Characterization and Isomerization of (all-E)-Lycopene Derived from Natural Origin

Abstract

Characterization of (all-E)- and (15Z)-lycopene purified from natural origin, and isomerization of (all-E)-lycopene to Z-isomers by heating, photoirradiation, and catalyst were demonstrated. A large amount of (all-E)-lycopene was successfully purified from tomato paste using an improved method that included a procedure to wash crystalline powder with acetone. The melting point of (all-E)-lycopene was determined to be 173.2 °C by differential scanning calorimetry (DSC) measurements. Bathochromic shifts were observed in the absorption maxima of all solvents tested (at most a 36 nm shift for λ2 in carbon disulfide, as was observed in hexane) and were accompanied by absorbance decreases, namely, a hypochromic effect, showing a higher correlation between the position and the intensity of the main absorption bands. This bathochromic shift was dependent upon the polarizability of the solvent rather than its polarity. The structure of (all-E)-lycopene in CDCl3 and C6D6 was identified on the basis of one- and two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectra, including 1H and 13C NMR, homonuclear correlation spectroscopy (1H-1H COSY), heteronuclear multiple-quantum coherence (HMQC), and heteronuclear multiplebond connectivity (HMBC). (15Z)-Lycopene was prepared by thermal isomerization of (all-E)-lycopene derived from tomatoes, and isolated by using a series of chromatographies. The fine red crystalline powder of (15Z)-lycopene was obtained from 556 mg of (all-E)-lycopene with a yield of 0.6 mg (purity: reversed-phase HPLC, 97.2%; normal-phase HPLC, ≥99.9%), and 1H and 13C NMR spectra of the isomer were fully assigned. Moreover, the occurrence and availability of the 15Z-isomer were discussed on the basis of the calculation method. Thermal isomerization of (all-E)-lycopene was investigated in various organic solvents. Isomerization ratios to the Z-isomers of lycopene in CH2Cl2 and CHCl3 over 24 h were calculated to be 19.7% and 11.4% at 4 °C and 77.8% and 48.4% at 50 °C, respectively. In CH2Br2, more than 60% was attained in the first several hours, independent of temperature. The predominant Z-isomers obtained thermally, (9Z)- and (13Z)-lycopene, were purified and their absorption maxima and molar extinction coefficients in hexane were determined for the first time. Absorption values at 460 nm were also measured for both Z-isomers along with (all-E)-lycopene to accurately evaluate their concentrations by HPLC analysis. This approach successfully revealed that (13Z)-lycopene formed predominantly in benzene or CHCl3 at 50 °C; in contrast, the 5Z-isomer was preferentially obtained in CH2Cl2 or CH2Br2. Photoisomerization of (all-E)-lycopene to the corresponding Z-isomers was investigated under visible to middle-infrared light irradiation in the presence of several sensitizers, including edible ones. Highly purified (all-E)-lycopene from tomato paste was isomerized to Z-isomers to the extent of 46.4–57.4% after irradiation with the sensitizers for 60 min in acetone, in which a thermodynamically-stable isomer of (5Z)-lycopene was predominantly generated, while kinetically-preferable (9Z)- and (13Z)-lycopene were dominant without sensitizer. Examination of the time course of photoisomerization demonstrated that the highest isomerization efficiency (80.4%) was attained using erythrosine as the sensitizer under 480–600 nm light irradiation in hexane for 60 min, a protocol which successfully suppressed the decomposition of lycopene. (5Z)-Lycopene, reported as a more bioavailable isomer, was again predominantly produced with erythrosine and rose bengal in each solvent. Catalytic isomerization of (all-E)-lycopene to Z-isomers using iron(III) chloride was investigated and optimized under various conditions of solvents, concentrations of iron(III) chloride, and reaction temperatures. The total contents of Z-isomers converted were higher in the order of CH2Cl2 (78.4%) > benzene (61.4%) > acetone (51.5%) > ethyl acetate (50.8%) at 20 °C for 3 h using 1.0 × 10−3 mg/mL iron(III) chloride for 0.1 mg/mL (all-E)-lycopene. However, the decomposition of lycopene was markedly accelerated in CH2Cl2. As the concentration of catalyst increased in acetone, the Z-isomerization ratio of lycopene increased to more than 80%, followed by rapid decomposition of lycopene to undetectable levels using > 4.0 × 10−3 mg/mL iron(III) chloride with the above concentration of (all-E)-lycopene. Finally, greater isomerization (79.9%) was attained at 60 °C in acetone for 3 h in the presence of 1.0 × 10−3 mg/mL iron(III) chloride, largely without decomposition of lycopene (remaining ratio of total amount of lycopene isomers after the reaction, 96.5%). As a method without use of organic solvents and food additives, thermal isomerization of (all-E)-lycopene in edible vegetable oils (perilla, linseed, grape seed, soybean, corn, sesame, rapeseed, rice bran, safflower seed, olive, and sunflower seed oil) was also investigated. Purified (all-E)-lycopene from tomatoes was converted to Z-isomers in the range of 44.8 to 58.8% content, and the remaining ratio of total amount of lycopene isomers without decomposition were ranged from 38.8 to 79.6% after heating at 100 °C for 1 h in the vegetable oils. Both of the values were exceedingly high in sesame oil; 58.8% of total Z-isomers content and 78.3% of remaining lycopene. In particular, (5Z)-lycopene which has higher bioavailability and antioxidant capacity as well as greater storage stability among the Z-isomers was notably increased in that oil; approximately threefold higher than the average of the other vegetable oils.リコピン（Ｌｙｃｏｐｅｎｅ）は，トマトやスイカ，ピンクグレープフルー ツなどに含まれている赤い色素であり，天然に存在するカロテノイド化合物の 一種である。リコピンは，β－カロテン等の他のカロテノイド化合物と比較し， 抗酸化作用が大きいことが報告されており，動脈硬化や癌予防に効果があると して注目されている。リコピンは自然界ではほとんどがオールトランス体とし て存在しているが，ヒトの体内では一部シス化したシス体リコピンが豊富に存 在している。シス体リコピンはオールトランス体リコピンと比較して，抗酸化 能や体内吸収性が優れていることが報告されていることから，シス体リコピン を積極的に摂取することが好ましいと考えられている。よって，オールトラン ス体リコピンを効率的にシス化する手法の開発が求められる。 カロテノイドの異性化方法については，これまで熱，光，触媒を用いた方法 が報告されているが，そのほとんどがβ－カロテンやアスタキサンチンに関す る報告であり，リコピンに関する知見はほとんどない。そこで本研究では，上 述の方法を用いて，食品加工に利用可能かつ効率的にシス化できる条件の探索 と最適化を行うことを目的とした。また，リコピンの異性化に関する議論をよ り深化するために，異性化方法の開発に先んじて，オールトランス体リコピン の物理および化学的な基本特性の調査および天然由来ではこれまで同定された ことのない１５シス－リコピンの構造解析を行った。本論文は次の８章より構 成されている。 第１章は緒論で，リコピンの機能性や物理および化学的基本特性，異性化方 法に関するこれまでの研究発達過程と問題点について概説し，本研究の必要性 について述べた。 第２章では，トマトペーストからオールトランス体リコピンを高純度に単 離・精製する手法を開発し，ＤＳＣや，ＵＶ－ｖｉｓおよびＮＭＲを用いて， その物理および化学的特性を調査した。 第３章では，トマト由来オールトランス体リコピンを熱異性化して得られた シス体リコピン混合物より，天然由来ではこれまで同定されたことのない１５ シス－リコピンを高純度に単離・精製し，ＵＶ－ｖｉｓおよびＮＭＲを用いて キャラクタリゼーションした。上述に加えて，計算化学によりモノシス体リコ ピンのギブスエネルギーおよび活性化エネルギーを算出し，１５シス－リコピ ンの異性化反応の解析を行った。 第４章では，溶媒種および加熱が，トマト由来オールトランス体リコピンの 異性化に及ぼす影響を調査した。より正確に異性化特性を議論するために，生 成する主要な異性体である９シス－および１３シス－リコピンを単離・精製し， ＵＶ－ｖｉｓおよびＮＭＲを用いてキャラクタリゼーションを行った。オール トランス体リコピンは，クロロホルム，ジクロロメタン，ジブロモメタン中で 異性化が促進されることが明らかとなった。また，加熱により１３シス－リコ ピンが顕著に増加することを見出した。 第５章では，光増感剤の存在下で，トマト由来オールトランス体リコピンの 光異性化特性および最適異性化条件を調査した。光増感剤としてメチレンブル ー，クロロフィルａ，エリトロシン，ローズベンガルを用いると，オールトラ ンス体リコピンを効率的にシス化できることが明らかとなった。加えて，抗酸 化作用および体内吸収性の高い５シス－リコピンが顕著に増加することを見出 した。エリトロシンを用いてヘキサン中でリコピンを光異性化した場合に，最 もリコピンの分解を抑制しつつ，効率的にリコピンを異性化することができた。 第６章では，塩化鉄Ⅲを触媒として，トマト由来オールトランス体リコピン の異性化特性および最適異性化条件を調査した。塩化鉄Ⅲによるオールトラン ス体リコピンの異性化反応は，反応溶媒，リコピンと塩化鉄Ⅲのモル比，温度 に大きく影響することが明らかとなった。溶媒にアセトンを用い，リコピンと 塩化鉄Ⅲのモル比を１：０．０６にし，６０℃で反応を行う条件が最もリコピ ンの分解を抑制しつつ，効率的に異性化することができた。 第４章から第６章までは，有機溶媒もしくは食品添加物を用いたオールトラ ンス体リコピンの異性化方法について議論をしてきた。しかしながら，近年， それらを使用しないナチュラルな食品加工技術が求められる傾向にある。よっ て第７章では，有機溶媒や食品添加物フリーのオールトランス体リコピンの異 性化技術の開発について検討した。すなわち，様々な食用油中でオールトラン ス体リコピンを熱異性化し，最も異性化効率の良い油種の調査を行った。その 結果，ゴマ油中でリコピンを熱異性化した場合にもコピンの分解を抑制しつつ， 効率的にリコピンを異性化することができ，かつ機能性に優れる５シス－リコ ピンが顕著に増加することを見出した。 第８章は総括であり、本論文の研究成果を要約するとともに、今後のリコピ ン異性化研究の展望について述べた。