簡介
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蔔素。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—胡蘿蔔素，屬於異戊二烯類化合物，是類胡蘿蔔素的一種。由於最早從番茄中分離製得，故稱番茄紅素。過去人們一直認為，只有那些具備β—紫羅酮環並能轉化為維生素A的類胡蘿蔔素，如α—胡蘿蔔素、β—胡蘿蔔素等才與人類的營養和健康有關，而番茄紅素因缺乏此結構，不具有維生素A的生理活性，故對此研究很少；然而，番茄紅素具有優越的生理功能，它不僅具有抗癌抑癌的功效，而且對於預防心血管疾病、動脈硬化等各種成人病、增強人體免疫系統以及延緩衰老等都具有重要意義，是一種很有發展前途的新型功能性天然色素。
結構
1910年，Willstaller和Escher在對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發現這種物質和胡蘿蔔素的不同，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結構式中含有11個共扼雙鍵及2個非共扼雙鍵的非環狀平面多不飽和脂肪烴，經過環化可形成β一胡蘿蔔素。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型向順式構型轉變，而乾燥番茄或乾燥番茄渣中的順式構型也會有部分的轉變。研究還表明，番茄紅素的順式異構體與反式異構體的物理和化學性質有所不同，與反式異構體相比，番茄紅素的順式異構體的熔點低，摩爾消光係數小，極性強，不易結晶，更易溶解，而且在放置過程中可能會回復到全反式狀態。
由於番茄紅素分子中有11個共扼雙鍵及2個非共軛雙鍵，使得番茄紅素的穩定性比較差，在一定條件下可發生順反異構化和氧化降解。番茄紅素對氧化反應比較敏感，其溶液經日光照射12小時後，其中的番茄紅素基本上損失殆盡。溶液中的Fe3+和Cu2+會對番茄紅素的光氧化反應起催化作用，而其它金屬離子如K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+等則對其影響不大，所以天然番茄紅素在提取和套用過程中應儘量避免使用鐵制和銅製容器。pH值對番茄紅素也有影響，當用乙醇溶解番茄紅素，並調製成pH值1～14，結果表明，番茄紅素對酸不穩定，對鹼則比較穩定，故番茄紅素作為色素使用時並不適合於酸性飲料。由此可見，影響番茄紅素穩定性的因素有氧、光、金屬離子pH等，故番茄紅素的提取、貯存、加工及分析都應該在對環境因素進行控制的條件下進行 。
性質
呈色能力
番茄紅素作為一種天然紅色素，如何保持其最強的著色力是至關重要的。番茄果實中的番茄紅素有兩種存在狀態：其中大部分是以細長的、針狀的結晶形式存在於有色體中，呈現明亮的紅色。當番茄紅素的結晶形成時，質體膜消失，色素結晶自由分散在原生質中，在顯微鏡下觀察時，可以看到小粒狀的有色體，說明了有色體所顯現的顏色；另外一小部分（10%左右）則與蛋白質形成複合體存在於細胞中。番茄紅素以不同的形態存在時具有不同的顏色和強度，而且會隨著溶劑和介質的不同而呈現出不同的顏色。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 。
溶解性
番茄紅素是脂溶性色素，可溶於其他脂類和非極性溶劑中，不溶於水，難溶於強極性溶劑如甲醇、乙醇等，可溶於脂肪烴、芳香烴和氯代烴如乙烷、苯、氯仿等有機溶劑。番茄紅素在各種溶劑中的溶解度隨著溫度的上升而增大，然而當樣品越純時，溶解越困難。結晶的番茄紅素溶解緩慢，傾向於形成一種超飽和狀態，雖然提高溫度可加速其溶解，但冷卻時可能會出現結晶，這時可利用超音波加速其溶解。純的番茄紅素雖然不溶於水，但當它與某些物質如蛋白質結合形成複合物時，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方式猝滅單線態氧或捕捉過氧化自由基。單線態氧是具有很強活性的氧自由基，具細胞毒性作用，以細胞膜、線粒體等部位對其最為敏感，能與細胞中多種生物大分子發生作用，通過與分子結合造成細胞膜系統的損傷；番茄紅素能夠接受不同電子激發態的能量，吸收光能並通過單線態—單線態能量轉移過程使單線態氧的能量轉移到番茄紅素，生成基態氧分子和三重態番茄紅素分子，三重態番茄紅素通過與溶劑的一系列旋光和振動反應得到再生，並在此過程中將能量散發；類胡蘿蔔素的猝滅能力與其分子中所含有的共軛雙鍵的數目有著密切的關係，番茄紅素分子中有11個共軛雙鍵，一個番茄紅素分子可以清除數千個單線態氧，其猝滅單線態氧的速率常數較β-胡蘿蔔素高2倍。1990年Paolo等報導了類胡蘿蔔素和生育酚等30餘種生物抗氧化劑猝滅單線態氧的作用，番茄紅素是猝滅單線態氧最強的 。
番茄紅素還能通過與其他形式的活性氧的化學反應消除氧化自由基，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過氧化形成多種產物，這些產物與人體老化、癌症發生、自身免疫病及貧血等疾病都有關係。
調控代謝
通常細胞間隙之間有膜蛋白構成的通道，具有選擇通透性，允許第二信使及生長調節物質通過，細胞之間通過細胞間隙連線通訊（GJIC）傳輸細胞群體內生長調控信號，調節細胞的正常增殖與分化。實驗表明，番茄紅素通過誘導細胞間連線，增強正常細胞之間的GJIC，控制細胞生長和誘導細胞分化來抑制腫瘤的增長。日本學者在大鼠肝組織上用螢光染料示蹤技術研究番茄紅素對GJIC的作用時發現，每天飼餵5mg/kgBW番茄紅素，連續5d時，可以明顯增強GJIC功能；同時，由於大多數腫瘤細胞的GJIC功能微弱或缺失，細胞發生轉化後其GJIC功能降低或抑制，GJIC功能的抑制或被破壞被認為是促癌變階段的重要機制 。
調節血脂
番茄紅素是一種低膽甾醇劑，它可抑制巨噬細胞3-羥基-3-甲基戊二酸單醯輔酶A，而它是一種膽固醇生物合成的限速酶。實驗發現，在培養巨噬細胞的介質中加入番茄紅素後，其膽固醇合成降低，同時番茄紅素還增大巨噬細胞低密度脂蛋白（LDL）受體活性。實驗還表明，人體3個月內每天補充60mg番茄紅素，可減少14%的胞質LDL膽固醇濃度。
防癌抗癌
番茄紅素具有預防和抑制腫瘤作用，一方面是因為它的抗氧化作用；另一方面是番茄紅素能夠阻斷組織細胞在外界誘變劑的作用下發生基因突變過程，這是腫瘤生成的重要機制之一。實驗發現，番茄紅素可影響乳腺、肺和子宮癌細胞周期的S階段；番茄紅素通過抑制細胞周期中Gl到S的轉化階段來影響細胞的生長；番茄紅素通過可抑制LDL膽固醇的氧化和煎烤肉、魚的褐色反應中產生的雜環胺類的形成，從而有效地抑制致癌物的產生及誘發腫瘤。研究表明，番茄紅素對消化道癌、宮頸癌、乳腺癌、皮膚癌、膀胱癌等均有一定的抑制作用 。
化學生物合成方法
番茄紅素不僅分布在番茄中，還存在於木鱉果、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、雲莓、柑橘等的果實，茶的葉片及蘿蔔、胡蘿蔔、蕪菁甘藍等的根部。番茄及其製品的番茄紅素是西方膳食中的類胡蘿蔔素最主要的來源，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蔔素以外，一些微生物，如紅法夫酵母，藻類，成團泛菌的某些種等都可以產生類胡蘿蔔素，特別是紅髮夫酵母和綠藻，的蝦青素產量相對較高，酵母和大腸桿菌的遺傳改造也使得本身不產類胡蘿蔔素的微生物可以進行這類物質的合成。
番茄紅素是類胡蘿蔔素的一種，人體自身不能合成類胡蘿蔔素，必須通過外界攝入；但類胡蘿蔔素在許多植物中含量較低，並且很難用化學方法合成，主要是通過生物合成方式完成。生物合成途徑類胡蘿蔔素生合成可經由不同的途徑，在真菌和植物細胞胞液/內質網上，由乙醯CoA經羥甲基戊二醯-CoA途徑合成的。在細菌與植物質體中由磷酸甘油醛與丙酮酸經1-脫氧木酮糖-5-磷酸途徑合成.形成的異戊烯基焦磷酸經多次縮合生成第一個類胡蘿蔔素八氫番茄紅素，再經脫氫、環化、羥基化、環氧化等轉變為其它類胡蘿蔔素。具體的生物合成途徑如下圖 ：
番茄紅素（合成）通過合成過程圖可以很清楚的看出番茄紅素、β胡蘿蔔素、玉米黃質（葉黃素）、角黃素等均為類胡蘿蔔素生物合成過程中間體，研究發現Astaxanthin（簡稱ASTA)蝦青素為類胡蘿蔔素生物合成的終端形態。類胡蘿蔔素生物合成這些色素，主要是為了保護其種子中的不飽和脂肪酸，為下一代的繁衍儲備能量。所以隨著合成過程的不斷推進，圖中合成過程中的這些類胡蘿蔔素每一層次都比上一級的抗氧化活性強。
由絲狀真菌三孢布拉霉Blakesleatrispora生物合成β胡蘿蔔素的過程中，通過pH控制環化即可合成番茄紅素。Gavilou等在三孢布拉霉的生長介質中加入工業番茄廢水，發現抑制了β—胡蘿蔔素的生產並刺激番茄紅素的合成。Obata等通過對蜂房芽孢桿菌DC—1在6～7klx光照下培養生產番茄紅素。Matsmural等開發了能積聚番茄紅素螺旋藻的生產方法，通過發酵並在培養基中加入尼古丁200～500mmol/L生產番茄紅素，該方法成本較低。
羅氏公司所採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—丙醇中進行Wittig烯化反應，製得番茄紅素，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Wittig烯化反應得到番茄紅素的工藝開發，並在歐洲提出專利申請，1999年10月獲批准。
天然番茄紅素與人工番茄紅素的區別
1.化學合成合成的工藝比較簡單，成本低，但不利於長期服用，且含有無法脫離的化學殘留。
2.微生物發酵法（半化學合成），成本低，速度快，工藝簡單，但含有機溶劑殘留。
3.二氧化碳超臨界萃取，紅素含量低，農殘高。
4.國外包括歐洲的食品法規中經過風險評估，目前不允許在保健食品中使用合成紅素，包括生物發酵法提取的番茄紅素，僅允許其作為色素使用。中國目前也不允許在食品中添加。
5.英國劍橋有一項科研成果，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於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險。
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養成分，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，這些源於天然番茄的成分更易被人體吸收並有益。
7.生物發酵法可能會使用非食品來源的生物阻斷劑，最終產品中可能含有微生物細胞提取物等，對人體的影響目前不確定。
總之，近年來，我們所得到的市場反饋是國外客戶紛紛尋找來自番茄的天然番茄紅素，而非合成紅素。更為有益於人體的天然番茄紅素受到更多關注，也會是未來的市場所向。
作為食品添加劑套用
根據國標由用於食品的其他類胡蘿蔔素生產中常用的合成中間體，經過維蒂希聚合反應製備而成的合成番茄紅素。商業上用於食品的配方型番茄紅素製劑，是將其配製成懸浮於食用油中的乳液或水溶型的粉末。
