FSHW：全反式-β-胡萝卜素在体外消化过程中的异构化和降解情况

Introduction

β-胡萝卜素是蔬菜和水果中丰富的微量营养素，由于其与健康有关的各种功能而被广泛研究。作为VA的前体和抗氧化剂， β-胡萝卜素被认为对癌症、心脏病、黄斑变性、衰老和老年性黄斑变性有保护作用。

然而，类胡萝卜素因为具有单键和双键交替结构而对降解，特别是对氧化敏感。类胡萝卜素的稳定性一直是一个研究课题，特别是在β-胡萝卜素作为一种营养和生物活性化合物的稳定性方面。许多研究人员一直在关注β-胡萝卜素在食品加工和贮存过程中的稳定性问题。有研究发现，β-胡萝卜素损失的主要关键步骤仍然是在水果加工过程中，如果汁或果泥生产。β-胡萝卜素浓度因组织完整性的丧失、暴露于光和氧以及高温热过程而明显降低。研究报道，复合材料核心内的β-胡萝卜素可能受到玉米淀粉基质的保护。另有研究发现，胡萝卜β-胡萝卜素在热加工过程中发生了降解和异构化。

然而，很少有调查关注β-胡萝卜素在消化过程中的变化，消化过程中胡萝卜素的降解途径仍然不清楚。消化对抗氧化剂有很大的影响。例如，体外消化过程中pH值的升高会影响多酚、多糖、维生素和类胡萝卜素的稳定性。根据研究报道，消化后的总多酚含量发生了明显的变化，这导致了抗氧化能力的显著变化。

北京工商大学的Wenyang Tao、Xingqian Ye和Yanping Cao 在本研究中旨在：1）研究β-胡萝卜素在体外消化过程中的稳定性；2）确定β-胡萝卜素在体外消化过程中的异构化和降解产物。这些结果将有助于阐述类胡萝卜素在消化过程中的生物学命运和代谢途径，并解释胡萝卜素生物利用率低的原因。

Results and Discussion

不同乳化剂浓度下消化过程中β-胡萝卜素的稳定性

图1显示了不同乳化剂浓度下β-胡萝卜素在不同消化阶段的稳定性。可以发现，β-胡萝卜素在消化过程中被降解，在胃相中的降解程度最低。β-胡萝卜素在胃阶段的稳定性首先随着乳化剂浓度从25 μL到75 μL的增加而增加，然后随着乳化剂浓度从75 μL到125 μL的增加而减少，β-胡萝卜素在口腔阶段的稳定性也有类似的趋势。当加入25 μL的乳化剂时，乳化剂的浓度太低，无法捕获体系中的所有油。形成的大油滴含有大量的游离油，可能会保护胡萝卜素不被降解。当乳化剂的量增加到50 μL时，乳化剂浓度仍然太低，不能捕获系统中的所有油。但是自由油的数量少于25 μL，这导致系统中的油滴更小。油滴越大，对胡萝卜素的保护就越好。β-胡萝卜素的含量没有随着乳液含量的增加而发生明显变化。与其他样品相比，在胃相中的降解率最低，这可能是由于β-胡萝卜素在酸性条件下倾向于在脂质相中积累，从而防止类胡萝卜素与淀粉酶发生作用，有助于乳化剂的保护。β-胡萝卜素在消化过程中的降解率（减少75%）（表1）明显高于热加工过程中的降解率（大约减少40%）。在未来的研究中应强调消化过程中对类胡萝卜素的保护。

图1 乳化剂浓度对消化过程中全反式-β-胡萝卜素稳定性的影响

表1 β-胡萝卜素顺式异构体的鉴定

消化过程中全反式-β-胡萝卜素异构体的鉴定

HPLC-DAD被用来鉴定体外消化后的全反式-β-胡萝卜素及其顺式异构体。图2显示了体外消化不同阶段后的色谱图。β-胡萝卜素的异构体通过与它们各自的光谱（图3）中公布的Q比值（顺式峰（330～350 nm）与主吸收峰的高度比，表2）进行比较来鉴定。根据Q值（表1），图2的峰1被初步确定为15-顺式-β-胡萝卜素，图2的峰3被初步确定为9-顺式-β-胡萝卜素。该结果与热加工的异构体结果不同，其异构率依次为：13-顺式-β-胡萝卜素＞15-顺式-β-胡萝卜素＞9-顺式-β-胡萝卜素，在水包油型β-胡萝卜素纳米乳剂中，25～50 ℃时全反式-β-胡萝卜素向13-顺式-β-胡萝卜素的转化相对容易。13-顺式-β-胡萝卜素是胡萝卜干燥过程中（60～80 ℃）的唯一异构体。13-顺式-β-胡萝卜素是最主要的顺式异构体，而9-顺式-β-胡萝卜素只能在高温消毒的胡萝卜汁中在焯水和消毒期间检测到。13-顺式-β-胡萝卜素是主要的异构体，而15-顺式和9-顺式-β-胡萝卜素在蔬菜炒制过程中少量形成。由此推断，异构体的形成途径和机制在消化和热加工中是不同的。

峰1. 15-顺式-β-胡萝卜素；峰2.全反式-β-胡萝卜素；峰3. 9-顺式-β-胡萝卜素。

图2 不同消化阶段的全反式-β-胡萝卜素的HPLC色谱图

表2 15-顺式-β-胡萝卜素、全反式-β-胡萝卜素和9-顺式-β-胡萝卜素在不同消化阶段的峰面积

图3 HPLC相应峰1、2和3的DAD光谱

消化过程中全反式-β-胡萝卜素的异构化和降解情况

用HPLC分析了消化前和消化后的β-胡萝卜素（图2）。结果发现，全反式-β-胡萝卜素的对照样品含有少量的两种异构体（峰1和峰3）。在消化过程中，全反式-β-胡萝卜素和其异构体发生了变化。如图2所示，全反式-β-胡萝卜素在整个消化阶段都在减少（减少75%）。异构体1和3在口服消化期间增加，被全反式-β-胡萝卜素转化。对于胃和肠道阶段，异构体1和3显示出明显的减少。可以推断，全反式-β-胡萝卜素在口服阶段发生异构和降解，在胃和肠阶段发生降解。

消化过程中全反式-β-胡萝卜素的降解产物分析

图4显示了全反式-β-胡萝卜素在不同消化阶段的FTIR光谱。体外消化后存在三个新的振动峰（2672、1055和943 nm），体外消化期间725 nm的一个振动峰逐渐消失。2672 nm的新峰被认为是醛C–H键的拉伸振动。在1055 nm的新峰表明在体外消化过程中发生了一个新的极性官能团C–O。943 nm的新峰表明，将这两个新峰归结为呋喃类的形成是合理的，这表明在体外消化过程中可能会形成β-胡萝卜素-环氧化物或β-胡萝卜素-双环氧化合物。

图4 不同消化阶段全反式-β-胡萝卜素的FTIR光谱

拉曼光谱如图5所示，在肠道和消化的样品中观察到了新的峰。在1660 cm-1处出现的峰值代表了四个碳共轭双键（C＝C–C＝C）的形成，这表明胡萝卜素在体外消化过程中可能降解为β-紫罗兰酮和β-胡萝卜醛。约793 cm-1的拉曼信号可以归属于C–O–C波段，它是β-胡萝卜素双环氧化合物的一部分，是在β-胡萝卜素裂解过程中形成的一种呋喃类化合物。606 cm-1处的新峰代表C–COOH带，应归因于MCT的水解反应。793 cm-1的新峰在肠道样品中存在，在消化后的样品中消失。这一现象可能是由酶的协同作用引起的。

图5 不同消化阶段全反式-β-胡萝卜素的拉曼光谱

从出现新功能团（C–O、C–O–C、C＝C–C＝C）开始，全反式-β-胡萝卜素可能发生氧化、环化和热解反应。本研究中只分析了混合降解产物的功能团，降解产物的结构将被进一步确定。

Conclusion

本文研究了 β-胡萝卜素在体外消化过程中的行为。这项研究的结果表明，全反式- β-胡萝卜素在口服消化过程中发生异构化和降解，在胃和肠消化过程中发生降解。两个异构体被确定为15-顺式- β-胡萝卜素和9-顺式- β-胡萝卜素。仅对降解产物的功能团进行了分析，出现了新的功能团（C–O、C–O–C、C＝C–C＝C）。这项研究对全反式- β-胡萝卜素在体外消化过程中的行为提供了有用的信息，并解释了消化过程中生物利用度低的原因。

Isomerization and degradation of all-trans-β-carotene during in-vitro digestion

Wenyang Taoa,b, Xingqian Yea,b, Yanping Caoa,*

a Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health, Beijing Technology & Business University, Beijing 100048, China

b Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing, Fuli Institute of Food Science, Zhejiang R & D Center for Food Technology and Equipment, Department of Food Science and Nutrition, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

*Corresponding author at: Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health, Beijing Technology & Business University, Beijing 100048, China.

E-mail address: caoyp@th.btbu.edu.cn

Abstract

To investigate the behavior of all-trans-β-carotene during digestion, in-vitro digestion coupled with HPLC-DAD, Raman spectroscopy and Fourier transform-infrared spectroscopy were used to monitor it. All-trans-β-carotene reduced by 75% during the in-vitro digestion and had a highest degradation during intestinal digestion compared with oral and gastro digestion. All-trans-β-carotene occurred isomerization and degradation during oral digestion and occurred degradation during gastro and intestinal digestion. Isomers were identified as 15-cis-β-carotene and 9-cis-β-carotene, degradation products were compounds with function group of C–O, C–O–C or C=C–C=C. The biological fate of β-carotene during digestion was clarified, and one of the reasons for low bioavailability of β-carotene was explained by high degradation rate during digestion.

Reference:

TAO W Y, YE X Q, CAO Y P. Isomerization and degradation of all-trans-β-carotene during in-vitrodigestion[J]. Food Science and Human Wellness, 2021, 10(3): 370-374. DOI:10.1016/j.fshw.2021.02.028.

翻译/编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

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