番茄红素是目前发现的天然类抗氧化剂中最有效的一种单项氧自由基清除剂,被誉为“植物黄金”[1]。番茄红素大多存在于红色、粉色和橙色的成熟果蔬中,包括番茄、胡萝卜、木瓜、西瓜和蔓越莓等[2-3]。因其具有抗氧化、抗炎、抗癌等生物活性而备受关注,现已应用于食品行业。《中国居民膳食营养素参考摄入量(2023版)》中提到,番茄红素的成人日推荐摄入量为15 mg/d,但人体自身不能合成,只能从食物中摄取[4],故研究高效的提取方式对于满足其日益增长的需求至关重要。研究表明,采用不同提取方式和条件提取番茄红素时,其顺式和反式异构体含量会随之发生变化,进而影响番茄红素的生物利用度和生物活性。另外,食品分散体系以及食品组分与番茄红素之间的相互作用对番茄红素的生物利用度亦有重要影响[5]。本文通过对现有研究成果的系统收集、分析和综合,概括了番茄红素的各种生物活性及其机制,比较了不同提取方式的原理和特点,总结了提取方法和条件对其异构化的影响以及其在食品领域中的应用,为开发高品质的番茄红素功能性食品提供理论依据。
番茄红素(C40H56)是一种类胡萝卜素,相对分子质量为536.85,熔点为174 ℃[6],不溶于水,难溶于醇,易溶于有机溶剂如四氢呋喃、三氯甲烷、己烷、丙酮、石油醚等。对氧化剂、酸、热、光、及铜、铁等金属阳离子都很敏感[7],稳定性很差,所以不恰当的加工方式和贮藏条件极易使番茄红素降解,导致产品中番茄红素含量降低,功效减弱。番茄红素是一种含有11个共轭双键和2个非共轭双键的直链烃,属于异戊二烯类化合物[8],存在多种顺反式异构体。在光、热或催化剂的作用下,番茄红素全反式构型会转化为顺式异构体[9]。番茄红素的全反式分子是一种完全拉伸的平面构型(图1),双键相邻的碳原子上的甲基与氢原子易发生重叠,直链上第1个和第4个位置上的原子发生非键合相互作用,两者相互吸引使其分子结构发生不同角度的弯曲和扭转,导致番茄红素异构化,但由于位阻效应、分子内旋受阻和分子重排数目受限,仅形成72种不同的有利构型[10]。其中最常见的顺式异构体是5-顺式、9-顺式、13-顺式、15-顺式番茄红素,最稳定的构型是5-顺式番茄红素[11]。番茄红素全反式结构是最稳定的热力学形式,因此天然存在的番茄红素大部分是全反式构型[12]。但全反式番茄红素的生物利用度很低,其特殊的异戊二烯结构在提取过程中极易受到环境因素的作用而氧化[13],降低了番茄红素的提取率和生物利用度。研究表明[14],番茄红素顺式异构体的生物利用度较高,因为番茄红素顺式异构体比反式异构体更容易被消化和吸收[15],所以番茄红素在人体组织中主要为顺式构型(>50%)。
图1 番茄红素的全反式构型
Fig.1 All-trans-configuration of lycopene
近年来,番茄红素生物活性的研究主要集中在抗氧化作用、抗炎作用、预防癌症以及调节睡眠等方面。
番茄红素是植物中最强的抗氧化剂之一[16],分子中含有的共轭双键体系使其成为类胡萝卜素中最有效淬灭单线态氧的物质[17],番茄红素清除单线态氧的能力是β-胡萝卜素的2倍[18]。它能直接清除氧自由基,通过促进核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2)信号通路激活,进而抑制脂质过氧化和激活内源性抗氧化酶系统等多种机制相互作用,有助于减轻氧化应激对细胞和组织的损害(图2)[19-20]。另外,还对番茄红素的抗氧化活性进行了研究,如PATARO等[21]用具有还原性的Fe2+(ferric ion reducing antioxidant power, FRAP)测试番茄皮中番茄红素的抗氧化活性,通过脉冲电场预处理,提高了全反式番茄红素的抗氧化活性。WANG等[22]比较了含有5%、30%和55%顺式异构体番茄红素的抗氧化活性。以DPPH自由基和ABTS阳离子自由基为检测指标,得到的样品半数抑制浓度(fifty percent inhibiting concentration, IC50)分别为140、110、80 μg/mL和80、60、35 μg/mL,表明番茄红素的抗氧化活性随着顺式异构体含量的增加而增大。
目前,对番茄红素抗炎作用机制的研究尚处于探索阶段。如张丹等[23]通过动物试验发现,番茄红素通过抑制炎症通路核因子κB (nuclear factor kappa-B, NF-κB)蛋白的激活,减轻炎症;同时降低血清炎症因子水平,保护肾脏。赵钦欣等[24]研究番茄红素联合槲皮素、姜黄素对大鼠慢性前列腺炎的治疗作用,发现番茄红素能降低炎症因子的表达水平,抑制NF-κB的磷酸化,加强Nrf2的转录活性,治疗大鼠的前列腺炎。SHEN等[25]研究番茄红素对无特定病原体(specific pathogen free, SPF)级小鼠心脏中邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯诱导的心血管疾病的影响。结果显示,番茄红素会导致心脏谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)活性增加,使心脏谷胱甘肽(glutathione, GSH)水平升高,进而抑制邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯引起的氧化应激,预防慢性炎症引起的心血管疾病。
另外,番茄红素还通过多种作用机制调节机体的免疫功能。研究发现,番茄红素能够促进机体的体液免疫和细胞免疫,保护吞噬细胞,免受氧化损伤,抑制 NF-κB 信号通路激活[26]及炎性细胞因子的产生(图3)[27],这些机制共同促进了机体的免疫平衡,有助于抵御炎症,在维护健康和预防疾病方面发挥重要作用。但由于番茄红素的脂溶性性质,导致其在水中溶解度低,提取困难,导致其生物利用率低。因此有研究通过构建番茄红素递送系统如脂质微粒[28],显著改善其稳定性和水溶性,提高其生物利用度;此外,番茄红素与黄酮类物质联用构成的共消化体系,可有效增强其在机体内的吸收率和生物利用度[29]。
图2 番茄红素的抗氧化机制
Fig.2 Antioxidant mechanism of lycopene
注:ROS:活性氧 (reactive oxygen species);Keap1:胞质接头蛋白,kelch样ECH关联蛋白1 (kelch-like ECH-associated protein 1);Maf:肌肉腱膜纤维肉瘤癌基因(musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog);ARE:抗氧化反应元件 (antioxidant response element);SOD:超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase);CAT:过氧化氢酶 (catalase)。
图3 番茄红素的抗炎机制
Fig.3 Anti-inflammatory mechanism of lycopene
注:TNF-α:肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor);IKbα激酶:核因子κB抑制蛋白α激酶 (NF-κB inhibitor alpha kinase);NF-κB-P50:P50亚单位形成的二聚体蛋白 (NF-κB1);P50-RelA:RelA (p65) 与 p50组成的异二聚体 (NF-κB dipolymer),发生核转位后迅速启动靶基因如 TNF-α、白细胞介素因子表达。
番茄红素是一种具有潜在抗癌效果的天然化合物。它能影响细胞周期、调控磷酸化细胞外信号调节激酶蛋白的表达,改变肠道菌群,影响癌症发展,预防结直肠癌[30]。番茄红素还能有效抑制前列腺癌细胞的增殖,促进细胞凋亡,通过阻断缝隙连接分子和抑制菌落形成、影响细胞黏附和迁移,增加抗氧化和抗增殖作用,减少炎症细胞因子,达到预防或治疗前列腺癌的目的[31]。此外,番茄红素预防食道癌可能的机制主要有:改善多腺苷二磷酸核糖基化修饰蛋白(PARylation, PARy)表达水平;显著降低炎症细胞因子及半胱天冬酶蛋白的表达,抑制 NF-κB 和环氧化酶,促进癌细胞凋亡[32]。朱韵辰等[33]研究番茄红素对乳腺癌干细胞干性的影响。结果表明,番茄红素通过抑制活性氧调控 NF-κB 信号通路,进而抑制乳腺癌干细胞干性,并增强其治疗敏感性。综上所述,番茄红素通过多种机制发挥抗癌作用,从而预防相关疾病,值得在日常饮食中加以重视和推广。
长期摄入富含番茄红素的食品,能够有效改善老年人的认知和记忆能力[34],预防神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病及亨廷顿氏舞蹈病等[35]。番茄红素通过抑制氧化应激、改善线粒体功能、调控炎症反应和抑制细胞凋亡等多种机制,实现对大脑中枢神经系统的保护作用[36-37],同时对睡眠障碍也有一定的改善作用。EL MORSY等[38]发现番茄红素能够激活失眠标志物脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)通路,抑制神经细胞凋亡,增强突触可塑性。番茄红素还能够通过抑制 Toll 样受体4 (the toll-like receptor 4, TLR4)、NF-κB的激活,进而减轻 β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)的沉积(图4)[39],改善其诱导的神经炎症反应。KHAN 等[40]调查睡眠时间和富含番茄红素饮食摄入量之间的关系,结果显示,富含番茄红素的饮食对睡眠调节具有积极影响[41]。从神经生物学的角度看,可能是由番茄红素的抗炎作用引起的,机制可能为其改善了氧化应激和激活了丝裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶信号通路[42-43]。在应激条件下,HPA 轴应激系统和交感神经系统被激活的时间延长,会出现 HPA 轴失调以及失眠现象[44],这表明了番茄红素和睡眠调节之间的相关性。
图4 番茄红素减少 Aβ 沉积的机理
Fig.4 Mechanism of lycopene attenuating Aβ deposition
注:NF-κb-p65:核转录因子P65 (nuclear factor kappa-B, p65)。
近年来,番茄红素因其优异的性能被应用于各种食品,这使番茄红素的提取技术受到广泛关注,因此总结并对比了番茄红素提取技术的原理和优缺点,具体如表1所示。
表1 番茄红素各种提取技术的对比
Table 1 Comparison of various extraction techniques of lycopene
提取方法提取原理优点缺点参考文献有机溶剂萃取相似相溶操作简便、适用范围广、成本低化学残留、纯度低、提取效率低、有异味[45-46]超临界CO2萃取利用CO2在超临界状态下的较大密度和较小黏度从物料中萃取、分离和纯化有效成分绿色无污染、安全、对热敏性物质友好对设备要求较高、操作复杂[47-48]超声辅助提取空化效应、机械效应和热效应破坏了细胞结构的完整性效率高,减少有机溶剂使用,适用性广,操作简单损耗大,可能影响物质异构化、噪音[49-50]微波辅助提取微波热效应破坏细胞壁操作少,杂质低,高效,减少有机溶剂使用,均匀加热,选择性高,适用性广设备要求高,损耗大,对热敏性物质有影响[51]脉冲电场辅助提取脉冲电场增加了渗透性,破坏了细胞壁高效,节省能源和时间,减少有机溶剂的使用难以扩大生产[52]加压辅助提取高压破坏了细胞壁高效,节能,减少有机溶剂的使用,处理均匀高压安全问题[53]
由表1可知,现提取番茄红素的常用技术有6种,其中有机溶剂萃取法应用最广泛。在工业生产和实验室提取番茄红素时,经常使用有机溶剂如石油醚、丙酮等[54],但有机溶剂对人体有害,故无法用于食品领域。而超临界CO2萃取法提取番茄红素绿色安全,有望用于食品和医药等领域。其次,辅助提取技术提取番茄红素,能改善番茄红素的质量,并提高其提取效率。
另外,不同提取方式和条件对番茄红素的异构体比例会产生不同程度的影响。例如提取过程中使用的温度、压力、溶剂种类等因素都会影响番茄红素的异构化[55]:高温和长时间的提取条件通常会促进热异构化,而低温或特定溶剂则有助于保持番茄红素的原始异构体结构。如邓爱华等[56]研究超临界萃取参数对番茄红素产量和活性的影响,发现在提取番茄红素时,在20~40 MPa,从40 ℃开始,番茄红素的产量随着温度的升高而提升,当超临界萃取温度超过70 ℃时,才会对番茄红素异构体的抗氧化活性和组成产生显著影响。因此根据应用需求,优化提取条件和加工技术,提高番茄红素的异构体比例和生物活性,以期开发出更高效的天然食品原料,促进其在食品领域的应用。
由于普通食物中番茄红素的含量较低,无法满足各类人群的需求,故开发番茄红素营养健康食品应运而生。
膳食补充剂作为饮食的一种辅助手段,是指以维生素、矿物质以及植物提取物等为主要原料,通过补充人体必需的营养素和生物活性物质,对特定的人群具有平衡营养摄取、调节机体功能作用的营养健康产品[57]。目前,大多数以番茄红素为主要活性成分的膳食补充剂是以软胶囊的形式出现,食用番茄红素软胶囊能有效减少自由基损伤造成的疾病,提高机体免疫力,预防疾病和衰老[58]。如随晶晶等[59]研究了番茄红素灵芝孢子油软胶囊对免疫功能的影响。结果表明,食用该软胶囊安全无害,能提高机体免疫力的功效,为新产品开发提供了有力的科学依据。赵文法等[60]探究沙棘油番茄红素软胶囊对试验性高脂大鼠的降血脂作用,结果表明,该软胶囊能显著降低高血脂大鼠血清中血清总胆固醇、血清甘油三酯、低密度胆固醇水平,同时对高密度脂蛋白胆固醇水平无明显影响,这证明了沙棘油番茄红素软胶囊具有降血脂作用。
制作烘焙食品时,添加番茄红素能提高抗氧化性能,有效改善焙烤食品在生产、包装、运输和贮存过程中营养品质的下降[61]。AHMAD BHAT等[62]研究番茄红素对全麦面粉饼干营养质量和保质期的影响。结果表明,加入活性成分后,面团和饼干的物理、感官特性无不良变化,且产品的DPPH自由基清除活性、抑制脂质过氧化等抗氧化作用显著提升。LUISA GARCA等[63]制作了富含番茄红素的汉堡肉制品,发现添加番茄红素的汉堡肉制品,不仅能形成独特的色泽,还能保持良好的感官性能。另外,在焙烤食品中补充番茄红素,也是一种干预肥胖发生的潜在营养学方法,因为番茄红素的强抗氧化活性会改善脂质代谢,防止过氧化物脂质的形成[64]。
番茄红素用于肉制品生产,作为保鲜剂替代品,加入鸡肉中,不仅能降低氧化程度,还能有效改善其色泽和质构,延长保质期[65]。其次,番茄红素也可以与亚硝酸盐复配,将硝酸盐转化为一氧化氮,以降低食品中有毒添加剂的残留[66]。再次,番茄红素还可以作为食品着色剂,用于运动饮料、复合果汁饮料及新饮料的开发[67]。BOCKUVIENE等[68]将番茄红素与低聚壳糖络合,开发了新的水溶性番茄红素递送体系,拓展了其在食品加工中的应用。再者,番茄红素还用作天然着色剂,代替合成染料用于食品中[69]。CHERNYSHOVA等[70]制作了一款番茄红素冰淇淋,发现该产品能够缓解机体炎症,减轻患痤疮的风险。再者,氧化应激是过氧化物形成的重要因素,STOLL等[71]研究了类胡萝卜素提取物聚(酸)膜对食用油贮存的影响,结果表明使用天然抗氧化剂如番茄红素等制备活性包装是抑制过氧化物形成的一种有效方法。最后,番茄红素还可作为有效膳食稳定剂加入食用油中,代替人工合成防腐剂,抑制长期贮存过程中的氧化反应[72]。
番茄红素不溶于水且易受环境影响而降解,利用微胶囊化技术可改善其稳定性,使番茄红素能够在米粉挤压、蛋糕加工等过程中保持更好的颜色和贮存稳定性。此外,这种技术还可以实现功能成分的控释或定向释放。王德萍等[73]以番茄红素为芯材,以木薯淀粉、马铃薯淀粉、高酰基植物凝胶作为壁材配料,研制了一种新型高生理功能的番茄红素珍珠粉圆苏打水,具有中和胃酸的作用。另外,在食品行业应用中,延长了番茄产业链,促进了番茄红素的综合利用与开发。
综上所述,番茄红素是一种重要的天然植物提取物,具有多种生物活性和保健功能,这些特性使得番茄红素在食品工业中具有广泛的应用前景,尤其是在食品领域。其多样化的应用使番茄红素的提取技术受到广泛关注。在提取番茄红素时,需综合考虑提取方式和提取条件,提高番茄红素顺式异构体的比例,以期制备出高效的天然功能性食品原料。
同时,番茄红素在生产和应用上面临一些问题和挑战:a)生产技术限制[74]:番茄红素的生产仍然存在一定的技术难题,如提取效率低、成本高问题,这限制了其大规模应用;b)市场接受度[75]:虽然番茄红素的健康益处得到了科学认可,但市场上对于新型功能性成分的接受程度不一,特别是在不同文化和地区之间可能存在差异;c)法规与标准[75]:不同国家和地区对于食品添加剂的安全标准不同,这对番茄红素产品的国际化推广构成挑战;d)产品形式和功效单一:目前以番茄红素为主要功能成分的产品主要以软胶囊的形式存在,功能主要集中在增强机体免疫力等方面,其他生物活性应用的食品亟待下一步开发。随着对番茄红素提取技术和作用机制的进一步研究,未来将会出现更多新型的健康食品。
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