簡介
番茄紅素（lycopene）廣泛存在于番茄、番茄制品及西瓜、葡萄柚等水果中，是成熟番茄中的主要色素，也是常見的類胡蘿蔔素之一。1989年，MASCIO發現番茄紅素在所有類胡蘿蔔素中對單線态氧的猝滅活性最高。随後，對番茄紅素的功能研究成為一大熱點，研究内容涉及番茄紅素的吸收和代謝，番茄紅素降低前列腺癌等多種腫瘤和心血管疾病等發生的風險，以及番茄紅素的提取和測定方法等。目前，番茄紅素不僅已廣泛用作天然色素，而且也已越來越多地應用于功能食品、藥品和化妝品中。
理化性質
番茄紅素是一種不飽和烯烴化合物，是成熟番茄中的主要色素，也是常見的類胡蘿蔔素之一。番茄紅素不具有β-胡蘿蔔素的β-芷香酮環結構，故在體内不能轉變為維生素A，不屬于維生素A原。分子式為C40H56，有多種順反異構體。番茄紅素是脂溶性物質，難溶于水、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。番茄紅素分子中有11個共轭雙鍵和2個非共轭雙鍵，故其穩定性很差，容易發生順反異構反應和氧化降解。影響番茄紅素穩定性的因素包括氧、光、熱、酸、金屬離子、氧化劑和抗氧化劑等。
吸收代謝
吸收
番茄紅素吸收率高于α-胡蘿蔔素和β-胡蘿蔔素，但也受很多因素的影響。順式構型比反式構型的番茄紅素更易吸收。天然存在的番茄紅素絕大部分是全反式構型，而在人體組織中則大部分為順式構型（>50%），且體内番茄紅素順式構型所占比例并不随食物中番茄紅素構型的差異而改變。目前認為，反式構型的番茄紅素在吸收之前即大部分在胃腸道變構為順式構型。食物中的蛋白質－胡蘿蔔素複合物、大量的可溶性膳食纖維（如果膠）、結合膽固醇和樹脂，以及缺乏鐵、鋅和蛋白質，患腸道疾病等都可能幹擾番茄紅素的吸收。熱加工可将部分天然番茄紅素的反式結構轉變為順式結構，且食物基質中脂類可促進番茄紅素的釋放，加入油脂熱處理後的番茄紅素比未加工的番茄紅素更易吸收。
不同的人體實驗報道，番茄紅素的半減期可在2～3天到10～33天之間。番茄紅素營養狀況一般可通過對血清番茄紅素濃度來判斷。美國成年人血清番茄紅素含量多在0.42～0.47μmol/L之間，但我國與歐美國家膳食結構與番茄紅素的攝入量差異較大，目前尚缺乏我國居民血清番茄紅素含量的較系統的基礎數據，有文獻報道對上海市某社區30～92歲的69名成年人血清樣品進行測定，番茄紅素平均含量約為0.32μg/mL（約0.59μmol/L）。
分布
番茄紅素在人體主要分布在睾丸和腎上腺中，肝髒、脂肪組織、前列腺及卵巢中分布也較多。腦組織中未能測出番茄紅素（提示其可能無法越過血－腦屏障進入腦組織）。血中與組織中的番茄紅素濃度在一定劑量範圍内成正相關關系。人體内含有的類胡蘿蔔素約50%是番茄紅素，并且番茄紅素也是人乳中含有的主要類胡蘿蔔素之一。
代謝和排洩
目前對體内番茄紅素的代謝産物還了解甚少，僅在人的血清、皮膚及乳汁中檢測到2種氧化代謝物，即5,6-二羟基-5,6二氫番茄紅素及1,5-二羟基-2,6-環氧番茄紅素。據推測番茄紅素可能首先氧化生成環氧化物，然後再被還原，生成5,6-二羟基-5,6-二氫番茄紅素。未被吸收的番茄紅素主要通過糞便排洩，分布在皮膚中的部分可因表皮的角化、脫落而丢失。
生物學作用
番茄紅素所具有的長鍊多不飽和烯烴分子結構，使其具有很強的消除自由基能力和抗氧化能力。目前對其生物學作用的研究主要集中在抗氧化、降低心血管疾病風險、減少遺傳損傷和抑制腫瘤發生發展等方面。
增強機體氧化應激能力與抗炎作用
氧化損傷被認為是引起癌症和心腦血管疾病發病增加的主要原因之一。番茄紅素的體外抗氧化能力已得到許多實驗證實，番茄紅素猝滅單線态氧的能力是目前常用的抗氧化劑β-胡蘿蔔素的2倍多，是維生素E的100倍。
保護心腦血管
番茄紅素可深入清除血管垃圾，調節血漿膽固醇濃度，保護低密度脂蛋白（LDL）不受氧化，還可修複完善被氧化的細胞，促進細胞間膠質形成，增強血管柔韌度。一項調查研究顯示，血清番茄紅素濃度與腦梗死和腦出血的發病機率呈負相關。番茄紅素抗家兔動脈粥樣硬化的研究表明，番茄紅素能有效地降低家兔血清總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）水平，其效果與氟伐他汀鈉相當。另有研究顯示，番茄紅素對局部腦缺血有保護作用，其主要通過抗氧化、清除自由基作用抑制神經膠質細胞活性，縮小腦灌注損傷的面積。
保護皮膚
番茄紅素還有降低皮膚受輻射或紫外線（UV）傷害等功能。當UV照射皮膚時，皮膚中的番茄紅素與UV産生的自由基結合，保護皮膚組織免受破壞，與未照射UV的皮膚相比，番茄紅素減少31%~46%，其它成分含量幾乎不變。有研究表明，通過平時攝入富含番茄紅素的食物可對抗UV，避免UV照射産生紅斑。番茄紅素還可淬滅表皮細胞中的自由基，對老年色斑有明顯的褪色作用。
增強免疫力
番茄紅素可活化免疫細胞，保護吞噬細胞免受自身的氧化損傷，促進T、B淋巴細胞增殖，刺激效應T細胞的功能，促進某些白介素産生及抑制炎症介質生成。研究發現，中等劑量服用番茄紅素膠囊，可提高人體的免疫力，減輕急性運動對機體免疫力的損害。
食物來源
哺乳動物不能自行合成番茄紅素，必須從蔬菜和水果中獲得。番茄紅素主要存在于番茄、西瓜、葡萄柚和番石榴等食物中。番茄紅素在番茄中的含量随品種和成熟度的不同而異。成熟度越高，其番茄紅素含量亦越高。新鮮成熟番茄中番茄紅素含量一般為31～37mg/kg，常食用番茄汁/醬中番茄紅素含量按濃度和制作方法不同約為93～290mg/kg，番茄紅素含量較高的水果還有番石榴（約52mg/kg），西瓜（約45mg/kg），葡萄柚（約14.2mg/kg）等。胡蘿蔔、南瓜、李、柿、桃、芒果、石榴、葡萄等水果和蔬菜中也可提供少量番茄紅素（0.1～1.5mg/kg）。
安全性評價
除在人體實驗發現兩例番茄紅素血症外，目前尚未見人攝入番茄紅素中毒或番茄紅素過量導緻其它不良反應的報導。兩例番茄紅素血症均為長期大劑量攝入番茄和富含番茄紅素的食物所緻，主要表現為皮膚橙染，且該症狀在停止攝入後逐漸消失。
番茄紅素血症目前已被美國食品與營養委員會（Food and Nutrition Board，Institute ofMedicine，2000）認為是可逆的無害效應。
在動物實驗中，天然番茄紅素的經口半數緻死量（median lethal dose，LD50）均>5000mg/kg BW。對合成番茄紅素，4周灌胃最高劑量1000mg/kg BW及13周灌胃500mg/kg BW均無陽性發現。每日給予大鼠1000mg/kg BW劑量的番茄紅素100天，或每日給予20mg/kg BW的番茄紅素200天，未觀察到任何由受試物引起的毒性反應。犬喂飼100mg/kg BW的番茄紅素192天，除觀察到肝和腎有輕微色素沉着外，未觀察到任何毒性反應。在大鼠一年喂養實驗中，中劑量組（50mg/kg BW）的血清谷丙轉氨酶（alanineaminotransferase，ALT）和谷草轉氨酶（aspartatetransaminase，AST）有所降低，而高劑量組（250mg/kg BW）的ALT和AST均升高，且在停止攝入13周後，谷草轉氨酶活性有所恢複，但谷丙轉氨酶隻是部分恢複，故将50mg/kg BW定為未觀察到有害作用的水平（No Observed Adverse EffectLevel，NOAEL）。在使用大鼠（最高劑量3000mg/kg BW）和兔（最高劑量2000mg/kg BW）進行的生殖和發育毒性研究中均無陽性發現。番茄紅素的遺傳毒性實驗研究（體内微核實驗，TK基因突變實驗，染色體畸變實驗等）均表明其不具有誘變性。
番茄紅素的應用
根據Minte公司的“全球新産品數據庫”（GNPD），2003~2010年，全球共推出418種含有番茄紅素的新産品。這些産品涵蓋了食品、補充劑和化妝品領域，其中含番茄紅素的補充劑是最受歡迎的産品。
保健品及運動補充劑
GNPD數據顯示，全球共177種含有番茄紅素的補充劑新産品。國家食品藥品監督管理局（CFDA）可查詢到，獲得國食健字的番茄紅素的保健品有31種，其中進口保健品2種，其他均為國産保健品。這31種保健品主要用于抗氧化、延緩衰老、增強免疫力、調血脂等，其中有2種是片劑，1種油劑，其餘均為膠囊。
化妝品
GNPD數據顯示，含番茄紅素的護膚新産品有81種，彩妝51種。典型的産品如番茄紅素保濕乳液等，有美白和抗衰老效果。國産産品有番茄紅素美白精華塗抹針，具有抗氧化、抗過敏、美白的功效。
食品飲料
在食品和飲料領域，番茄紅素獲得了歐洲的“新穎食品”批準和美國的GRAS（通常被認為是安全的）身份，其中非酒精飲料最受歡迎。GNPD數據顯示，有20種新産品：面包、早餐麥片等領域7種；加工肉類、魚類和蛋類領域7種；奶制品領域7種；巧克力和糖果領域6種；醬料和調味料5種；甜點和冰淇淋5種。将其應用于乳制品中，既保持了乳制品的營養又豐富了其保健功能。
在肉制品中的應用
肉制品在加工和貯藏過程中由于氧化作用會發生色澤、質地和風味的改變。同時，随着貯藏時間的增加，微生物尤其是肉毒杆菌的繁殖，還會使肉品腐敗變質，因此常以化學防腐劑亞硝酸鹽來抑制微生物生長，防止肉腐敗變質和改善肉品風味和顔色。但研究發現，亞硝酸鹽在特定條件下會與蛋白質分解産物結合形成緻癌物亞硝胺，因此在肉品中添加亞硝酸鹽一直以來都飽受争議。番茄紅素是西紅柿等果實紅色色素的主要成分，其抗氧化能力極強，具有良好的生理功能，可作為肉制品的保鮮劑、着色劑。另外，富含番茄紅素的番茄制品的酸性會降低肉品pH值，會在一定程度上抑制腐敗微生物的生長，因此，可以作為肉類食品的防腐保鮮劑，起到部分替代亞硝酸鹽的作用。
在食用油中的應用
氧化劣變是食用油在貯藏過程中常常發生的不良反應，不僅導緻食用油質量變化甚至失去食用價值，更嚴重的是長期攝入劣變的食用油會衍變出各種疾病。
為了延緩食用油的劣變發生，在加工中常添加某些抗氧化劑。但随着人們食品安全意識的提高，各種抗氧化劑的安全性問題也不斷被提出，因此，尋找安全的天然抗氧化劑成為食品添加劑的一個重點。番茄紅素具有優越的生理功能，且抗氧化性強，能高效猝滅單線态氧和清除自由基，抑制脂質的過氧化。因此，将其添加到食用油中可緩解油脂劣變。
其他應用
番茄紅素作為一種極具潛力的類胡蘿蔔素化合物，不能在人體中自行合成，須通過飲食等補充獲得，在發現番茄紅素的生理功能後，以色列的Ly-cored Natural Products Industries Ltd。率先開發番茄紅素産品。另外，美國Henkel公司及日本Makhtshim公司等分别生産出了以番茄紅素為主要活性成分的藥品，其主要作用包括降低血壓，治療高血膽固醇、高血脂，降低癌細胞等，具有較顯著的療效。目前少見國内有應用番茄紅素為食品或藥品原料的報道。
番茄紅素可作為維持人體健康的營養補充劑，日本人制成的番茄紅素油樹脂已廣泛應用于飲料、冷食、肉制品及焙烤食品。由于番茄紅素的特殊功能，它也是開發現代意義的功能性食品的功能因子，如制成抗氧化保健膠囊，或與其他藥用植物配伍後制成藥膳罐頭。
各國應用情況
我國已批準合成番茄紅素（INS No.160d）作為着色劑（GB 2760—2011《食品添加劑使用标準》），用于飲料（包裝飲用水除外），最大使用量15mg/kg；糖果，最大使用量60mg/kg；固體湯料，最大使用量390mg/kg；半固體複合調味料，40mg/kg（以上均以純番茄紅素計）。番茄紅素也被用于抗氧化，增強免疫力等功能的保健食品。食品添加劑聯合專家委員會（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives，JECFA）2006年認為番茄紅素可作為色素和營養素補充劑使用。
歐盟2008年将含非維生素和礦物質的食物補充劑分為6類（氨基酸、酶、必需脂肪酸、益生菌、植物來源物質、其它類），番茄紅素被列為“其它類”。并于2009年先後批準了合成番茄紅素、天然番茄紅素、從三孢布拉氏黴（Blakesleatrispora）提取的番茄紅素作為食品新成分進入市場，還批準了從番茄中提取的番茄紅素油脂産品作為特殊治療用食品新成分。
澳大利亞/新西蘭認為從番茄提取的番茄紅素為非傳統食品、亦非新資源食品，但确定沒有安全問題，已批準作為食品添加劑，編号為160d，可作為着色劑和膳食補充劑使用。
國際食品法典委員會（Codex AlimentariusCommission，CAC）批準3種來源的番茄紅素，即西紅柿提取、三孢布拉黴提取和人工合成的番茄紅素（INS No.160d）為食品着色劑，并認為不需要确定其ADI值。
2006年美國誠信營養保健品協會（Councilfor Responsible Nutrition，USA）對番茄紅素進行了風險評估，提出“觀察到的安全劑量（Observed Safe Level，OSL）”為75mg/d。該評估是基于2006年前已發表并經同行評議的30餘篇人體幹預實驗研究。在這些實驗中，最高劑量為150mg/d（連續7天攝入）；其次為75mg/d（15個健康成人，持續28天）；最長持續時間為140天（健康成人13.3mg/d），均未觀察到不良作用，故不能推導出可耐受最高攝入量（Tolerable UpperIntake Level，UL）。根據動物實驗數據所推算出的OSL為270mg/d。
提取分離方法
番茄紅素的提取分離方法主要有有機溶劑提取法、酶反應法、微生物發酵法、人工合成法、超臨界CO2萃取法、微波法等。其中最傳統的方法是溶劑提取法（即浸提法），但傳統的浸提方法存在着浸提時間長、勞動強度大、原料與處理能耗大、熱敏性組份易破壞等缺點。化學合成的番茄紅素中含多種異構體和雜質，因而禁止在保健品中使用，市場份額銳減；而天然提取法受限于原料，成本難于進一步降低且生産明顯受季節影響。因而，開發微生物發酵生産法近年來呈現明顯的優勢。
番茄紅素在自然界中分布十分廣泛。現階段，人們逐漸意識到合成色素對人體的危害，因此從天然植物中提取番茄紅素成為較普遍的方法。
有機溶劑萃取
原理：番茄紅素是一種具有11個碳碳不飽和雙鍵的脂肪烴，它不溶于水，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。根據這一性質，可利用親脂性有機溶劑從番茄中提取番茄紅素。
工藝流程：番茄→搗碎成泥→烘幹→粉碎→有機溶劑浸提→提取液→過濾→濾液→濃縮→粗品
提取pH、提取溫度、提取時間是影響提取效果的最主要因素。有機溶劑提取法設備少，工藝簡單，操作方便，但由于番茄中還含有其它成分，而且有機溶劑會有痕量殘留。隻單單采用溶劑萃取，得到的産品一般純度不高，番茄紅素含量約在5%-15%左右，而且通常不會産生番茄紅素晶體，而是一種呈油狀的物質，即番茄紅素油樹脂。
超臨界二氧化碳萃取
原理：物質在較高的壓力下，液相和氣相差别縮小，達到某一溫度與壓力時，差别消失合并成一相，此狀态成為臨界點，此時的溫度和壓力分别稱為臨界溫度和臨界壓力，當溫度和壓力超過臨界點時，其流體的性質介于液體和氣體之間，稱為超臨界流體。
超臨界流體具有氣液兩重性的特點，既有與氣體相當的高滲透能力和低的粘度，又有與液體相近的密度和對物質優良的溶解能力。它可從原料中提取出有用成分，從而實現所需要的分離目的，特别适于番茄紅素等熱敏性成分。
工藝流程：新鮮大紅番茄原料→打漿→壓榨過濾→真空幹燥→粉碎→過篩→稱重→裝萃取槽、密封→控制适宜的工作參數→靜态、動态萃取→降壓分離→由分離柱獲得番茄紅素→産品質量檢測。
酶反應法
原理：酶反應法主要是利用番茄皮自身所含有的酶發生反應來提取番茄紅素。方法是在堿性條件下，使番茄皮中的果膠酶和纖維素酶反應，分解果膠和纖維素，使得番茄紅素的蛋白質複合物從細胞中溶出。
工藝流程：清洗新鮮番茄（粗稱）→100℃熱燙去皮（5～7s完成）→打漿→加熱鈍化酶活（85℃，20min）→冷卻到55℃，調pH值4.5左右（用磷酸和氫氧化鈉）→加果膠酶和纖維素酶混合酶（加量0.5g/100g番茄兩種酶比列為1∶2）處理2h→粗濾去核→加入含2%二氯甲烷的石油醚萃取，物料比1∶3左右→分離塔分離→成品。
此方法與傳統的有機溶劑提取法相比，縮短了提取時間，同時提取率也有了顯著的提高。
兩步皂化法
原理：先用KOH溶液對預處理的番茄進行第一次堿洗皂化，除去番茄中大部分脂肪酸甘油酯及各種遊離脂肪酸，然後用有機溶劑提取得到番茄紅素粗提物，再對粗提物進行二次皂化，使番茄細胞碎片中的蛋白質、脂肪酸、脂肪酸甘油酯分開，形成水溶性皂化物，釋放出其中包含的水不溶性番茄紅素，最後用重結晶法得到純度較高的番茄紅素晶體。
工藝流程：新鮮番茄→清洗→冷凍脫水→有機溶劑進行預處理→水浴中加堿皂化→水洗至中性→混合溶劑提取→獲得富含番茄紅素的萃取液→減壓蒸餾濃縮→番茄紅素油樹脂→番茄紅素油樹脂與丙三醇混合均勻→加入KOH的乙醇溶液，充分反應後加蒸餾水混勻→靜置分層，将油相水洗至中性→再用乙醇洗2～3次→處理後的油樹脂在50℃丙酮中溶解，除去不溶物，常溫放置8h，得到番茄紅素晶體。
皂化過程中皂化比例顯著影響産量，皂化溫度和皂化時間也有影響，但影響程度逐漸降低。
微波法
原理：萃取時，微波穿透萃取介質并滲透深入到物質細胞内部，使物料内部的極性分子随外電磁場的變化而發生激烈的碰撞和摩擦，使物料内部的溫度迅速升高，從而引起細胞破裂，使細胞内的有效性成分自由流出而被溶劑溶解。
工藝流程：新鮮番茄洗淨→打漿→加入有機溶劑微波加熱提取→過濾→真空蒸發有機溶劑→成品
微生物發酵法
除了從番茄中提取番茄紅素之外，還可以采用藻類和真菌及酵母發酵制備番茄紅素。異戊烯焦磷酸（IPP）作為番茄紅素合成途徑中第一個較為直接的前體物質，是由葡萄糖轉化而來。番茄紅素的類異戊二烯代謝途徑合成過程詳見圖。
含番茄紅素較高的有紅色細菌屬，但還未能工業化生産。利用黴菌的發酵可生産番茄紅素，但因番茄紅素經環化酶作用可形成多種類胡蘿蔔素，需避免環化反應。
利用基因工程和生物技術已能部分控制番茄紅素合成過程中前體物質的轉化方向，如使FPP競争性地從生成麥角固醇轉向番茄紅素。微生物發酵生産番茄紅素技術目前未能達到工業化生産的規模，但發酵法成本及污染相對較低，如能進一步提高菌體的貯存力和轉化力，是實現工業化生産番茄紅素經濟而有效的途徑。
前景
随着人們對膳食養生的關注，番茄紅素越來越受到歡迎。除此，在飼料添加劑等方面也備受關注。研究表明，番茄紅素用于水産養殖，可使水産動物體色鮮豔，品質提高；與葉黃素混合制成類胡蘿蔔素制劑，可預防動物維生素的缺乏。現階段利用微生物發酵生産番茄紅素，生産周期短、不受場地和季節限制，使用的原材料大部分是低廉的糧食作物，生産成本低，安全無毒。随着研究的日漸深入，各個領域創新産品的不斷湧現，番茄紅素具有良好的應用前景。
