食品に含まれる機能性成分は、健康維持との関わりから注目を集めている。なかでもカロテノイドやポリフェノールは、抗酸化作用を示すことに加え、生活習慣病の予防や皮膚状態の改善への関与も報告されており、健康食品や化粧品の分野で広く利用されている^1,2)。

カロテノイドは、一般に分子内に長い共役二重結合系を有するため、多様なシス-トランス異性体を形成しうる。一方、ポリフェノールの中にも、カフェ酸やレスベラトロール、クルクミンのように、異性化可能な二重結合を有する化合物が存在する（図１）。

これらの化合物は、通常、天然ではトランス体が主要成分として存在しているため、これまで生理機能の評価は主としてトランス体を中心に行われてきた。しかし近年、特にカロテノイドを中心とした研究の進展により、異性体の違いは単なる構造上の差にとどまらず、体内吸収性や生理機能に加え、結晶性や溶解性といった物理化学的性質にも大きな影響を及ぼすことが明らかになってきた^3,4)。そのため、異性体ごとの特性を活かした素材の高付加価値化に加え、物性変化を利用した加工効率の改善といった応用研究にも関心が集まっている^3,5,6)。

一方で、シス体に着目した機能性や物性に関する研究は、いまだ十分に進んでいるとは言い難い。とくにポリフェノールでは、異性体ごとの性質に関する知見は限定的であり、機能性と物性の両面からの体系的な理解が求められている。筆者らも近年、カロテノイドやポリフェノールの異性体を扱う中で、異性化によって結晶性や溶解度が大きく変化し、ときに別の物質のように振る舞うことに驚かされるとともに、この現象に強い興味を抱いてきた。本稿では、カロテノイドとポリフェノールを中心に、異性体研究の最新動向を紹介し、異性化が機能性および物性に与える影響と、その応用可能性について述べる。

図１．代表的なカロテノイドとポリフェノールの化学構造
（色付きで示した二重結合部位は、理論上シス–トランス異性化が可能である）

カロテノイドは、果実や野菜、藻類、甲殻類などに広く存在する脂溶性の天然色素であり、一般にC40骨格をもつテルペノイドとして知られている。長い共役二重結合系を有することが大きな特徴であり、この構造は鮮やかな色調や抗酸化性をもたらす一方で、シス–トランス異性体の形成を可能にしている。

多くのカロテノイドは天然には主としてトランス体として存在し、これまで研究や産業利用も主としてトランス体を中心に進められてきた^3,4)。しかし、このトランス体には実用上の課題がある。トランス体は結晶性が高く、油脂や有機溶媒への溶解性や分散性が低いため、体内吸収性に乏しいだけでなく、抽出、乳化、微粒子化といった加工工程においても扱いにくい^5–7)。他方、トランス体を摂取した場合でも、体内ではシス体のカロテノイドが多く検出されることが知られている^8,9)。たとえばリコピンでは、生トマトやトマト加工品中では大部分がトランス体であるにもかかわらず、ヒト血中ではシス体が大きな割合を占める⁸⁾。こうしたことから、カロテノイドは吸収後に体内で一部がシス化している可能性が示唆されているが、その詳細な機構はいまだ十分には明らかになっていない⁹⁾。

近年、このシス体の価値を強く印象づけたのが、リコピンの体内吸収性に関する報告である。複数の研究により、シス体を豊富に含むリコピンは、一般的なトランス体優勢のリコピンに比べて体内吸収性が高く、ヒト試験では約8.5倍高い血漿中濃度が示された例も報告されている^10–12)。さらに筆者らは、アスタキサンチンについても、ラット、モルモット、ニジマスなどで、シス体の方がトランス体より高い吸収性を示すことを明らかにしてきた（図２）^13–15)。カロテノイド全般で一律に同じとは言い切れないものの、少なくともリコピン、ルテイン、アスタキサンチンでは、シス化が吸収性改善に有利に働くことが強く示唆されている。この理由の一つとして、異性化に伴う物性変化が挙げられる。トランス体のカロテノイドは高結晶性であるのに対し、シス体では結晶性が低下し、アモルファスに近い状態をとりやすくなる（図２）。その結果、油脂や各種溶媒への溶解性が大きく向上し、混合ミセルへの取り込みや小腸での吸収が起こりやすくなると考えられている。実際、シス化によってカロテノイドの溶解性が大幅に高まること、またそのことが抽出や製剤化にも有利に働くことが報告されている^3–6)。

さらに最近では、カロテノイド異性体の生理活性そのものにも関心が集まっている。抗酸化作用については、一重項酸素消去能ではトランス体が優れる一方、フリーラジカル消去活性ではシス体が高い傾向が報告されている^4,16)。ただし、異性体間の差は必ずしも大きいわけではなく、活性の種類によって相対的な優劣がみられると考えるのが妥当である。また、抗炎症作用、抗腫瘍活性、肌質改善に関わる指標では、シス体がトランス体を上回る結果も少なくない^16–18)。もっとも、これらの報告の多くはin vitroの基礎試験に基づくものであり、今後は動物試験やヒト試験による検証が必要である。

このように、シス体カロテノイドは、吸収性に優れ、加工面でも扱いやすく、生理活性についても少なくともトランス体に劣らない可能性が高い。食品や化粧品への応用はもちろん、効率的な色揚げや機能性付与が求められる飼料分野でも、その利用価値は大きいと考えられる。また、シス化による溶解性向上は、抽出効率の改善や製剤化の高効率化にもつながるため、カロテノイド素材の適用範囲拡大や低コスト化にも寄与しうる。

実用化を進めるうえで鍵となるのは、効率的で産業親和性の高い異性化技術の確立である。カロテノイドのトランス体は、加熱、光、触媒などによってシス化できることが知られているが^3,4)、食品用途や工業利用を考えると、添加剤を必要としない加熱法がもっとも現実的である。とくに、高温・短時間処理は異性化効率の向上と分解の抑制を両立しうる手法として有望であり、その実現手段として、連続処理にも適したフローリアクターの活用が期待されている¹⁹⁾。リコピンやアスタキサンチンでは、こうした条件でシス体比率を大きく高められることが示されており、今後はスケールアップと安定製造の両立が重要な課題になる。総じていえば、カロテノイドの異性体研究は、単なる構造化学の話にとどまらず、吸収性、生理活性、物性、加工性をつなぐ実用的な研究領域へと発展している。天然に多いトランス体をそのまま使うのではなく、シス体の特性を積極的に活かすという発想は、カロテノイド素材の新たな価値を画像引き出す有力な方向性といえるだろう。

図２．カロテノイドの異性化による物性と体内吸収性の変化：β-カロテンの結晶性の変化、リコピンのメタノールに対する溶解度の変化、アスタキサンチンの体内吸収性の変化（参考文献3、13より一部改変）

ポリフェノールの中にも、シス-トランス異性化が可能な二重結合を有する化合物が存在する。代表例としては、クマル酸、フェルラ酸、カフェ酸、レスベラトロールなどが挙げられ、これらは光照射などによって比較的容易にトランス体からシス体へ異性化することが知られている^20,21)。このような異性化現象そのものや、その反応機構については以前から報告されてきたが、カロテノイドの場合とは対照的に、体内吸収性の違いに着目した研究はほとんど行われていない。一方で、生理活性の差異については、限定的ながらいくつかの知見が蓄積されつつある。例えば、カフェ酸ではシス体の方がトランス体より高い抗酸化作用を示すことが報告されているのに対し、レスベラトロールではトランス体の方がシス体より高い抗腫瘍活性を示すことが報告されている^22,23)。このように、ポリフェノール異性体の生理活性は一律に論じられるものではなく、化合物の種類や評価項目によって異なる可能性がある。物理化学的性質についても、異性体間で融点や吸収スペクトルが変化することは一部のポリフェノールで報告されているが、結晶性や溶解度に関する知見はきわめて限られている。

したがって、ポリフェノールにおいても、カロテノイドと同様にシス体の素材化を目指すのであれば、吸収性や生理活性に加えて、物理化学的性質の観点からもさらなる検討が必要である。そのためには、効率的な異性化技術の確立に加え、シス体の生理活性や物理化学的性質を正確に評価するための高純度シス体試料の調製が不可欠である。筆者らの研究グループでは、すでに10種類近くのポリフェノールについて効率的な異性化技術を確立しており、さらに再結晶法とクロマトグラフィーを組み合わせることで、高純度シス体ポリフェノールの調製技術も確立している。例えば、カフェ酸やレスベラトロールでは、図３に示すように、純度99%以上のシス体を調製することが可能となっている。さらに筆者らは、いくつかのポリフェノールにおいて、トランス体とシス体で結晶性や溶解度が大きく異なること、また生理活性にも差がみられることを明らかにしている。こうした結果は、ポリフェノールにおいても、種類によってはシス体の方が素材として高い付加価値と加工適性をもつ可能性を示すものである。ポリフェノール異性体の研究は、現時点ではまだ端緒についたばかりであるが、今後の展開によっては、カロテノイドと同様に新たな素材設計の可能性を切り拓く分野になると期待される。ポリフェノール異性体に興味をお持ちの方には、今後の筆者らの研究にも注目していただければ幸いである。

図３．カフェ酸とレスベラトロールの異性化と精製

これまで、機能性成分のシス体は副次的に生じる成分として捉えられることが多かったが、近年は単離・精製技術や分析技術の進展により、その性質を個別に評価できるようになってきた。その結果、シス体は単なる副産物ではなく、独自の特性をもつ成分として認識されつつある。実際、前述のように、シス体カロテノイドでは、吸収性や加工適性の向上、生理活性の変化など、素材として注目すべき特徴が次々と明らかになってきた。ポリフェノールについても、研究例はまだ限られているものの、異性体間で生理活性や物理化学的性質が異なる可能性が示され始めている。現時点では、シス体を前面に掲げた健康食品や化粧品素材は多くないが、今後の研究の進展によって新たな展開が期待される分野である。

シス体のカロテノイドやポリフェノールの実用化に向けた課題としては、まず、効率的かつ産業親和性の高い異性化技術の確立が挙げられる。加えて、シス体のさらなる価値を明らかにしていくことも重要である。そのためには、吸収性や生理活性、物性といった多面的な評価を進めるとともに、ヒトを対象とした健康効果の実証試験へと研究を発展させていくことが求められる。また、安全性についても適切な視点が必要である。シス体のカロテノイドやポリフェノールは、食品中に少量ながら広く存在することから、一定の食経験を有しており、安全性を考える上で一つの根拠となる^24,25)。一方で、シス体を高濃度で摂取した場合の安全性に関する情報はまだ十分とはいえず、用途や摂取形態に応じた評価が今後必要になる可能性がある。

なお、本稿では主として、健康食品や化粧品における吸収性、生理活性、物性変化の向上という観点から異性化の意義を述べてきた。しかし、化合物の異性化が生み出す価値は、それだけにとどまらないかもしれない。例えば、異性化は色調の変化にも関わるため、色素素材における発色の制御や多様化につながる可能性がある。また、味や香りに影響を及ぼす化合物では、おいしさの設計という新たな視点をもたらすことも考えられる。カロテノイドとポリフェノールを足がかりとして進みつつあるこの研究領域が、今後さらに広がっていくことを期待したい。