用度（7.5%）。乳液粒径较小易于被小肠脂肪颗粒所包埋和吸收，当脂肪颗粒直径小于200 nm时，番茄红素的生物利用度会显著提高。同样，Zhang Ruojie等[42]将胡萝卜制成泥与不同粒径（0.17、0.46、10 μm）的赋形剂乳液混合，结果表明，赋形剂乳液能够显著提高番茄红素的生物利用度，且类胡萝卜素的生物利用度随着乳液粒径的增大而降低。Ha等[40]以富含番茄红素的提取物为原料，采用乳化蒸发技术制备番茄红素纳米乳液，通过测定从食物基质中释放的番茄红素含量以及形成胶束形式的番茄红素含量，以确定其生物利用度，结果发现未形成乳液的番茄红素体外生物利用度仅为0.01%，粒径为150 nm和69 nm的番茄红素纳米乳液生物利用度分别为53%、0.77%。Verkempinck等[43]研究不同乳化剂（吐温-80、蔗糖酯）对脂质水解、胶束形成以及类胡萝卜素生物利用度的动力学影响，结果表明吐温-80乳液与蔗糖酯乳液相比具有更高的类胡萝卜素生物利用度；且在番茄基质中吐温-80乳液对顺式和全反式番茄红素的生物利用度均高于蔗糖酯乳液。Ho[44]、Yildiz[45]、Jain[46]等通过植物原蛋白（大豆蛋白、豌豆蛋白等）、改性淀粉、乳制品蛋白以及植物蛋白-多糖复合物等制备负载番茄红素的蛋白质稳定的赋形剂乳液，以改善番茄红素的物理化学稳定性以及提高其生物利用度，结果发现改性淀粉、乳清分离蛋白等作为乳化剂产生的乳液稳定性更好，动物模型显示其形成的包覆番茄红素的纳米乳液能改善番茄红素生物利用度。综上，利用赋形剂乳液可以促进脂质水解、促进小肠环境中番茄红素脂肪胶束颗粒的形成，从而提高番茄红素的生物利用度。

3.3 构建共消化体系

油脂是食品体系中的主要成分，其与番茄红素构成的共消化体系是摄取番茄红素的主要来源。番茄红素与油脂共消化可以增加番茄红素的生物利用度，其中可能存在的机理有以下几个方面[47]：1）可以通过提供番茄红素溶解的疏水相促进番茄红素从食物基质中的释放；2）刺激胆汁分泌、增加胶束的产生；3）甘油三酯可以增加肠细胞外类胡萝卜素的分泌，防止其细胞内积聚，从而促进其吸收。所消耗油脂自身的特点会影响番茄红素的生物利用度，比如油脂的组成和含量不同，番茄红素生物利用度也不相同，含有大部分长链甘油三酯（例如向日葵油、橄榄油、可可脂）的脂质更有效地从食物基质中转移番茄红素，进入到胆汁盐形成的胶束中，从而被小肠黏膜细胞吸收利用。Arranz等[48]给志愿者单独食用番茄汁或者辅以橄榄油同时食用后，检测其血浆中番茄红素的含量，发现橄榄油与番茄汁同时食用能够增加血浆中番茄红素的含量。在与油脂构建共消化体系的过程中，加入脂质的种类不同，对番茄红素生物利用度的影响也不同（表2）。另外，番茄红素生物利用度也会因加入油脂的含量不同有所变化，若摄入油脂含量过高，可能因为甘油三酯水解不完全，从而导致番茄红素的生物利用度下降[34,49]。Colle等[50]研究油脂加入量对番茄红素生物利用度的影响，分别将添加量0%、1%、2%、5%和10%的油脂（橄榄油、椰子油、鱼油）与番茄浆共消化，结果显示当橄榄油和鱼油的添加量分别为2%和1%时，番茄红素生物利用度达到最大，随着油脂添加量的继续增加，其生物利用度又下降。Mashurabad等[51]采用体外消化模型和Caco-2细胞模型研究不同种类和含量的油脂与不同果蔬（胡萝卜、菠菜、木瓜）共消化时对番茄红素生物利用度的影响，结果显示当木瓜分别与添加量0%、1%、2.5%、5%和10%的橄榄油共消化时，当橄榄油的添加量为5%时番茄红素胶束化达到最大（22.1%）。在与油脂等构建共消化体系的过程中，油脂的添加量在5%以内足以对番茄红素生物利用度产生较好的效果，油脂的种类和含量以及番茄红素存在的基质等都会影响其生物利用度，其中不饱和脂肪酸的效果优于饱和脂肪酸。

表2 不同油脂种类对番茄红素生物利用度的影响Table 2 Effects of different oil types on lycopene bioavailability

4 生物利用度的评价方法

生物利用度是指在消化过程中从食物基质中释放的营养物，能够吸收到黏膜中并且通常使用体外和体内消化实验进行测定[53]。主要通过体外消化模型、动物模型和临床实验等3 种方式进行评估[54-56]。体外消化模型因其操作方便、周期短等优势在番茄红素的生物利用度评价中受到广泛应用，该模型主要通过模拟4 个过程：模拟口腔消化、模拟胃消化、模拟肠道消化和胶束颗粒的分离。Sun Qingrui等[13]利用体外消化模型和扩散模型证明了番茄红素的顺式异构体比其反式异构体更易吸收，其生物利用度（19%～31%）高于反式异构体（2.38%～6.18%）。Failla等[57]在体外使用Caco-2人体肠道细胞模型进行实验，结果表明番茄红素顺式异构体的生物利用度高于全反式结构。Mashurabad等[51]的实验中利用体外消化/Caco-2细胞模型评估植物油的种类和含量对不同果蔬中的类胡萝卜素胶束化的影响，结果显示类胡萝卜素的胶束化与食物基质、极性、油脂的类型等有关。

5 结 语

采用新型方法提升番茄红素的生物利用度时，需要兼顾番茄红素的稳定性和食品体系的理化品质。通过食品加工的方法提升番茄红素的生物利用度具有操作简单、适合大规模应用等优势，食品加工一般会促进番茄红素从细胞和色质体中释放，然而缺乏了结晶体的保护，番茄红素易受到外界因素的影响而降解，而赋形剂和采用复配等方法需要建立在番茄红素处于游离状态的情况下。

未来对于改善番茄红素中生物利用度的研究应更加精细化并聚焦于以下几个方面：第一，多种食品加工工艺相互结合对番茄红素生物利用度的影响，如辐照、电阻等新型的杀菌工艺的影响。第二，番茄红素分散体系的理化性质。在番茄红素主要来源——番茄中，碳水化合物（主要为纤维和果胶）对分散体系的影响不可忽略。果胶和膳食纤维的二级结构，如酯化度、残留糖醛酸组成等对食品体系的粒径、黏度、流变性能等的改变以及对番茄红素在肠道微环境中的影响机制还需要进一步研究。第三，新型赋形剂乳液的构建，随着越来越多的农副产品资源的开发和利用，改性淀粉和纤维素作为最易获得的多糖资源，利用其自身的乳化性能或通过与蛋白等成分构建新的番茄红素乳化体系有待进一步的开发。