番茄红素异构化研究进展

番茄红素异构化研究进展

2024-04-01 06:52:52


  番茄红素是一种常见的红色色素,是类胡萝卜素中最强的抗氧化剂之一,仅次于虾青素,普遍存在于红色水果和蔬菜中。人体自身不能合成番茄红素,只能从食物中摄取。番茄红素具有优越的生理功能,但其异戊二烯结构使其极易受到外界理化因素的影响,导致其氧化降解,降低其生物可及性,这在一定程度上限制了番茄红素的应用。多项研究结果表明,与全反式番茄红素相比,番茄红素顺式异构体具有更强的抗氧化活性,生物利用度和生物活性也更高,表明番茄红素顺式异构体可能比反式异构体具有更优良的特性。

番茄红素异构体的性质及结构

  番茄红素是番茄、柑橘属、胡萝卜、西瓜、石榴等植物性食物中普遍存在的生物活性成分之一,是类胡萝卜素家族中的一员。番茄红素不溶于水、乙醇、甲醇,易溶于四氢呋喃、氯仿、己烷、丙酮、苯、二硫化碳、石油醚等有机溶剂,存在多种顺式异构体,在热、光、催化剂等条件下会发生顺反异构。食品原料中的天然番茄红素90%以上以全反式构型存在,而在人体血液和组织中50%以上的番茄红素为顺式异构体。这可能是由于番茄红素顺式异构体的吸收率高、不易结晶,有较低的聚集倾向,因此在胆汁酸胶束中的溶解度大,有利于被优先摄取并掺入乳糜微粒,从而被有效吸收,进入人体各组织器官。

  顺式构型番茄红素比全反式番茄红素具有更高的生物利用度,其生理活性功能也显示出一定的优越性,比如抗氧化。

  尽管从理论上来说番茄红素存在1024种立体异构体,但由于空间位阻效应,只有72种异构体是有利的构型,最常见的顺式番茄红素有5-顺式、9-顺式、13-顺式和15-顺式。不同番茄红素异构体的抗氧化活性大小不同。在所有异构体中,5-顺式番茄红素具有较高的生物利用度、生物活性、抗氧化活性和储存稳定性,是一类应用价值高的番茄红素异构体。

提取方式对番茄红素异构化的影响

  番茄红素的异构化需要相当大的活化能。在全反式番茄红素转化为单顺式异构体过程中,5-顺式异构体的旋转屏障较高,在异构化过程中不易形成,但也不容易转化为其他顺式异构体,相对来说比较稳定;而13-顺式番茄红素活化能较低,是最容易产生的异构体,在异构化过程中的光和热的影响下转化为全反式番茄红素或者其他异构体。

  番茄红素及其顺式异构体的提取方法主要包括:微波辅助提取、超声辅助提取和超临界CO2萃取等。

  微波处理使细胞膜破裂,有利于番茄红素释放。该方法通过热效应、电效应和磁效应,使番茄红素分子在较高温度下发生变形和振动,进一步提高异构化程度,提高提取效率。

  超声波辅助提取法由于空化效应(空化气泡破裂)和热效应(热量释放),更易破坏基质细胞壁,促进生物活性化合物释放。空化效应产生的高反应性羟自由基以及较多热量也为异构化提供活化能,当这两种效应随温度变化达到平衡状态时,全反式番茄红素提取率最高。

  超临界CO2流体萃取是一种新型提取方法,CO2流体能更好地扩散到提取溶质中,降低溶质与氧气接触的可能性,有利于提取热不稳定化合物。例如,在提取番茄红素的过程中,CO2能更好地溶解顺式异构体,有效提高番茄红素顺式异构体的比例,进而提高番茄红素的生物利用度,且较有机溶剂提取更安全,提取效率也大大提高。

  此外,增加样品与萃取剂的接触面积,也可使番茄红素异构体的得率增加。

  鉴于番茄红素顺式异构体的优良特性,将异构化视为番茄红素及其产品贮存和加工过程中的重要目标。热、光、催化剂(天然催化剂和金属离子催化剂)、微波、电解等因素都会对番茄红素的异构化产生影响,进而产生多种类型的顺式异构体。然而,在番茄红素异构化的同时,番茄红素也会发生降解,使其活性减弱。因此,明确影响番茄红素异构化的因素,避免番茄红素的降解是目前亟待解决的问题。

番茄红素异构化反应类型

  基于影响番茄红素异构化的因素,一般将番茄红素的异构化反应分为热异构化反应和光致异构化反应。

  热致异构化是通过直接加热的方式促进番茄红素从全反式向顺式异构体转化,这一方法也是目前在异构化研究中应用最广泛的一种方式。异构化是各基团相对位置发生化学转化的结果。在加工过程中,番茄红素全反式异构体与顺式异构体相互转化,且顺式异构体比例随温度升高和加工时间延长而增加,热处理显著降低了全反式番茄红素与13-顺式异构体浓度,增加了9-顺式异构体浓度。在热处理过程中番茄红素的异构化行为和其基质密切相关,不同有机溶剂、不同食用油基质、不同天然食品基质中番茄红素的异构化行为不同。

  通过对80摄氏度热处理条件下不同基质中番茄红素的异构化进行评估,发现在有机溶剂中有较为明显的异构化发生。全反式番茄红素溶解在CH2Cl2中热处理一定时间,顺式异构体相对含量随加热时间延长逐渐增加,最终达到75.6%,而在部分油基和水基中的异构化反应几乎不会发生,可能是由于番茄红素在有机溶剂中溶解性更大,而在油中虽然也能溶解,但是传热效率低,导致其在相对较低的温度下异构化并不明显;番茄红素在水基中溶解度小,同时反应温度较低,导致其异构化水平低。

  番茄红素等热促异构化反应是指催化剂可影响番茄红素的异构化,该反应通常需要在一定加热温度下(低于热致异构化的温度)进行。以催化剂促进异构化反应具有反应时间短、催化效率高等优点,金属盐、碘掺杂二氧化钛、多硫化物和异硫氰酸酯、碘、二硫化碳等都是诱导全反式番茄红素转化为顺式异构体的有效催化剂。

  用催化剂异构化番茄红素催化效率高且能显著增加5-顺式异构体含量,天然催化剂能更加绿色、安全地促进番茄红素异构化,而部分金属离子和非金属离子催化剂具有强氧化性,残留在食品中较难去除,对番茄红素产品稳定性及品质产生影响,这也是限制该方法应用的关键因素。如何在解决催化剂残留问题的同时提高其应用效率,是亟待解决的科学问题,也是今后研究的重点方向。

  光致异构化反应是指直接的光照条件或者光敏化剂催化番茄红素异构化的反应。在直接光照条件下,不同种类光源及不同的光照时间都会对番茄红素异构化产生影响。中国科学院理化技术研究所发现,利用光化学法可获得高达70%以上顺式异构体的番茄红素并具有良好的稳定性。

  光致异构化反应能高效地产生5-顺式番茄红素,但是反应过程中添加的光敏化剂很难从产物中去除,无法保证产品的食用安全性,同时生产成本较高,不适于工业化生产。

  热、催化剂、光等均可促进番茄红素异构化,但番茄红素异构化程度较低且不稳定,存在一定限制,在后续研究中仍然需要寻找既可提高顺式异构体含量,又操作简便、能最大程度减少番茄红素降解的处理方法,以进一步提高番茄红素异构化效率,扩展应用。

  近年来,诸多研究表明,番茄红素具有多种生理活性,在功能食品、医药、化妆品等领域应用越来越广泛。目前,针对全反式番茄红素生理功能的研究已经基本清晰,但是各顺式异构体的特定生物活性尚不清楚,仍处于探索阶段,需要后续进行深入研究以探究各顺式异构体的生物效价以及作用机制。   

(张红艳 石凯欣 潘思轶)

 

  《》(2024年04月01日06版)

  (责编:杨晓晶)

 

(来源:中国食品报)

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