番茄红素异构化研究进展

张红艳，石凯欣，潘思轶

（华中农业大学食品科学技术学院，环境食品学教育部重点实验室，果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

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[1-2]，普遍存在于红色水果和蔬菜中[3]。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[4]，生物利用度和生物活性也更高[5]。Ross等[6]通过研究饮食中的14C-番茄红素证明了92%的全反式番茄红素在人体内代谢24 h后转化为50%的全反式、38%的5-顺式、1%的9-顺式和11%的其他顺式番茄红素异构体。以上结果都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。番茄红素异构化逐渐走进人们视线，并广受关注。目前研究发现，光、热、催化剂、电解等条件都会不同程度地影响番茄红素的异构化水平，并使其能更有效地发挥生理功能，但是有些异构化类型的作用机制还不是很明确。因此，明确影响番茄红素异构化的因素，阐明番茄红素的异构化机制是目前研究的核心问题。本文总结了常见的番茄红素异构化反应及其机制和顺式番茄红素的功能特性，以期为番茄红素的高效利用提供理论依据。

1 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[7-8]，分子式为C40H56[9]，相对分子质量为536.85，属于异戊二烯化合物，由11 个共轭双键和2 个非共轭双键组成[10]，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。Pauling[11]认为从反式到顺式的异构化可能是与双键相邻的碳原子相连的甲基与氢重叠的结果。番茄红素是一种高效的抗氧化剂，能有效清除自由基，研究表明番茄红素可预防和治疗心血管疾病[12]、动脉粥样硬化[13]、癌症[14]和神经退行性疾病[8]。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[15-16]，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[17-20]。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。在人体试验中，试验人员饮用两种番茄果汁，一种为经过特殊培育的番茄所制得的果汁（番茄红素总顺式异构体占比为94%），另一种为普通红番茄的果汁（番茄红素总顺式异构体占比为10%），结果发现，前者的番茄红素生物利用度为后者的9.5 倍[21]，进一步表明番茄红素顺式异构体的生物利用度较高。顺式番茄红素除较高的生物利用度外，其生理活性功能也显示出优越性，比如抗氧化、抑制前列腺增生、抗肥胖等等。

尽管理论上来说番茄红素存在1 024 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[22]，最常见的顺式番茄红素有5-顺式、9-顺式、13-顺式和15-顺式（图1）[23]。不同番茄红素异构体的抗氧化活性大小不同，通常为5-顺式＞9-顺式＞13-顺式＞15-顺式＞全反式[24]。在所有异构体中，5-顺式番茄红素具有较高的生物利用度[25]、生物活性[26]、抗氧化活性[27]和储存稳定性[28]，是一类应用价值极高的番茄红素异构体。全反式和单顺式异构体的势能为全反式＞5-顺式＞9-顺式＞13-顺式[29]，番茄红素的异构化需要相当大的活化能[30]，全反式番茄红素异构化为单顺式番茄红素的活化能为5-顺式＞9-顺式＞13-顺式[31-33]。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[34]，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[28,35]。Chasse等[30]利用从头算分子建模程序进一步研究番茄红素的几种顺式异构体的分子结构，得出稳定性顺序为5-顺式＞全反式＞9-顺式＞13-顺式＞15-顺式＞7-顺式＞11-顺式[28,30]。

图1 番茄红素结构式Fig.1 Structural formula of lycopene

2 提取方式对番茄红素异构化的影响

与全反式番茄红素相比，番茄红素顺式异构体的生理活性较高，但是如何有效地将顺式异构体从体系中提取出来还未见系统性的报道。本文综述了部分关于番茄红素及其顺式异构体的提取方法，如微波辅助提取、超声辅助提取和超临界CO2萃取等[36]，归纳了这些提取方法对番茄红素异构化的影响，旨在为番茄红素异构化及顺式异构体的提取提供理论依据。

2.1 微波辅助提取

微波处理使细胞膜破裂，有利于番茄红素释放[37-38]。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[39]，进一步提高异构化程度，提高提取效率[37]。Honda等[37]探究了微波辐射预处理对番茄红素提取效率的影响，发现经过1 050 W微波辐射60 s，木鳖果的果实“gac”中总顺式异构体相对含量从原来的6.4%增加到58.5%，在乙醇提取物中顺式异构体总相对含量达（91.5±0.7）%，主要增加的是9-顺式和13-顺式异构体。此外，Yu Jiahao等[40]发现通过微波（250 W）辅助提取番茄红素，在0～30 min内，番茄红素顺式异构体含量与加热时间成正比例关系，5-顺式、9-顺式、13-顺式番茄红素含量逐渐增加，其中5-顺式番茄红素含量最高。

2.2 超声辅助提取

除微波提取外，超声波辅助提取也对番茄红素的异构化产生影响，产生一定比例的顺式异构体。Chen等[41]研究发现超声波处理可能会加速类胡萝卜素异构化，在极端压力及温度条件下，异构化会发生[42]。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[43]，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[44]。Xu Yuan等[44]采用超声波辅助法提取红葡萄柚中的番茄红素，在提取过程中发现随着温度升高，番茄红素发生几何异构化，产生了较多9-顺式和13-顺式异构体。

2.3 超临界CO2萃取

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[45]，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，如番茄红素[46]。Murakami等[47]应用超临界CO2萃取法提取番茄粉中的番茄红素，通过探究温度、压力等条件对提取物中番茄红素总顺式异构体比例和回收率的影响，得出在140 ℃、30 MPa的条件下，总顺式异构体比例和回收率分别达到67%和84.8%，这可能是由于超临界提取时，CO2密度增加，溶解番茄红素的能力随之提高[48]。Vallecilla-Yepez等[49]同样采用超临界CO2流体萃取法提取了番茄油树脂中的番茄红素顺式异构体，发现在30 MPa、80 ℃条件下，从果皮中提取的顺式番茄红素含量最高，油馏分中的顺式异构体相对含量为82%，不溶性组分中的顺式异构体相对含量为26%；当压力升高到50 MPa，油和不溶性馏分中顺式番茄红素相对含量分别达76%和38%。上述研究结果表明，超临界CO2萃取法可应用于番茄红素的提取，CO2能更好地溶解顺式异构体[36]，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，提取效率亦大大提高。

改变提取方式是增加番茄红素异构体比例的有效途径，微波辅助、超声辅助、超临界二氧化碳等提取方式均可使番茄红素顺式异构体的比例增加。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。魏建华[50]将番茄红素在避光条件下置于氮气氛围中进行球磨，球磨速度200～1 300 r/min、温度15～50 ℃，发现球磨1～2 h得到的5-顺式番茄红素相对含量达60%～65%。Knockaert等[51]发现利用高压均质处理番茄泥后，5-顺式番茄红素含量显著增加，推测可能是均质使番茄红素更好地从番茄泥中释放出来，提取效率增加[52]。

3 番茄红素异构化反应类型

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）[53]、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。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[54]。

3.1 热异构化反应

3.1.1 热致异构化

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[54]，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[5,55]，Yeung等[56]利用从头模型研究番茄红素异构化的机制，得出相邻的甲基和氢原子基团之间存在1,4相互作用，1,4位上原子相互吸引导致分子结构旋转，阳离子的形成将C4从近似四面体（sp3）旋转扭曲为三角平面（sp2），由于额外的能量输入，使全反式构型转化为顺式异构体。图2为番茄红素中甲基与氢原子基团相互作用的几种类型。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[57]，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[58]。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[29,59]、不同食用油基质[33,60]、不同天然食品基质中番茄红素的异构化行为不同。

图2 番茄红素中甲基与氢原子基团相互作用的类型[56]Fig.2 Types of interaction between methyl and hydrogen groups in lycopene[56]

3.1.1.1 有机溶剂中番茄红素的异构化

番茄红素不溶于水，能溶于二氯甲烷、苯、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂，在有机溶剂中番茄红素异构化反应可以通过温度进行调控。Honda等[29]考察了番茄红素在CH2Cl2中热异构化24 h，温度对顺式异构化的影响，结果表明在50 ℃下的热异构化比例（77.8%）明显比4 ℃下（19.7%）高很多，顺式异构体比例明显随温度升高而增加，并且主要产生5-顺式异构体，这表明在一定范围内，加热会显著促进番茄红素异构化。才美慧[61]将番茄红素油树脂溶解在正己烷中进行热异构化的结果也证实热加工会促进顺式异构体累积。为进一步明确有机溶剂种类与番茄红素热异构化的关系，Honda等[29]探究了不同溶剂（CH2Cl2、CHCl3、CCl4、CH2Br2、丙酮、己烷和苯）对番茄红素异构化的影响，结果表明，在相对较高的温度（50 ℃）下，所有有机溶剂中顺式异构体的异构化比例增加，番茄红素在具有较强溶剂效应的溶剂（如CH2Cl2和CH2Br2）中的异构化速率常数较大，强溶剂效应可能降低5-顺式异构体的异构化活化能，使5-顺式番茄红素作为主要异构体产生。而在具有较弱溶剂效应的溶剂中，13-顺式异构体活化能较低，较容易生成。Zhang Lianfu等[62]将乙酸乙酯作为溶剂通过热回流方式异构化番茄红素，反应24 h后，番茄红素总顺式异构体占比从5.8%增加到49.9%；Lambelet等[63]采用了同种溶剂以同样方法热回流168 h，发现番茄红素总顺式异构体占比低于55%，这可能是因为全反式番茄红素碳正离子中间体稳定性大于其他碳正离子稳定性[62]，导致其异构化程度较小。上述研究结果表明，烷基卤化物有利于番茄红素异构化，且异构化速率：CH2Br2＞CH2Cl2＞CHCl3。基于此，在现有研究中，番茄红素异构体的制备基本上是将番茄红素溶解在CH2Cl2中，并水浴加热一定时间。

尽管有机溶剂（烷基卤化物、乙酸乙酯、正己烷等）都能有效促进全反式番茄红素异构化为顺式异构体。但是，有机溶剂残留会引发安全问题，同时有机溶剂用于热异构化反应时还存在因为溶剂沸点的限制导致加热温度有所局限从而降低反应效率等问题，因此在食品加工中应尽量减少使用。

3.1.1.2 油基中番茄红素的异构化

除有机溶剂外，食用油也可促进番茄红素异构化，且顺式异构体为弯曲结构，不易聚集结晶，更易溶于油脂[64]。在温和热处理条件下，番茄红素在基质中非常稳定，但在强烈加工条件下，异构化可能会迅速发生[65]。Colle等[66]将番茄红素溶解在橄榄油中对其进行热异构化处理，发现在较低温度下（80～90 ℃），全反式和总顺式番茄红素的异构化几乎不会发生，5-顺式番茄红素的异构化在100 ℃以下几乎不会发生。随着加热温度的升高和时间的延长，5-顺式和全反式异构体含量逐渐减少，9-顺式和13-顺式异构体含量逐渐增加，这可能是由于5-顺式番茄红素能量相对较低且有较大旋转屏障，9-顺式和13-顺式异构体更容易旋转，且它们的顺式构型键位于共轭链中心附近，导致其溶解度更高[34,37]。番茄红素在油基中加热时间的长短也会对异构化产生影响，Honda等[33]将番茄红素溶于植物油中进行微波加热（2 450 MHz、500 W、1～7min）处理，发现微波处理4 min左右，顺式异构体相对含量达（65.9±2.7）%，番茄红素几乎不会分解；微波处理7 min后，总顺式异构体相对含量达80%以上，异构化效率随加热时间延长而加快。油的类型也会对番茄红素的降解和异构化产生影响，鱼油中番茄红素的降解速度大于橄榄油中的降解速度。在Colle等[67]的另一项研究中，采用多反应建模方法研究了富含番茄红素的橄榄油和鱼油在热处理过程中番茄红素异构体的变化，发现13-顺式番茄红素的降解和异构化动力学参数在鱼油中显著高于橄榄油，表明从全反式番茄红素到13-顺式番茄红素的异构化在鱼油中更快，且对温度更敏感。一些学者还比较了多种不同的植物油中番茄红素的热异构化，在微波辐射条件下，烤紫苏、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]，都能显著促进5-顺式番茄红素形成。

3.1.1.3 天然食品基质中番茄红素的异构化

Colle等[68]以新鲜的番茄果肉为基质，探究了热处理对番茄果肉中番茄红素异构化的影响，发现即使在较高温度下（140 ℃），热处理几乎不会导致普通番茄果肉中番茄红素的异构化，只有少量x-顺式异构体（除图1列出的主要顺式异构体外的其他顺式异构体的统称）含量增加，其他异构体含量略微减少，这可能是由于番茄果肉中的番茄红素处于结晶形式，几乎不参与异构化反应[65]。李广志等[69]探究了微波加热对番茄果汁中番茄红素异构化的影响，通过单因素试验和正交试验分别对温度、加热时间以及微波功率等条件进行验证，发现微波功率对番茄红素异构化的作用效果最明显，这可能是因为微波通过电效应、磁效应等改变了番茄红素分子结构，加快了异构化进程，在250 W、90 ℃条件下加热6 h，顺式异构体占比达51%左右。在天然基质中番茄红素异构化与基质中其他活性成分密切相关，Achir等[70]将葡萄柚汁提取物（酸化水介质、补充抗坏血酸的酸化水介质、补充柚皮苷的酸化水介质）配制成果汁模型系统，发现果汁基质会对番茄红素产生保护作用，95 ℃热处理90 min，葡萄柚汁中5-顺式、9-顺式、13-顺式异构体的含量增加，顺式异构体占番茄红素总量的60%。

此外，由于番茄红素是脂溶性物质，不溶于水，因此在水基质中的异构化效率极低。Chen Jianchu等[71]将番茄粉末溶解在蒸馏水中并对其进行热异构化处理，发现在水基样品中，较温和条件下（80 ℃）异构化反应几乎不会发生。温度升高后，由于水传热效率高，在高温作用下细胞壁破裂使更多的番茄红素从细胞中释放出来与氧气接触，加速了异构化。但是由于水基中含有较多溶解氧[55]，同时因为顺式异构体不稳定[71]，番茄红素降解作用非常明显，在140 ℃加热1 h，异构化效率最高，之后随着加热时间的延长番茄红素含量逐渐降低。

通过对80 ℃热处理条件下不同基质中番茄红素的异构化进行评估，发现在有机溶剂中可以观察到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%[72]，而在部分油基和水基中的异构化反应几乎不会发生[66,71]，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。

3.1.2 热促异构化反应

热促异构化反应是指催化剂可影响番茄红素的异构化[54]，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[59,73]、碘掺杂二氧化钛[54]、多硫化物和异硫氰酸酯（isothiocyanate，ITC）[53,60,74]、碘[53]、二硫化碳[53]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。

3.1.2.1 天然催化剂催化异构反应

有研究报道天然催化剂通过不同的作用机制促进番茄红素的顺式异构化，ITC具有比较强的亲电性，可通过电子转移机制有效实现番茄红素的异构化（图3A），使5-顺式异构体含量显著增加，提高了番茄红素的生物利用度和抗氧化活性。而多硫化物的催化作用则与二硫键产生的自由基反应有关，在加热过程中，二硫化物裂解产生的噻吩基（RS•）催化异构化反应的进行[74-76]（图3B），实验结果表明二硫化物可以显著提高其热稳定性。Takemura[77]将含番茄红素的物质与含ITC的物质混合在一起进行异构化反应，在短时间内实现了异构化。日常食物如芸苔属和萝卜属植物中含有亲电的ITC，洋葱、大蒜等葱属植物富含多硫化物，都能促进番茄红素的顺式异构化[53,78]。Honda等[35]探究了35 种不同的传统调味品对番茄泥中全反式番茄红素热顺式异构化的影响，发现有些调味品如牛肉干酱、芥末，可能含有氯化铁和二烯丙基二硫化物等催化剂，降低了全反式异构体转化生成5-顺式番茄红素的活化能，促进了5-顺式异构体的生成。除此之外，芥菜、甘蓝属植物（西兰花和卷心菜）、鱼露、酵母提取物、烹饪酒等也被证实可以增强番茄红素的热异构化，其中，刺山柑对番茄红素热顺式异构化的促进作用被首次报道[35]。

图3 ITC（A）、二硫化物（B）催化类胡萝卜素异构的机理[74]Fig.3 Mechanisms of carotenoid isomerization catalyzed by isothiocyanates (A) and disulfide compounds (B)[74]

3.1.2.2 离子催化异构反应

除天然催化剂外，金属盐离子也被证实是非常有效的催化剂。Wang Qun等[73]探究了11 种金属盐对番茄红素异构化和稳定性的影响，发现其中5 种金属盐具有显著的催化作用，催化得到顺式异构体总量为FeCl3（70.8%）＞Fe2(SO4)3（54.0%）＞AlCl3（50.2%）＞CuSO4（40.0%）＞Al2(SO4)3（29.3%），综合考虑，Fe3＋、Al3＋和Cu2＋对番茄红素的催化能力大小排序为Fe3＋＞Al3＋＞Cu2＋，其中，AlCl3以分子形式催化番茄红素，通过与双键结合形成中间体，激活相应位点形成反应产物（图4A），能催化异构产生更高比例的5-顺式番茄红素。CuSO4与Fe3＋的异构化机制类似，可能通过与番茄红素结合获得电子转移能力。Honda等[59]将番茄红素溶解在丙酮中，在FeCl3的催化作用下于60 ℃反应3 h，番茄红素总顺式占比达到79.9%，在相对较高的催化剂浓度下，5-顺式番茄红素比例显著增加；当催化剂浓度较低时，13-顺式番茄红素比例增加。在反应过程中，Fe3＋可能通过与电子结合使得电子转移而产生异构反应，Fe3＋接受来自全反式番茄红素的电子，反式的阳离子番茄红素物质在双键的缺电子位点旋转，异构化为相应的顺式构型阳离子后再接受来自Fe2＋的电子，形成番茄红素顺式异构体[59,79]（图4B），该反应与ITC催化异构化的机理类似。

图4 AlCl3（A）、Fe3＋（B）催化异构化机理图[59,73]Fig.4 Mechanism of isomerization catalyzed by AlCl3 (A) and Fe3+ (B)[59,73]

非金属离子也被证实是一种很好的催化剂，Sun Qingrui等[64]应用溶胶-凝胶法制备了碘掺杂二氧化钛（I-TiO2）作为催化剂来异构化溶解在乙酸乙酯中的番茄红素。该实验中，催化反应120 min时总顺式异构体的比例增加到78.5%，在随后的180 min内增加到85.5%后保持恒定。其中，在开始反应的60～120 min内，5-顺式异构体比例由最初的0.1%增加到19.6%，进一步证明了催化异构的有效性。该异构化反应中制备的催化剂效率很高，被重复利用5 次后，活性损失低于16%，这也为生产高顺式占比番茄红素产品提供了一种高效制备路线。推测该反应机理是I―进攻通过双键络合生成的番茄红素烯丙基碳正离子，导致单键旋转扭曲，易于生成能量较低的异构体。

总之，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。

3.2 光致异构化反应

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[54]。Kuki等[80]分析了三重态敏化光异构化，通过与直接光异构化进行比较发现，两种异构化的模式相似，研究表明共轭链中心部分从反式到顺式的异构化可以通过中心部分键序的降低来解释。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。Murakami等[28]在4 ℃下用荧光灯照射番茄红素样品一段时间，在反应前92 h内，5-顺式和9-顺式异构体含量增加。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[81]。才美慧[61]则探究了不同光源（白、绿、红、蓝光）对番茄红素异构化的影响，将番茄红素溶于正己烷置于4 ℃条件下用4 种光源照射，发现随光照时间延长，白光和蓝光照射下总顺式异构体含量逐渐减少，红光和绿光条件下的顺式异构体水平总体上呈增长趋势。在光照条件下，光敏化剂可以使番茄红素异构化程度进一步提高，例如Honda等[82]在几种敏化剂（包括可食用敏化剂）存在条件下，研究了全反式番茄红素的光异构化（480～600 nm辐照60 min），发现将全反式番茄红素溶解在丙酮中光异构化时，以亚甲蓝和赤藓红为敏化剂异构化效率较高，5-顺式异构体比例分别增加到39.9%和37.7%。以上实验证明光敏化异构化是生产具有复杂功能和更高储存稳定性番茄红素异构体的有效方法，通过光敏剂诱发的三重态激发状态可能会促进番茄红素从全反式到顺式的异构化[75,82]。孙清瑞[54]以I2为催化剂进行光致异构化反应，得到的番茄红素从全反式到顺式异构体的转化率为51.2%，该反应是由于I·进攻类胡萝卜素C—C键间的π键[54]。

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。

3.3 其他异构化反应

除了上述提到的热、催化剂、光致异构化反应外，逐渐出现了一些新型异构化方法。Wei等[83]通过电化学反应形成的顺式异构体相对含量可达40%～60%，该反应原理是全反式阳离子自由基的某些键通过旋转形成顺式阳离子自由基后，通过电子交换形成顺式异构体[84]。

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来进一步提高番茄红素异构化效率，扩展应用。

4 番茄红素异构化对生理功能的影响

由于番茄红素无VA原活性，在很长一段时间内未受到重视。近年来，诸多研究表明番茄红素具有多种生理活性，在抗氧化以及癌症、炎症、动脉粥样硬化、神经性疾病等的预防和治疗中发挥着积极作用，在功能食品、医药、化妆品等领域应用越来越广泛。随着对番茄红素异构体研究的深入，众多学者发现番茄红素顺式异构体可能比全反式番茄红素具有更强的生理活性。Mueller[27]和Böhm[85]等通过多项体外实验探究番茄红素不同异构体的抗氧化活性，结果表明，全反式番茄红素异构化为顺式异构体提高了所含番茄红素的过氧自由基清除活性，这可能是由于顺式异构体的溶解度更高，且自聚集倾向更低[18-20]。此外，顺式异构体有较强的生理功能可能和β-胡萝卜素9’,10’-加氧酶（β-carotene-9’,10’-oxygenase，BCO2）有关。Ip等[86]发现重组雪貂BCO2可以在9’,10’双键处有效催化番茄红素顺式异构体（5-顺式和13-顺式番茄红素）生成其他胡萝卜素，但全反式番茄红素并不是重组雪貂BCO2的有效底物。

在人体内，番茄红素主要存在于脂肪组织中[87]，占类胡萝卜素总量的一半以上[87-89]。一些研究表明，番茄红素在脂肪细胞和脂肪组织中表现出显著的抗炎功效[26,88]。Fenni等[26]探究了番茄红素5-顺式异构体在脂肪细胞中的生物学功能并将其与全反式番茄红素的作用进行比较，发现5-顺式番茄红素调节的基因通过多种途径显著影响与脂质和葡萄糖代谢相关的途径，这与全反式番茄红素的调节机制相同，表现出相似的作用。通过对不同浓度的番茄红素溶液进行反式激活实验，发现5-顺式番茄红素在较低浓度（0.2 μmol/L）就能显著反式激活过氧化物酶体增殖激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ），在实验最高浓度（10 μmol/L）下激活作用最强烈，其作用效果达到全反式番茄红素的2 倍，而全反式番茄红素在浓度高于1 μmol/L时才能起作用[26]。但是5-顺式番茄红素激活信号通路的能力目前还没有明确的研究结果，需要进一步研究来验证。

番茄红素可对诊断为良性前列腺增生（benign prostatic hyperplasia，BPH）的患者发挥有益作用，其中顺式番茄红素比反式番茄红素对BPH的抑制程度更为显著。Zou Ying等[90]通过实验探究了番茄红素顺反异构体对小鼠实验性前列腺增生的影响，通过设置多组别的模型组（生理盐水组、对照组、BPH小鼠组）和治疗组（番茄红素治疗组、顺式异构体治疗组、药物治疗组），对小鼠进行口服给药30 d，通过测定前列腺指数、组织病理学检查等参数水平来评估全反式和顺式异构体对BPH的抑制作用，结果表明在预防和治疗前列腺增生方面，顺式异构体比全反式异构体表现出高的生物活性。

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。

5 结语

随着人们对健康需求的日益增加，番茄红素顺式异构体由于其高生物利用度广受研究人员关注，关于番茄红素顺式异构化的相关研究也取得了较大的进展。本文综述了番茄红素提取过程中的异构化情况，并基于热、光、催化剂等对番茄红素异构化影响的因素，对涉及的番茄红素异构化反应进行总结及归纳。在热处理条件下，不同基质中番茄红素的异构体比例有差异，在较低温度下，有机溶剂中番茄红素的异构化更易发生。在高于100 ℃温度下，油基和天然食品基质中的异构化水平都比较高，更利于异构化。添加催化剂和利用光源对番茄红素进行异构，能产生较多的5-顺式番茄红素，提高了番茄红素的稳定性。此外，番茄红素顺式异构体比全反式异构体的生理活性更强，具体表现在过氧自由基清除活性、对肥胖相关的脂质和葡萄糖代谢的调控能力、抑制前列腺增生等方面。

目前关于番茄红素异构化的研究仍然存在很多不足，需要进一步研究探讨以下方面：1）番茄红素异构体的制备仍存在很多限制，比如在热致异构化过程中较高温度易导致番茄红素降解，进而导致异构化效率低；尽管光照可使番茄红素异构体比例增加，但成本较高，未来需要探究开发更加绿色、简单、高效的异构体制备技术；同时，由于5-顺式异构体的生物活性更强，因此，在开发富含番茄红素顺式异构体的产品时，需要着力探索能有效提高5-顺式番茄红素含量的异构方法；2）番茄红素各类顺式异构体的稳定性较低，大部分都低于全反式异构体，虽然目前一些研究发现添加抗氧化剂如α-生育酚、丁基羟基甲苯等会提高番茄红素顺式异构体的储存稳定性[91]，但是其稳定性并没有得到很好的改善，研究也不够全面，因此需要探寻一些新的技术手段加以改进并提高其稳定性；3）番茄红素在提取的过程中会发生不同程度的异构化，如何在促进番茄红素异构化的同时提高番茄红素的提取效率也是今后需要继续探究的方向，并且目前关于单个番茄红素顺式异构体的提取鲜见报道，这有待于进一步深入研究；4）现阶段对番茄红素生理功能的研究大部分都集中于全反式构型番茄红素，对顺式异构体的各类功能活性及作用机制的研究相对较少。在后续的研究中，需要深入探究不同顺反异构番茄红素的比例对生理功能的影响及其作用机制，为进一步提高番茄红素的生物利用度、开发富含番茄红素顺式异构体的功能食品、更好地发挥番茄红素的营养与功能价值提供参考。