番茄红素的生物活性、提取方式及其在食品领域中的应用

白玉冰1,2,3,4,陈秀金1,2,3*,王蔚然4*,臧鹏4,高红丽1,2,3,李兆周1,2,3,牛华伟1,2,3,王耀1,2,3

1(河南科技大学 食品与生物工程学院,河南 洛阳,471000) 2(河南省食品绿色加工与质量安全控制国际联合实验室,河南 洛阳,471000) 3(国家级实验教学示范中心 食品加工与安全,河南 洛阳,471000) 4(中国航天员科研训练中心 航天医学全国重点实验室,北京,100094)

摘 要 番茄红素是一种重要的天然类胡萝卜素,因具有抗氧化作用、抗炎作用、预防癌症和调节睡眠等多种生物活性功能而广泛用于食品领域。同时,番茄红素的生物活性功能和其构型有关,其顺式构型比反式构型更容易被人体吸收并具有更强的生理活性功能,它的构型变化会受提取方式和提取条件的影响。因此,论文综述了番茄红素的性质和化学结构、番茄红素的生物活性功能及其作用机制;比较了番茄红素不同提取方式的原理和优缺点;讨论了番茄红素的提取方式和提取条件对其异构化的影响,总结了番茄红素在食品领域中的应用,并指出了番茄红素用于食品生产时所遇到的问题和挑战。

关键词 番茄红素;生物活性;提取方式;食品领域

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。

1 番茄红素的性质和结构

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

2 番茄红素的生物活性

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。

2.1 抗氧化作用

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。

2.2 抗炎作用

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。

2.3 抗癌作用

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。

2.4 调节睡眠作用

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)。

3 番茄红素的提取技术

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。

4 番茄红素在食品领域的应用

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。

4.1 用于膳食补充剂

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。

4.2 用于焙烤食品

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]

4.3 用作食品添加剂

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]

4.4 其他应用

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。

5 总结与展望

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。

参考文献

[1] WAWRZYNIAK D, ROLLE K, BARCISZEWSKI J.Lycopene-the impact of supplementation on the skin aging process[J].Postepy Biochemii, 2023, 69(1):47-53.

[2] LONG Y, PAENGKOUM S, LU S Y, et al.Physicochemical properties, mechanism of action of lycopene and its application in poultry and ruminant production[J].Frontiers in Veterinary Science, 2024, 11:1364589.

[3] 梅华迪, 李袁飞, 马现永, 等.番茄红素的生理功能及其在猪和鸡生产中的应用[J].动物营养学报, 2023, 35(2):727-737.
MEI H D, LI Y F, MA X Y, et al.Physiological function of lycopene and its application in swine and chicken production[J].Chinese Journal of Animal Nutrition, 2023, 35(2):727-737.

[4] 修伟业, 黎晨晨, 王艺錡, 等.番茄红素生物学功能研究进展[J].食品科技, 2020, 45(1):322-325.
XIU W Y, LI C C, WANG Y Q, et al.Progress in biological functions of lycopene[J].Food Science and Technology, 2020, 45(1):322-325.

[5] 于颖, 张维, 谢凡, 等.改善番茄红素生物利用度的研究进展[J].食品科学, 2019, 40(19):346-352.
YU Y, ZHANG W, XIE F, et al.Progress in the improvement of lycopene bioavailability[J].Food Science, 2019, 40(19):346-352.

[6] 马永强, 隋佳琦, 黎晨晨, 等.番茄红素光异构化及热稳定性研究[J].食品安全质量检测学报, 2024, 15(2):35-43.
MA Y Q, SUI J Q, LI C C, et al.Study on photoisomerization and thermal stability of lycopene[J].Journal of Food Safety &Quality, 2024, 15(2):35-43.

[7] 刘琳琳, 杨杨, 任丽琨, 等.番茄红素递送系统研究进展[J].食品科技, 2021, 46(12):42-48.
LIU L L, YANG Y, REN L K, et al.Research progress in the lycopene delivery system[J].Food Science and Technology, 2021, 46(12):42-48.

[8] ARBALLO J, AMENGUAL J, ERDMAN J W.Lycopene:A critical review of digestion, absorption, metabolism, and excretion[J].Antioxidants, 2021, 10(3):342.

[9] 张红艳, 石凯欣, 潘思轶.番茄红素异构化研究进展[J].食品科学, 2023, 44(19):330-339.
ZHANG H Y, SHI K X, PAN S Y.Research progress on lycopene isomerization[J].Food Science, 2023, 44(19):330-339.

>[10] 刘昊, 闫圣坤.番茄红素异构化的研究进展[J].中国果菜, 2020, 40(7):35-38.
LIU H, YAN S K.Research progress on isomerization of lycopene[J].China Fruit &Vegetable, 2020, 40(7):35-38.

[11] 杨智夷, 刘娜, 贾玉龙, 等.发酵番茄酸汤油制加工对番茄红素顺/反异构增效作用[J].食品科学, 2024, 45(11):68-74.
YANG Z Y, LIU N, JIA Y L, et al.Enhancing effect of cooking of fermented tomato sour soup with added oil on lycopene cis/trans isomerization[J].Food Science, 2024, 45(11):68-74.

[12] 李广志, 马永强, 黎晨晨, 等.番茄红素异构化及在番茄果汁中的应用[J].中国食品添加剂, 2022, 33(5):43-49.
LI G Z, MA Y Q, LI C C, et al.Isomerization of lycopene and its application in tomato juice[J].China Food Additives, 2022, 33(5):43-49.

[13] 孙瑞, 尚坤, 武琪琪, 等.番茄红素生物合成及抗氧化研究进展[J].食品科技, 2023, 48(6):246-252;260.
SUN R, SHANG K, WU Q Q, et al.Advances on lycopene biosynthesis and antioxidant research[J].Food Science and Technology, 2023, 48(6):246-252;260.

[14] 朱倩, 高瑞萍, 雷琳, 等.番茄红素热异构化机制及其影响因素研究进展[J].食品科学, 2018, 39(15):310-315.
ZHU Q, GAO R P, LEI L, et al.Mechanism and factors influencing thermal isomerization of lycopene:A review[J].Food Science, 2018, 39(15):310-315.

[15] AMORIM A D G N, VASCONCELOS A G, SOUZA J, et al.Bio-availability, anticancer potential, and chemical data of lycopene:An overview and technological prospecting[J].Antioxidants, 2022, 11(2):360.

[16] 丛林, 朱静华, 张兆臣.浅谈番茄红素的功效和使用[J].田径, 2020(8):84.
CONG L, ZHU J H, ZHANG Z C.On the efficacy and use of lycopene[J].Track and Field, 2020(8):84.

[17] BIN-JUMAH M N, NADEEM M S, GILANI S J, et al.Lycopene:A natural arsenal in the war against oxidative stress and cardiovascular diseases[J].Antioxidants, 2022, 11(2):232.

[18] WU H N, WU Y M, CUI Z, et al.Nutraceutical delivery systems to improve the bioaccessibility and bioavailability of lycopene:A review[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2024, 64(18):6361-6379.

[19] 王倩, 王晓红, 安晶晶, 等.番茄红素对人肝L02细胞氧化损伤的保护作用及其机制[J].卫生研究, 2018, 47(2):281-285;306.
WANG Q, WANG X H, AN J J, et al.Lycopene’s protective effect on oxidative damage of L02 cells and its mechanism[J].Journal of Hygiene Research, 2018, 47(2):281-285;306.

[20] KULAWIK A, CIELECKA-PIONTEK J, ZALEWSKI P.The importance of antioxidant activity for the health-promoting effect of lycopene[J].Nutrients, 2023, 15(17):3821.

[21] PATARO G, CARULLO D, FALCONE M, et al.Recovery of lycopene from industrially derived tomato processing by-products by pulsed electric fields-assisted extraction[J].Innovative Food Science &Emerging Technologies, 2020, 63:102369.

[22] WANG H Y, LIN Y T, LIU Q S, et al.Antioxidant, anticancer activity and molecular docking study of lycopene with different ratios of Z-isomers[J].Current Research in Food Science, 2023, 6:100455.

[23] 张丹, 潘思影, 张会峰, 等.番茄红素对链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠抗糖尿病作用及机制[J].中国老年学杂志, 2021, 41(7):1454-1458.
ZHANG D, PAN S Y, ZHANG H F, et al.Antidiabetic mechanism of lycopene on streptozotocin-induced diabetic rats[J].Chinese Journal of Gerontology, 2021, 41(7):1454-1458.

[24] 赵钦欣, 杨飞亚, 陈东, 等.番茄红素联合槲皮素、姜黄素对大鼠慢性前列腺炎/慢性骨盆疼痛综合征的治疗作用以及机制的初步探讨[J].中华男科学杂志, 2021, 27(2):99-105.
ZHAO Q X, YANG F Y, CHEN D, et al.Lycopene combined with quercetin and curcumin for chronic prostatitis /chronic pelvic pain syndrome in rats:Effect and mechanism[J].National Journal of Andrology, 2021, 27(2):99-105.

[25] SHEN Y, LIU L, LI M Z, et al.Lycopene prevents Di-(2-ethylhexyl) phthalate-induced mitophagy and oxidative stress in mice heart via modulating mitochondrial homeostasis[J].The Journal of Nutritional Biochemistry, 2023, 115:109285.

[26] CAO Z, WANG P Y, GAO X, et al.Lycopene attenuates aluminum-induced hippocampal lesions by inhibiting oxidative stress-mediated inflammation and apoptosis in the rat[J].Journal of Inorganic Biochemistry, 2019, 193:143-151.

[27] 薛荣. 番茄红素通过增强枯否细胞自噬抑制NLRP3炎症小体活化并缓解肝脏缺血再灌注损伤的机制研究[D].南京:东南大学, 2021.
XUE R. Study on the mechanism of lycopene inhibiting the activation of NLRP3 inflammatory bodies and alleviating liver ischemia-reperfusion injury by enhancing autophagy of Kupffer cells[D]. Nanjing: Southeast University, 2021.

[28] TAWFIK M S, ABDEL-GHAFFAR K A, GAMAL A Y, et al.Lycopene solid lipid microparticles with enhanced effect on gingival crevicular fluid protein carbonyl as a biomarker of oxidative stress in patients with chronic periodontitis[J].Journal of Liposome Research, 2019, 29(4):375-382.

[29] 陈璇. 黄酮类化合物(槲皮素、木犀草素)与类胡萝卜素(番茄红素、叶黄素)协同抗氧化作用及分子机制[D].南昌:南昌大学, 2022.
CHEN X.Synergistic antioxidant effects and mechanisms of flavonoids (quercetin, luteolin) and carotenoids (lycopene, lutein) [D].Nanchang:Nanchang University, 2022.

[30] MOLINA MONTES E, GARCIA VILLANOVA B, GUERRA HERNNDEZ E, et al.Cancer:Oxidative Stress and Dietary Antioxidants[M].2th ed.San Diego:Academic Press, 2021.

[31] MIRAHMADI M, AZIMI-HASHEMI S, SABURI E, et al.Potential inhibitory effect of lycopene on prostate cancer[J].Biomedecine &Pharmacotherapie, 2020, 129:110459.

[32] CUI L L, XU F, WU K, et al.Anticancer effects and possible mechanisms of lycopene intervention on N-methylbenzylnitrosamine induced esophageal cancer in F344 rats based on PPARγ1[J].European Journal of Pharmacology, 2020, 881:173230.

[33] 朱韵辰, 周宪春.番茄红素通过 ROS/NF-κB 调控乳腺癌干细胞干性和化疗敏感性的研究[J].中国现代应用药学, 2022, 39(6):725-729.
ZHU Y C, ZHOU X C.Study on lycopene regulates stemness and chemosensitivity of breast cancer stem cell through ROS/NF-κB signaling[J].Chinese Journal of Modern Applied Pharmacy, 2022, 39(6):725-729.

[34] 屈明癑, 邱洪杰, 胡红芳.番茄红素防治神经退行性疾病的研究进展[J].解放军预防医学杂志, 2018, 36(3):422-425.
QU M N, QIU H J, HU H F.Research progress of lycopene in preventing and treating neurodegenerative diseases[J].Journal of Preventive Medicine of Chinese PLA, 2018, 36(3):422-425.

[35] RATTO F, FRANCHINI F, MUSICCO M, et al.A narrative review on the potential of tomato and lycopene for the prevention of Alzheimer’s disease and other dementias[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2022, 62(18):4970-4981.

[36] 杨艳, 韦炎龙, 方峰.番茄红素对中枢神经系统保护机制研究进展[J].生物技术通讯, 2019, 30(4):560-566.
YANG Y, WEI Y L, FANG F.Progress on the protective mechanisms of lycopene on central nervous system[J].Letters in Biotechnology, 2019, 30(4):560-566.

[37] CHEN D J, HUANG C, CHEN Z.A review for the pharmacological effect of lycopene in central nervous system disorders[J].Biomedecine &Pharmacotherapie, 2019, 111:791-801.

[38] EL MORSY E M, AHMED M.Protective effects of lycopene on hippocampal neurotoxicity and memory impairment induced by bisphenol A in rats[J].Human &Experimental Toxicology, 2020, 39(8):1066-1078.

[39] LIU C B, WANG R, YI Y F, et al.Lycopene mitigates β-amyloid induced inflammatory response and inhibits NF-κB signaling at the choroid plexus in early stages of Alzheimer’s disease rats[J].The Journal of Nutritional Biochemistry, 2018, 53:66-71.

[40] KHAN U M, SEVINDIK M, ZARRABI A, et al.Lycopene:Food sources, biological activities, and human health benefits[J].Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2021, 2021(1):2713511.

[41] YANG T H, CHEN Y C, OU T H, et al.Dietary supplement of tomato can accelerate urinary aMT6 s level and improve sleep quality in obese postmenopausal women[J].Clinical Nutrition, 2020, 39(1):291-297.

[42] 郭剑英. 番茄红素通过调控MAPK信号通路干预阿特拉津暴露致小鼠心肾功能损伤的研究[D].哈尔滨:东北农业大学, 2021.
GUO J Y. Study on lycopene’s intervention on cardiac and renal damage induced by atrazine exposure in mice by regulating MAPK signaling pathway[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2021.

[43] 刘亭, 毕竟, 王盼, 等.MAPK/ERK信号通路参与褪黑素对阿尔茨海默病大鼠小脑的神经保护作用[J].中国药理学通报, 2019, 35(3):402-407.
LIU T, BI J, WANG P, et al.Neuroprotective effect of melatonin in cerebellums in Alzheimer’s disease animal models via MAPK/ERK signaling pathway[J].Chinese Pharmacological Bulletin, 2019, 35(3):402-407.

[44] CARVALHAS-ALMEIDA C, SERRA J, MOITA J, et al.Understanding neuron-glia crosstalk and biological clocks in insomnia[J].Neuroscience &Biobehavioral Reviews, 2023, 147:105100.

[45] 阮丽, 曾庆肖, 周润芝, 等.番茄红素生物活性及提取研究进展[J].食品安全导刊, 2021(20):171-172.
RUAN L, ZENG Q X, ZHOU R Z, et al.Research progress on biological activity and extraction of lycopene[J].China Food Safety Magazine, 2021(20):171-172.

[46] 周亚杰, 郭原, 冯鹏, 等.番茄红素提取、纯化和稳定性提高技术研究[J].中国卫生产业, 2019, 16(32):83-85.
ZHOU Y J, GUO Y, FENG P, et al.Study on extraction, purification and stability improvement of lycopene[J].China Health Industry, 2019, 16(32):83-85.

[47] AMAN MOHAMMADI M, SAFAVIZADEH V, YOUSEFI M, et al.A short review of supercritical fluid extraction of plant extracts[J].Journal of Food Measurement and Characterization, 2024, 18(5):3651-3664.

[48] 王晓东, 张兴喜, 庞宏建, 等.超临界CO2萃取番茄红素研究进展[J].广东化工, 2019, 46(21):86-88.
WANG X D, ZHANG X X, PANG H J, et al.Research progress of supercritical fluid CO2 extraction techniques of lycopene[J].Guangdong Chemical Industry, 2019, 46(21):86-88.

[49] DENG Y, ZHAO S N, YANG X L, et al.Evaluation of extraction technologies of lycopene-Hindrance of extraction, effects on isomerization and comparative analysis:A review[J].Trends in Food Science &Technology, 2021, 115:285-296.

[50] LIANG X P, MA C C, YAN X J, et al.Advances in research on bioactivity, metabolism, stability and delivery systems of lycopene[J].Trends in Food Science &Technology, 2019, 93:185-196.

[51] HUMA Z E, JAYASENA V, NASAR-ABBAS S M, et al.Process optimization of polyphenol extraction from carob (Ceratonia siliqua) kibbles using microwave-assisted technique[J].Journal of Food Processing and Preservation, 2018, 42(2):e13450.

[52] NALIYADHARA N, KUMAR A, GIRISA S, et al.Pulsed electric field (PEF):Avant-garde extraction escalation technology in food industry[J].Trends in Food Science &Technology, 2022, 122:238-255.

[53] SANTOS K S, BARBOSA A M, FREITAS V, et al.Antiproliferative activity of neem leaf extracts obtained by a sequential pressurized liquid extraction[J].Pharmaceuticals, 2018, 11(3):76.

[54] 解鹤, 蔡天培, 陈兵兵, 等.利用数学建模思想对西瓜中番茄红素的提取溶剂的研究[J].化工设计通讯, 2018, 44(12):138.
XIE H, CAI T P, CHEN B B, et al.Study on extraction solvent of lycopene from watermelon by mathematical modeling[J].Chemical Engineering Design Communications, 2018, 44(12):138.

[55] 马永强, 谭振洪, 黎晨晨.番茄红素异构化方法及生物可给率影响因素的研究进展[J].包装工程, 2022, 43(23):89-97.
MA Y Q, TAN Z H, LI C C.Research progress on isomerization methods of lycopene and influencing factors of bioavailability[J].Packaging Engineering, 2022, 43(23):89-97.

[56] 邓爱华, 汤须崇, 刘凤英, 等.超临界萃取参数对番茄红素产量及抗氧化活性的影响[J].分子植物育种, 2019, 17(2):620-625.
DENG A H, TANG X C, LIU F Y, et al.Effect of supercritical extraction parameters on yield and antioxidant activity of lycopene[J].Molecular Plant Breeding, 2019, 17(2):620-625.

[57] 李桂英, 张中朋.膳食营养补充剂行业发展情况(一)[J].精细与专用化学品, 2019, 27(9):1-10.
LI G Y, ZHANG Z P.Development of dietary nutrition supplementary industry (Ⅰ)[J].Fine and Specialty Chemicals, 2019, 27(9):1-10.

[58] 王蓉. 天然类胡萝卜素功能性产品的开发和应用探讨[J].南方农机, 2019, 50(11):85-86.
WANG R.Development and application of natural carotenoids functional products[J].China Southern Agricultural Machinery, 2019, 50(11):85-86.

[59] 随晶晶, 焦春伟, 陈家明, 等.番茄红素灵芝孢子油软胶囊的毒理学和免疫功能试验研究[J].现代食品, 2022, 28(8):190-194.
SUI J J, JIAO C W, CHEN J M, et al.Study on toxicology and immune function of lycopene and Ganoderma lucidum spore oil soft capsule[J].Modern Food, 2022, 28(8):190-194.

[60] 赵文法, 杜攀.沙棘油番茄红素软胶囊对大鼠的辅助降血脂实验研究[J].山东化工, 2019, 48(7):39-40;42.
ZHAO W F, DU P.Experimental study on the auxiliary hypolipidemic effect of seabuckthorn oil lycopene soft capsule on rats[J].Shandong Chemical Industry, 2019, 48(7):39-40;42.

[61] 梁凡, 黎晨晨, 李紫硕, 等.番茄红素生物活性功能及其在食品中的应用研究[J].农产品加工, 2022(11):94-98.
LIANG F, LI C C, LI Z S, et al.Research on the biological activity of lycopene and application in food[J].Farm Products Processing, 2022(11):94-98.

[62] AHMAD BHAT N, WANI I A, HAMDANI A M.Tomato powder and crude lycopene as a source of natural antioxidants in whole wheat flour cookies[J].Heliyon, 2020, 6(1):e03042.

[63] LUISA GARCA M, CALVO M M, DOLORES SELGAS M.Beef hamburgers enriched in lycopene using dry tomato peel as an ingredient[J].Meat Science, 2009, 83(1):45-49.

[64] 王佳, 李玉梅, 李婷, 等.线粒体介导番茄红素改善3T3-L1前脂肪细胞分化过程中脂质积累分子机制研究[J].营养学报, 2021, 43(4):395-400.
WANG J, LI Y M, LI T, et al.The molecular mechanism of lycopene to prevent lipid accumulation in differentiation of 3t3-l1 preadipocytes by improving mitochondrial function[J].Acta Nutrimenta Sinica, 2021, 43(4):395-400.

[65] 吴斌, 刘学铭, 王旭萍, 等.番茄红素改善鸡肉脯的品质[J].现代食品科技, 2020, 36(2):159-165; 77.
WU B, LIU X M, WANG X P, et al.Quality improvement of dried chicken meat gruel slice with lycopene[J].Modern Food Science and Technology, 2020, 36(2):159-165; 77.

[66] 邓思杨, 石硕, 董依迪, 等.肉制品中亚硝胺形成机制及植物源提取物对其阻断效果的研究进展[J].食品科学, 2019, 40(3):317-322.
DENG S Y, SHI S, DONG Y D, et al.Recent progress in understanding formation mechanism of N-nitrosamines in processed meat products and inhibition of N-nitrosamines by botanical extracts[J].Food Science, 2019, 40(3):317-322.

[67] 加拿大批准在某些饮料中使用番茄红素提取物[J].食品与生物技术学报, 2020, 39(4):63.
Canada approved the use of lycopene extract in certain beverages[J].Journal of Food Science and Biotechnology, 2020, 39(4):63.

[68] BOCKUVIENE A, ZALNERAVICIUS R, SEREIKAITE J.Preparation, characterization and stability investigation of lycopene-chitooligosaccharides complexes[J].Food Bioscience, 2021, 40:100854.

[69] CASTRO T A, LEITE B S, ASSUNÇO L S, et al.Red tomato products as an alternative to reduce synthetic dyes in the food industry:A review[J].Molecules, 2021, 26(23):7125.

[70] CHERNYSHOVA M P, PRISTENSKIY D V, LOZBIAKOVA M V, et al.Systemic and skin-targeting beneficial effects of lycopene-enriched ice cream:A pilot study[J].Journal of Dairy Science, 2019, 102(1):14-25.

[71] STOLL L, RECH R, FLRES S H, et al.Poly(acid lactic) films with carotenoids extracts:Release study and effect on sunflower oil preservation[J].Food Chemistry, 2019, 281:213-221.

[72] KEHILI M, CHOURA S, ZAMMEL A, et al.Oxidative stability of refined olive and sunflower oils supplemented with lycopene-rich oleoresin from tomato peels industrial by-product, during accelerated shelf-life storage[J].Food Chemistry, 2018, 246:295-304.

[73] 王德萍, 王为兰, 陈开旭, 等.番茄红素珍珠粉圆苏打水的研制[J].食品科技, 2021, 46(3):69-73.
WANG D P, WANG W L, CHEN K X, et al.Preparation of lycopene tapioca pearls soda water[J].Food Science and Technology, 2021, 46(3):69-73.

[74] 石彬, 邓小敏.生物技术合成番茄红素的研究进展[J].华中农业大学学报, 2023, 42(4):244-253.
SHI B, DENG X M.Research progress of lycopene synthesis by biotechnology[J].Journal of Huazhong Agricultural University, 2023, 42(4):244-253.

[75] 陆婉瑶, 刘孟涛, 赵抒娜, 等.番茄红素产品的市场趋势调研与法规分析[J].中国食品添加剂, 2023, 34(11):236-247.
LU W Y, LIU M T, ZHAO S N, et al.Marketing trends research and regulation analysis of lycopene products[J].China Food Additives, 2023, 34(11):236-247.

Biological activities and extraction methods of lycopene and its application in food field

BAI Yubing1,2,3,4, CHEN Xiujin1,2,3*, WANG Weiran4*, ZANG Peng4, GAO Hongli1,2,3, LI Zhaozhou1,2,3, NIU Huawei1,2,3, WANG Yao1,2,3

1(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China) 2(Henan International Joint Laboratory of Food Green Processing and Quality Safety Control, Luoyang 471000, China) 3(National Demonstration Center for Experimental Food Processing and Safety Education, Luoyang 471000, China) 4(State Key Laboratory of Space Medicine, China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China)

Abstract Lycopene is a significant natural carotenoid that is extensively utilized in the food industry due to its various bioactive functions, such as antioxidant effects, anti-inflammatory effects, anticancer effects, as well as sleep regulation.Meanwhile, the biological activities of lycopene depend on its configuration, the cis isomer is more easily absorbed by the human body and has stronger physiological activity than the all-trans configuration.Its configuration can be influenced by various extraction methods and conditions.Therefore, this study described the properties and chemical structures of lycopene, its biological activity functions, and its bioaction mechanism.The principles, advantages, and disadvantages of different extraction methods were compared.The effects of these extraction methods and conditions on its isomerization were discussed.Finally, this study summarized the application of lycopene in the food industry and highlighted the issues and challenges that arose when using lycopene in food production.

Key words lycopene; biological activity; extraction method; food field

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040653

引用格式:白玉冰,陈秀金,王蔚然,等.番茄红素的生物活性、提取方式及其在食品领域中的应用[J].食品与发酵工业,2025,51(12):395-403.BAI Yubing,CHEN Xiujin,WANG Weiran, et al.Biological activities and extraction methods of lycopene and its application in food field[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(12):395-403.

第一作者:硕士研究生(陈秀金副教授和王蔚然副研究员为共同通信作者,E-mail:chenxiujin9610@126.com;wrwang997@163.com)

基金项目:河南省科技攻关项目(242102321131,232102320298);洛阳市公益性行业科研专项(2202021A);河南省高校青年骨干教师培养计划项目(2023GGJS046);河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(HNYJS2020JD06);国家自然科学基金项目(31701694);国家重点研发计划项目(2022YFF1103204-7)

收稿日期:2024-08-04,改回日期:2024-09-25