虾青素的研究和开发进展.pdf

学术 论文集 虾青素的研究和开发进展 张慧徐公世 ( 青岛大学天然产物研究所青岛 2 6 6 0 7 1 ) 摘要 ：本文主要阐述 了虾青素的分 子结构 、理化性质 、生理功能、来源等方面，并对虾青素的研究 现状和 开发前景进行 了论述 。 关键词：虾青素，红法夫酵母，雨生红球藻 ，生理功能 Ad v a n c e o f a s t a x a n t h i n i n r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t ZHM G Hu i ， XU Go ng - s h i Na t u r a l p i g me n t i n s t i tut e o f Qi n g d a o Un i v e r s i t y Ab s t r a c t ： Th i s a r t i c l e e l u c i d a t e s ma i n l y mo l e c u l a r s t r u c t u r e ， p h y s i c a l a n d c h e mi c a l p r o p e r t i e s ， p h y s i o l o g i c a l a c t i o n a n d o r i g i n ， a l s o c a r r i e s o n d i s c u s s a b o u t r e s e arc h i n g s i t u a t i o n an d d e v e l o p i n g f o r e g r o u n d o f a s t a x a n t h i n Ke y wo r ds ： As t a xant h i n ， Ha e ma t o c c us Pl u v i a l i s ， Ph a ffia Rh o d o z y ma ， P h y s i o l o g i c a l a c t i o n 虾 青素 ( A s t a x a n t h i n )是生物 界 中分布广 泛的一种类胡萝 卜 素 ，特别是在水产动物的虾 、 蟹 、鱼和鸟类 的羽毛 中。呈粉红色 ，具有特殊 的着色功能，也能够 促进抗 体的产 生，增 强动 物 的免疫力 ，在抗氧化性 、清除 自由基 方面能 力强于 一 胡萝 卜 素 。因其特殊的着色功 能和生 理功能 ，近年来甚受 国内外研 究人员和水产养 殖 、化工 、轻工 、食品 、医药 、化妆品等行业 的关注 。 目前虾青素的产量远远 低于市场需求 量 ，尚不 能满足西欧主要经济鱼种鲑鱼养 殖 的 需要 ( 约十几亿元市场需求量 )。研 究虾青素 的生物来源 、提取方法 ，加快虾青素 的生产开 发，具有十分重要的意义 。 1 虾青素分子结构和性质 虾青素 ( As t a x a n t h i n )，化学名称为 3 ，3 一 二羟基一 4 ，4 一 二酮基一 B， B 一 胡萝 卜 素醇， 分子式为 C 4 o H O ，相对分子质量为 5 9 6 8 6 。化 学结构式如图 1 所示。 虾青素有两个手性 ( 或不对称 )中心 ，它们 是分子 中两瑞环结构的 C 一3和 C 一3 。一个手 H O 图 1 虾青素的分子结构式 OH 性中心可 以有两种构象，虾青素的两个手性碳原 子 C 一3 、C 一3 都能以及 R或 S的形式存在，这 样就有 3种立体异构体： 3 S 、 3 S ， 3 R 、 3 S和 3 R、 3 R。3 S 、3 S和 3 R、3 R异构体互为镜像 ( 对 映体)，每一对映体有着相反的旋光性，能使平 面偏振光向左或 向右旋转，3 R 、3 S无旋光性。 纯虾青素是紫色针状结晶体 ，有光泽，熔 点 2 1 6 ，不溶于水，易溶于二硫化碳 、丙酮 、苯 和氯仿等有机溶剂。粉红色，在酸、氧、高温及 紫外光条件下均不稳定，易氧化 降解 。氧化后的 产物为鲜艳的虾红素 ( a s t a c e n e )。 2 虾青素的生理功能 在虾青素分子 中，有很长 的共轭双键 ，有 2 0l 维普资讯 中国食品添加剂增刊 羟基和在共轭双键链末端 的不饱和酮 ，其 中羟 基和酮基又构成一羟基酮 。这些结构都具有 比 较活泼 的电子效应 ，能 向自由基提供 电子或吸 引 自由基末配对 电子，使其极 易与 自由基 反应 而清除 自由基 ，从而起 到抗氧化 作用 。虾青素 在淬灭活性氧的活性 ，清 除 自由基方面 能力比 B 一胡萝 卜 素高 1 0倍 以上，比维生素 E强百倍 以上 1。同时虾青素具有抑制脂质过氧化作用， 比维生素 E 的抑制脂质过氧化 反应特性高 1 O 0 倍 以上，能保护磷脂酰胆碱脂质免受氧化 ，具 有显著降低脂质过氧化物累积 的作用 2 。 虾青素具有独特 的着色功 能：能够促进抗体 的 产生 ，具有 极强的抗癌 作用 ，能有效地预 防肝 癌 、口腔肿瘤 、膀肮癌等肿瘤 的发生 ；还具有 增强免疫力等许 多重要 的生 理和生物学功 能， 诸如抑制抵御紫外线的作用 、代维生素 A活性 、 改善视力 、提高免疫力、促进色素 形成和 神经 连通 以及改善生育等 _ 5 。 3 虾青素的来源 3 1 化学合成 虾青素是类胡萝 卜 素的一种 ，由 B 一 胡萝 卜 素转变为虾青素需加上 2个酮基和羟基。人工化 学合成比较因难， 而且大多为顺式结构。 美国 F D A 仅批准反式结构的虾青素用 于水产养殖 的添加 剂。人工合成的反式虾青素价格 昂贵 ( 现 国际市 场价约 2 0 0 0美元 k g )，限制了其广泛应用。 目前 ，由于生物来源的虾青素含量还不够高，制 造成本很高，化学合成的虾青素仍具有一定的竞 争优势。 瑞士 F H o f f m a n n L o c h e公司已完成了全反 式虾青素的合成 ，并 已被批准使用 。瑞士罗氏公 司用化学合成法生产的虾青素 ，商品名为加丽素 粉红 ( C a r o p h y l l p i n k )，虾青素的含量为 5 一 1 0 。从文献上来看 ，虾青素化学合成的前体物 质为 ( S )一3 一 乙酸基一4 一氧代一9 一紫罗酮 。 这种前体物质经过反应，转化成十五个碳的维梯 希盐，最后有两个十五碳的维梯希盐同一个十个 碳的双醛反应合成虾青素。另外，德国 B AS F 公 司也在市场上销售化学合成 的虾青素产 品一露康 定粉红 ( L u c a n t i n p in k )，虾青素的含量为 1 0 以上这两种化学合成的虾青素主要作为鸡饲料和 2 0 2 水产饲料的着色添加剂。 3 2 生物来源 从生物体 内提取 的虾青素大 多为全反式 结 构，以游离态或酯的形式存在和应用。这种天然 虾青素具有安全无毒、环境友好、生物效价高等 特点，因此具有广阔的发展前景。生物来源的天 然虾青素主要有如下一些途径： ( 1 )从水产品和加工废弃物中提取虾青素 当前国外蟹虾加工工业每年有 1 0 0 0万吨的 甲壳纲水产品废弃物 ，用聚合剂提取系统可从中 提取虾青素 、虾青素酯和虾红素 ，其产率可达 1 5 3 mg g废弃物 。应 当指 出，废弃物 中的石灰质 会影响虾青素的产量，因此在提取时应尽量将其 除去。近年来，挪威等国采用青贮技术处理水产 废弃物，使回收率提高了 1 8 ，且纯度大大提高。 实践证明，在青贮过程中加入无机酸或有机酸 ， 会破坏虾青素与蛋白质或骨骼部分的结合，从而 增加虾青素的释放量。国内外的水产加工厂都在 采用该工艺的生产 ，但得率不甚理想。故此，有 些厂家为 了生产 甲壳素 ，而放弃 了虾青素的提 取 。 ( 2 )利用藻类生产虾青素 在许 多能产虾青素 的藻类 中 ，雨生红球藻 ( H a e m a t o C O C C U S P l u v i a l i s )是很重要的虾青素产 生菌 L 6 。曾被认为是一种很有 虾青素商业生产 前景的微藻。该藻类既能进行 自养，也能够进行 异养生活 。在培养过程中，若氮源缺乏，则在藻 体 内积累虾青素。目前，国外优 良的雨生红球藻 体中虾青素含量高达 0 2 一 2 ，一般约占类胡萝 卜 素总量的 9 0 以上。另外，具有耐高温，极端 p H，较快的生长速率和易在户外培养等优点，被 认为是一种极具潜力的用于虾青素大规模生产的 藻类。但藻类的 自养周期长，由于需要光明，生 产场所在一定程度上受到限制，并且藻类破壁释 放虾青素因难 。因此进 行大规模生产也 比较因 难。美国的夏威夷和澳大利亚有这种生产虾青素 的工厂，我 国近几年各地也在积极开发和推广这 种技术 。产品主要是含量 l 一 2 的藻粉形式， 并有 小部分 出 口。 ( 3 )利用细菌生产虾青素 已知有 2株能产生虾青素的细菌：乳酸分支 杆 菌( My c o h a c t e r i n m，L a c t i c o l a) ，只 在 烃 类 维普资讯 学术论文集 培养基上产 生虾青 素，而在营养琼脂上 不产虾 青素；另一菌株短杆菌1 0 3( B e v ib a c t e r i u m)在 石油里生长，发酵终 了时生物量为 3 g L，色素 量仅有 0 0 3 mg g 。考虑到烃类 发酵 的不利之处 和其较低 的产量 以及红法夫酵母 的可用性 ，未 来上述 2种细菌在生物技术上的应用看来是不 可能的。 ( 4 )红法夫酵母发酵生产虾青素 1 9 7 6年，A n d r e ws和 P h a f f等人在红法夫酵 母 ( P h a ffia R h o d o z y ma )中发现 了虾青素，这引 起 了人们 的极大的关注。之后许多生物技术公司 在对红法夫酵母的研究上作了相当的努力，并取 得了一定的进展 _ 7 J 。 红法夫酵母 于 I 9 7 0 年在美 国的阿拉斯加 的高 山和 日本北 海 道一 带 山区落 叶树 的渗 出 液 中分 离得 到 。后 经 鉴定 为担 子 菌 纲 的一个 新 属 ，并命 名 为红 法 夫酵 母属 ；红法 夫 酵母 在 担 子菌纲 中显得 比较 持 别 ，主 要表 现 在 它 能 够 发酵糖 类 ，并且 含有 虾青 素 。这不 同 于 其 它 红酵 母 的严 格 好氧 性 ，色素 主 要是 13一 胡萝 卜素或 是单 环 胡萝 卜素 。红法 夫 酵母 中 发现 虾 青素不 久 ，人 们 开始 研 究其 应 用 的可 行性 及 其对 生物 体色 素 形成 的影 响 ，并 获得 良好的效果；在其后 2 O余 年的研 究 中，人们 的研 究精力主要 放在如 下 3 个方面 ：菌种 的 改 良； 发酵 工 艺 的优 化 ；细 胞 内虾 青 素 的提 取 。 国外 己进行 工 业化 小 规模 生 产 。 国 内有 一些研 究机 构 在从 事这 方 面 的研 究和 小批 量 生产 ，如 浙 江工 业 大学 沈 寅初 院士主 持 的生物发酵所 。 3 3 分子 改造 以相近结构的天然类胡萝 b 素分子为底物， 采用分子修饰和分子改造的技术手段，实现虾青 素产品的生产。这种生产方法，具有原料价格低 廉、便于规模化大生产，制造成本低、分子构型 好等优点，因此前景十分可观 。青岛大学天然产 物研究所一直在进行这方面的研究和开发。 4 虾青素的应用前景 虾 青素是一种极具潜 力的添加剂 ，在保健 品、医药 、饲料 、水产养殖 、食 品工业 、日用 化 妆品等领域有着广 阔的前景 。可用于抗生物 过氧化剂 、抗癌剂 、预防动脉硬化及不育症、 传染病等有关疾病 ；作为抗衰老的医药和食品 保健 品；用于防治眼科疾病，近似维生素 A 的 特性 ，尤其对糖 尿病 眼病 的发病率有 明显 降低 效果 ，可作为治疗糖尿病的辅助药物 ；其还 能 防治神经科疾病 ，如早老性痴呆症 、帕金森 氏 症等 。虾青素还具有帮助人类倒时差的作用， 开发这种保健食 品，来解决乘飞机旅行的苦恼。 虾青 素作为脂溶性色素 ，具有艳丽 的红色和很 强抗氧 化性能。在食 品工业 中，不仅能有效地 起 到保鲜 、保色 、保味 、保质等作用 ，而又能 为多类 食品着色，增加食 品的着 色美感 。在化 妆品中 ，用虾青 素复配 ，不仅可 作为抗衰老 、 防晒的化妆品，同时还可作为如唇膏、 口红等 着色剂 。用虾青 素作水产品饵 料能提 高水生动 物 的免疫力 、提高成活率 ，对于长期困扰养殖 业经营者 的养殖品经常病死 问题 ，喂 以含有虾 青素 的饵料是解决 的方法之一 。另外，水生动 物进食含有虾青素的饵料后 ，会将虾 青素富集 在皮肤 、 肉等组织 中，使它们 的皮肤 、肉加深 色泽，有 利于销售 ，而他们 的营养价值也 因虾 青素的含 量增加而增加 。虾青 素用于禽畜饲料 可提 高禽畜的免疫 力和 消炎能力，增强生育能 力，提高禽畜产蛋率 8 ：而且会将虾青素富 集在卵中 ，这样 不仅蛋黄 的颜色变深 ，蛋 的营 养价值 也大幅度提 高。另外 ，天然 的虾青素无 霉、无害、无毒，不会造成环 境污染 ，是一种 绿色添加剂，具有广阔的市场前景 。目前美国、 加拿大 、欧盟等许多生物 技术公司致 力于 开发 生产这类产品 ，但还远远不能满足市场 需求 ， 故价格很高 。因此，加速虾 青素产 品的研制 开 发 ，对于生产高档水产品、禽蛋 ，增 强其 国际 竞争力 ，有十分重要的意义。 5 结论 综上所述，虾青素是一种具有生物活性的类 胡萝 卜 素产品，应用前景十分广阔。但随着人类 生活水平 的提高和对食品安全的重视，天然活性 的虾青素将占据主要的世界市场 。所 以，开发 以 植物 资源 、海藻 资源为原料生产 的虾 青素意义 重大，经济效益和社会效益可观 。 ( 下转 2 0 5页 ) 2 0 3 维普资讯 学术论文集 码、传真号码、电邮址。 2 )送出食品的种类，须注 明品牌和小类。 3 )送 出 日期 。 4 )制造、加工或包装商须有食品批号。 5 )数量及包装形式。 6 )承运人的企业名称、地址、 电话号码、 传真号码、电邮址 。 此外 ，记录建立与保存法规还要求在可能范 围内，厂商必须记录每一批产品所用的每一个配 料的来源。由于该要求引起企业广泛质疑，F D A 宣称将另行颁发指导文件。 对于专业运输商，F D A 提供五种记录模式以 供选择 。其一如下： 1 )直接供货人和直接收货人的名称。 2 )运输起点和终点。 3 )收货日和交货日。 4 )件数。 5 )何种货物。 6 )运输路线。 7 )中转点。 由于许 多企业的质量管理系统 已经 在产品 和原料追踪环节里包含 了一些新法规所要求的 资料，为减轻企业负担 ，F D A 同意如果企业 已 有相 当的记录系统 ，就不需另立专 门档案 。对 于这些企业 ，新法规预计不会对其生产成本产 生 明显 影响 。 记录保存 记录建立与保存法规规 定上述记录 必须在 食 品收 到或送 出的同时建立 。记录建立 以后 ， 其保存 期对于非专业运输商为 白建立之 目起的 六个月至二年 ，对于专业运输商为 白建立之 日 起 的六个月至一年 ，视 产品保质期而定。F D A 有权在任何时候调 阅这些记录 ，企业必须在收 到 调 阅通 知 的二 十 四小 时 内提 供 全 部被 调 资 料 。 不服从法规的企业可受到民事或刑事处分。 所有大 中型企业必须在 2 0 0 5年十二月九 日 之前全面执行记录建立与保存法规。小企业另有 六个月的延长期。极小企业 ( 十个或以下全职员 工 )再加六 个月 。 随着记录建立与保存法规的公布，F D A 完成 了它的反生物恐怖新建措施的最后一步 。这三条 法规令 F DA 能掌握所有与在美国市场消费的食品 有关企业的情况 ( 企业登记法规 ) ，每一批进口食 品的来源和入境时问 ( 进 口食品预先通报法规 ) ， 以及每一批食品包括其原料的流通情况 ( 记录建 立与保存法规 ) 。可以想见，如果这些法规得以有 效执行，当对美国的食品安全起到进一步的促进 作用。 ( 上接 2 0 3页 ) 参 考 文 献 1 Na g u i b Y M AAn t i o x i d a n t a c t i v i t i e s o f a s t a x a n t hi n a n d r e l a t e d c a r o t e n o i d s E J J A g r i c F o o d C h e m，2 0 0 0 ， 4 8 ： l l 5 0 2 M i k i W Bi o l o g i c a l f un c t i o n s a n d a c t i v i t i e s o f a n i ma l c a r o t e n o d s J P u r e &A p p 1 C h e m 1 9 9 1 ， ( 6 3 ) ： 1 4 1 1 4 6 3 wo o d a l l AA Br i t t o n GJ a c k s o n M J Ca r o t e n o i d s a n d p r o t e c t i o n o f p h o s p h o 1 i p i d i n S O 1 u t i o n o r i n 1 i p o s o m e s a g a i n s t o x i d a t i o n b y p e r o x y l r a d i c a l s J Bi o c h e m Bi o p h y s Ac t a 1 9 9 7 ( 3) ：5 7 8 5 8 6 4 Na k a g a wa Ka n g S DP a r k D K e t a 1 I n hi b i t i o n o f P Ca r o t e n e a n d a s t a x a n t h i n o f NADP H 。_ d e p e n d e n t mi c r o s o ma I p h o s p h o l i p i d p e r o x d a t i o n J J N u t r S c i Vi t a mi n o 1 1 9 9 7，4 3 ( 3 ) ： 3 4 5 3 5 5 5 N i s h i n o H C a n c e r p r e v e n t i o n b y c a r o t e n o i d s J Mu t a t Re s 1 9 9 8，4 0 ( 2) ： l 5 9 - 一l 6 3 6Or o s e M ， Va l e r o J F，He r r e r o C，e t a 1 ， Co mp a r i s o n o ft h e a o c u mu l a t i o n o f a s a x a n t h i n i n Ha e ma t o c c u s p l u v i a l i s a n d o t h e g r e e n mi c r o a l g 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