热处理对不同颜色番茄中类胡萝卜素异构化和降解的影响

姜 欣， 杨 成， 马璐璐， 张 建， 王陈强， 张连富*，

（1.江南大学 食品学院，江苏 无锡214122；2.石河子大学 食品学院，新疆 石河子832003；3.新疆冠农果茸股份有限公司，新疆 库尔勒841000）

番茄（Solanum lycopersicumL.）是全世界范围内普遍种植的蔬果之一，2018年全球番茄产量高达1.8亿吨，我国产量占世界总量的1/3[1]。番茄富含维生素A、抗坏血酸、钾和叶酸，并存在着大量植物化学物，如酚类化合物和类胡萝卜素[2]。番茄是公认的健康膳食重要组成部分，大量研究证实经常食用新鲜番茄或其加工制品对于降低罹患各种疾病的风险具有积极作用，例如肥胖、糖尿病、癌症和心血管疾病等[3]，而这些生理功能都与番茄中重要的植物化学物——类胡萝卜素密切相关[4]。

类胡萝卜素是番茄中重要的有色植物化学物，储存在细胞有色体中，使番茄外观呈现红色、粉色、橙色和黄色等。其中，最常见的红色和粉红色番茄含有丰富的all-E-番茄红素，橙色、黄色番茄主要积累β-胡萝卜素[5]。此外，一些橙色西瓜、橙色大白菜，以及Tangerine番茄中能大量积累7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素（也称前番茄红素），这是由于类胡萝卜素异构酶CRTISO的功能缺失，使得7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素无法转化为all-E-番茄红素，使蔬果呈现橙色[6-8]。

大多数天然存在的类胡萝卜素多以all-E构型为主，例如番茄及其相关产品中质量分数80%～97%的番茄红素为all-E构型。然而，人和动物血液和组织中50%～88%的番茄红素为顺式构型[9-11]。根据Yang等[12]的研究，顺式构型质量分数为50%的番茄红素样品转移到油相的能力是all-E构型的2倍。并且，当人体摄入红番茄和Tangerine番茄汁，两者番茄红素含量相当，但后者的番茄红素生物利用率是前者的8.5倍[13]。而目前未被广泛关注的无色类胡萝卜素——六氢番茄红素和八氢番茄红素，具有重要的生理功能及较高的生物可给率，具有重要研究意义[14]。

番茄制品如番茄酱、番茄沙司、番茄汁、番茄粉等生产过程中都会涉及热处理。以上番茄产品多采用红色番茄制得，而近年来，消费者对多元品种的需求日益增强，黄果番茄的栽培面积正逐年扩大[15]。考虑到不同颜色番茄的利用，需要对番茄中不同类胡萝卜素热稳定性做出研究。而不同颜色番茄的类胡萝卜素组成有差异，其异构化和降解的规律也不同，因此研究热处理对成分的影响很有必要。

作者首先对比橙色番茄和红色番茄的类胡萝卜素组成，然后研究不同品种番茄中类胡萝卜素热稳定性，阐述其异构化和降解的规律。这对不同颜色番茄的营养价值的认知、综合利用不同颜色的番茄具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

3种供试番茄品种分别为“黄罗曼”（橙色番茄-1）、“金玲珑”（橙色番茄-2）和“大红”（红番茄），分别购于山东寿光蔬菜基地鲜馥旗舰店、上海西郊国际农产品交易中心、无锡欧尚超市；番茄红素标准品（质量分数≥95%）：上海纯优生物科技有限公司产品；β-胡萝卜素标准品（质量分数≥96%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司产品；正己烷、丙酮、甲醇（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司产品；乙腈、甲醇、甲基叔丁基醚（色谱纯）：瑞典欧森巴克化学公司产品。

高效液相色谱仪Waters e2695-二极管阵列检测器2998：美国沃特世公司产品；RV8旋转蒸发仪：德国IKA公司产品；DF-101S集热式磁力加热搅拌器：常州迈科诺仪器有限公司产品；MS-H-S10磁力搅拌器：美国SCILOGEX公司产品。

1.2 实验方法

1.2.1 原料处理 每个品种番茄随机选取15个外观色泽基本一致的番茄，番茄去蒂、清洗、切块（1~2 cm3）、打浆（30 s）、过20目（850μm）筛网去除皮和籽，制成番茄浆，用于类胡萝卜素提取和热处理实验。

1.2.2 热处理影响 称取5 g番茄浆样品于玻璃试管中，加盖，锡纸包裹避光，于水浴或油浴中分别在60、70、80、90、100℃条件下加热3 h，于80℃条件下分别热处理1、2、3、4、5 h，结束后立即放入冷水中冷却，以未加热的样品为对照，用于类胡萝卜素提取。温度和时间均根据商业上生产番茄制品的条件选 取[2，16]。

1.2.3 类胡萝卜素提取 番茄样品中类胡萝卜素提取参考文献[16-17]的方法，做少许改变。称取5 g番茄样品于锥形瓶中，并包裹锡纸避光，加入正己烷、甲醇、丙酮（体积比为2∶1∶1）混合溶剂20 mL，室温下磁力搅拌30 min。将样品过滤，收集滤液，残渣再重复提取2次至残渣为无色。收集3次滤液，利用分液漏斗分离有机相和水相，收集含有类胡萝卜素的有机相，转移至圆底烧瓶中，在45℃、30 kPa条件下旋转蒸发溶剂后用甲基叔丁基醚（MTBE）和甲醇（体积比为1∶1）溶解后用于HPLC分析。

1.2.4 类胡萝卜素分离与鉴定 使用Waters高效液相e2695系统搭配二极管阵列检测器（PDA）和YMC Carotenoid色谱柱（250 mm×4.6 mm，5μm）进行分析。进样量为20μL，柱温设定为25℃，流量保持1.0 mL/min，等度洗脱，流动相为甲醇∶乙腈∶MTBE（体积比为27∶23∶50），波长设置为471、452、440、348、286 nm，并对每个峰进行波长扫描（200～600 nm）。利用标准品的保留时间和光谱数据对比文献报道的光谱数据进行鉴别类胡萝卜素异构体。外标法用于定量all-E-番茄红素和all-E-β-胡萝卜素，顺式的番茄红素和β-胡萝卜素也用all-E的标准曲线定量，但应指出的是，顺式异构体的摩尔吸光系数较all-E异构体更小，因此所得结果比实际要小。而其他类胡萝卜素，包括7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素（440 nm）、六氢番茄红素（348 nm）、八氢番茄红素（286 nm）利用光谱数据进行鉴定，利用各自摩尔吸光系数与all-E番茄红素的比值，以相对斜率来定量[18]。

1.3 数据统计与分析

以上所有实验至少重复3次，结果用平均值±标准偏差表示。采用IBM SPSS 22软件进行数据分析，统计显著性采用单因素方差分析（One-way ANOVA analysis），并进行Tukey检验，P<0.05表示差异显著；采用Origin9.0、Graphpad软件处理图像。

2 结果与分析

2.1 不同颜色番茄类胡萝卜素组成

“橙色番茄-1”“橙色番茄-2”和“红番茄”的类胡萝卜素组成如表1所示。在橙色番茄-1中，番茄红素中7Z，9Z，7’Z，9’Z构型的质量分数达97.19%（即此构型番茄红素的质量占总番茄红素质量的百分比），且总顺式番茄红素与all-E-番茄红素的质量分数分别为99.24%和0.76%，这与Ishida测定的新鲜Tangerine番茄一致，其顺式与all-E-番茄红素质量分数分别是99.69%和0.31%[19]。此外，橙色番茄-1含有较高质量分数的八氢番茄红素和六氢番茄红素，分别达到36.59μg/g（即番茄中该类胡萝卜素质量与番茄鲜质量之比，全文中单位μg/g，均以番茄鲜质量计）和18.19μg/g，分别是红番茄的3.04倍和3.56倍，其中八氢番茄红素是橙色番茄-2的5.03倍。

表1 番茄中类胡萝卜素成分比较Table 1 Comparison on the carotenoid composition of tomatoes μg/g

橙色番茄-2含有丰富的β-胡萝卜素（33.95 μg/g），其中主要为all-E-β-胡萝卜素，质量分数为93.26%，15-顺（15Z）和9-顺（9Z）构型分别是3.20%和3.54%。与Li等[5]测定的2种橙色番茄相似。同时，也含有少量的番茄红素，主要为all-E构型。

在红番茄中，番茄红素是其主要类胡萝卜素，质量分数达56.55μg/g，这与橙色番茄-1的番茄红素总量相当。但是其番茄红素的顺式构型质量分数仅为8.48%，而all-E-番茄红素达到91.52%，这与文献报道相符[2]。

2.2 热处理对不同颜色番茄类胡萝卜素的影响

2.2.1 热处理对富含顺式、六氢和八氢番茄红素的橙色番茄-1的影响 图1和图2分别展示了橙色番茄-1在不同热处理时间和温度下，番茄红素质量分数以及异构体组成的变化。随着热处理时间增加和温度升高，番茄红素质量分数呈现明显的下降趋势（见图1~图2）。100℃、3 h后总番茄红素质量分数降至20.64μg/g，约为初始值的1/3（见图2（a））。从异构体组成来看，7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素质量分数随加热温度的升高明显减小，到100℃时降至未检出，而all-E、5Z和其他顺式番茄红素的比例均明显增长，100℃、3 h后all-E-番茄红素质量分数达到28.51%，5Z-番茄红素为28.73%，其他顺式番茄红素达42.76%（见图2（b））。

图1 80℃下不同加热时间橙色番茄-1中番茄红素质量分数及异构体组成变化Fig.1 Changes of content of lycopene and the proportion of its isomers during different heating time in orange tomato-1

图2 不同温度下加热3 h橙色番茄-1中番茄红素质量分数及异构体组成变化Fig.2 Changes of content of lycopene and the proportion of its isomers at different temperature in orange tomato-1

这与Cooperstone等[18]以Tangerine番茄沙司产品在100℃处理0～180 min时现象较相似。并且与新鲜Tangerine番茄相比，加工成果汁、浓缩汁和酱的过程中，Tangerine番茄的番茄红素质量分数显著下降，分别下降了52%、79%、82%[19]。7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素是番茄红素合成过程中的前体物质，推测后者的增加可能是由于热处理促进了构型转化[20-21]。

因此，通过以上分析，可得出以下结论，热处理过程中7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素逐渐转化为其他顺式和all-E构型，同时可能异构化为其他构型或氧化为此处未检测到的其他化合物。

对于番茄中重要的无色类胡萝卜素——六氢番茄红素和八氢番茄红素，如图3和图4所示。随热处理时间延长和温度升高，两者质量分数均保持比较稳定。橙色番茄-1中的六氢番茄红素和八氢番茄红素经100℃加热3 h后，保留率分别为84.32%和88.76%。这与Graziani等[22]将去皮和不去皮的番茄在100℃下处理4 h得出的结论一致。Lu等[23]对血橙汁进行热处理（100℃、600 min）后，发现六氢和八氢番茄红素依旧无明显变化。八氢番茄红素的2种异构体的质量分数保持稳定，但是对于六氢番茄红素，未知顺式（UZ）构型会逐渐转化为all-E构型，100℃、3 h后两者质量分数分别从86.40%和13.60%转变为51.12%和48.88%。有学者研究发现，八氢番茄红素和六氢番茄红素在碘的催化下，前者异构化不明显，后者存在明显的异构化现象[24]。以上结果说明，六氢、八氢番茄红素总量在此条件下保持稳定，且未观察到八氢番茄红素的明显构型转化，而六氢番茄红素2种异构体存在明显的转化现象。

图3 80℃下不同加热时间橙色番茄-1中六氢番茄红素和八氢番茄红素质量分数及异构体组成变化Fig.3 Changes of content of phytofluene and phytoene and the proportion of their isomers during different heating time in orange tomato-1

图4 不同温度下加热3 h橙色番茄-1中六氢番茄红素和八氢番茄红素质量分数及异构体组成变化Fig.4 Changes of content of phytofluene and phytoene and the proportion of their isomers at different temperatures in orange tomato-1

2.2.2 热处理对富含β-胡萝卜素的橙色番茄-2的影响 对于橙色番茄-2，如图5所示，80℃处理0～5 h时，β-胡萝卜素质量分数稍有下降，但5 h后保留率仍达86.86%，且各异构体无显著变化。图6为60～100℃下处理3 h后降解和异构化情况。其中100℃处理3 h后β-胡萝卜素质量分数与未处理时相比，下降了10.28%。Kourouma等[25]对比了煮、蒸、微波（1 150 W）、焙烤（190℃）、油炸（160℃）5种方式处理后的橙色甘薯中β-胡萝卜素的变化，发现煮（15~35 min）、蒸（15~45 min）、微波（15 min）后保留率为66.30%~82.19%，而焙烤（45 min）和油炸（2.5 min）后保留率仅为49.74%和12.59%。以上表明，在食品基质中，100℃及以下温度能够极大地保留β-胡萝卜素。对于β-胡萝卜素纯品，闫红晓等[26]使用催化剂在75℃条件下催化all-E-β-胡萝卜素时，90 min后降解率为12.6%。

图5 80℃下不同加热时间橙色番茄-2中β-胡萝卜素质量分数及异构体组成变化Fig.5 Changes of content ofβ-carotene and the proportion of its isomers during different heating time in orange tomato-2

图6 不同温度下加热3 h橙色番茄-2中β-胡萝卜素质量分数及异构体组成变化Fig.6 Changes of content ofβ-carotene and the proportion of its isomers at different temperatures in orange tomato-2

对于各异构体，100℃、3 h后β-胡萝卜素中all-E构型质量分数为85.28%，15Z构型为4.08%，9Z构型达到10.64%。这说明在此热处理过程中all-E-β-胡萝卜素发生了异构化转变，有一部分转化为9Z构型。这与Knockaert等[27]描述的现象相似，在橄榄油和胡萝卜乳液中，all-E-β-胡萝卜素在热处理时异构化为顺式构型，且随温度升高，顺式比例增加。

以上说明，番茄基质在以上条件下β-胡萝卜素具有较好的热稳定性，仅有少量all-E构型异构化为顺式构型。

2.2.3 热处理对红番茄的影响 对于红番茄，如图7和图8，番茄红素质量分数保持稳定，100℃、3 h后仍能保留96%，说明以上条件下，番茄红素未明显降解。在冷破酱的生产过程中，番茄红素质量分数较新鲜番茄仅下降了4.33%[2]。并且，各个异构体占比也保持相对稳定。这些结果表明，以all-E-番茄红素为主的红番茄中番茄红素比较稳定，在100℃及以下温度处理3 h总量只有少量损失，对异构化影响也很小。相似地，Colle等[28]发现80℃热处理30 min后番茄红素仍能保持未处理时的93.46%，且其all-E、5Z和其他顺式构型的质量分数分别为88%、5%、7%，与未处理样品无明显差异。

图7 80℃下不同加热时间红番茄中番茄红素质量分数及异构体组成变化Fig.7 Changes of content of lycopene and the proportion of its isomers during different heating time in red tomato

图8 不同温度下加热3 h红番茄中番茄红素质量分数及异构体组成变化Fig.8 Changes of content of lycopene and the proportion of its isomers at different temperatures in red tomato

由此可知，红番茄中的番茄红素热稳定性好，在加工常用的温度与处理时间下降解不明显，异构化现象不显著。同时也说明，在单一红番茄基质中，采用热处理得到高顺式番茄红素质量分数制品的方法效果极其有限。

类胡萝卜素的热稳定性受到其化学结构、分子形状、溶解度、疏水性和晶态等因素的影响。在番茄基质中，无论是橙色番茄-2中的β-胡萝卜素还是红番茄中的番茄红素都呈现较好的热稳定性，降解和异构化现象不明显。原因分析如下：两者都主要以all-E构型存在，结合文献[29-31]，两者均以针状晶体的形式存在于细胞有色体中，热稳定性较好；并且，番茄红素由于其规则的线性分子结构，可以形成多层的聚集体，从而具有良好的热稳定性[32]。

而对于橙色番茄-1，7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素相对于all-E构型，在4个共轭双键位置发生了全反-顺构型转化，分子的线性结构改变，难以形成多分子层和聚集体，结构刚性减弱，从而使其热稳定性较差。因此，橙色番茄-1中的7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素较橙色番茄-2中的β-胡萝卜素和红番茄中的番茄红素对热更敏感，易于降解和异构化。

此外，由于番茄基质的保护，橙色番茄-1中的六氢番茄红素和八氢番茄红素也表现出比较好的热稳定性[23]。

3 结语

作者对比了市场上常见的橙色番茄和红色番茄的类胡萝卜素以及异构体的组成，并探究了热处理对类胡萝卜素的降解和异构化的影响。橙色番茄-1中顺式番茄红素、六氢番茄红素、八氢番茄红素质量分数均显著高于红番茄和橙色番茄-2，是高生理活性类胡萝卜素的极好来源。热处理的结果表明，对于红番茄和橙色番茄-2，番茄红素和β-胡萝卜素降解和异构化的影响较小；对于橙色番茄-1，热处理后番茄红素总量损失明显，且7Z，9Z，7’Z，9’Z-番茄红素逐渐异构化为all-E、5Z和其他顺式番茄红素。若要最大限度地保留顺式番茄红素，应该避免高温长时间的处理，或者采用非热加工技术进行处理。同时，两种重要的无色类胡萝卜素——六氢番茄红素和八氢番茄红素热稳定性好，值得日后继续深入研究其功能和加工特性。本研究对于今后不同颜色的番茄品种原料的综合利用和相关生产工艺的优化具有重要意义。