番茄红素是一种常见的红素，是类胡萝卜素中最强的抗氧化剂之一，仅次于虾青素，都会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，这在某些特定的程度上限制了番茄红素的应用。多项研究根据结果得出，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。
华中农业大学食品科学技术学院的张红艳，石凯欣，潘思轶*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。
番茄红素是番茄、柑橘属、胡萝卜、西瓜、石榴等植物性食物中都会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，分子式为C 40 H 56 ，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，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。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（图1） 。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。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，番茄红素的异构化需要相当大的活化能，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。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，相对来说较为稳定；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。Chasse等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。
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，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。
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，进一步提升异构化程度，提高提取效率。
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一定的影响，产生特殊的比例的顺式异构体。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，当这两种效应随气温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，如番茄红素。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，有效提升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。
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工艺流程中的重要目标。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一定的影响，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。
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，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。在工艺流程中，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上升和加工时间延长而增加，热处理明显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紧密关联，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。
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能够最终靠温度进行调控。实验根据结果得出在一些范围内，加热会显著促进番茄红素异构化。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绝大多数都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以此来降低反应效率等问题，因此在食品加工中应最好能够降低使用。
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。在温和热处理条件下，番茄红素在基质中很稳定，但在强烈加工条件下，异构化可能会迅速发生。番茄红素在油基中加热时间的长短也会对异构化产生一定的影响。油的类型也会对番茄红素的降解和异构化产生一定的影响，鱼油中番茄红素的降解速度大于橄榄油中的降解速度。
Colle等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。
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。温度上升后，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开来与氧气接触，加速了异构化。但是由于水基中含有较多溶解氧，同时因为顺式异构体不稳定，番茄红素降解作用很明显，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做评估，发现在有机溶剂中可以观察到较为显著的异构化发生。全反式番茄红素溶解在CH 2 Cl 2 中热处理一段时间，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，导致其在相比来说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。
热促异构化反应是指催化剂可影响番茄红素的异构化，该反应常常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（ITC）、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。
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-顺式异构体含量明显地增加，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（图3B），实验根据结果得出二硫化物可以明显提高其耐热性。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、烹饪酒等也被证实能加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推动作用被首次报道。
除天然催化剂外，金属盐离子也被证实是很有效的催化剂。Wang Qun等探究了11种金属盐对番茄红素异构化和稳定能力的影响，发现其中5 种金属盐具有非常明显的催化作用，催化得到顺式异构体总量为FeCl 3 （70.8%）＞Fe 2 (SO 4 ) 3 （54.0%）＞AlCl 3 （50.2%）＞CuSO 4 （40.0%）＞Al 2 (SO 4 ) 3 （29.3%），考虑，Fe 3＋ 、Al 3＋ 和Cu 2＋ 对番茄红素的催化能力大小排序为Fe 3＋ ＞Al 3＋ ＞Cu 2＋ ，其中，AlCl 3 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。CuSO 4 与Fe 3＋ 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等将番茄红素溶解在丙酮中，在FeCl 3 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%，在相比来说较高的催化剂浓度下，5-顺式番茄红素比例明显地增加；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，Fe 3＋ 可能通过与电子结合使电子转移而产生异构反应，Fe 3＋ 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Fe 2＋ 的电子，形成番茄红素顺式异构体（图4B），该反应与ITC催化异构化的机理类似。
非金属离子也被证实是一种很好的催化剂，Sun Qingrui等应用溶胶-凝胶法制备了碘掺杂二氧化钛（I-TiO 2 ）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明显地增加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一定的影响，这也是限制该方法应用的重要的条件。怎么样才能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，不一样的种类光源及不同的光照时间都会对番茄红素异构化产生一定的影响。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拥有非常良好的稳定性。
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，没办法保证产品的食用安全性，同时生产所带来的成本较高，不适于工业化生产。
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。
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。
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。
在人体内，番茄红素主要存在于脂肪组织中，占类胡萝卜素总量的一半以上。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。番茄红素可对诊断为良性前列腺增生（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。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。
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，但成本比较高，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，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，为进一步提升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。
湖北省食品科学技术学会理事长；2018年湖北省“荆楚楷模·食美药安先进人物”；原国家柑橘现代产业技术体系副产物综合利用岗位科学家。湖北省有突出贡献的中青年专家。研究领域为植物性农产品高效加工利用的技术理论和化学变化机理。近5年主持国家和省部级科技项目9项，获湖北省科学技术进步一等奖3项，授权国家发明专利20件。在果蔬深加工与综合利用方面具有深厚的积累。针对我国果蔬加工中存在的重大科学与技术问题，带领团队围绕地区优势及特色果蔬资源，开展了系列研究工作。创新性地构建了我国柑橘绿色加工和高效利用技术体系；开发和集成柑橘副产物深度转化利用及“零废弃”加工技术，工业化生产柑橘囊胞、精油、健康馅料等产品，促进了柑橘加工产业的结构升级与提质增效。
本文《番茄红素异构化研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷19期330-339页。作者：张红艳，石凯欣，潘思轶。DOI:10.7506/spkx1010-090。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科学技术创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科学技术创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。
为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力，推动食品产业升级，助力‘健康中国’战略，北京食品科学研究院、中国食品杂志社、国际谷物科技学会（ICC）将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管实验室（食用油质量与安全）、环境食品学教育部重点实验室共同举办“第五届食品科学与人类健康国际研讨会”。会议时间：2024年 8月 3—4 日，会议地点：中国 湖北 武汉。
