張紅艷，石凱欣，潘思軼

（華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，環(huán)境食品學教育部重點實驗室，果蔬加工與品質(zhì)調(diào)控湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070）

番茄紅素是一種常見的紅色色素，是類胡蘿卜素中最強的抗氧化劑之一，僅次于蝦青素[1-2]，普遍存在于紅色水果和蔬菜中[3]。人體自身不能合成番茄紅素，只能從食物中攝取。番茄紅素具有優(yōu)越的生理功能，但其異戊二烯結構使其極易受到外界理化因素的影響，導致其氧化降解，降低其生物可及性，這在一定程度上限制了番茄紅素的應用。多項研究結果表明，與全反式番茄紅素相比，番茄紅素順式異構體具有更強的抗氧化活性[4]，生物利用度和生物活性也更高[5]。Ross等[6]通過研究飲食中的14C-番茄紅素證明了92%的全反式番茄紅素在人體內(nèi)代謝24 h后轉化為50%的全反式、38%的5-順式、1%的9-順式和11%的其他順式番茄紅素異構體。以上結果都表明番茄紅素順式異構體可能比反式異構體具有更優(yōu)良的特性。番茄紅素異構化逐漸走進人們視線，并廣受關注。目前研究發(fā)現(xiàn)，光、熱、催化劑、電解等條件都會不同程度地影響番茄紅素的異構化水平，并使其能更有效地發(fā)揮生理功能，但是有些異構化類型的作用機制還不是很明確。因此，明確影響番茄紅素異構化的因素，闡明番茄紅素的異構化機制是目前研究的核心問題。本文總結了常見的番茄紅素異構化反應及其機制和順式番茄紅素的功能特性，以期為番茄紅素的高效利用提供理論依據(jù)。

1 番茄紅素異構體的性質(zhì)及結構

番茄紅素是番茄、柑橘屬、胡蘿卜、西瓜、石榴等植物性食物中普遍存在的生物活性成分之一，是類胡蘿卜素家族中的一員。番茄紅素不溶于水、乙醇、甲醇，易溶于四氫呋喃、氯仿、己烷、丙酮、苯、二硫化碳、石油醚等有機溶劑[7-8]，分子式為C40H56[9]，相對分子質(zhì)量為536.85，屬于異戊二烯化合物，由11 個共軛雙鍵和2 個非共軛雙鍵組成[10]，存在多種順式異構體，在熱、光、催化劑等條件下會發(fā)生順反異構。Pauling[11]認為從反式到順式的異構化可能是與雙鍵相鄰的碳原子相連的甲基與氫重疊的結果。番茄紅素是一種高效的抗氧化劑，能有效清除自由基，研究表明番茄紅素可預防和治療心血管疾病[12]、動脈粥樣硬化[13]、癌癥[14]和神經(jīng)退行性疾病[8]。食品原料中的天然番茄紅素90%以上以全反式構型存在，而在人體血液和組織中50%以上的番茄紅素為順式異構體[15-16]，這可能是由于番茄紅素順式異構體的吸收率高、不易結晶，有較低的聚集傾向，因此在膽汁酸膠束中的溶解度大，有利于被優(yōu)先攝取并摻入乳糜微粒，從而被有效吸收，進入人體各組織器官[17-20]。順式構型番茄紅素比全反式番茄紅素具有更高的生物利用度。在人體試驗中，試驗人員飲用兩種番茄果汁，一種為經(jīng)過特殊培育的番茄所制得的果汁（番茄紅素總順式異構體占比為94%），另一種為普通紅番茄的果汁（番茄紅素總順式異構體占比為10%），結果發(fā)現(xiàn)，前者的番茄紅素生物利用度為后者的9.5 倍[21]，進一步表明番茄紅素順式異構體的生物利用度較高。順式番茄紅素除較高的生物利用度外，其生理活性功能也顯示出優(yōu)越性，比如抗氧化、抑制前列腺增生、抗肥胖等等。

盡管理論上來說番茄紅素存在1 024 種立體異構體，但由于空間位阻效應，只有72 種異構體是有利的構型[22]，最常見的順式番茄紅素有5-順式、9-順式、13-順式和15-順式（圖1）[23]。不同番茄紅素異構體的抗氧化活性大小不同，通常為5-順式＞9-順式＞13-順式＞15-順式＞全反式[24]。在所有異構體中，5-順式番茄紅素具有較高的生物利用度[25]、生物活性[26]、抗氧化活性[27]和儲存穩(wěn)定性[28]，是一類應用價值極高的番茄紅素異構體。全反式和單順式異構體的勢能為全反式＞5-順式＞9-順式＞13-順式[29]，番茄紅素的異構化需要相當大的活化能[30]，全反式番茄紅素異構化為單順式番茄紅素的活化能為5-順式＞9-順式＞13-順式[31-33]。在全反式番茄紅素轉化為單順式異構體過程中，5-順式異構體的旋轉屏障較高，在異構化過程中不易形成[34]，但也不容易轉化為其他順式異構體，相對來說比較穩(wěn)定；而13-順式番茄紅素活化能較低，是最容易產(chǎn)生的異構體，在異構化過程中的光和熱的影響下轉化為全反式番茄紅素或者其他異構體[28,35]。Chasse等[30]利用從頭算分子建模程序進一步研究番茄紅素的幾種順式異構體的分子結構，得出穩(wěn)定性順序為5-順式＞全反式＞9-順式＞13-順式＞15-順式＞7-順式＞11-順式[28,30]。

圖1 番茄紅素結構式Fig.1 Structural formula of lycopene

2 提取方式對番茄紅素異構化的影響

與全反式番茄紅素相比，番茄紅素順式異構體的生理活性較高，但是如何有效地將順式異構體從體系中提取出來還未見系統(tǒng)性的報道。本文綜述了部分關于番茄紅素及其順式異構體的提取方法，如微波輔助提取、超聲輔助提取和超臨界CO2萃取等[36]，歸納了這些提取方法對番茄紅素異構化的影響，旨在為番茄紅素異構化及順式異構體的提取提供理論依據(jù)。

2.1 微波輔助提取

微波處理使細胞膜破裂，有利于番茄紅素釋放[37-38]。該方法通過熱效應、電效應和磁效應，使番茄紅素分子在較高溫度下發(fā)生變形和振動[39]，進一步提高異構化程度，提高提取效率[37]。Honda等[37]探究了微波輻射預處理對番茄紅素提取效率的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1 050 W微波輻射60 s，木鱉果的果實“gac”中總順式異構體相對含量從原來的6.4%增加到58.5%，在乙醇提取物中順式異構體總相對含量達（91.5±0.7）%，主要增加的是9-順式和13-順式異構體。此外，Yu Jiahao等[40]發(fā)現(xiàn)通過微波（250 W）輔助提取番茄紅素，在0～30 min內(nèi)，番茄紅素順式異構體含量與加熱時間成正比例關系，5-順式、9-順式、13-順式番茄紅素含量逐漸增加，其中5-順式番茄紅素含量最高。

2.2 超聲輔助提取

除微波提取外，超聲波輔助提取也對番茄紅素的異構化產(chǎn)生影響，產(chǎn)生一定比例的順式異構體。Chen等[41]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可能會加速類胡蘿卜素異構化，在極端壓力及溫度條件下，異構化會發(fā)生[42]。超聲波輔助提取法由于空化效應（空化氣泡破裂）和熱效應（熱量釋放），更易破壞基質(zhì)細胞壁，促進生物活性化合物釋放[43]，空化效應產(chǎn)生的高反應性羥自由基以及較多熱量也為異構化提供活化能，當這兩種效應隨溫度變化達到平衡狀態(tài)時，全反式番茄紅素提取率最高[44]。Xu Yuan等[44]采用超聲波輔助法提取紅葡萄柚中的番茄紅素，在提取過程中發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，番茄紅素發(fā)生幾何異構化，產(chǎn)生了較多9-順式和13-順式異構體。

2.3 超臨界CO2萃取

超臨界CO2流體萃取是一種新型提取方法，CO2流體能更好地擴散到提取溶質(zhì)中[45]，降低溶質(zhì)與氧氣接觸的可能性，有利于提取熱不穩(wěn)定化合物，如番茄紅素[46]。Murakami等[47]應用超臨界CO2萃取法提取番茄粉中的番茄紅素，通過探究溫度、壓力等條件對提取物中番茄紅素總順式異構體比例和回收率的影響，得出在140 ℃、30 MPa的條件下，總順式異構體比例和回收率分別達到67%和84.8%，這可能是由于超臨界提取時，CO2密度增加，溶解番茄紅素的能力隨之提高[48]。Vallecilla-Yepez等[49]同樣采用超臨界CO2流體萃取法提取了番茄油樹脂中的番茄紅素順式異構體，發(fā)現(xiàn)在30 MPa、80 ℃條件下，從果皮中提取的順式番茄紅素含量最高，油餾分中的順式異構體相對含量為82%，不溶性組分中的順式異構體相對含量為26%；當壓力升高到50 MPa，油和不溶性餾分中順式番茄紅素相對含量分別達76%和38%。上述研究結果表明，超臨界CO2萃取法可應用于番茄紅素的提取，CO2能更好地溶解順式異構體[36]，有效提高番茄紅素順式異構體的比例，進而提高番茄紅素的生物利用度，且較有機溶劑提取更安全，提取效率亦大大提高。

改變提取方式是增加番茄紅素異構體比例的有效途徑，微波輔助、超聲輔助、超臨界二氧化碳等提取方式均可使番茄紅素順式異構體的比例增加。此外，增加樣品與萃取劑的接觸面積也可使番茄紅素異構體的得率增加。魏建華[50]將番茄紅素在避光條件下置于氮氣氛圍中進行球磨，球磨速度200～1 300 r/min、溫度15～50 ℃，發(fā)現(xiàn)球磨1～2 h得到的5-順式番茄紅素相對含量達60%～65%。Knockaert等[51]發(fā)現(xiàn)利用高壓均質(zhì)處理番茄泥后，5-順式番茄紅素含量顯著增加，推測可能是均質(zhì)使番茄紅素更好地從番茄泥中釋放出來，提取效率增加[52]。

3 番茄紅素異構化反應類型

鑒于番茄紅素順式異構體的優(yōu)良特性，將異構化視為番茄紅素及其產(chǎn)品貯存和加工過程中的重要目標。熱、光、催化劑（天然催化劑和金屬離子催化劑）[53]、微波、電解等因素都會對番茄紅素的異構化產(chǎn)生影響，進而產(chǎn)生多種類型的順式異構體。然而，在番茄紅素異構化的同時，番茄紅素也會發(fā)生降解，使其活性減弱。因此，明確影響番茄紅素異構化的因素，避免番茄紅素的降解是目前亟待解決的問題。基于影響番茄紅素異構化的因素，一般將番茄紅素的異構化反應分為熱異構化反應和光致異構化反應[54]。

3.1 熱異構化反應

3.1.1 熱致異構化

熱致異構化是通過直接加熱的方式促進番茄紅素從全反式向順式異構體轉化[54]，這一方法也是目前在異構化研究中應用最廣泛的一種方式。異構化是各基團相對位置發(fā)生化學轉化的結果[5,55]，Yeung等[56]利用從頭模型研究番茄紅素異構化的機制，得出相鄰的甲基和氫原子基團之間存在1,4相互作用，1,4位上原子相互吸引導致分子結構旋轉，陽離子的形成將C4從近似四面體（sp3）旋轉扭曲為三角平面（sp2），由于額外的能量輸入，使全反式構型轉化為順式異構體。圖2為番茄紅素中甲基與氫原子基團相互作用的幾種類型。在加工過程中，番茄紅素全反式異構體與順式異構體相互轉化，且順式異構體比例隨溫度升高和加工時間延長而增加[57]，熱處理顯著降低了全反式番茄紅素與13-順式異構體濃度，增加了9-順式異構體濃度[58]。在熱處理過程中番茄紅素的異構化行為和其基質(zhì)密切相關，不同有機溶劑[29,59]、不同食用油基質(zhì)[33,60]、不同天然食品基質(zhì)中番茄紅素的異構化行為不同。

圖2 番茄紅素中甲基與氫原子基團相互作用的類型[56]Fig.2 Types of interaction between methyl and hydrogen groups in lycopene[56]

3.1.1.1 有機溶劑中番茄紅素的異構化

番茄紅素不溶于水，能溶于二氯甲烷、苯、乙酸乙酯、丙酮等有機溶劑，在有機溶劑中番茄紅素異構化反應可以通過溫度進行調(diào)控。Honda等[29]考察了番茄紅素在CH2Cl2中熱異構化24 h，溫度對順式異構化的影響，結果表明在50 ℃下的熱異構化比例（77.8%）明顯比4 ℃下（19.7%）高很多，順式異構體比例明顯隨溫度升高而增加，并且主要產(chǎn)生5-順式異構體，這表明在一定范圍內(nèi)，加熱會顯著促進番茄紅素異構化。才美慧[61]將番茄紅素油樹脂溶解在正己烷中進行熱異構化的結果也證實熱加工會促進順式異構體累積。為進一步明確有機溶劑種類與番茄紅素熱異構化的關系，Honda等[29]探究了不同溶劑（CH2Cl2、CHCl3、CCl4、CH2Br2、丙酮、己烷和苯）對番茄紅素異構化的影響，結果表明，在相對較高的溫度（50 ℃）下，所有有機溶劑中順式異構體的異構化比例增加，番茄紅素在具有較強溶劑效應的溶劑（如CH2Cl2和CH2Br2）中的異構化速率常數(shù)較大，強溶劑效應可能降低5-順式異構體的異構化活化能，使5-順式番茄紅素作為主要異構體產(chǎn)生。而在具有較弱溶劑效應的溶劑中，13-順式異構體活化能較低，較容易生成。Zhang Lianfu等[62]將乙酸乙酯作為溶劑通過熱回流方式異構化番茄紅素，反應24 h后，番茄紅素總順式異構體占比從5.8%增加到49.9%；Lambelet等[63]采用了同種溶劑以同樣方法熱回流168 h，發(fā)現(xiàn)番茄紅素總順式異構體占比低于55%，這可能是因為全反式番茄紅素碳正離子中間體穩(wěn)定性大于其他碳正離子穩(wěn)定性[62]，導致其異構化程度較小。上述研究結果表明，烷基鹵化物有利于番茄紅素異構化，且異構化速率：CH2Br2＞CH2Cl2＞CHCl3。基于此，在現(xiàn)有研究中，番茄紅素異構體的制備基本上是將番茄紅素溶解在CH2Cl2中，并水浴加熱一定時間。

盡管有機溶劑（烷基鹵化物、乙酸乙酯、正己烷等）都能有效促進全反式番茄紅素異構化為順式異構體。但是，有機溶劑殘留會引發(fā)安全問題，同時有機溶劑用于熱異構化反應時還存在因為溶劑沸點的限制導致加熱溫度有所局限從而降低反應效率等問題，因此在食品加工中應盡量減少使用。

3.1.1.2 油基中番茄紅素的異構化

除有機溶劑外，食用油也可促進番茄紅素異構化，且順式異構體為彎曲結構，不易聚集結晶，更易溶于油脂[64]。在溫和熱處理條件下，番茄紅素在基質(zhì)中非常穩(wěn)定，但在強烈加工條件下，異構化可能會迅速發(fā)生[65]。Colle等[66]將番茄紅素溶解在橄欖油中對其進行熱異構化處理，發(fā)現(xiàn)在較低溫度下（80～90 ℃），全反式和總順式番茄紅素的異構化幾乎不會發(fā)生，5-順式番茄紅素的異構化在100 ℃以下幾乎不會發(fā)生。隨著加熱溫度的升高和時間的延長，5-順式和全反式異構體含量逐漸減少，9-順式和13-順式異構體含量逐漸增加，這可能是由于5-順式番茄紅素能量相對較低且有較大旋轉屏障，9-順式和13-順式異構體更容易旋轉，且它們的順式構型鍵位于共軛鏈中心附近，導致其溶解度更高[34,37]。番茄紅素在油基中加熱時間的長短也會對異構化產(chǎn)生影響，Honda等[33]將番茄紅素溶于植物油中進行微波加熱（2 450 MHz、500 W、1～7min）處理，發(fā)現(xiàn)微波處理4 min左右，順式異構體相對含量達（65.9±2.7）%，番茄紅素幾乎不會分解；微波處理7 min后，總順式異構體相對含量達80%以上，異構化效率隨加熱時間延長而加快。油的類型也會對番茄紅素的降解和異構化產(chǎn)生影響，魚油中番茄紅素的降解速度大于橄欖油中的降解速度。在Colle等[67]的另一項研究中，采用多反應建模方法研究了富含番茄紅素的橄欖油和魚油在熱處理過程中番茄紅素異構體的變化，發(fā)現(xiàn)13-順式番茄紅素的降解和異構化動力學參數(shù)在魚油中顯著高于橄欖油，表明從全反式番茄紅素到13-順式番茄紅素的異構化在魚油中更快，且對溫度更敏感。一些學者還比較了多種不同的植物油中番茄紅素的熱異構化，在微波輻射條件下，烤紫蘇、烤菜籽油和大蒜油以及烤芝麻油中由于有大量脂溶性硫化合物[33]，都能顯著促進5-順式番茄紅素形成。

3.1.1.3 天然食品基質(zhì)中番茄紅素的異構化

Colle等[68]以新鮮的番茄果肉為基質(zhì)，探究了熱處理對番茄果肉中番茄紅素異構化的影響，發(fā)現(xiàn)即使在較高溫度下（140 ℃），熱處理幾乎不會導致普通番茄果肉中番茄紅素的異構化，只有少量x-順式異構體（除圖1列出的主要順式異構體外的其他順式異構體的統(tǒng)稱）含量增加，其他異構體含量略微減少，這可能是由于番茄果肉中的番茄紅素處于結晶形式，幾乎不參與異構化反應[65]。李廣志等[69]探究了微波加熱對番茄果汁中番茄紅素異構化的影響，通過單因素試驗和正交試驗分別對溫度、加熱時間以及微波功率等條件進行驗證，發(fā)現(xiàn)微波功率對番茄紅素異構化的作用效果最明顯，這可能是因為微波通過電效應、磁效應等改變了番茄紅素分子結構，加快了異構化進程，在250 W、90 ℃條件下加熱6 h，順式異構體占比達51%左右。在天然基質(zhì)中番茄紅素異構化與基質(zhì)中其他活性成分密切相關，Achir等[70]將葡萄柚汁提取物（酸化水介質(zhì)、補充抗壞血酸的酸化水介質(zhì)、補充柚皮苷的酸化水介質(zhì)）配制成果汁模型系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)果汁基質(zhì)會對番茄紅素產(chǎn)生保護作用，95 ℃熱處理90 min，葡萄柚汁中5-順式、9-順式、13-順式異構體的含量增加，順式異構體占番茄紅素總量的60%。

此外，由于番茄紅素是脂溶性物質(zhì)，不溶于水，因此在水基質(zhì)中的異構化效率極低。Chen Jianchu等[71]將番茄粉末溶解在蒸餾水中并對其進行熱異構化處理，發(fā)現(xiàn)在水基樣品中，較溫和條件下（80 ℃）異構化反應幾乎不會發(fā)生。溫度升高后，由于水傳熱效率高，在高溫作用下細胞壁破裂使更多的番茄紅素從細胞中釋放出來與氧氣接觸，加速了異構化。但是由于水基中含有較多溶解氧[55]，同時因為順式異構體不穩(wěn)定[71]，番茄紅素降解作用非常明顯，在140 ℃加熱1 h，異構化效率最高，之后隨著加熱時間的延長番茄紅素含量逐漸降低。

通過對80 ℃熱處理條件下不同基質(zhì)中番茄紅素的異構化進行評估，發(fā)現(xiàn)在有機溶劑中可以觀察到較為明顯的異構化發(fā)生。全反式番茄紅素溶解在CH2Cl2中熱處理一定時間，順式異構體相對含量隨加熱時間延長逐漸增加，最終達到75.6%[72]，而在部分油基和水基中的異構化反應幾乎不會發(fā)生[66,71]，可能是由于番茄紅素在有機溶劑中溶解性更大，而在油中雖然也能溶解，但是傳熱效率低，導致其在相對較低的溫度下異構化并不明顯；番茄紅素在水基中溶解度小，同時反應溫度較低，導致其異構化水平低。

3.1.2 熱促異構化反應

熱促異構化反應是指催化劑可影響番茄紅素的異構化[54]，該反應通常需要在一定加熱溫度下（低于熱致異構化的溫度）進行。以催化劑促進異構化反應具有反應時間短、催化效率高等優(yōu)點，金屬鹽[59,73]、碘摻雜二氧化鈦[54]、多硫化物和異硫氰酸酯（isothiocyanate，ITC）[53,60,74]、碘[53]、二硫化碳[53]等都是誘導全反式番茄紅素轉化為順式異構體的有效催化劑。

3.1.2.1 天然催化劑催化異構反應

有研究報道天然催化劑通過不同的作用機制促進番茄紅素的順式異構化，ITC具有比較強的親電性，可通過電子轉移機制有效實現(xiàn)番茄紅素的異構化（圖3A），使5-順式異構體含量顯著增加，提高了番茄紅素的生物利用度和抗氧化活性。而多硫化物的催化作用則與二硫鍵產(chǎn)生的自由基反應有關，在加熱過程中，二硫化物裂解產(chǎn)生的噻吩基（RS?）催化異構化反應的進行[74-76]（圖3B），實驗結果表明二硫化物可以顯著提高其熱穩(wěn)定性。Takemura[77]將含番茄紅素的物質(zhì)與含ITC的物質(zhì)混合在一起進行異構化反應，在短時間內(nèi)實現(xiàn)了異構化。日常食物如蕓苔屬和蘿卜屬植物中含有親電的ITC，洋蔥、大蒜等蔥屬植物富含多硫化物，都能促進番茄紅素的順式異構化[53,78]。Honda等[35]探究了35 種不同的傳統(tǒng)調(diào)味品對番茄泥中全反式番茄紅素熱順式異構化的影響，發(fā)現(xiàn)有些調(diào)味品如牛肉干醬、芥末，可能含有氯化鐵和二烯丙基二硫化物等催化劑，降低了全反式異構體轉化生成5-順式番茄紅素的活化能，促進了5-順式異構體的生成。除此之外，芥菜、甘藍屬植物（西蘭花和卷心菜）、魚露、酵母提取物、烹飪酒等也被證實可以增強番茄紅素的熱異構化，其中，刺山柑對番茄紅素熱順式異構化的促進作用被首次報道[35]。

圖3 ITC（A）、二硫化物（B）催化類胡蘿卜素異構的機理[74]Fig.3 Mechanisms of carotenoid isomerization catalyzed by isothiocyanates (A) and disulfide compounds (B)[74]

3.1.2.2 離子催化異構反應

除天然催化劑外，金屬鹽離子也被證實是非常有效的催化劑。Wang Qun等[73]探究了11 種金屬鹽對番茄紅素異構化和穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)其中5 種金屬鹽具有顯著的催化作用，催化得到順式異構體總量為FeCl3（70.8%）＞Fe2(SO4)3（54.0%）＞AlCl3（50.2%）＞CuSO4（40.0%）＞Al2(SO4)3（29.3%），綜合考慮，F(xiàn)e3＋、Al3＋和Cu2＋對番茄紅素的催化能力大小排序為Fe3＋＞Al3＋＞Cu2＋，其中，AlCl3以分子形式催化番茄紅素，通過與雙鍵結合形成中間體，激活相應位點形成反應產(chǎn)物（圖4A），能催化異構產(chǎn)生更高比例的5-順式番茄紅素。CuSO4與Fe3＋的異構化機制類似，可能通過與番茄紅素結合獲得電子轉移能力。Honda等[59]將番茄紅素溶解在丙酮中，在FeCl3的催化作用下于60 ℃反應3 h，番茄紅素總順式占比達到79.9%，在相對較高的催化劑濃度下，5-順式番茄紅素比例顯著增加；當催化劑濃度較低時，13-順式番茄紅素比例增加。在反應過程中，F(xiàn)e3＋可能通過與電子結合使得電子轉移而產(chǎn)生異構反應，F(xiàn)e3＋接受來自全反式番茄紅素的電子，反式的陽離子番茄紅素物質(zhì)在雙鍵的缺電子位點旋轉，異構化為相應的順式構型陽離子后再接受來自Fe2＋的電子，形成番茄紅素順式異構體[59,79]（圖4B），該反應與ITC催化異構化的機理類似。

圖4 AlCl3（A）、Fe3＋（B）催化異構化機理圖[59,73]Fig.4 Mechanism of isomerization catalyzed by AlCl3 (A) and Fe3+ (B)[59,73]

非金屬離子也被證實是一種很好的催化劑，Sun Qingrui等[64]應用溶膠-凝膠法制備了碘摻雜二氧化鈦（I-TiO2）作為催化劑來異構化溶解在乙酸乙酯中的番茄紅素。該實驗中，催化反應120 min時總順式異構體的比例增加到78.5%，在隨后的180 min內(nèi)增加到85.5%后保持恒定。其中，在開始反應的60～120 min內(nèi)，5-順式異構體比例由最初的0.1%增加到19.6%，進一步證明了催化異構的有效性。該異構化反應中制備的催化劑效率很高，被重復利用5 次后，活性損失低于16%，這也為生產(chǎn)高順式占比番茄紅素產(chǎn)品提供了一種高效制備路線。推測該反應機理是I―進攻通過雙鍵絡合生成的番茄紅素烯丙基碳正離子，導致單鍵旋轉扭曲，易于生成能量較低的異構體。

總之，用催化劑異構化番茄紅素催化效率高且能顯著增加5-順式異構體含量，天然催化劑能更加綠色、安全地促進番茄紅素異構化，而部分金屬離子和非金屬離子催化劑具有強氧化性，殘留在食品中較難去除，對番茄紅素產(chǎn)品穩(wěn)定性及品質(zhì)產(chǎn)生影響，這也是限制該方法應用的關鍵因素。如何解決催化劑殘留問題的同時提高其應用效率是亟待解決的科學問題，也是今后研究的重點方向。

3.2 光致異構化反應

光致異構化反應是指直接的光照條件或者光敏化劑催化番茄紅素異構化的反應[54]。Kuki等[80]分析了三重態(tài)敏化光異構化，通過與直接光異構化進行比較發(fā)現(xiàn)，兩種異構化的模式相似，研究表明共軛鏈中心部分從反式到順式的異構化可以通過中心部分鍵序的降低來解釋。在直接光照條件下，不同種類光源及不同的光照時間都會對番茄紅素異構化產(chǎn)生影響。Murakami等[28]在4 ℃下用熒光燈照射番茄紅素樣品一段時間，在反應前92 h內(nèi)，5-順式和9-順式異構體含量增加。中國科學院理化技術研究所發(fā)現(xiàn)利用光化學法可獲得高達70%以上順式異構體的番茄紅素并具有良好的穩(wěn)定性[81]。才美慧[61]則探究了不同光源（白、綠、紅、藍光）對番茄紅素異構化的影響，將番茄紅素溶于正己烷置于4 ℃條件下用4 種光源照射，發(fā)現(xiàn)隨光照時間延長，白光和藍光照射下總順式異構體含量逐漸減少，紅光和綠光條件下的順式異構體水平總體上呈增長趨勢。在光照條件下，光敏化劑可以使番茄紅素異構化程度進一步提高，例如Honda等[82]在幾種敏化劑（包括可食用敏化劑）存在條件下，研究了全反式番茄紅素的光異構化（480～600 nm輻照60 min），發(fā)現(xiàn)將全反式番茄紅素溶解在丙酮中光異構化時，以亞甲藍和赤蘚紅為敏化劑異構化效率較高，5-順式異構體比例分別增加到39.9%和37.7%。以上實驗證明光敏化異構化是生產(chǎn)具有復雜功能和更高儲存穩(wěn)定性番茄紅素異構體的有效方法，通過光敏劑誘發(fā)的三重態(tài)激發(fā)狀態(tài)可能會促進番茄紅素從全反式到順式的異構化[75,82]。孫清瑞[54]以I2為催化劑進行光致異構化反應，得到的番茄紅素從全反式到順式異構體的轉化率為51.2%，該反應是由于I·進攻類胡蘿卜素C—C鍵間的π鍵[54]。

光致異構化反應能高效地產(chǎn)生5-順式番茄紅素，但是反應過程中添加的光敏化劑很難從產(chǎn)物中去除，無法保證產(chǎn)品的食用安全性，同時生產(chǎn)成本較高，不適于工業(yè)化生產(chǎn)。

3.3 其他異構化反應

除了上述提到的熱、催化劑、光致異構化反應外，逐漸出現(xiàn)了一些新型異構化方法。Wei等[83]通過電化學反應形成的順式異構體相對含量可達40%～60%，該反應原理是全反式陽離子自由基的某些鍵通過旋轉形成順式陽離子自由基后，通過電子交換形成順式異構體[84]。

熱、催化劑、光等均可促進番茄紅素異構化，但番茄紅素異構化程度較低且不穩(wěn)定，存在一定限制，在后續(xù)研究中仍然需要尋找既可提高順式異構體含量，又操作簡便、能最大程度減少番茄紅素降解的處理方法來進一步提高番茄紅素異構化效率，擴展應用。

4 番茄紅素異構化對生理功能的影響

由于番茄紅素無VA原活性，在很長一段時間內(nèi)未受到重視。近年來，諸多研究表明番茄紅素具有多種生理活性，在抗氧化以及癌癥、炎癥、動脈粥樣硬化、神經(jīng)性疾病等的預防和治療中發(fā)揮著積極作用，在功能食品、醫(yī)藥、化妝品等領域應用越來越廣泛。隨著對番茄紅素異構體研究的深入，眾多學者發(fā)現(xiàn)番茄紅素順式異構體可能比全反式番茄紅素具有更強的生理活性。Mueller[27]和B?hm[85]等通過多項體外實驗探究番茄紅素不同異構體的抗氧化活性，結果表明，全反式番茄紅素異構化為順式異構體提高了所含番茄紅素的過氧自由基清除活性，這可能是由于順式異構體的溶解度更高，且自聚集傾向更低[18-20]。此外，順式異構體有較強的生理功能可能和β-胡蘿卜素9’,10’-加氧酶（β-carotene-9’,10’-oxygenase，BCO2）有關。Ip等[86]發(fā)現(xiàn)重組雪貂BCO2可以在9’,10’雙鍵處有效催化番茄紅素順式異構體（5-順式和13-順式番茄紅素）生成其他胡蘿卜素，但全反式番茄紅素并不是重組雪貂BCO2的有效底物。

在人體內(nèi)，番茄紅素主要存在于脂肪組織中[87]，占類胡蘿卜素總量的一半以上[87-89]。一些研究表明，番茄紅素在脂肪細胞和脂肪組織中表現(xiàn)出顯著的抗炎功效[26,88]。Fenni等[26]探究了番茄紅素5-順式異構體在脂肪細胞中的生物學功能并將其與全反式番茄紅素的作用進行比較，發(fā)現(xiàn)5-順式番茄紅素調(diào)節(jié)的基因通過多種途徑顯著影響與脂質(zhì)和葡萄糖代謝相關的途徑，這與全反式番茄紅素的調(diào)節(jié)機制相同，表現(xiàn)出相似的作用。通過對不同濃度的番茄紅素溶液進行反式激活實驗，發(fā)現(xiàn)5-順式番茄紅素在較低濃度（0.2 μmol/L）就能顯著反式激活過氧化物酶體增殖激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ），在實驗最高濃度（10 μmol/L）下激活作用最強烈，其作用效果達到全反式番茄紅素的2 倍，而全反式番茄紅素在濃度高于1 μmol/L時才能起作用[26]。但是5-順式番茄紅素激活信號通路的能力目前還沒有明確的研究結果，需要進一步研究來驗證。

番茄紅素可對診斷為良性前列腺增生（benign prostatic hyperplasia，BPH）的患者發(fā)揮有益作用，其中順式番茄紅素比反式番茄紅素對BPH的抑制程度更為顯著。Zou Ying等[90]通過實驗探究了番茄紅素順反異構體對小鼠實驗性前列腺增生的影響，通過設置多組別的模型組（生理鹽水組、對照組、BPH小鼠組）和治療組（番茄紅素治療組、順式異構體治療組、藥物治療組），對小鼠進行口服給藥30 d，通過測定前列腺指數(shù)、組織病理學檢查等參數(shù)水平來評估全反式和順式異構體對BPH的抑制作用，結果表明在預防和治療前列腺增生方面，順式異構體比全反式異構體表現(xiàn)出高的生物活性。

目前，針對全反式番茄紅素生理功能的研究已經(jīng)基本清晰，但是各順式異構體的特定生物活性尚不清楚，仍處于探索階段，需要后續(xù)進行深入研究以探究各順式異構體的生物效價以及作用機制。

5 結語

隨著人們對健康需求的日益增加，番茄紅素順式異構體由于其高生物利用度廣受研究人員關注，關于番茄紅素順式異構化的相關研究也取得了較大的進展。本文綜述了番茄紅素提取過程中的異構化情況，并基于熱、光、催化劑等對番茄紅素異構化影響的因素，對涉及的番茄紅素異構化反應進行總結及歸納。在熱處理條件下，不同基質(zhì)中番茄紅素的異構體比例有差異，在較低溫度下，有機溶劑中番茄紅素的異構化更易發(fā)生。在高于100 ℃溫度下，油基和天然食品基質(zhì)中的異構化水平都比較高，更利于異構化。添加催化劑和利用光源對番茄紅素進行異構，能產(chǎn)生較多的5-順式番茄紅素，提高了番茄紅素的穩(wěn)定性。此外，番茄紅素順式異構體比全反式異構體的生理活性更強，具體表現(xiàn)在過氧自由基清除活性、對肥胖相關的脂質(zhì)和葡萄糖代謝的調(diào)控能力、抑制前列腺增生等方面。

目前關于番茄紅素異構化的研究仍然存在很多不足，需要進一步研究探討以下方面：1）番茄紅素異構體的制備仍存在很多限制，比如在熱致異構化過程中較高溫度易導致番茄紅素降解，進而導致異構化效率低；盡管光照可使番茄紅素異構體比例增加，但成本較高，未來需要探究開發(fā)更加綠色、簡單、高效的異構體制備技術；同時，由于5-順式異構體的生物活性更強，因此，在開發(fā)富含番茄紅素順式異構體的產(chǎn)品時，需要著力探索能有效提高5-順式番茄紅素含量的異構方法；2）番茄紅素各類順式異構體的穩(wěn)定性較低，大部分都低于全反式異構體，雖然目前一些研究發(fā)現(xiàn)添加抗氧化劑如α-生育酚、丁基羥基甲苯等會提高番茄紅素順式異構體的儲存穩(wěn)定性[91]，但是其穩(wěn)定性并沒有得到很好的改善，研究也不夠全面，因此需要探尋一些新的技術手段加以改進并提高其穩(wěn)定性；3）番茄紅素在提取的過程中會發(fā)生不同程度的異構化，如何在促進番茄紅素異構化的同時提高番茄紅素的提取效率也是今后需要繼續(xù)探究的方向，并且目前關于單個番茄紅素順式異構體的提取鮮見報道，這有待于進一步深入研究；4）現(xiàn)階段對番茄紅素生理功能的研究大部分都集中于全反式構型番茄紅素，對順式異構體的各類功能活性及作用機制的研究相對較少。在后續(xù)的研究中，需要深入探究不同順反異構番茄紅素的比例對生理功能的影響及其作用機制，為進一步提高番茄紅素的生物利用度、開發(fā)富含番茄紅素順式異構體的功能食品、更好地發(fā)揮番茄紅素的營養(yǎng)與功能價值提供參考。