主题:【资料】CNS_08.150_番茄红

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番茄红素的性质功能及其应用与检测

邓睿



摘要:番茄红素主要存在于红色果蔬中,作为一种功能性天然色素,具有淬灭活性氧、消除自由基、预防多种癌症、降脂和提高机体免疫力等多种生理功能。目前,番茄红素不仅已广泛用作天然色素,而且在多种领域具有进一步的研究价值和良好的应用前景。

关键词:番茄红素,性质,检测,应用

番茄红素(Lycopene)是一种黄/红色类胡萝卜素,广泛存在于自然界中,主要存在于成熟的番茄、西瓜、番石榴、玫瑰果、木瓜和葡萄柚等果实中。其中含量最高的是成熟番茄,含量为0.03 mg/g ~ 0.14 mg/g,番茄红素有“藏在番茄里的黄金”之美称,并且番茄红素含量与番茄的成熟度呈正相关。此外,海洋嗜盐古菌也可产生番茄红素,而人体不能生成只能从食物中摄取。目前,番茄红素健康相关产品的开发已成为国际上功能性食品和新药研究的一个热点。

1 番茄红素的理化性质及生物学功能[1-4]

1.1 理化性质

番茄红素晶体为红色针状,相对分子质量为536.87,熔点176℃。番茄红素属于异戊二烯类不饱和烯烃化合物,分子式为 C40H56,分子结构中含有11个共轭双键和2个非共轭的碳-碳双键(图1)。在所有类胡萝卜素中,番茄红素的不饱和度最高,在天然果蔬中主要是全反式构型存在,也是最稳定的结构,小部分为顺式构型,以5-顺、9-顺和13-顺构型为主。而番茄红素的顺式与反式异构体在熔点、摩尔消光系数、呈色能力、极性、溶解性、最大吸收波长和生物活性等方面都有着明显差异。番茄红素制品中由于某些辅料的存在,往往能够起到延缓番茄红素氧化和异构化,从而提高番茄红素制品的稳定性,例如,番茄红素的微乳体系、包合物、微胶囊和软胶囊等的稳定性比番茄红素都有明显提高。

图1 番茄红素的化学结构



番茄红素化学结构中的羰基,决定了其不溶于水,难溶于强极性溶剂(甲醇、乙醇),可溶于乙醚、丙酮、正己烷、石油醚等,易溶于二硫化碳、氯仿、苯等。其中,尽管卤代烷烃(如二氯甲烷)是比较理想的溶剂,但因安全性问题,不适用于食品中番茄红素的制备。番茄红素在各种溶剂中的溶解度随着温度的升高而增大,样品纯度越高溶解越困难。

番茄红素分子中含有多个双键,因此遇光、酸、氧、金属离子及高温时不稳定,易降解。此外,长时间加热或紫外线照射可使其结构由全反式构型部分转化为顺式构型。番茄红素对光十分敏感,在光照度为 44.2×103~46.4×103 lx的太阳直射光下,番茄红素迅速发生顺反异构,70 min后反式番茄红素完全转化为顺式番茄红素;在11.5×103~18.4×103 lx的室内散射光下放置7 h后,转化率达83%。

1.2 生物学功能

1.2.1 抗氧化

氧化应激被认为是导致多种疾病的主要因素之一,单线态氧和过氧化自由基都是体内生成的活性氧,与癌症、心血管疾病以及与年龄相关的疾病有关,它们均能与体内的生物大分子反应,削弱它们的功能。番茄红素能够接受不同电子激发态的能量,使单线态氧的能量转移到番茄红素中,生成基态氧分子和三重态番茄红素,从而淬灭单线态氧,还可以通过电子转移过程清除自由基,也可以作为诱导剂,激活抗氧化信号通路,提高机体抗氧化系统活性,通过多种机制发挥抗氧化功能,缓解氧化应激损伤。

番茄红素淬灭单线态氧的能力与其分子中所含有的共轭双键的数目有着密切的关系。类胡萝卜素是有效的过氧化自由基清除剂,而番茄红素是天然类胡萝卜素中最有效的单线态氧清除剂,其作用是目前常用抗氧化剂β-胡萝卜素的2倍多,维生素E的100倍。

1.2.2 抗肿瘤活性

研究表明,番茄红素对前列腺癌、口腔癌、结肠癌、膀胱癌、肺癌等均有一定的抑制作用。目前的研究认为,番茄红素的抗肿瘤效应可能包括以下几种机制:①自由基淬灭机制;②降低细胞膜的氧化损伤机制;③诱导间隙连接通讯的机制。细胞间连接通讯功能的抑制或破坏被认为是促进癌变的重要机制,而番茄红素可以有效地诱导细胞间隙连接的通讯。尽管目前关于番茄红素抗癌的研究很有前景,但普遍缺乏临床方面作用机制的研究,仍需要科研工作者更加深入的探索。

1.2.3 降脂

番茄红素属于脂溶性物质,通过降血脂调节脂质代谢。番茄红素主要存在于细胞膜和脂蛋白中,并且多集中于低密度脂蛋白(LDL)和极低密度脂蛋白(VLDL)。血浆中番茄红素水平与颈动脉和主动脉血管壁的厚度及损伤具有负相关性,可有效预防动脉粥样硬化的形成。LDL氧化是动脉粥样硬化发展过程中的关键因子,番茄红素具有极强的抗氧化能力,因此番茄红素降血脂作用与番茄红素能抑制DNA和脂蛋白氧化,以及阻止LDL胆固醇氧化产物的形成有关。

1.2.4 增强免疫力

单线态氧和氧自由基是侵害机体免疫系统的罪魁祸首。番茄红素具有非常强的清除自由基和淬灭单线态氧的能力,因此可用于提高机体免疫功能。

番茄红素提高机体免疫力主要通过两种途径,一条途径是番茄红素促进T、B淋巴细胞增殖,增强自然杀伤细胞活性,进而提高机体免疫反应。番茄红素可以保护吞噬细胞免受自身的氧化损伤,促进T、B淋巴细胞增殖,对非特异性细胞免疫有明显的促进作用。番茄红素还可促进T淋巴细胞转化和增强 NK 细胞杀伤功能,其机制都是通过保护细胞的DNA,避免增殖过程中 DNA 复制受到损伤同时促进细胞间通信,加强细胞间相互作用。另一途径是番茄红素通过促进白细胞介素分泌,抑制肿瘤坏死因子-α等炎性因子,阻止其对NF-κB 信号通路的激活。

2 番茄红素的应用

2.1 在动物生产中的应用[3]

2.1.1家禽

番茄红素有提高家禽生产性能、改善蛋品质、减轻热应激损害、提高繁殖性能的作用。饲粮中添加适量番茄红素可以显著提高肉仔鸡的初生重和抗氧化能力,增加肝脏和蛋黄中番茄红素含量,同时降低蛋鸡血清总胆固醇和甘油三酯含量,以及肝脏、蛋黄、胸肌的胆固醇含量。还可提高冻融公鸡精子总运动能力、细胞的膜完整性和线粒体活性,以及人工授精的受精蛋孵化率。但目前,番茄红素在家禽饲料中的添加剂量从几十毫克到几百毫克不等,且试验群体较小,因此在大群体中的最优添加剂量还需要进一步研究。

2.1.2反刍动物

饲粮中添加番茄红素可改善夏季高温环境下巴美肉羊的生长发育和肉质,增加贮藏期羊肉的颜色稳定性和抗氧化物质含量,并且降低脂质和蛋白质的氧化程度。此外,番茄红素可显著提高精液解冻后公牛精子活力、顶体完整性、线粒体活性以及山羊精子的抗氧化酶活性,也可提高体外培养的牛胚胎质量。其机制可能是番茄红素易通过生物膜并迅速进入细胞,在细胞膜和脂蛋白的氧化损伤保护中起重要作用。以上结果表明,番茄红素具有提高反刍动物生产性能、改善贮藏期羊肉品质、提高种畜精子质量的作用,为达到最佳应用效果,在应用过程中要注意添加剂量。

2.1.3兔

番茄红素具有提高肉兔抗氧化能力、改善肉品质、降低胆固醇的作用。兔饲粮中添加适量番茄红素可降低血清中总胆固醇浓度。另外,还能降低肉兔血浆和肉中硫代巴比妥酸反应物(TBARS)含量,提高维生素A和α-生育酚含量。其机制可能是由于番茄红素能减少自由基的产生并增加抗氧化酶的活性。

2.1.4水产动物

番茄红素具有改善水产动物生产性能、减轻氧化应激损伤的作用。在高脂饲料中添加 0.2% 番茄红素可提高虹鳟鱼的饲料转化效率、蛋白质效率比和抗氧化功能。番茄红素能够减轻马拉硫磷对鲤鱼以及克百威对非洲鲶鱼的毒性作用,作用机制可能是番茄红素通过清除自由基进而降低了机体丙二醛含量并提高了抗氧化酶活性。这些研究结果为番茄红素减轻药物对水产动物的损害提供了理论依据。

但也有研究表明,番茄红素能降低黄金鲈鱼的肝脏超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性,其机制可能是由于番茄红素能够有效清除自由基并防止氧化应激的发生,因此对内源性抗氧化酶的刺激较少。

2.2 在社会生产中的应用

  人体自身不能合成番茄红素,其摄入量的85%来源于番茄和以番茄为基础的产品。番茄红素产品主要有番茄红素油、番茄红素胶囊、番茄红素片和番茄红素标准物质等。番茄红素已被认定为A类营养素,并被 50 多个国家和地区作为具有营养与着色双重作用的食品添加剂,广泛用于食品、保健品和化妆品等行业。

2.2.1 食品

将番茄红素添加到肉制品、饮料、面包、糖果、饼干和奶制品等食品中,起着保健、着色或防腐等功能。番茄红素可作为肉制品的保鲜剂、着色剂。另外,富含番茄红素的番茄制品的酸性会降低肉品pH值,会在一定程度上抑制腐败微生物的生长,因此,可以作为肉类食品的防腐保鲜剂,起到部分替代亚硝酸盐的作用。

番茄红素具有优越的生理功能,且抗氧化性强,能高效猝灭单线态氧和清除自由基,抑制脂质的过氧化。因此,将其添加到食用油中可缓解油脂劣变。番茄红素生理功能良好,可有效缓解疲劳,且长期食用还能预防许多慢性疾病,因此,开发富含番茄红素的功能饮料具有很好的市场前景。[5]

2.2.2 保健品

番茄红素也被用于抗氧化,增强免疫力等功能的保健食品,主要有:用于预防前列腺癌的产品,这也是应用最多的产品;用于延缓衰老的产品;用于防止紫外线灼伤,保护皮肤的产品;用于类胡萝卜素复合产品。我国已获批准的含番茄红素的保健食品有几十种以上,主要涉及抗氧化、增强免疫力等,包括片剂、胶囊、油等多种形态。目前,我国在售的番茄红素国产保健品主要原料以番茄红素、番茄红素油或番茄红素油树脂为主要成分。[2]

2.2.3 化妆品

典型的产品如番茄红素保湿乳液等, 有美白和抗衰老效果。国产产品有番茄红素美白精华涂抹针, 具有抗氧化、抗过敏、美白的功效。

3 番茄红素的检测方法[1]

3.1 紫外-可见分光光度法

一种方法是采用苏丹红?代替番茄红素作为对照品,以485 nm波长下测得的吸光度为纵坐标,苏丹红?对照品溶液浓度为横坐标,绘制标准曲线,同时测定待测样品溶液在485 nm 波长下的吸光度值,通过标准曲线计算样品中番茄红素的含量。国标GB/T 14215-2008就是利用该法来测定番茄酱中番茄红素的含量[6]。该方法简便快捷、稳定准确,适合于番茄红素片剂的含量测定。另外一种方法是在472 nm下测定待测样品溶液的吸光度,利用番茄红素的最大摩尔吸光系数的经验数值(E=18.5×104)计算番茄红素的含量[7]。上述两种方法不需要对照品,且测定方法简单,但都不能排除其它类胡萝卜素的干扰,误差较大。

3.2 高效液相色谱法

高效液相色谱(HPLC)具有分离效果好、分离速度快、样品用量少等优点,常用于番茄红素等天然色素的分析和半制备。

李向荣等[8]利用高效液相色谱法同时测定果蔬和血浆中的番茄红素,其方法:以Ultraphere ODS C18 为色谱柱,乙腈- 四氢呋喃(60︰40)为流动相,流速为1.0 mL·min-1,检测波长为445 nm。该方法能同时测定果蔬食物和血浆中的番茄红素和β-胡萝卜素的含量。

薛颖等[9]采用Novapark C18色谱柱,乙腈-三氯甲烷(92︰8)为流动相,检测波长470 nm,流速1.0 mL·min-1,对番茄酱和几种番茄在不同果实成熟度时番茄红素的含量进行了测定。

陈向明等[10]在ultimate-C18色谱柱上,以乙腈-乙酸乙酯为流动相,采用梯度洗脱,流速为1.0 mL·min-1,检测波长 475 nm,以外标标准曲线法进行定量,建立了高效液相色谱法测定枸杞子中番茄红素的含量。

刘梅芳等[11]采用Waters XBridge C18色谱柱,甲酸水-甲醇-乙腈(2︰18︰80)为流动相,等度洗脱20 min,检测波长475 nm,流速0.2 mL·min-1,建立针对样品的不同处理阶段采用不同的抗氧化剂:水相加水溶性抗氧化剂维生素C,有机相中加脂溶性抗氧化剂焦性没食子酸,使得整个样品处理过程中番茄红素的损失率大大降低,提高了测定结果的准确性。

高效液相色谱法测定番茄红素,能够从繁杂的类胡萝卜素组分中较好地分离番茄红素,并定量分析,方法简单易行,干扰因素少,适用于番茄红素提取开发研究的定性、定量分析。

3.3 差示扫描量热法

差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)是法定的药物纯度测试手段之一,可以快速、方便、准确地测定高纯度化工、医药产品。李伟等[12]利用DSC法对番茄红素晶体进行了纯度测定,并将测定结果与 HPLC 和分光光度法进行比较,结果表明DSC法具有较高的准确度。DSC法测定物质纯度,具有试样用量少、测定时间短、不需要对照品、能测定物质绝对纯度等优点,但该法对试样的纯度有一定的要求(纯度要求高于98%)。

番茄红素的限量及标准

4.1 安全性与推荐摄入量

动物毒理学等试验已经证明,在不同途径化学合成的等同番茄红素中,有一部分具有安全性。Roche、LycoRed等公司生产的天然及合成番茄红素已有获得 FDA 公认安全物质认证,在美国作为食用色素使用。欧盟许可使用从番茄中提取的天然番茄红素作为色素,在果冻、果酱及其他类似水果产品中的最大使用量为100 mg/kg。但现有的研究数据尚不能充分确定每天膳食供给的推荐量(ADI值)。[13]

4.2 我国番茄红素的使用标准

我国已批准番茄红素(INS No.160d)作为着色剂(GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》)。

表1 番茄红素使用标准

食品分类号

食品名称

最大使用量(g/kg)

备注

01.01.03调制乳

0.015

以纯番茄红素计
01.02.02风味发酵乳

0.015

以纯番茄红素计
05.02糖果

0.06

以纯番茄红素计
06.06即食谷物,包括碾轧燕麦(片)

0.05

以纯番茄红素计
07.0培烤食品

0.05

以纯番茄红素计
12.10.01.01固体汤料

0.39

以纯番茄红素计
12.10.02半固体复合调味料

0.04

以纯番茄红素计
14.0饮料类(14.01包装饮用水除外)

0.015

以纯番茄红素计,固体饮料按稀释倍数增加使用量
16.01果冻

0.05

以纯番茄红素计,固体饮料按稀释倍数增加使用量


5 展望

随着我国经济水平的发展,人民生活水平的提高和我国老龄化社会的到来,人们对于自身健康关注度越来越高。番茄红素作为一种功能性天然胡萝卜素,因其抗氧化、抗肿瘤、保护心血管和增强免疫力等方面的独特功效,将会在医药保健等领域具有广泛的发展空间。由于番茄红素本身稳定性较差,不易保存,再加上天然植物中番茄红素的含量很低、化学合成工艺难度较大,使得无论是从天然提取还是化学合成番茄红素成本都较高,这在一定程度上限制了番茄红素的推广和应用。随着现代分离纯化和化学合成技术的发展,天然提取和合成番茄红素的成本将会大大降低。同时,随着基因工程的发展,利用转基因技术可以不断培育出产高含量番茄红素的番茄,应用DNA重组技术构建产番茄红素的基因工程菌,这些技术和手段将会显著地降低番茄红素的生产成本,从而推动番茄红素的应用。[1]

参考文献

[1]王昆,马玲云,吴先富,肖新月.番茄红素的研究概况[J].中国药事,2015,29(03):266-272.

[2]姜雨,王献仁,董诗源,李雅慧,余超.番茄红素的研究及应用[J].疾病控制杂志,2008(01):66-69.

[3]左兆云.番茄红素的生理功能及其在动物生产中的应用进展[J].中国畜牧杂志,2021,57(02):40-45.

[4]朱原,张永英,朱海波,岳利敏,宋紫玥,吴瑞华,刘冠慧.番茄红素生物学功能研究进展[J].食品研究与开发,2020,41(18):202-207.

[5]黄明亮,孙颖,王雪莹,吴文标.番茄红素的提取工艺及在食品中的应用[J].中国调味品,2012,37(06):106-110.

[6]中国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 14215-2008番茄酱中番茄红素含量的测定方法. 2008.

[7]胡晓波,温辉梁,许全,刘崇波.番茄红素含量测定[J].食品科学,2005(09):548-551.

[8]李向荣,方晓,陈青俊,黄百芬.高效液相色谱法同时测定果蔬与血浆中的番茄红素和β-胡萝卜素[J].浙江大学学报(农业与生命科学版),2000(04):101-103.

[9]薛颖,武兴德,陈杭.高效液相色谱法测定番茄及其制品中的番茄红素[J].中国食品卫生杂志,2002(05):17-19.

[10]陈向明,王萍萍.高效液相色谱法测定枸杞子中番茄红素[J].福建分析测试,2013,22(01):36-38.

[11]刘梅芳,李帮锐,王华洪,刘永康,冯家力.测定保健品中番茄红素的高效液相色谱法[J].职业与健康,2013,29(18):2325-2326+2329.

[12]李伟,丁霄霖,戴庆平,袁钻云.差示扫描量热法测定番茄红素的纯度[J].食品科学,2002(09):87-89.

[13]潘晓威,叶剑芝,苏子鹏,周慧莲,杨春亮.番茄红素生物学功能研究进展及应用前景[J].现代农业科技,2018(01):237-238+240.
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