[科普中國(guó)]-番茄紅素（合成）

簡(jiǎn)介

番茄紅素（Lycopene）是成熟番茄的主要色素，是一種不含氧的類胡蘿卜素。1873年Hartsen首次從漿果薯蕷TamuscommunisL.中分離出這種紅色晶體。其又稱ψ—胡蘿卜素，屬于異戊二烯類化合物，是類胡蘿卜素的一種。由于最早從番茄中分離制得，故稱番茄紅素。過去人們一直認(rèn)為，只有那些具備β—紫羅酮環(huán)并能轉(zhuǎn)化為維生素A的類胡蘿卜素，如α—胡蘿卜素、β—胡蘿卜素等才與人類的營(yíng)養(yǎng)和健康有關(guān)，而番茄紅素因缺乏此結(jié)構(gòu)，不具有維生素A的生理活性，故對(duì)此研究很少；然而，番茄紅素具有優(yōu)越的生理功能，它不僅具有抗癌抑癌的功效，而且對(duì)于預(yù)防心血管疾病、動(dòng)脈硬化等各種成人病、增強(qiáng)人體免疫系統(tǒng)以及延緩衰老等都具有重要意義，是一種很有發(fā)展前途的新型功能性天然色素。

結(jié)構(gòu)1910年，Willstaller和Escher在對(duì)番茄紅素的研究中首次確定了其分子式為C40H56，分子量為536.85。1913年Schunk發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)和胡蘿卜素的不同，將其首次命名為lycopene，使用至今，純品為針狀深紅色晶體。1930年，Karrer等人提出，番茄紅素是一種化學(xué)結(jié)構(gòu)式中含有11個(gè)共扼雙鍵及2個(gè)非共扼雙鍵的非環(huán)狀平面多不飽和脂肪烴，經(jīng)過環(huán)化可形成β一胡蘿卜素。天然存在的番茄紅素都是全反式，但通過高溫下的蒸煮、油炸等加工方式可使番茄紅素由反式構(gòu)型向順式構(gòu)型轉(zhuǎn)變，而干燥番茄或干燥番茄渣中的順式構(gòu)型也會(huì)有部分的轉(zhuǎn)變。研究還表明，番茄紅素的順式異構(gòu)體與反式異構(gòu)體的物理和化學(xué)性質(zhì)有所不同，與反式異構(gòu)體相比，番茄紅素的順式異構(gòu)體的熔點(diǎn)低，摩爾消光系數(shù)小，極性強(qiáng)，不易結(jié)晶，更易溶解，而且在放置過程中可能會(huì)回復(fù)到全反式狀態(tài)。

由于番茄紅素分子中有11個(gè)共扼雙鍵及2個(gè)非共軛雙鍵，使得番茄紅素的穩(wěn)定性比較差，在一定條件下可發(fā)生順反異構(gòu)化和氧化降解。番茄紅素對(duì)氧化反應(yīng)比較敏感，其溶液經(jīng)日光照射12小時(shí)后，其中的番茄紅素基本上損失殆盡。溶液中的Fe3+和Cu2+會(huì)對(duì)番茄紅素的光氧化反應(yīng)起催化作用，而其它金屬離子如K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+等則對(duì)其影響不大，所以天然番茄紅素在提取和應(yīng)用過程中應(yīng)盡量避免使用鐵制和銅制容器。pH值對(duì)番茄紅素也有影響，當(dāng)用乙醇溶解番茄紅素，并調(diào)制成pH值1～14，結(jié)果表明，番茄紅素對(duì)酸不穩(wěn)定，對(duì)堿則比較穩(wěn)定，故番茄紅素作為色素使用時(shí)并不適合于酸性飲料。由此可見，影響番茄紅素穩(wěn)定性的因素有氧、光、金屬離子pH等，故番茄紅素的提取、貯存、加工及分析都應(yīng)該在對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行控制的條件下進(jìn)行1。

性質(zhì)呈色能力番茄紅素作為一種天然紅色素，如何保持其最強(qiáng)的著色力是至關(guān)重要的。番茄果實(shí)中的番茄紅素有兩種存在狀態(tài)：其中大部分是以細(xì)長(zhǎng)的、針狀的結(jié)晶形式存在于有色體中，呈現(xiàn)明亮的紅色。當(dāng)番茄紅素的結(jié)晶形成時(shí)，質(zhì)體膜消失，色素結(jié)晶自由分散在原生質(zhì)中，在顯微鏡下觀察時(shí)，可以看到小粒狀的有色體，說明了有色體所顯現(xiàn)的顏色；另外一小部分（10%左右）則與蛋白質(zhì)形成復(fù)合體存在于細(xì)胞中。番茄紅素以不同的形態(tài)存在時(shí)具有不同的顏色和強(qiáng)度，而且會(huì)隨著溶劑和介質(zhì)的不同而呈現(xiàn)出不同的顏色。例如，溶解在石油醚中的番茄紅素呈黃色，在二硫化碳中則呈紅色2。

溶解性番茄紅素是脂溶性色素，可溶于其他脂類和非極性溶劑中，不溶于水，難溶于強(qiáng)極性溶劑如甲醇、乙醇等，可溶于脂肪烴、芳香烴和氯代烴如乙烷、苯、氯仿等有機(jī)溶劑。番茄紅素在各種溶劑中的溶解度隨著溫度的上升而增大，然而當(dāng)樣品越純時(shí)，溶解越困難。結(jié)晶的番茄紅素溶解緩慢，傾向于形成一種超飽和狀態(tài)，雖然提高溫度可加速其溶解，但冷卻時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，這時(shí)可利用超聲波加速其溶解。純的番茄紅素雖然不溶于水，但當(dāng)它與某些物質(zhì)如蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物時(shí)，則具有較高的溶解度。

生物功能抗氧化性番茄紅素通過物理和化學(xué)方式猝滅單線態(tài)氧或捕捉過氧化自由基。單線態(tài)氧是具有很強(qiáng)活性的氧自由基，具細(xì)胞毒性作用，以細(xì)胞膜、線粒體等部位對(duì)其最為敏感，能與細(xì)胞中多種生物大分子發(fā)生作用，通過與分子結(jié)合造成細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷；番茄紅素能夠接受不同電子激發(fā)態(tài)的能量，吸收光能并通過單線態(tài)—單線態(tài)能量轉(zhuǎn)移過程使單線態(tài)氧的能量轉(zhuǎn)移到番茄紅素，生成基態(tài)氧分子和三重態(tài)番茄紅素分子，三重態(tài)番茄紅素通過與溶劑的一系列旋光和振動(dòng)反應(yīng)得到再生，并在此過程中將能量散發(fā)；類胡蘿卜素的猝滅能力與其分子中所含有的共軛雙鍵的數(shù)目有著密切的關(guān)系，番茄紅素分子中有11個(gè)共軛雙鍵，一個(gè)番茄紅素分子可以清除數(shù)千個(gè)單線態(tài)氧，其猝滅單線態(tài)氧的速率常數(shù)較β-胡蘿卜素高2倍。1990年P(guān)aolo等報(bào)道了類胡蘿卜素和生育酚等30余種生物抗氧化劑猝滅單線態(tài)氧的作用，番茄紅素是猝滅單線態(tài)氧最強(qiáng)的3。

番茄紅素還能通過與其他形式的活性氧的化學(xué)反應(yīng)消除氧化自由基，如過氧化氫、亞硝酸根等氧化自由基，而氧化自由基能引起脂質(zhì)過氧化形成多種產(chǎn)物，這些產(chǎn)物與人體老化、癌癥發(fā)生、自身免疫病及貧血等疾病都有關(guān)系。

調(diào)控代謝通常細(xì)胞間隙之間有膜蛋白構(gòu)成的通道，具有選擇通透性，允許第二信使及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)通過，細(xì)胞之間通過細(xì)胞間隙連接通訊（GJIC）傳輸細(xì)胞群體內(nèi)生長(zhǎng)調(diào)控信號(hào)，調(diào)節(jié)細(xì)胞的正常增殖與分化。實(shí)驗(yàn)表明，番茄紅素通過誘導(dǎo)細(xì)胞間連接，增強(qiáng)正常細(xì)胞之間的GJIC，控制細(xì)胞生長(zhǎng)和誘導(dǎo)細(xì)胞分化來(lái)抑制腫瘤的增長(zhǎng)。日本學(xué)者在大鼠肝組織上用熒光染料示蹤技術(shù)研究番茄紅素對(duì)GJIC的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，每天飼喂5mg/kgBW番茄紅素，連續(xù)5d時(shí)，可以明顯增強(qiáng)GJIC功能；同時(shí)，由于大多數(shù)腫瘤細(xì)胞的GJIC功能微弱或缺失，細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化后其GJIC功能降低或抑制，GJIC功能的抑制或被破壞被認(rèn)為是促癌變階段的重要機(jī)制3。

調(diào)節(jié)血脂番茄紅素是一種低膽甾醇劑，它可抑制巨噬細(xì)胞3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A，而它是一種膽固醇生物合成的限速酶。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)巨噬細(xì)胞的介質(zhì)中加入番茄紅素后，其膽固醇合成降低，同時(shí)番茄紅素還增大巨噬細(xì)胞低密度脂蛋白（LDL）受體活性。實(shí)驗(yàn)還表明，人體3個(gè)月內(nèi)每天補(bǔ)充60mg番茄紅素，可減少14%的胞質(zhì)LDL膽固醇濃度。

防癌抗癌番茄紅素具有預(yù)防和抑制腫瘤作用，一方面是因?yàn)樗目寡趸饔茫涣硪环矫媸欠鸭t素能夠阻斷組織細(xì)胞在外界誘變劑的作用下發(fā)生基因突變過程，這是腫瘤生成的重要機(jī)制之一。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，番茄紅素可影響乳腺、肺和子宮癌細(xì)胞周期的S階段；番茄紅素通過抑制細(xì)胞周期中Gl到S的轉(zhuǎn)化階段來(lái)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)；番茄紅素通過可抑制LDL膽固醇的氧化和煎烤肉、魚的褐色反應(yīng)中產(chǎn)生的雜環(huán)胺類的形成，從而有效地抑制致癌物的產(chǎn)生及誘發(fā)腫瘤。研究表明，番茄紅素對(duì)消化道癌、宮頸癌、乳腺癌、皮膚癌、膀胱癌等均有一定的抑制作用3。

化學(xué)生物合成方法番茄紅素不僅分布在番茄中，還存在于木鱉果、西瓜、南瓜、李子、柿子、胡椒果、桃、木瓜、芒果、番石榴、葡萄、葡萄柚、紅莓、云莓、柑橘等的果實(shí)，茶的葉片及蘿卜、胡蘿卜、蕪菁甘藍(lán)等的根部。番茄及其制品的番茄紅素是西方膳食中的類胡蘿卜素最主要的來(lái)源，人體從番茄中獲得的番茄紅素占總攝入量的80%以上。

除了植物中具有番茄紅素等類胡蘿卜素以外，一些微生物，如紅法夫酵母，藻類，成團(tuán)泛菌的某些種等都可以產(chǎn)生類胡蘿卜素，特別是紅發(fā)夫酵母和綠藻，的蝦青素產(chǎn)量相對(duì)較高，酵母和大腸桿菌的遺傳改造也使得本身不產(chǎn)類胡蘿卜素的微生物可以進(jìn)行這類物質(zhì)的合成。

番茄紅素是類胡蘿卜素的一種，人體自身不能合成類胡蘿卜素，必須通過外界攝入；但類胡蘿卜素在許多植物中含量較低，并且很難用化學(xué)方法合成，主要是通過生物合成方式完成。生物合成途徑類胡蘿卜素生合成可經(jīng)由不同的途徑，在真菌和植物細(xì)胞胞液/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，由乙酰CoA經(jīng)羥甲基戊二酰-CoA途徑合成的。在細(xì)菌與植物質(zhì)體中由磷酸甘油醛與丙酮酸經(jīng)1-脫氧木酮糖-5-磷酸途徑合成.形成的異戊烯基焦磷酸經(jīng)多次縮合生成第一個(gè)類胡蘿卜素八氫番茄紅素，再經(jīng)脫氫、環(huán)化、羥基化、環(huán)氧化等轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌惡}卜素。具體的生物合成途徑如下圖1：

通過合成過程圖可以很清楚的看出番茄紅素、β胡蘿卜素、玉米黃質(zhì)（葉黃素）、角黃素等均為類胡蘿卜素生物合成過程中間體，研究發(fā)現(xiàn)Astaxanthin（簡(jiǎn)稱ASTA)蝦青素為類胡蘿卜素生物合成的終端形態(tài)。類胡蘿卜素生物合成這些色素，主要是為了保護(hù)其種子中的不飽和脂肪酸，為下一代的繁衍儲(chǔ)備能量。所以隨著合成過程的不斷推進(jìn)，圖中合成過程中的這些類胡蘿卜素每一層次都比上一級(jí)的抗氧化活性強(qiáng)。

由絲狀真菌三孢布拉霉Blakesleatrispora生物合成β胡蘿卜素的過程中，通過pH控制環(huán)化即可合成番茄紅素。Gavilou等在三孢布拉霉的生長(zhǎng)介質(zhì)中加入工業(yè)番茄廢水，發(fā)現(xiàn)抑制了β—胡蘿卜素的生產(chǎn)并刺激番茄紅素的合成。Obata等通過對(duì)蜂房芽孢桿菌DC—1在6～7klx光照下培養(yǎng)生產(chǎn)番茄紅素。Matsmural等開發(fā)了能積聚番茄紅素螺旋藻的生產(chǎn)方法，通過發(fā)酵并在培養(yǎng)基中加入尼古丁200～500mmol/L生產(chǎn)番茄紅素，該方法成本較低。

羅氏公司所采用的合成番茄紅素工藝是由三苯基（3，7，1l—三甲基—2，4，6，10—十二四烯基）—氯化磷與2，7—二甲基－2，4，6—辛三烯二醛用甲醇鈉甲醇在2—丙醇中進(jìn)行Wittig烯化反應(yīng)，制得番茄紅素，收率65%。此外，Wegne等也完成了由三苯基（3，7，11—三甲基—2，4，6，10—十二四烯基）—甲磺化磷與2，7—二甲基—2，4，6—辛三烯二醛經(jīng)Wittig烯化反應(yīng)得到番茄紅素的工藝開發(fā)，并在歐洲提出專利申請(qǐng)，1999年10月獲批準(zhǔn)。

天然番茄紅素與人工番茄紅素的區(qū)別1.化學(xué)合成合成的工藝比較簡(jiǎn)單，成本低，但不利于長(zhǎng)期服用，且含有無(wú)法脫離的化學(xué)殘留。

2.微生物發(fā)酵法（半化學(xué)合成），成本低，速度快，工藝簡(jiǎn)單，但含有機(jī)溶劑殘留。

3.二氧化碳超臨界萃取，紅素含量低，農(nóng)殘高。

4.國(guó)外包括歐洲的食品法規(guī)中經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，目前不允許在保健食品中使用合成紅素，包括生物發(fā)酵法提取的番茄紅素，僅允許其作為色素使用。中國(guó)目前也不允許在食品中添加。

5.英國(guó)劍橋有一項(xiàng)科研成果，即通過多年研究，確定相比較人工合成的番茄紅素，天然番茄紅素更有益于人體吸收和人體健康。而人工合成的紅素含有一些不確定的風(fēng)險(xiǎn)。

6.相比較人工合成紅素，天然番茄紅素中含有鮮番茄中的更多營(yíng)養(yǎng)成分，如同樣具有抗氧化功能的天然磷脂，亞油酸，亞麻酸，22碳烯酸，含有天然的生育酚，這些源于天然番茄的成分更易被人體吸收并有益。

7.生物發(fā)酵法可能會(huì)使用非食品來(lái)源的生物阻斷劑，最終產(chǎn)品中可能含有微生物細(xì)胞提取物等，對(duì)人體的影響目前不確定。

總之，近年來(lái)，我們所得到的市場(chǎng)反饋是國(guó)外客戶紛紛尋找來(lái)自番茄的天然番茄紅素，而非合成紅素。更為有益于人體的天然番茄紅素受到更多關(guān)注，也會(huì)是未來(lái)的市場(chǎng)所向。

作為食品添加劑應(yīng)用根據(jù)國(guó)標(biāo)由用于食品的其他類胡蘿卜素生產(chǎn)中常用的合成中間體，經(jīng)過維蒂希聚合反應(yīng)制備而成的合成番茄紅素。商業(yè)上用于食品的配方型番茄紅素制劑，是將其配制成懸浮于食用油中的乳液或水溶型的粉末。4