《食品科学》：华南农业大学刘晓娟教授等：全

　　’-胡萝卜素，是一类脂溶性类胡萝卜素，由于其优异的抗氧化作用和着色能力，广泛应用于食品饮料、保健食品、化妆品、饲料以及制药领域。越来越多的研究表明，顺式AST介导更强的健康效应，如抗氧化、抗衰老、抗炎等。然而天然来源的AST以全反式构型为主，研究者采用各种顺式化措施有目的性地提高顺式AST含量，如高温、光照、高压等。因此，AST尤其是高顺式占比AST研究成为近年来的关注热点。

　　最新研究表明，当类胡萝卜素发生顺式异构化时，通常会发生物化特性的改变，如色泽、结晶性、溶解度和生理活性等。富含全反式和顺式番茄红素的番茄分别呈现红色和橙色，与顺式构型的吸收波长变短、摩尔消光系数和色度值降低有关。全反式类胡萝卜素以晶体状态存在，而顺式异构体以无定形状态存在，该特性极大地促进了顺式构型的溶解度，同时，顺式类胡萝卜素往往具有更高的生物学活性然而。近年来，计算机模拟已经成为实验研究的辅助手段。

　　华南农业大学食品学院的刘晓娟、周乐松、陈佳玲等通过实验手段与量子化学理论相结合的方式，全面阐明全反式AST和顺式AST的物化特性差异并揭示其原因。通过光照法和硅胶柱层析制备不同高顺式占比AST，采用X射线衍射（XRD）仪、差示扫描量热（DSC）仪、扫描电镜（SEM）和色差仪等技术，比较2 种构型AST在熔点、结晶度、溶解度和色度等方面的物理特性；采用体外清除自由基和体内秀丽线虫模型比较全反式AST和顺式AST的抗氧化能力；进一步基于量子化学揭示2 种AST异构体物化特性差异的机理，旨在为揭示顺反AST的性质差异提供理论依据，为AST在健康领域的应用提供指导。

　　为了研究不同构型AST的理化性质，全反式AST经光顺式化后，并进行纯化分离，获得不同顺式比例的AST。由图1和表1可知，全反式AST异构化后，顺式AST相对含量从3.57%提高到31.30%（记为31%-顺式AST），然后将异构化AST溶解于乙醇中，经0.22 μm PTFE膜过滤器过滤，顺式相对含量进一步提高至46.30%（记为46%-顺式AST）。由于AST的顺式比全反式在乙醇中溶解度更高，部分全反式AST在乙醇过饱和状态中沉淀并被过滤器除去，顺式AST比例提升。进一步采用硅胶柱层析，经薄层色谱法确定收集液中含顺式比例高的部分，收集后氮吹，获得96.43%顺式AST（记为96%-顺式AST）。

　　熔点、结晶通常指某种物质从固态变成液态、液态变成固态的温度，是鉴别化合物类别、纯度以及分析分子结构和相互作用力的重要指标。DSC仪通过检测器定量检测试样吸收或放出的热量，以峰的面积代表熔融焓和结晶焓，从而评估样品的熔点与结晶点的有无与高低。图2反映了不同比例顺式AST对AST结晶点和熔点的影响。全反式AST的熔点为230.35 ℃、结晶点为247.65 ℃。相较于全反式AST，顺式AST熔点显著降低；31%-顺式AST的熔点为86.95 ℃、结晶点为157.59 ℃；46%-顺式AST的熔点为236.99 ℃、结晶点为196.05 ℃；96%-顺式AST的熔点为218.78 ℃、结晶点为246.08 ℃，同时DSC的峰面积（熔融焓、结晶焓）显著降低。一般来说，分子间作用力强弱与物质的熔化焓、结晶焓大小呈正相关，这意味着AST的分子间作用力随着AST顺式比例增加而降低。有趣的是，31%-顺式AST的熔点显著降低，随着顺式比例进一步提升，熔点逐渐升高，46%-顺式AST的熔点高于全反式，而96%-顺式AST的熔点相比46%-顺式AST略有降低。原因可能是形成了低熔点共晶，随着顺式比例提升，共晶现象消失，熔点反而出现升高趋势，而结晶点同样随着熔点的变化，呈现升高的趋势。其他类胡萝卜素的熔点、结晶点同样因顺式异构化而改变。如利用DSC仪测定全反式和75%-顺式番茄红素的熔点分别为169.48 ℃和174.38 ℃，同时顺式类胡萝卜素的结晶点降低甚至消失。因此，不同种类类胡萝卜素顺式化后的熔点和结晶点的变化趋势有所差异。

　　以上结果表明，全反式AST顺式异构化后，熔点和结晶点先降低。随着顺式比例提高，熔融焓、结晶焓均下降，变成顺式为主的AST，熔点与结晶点均有所升高，但总体仍低于全反式异构体。

　　结晶度往往会对物质的溶解度、生物利用度、吸湿度、机械性能造成影响，XRD分析通过对比衍射峰的有无、尖锐程度以及峰宽来综合判断化合物的结晶度，衍射峰的强度与结晶度呈正相关，低结晶度会导致宽峰。有机物的2θ值范围主要在10°～30°，具有多种峰型。如图3所示，通过XRD图谱，全反式AST在衍射角2θ 10°～40°之间大致有16 处衍射峰，在25.18°位置（即9号衍射峰）的衍射峰最强。有机物仅有部分可以形成结晶，且有机物的晶型受到晶胞微观结构差异以及溶剂分子影响，形成的形态不同，所以利用不同方法结晶得到的X射线衍射峰各有不同，因此容易形成多晶型，较少形成单晶。31%-顺式AST和46%-顺式AST中9号衍射峰明显形成了弥散的衍射峰包，即形成宽峰，其他的衍射峰强度也均有不同程度的下降，峰强度降低至一半以下，甚至部分峰消失。96%-顺式AST组别则完全没有衍射峰，在衍射角2θ 19.14°～30.70°间形成大的鼓包峰，且整体的峰强度均在下降，意味着无定形物质的增加。此前研究报道也观察到类似情况，类胡萝卜素通过顺式异构化从晶体态转变为无定形态。类胡萝卜素分子中具有多个共轭双键，导致分子之间产生强烈的π-π堆积相互作用。因此，类胡萝卜素具有高结晶度，而顺式异构体的弯折结构会导致巨大的空间位阻，降低了π-π吸引力，从而影响结晶度。

　　以上结果表明，全反式AST呈现多晶形态，顺式异构化后，这种结构的衍射峰强度降低，高顺式比例的AST的尖峰转变为鼓包峰，意味着向无定形态转变。

　　为进一步直观观察全反式AST异构化后的形态变化，利用SEM对全反式、顺式AST的微观结构进行测定。如图4所示，全反式AST形成有规则剖面的片层状晶体，随着顺式AST比例提高，由有层次的堆叠结构，边缘逐渐出现不规则的、无定形的块状结构。当顺式AST达到96%，AST的整体形态呈现熔融状，表现为无定形态。微观结构观察结果进一步验证了DSC和XRD结果。

　　类胡萝卜素通常以晶体型态存在，在固体状态下，分子间排列紧密有序，分子间的π-π相互作用，氢键相互作用使得类胡萝卜素呈现出晶体型态，并保持结构完整。共轭多烯链的π-π堆叠产生的相互作用力与氢键产生的静电作用维持了全反式AST产生高结晶度的形态，但顺式AST产生的空间位阻，则会降低π-π堆叠产生的相互作用力，在空间中排列成具有长程无序但短程有序的结构，这种结构在分子占据主导的作用力是范德华力，作用力强度低，因此使得形态不具备高度有序的属性，从而导致有高顺式占比的AST样品呈现出无定形态。新鲜植物中的类胡萝卜素往往以全反式异构体的晶体态存在，诸如一些桃棕榈果、陈皮番茄因含有大量的顺式类胡萝卜素，通常呈现油状。

　　以上结果表明，全反式AST微观结构呈现片层结构，顺式异构化后，形成无定形的熔融态。

　　溶解度的高低往往会影响化学反应速率和平衡常数，以及药物肠道吸收和口服生物利用度。为了探究AST顺式异构化形态对其在溶液中分散性的影响，测定了两类AST异构体在有机试剂和植物油中的溶解度。由图5可知，随着顺式比例的提高，AST在有机试剂中溶解度逐渐提高，96%-顺式AST在二氯甲烷、DMSO和乙醇中的溶解度分别达到43 855.68、5 459.13 mg/L和4 574.05 mg/L，为全反式AST溶解度的2.5、25.2 倍和491.8 倍。96%-顺式AST在大豆油和特级初榨橄榄油中的溶解度分别为5 166.92 mg/L和4 359.13 mg/L，为全反式AST溶解度的59.8 倍和27.6倍。研究报道，类胡萝卜素的顺式异构体普遍具有较高的溶解度，含89%顺式构型的β-胡萝卜素在正己烷、丙酮和乙醇中的溶解度分别是全反式异构体的23、16 倍和275 倍；9-顺式-β-胡萝卜素在超临界CO2的溶解度是全反式异构体的近4 倍。

　　研究表明全反式AST具有较高的晶格能，溶解在介质前，必须克服能量，导致溶解度很低。前面SEM的结果表明顺式AST为无定形态，无定形态的物质往往具有高自由能、小粒度、高表面积、高润湿性以及分子无序性等特点，提升了AST在有机溶剂、植物油中的溶解度，从而有效提高AST在加工中的使用浓度。

　　以上结果表明，顺式AST在有机试剂和植物油中的溶解度显著高于全反式（P＜0.05），取决于顺式构型的分子无序性以及高的自由能。

　　类胡萝卜素的颜色取决于共轭双键数目，当双键达到7 个以上时，呈现黄色并向红色转变，由于全反式类胡萝卜素为直链结构，顺式异构化后弯折可能会对颜色产生影响。由图6A、C可知，随着顺式AST比例提高，溶液的红度值（a*）显著降低，a*从全反式AST的30.03下降至96%-顺式AST的15.27，同时亮度值（L*）显著提高（P＜0.05），从全反式AST的84.54上升至96%-顺式AST的95.28，黄度值（b*）没有表现出显著性差异，从反式AST的18.59仅下降至96%-顺式AST的18.25。

　　从结构角度分析，AST的共轭双键越多，红移现象越显著，吸收强度也明显增强，因此呈现红色。AST以全反式构型存在时，其末端β-紫罗兰酮环与AST共轭体系中相邻双键之间的π电子会形成一个平面，并产生吸收光谱的红移，AST产生红色，使光谱中的吸收峰发生红移。由此推断顺式AST的弯折导致其在近紫外区有更多吸收，从而导致顺式AST的a*下降。另一研究测得全反式、9-顺式AST和13-顺式AST的摩尔消光系数分别为2 100、1 750 L/（mol·cm）和1 350 L/（mol·cm），顺式AST门徒代理注册远低于全反式。因此与反式AST相比，顺式异构体表现出不同的性质，如最大吸收波长较短、消光系数降低，从而导致颜色较浅。

　　色素的颜色变化是由其分子内部电子被激发后，能级跃迁过程引起的。电子激发后向高能级跃迁过程中，伴随着能量的吸收，色素呈现出了特定颜色。由于实验中电子激发往往无法观察，且少数结构由于痕量存在，无法完整获得吸收光谱信息，因此利用模拟方式对AST异构体进行电子激发计算，可得到物质的普遍规律。含时密度泛函理论是最主流的电子激发问题的计算方法，其采用CAM-B3LYP模拟紫外光谱，已被广泛用于分析类胡萝卜素产生颜色差异原因。如图6B所示，全反式、9-顺式、13-顺式的最大吸收波长（λmax）分别为666.3、656.7、652.5 nm，表现出良好趋势。有研究报道，全反式、9-顺式和13-顺式-β-胡萝卜素的最大吸收波长分别为451.4、446.4 nm和439.1 nm，与本研究AST的趋势一致。全反式AST的顺式峰出现在325.8 nm处，9-顺式AST出现两处顺式峰分别位于279 nm和383 nm处，13-顺式的顺式峰则位于396 nm处，同时全反式AST的消光系数为2 100 L/（mol·cm），13-顺式和9-顺式分别为1 350 L/（mol·cm）和1 750 L/（mol·cm）。紫外吸收光谱中峰的强度可以反映吸收强度大小，同时色素λmax增大，色调则加深；反之λmax减短，色调则变浅。图6B中全反式、9-顺式、13-顺式AST峰强度依次递减，意味着摩尔吸光系数减小，λmax显著衰减以及向更短波长的小位移使得AST的紫色变浅，更多呈现出更短波长的互补色。研究表明具有长程校正效应的杂化密度泛函CAM-B3LYP计算的结果与实验结果更吻合，能够更好地再现全反式AST与不同顺式AST紫外吸收光谱的差异。

　　以上结果表明，AST顺式异构化后，结构弯折呈现出更低的电子激发，从而导致λmax的显著衰减，使得AST的a*显著下降，L*显著上升（P＜0.05）。

　　AST的顺式异构化不仅带来物理属性（结晶、色泽等）的差异，作为一种优异的抗氧化剂，其清除自由基的能力同样受到广泛关注，AST在机体内清除自由基的能力可能会受到异构化的影响。由图7A、B可知，全反式和顺式AST对羟自由基、超氧阴离子自由基的清除效果与剂量正相关。全反式AST和96%-顺式AST质量浓度10 μg/mL时，对羟自由基的清除率分别为47.92%和50.15%，差异不显著（P＞0.05）；质量浓度100 μg/mL时，对羟自由基的清除率分别为85.44%和96.12%，差异显著（P＜0.05）。在10 μg/mL质量浓度时，全反式AST和96%-顺式AST对超氧阴离子自由基的清除率分别为23.41%和27.16%（P＞0.05），当质量浓度提升至100 μg/mL，清除率分别为52.47%和72.48%，差异显著（P＜0.05）。如图7C所示，全反式和顺式AST的自由基清除半数抑制浓度（IC50）差异显著，对羟自由基清除的IC50分别为10.81 μg/mL和9.87 μg/mL（P＜0.05），对超氧阴离子自由基清除的IC50分别为98.33 μg/mL和37.01 μg/mL（P＜0.05）。

　　秀丽线虫抵抗氧化应激的能力与寿命密切相关，氧化应激会加速线虫的衰老甚至死亡，原因可能是氧化剂引起线作为一种常见氧化剂，可以分解羟自由基，从而导致线 h时已无线虫存活，全反式AST和96%-顺式AST组的存活率分别为10.00%和30.00%。经过AST处理后的线虫抵抗氧化应激能力显著提高，生存曲线%-顺式AST处理组比全反式AST处理组提高线虫抗氧化应激能力作用更显著（P＜0.05），在4.5 h时仍有10%存活。由此可见，顺式AST对提高线虫抵抗氧化应激能力要显著强于全反式AST。在之前的报道中，全反式、9-顺式和13-顺式AST喂养的秀丽隐杆线%，与顺式AST具有更强的抗氧化能力密切相关；同时，9-顺式AST在Caco-2细胞单层模型中下调促炎细胞因子COX-2和TNF-α基因表达方面显著高于全反式，表现出更强的抗炎作用。因此，顺式AST展现出更强的健康效应。

　　综上结果表明，在低质量浓度（10 μg/mL）时，顺反构型AST对自由基清除能力差别不大（P＞0.05），在高质量浓度时，顺式AST对自由基清除能力以及线虫抗氧化应激能力均显著优于全反式（P＜0.05）。

　　由以上研究可知，顺式AST对自由基清除能力显著优于全反式，但无法从微观角度解释实验结果，量子化学模拟可以从结构参数以及电子转移的角度对AST的抗氧化机制进行进一步阐明。

　　氢原子转移通常认为可能是类胡萝卜素与自由基之间相互作用的机制。采用B3LYP/6-31G方法优化得到AST的C—H键长参数（图8），AST分子的C—H键越长，越容易发生断裂，即越容易脱氢，与氧化剂发生反应。通过分析AST分子结构，AST较长的C—H键长主要分布在端环上，说明端环更容易脱氢，抗氧化活性较强。研究表明，类胡萝卜素发生氧化反应时，主要从两端的结构开始，与本研究结果吻合。全反式AST的C—H键长在1.084 2～1.100 97 Å之间，9-顺式AST的C—H键长在1.091 92～1.092 46 Å，13-顺式AST的C—H键长在1.084 06～1.100 97 Å之间。从键长上看，顺式AST并没有比全反式拥有更长的键长，两类AST异构体的C—H键活泼程度接近。

　　酚羟基是AST抗氧化反应官能团之一，酚羟基键的强弱可以衡量AST与自由基反应能力强弱，O—H键键长越长，形成的键就越容易断裂。如图8所示，9-顺式、13-顺式的C12位点O—H键键长最长，均为0.970 33 Å，高于全反式AST的O—H键（0.970 31 Å），由于顺式异构体的键长略高于全反式，推断AST顺式构型的C12位点酚羟基的活性、自由基反应的能力强，但关于键长差距多少会对反应产生显著性影响鲜有实际定论。

　　以上结果表明，AST异构体的C—H有着类似的长度，顺式构型的酚羟基中的氢原子更容易解离与自由基反应。

　　由于AST结构上能与自由基发生活性位点众多，除了通过键长参数判断容易发生反应的位置外，也可以通过分子轨道对反应位点进行预测。福井函数是常用的预测反应位点的实空间函数，常用于预测活性物质的抗氧化位点。自然键轨道可以用来分析分子的杂化轨道及成键情况，通过考察自然键轨道对福井函数的贡献，进一步解释福井函数的本质特征，进而讨论各个键在反应过程中的作用。从图9可知，当全反式AST异构化为顺式AST后，反应位点也相应发生变化。通过福井函数的计算结果证实，全反式AST的抗氧化反应位点与β-类胡萝卜素的反应位点相同。对于β-胡萝卜素，环的C4或C4’位置最容易脱氢加成至自由基，AST的C11（4a）或C11’（4a）被氧原子取代，因此无法在此位置上发生反应。同时C39（13a）、C29（9a）、C23（5a）上的氢原子同样容易脱离，如表2～4所示，福井指数（f0）越大，越可能受到自由基攻击。除AST端环上两个酚羟基的氧原子数值最高，依次为13a、9a、5a。

　　9-顺式AST的最易脱氢位点分别为C34（11’a）、C33（11a）、C9，13-顺式AST的最易脱氢位点分别为C34（11’a）、C37、C33（11a），且酚羟基并非最容易受到攻击的位点，关于异构体间活性位点变化的报道极少，全反式AST和顺式AST位点发生变化的现象可为后续AST异构体与自由基反应的研究提供基础参数。

　　以上结果表明，全反式AST顺式异构化后抗氧化活性位点改变，部分反应位点从端环转移至长的共轭多烯链上。

　　除了判断键长或活性位点分析氢原子转移机制，单电子转移也常用于评估抗氧化性，抗氧化剂转移单个电子还原目标化合物。如表5所示，IP和EA被用于评估分子的抗氧化能力，较低的IP意味着分子是较好的电子供体，较高的EA意味着分子是较好的电子受体。不同AST异构体的IP值均高于EA值，说明AST是较好的电子给体而不是电子受体。AST异构体的IP值大小依次为13-顺式＞全反式＞9-顺式，说明其给电子的能力依次降低。AST的EA大小依次为全反式＞9-顺式＞13-顺式，表明其电子接受能力上升。IP与EA的能差常用于与抗氧化能力呈现正相关，分别计算了IP与EA之间的能差（EG），大小顺序为13-顺式＞9-顺式＞全反式，与抗氧化能力的顺序基本一致。

　　此外，分子轨道能隙也能判断分子反应性，能隙越小，越容易发生反应。2.9节已对全反式、顺式AST的反应性进行分析，其分子反应性顺序大小为全反式AST＜9-顺式＜13-顺式，全反式构型似乎是最容易与氧化剂反应的分子，与实际结果略有不同。静电势也称为电位，数值等于单位正电荷从无穷远处移至电场中某点时所获得的电能，分析电位大小可以判断可能获得电子或失去电子的位点，从而分析抗氧化能力。如图10中的静电势分布，红色区域表示电子云密度较高，即该区域可能吸引正电荷或电子，被氧化一般即是失去电子，该物质电子云密度比较大，电子跃迁容易，对电子的束缚能力比较弱，因此更容易受到攻击，AST几何异构体的羟基和酮基更容易受到攻击，与2.9节结果一致。

　　以上结果表明，在光照作用下，全反式AST吸收能量后发生键的扭转，形成9-顺式和13-顺式。两种顺式构型羟基上的氢原子更容易析出，与自由基的反应位点发生变化，且电子转移能力增强，从而使得顺式异构体在清除自由基和提高秀丽线虫氧化应激抗性能力增强。

　　本研究结合实验方法和量子化学理论，阐明了全反式和顺式AST的物化特性差异，并揭示了其存在差异的潜在原因（图11）。顺式AST的弯折结构降低了π-π堆叠产生的相互作用力，使得顺式构型结晶度降低，顺式AST从全反式的层状堆叠结构变为不定形态；96%-顺式AST在乙醇、橄榄油两类溶剂中的溶解度的提升尤其显著，分别是全反式构型的491.2、59.8 倍（P＜0.05）。此外，顺式AST红度值显著降低，与全反式异构体有显著差异（P＜0.05），这与顺式异构体弯折后电子激发降低，波长λmax的显著衰减以及λmax向更短波长的位移有关。同时，全反式AST和顺式AST的抗氧化活性表现出差异，顺式AST对羟自由基、超氧阴离子自由基的清除效果显著强于全反式AST（P＜0.05）。顺式AST端环一端的羟基键长更长，推测顺式AST有更强的抗氧化能力，从IP和EA的差值角度上看，顺式AST对自由基清除能力均优于全反式AST。研究结果可为揭示全反式和顺式AST的物化特性及其机制提供理论指导，可为AST异构体在生产加工的应用提供依据。

　　博士，华南农业大学食品学院教授，2008年毕业于暨南大学，2015.7至2016.7国家公派到美国马萨诸塞州立大学（全美博士学科点食品排名第一）做访问学者一年，主要从事膳食活性成分的跨膜转运吸收和代谢、功效成分结构与精准营养健康功效及靶向作用机制、递送体系对脂溶性功效成分的稳态化和增效递送、农副产品和水产品高值化利用及功能食品和化妆品研发等领域的研究工作。广东省高等学校“千百十工程”校级培养对象，华南农业大学2020年“三育人”教书育人先进个人、华南农业大学“教学名师”、华南农业大学“第一批卓越青年教师百人计划、”华南农业大学“青年骨干教师”，广东省企业科技特派员、农村科技特派员。在教学方面，系统讲授《食品化学》、《功能食品学》等本科课程，《高级食品化学》、《高级食品添加剂》和《功能食品评价学》等研究生课程，负责省级一流（课程思政）本科课程；在科研方面，近年来，主持2 项国家自然科学基金、7 项省部级项目、4 项企业横向课题等各类项目16 项，主要参与国家级、省市级各类项目30多项，以第一作者和通信作者发表论文60余篇，其中SCI&EI收录40多篇（中科院一区Top期刊17 篇，影响因子超100；封面文章6 篇），申请国家发明专利5 项。

　　本文《 全反式和顺式虾青素的物化特性比较：实验与量子化学结合分析 》来源于《食品科学》2025年46卷第13期63-74页，作者： 刘晓娟，周乐松，陈佳玲，柯亮，冯裕杰，肖杰，曹庸 。DOI: 10.7506/spkx1112-092 。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

　　实习编辑：安宏琳；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

　　为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社将与江西农业大学、江西科技师范大学、 南昌师范学院、 家禽遗传改良江西省重点实验室 共同举办的“ 2025年动物源食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2025年10月25-26日 在 中国 江西 南昌 召开。

　　北京食品科学研究院、中国食品杂志社和全国糖酒会组委会将于2025年10月16-18日在江苏省南京市南京国际博览中心举办第113 届全国糖酒会食品科技成果交流会。食品科技成果交流会期间举办食品科技成果展，本届科技成果展以我国当前食品产业科技需求为导向，重点邀请“十四五”以来获得国家和省部级重要科研项目支持产出的食品科技新成果、新技术、新产品参展，并针对企业技术需要开展精准对接服务。