番茄紅素的研究現狀及應用前景

陳文靜　張歡　董旭　宋建軍

摘要 對番茄紅素的分子結構、理化性質、生理功能、生物合成途徑及提取方法等進行了介紹，簡述了番茄紅素在國內外的生產研究現狀，并對番茄紅素的應用前景進行了展望。

關鍵詞 番茄紅素；理化性質；生理功能

中圖分類號 S188；TS202.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）27-029-04

番茄紅素是成熟番茄果實中的主要色素，屬于類胡蘿卜素的一種，1903年由Schunck[1]發現并命名。一直以來，因為番茄紅素沒有β胡蘿卜素的β芷香環結構，而不具有VA源活性，所以很少受到人們的重視。近年來，隨著人們對番茄紅素生理功能了解的深入，發現其在防癌抗癌、增強機體免疫力、延緩衰老等方面有著極其重要的作用。目前番茄紅素在功能性保健食品中的研究與應用已成為一個新的熱點。

1 番茄紅素的分子結構及理化性質

1.1 番茄紅素的分子結構

番茄紅素分子式為C40H56，是一種具有11個共軛及2個非共軛的碳-碳雙鍵組成的非環狀平面脂溶性不飽和碳氫化合物，具有淬滅單線態氧和清除自由基的作用[2]。番茄紅素的分子量為536.85 Da，分子結構見圖1，與β胡蘿卜素是同分異構體，到目前為止發現番茄紅素的異構體多達72種。天然存在的番茄紅素90%以上都是全反式構型，只有一小部分為順式構型，以5順、9順和13順為主。而在人體組織中則大部分為順式構型。

1.2 番茄紅素的理化性質

番茄紅素有2種存在狀態，一種為紅色長針狀晶體，另一種以油狀液體形式呈現。它是一種脂溶性色素，在不同溶劑中會呈現不同的顏色，熔點為172～175 ℃[3]。番茄紅素有順式結構和反式結構的差異，導致其在化學和物理特性方面有很大不同，順式結構顏色弱，熔點低，消光系數小，極性強，更容易溶解，在紫外-可見光區的350～365 nm短波長處容易被吸收，全反式結構在此波段無吸收，在472 nm 處有一強吸收峰[4]。番茄紅素不溶于水，難溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有機溶劑。番茄紅素是一種不飽和脂肪族烯烴，很容易在外界條件的影響下發生構型轉變，如在長時間的加熱或紫外線照射下可導致其異構化，使反式構型部分轉化為順式構型，日光下番茄紅素純品12 h基本損失殆盡，紫外光下3 d 損失40%，且溫度越高降解越快[5]。另外，一些因素如氧氣、pH、活性表面等均能影響番茄紅素的穩定性，在進行有關番茄紅素的試驗時特別要注意番茄紅素的保存。孫慶杰等[6]進行了有關番茄紅素穩定性的研究，發現番茄紅素對某些金屬離子較敏感，K+、Na+、Mg2+、 Zn2+對番茄紅素的影響不大，Fe2+、Cu2+易引起番茄紅素較大的損失，Fe3+和 Al3+引起的損失較少，在酸性環境有CO2存在且溫度低于50 ℃的條件下，番茄紅素的穩定性較好。堿性條件對番茄紅素的穩定性影響較大，在此條件下其吸光度顯著下降。

2 番茄紅素的生理功能及作用機理

2.1 生理功能

近年來國內外加大了對番茄紅素生理功能研究的力度，發現番茄紅素在防癌、抗癌方面具有不容忽視的作用[7-8]。番茄紅素還具有淬滅單線態氧、清除自由基、阻斷亞硝胺形成、抑制細胞增殖、誘導細胞分化的功能，所以在預防心血管疾病、控制脈粥樣硬化、提高免疫功能和延緩衰老等方面具有重要生理功能。番茄紅素作為一種天然的營養與著色雙重作用的添加劑，在食品、化妝品行業中也發揮著重要作用，已被50多個國家和地區所認可[9]。

防癌抗癌的功能：Mills等[10]經過6年對14 000名男性的隨訪研究，發現番茄攝取量越多的人發癌率越低。番茄紅素能夠抑制宮頸癌HeLa細胞的生長，促進其凋亡，進而抑制宮頸癌的發生。張為國等[11]研究表明，番茄紅素能明顯抑制端粒酶的活性，進而減弱胃癌細胞的增殖能力，把癌細胞阻滯在G0/G1期，最終誘導凋亡，進一步證明了番茄紅素的抗癌性。

預防心血管疾病的功能：Agarwals等[12]對歐洲10個國家的1 400名男子進行研究發現，急性心急梗死的死亡率隨著番茄紅素水平的增高而降低。Rissanen等[13]研究證明血漿中番茄紅素的含量越高，人們患動脈粥樣硬化和冠心病的概率越低。鄭育等[14]對番茄紅素的調脂作用進行了研究，發現番茄紅素可升高血液透析患者的高密度脂蛋白（HDL）水平，降低LDL水平，減小了冠心病的發生概率。

增強機體免疫力的功能：白介素2（IL2）和白介素4（IL4）是免疫應答因子，可以促進T、B細胞的活化與增殖，進而增強人體的免疫力。Watzl等[15]研究發現，番茄紅素有促進白介素2（IL2）、白介素4（IL4）分泌的功能。另外，最新研究證實，番茄紅素還具有降低巨噬細胞炎癥介質NO和促炎因子白介素6（IL6）的分泌，抑制炎癥反應的功能。

其他功能：番茄紅素能有效地保護皮膚免受紫外光的損傷，對老年功能障礙性疾病的預防有一定的效果。另外，在抗血凝等方面也發揮著重要作用。

2.2 作用機理

細胞正常代謝所產生的活性氧類物質和自由基是誘發癌癥的重要原因。低濃度的自由基可刺激細胞的生長繁殖與分化，防止細胞損傷和感染。高濃度的活性氧和自由基會使細胞發生脂質氧化，在正常細胞中如果自由基的生成與清除達不到平衡，致使自由基過多地存在于細胞中，導致蛋白質結構變異，酶變性，甚至引起 DNA的突變，誘發癌癥。番茄紅素具有預防和抑制腫瘤的作用，是由于它具有很強的抗氧化生物活性，能淬滅單線態氧清除自由基，有效抑制氧化物對DNA和脂蛋白的破壞，減小細胞在誘變劑的作用下發生基因突變的概率。低密度脂蛋白（LDL）可直接導致冠心病和動脈粥樣硬化，番茄紅素能防止中低密度脂蛋白氧化，抑制LDL膽固醇氧化物的形成，從而防止冠心病的發生[16]。番茄紅素有活化和增強免疫細胞活性的作用，分泌的細胞活化因子可以活化細胞，能促進吞噬細胞向淋巴細胞的轉化，進而保護吞噬細胞免受自身氧化損傷。同時促進T、B淋巴細胞增殖，刺激效應T細胞發揮功能，減少淋巴細胞對DNA的氧化損傷，因而它能增強人體免疫力。

3 番茄紅素在自然界的分布及生物合成途徑

3.1 番茄紅素在自然界的分布

番茄紅素廣泛地存在于自然界，其中在植物中分布最多，蔬菜和成熟的紅色水果如番茄、西瓜、李柿、柑桔、紅肉臍橙和紅色葡萄柚中含量較高。番茄的外表層是番茄紅素含量最高的部位[17]，果蔬中番茄紅素的含量見表1。另外，在人體的一些器官如血液、腎上腺、肝臟、睪丸、前列腺、消化道等中也檢測到了番茄紅素，其中腎上腺和睪丸中番茄紅素含量較高。此外，藻類、真菌、細菌中番茄紅素也普遍存在，迄今發現紅細菌和紅酵母中番茄紅素含量最高。

3.2 番茄紅素的生物合成途徑

番茄紅素在植物細胞中的合成是在質體和葉綠體中進行的，它是類胡蘿卜素生物合成途徑中的一個中間產物，屬于類胡蘿卜素的一種，環化后能形成其他類胡蘿卜素。近年來，番茄紅素生物合成方式已逐漸被人們認識并取得了很大的進展[18]。異戊二烯焦磷酸（IPP）是番茄紅素生物合成的前體物質，IPP 可由兩條途徑來獲得，一種是存在于細菌和植物質體中的MEP（1脫氧木酮糖5磷酸合成酶）途徑；另一種是存在于真菌、植物的線粒體和細胞質中的MVA（3，5二羥3甲基戊酸）途徑。植物細胞內色素的合成主要依賴于質體中的MEP途徑。首先IPP 在 IPP 異構酶（IPI）的作用下異構化形成二甲基丙烯焦磷酸酯（DMAPP），DMAPP生成后在牦牛兒基焦磷酸合成酶（GPS）的作用下，再與3分子的IPP發生縮和反應依次生成牦牛兒基焦磷酸（GPP）、法尼基焦磷酸（FPP）、牦牛兒基牦牛兒基焦磷酸（GGPP），2分子的GGPP在八氫番茄紅素合成酶（PSY）的催化下頭對頭發生二聚化作用生成八氫番茄紅素，隨后八氫番茄紅素在八氫番茄紅素脫氫酶（PDS）和 ζ胡蘿卜素脫氫酶（ZDS）的連續催化作用下逐步發生脫氫反應，形成原番茄紅素（多順式番茄紅素），之后多順式番茄紅素在類胡蘿卜素異構酶（CRTISO）的作用下異構化形成全反式番茄紅素，全反式番茄紅素最終在 ε環化酶（LCYE）和 β環化酶（LCYB）的作用下，形成 α胡蘿卜素和β胡蘿卜素，α胡蘿卜素和β胡蘿卜素繼續降解為葉黃素、玉米黃素等其他類胡蘿卜素[19]。番茄紅素合成途徑見圖2。

4 番茄紅素的提取方法

4.1 直接粉碎法

直接粉碎法是將番茄皮晾干后進行粉碎，作為著色粉直接添加于食品中。此種工藝方法雖然操作簡單，但得到產品的質地非常粗糙，應用范圍很有限[20]。工藝過程見圖3。

4.2 有機溶劑浸提法

根據番茄紅素可溶于脂肪烴和芳香烴類化合物這一特性，可采用親脂性有機溶劑來浸提的方法進行提取，工藝過程見圖4。劉殿鋒等[21]用氯仿提取番茄渣中的番茄紅素，結果表明，料液比 1∶4（g∶ml），浸提時間5 h，浸提溫度50 ℃，pH 5是最佳提取條件。但由于有機溶劑滲透穿過物質細胞壁和細胞膜的能力較差，不能很好地將提取物從細胞壁中溶出，所以該方法存在提取時間過長的問題。另外，該方法還存在有機溶劑殘留的缺點，加之番茄中還含有其他成分，所以單采用溶劑萃取法提取的番茄紅素是一種呈油狀的番茄紅素油樹脂，含量為5%～15%，且產品純度不高。夏萍等[22]優化了傳統的提取番茄紅素的方法，進化了如下改進，在提取之前首先運用皂化法來破壞番茄的組織細胞，使番茄紅素能完全地釋放出來，然后再用混合溶劑作為浸提劑來提取，這種在提取之前使用弱堿Na2CO3對番茄糊進行皂化的方法，不僅縮短了提取時間，而且提取的番茄紅素含量比普通方法高出4倍，又能消除β胡蘿卜素對番茄紅素測定的影響，具有很強的操作性，發展前景廣闊。

4.3 超臨界CO2萃取法

超臨界CO2萃取法主要應用于食品工業的提取和分離。它是以臨界狀態（溫度31.3℃，壓力7.15 MPa）下CO2的高滲透性和高溶解力為基礎，根據不同物質極性大小的不同、沸點高低的不同、相對分子質量大小的不同，而進行的提取分離混合物的過程。此方法工藝簡單、提取溫度低，且使用的是超臨界狀態下的CO2對物料進行萃取，無毒無害、天然綠色，既無溶劑殘留又能避免活性物質在高溫下發生氧化降解，適于番茄紅素這類熱敏性物質的提取。工藝過程見圖5。孫慶杰等[23]采用該方法確定了最佳提取條件為壓力15～20 MPa，溫度 40～50 ℃，流量20 kg/h，時間1～2 h，該條件下90%以上的番茄紅素被提取出來。王憲青等[24]利用超臨界CO2萃取法提取番茄粉中的番茄紅素，用100 g番茄粉為原料獲取了47.986 g純度為0803%的番茄紅素提取物，最佳提取工藝參數為：30 MPa，60 ℃，2 h，CO2流量為 20 kg/h，無水乙醇作夾帶劑。雖然回收率高，但超臨界流體萃取技術也面臨很多問題，如對設備要求高，投資成本高，難以實現工業化生產，原料要經過復雜的預處理等，這些問題都制約了超臨界流體萃取技術的應用。

4.4 酶反應法

酶反應法是利用番茄皮自身所含有的酶或人為添加酶的方法，將番茄紅素釋放出來加以提取的方法。酶法提取番茄紅素可縮短浸提時間、提高產品得率，所得色素為水分散性色素。其工藝過程見圖6。李淑梅等[24]用酶反應法改進提取條件來提取番茄紅素，通過進一步對試驗條件影響的分析，得到最佳的酶濃度和酶提取時間：果膠酶∶纖維素酶為4∶l，酶添加量為0.5%，酶作用溫度為40 ℃，pH為4，在無水乙醇浸提4 h的前處理下能顯著提高番茄紅素的提取率。趙功玲等[25]將新鮮番茄搗成漿狀后加入01%的纖維素酶作用2.5 h，35 ℃條件下，氯仿避光浸提3 h，70 ℃濃縮，明顯提高番茄紅素的提取速度和提取量。酶反應法雖然有無溶劑殘留的優點，但提取過程中需要的輔助萃取步驟較多，且提取時間長，番茄紅素含量一般小于1%，有的產品含有一些不溶性物質和可溶性物質，這些問題都在一定程度上限制了其應用。

4.5 微波輻射萃取法

微波輻射萃取技術是將微波和傳統的溶劑萃取法相結合而形成的一種新的萃取方法。鄧宇等[26]在國內首次運用微波提取法進行了番茄紅素提取研究，與溶劑法比較，該方法有提取時間短、提取率高、溶劑用量少、成本低、重現行好、質地純無環境污染等優點。綜合考察微波功率、提取時間、固液比、提取級數4個因素對提取率的影響，正交試驗結果表明，最佳提取工藝：微波功率為360 W，提取時間為20 s，固液比為1∶3，提取級數為3。

4.6 微生物發酵法

近年來，研究人員也在不斷地探索新的生產番茄紅素的方法，經過大量研究發現微生物發酵法可以得到高產率的番茄紅素，發現以下幾種微生物適用于番茄紅素的生產：紅色細菌、霉菌、基因改造過的酵母菌、藻類。Gavrilov等[27]在霉菌的發酵液中添加了1%的煙草廢棄物，經過110 h發酵后，得到產率為600～800 mg/ml的番茄紅素。 Shimada等[28]將外源基因插入到產蛋白假絲酵母中，利用轉基因的技術方法，發酵生產番茄紅素，得到含量可達 7.8 mg/g 的細胞干重。

5 番茄紅素的研究現狀

5.1 國內研究現狀

目前國內對番茄紅素的生產和研究開始深入化、專業化。近年來有關番茄紅素的性質、提取方法、保健功能、在生產應用上的研究、生產工藝上的研究、番茄紅素分離與分析的研究進展等方面的文獻資料逐年增多，這些都為番茄紅素以后的研究提供了理論依據和基礎。國內番茄紅素生產研究基地主要是無錫輕工大學食品學院。早在1998年，無錫輕工大學的孫慶杰以新疆番茄皮和番茄籽為原料，結合超臨界CO2萃取的方法，使番茄紅素的提取率達到90%以上。2000年新疆石河子開發區鴻博有限責任公司生產出了番茄紅素膠囊、亞油酸番茄紅素膠囊等功能營養保健性產品。2001年6月，“天然番茄紅素提取技術”獲得了國家專利，番茄紅素的開發被納入“國家863計劃”。到2003年，我國番茄紅素產品的年生產能力還遠落后于國外，市場需求量高達20～30 t/年，而我國年產率還不夠5 t。近年來我國開始逐漸重視番茄紅素產品的開發和研究，最近國內高校科技集團生物工程中心采用玉米淀粉進行發酵得到了產率在1 000 mg/L以上的番茄紅素，但還未實現工業化生產。目前番茄紅素的一個研究熱點是利用轉基因技術培育高含量番茄紅素的番茄品種以及開發高產番茄紅素的微生物菌株。

5.2 國外研究現狀

國外充分利用番茄紅素的保健、防病、治病和美容功能，應用領域已延伸到醫藥、食品、動物飼料和化妝品行業等方面。在雜交育種方面，以色列種苗公司通過育種率先選育出比普通番茄品種番茄紅素含量高出4～5倍的雜交番茄品種 Lycopene Rich Tomato，并利用這種高番茄紅素的雜交品種開發出了多種番茄紅素產品，如其中一種產品的商標為 LYCDMATO的番茄紅素產品。在醫藥原料和高級化妝品方面，如用于防止紫外線灼傷、保護皮膚的典型產品防曬霜，用于美容和延緩衰老的霜類產品。在保健食品行業方面，如用于防癌、抗癌、抗氧化延緩衰老、增強免疫力的保健食品，用于降低血壓、治療高膽固醇高血脂的保健藥品。另外，國外在用微生物生產番茄紅素方面也比我國先進很多。目前利用微生物菌株結合基因工程的方法工業化生產番茄紅素正在其他各國如火如荼地開展。

6 應用前景與展望

我國每年大量出產番茄，應充分利用番茄高產量的優勢，結合現代提取分析檢測技術，將番茄紅素應用到農業、食品加工業、醫藥美容業等行業。

農業方面，作為一種天然性色素，番茄紅素有資源豐富、安全無毒、品質良好、色澤自然等優點，可用于家禽飼養、水產養殖、改善肉類色澤等方面。在飼料中添加番茄紅素，由于降低了化學合成色素帶來的危害，因而可大大提高肉類與蛋白質類產品的品質。日本經過大量的試驗已經開發出了含番茄紅素的飼料，此種飼料喂養的雞產出的雞肉和雞蛋都富含番茄紅素。因此，可以將番茄紅素應用在農業生產上。在水產養殖中有研究表明，把番茄紅素添加在鯽魚配合飼料的油脂中，可使鯽魚內源性抗氧化物的水平提高，從而增強抗氧化作用。

食品加工業方面，我國已批準番茄紅素作為著色劑、食品添加劑應用到食品加工等方面。2006年聯合專家委員會認為可把番茄紅素作為色素和營養素補充劑使用。番茄紅素目前也被用于增強人體免疫力、防癌抗癌、延緩衰老等功能保健型食品中。在肉制品中，由于其強抗氧化性，可作為肉制品的保鮮劑、著色劑，提高肉類色澤。另外，番茄紅素的酸性還有降低肉品的pH，抑制腐敗微生物滋生的作用。所以，可以把番茄紅素添加到肉類食品中，既起到了防腐、保鮮的作用又對人體有益而無害，只是成本較高。

醫藥美容業方面，番茄紅素作為一種功能性天然色素，因其獨特的結構和化學特征及較強的抗氧化、抗增殖和抗腫瘤等多種生物活性，在預防心血管疾病、前列腺癌、胃癌和胰腺癌等方面發揮著不可替代的作用。目前該領域已成為科學家、內科醫生、營養學家及新聞媒體關注的熱點。番茄紅素能抵擋UV對皮膚的傷害，同時能降低機體發生的炎癥反應的機會，使正常的細胞增殖得以進行，大大減少了對DNA的損傷。番茄紅素的抗氧化作用使其具有防止和延緩皮膚衰老、減少皺紋及雀斑美白的作用。番茄紅素也可作為化妝品的著色劑，不僅能起到保色、保味、保質的作用，還可作為著色劑，應用于唇膏、口紅生產中。綜上所述，番茄紅素產品大規模工業化生產很快將會有較大突破，在未來的經濟發展中其必將具有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1] SCHUNCK C A.Different processing of lycopene and caroteniod [J].Proc Roy Soc（London），1903，72：165-168.

[2] 張連富.固態（膏狀）番茄紅素產品穩定性研究[J].食品與發酵工業，2003，29（9）：6-8.

[3] 凌關庭.天然食品添加劑手冊[M].北京：化學工業出版社，2000：303.

[4] 張連富.番茄紅素開發及生理研究[D].無錫：江南大學，1999.

[5] 王巖，周義新.番茄紅素的研究進展[J].國外醫學（衛生學分冊），2000，27（4）：197-199.

[6] 孫慶杰，丁霄霖.番茄紅素穩定性的初步研究[J].食品與發酵工業，1998，24（2）：47-49.

[7] 米志寬.番茄紅素對前列腺癌細胞PC3增殖的影響[J].陜西醫學雜志，2009，38（7）：778-782.

[8] YEUM K J，AHN S H，RUPPDE PAIVA S A，et al.Correlation between carotenoid concentrations in serum and normal breast adipose tissue of women with benign breast tumor or breast cancer[J].J Nutr，1998，128（11）：1920-1926.

[9] 龔平，闞建全.番茄紅素的研究進展[J].食品與發酵工業，2008，34（5）：143-147.

[10] MILLS P K，LAWRENCEBEESON W，ROLAND L，et al.Cohort study of diet lifestyle and prostate cancer in adventistmen[J].Cancer，1989，64：598-604.

[11] 張為國，謝國建，劉先軍，等.番茄紅素對胃癌細胞SGC7901生長的抑制作用[J].中國藥理學通報，2005，21（3）：292-296.

[12] AGARWAL S，RAN A V.Tomato lycopene and its role in human health and chronic diseases[J].Association medical canadienne，2000，163（6）：739-744.

[13] RISSANEN T，VOUTILAINEN S，NYYSSONEN K，et al.Lycopene，atherosclerosis，and coronary heart disease[J].Exp Biol Med（Maywood），2002，227（10）：900-907.

[14] 鄭育，李寶青，葉菡洋，等.番茄紅素在血液透析患者中的抗氧化及調脂作用[J].營養學報，2009，31（1）：51-54.

[15] WATZL B，BUB A，BRIVIBA K，et al.Supplementation of a lowcaroteniod diet with tomato or carrot juice modulates immune functions in heallthymen[J].Ann Nutr Metab，2003，47（6）：255-261.

[16] RISO P，PINDER A，SANTANGELO A，et al.Dose tomato consumption effectively increase the resistance of lymphocyte DNA to oxidative damage[J].American journal of clinical nutrition，1999，69（4）：712-718.

[17] 龔平，闞建全.番茄紅素的研究進展[J].食品與發酵工業，2008，34（5）：143-148.

[18] HIRSEHBERG J.Carotenoid biosynthesis in flowering plants[J].Current opinion in plant biology，2001，4：210-218.

[19] SANDMANN G.Genetic manipulation of carotenoid biosynthesis：Strat egies，problems and achievements[J].Trends Plant Sci，2001，6（1）：14-17.

[20] 王燕燕，邱進申，鄭輝杰.番茄紅素分離與分析的研究進展[J].中國食品添加劑，2002（4）：16-20.

[21] 劉殿鋒，吳春昊，王建軍.番茄渣中番茄紅素的提取工藝研究[J].中國食品添加劑，2010（1）：100-102.

[22] 夏萍，盛建軍.番茄紅素的提取工藝研究[J].應用化工，2007，36（10）：975-979.

[23] 孫慶杰，丁霄霖.超臨界CO2萃取番茄紅素的初步研究[J].食品與發酵工業，2004（1）：3-6.

[24] 李淑梅，楊帆，黃建華.酶法提取番茄紅素[J].光譜實驗室，2008，25（4）：599-601.

[25] 趙功玲，婁天軍.提高粗制品番茄紅素提取率的工藝[J].食品工業，2003，24（3）：32-33.

[26] 鄧宇，張衛強.番茄紅素提取方法的研究[J].現代化工，2002，22（2）：25.

[27] GAVIRLOV A S.Industrial production of a microbiological method[J].Applied biochemistry and microbiology，1996，32（5）：492-494.

[28] SHIMADA H，KONDO K，FRASER P D，et al.Increased carotenoid production by the food yeast Candida utilis through metabolic engineering of the isoprenoid pathway[J].Applied and environment microbiology，1998，64（7）：2676-2680.