番茄红素生物活性功能及其在食品中的应用研究

梁 凡，黎晨晨，李紫硕，张 桐，李 帆

（哈尔滨商业大学，黑龙江哈尔滨 150028）

番茄红素具备最强抗氧化活性，在成熟西红柿和其他水果中大量发现，可作为红色色素。有研究表明，由于西红柿中含有番茄红素，大量摄入西红柿可以提高抗氧化能力，有效降低患癌症的风险。1873 年，Hartsen 于莓果中分离提取出一种结晶性暗红色色素[1]，紧接着Millardet 于1875 年从西红柿中提取出一种粗提取物，并于1903 年，这种色素被Schunck 正式定名为番茄红素（Lycopene）[2-3]。后来，番茄红素独特的分子结构和生物学特性被发现，人们开始广泛研究其应用。1989 年，有研究表明番茄红素参与多种化学反应，可阻止降解脂质、蛋白质和DNA[4]。1991 年，Campbell 通过一项研究表明癌症患者的肝部番茄红素水平较低。1997 年，Gerster H[5]通过体内试验表明，番茄红素具有抑制人类和动物抑制体内癌细胞繁殖的功能。这2 项研究最后所得结果都表明了番茄红素可抑制癌细胞生长。

近年来，国内外已经大量报道了有关番茄红素抗氧化、降血脂等多种生理活性功能的研究，番茄红素相关产品开发已成为各国研究的热点，主要应用于医药、化妆品、畜牧业等行业。随着研究的深入，发现利用番茄红素良好的色泽及天然安全等特性，还可作为某些食物的着色剂或防腐剂，在很大程度上推动了其在食品行业中的应用研究。

1 番茄红素理化性质

番茄红素属于类胡萝卜素的一种，不含氧，表现为暗紫红色长针状晶体，含有13 个双键，其中的11 个是共轭双键，这使得其拥有强大的抗氧化性能。番茄红素的化学式是C40H56，分子量为536.85，熔点为174 ℃（反式），可以溶于非极性溶剂，如溶于乙醚、脂肪、油脂、己烷、丙酮和石油醚等溶剂[6]，也易溶于部分芳香烃和氯代烃如氯仿等。番茄红素的异构体大约有72 种，番茄红素在蔬果中普遍以全反式结构存在，且相对于顺式异构体，反式异构体稳定性更高。然而，由于高数量的共轭双键，番茄红素的加工和贮藏过程中受氧化剂、阳光和温度的影响，容易重排成顺式异构体，也容易被氧化，从而导致着色剂和生物学特性的减少或损失[7]。番茄红素的化学稳定性差、口服利用率低，减轻了其有益效果。因此，国外有学者进行试验研究可以稳定生产和加工番茄红素的方法，并发现特定食品添加剂存在时，高压均质法可以提高番茄红素的稳定性和生物得率[8]。

2 番茄红素生物活性功能

2.1 番茄红素对皮肤的保护作用

番茄红素是植物中较强的抗氧化剂之一，可以阻止前胶原蛋白的下调和丙二醛在细胞内的累积，促进皮肤细胞再生，起到抗衰老的作用。李童等人[9]制备番茄红素抗衰老面膜的有关试验，以保湿率为考查目标，进行了正交试验设计优化该面膜的配方，最终确定配方为6%甘油、10%蓖麻油、3%单甘酯，并通过试验证实该面膜具备杰出的抗氧化能力。ROS是在光氧化过程中产生的，会破坏蛋白质、脂质等生物大分子和细胞结构，继而引起细胞生化反应如免疫和炎症，或诱导细胞凋亡。因此，阳光是促使皮肤变化的一个主要环境因素，避免紫外线暴露是保护皮肤的首要策略。由于番茄红素的强抗氧化性，可与受紫外线照射时产生的自由基结合，阻止肌肤自由基的生成，进而缓解对细胞的损害。同时，番茄红素分子结构中含有共轭结构，可以直接吸收紫外线[10]，减轻对皮肤的损伤程度。因此，番茄红素可以作为辅助添加剂添加到防晒产品中。另外，摄入一定量的番茄红素对皮肤组织有额外的好处，在保护皮肤的水分、质地和弹性方面有很好的作用。有证据表明，经常食用番茄的人群皮肤抗晒能力更强，并且每天摄入20~30 mg 以上的番茄红素可以发挥其抗氧化、延缓衰老、美容等保健功能[11]。番茄红素还可以解除被污染大气中所含有的多环芳烃，减轻光致毒效应，防止自由基的加速形成[12]，保护皮肤。目前，番茄红素除具有杰出的抗衰老和防晒等作用，在化妆品行业中还可以作为天然的上色剂和稳定剂。

2.2 番茄红素对免疫系统的影响

番茄红素具有调节机体免疫的作用，可以保护吞噬细胞免受自身的氧化损伤，促进淋巴细胞增殖，刺激效应T 细胞的功能，增强NK 细胞杀伤能力和单核-巨噬细胞碳廓清能力，减少淋巴细胞DNA 的氧化损伤，进而调节机体免疫[13-14]。同时，番茄红素还可以阻碍神经炎症通路NF-κB 的激活，抑制促炎症介质的转录和促炎细胞因子的表达，减轻炎症，进而减轻海马体损伤[15]。张丹等人[16]通过动物试验发现，番茄红素通过抑制IKK/IKB/NF-κB 信号通路减轻炎症，同时降低血清炎症因子水平，保护肾脏。一项用高脂肪饮食喂养的小鼠进行的研究表明，番茄红素通过抑制IKK/IKB/NF-κB 信号的增加来改善炎症。因此，番茄红素可以预防胰岛素抵抗、炎症和脂质积累[17]。综上所述，番茄红素的免疫作用与抗氧化性密切相关，番茄红素可以促进体液及细胞免疫，并通过抑制炎症通路的激活及炎性细胞因子的产生，调节机体免疫。但由于番茄红素在水中溶解低，提取困难，工业化生产仍存在困难，同时在人体中的含量低，导致生物利用率低，因此一些学者采用番茄红素与其他物质，如黄酮类、人羊膜上皮细胞联用或采用脂质为载体的方式[18-20]，有效增强其效用。

2.3 番茄红素的抗癌作用

番茄红素缺少β - 芷香环结构，因此常被人认为没有生理活性，无研究价值。但随着研究的进行，表明番茄红素具有预防癌症的效果，如结直肠癌、前列腺癌、食管癌等[21-23]。番茄红素可以有效地阻截自由基，激活体内的免疫细胞来预防癌症。有研究表明，番茄红素预防食管癌主要为以下几个方面：激活具有调控机体多种生理和病理活动的PARy 蛋白，进而促进癌细胞凋亡；适量剂量的番茄红素可以抑制NF-κB，COX-2 及食管黏膜凋亡蛋白表达[23]。在动物模型中，番茄红素还被证实抑制胰岛素样生长因子Ⅰ型（IGF1） 诱导的许多肿瘤细胞系的增殖及减少自发和化学诱导的乳腺肿瘤的发生方面明显比任何胡萝卜素更有效[24]。还有研究人员对番茄红素的抗前列腺癌作用进行研究，发现番茄红素在体内和体外都能有效遏制前列腺癌细胞的繁衍、阻滞细胞周期、引诱细胞凋亡达到预防或治疗前列腺癌的作用[22]。综上所述，番茄红素预防癌症大多通过促凋亡的机制完成，还有少数研究发现番茄红素及其代谢物对各种癌细胞的细胞具有毒性作用，同时还可以通过调控肠道微生物和胆固醇来达到抗癌的作用[22]。

3 番茄红素在食品中应用

由于番茄红素色感明显、无毒且具有优良的抗氧化性、防癌、降脂、增强免疫等生物功能，在食品加工中可作为食品添加剂，近年也常用作某些食品的原料。在类胡萝卜素中，番茄红素变得越来越有利用价值。

3.1 番茄红素在烘焙食品中的应用

在焙烤食品上涂抹番茄酱，在一定程度上起到预防癌症的作用。有研究表明，添加番茄红素和番茄粉后，会与脂肪之间形成微球，硬度增加。由于番茄红素具有脂溶性，可能会减少小麦粉中可用的游离脂肪量，从而降低饼干的摊铺率。番茄红素的强抗氧化能力也会使DPPH 自由基清除活性增高，具有更高的抗氧化潜能，防止过氧化物脂质的形成。饼干在储存期间硬度的下降可能是由于水活度的增加，含有番茄粉和粗番茄红素饼干的光泽和色泽更好，添加番茄红素后，食品中粗脂肪和灰分含量也会显著增加[25]。为降低成本，也有研究人员直接在食物中加入番茄果皮，得到了富含番茄红素的汉堡肉制品。由于含有番茄红素，汉堡具有独特的颜色，且汉堡的感官质量仍然良好[26]。综上所述，在烘焙产品中，如全麦饼干等添加番茄粉和粗番茄红素可以在提高某些物理和感官性能的前提下提高抗氧化性能，有效改善烘焙产品在烘烤、包装、运输和储存过程中营养品质不断下降的缺陷。

3.2 番茄红素在肉制品中的应用

在肉制品生产中，为延长食品的最佳食用时间常加入亚硝酸盐。然而，亚硝酸盐在微生物作用下产生的亚硝胺会致癌，因此有关研究中采用番茄红素代替亚硝酸加入肉制品中。吴斌等人[27]则通过试验发现，番茄红素作为一些蔬果中红色色素的主要成分，具有良好的抗氧化性能，可以降低肉制品氧化的程度，进而起到防腐的作用；另一方面，番茄红素可以与亚硝酸盐配合使用可将硝酸盐转化为NO，从而降低腌肉制品中亚硝酸盐的残留[28]。番茄红素添加于某些产品中色素，可以稳定制品颜色；除此之外，有关研究表明，番茄红素可以制止微生物的繁殖，延长肉制品的最佳食用期。番茄红素还可以应用于畜禽饲料中，有研究表明投喂畜禽含有番茄红素的饲料，可以降低畜禽肉中不被需要的胆固醇含量，而增加了必需胆固醇酸的比例，从而提高肉制品的营养价值；同时，抗氧化剂可增强膜的稳定性，减少Ca2+从线粒体和肌浆网向肌浆内的渗漏，导致糖酵解电位下降，引起死后pH 值的下降，可以减少肉的滴水损失。饲粮中添加番茄渣也可降低肉的光泽度[29-30]。综上所述，番茄红素可以以粉末状加入畜禽饲料中，或者在腌肉制品中应用，可以改善肉制品的风味、色泽、营养价值，延长保质期。

3.3 番茄红素在食用油中的应用

空气中的氧气、温度和光照等因素均可能使食用油变质，尤其是对光敏感。由于油脂中含有具有双键的物质，在光的照射下易氢化，产生的物质会加快氧化反应的进行并引起酸臭味[31]。不仅油脂的风味、色泽和营养成分等会遭到破坏，长期食用还会危害人体健康。为抑制食用油的氧化变质，可在食用油中加入适量的抗氧化剂。为避免所用抗氧化剂对人具有潜藏的危害和毒性，常选用天然的抗氧化剂。国外一项研究表明，虽然加入番茄红素提取物并没有改变氧化机理，但作为一种清除剂，减缓了这一现象，试验结果表明，番茄红素提取物的添加使亚麻油的货架期延长了31% （Ranimat 试验） 和42%（贮藏期间的稳定性动力学）[32]。富含番茄红素的油树脂可作为橄榄油和葵花油的膳食稳定剂，可代替人工合成的防腐剂，在长时间的贮藏过程中起抗氧化的作用[33]。番茄红素除可作为膳食稳定剂加入食用油中，也可被引入基质（封装剂） 中，保护活性化合物免受外部条件的影响，抑制其与其他成分的接触或控制其释放。天然抗氧化剂的包封方法有多种，如喷雾干燥、超临界CO2和冷冻干燥及微胶囊化等。在食用油应用方面，有学者认为，基于纳米乳化的包封技术可能被认为是一种更有前景的方法，无毒，具有可调的流变性、高分散性，相对其他包封技术来说，更好地的控释和高物理稳定性[34]。当食用油暴露在光照下时，番茄红素具有光屏障特性和氧屏障特性，以及进行抗氧化释放，可以有效抑制过氧化物的形成[35]。目前，将番茄红素作为食品添加剂直接加入食用油中可以有效延长保质期，但番茄红素的生产成本高、稳定性低，限制其在食用油中的使用。另外，番茄红素以粉末状的形式添加于食用油中可能会产生不良的感官影响。因此，天然活性物质的封装技术在食用油应用中前景更好，但封装设备要求过高、封装成本高等问题尚未解决，技术仍有待改善。

3.4 其他应用

番茄红素天然无毒、功能丰富，可广泛应用于各类食品中，如利用其生物学性能研制具有保护人体健康功能的食品；番茄红素还应用于生产适用于特定人群的功能性饮料，包括运动饮料、早餐饮料和复合果汁饮料等、新口味饮料的开发。例如，有学者研发出一种珍珠粉圆苏打水，可以中和胃酸[36]；2020 年，加拿大发布文件番茄红素加入某些饮料中作为食品着色剂[37]。有研究采用3 种不同的方法制备了新型水溶性番茄红素- 壳寡糖（LYC-CHIOS） 复合物，同时测定了配合物的抗氧化活性，该研究拓展了番茄红素作为食品添加剂的应用[38]。近年来，国外有学者将番茄红素添加于冰激凌中，缓解面部炎症，降低年轻群体因不适当饮食患上痤疮的风险[39]。番茄红素也可被用于抑制苹果的新鲜切口处的氧化，国外研究发现用一定方式得到的番茄红素微球强化鲜切苹果，在5 ℃条件下处理9 d 后，抑制了酶促褐变且不影响理化或微生物质量[40]。食品在人们日常生活中占据了比较重要的地位。食品除需满足市场需求外，有不同种类的口感的风味，所含营养成分也不同。目前，市场上食品种类非常多，但大多数仍无法满足当代人追求饮食健康的需求。人们便开始注意到天然的植物成分，番茄红素由于其超强的抗氧化作用及降血脂、预防癌症等功能，引起人们密切关注。

4 结语

番茄红素被称为“植物黄金”，是一种高效抗氧化剂，能够消灭人体的氧化自由基，含番茄红素丰富的食品与蛋白质相结合时能被人体更好地吸收，也可以通过水煮食物的方式提高番茄红素的吸收效率；除此之外，番茄红素还具有保护皮肤等作用。番茄红素广泛存在于蔬果中，我国番茄红素来源丰富。目前，番茄红素被普遍应用于各行各业中，应用于医药行业，可以影响骨溶解症的发病进程[41]；在化妆品行业，番茄红素大多被应用于抗衰老产品，如抗衰老面膜的制作；随着研究的深入，有研究表明番茄红素还可用于养殖业中，含有番茄红素这种天然营养成分的饲料，帮助改善畜禽肉品质和提高动物的生殖率，如在产蛋母鸡每天的基础饲料中添入适量的番茄红素，降低了胆固醇在蛋和肉中的含量[42]。番茄红素应用多元化，但产量低，市场需求巨大，价格昂贵。这一问题限制了番茄红素的工业化生产，而实现工业化生产不仅要考虑番茄红素本身的提取率，还要考虑后续的可持续发展及实际的生产要求。目前，利用真菌、藻类和酵母的微生物发酵方法的生产和发展呈现出显著的发展趋势，其成本相对较低，对环境造成的污染较少。然而，这项技术还不成熟。因此，可以将不同提取方法的优点结合起来，促进工业发展和生产优化选择[43]。综上所述，有关番茄红素的创新制品的研究越来越多，在多个行业的发展前景良好。