（海洋生物学专业论文）海洋红酵母产类胡萝卜素的研究.pdf

海洋红酵母菌产类胡萝h 素的研究 海洋红酵母产类胡萝b 素的研究 摘要 类胡萝h 素( c a r o t e n o i d s ) 是自然界中广泛存在的色素，在动植物和微生物 中均有存在，但动物自身不能合成，只能通过摄食获取。类胡萝h 素具有抗氧化 的作用，可保护细胞免受氧化性损伤。由于其在食品、化妆品及疾病防治方面具 有广泛的应用，近年来引起人们的很大关注。现在许多人正致力于用廉价的方法 生产类胡萝h 素。 微生物发酵法生产类胡萝b 素是较为经济的方法。据报道，在产生类胡萝h 索的微生物中，红酵母具有营养要求简单，发酵周期短，菌体营养丰富等优点， 因此具有开发前景。本试验室研究发现，红酵母r h o d o t o r u as p h i d a i 在y p d 培养基中经过5 天发酵，类胡萝b 素产量可达1 2 4 3 a g g ，这说明红酵母可用来 生产类胡萝h 素。 本论文通过对红酵母菌株r h o d o t o r u l as p h i d a i 进行一系列的紫外线、 e m s 、n t g 诱变作用，得到一株类胡萝h 素高产突变株m m ，其在y p d 培养基中生 长良好。 通过一系列的摇瓶发酵试验研究了突变株m m 生产类胡萝h 素的最佳条件。 这些条件包括：碳源及其浓度、氮源及其浓度、m g s 0 4 、培养基初始p h 、培养温 度、装液量。结果发现其生产类胡萝b 素的最佳条件是：蔗糖4 0 9 1 、酵母粉 1 5 9 1 、m g s o 。l g 1 、培养基初始p h 6 0 、温度3 0 。c 、装液量2 0 m 1 2 5 0 m 1 三角瓶。 通过对突变株m m 和野生型菌株r h o d o t o r u l as p h jd a i 进行的摇瓶发酵试 验，发现在最佳条件下经5 天发酵，突变株的类胡萝h 素产量比野生型菌株高出 3 倍多，最终产量是4 4 8 3 1 - t g g ，而野生型菌株的产量是1 2 4 6 9 9 g 。另外，还比 较了发酵过程中这两种菌株的细胞生物量变化情况。 如果将突变株用于类胡萝h 素的大规模生产，有些条件尚需进一步研究和改 进，因为这种培养基中所用到的酵母粉价格昂贵，作为原料是不经济的。 在类胡萝b 素的提取上，本论文采用d m s o ( 二甲基亚砜) 和无水乙醚进行菌 海洋红酵母菌产类胡萝b 素的研究 体中色素的提取，试验证实用这种方法是便捷有效的。提取液经过进一步的分离 纯化，得到的类胡萝h 素样品经过紫外扫描的图谱与s i g m a 公司的胡萝h 素标准 品较为一致，具有较高的纯度。 关键词：类胡萝h 素，红酵母，诱变，条件优化，提取纯化 i 海洋红酵母菌产类胡萝索的研究 i n v e s t i g a t i o n o nc a r o t e n o i d sf r o mm a r i n e a b s t r a c t c a r o t e n o i d sa r ew i d e s p r e a di nn a t u r ea n da r et y p i c a l l ys e e na s p i g m e n t si na n i m a l s ，p l a n t sa n dm i c r o o r g a n i s m s ，b u ta r en o ts y n t h e s i z e d i na n i m a l sw h i c hr e l yo nt h ed i e t c a r o t e n o i d sc a nf u n c t i o na s a n a n t i o x i d a n t ，p r o t e c t i n gc e 1sf r o mo x i d a n th a r m f u le f f e c t s o v e rr e c e n t y e a r st h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ti nc a r o t e n o i d sf o rt h e i ru s e a sf o o dc o l o r a n t s ，n u t r it i o n a s u p p l e m e n t sa n df o rc o s m e t i ca n d p h a r m a c e u t i c a lp u r p o s e s ，e s p e c i a l lyw i t hr e s p e c tt ot h e i rp o t e n t i a li n a l l e v i a t i n ga g e r e l a t e dd i s e a s e sinh u m a n s t h e r e f o r e m u c ha t t e n t i o nh a s b e e na t t r a c t e dt oi n e x p e n s i v em e a n sf o rp r o d u c i n gc a r o t e n o i d s c a r o t e n o ic l sc a nb ee c o n o m j c a l l yp r o d u c e db ym ic r o b i a 】f e r m e n t a t i o n 1 ti sr e p o r t e dt h a ta m o n gt h em i c r o o r g a n is m st h a ta r ec a p a b l eo fp r o d u c i n g c a r o t e n o i d s ，r h o d o t o r u ah a sg r e a tp o t e n t i a li nc a r o t e n e i dp r o d u c t i o n c o n s i d e r i n gi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p len u t r it i o n a ln e e d ，s h o r t f e r m e n t a t i o nc y c l e ，r ic hn u t r i t i o njnc e l l s i nt h e p r e s e n ts t u d y ， c a r o t e n o i dy i e l do fr h o d o t o r u as p 1 l i d a iw a se x a m i n e da n da b o u t1 2 4 3 g c a r o t e n o i djnt h ey e a s tc e l ls ( c e 1d r yw e i g h t ) w a so b s e r v e dw i t h in5 - d a y o ff e r m e n t a t i o n i tw a ss h o w nt h a tr h o d o t o r u l as p h i d a ic a nb eap r o d u c e r -t 0 fc a r o t e n o i d b yas e r i e s0 fm u t a g e n e s i so f u v ，e m sa n dn t g ，o n em u t a n t ( m u t a n tm m ) w i t hah i g hc a r o t e n o i dy i e l dw a sjs o l a t e d i tg r e ww e l liny p dm e d i u m t h u s ，i tw a sc o n f i r m e dt h a tt h ec a r o t e n o i dp r o d u c t i o nw a si n d e e de n h a n c e d i nt h em u t a n ts t r a i n as e r i a lo fe x p e r i m e n t si ns h a k i n gf l a s k sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e 海洋红酵母苗产类胡萝卜_ 察的研究 t h eo p t i m a lc u l t i v a t i o nc o n d i t i o n sf o rc a r o t e n o i dp r o d u c t i o n b yt h e m u t a n ts t r a i n t h e s ec o n d i t i o n si n c l u d e d ：c a r b o ns o u r c ea n di t s c o n c e n t r a t i o n ，n i t r o g e ns o u r c ea n di t sc o n c e n t r a t i o n ，m g s o bp ho ft h e m e d i u m ，c u l t i v a t i o nt e m p e r a t u r ea n dv o l u m eo fi i q u i dm e d i u mi n2 5 0 m if l a s k i nt h i s s t u d y ，w ef o u n dt h a tt h eo p t i m a lc u l t i v a t i o nc o n d i t i o n s f o r c a r o t e n o i dp r o d u c t i o ni nt h es h a k i n g2 5 0 m lf l a s kw e r e ，s u c r o s e4 0 9 l ， y e a s te x t r a c t1 5 9 1 ，m g s o dl g l ，p h6 0 o ft h em e d i u m ，3 0 o ft h e t e m p e r a t u r e ，2 0 m lo fl i q u i dm e d i u mi n2 5 0 m lf l a s k i nf e r m e n t a t i o ne x p e r i m e n t s ，c a r o t e n o i dy i e l do ft h em u t a n tw a st h r e e t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fi t sw i i dt y p ew h e nt h ef e r m e n t a t i o nw a sc a r r i e d o u tu n d e rt h eo p t i m a lc u l t i v a t i o nc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，t h ec h a n g e s o ft h ea m o u n to fc e l lb i o m a s s ( c e l ld r yw e i g h t ) o ft h em u t a n ta n di t sw i l d t y p ed u r i n gt h e5 - d a yf e r m e n t a t i o nw e r es h o w ni n t h i sp a p e r h o w e v e r ，t h eo p t i m a lm e d i u ms t i l l n e e d ss o m ei m p r o v e m e n ti n a l a r g e s c a l ep r o d u c t i o nb e c a u s eo ft h ep r i c eo fy e a s te x t r a c tu s e di nt h e m e d i u m i nt h i ss t u d y ，d m s o ( d i m e t h y ls u l f o x i d e ) a n de t h e ra b s o l u t ew e r eu s e d t oe x t r a c tc a r o t e n o i df r o mt h ec e l l so ft h em u t a n t i tw a sf o u n dt h a t c a r o t e n o i de x t r a c t i o nb yd m s ow a sm o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n tt h a nt h a t b yo t h e rm e a n s a f t e rp u r i f i c a t i o n ，t h ec a r o t e n o i do b t a i n e dw a si d e n t i c a l t os t a n d a r d b c a r o t e n ef r o ms i g m ab a s e do nt h ea n a l y s i so fu v s c a n n i n g k e yw o r d ：c a r o t e n o i d ：l ? h o d o o r u l a ；m u t a g e n e s i s ：o p t i m a lc o n d i t i o n ： e x t r a c t i o n 4 类胡萝h 素是一类橙黄色、橙红色或红色的多烯类化合物。它是自然界中存 在最广泛的色素( r o c ke ta 1 ，1 9 9 6 ) ，据估计每年有l 亿吨的产量。类胡萝h 素 存在于所有的光合生物中，使水果和花呈现黄色或红色。许多鸟类、昆虫以及海 洋中的生物由于饮食中摄入了类胡萝h 素，也使其体表呈现特有的色泽。 从商业上讲，类胡萝h 素可用作食品着色剂、营养添加剂及保健食品功能因 子( e u g i e n ae ta 1 ，1 9 9 7 ) ，被国际权威机构世界粮食组织( f a o ) 和世界卫生组 织( w h o ) 认定为a 类营养色素，向全世界推荐，用于黄油、干酪、蛋黄酱等原 来含有类胡萝h 素食品的调色等的食品领域以及化妆品领域。据报道，人类对它 的需求近年来呈直线上升，美国市场年增长率在1 0 一1 5 以上。2 0 0 0 年世界市场 用于食品、化妆品方面的口一类胡萝h 素已达1 3 亿美元，其纯的天然制品售价 已达2 0 0 0 美元k g ，预计到2 0 0 5 年世界市场用于此方面的支出将达9 3 5 亿美元 ( p a u ld e ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 动物和人体内不能合成类胡萝h 素，只能依赖饮食从外界摄入。在目前已发 现的6 0 0 多种类胡萝h 素中，可被人体吸收利用的有6 0 余种( d ep e ee t a 1 ，1 9 9 5 ) 。一类胡萝h 素是人类食物中已被发现的活性最大的一种类胡萝b 素 ( o l s o na n dj a ，1 9 9 6 ) ，类胡萝h 素的抗氧化性可以有效保护细胞中各种生物 大分子不受自由基损伤，从而维持细胞正常生命代谢，防止机体衰老，预防、延 缓和治疗某些疾病，尤其是癌症( a l b a n e se ta 1 ，1 9 9 6 ) ，同时也可以提高机体 的免疫功能( o m e n ne ta 1 ，1 9 9 6 ) 。美国药品和食品管理局( f d a ) 确认本产品安 全，1 9 9 0 年被正式载入美国药典，重点用于维生素a 缺乏症和癌症、心血管病 的防治。 类胡萝h 素引起人们的广泛关注和兴趣，科学家对其研究也十分活跃，开展 了大量工作，并取得了一定进展。目前，编码类胡萝h 素合成的大多数基因已被 克隆出来，对类胡萝h 素形成的调控机制也有了更深入的认识( p a u ld e t a l ，2 0 0 4 ) 。总之，这些研究进展为我们提高生物和食品中的类胡萝h 素的含量水 平开辟了道路。 海洋红酵母苗产类胡萝h 紊的研究 1 类胡萝卜素的理化性质及其分布 1 - 1 类胡萝卜素的结构、性状、理化性质概述 类胡萝h 素是多烯类化合物，一般由8 个异戊二烯单位彼此连接而成，所以 连接单位在分子中央是反式分布的。类胡萝h 素分子最明显的特点是具有的长多 烯链，其长度决定了该分子的吸收光谱，从而决定了它在人眼中的颜色( n o v o t n y e ta 1 ，1 9 9 5 ) 。这都是由于类胡萝h 素具有7 种不同的末端结构，碳骨架的环化 发生在分子的一端或两端，此外，还有一些链延伸或降解的修饰。 一胡萝h 素( 一c a r o t e n e ) 分子式c 4 0 h 5 6 ，分子量5 3 6 8 8 ，是含有4 0 个碳原子的碳氢化合物，两端各有一个紫罗兰酮环，中间由一条含有多个共轭双 键的直链连接。 性状：深红紫至暗红色，有光泽的斜方六面体或结晶性粉状。无臭无味，稀 溶液呈橙黄色至黄色，浓度增大时带橙色，因溶剂极性不同可能稍带红色。遇氧、 热及光不稳定，在弱碱情况下较稳定，不溶于水、丙二醇、甘油、酸和碱，溶于 二硫化碳、苯、氯仿、己烷及植物油，几乎不溶于甲醇和乙醇，溶点1 7 6 1 8 2 。c 。 p 一胡萝h 素是共轭双键化合物，在紫外光谱中有3 个吸收峰( 4 5 5 n m 、4 8 3 n m 、 3 4 0 n m ) 。在分析测定中用爿。，a 。，a 。，a 。，的比值来控制一类胡萝h 素的 顺式异构体及类胡萝h 素。 一胡萝h 素是两边反向对称的化学结构，分子结构中包含两个一紫罗兰酮 环和四个异戊二烯 c h 2 = c ( c h 3 ) 一c h = c h 2 。属于类胡萝h 素类碳氢化合物的除口一 胡萝h 素以外还有口一，一胡萝h 素、玉米质黄、番茄红素、叶黄素等。它们的 结构差别只是在环的结构一h 。 维生素a 的环结构与一胡萝h 素的两个环结构相同，因此一分子一胡萝p 素可以加水断裂为2 分子的维生素a ( w a n ge ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 胡萝h 素有各种顺反不同的立体构型。天然产品中以一胡萝h 素为主， 还含有口一，一，占一等异构体。其中一胡萝h 素几乎全部为反式，也可稍含一 些顺式( y o ue ta 1 1 9 9 6 ) 。 海洋红酵母苗产类胡萝b 紊的研究 人体摄入口一胡萝h 素后，在肠道内通过一个氧化酶催化加水分解反应，断 裂为两分子的维生素a ( 全反式维生素a ) ( g a z i a n oe ta 1 ，1 9 9 5 ) 。不同类胡萝b 素转化为维生素a 的效率并不一致，假定一胡萝b 素转化为维生素a 的有效率 为1 0 0 ，则口一胡萝b 素的有效率为5 3 ，y 一胡萝h 素为2 8 ( e r d m a ne t a 1 1 9 9 6 ) 。 1 2 类胡萝卜素在不同微生物中的分布 类胡萝b 素普遍存在于真菌、细菌和藻类中。 1 2 1 光合细菌 光合细菌是一类具有原始光能合成体系的原核生物。类胡萝b 素是其第2 大 类色素系统。迄今，光合细菌合成的类胡萝b 素已超过8 0 种，也是研究最多的产生 类胡萝b 素的微生物类群。主要有：着色细菌属、网硫菌属、可变杆菌、板硫菌 属、荚硫菌属、红杆菌属、硫螺旋菌属、外硫螺旋菌属、红微菌属、红环菌、红 球菌属、红杆菌属、突柄绿菌属、绿蔓生菌属、红螺菌属、红假单胞菌属、绿菌 属、暗网菌属、绿曲菌属、日光线菌属、颤绿属等。 1 2 2 非光合细菌 非光合细菌中某些葡萄球菌能产生c 。的类胡萝b 素：黄杆菌能产生c 。、c 。 的类胡萝b 素，有资料表l 虬迄今c 。和c 。类胡萝b 素还只限于非光合细菌之中。能 产类胡萝b 素的非光合细菌有：黄杆菌、薇球菌、屈挠杆菌、大腐败螺旋菌、草 分枝杆菌、金黄葡萄球菌、橙色八叠球菌、藤黄八叠球菌、捧状杆菌、橙色粘球 菌、尖粒杆粘菌、聚生堆囊菌等。 1 2 3 真菌 不同类型真菌合成的类胡萝b 素种类差别较大。酵母和霉菌中的些种类合 成类胡萝b 素的能力备受关注，成为工业发酵生产的选择对象。如用深红酵母合 海洋红酵母菌产类胡萝h 素的研究 成红酵母红素、鼻一胡萝h 素和红酵母烯，红酵母合成虾黄素、b 一胡萝h 素和番 茄红素。此外，三孢布拉霉和布拉克须霉合成b 一胡萝h 素的能力都比较强。能产 生类胡萝h 素的真菌有：爪哇异小霉、三孢布拉霉、布拉克须霉、粗糙脉孢霉、 锁掷酵母、掷孢酵母、红酵母属、土生假丝酵母、弯假丝酵母、白球拟酵母、火 丝菌、爪笄霉、绯红盘菌、黑附球菌、粉瘤菌、橙黄网孢盘菌、禾柄锈菌、千里 光鞘锈菌、歪盘菌属、水生镰孢等。 1 2 4 藻类 类胡萝h 素广泛存在于不同藻类之中。其中以b 一胡萝h 素最为普遍。产类 胡萝p 素的藻类主要有：色球藻目、色球藻科、隐杆藻属、点形平裂藻、铜绿微 囊藻、聚球藻属、细长聚球藻、念珠藻目、颤藻科、节旋藻属、沼地微鞘藻、具 鞘微鞘藻、阿氏颤藻、悦目颤藻、泥生颤藻、地木耳、念珠藻属、伪枝藻科、小 单歧藻、巨颤藻、红色颤藻、细弱颤藻、坑形席藻、层理席藻、浅黄席藻、伊朗 席藻、巨大螺旋藻、钝顶螺旋藻、念珠藻科、柱孢鱼腥藻、水华鱼腥藻、多变鱼 腥藻、水华束丝藻、佛氏绿胶藻、筒孢藻属、胶须藻科、墙壁眉藻、真枝藻目、 鞭枝藻等。 利用微生物生产类胡萝h 素是获得生物资源型类胡萝h 素的最重要的途径， 这一点早已引起人们的注意，对其生产菌株及工艺进行了广泛的研究( 范永仙， 许尧兴，2 0 0 4 ) 。 2 类胡萝卜素的生物合成代谢 二十世纪五六十年代，通过经典生化手段的应用，以及对合成途径中的某些 步骤用特定的抑制剂和突变物进行阻断的方法，研究清楚了类胡萝h 素形成的生 化合成路径。到了7 0 年代初期，又研究出可以进行生物合成酶方面研究的体外系 统。但令人遗憾的是，酶操作过程中的实际难度经常使酶的纯化操作无法进行。 现代分子遗传技术的出现推动了基因分离技术的发展( a r m s t r o n gg a ，1 9 9 7 ) ，从 而完成了体内基因功能的确定( h i r s c h b e r gje ta 1 ，1 9 9 7 ：m i s a w a ，1 9 9 7 ) 及重组 酶的鉴定( h i r s c h b e r gj ，1 9 9 8 ) ，并培育出转基因作物( c l a u d i a s c h m i d t d a n n e r t ，2 0 0 0 ；g e r h a r ds a n d m a n n ，2 0 0 1 ) 。这些研究加深了我们对类 堡竺兰墅! 苎釜竺兰! 至型竺塾 胡萝h 素生物合成( b r i t t o ng ，1 9 9 8 ) 及其过程调控方面( c u n n i n g h a mf x ，g a n t t e ，1 9 9 8 ) 的认识。这一部分将重点讨论类胡萝h 素的生物合成过程。 类胡萝h 素最初是由三分子的乙酰辅酶a 缩合成3 一甲基一3 ，5 一二羟基戊酸 ( 甲瓦龙酸m v am e v a l o n i ca c i d ) ，在酶的作用下磷酸化形成焦磷酸酯。脱羧后 形成异戊二烯焦磷酸。再由二分子的异戊二烯焦磷酸缩合成栊牛儿焦磷酸 ( g p p ，g e r a n y lp y r o p h o s p h a t e ) 。g p p 与二分子异戊二烯焦磷酸依次缩合成法呢 ( 基) 焦磷酸( f a r n e s y lp y r o p h o s p h a t e ) 的栊牛儿栊牛儿焦磷酸( g g p p ) ，二分 子的g g p p 缩合成有4 0 个碳的八氢番茄红素( p h y t o e n e ) ，最后逐步脱氢环化形成 一类胡萝h 素( 赵文厣一，2 0 0 4 ；陈选阳等，2 0 0 3 ；韩利军等，2 0 0 2 ) 。详见 ， 图卜l ( 王岁楼，张平之，2 0 0 0 ) ： 乙酰c o a l 2 + 乙酰乙酰c o a l 乙酰c o a i 异鹰二烯焦磷酸( i p p ) 2 y ，y 二甲基丽 j 栊牛儿焦磷酸( g p f 法晶基焦磷酸 i 2 h 六氢番茄红素 t 一胡萝卜素 t 脉胞素 海洋红酵母菌产类胡萝b 素的研究 2 h ，环化 7 一胡萝b 素 环化 p 一胡萝b 素 图i - i d 一胡萝b 素的生物合成 3 类胡萝卜素的生理功能及应用 大量摄取各种类胡萝b 素，有益于人类的健康，可延缓机体的衰老。这主要 是由于它们具有维生素a 原的功能，能高效猝灭自由基，能作为抗氧化剂以防止 自由基对一些重要细胞成分的破坏( e d g er e ta l ，1 9 9 7 ) 。长期以来，类胡萝b 素被成功地用来医治生血性原卟淋症以及其他光敏感疾病。因此，类胡萝b 素具 有重要的生理功能，与人类的健康有着密切的关系，它们正越来越受到人们的 关注。 3 1 类胡萝卜素的生理功能 3 1 1 类胡萝卜素与维生素a b 一胡萝b 素是类胡萝b 素家族中的一员，从理论上说，b 一胡萝b 素可分裂 形成两分子的维生素a ，而且人体中的b 一胡萝b 素主要存在于血浆中，过多的b 一胡萝h 素可以贮存在肝脏中( n o v o t n y ，1 9 9 5 ) ，根据需要转化为维生素a ，不会因 维生素a 过量而产生毒害。b 一胡萝b 素被认为是人体必需的，无毒的维生素 ( 0 ，f r a s e ra n d5 i 8 r a m l e y ，2 0 0 4 ) 。 在类胡萝p 素中，b 胡萝h 素的转换率最高，且在食物中含量最丰富，故 它是人体维生素a 的主要来源( o l s o nj a ，1 9 9 6 ) 。在视网膜中，维生素a 氧化 成视黄醛，再与视蛋白结合成视紫红质，当视紫红质受到光子照射后，视黄醛变 成全反式视黄醛，使视蛋白立体构型改变释出钙离子，产生电压波动，这种电位 差变化可刺激视神经传入脑中发生光感( g a z i a n oe ta 1 ，1 9 9 5 ) 。此外，维生素 a 是合成糖蛋白的载体，糖蛋白是细胞的重要结构物质，尤其是上皮细胞，如果 海洋红酵母菌产类胡萝h 素的研究 缺少糖蛋白，将对眼、呼吸道、消化道、泌尿道及生殖器官产生影响。免疫球蛋 白也是一种糖蛋白，维生素a 缺乏将会影响抗体的形成。因此维生素a 对保证正 常的生长发育及抗感染有重要作用( 韩雅珊，1 9 9 9 ) 。 3 1 2 抗氧化作用 在人体新陈代谢过程中在受到强烈的紫外线照射后会产生活性氧，活性氧具 有不稳定性和高能水平，它可将能量迅速传递到其它分子而产生自由基。自由基 含有不对称电子，它作用于细胞膜及d n a 的双键导致细胞突变、死亡( d i p l i c k a 丁1 9 9 5 ) 。 类胡萝h 素分子结构中含有多个共轭双键，能传递高能量从而使活性氧变 成稳定的氧分子，减少自由基对细胞遗传物质( d n a ，r n a ) 损伤，单线态氧和羟自 由基能使d n a 的双链断裂( r o c ke ta 1 ，1 9 9 6 ) 。如果基因物质的损伤长时间不能修复 会导致癌细胞生成。现已知1 分子b 一胡萝h 索可抑$ , 1 1 0 0 0 个分子的活性氧。除 了能消除活性氧以外，b 一胡萝h 素还可作为一种弱氧化剂直接与自由基反应， 阻止自由基的连锁反应，从而减少它对细胞的损伤。许多研究表明，在机体衰老、 患病及炎症过程中，体内自由基增加，而类胡萝h 素能抑制自由基的产生，可以延 缓衰老和预防癌症( e d g e 亿e ta l ，1 9 9 7 ) 。 3 1 3 能增强机体的免疫作用 b 胡萝h 素能调节与免疫调节及炎症反应有关的脂质过氧化酶。青年男性 服用高剂量天然类胡萝h 素( 1 8 m g d ) 1 4 天后，其血循环中辅助性t 淋巴细胞明显 增加。由于这类细胞是艾滋病病毒感染和攻击的靶细胞，因此，b 一胡萝h 素已 用于辅助治疗艾滋病( t a n ge la 1 ，1 9 9 6 ) 。b e n d i c h 指出，类胡萝h 素有以下作 用：能增强免疫系统中b 细胞的活力，b 细胞能在机体内循环，使机体能消灭外 界入侵的病原体；能提高c d 4 细胞的能力，协助b 淋巴细胞产生抗体，并提高其 它免疫组分的活性：能增加嗜中性粒细胞的数目，它可以包围细菌，分泌降解 细菌的各种酶类：增加各种自然杀伤细胞( nk ) 的数目，以消除机体内被感染 的细胞或癌细胞( b e n d i c he ta l ，1 9 9 3 ) 。 海洋红酵母菌产类胡萝h 索的研究 3 1 - 4 具有良好的抗癌作用 天然的b 一胡萝b 素有很好的抗染色体畸变作用。1 3 一胡萝h 素的抗癌机制主 要有以下几种：转化为视黄醇而起作用；增强免疫作用来抗癌( a l b a n e se ta 1 ， 1 9 9 6 ) 。b e r t r a m 等发现，1 3 一胡萝b 素和其它类胡萝b 素可加强细胞间的交流能 力，从而抑制或降低癌症的发生和发展( b e t t r a me ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 3 1 - 5 类胡萝卜素的着色功能 类胡萝h 素呈天然的黄色或桔黄色，是一种有效的着色剂。在家禽体内，它沉 积于爪、喙及皮下脂肪中使其着色，提高家禽胴体品质。在产蛋家禽的体内类胡 萝b 素沉积于卵黄中，使其呈黄色，提高蛋的品质。鱼虾类颜色的深浅取决于类胡 萝b 素的摄入量。 3 1 6 其它生物学作用 有些类胡萝b 素能活化人体细胞中某些基因表达( b e r t r a me ta 1 ，1 9 9 5 ) b 一胡萝b 素就是其中之一。视黄酸也有此功能，但它需要与视网膜受体结合 而b 胡萝b 素可直接发挥作用( b e r t r a mj s ，1 9 9 9 ) 。 除此外，类胡萝b 素还有一些其它的生物学作用： 1 ) 类胡萝h 素是光合生物必不可少的组分 类胡萝b 素在光合作用过程中起两种作用：即光吸收和光保护。一方面，类 胡萝b 素分子能吸收可见光，形成激发态的类胡萝b 素分子，再将能量传递给 叶绿素，这样，类胡萝h 索分子吸收了光合作用中所需的能量：另一方面，类胡 萝b 素分子又可将具有高度活性的单线态氧中的能量以热的形式释放出来，使 之转变为基态氧，从而对光合生物起到必不可少的保护作用( 韩利军等，2 0 0 2 ) 。 2 ) 类胡萝卜素分子在细胞膜上的重要作用 类胡萝b 素通常位于细胞膜上，是复杂的膜结构的一个组成成分。研究表明 类胡萝b 素分子在细胞膜上的定位特性取决于它们各自的具体结构特征。所以， 海洋红酵母菌产类胡萝h 索的研究 由碳氢元素组成的类胡萝h 素，如b 一胡萝h 素、番茄红素等，能完全进入膜的 内部，并保持一定的运动性：而当类胡萝h 素分子中出现极性取代基，尤其当 取代基是羟基时，它们在膜上的定位会受到很大影响。如：在玉米黄质二元醇分 子中，其环上的羟基与细胞膜的磷脂极性基团之间的相互作用使得玉米黄质分 子能横跨膜( h a n d e l m a ne ta l ，1 9 9 6 ) 。 不同结构的类胡萝h 素分子能与细胞膜上不同区域的分子发生反应。1 3 一胡 萝h 素和番茄红素只能与膜内部疏水层的基团发生有效反应：而玉米黄质，由 于它的末端基团能穿入极性区，暴露于水环境中，故它能与水相中的自由基团 起反应。所以，一些类胡萝h 素是膜的抗氧化保护剂。 此外，类胡萝h 素分子在膜上的定位也会影响膜的性质。玉米黄质等类胡萝 h 素，由于它们的分子中有2 个跨越膜的极性末端基团，因此，它们能作为膜结 构的“护墙”，增加膜的刚度和机械强度。类胡萝h 素分子能影响膜的厚度、强 度和流动性，并影响膜对水、氧气及其他分子的通透性。 3 ) 类胡萝h 素与蛋白质分子之间的相互作用 类胡萝h 素与蛋白质分子之间的相互作用在各种生物中非常常见，具有十 分重要的生理功能。一方面，蛋白质能使类胡萝h 素与其他分子之间保持准确的 位置，从而起到稳定类胡萝h 素分子的作用，类胡萝h 素在生物体内时比它单独 处于有机溶液中时要稳定得多。类胡萝h 素通常与蛋白质的疏水区相连，尤其是 与脂蛋白中的脂肪成分相连，使得类胡萝h 素能在水环境中被运输并起作用。另 一方面，蛋白质也会改变类胡萝h 素分子的理化性质，如，蛋白质与虾青素相连 构成蓝色的虾青蛋白复合物，使虾青素分子中的电子密度重新分布，导致产生 红移现象，即吸收光谱中的吸收峰值从4 8 8n m 变为6 3 2n m 。 4 ) 类胡萝h 素能增加细胞之间的缝问联接交流 b e r t r a m 等用细胞模型试验证明：1 3 一胡萝h 素和其他类胡萝h 素可加强细 胞与细胞缝问联接交流能力，从而抑制或降低癌症的发生。他们指出，缝问联接是 指邻近细胞间存在着的如珍珠串般的连接通道，它是由联接蛋白链形成的，通过 它可以产生细胞间的交流。在转化阶段的癌细胞会由于通道受到破坏而干扰了交 海洋红酵母菌产类胡萝b 素的研究 换，这种交换是控制生长的一种因素。在体外，促癌物质能通过联接蛋白的基因而 抑制交换，在癌症加速阶段联接蛋白基因的表达大大降低。因此证实，b 一胡萝b 素和视黄醇则通过联接蛋白激活信息的交换，因而抑制癌症诱导细胞升级到恶化 阶段( b e t t r a mj s ，1 9 9 4 ) 。 5 ) 类胡萝p 素能增强动物的繁殖能力 类胡萝b 素是一种生理抗氧化剂，可阻碍类脂的过氧化作用，从而保护卵泡 和子宫的类固醇生成细胞免受氧化反应的破坏：另一方面，类胡萝h 素可能调节 靶组织中细胞核的活动。 3 2 类胡萝卜素的应用 3 2 1 是维生素a 的重要来源 类胡萝b 素具有维生素a 前体的活性，这是它最重要的功能( g a z i a n oe t a 1 ，1 9 9 5 ) 。类胡萝b 素被人体食用后转化成视黄醛( p a r k e rr s ，1 9 9 6 ) 。类胡 萝b 素的0 一环可以被对称或不对称的切断，生成一系列衍生物( e r d m a ne t a 1 ，1 9 9 6 ) 。 最近，为证实在饮食中添加类胡萝b 素以防止维生素a 缺乏症的必要性，科 研人员又重新验证了维生素a 前体生成维生素a 的转化效率。在发达国家中，油脂 中的b 一胡萝b 素6 9 或复合性食物中的b 一胡萝b 素1 2 9 ，相当于1 9 视黄醛具有的 维生素a 活性。从现在的f a o 食品平衡图表和f a o w h o 转化率数据看，全世界人口 可以通过现有的食品来源满足自身对维生素a 的需求。但是，从美国联邦医药局 提供的转化率数据看，发展中国家的人口还不能满足这种需求。此外，还有研究 称，2 1 9 的b 一胡萝b 素的维生素a 活性才与1 9 的视黄醛相当，这意味着有效的维 生素a 的吸收量将更少( p d f r a s e r ，p m b r a m l e y ，2 0 0 4 ) 。 在全世界，特别是发展中国家，人体所需要的维生素a 有6 0 一7 0 来源于b 一 胡萝b 素。维生素a 缺乏会增加小儿呼吸道感染率，体外细胞培养证实维生素a 可使反复呼吸道感染患儿周围血中单核细胞分泌的i l i 、i l 一2 的能力恢复到正常 水平。在非洲和巴西发现补充维生素a 可减少腹泻发生率并缩短病程。在印度、 海洋红酵母菌产类胡萝h 索的研究 南非发现补充维生素a 可减少麻疹发病率、并发症及死亡率。在世界范围中有8 0 0 o o o j l 童因维生素a 缺乏导致一定程度的视力丧失，在印度约1 5 1 0 0 0 学前儿童因此 致盲。在非洲的调查发现h i v ( 人类免疫缺陷病毒) 感染的孕母体内维生素a 含量与 h i v 的母子传播率有关，母体中维生素a 1 4 0 m o l l 4 播率为7 2 。h i v 感染患j d 8 2 于5 岁前死于营养不良、腹泻及呼 吸道感染，而对于6 个月至5 岁的h i v 感染儿供给足量的维生素a n 可降低2 3 的死 亡率，并能减少腹泻、呼吸道感染发病率( d ep e ee ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 因此，控制发展中国家维生素a 缺乏的现状，需要的不仅仅是增加维生素a 的补给，还有饮食方式，包括对待饮食的重视程度的改变。必要时，也可以考虑 引进能够增加维生素a 前体活性的植物新品种。 3 2 2 抗氧化作用的临床意义 有关类胡萝h 素吸收量与健康收益相互关系的报道，最早出现于2 0 世纪7 0 年代的文献中。报道说，多吃水果蔬菜可以减少癌症、心血管等疾病的发病率。 因此鼓励人们每天至少要吃5 种不同的水果蔬菜( 其中约含6 m g 的类胡萝b 素) 。后 来的研究主要围绕饮食中常见的几种类胡萝h 素展开，尤其是它们在生物抗氧化 性以及调节免疫系统方面的作用更成为关注的焦点。许多有关这方面的研究都一 致认为，类胡萝h 素的抗氧化性是其减少疾病发生率的主要因素( e d g ee t a 1 ，1 9 9 7 ) 。还有报道说类胡萝h 素可以延缓t 细胞的衰老，并且可以保护基因组 的稳定性( r o c kc l ，1 9 9 7 ) 。 由于自由基可引起细胞突变、死亡，因此它是人体衰老、癌变、动脉粥样 硬化及老年性白内障的重要病因( o m e n ne ta 1 ，1 9 9 6 b ) 。b 一胡萝b 素具有清除 体内自由基的作用，所以对这些疾病的预防具有重要意义( e d g er e t a 1 1 9 9 7 ) 。 3 2 2 1 预防眼疾 缺乏维生素a 可导致干眼病，饮食中的维生素a 前体类胡萝h 素可以预防这种 眼疾。与年龄相关的眼疾，如白内障和视网膜退化，是世界普遍存在的问题。对 于这两类疾病，研究表明，通过饮食摄取一定量的类胡萝b 素可以减少发病机率， 海洋红酵母菌产类胡萝b 素的研究 血清中b 一胡萝h 素水平低下者其白内障发生率比高b 一胡萝h 素者多2 6 7 倍。 作为维生素a 的前体，类胡萝h 素还可用于治疗夜盲症。美国医学研究人员1 2 年 来对b 一胡萝h 素与夜盲症的相关性进行了跟踪研究，结果显示，b 一胡萝h 素可 使吸烟人群的发病率降低2 5 。 3 2 2 2 预防心血管疾病 对于类胡萝h 素在心血管疾病发病过程中的作用，早期的流行病学研究就认 为类胡萝h 素有潜在的预防作用。通常表现为血小板形成过程中l d l ( 低密度脂 蛋白) 的氧化速度减慢，氧化电势降低。研究还发现，经常食用b 一胡萝h 素和 番茄红素的人群与对照组相比，其血清脂质的过氧化和l d l 的氧化程度明显减少 ( o m e n nc ta 1 ，1 9 9 6 ) 。由于类胡萝h 素的抗氧化作用能有效地防止d n a 和脂蛋 白的氧化性损伤，以及阻止l d l 一胆固醇氧化物的形成( w a n g e ta 1 。1 9 9 5 ) ，因而能 减缓动脉粥样硬化，进而可以预防冠心病等心脑血管疾病的发生，由试验表明， 大量摄取b 类胡萝h 素的冠心病者，比对照组减少6 0 的心肌梗塞率。另外，正 常人摄入大量b 类胡萝h 素和维生素e 可减少3 4 的冠心病发生风险率 ( h e n n e k e n se ta 1 ，1 9 9 6 ) 。但是对芬兰的男性烟民进行的一项研究中( h a n d e l m a n e ta 1 ，1 9 9 6 ) ，结果显示b 一胡萝h 索可降低肺癌的发病率，却不能减少心脑血 管疾病的死亡率。总之，水果蔬菜中的类胡萝h 素与其它的抗氧化剂一同食用， 会比仅仅食用类胡萝h 素中的某种单一成份防病效果更好( k o s t i ce t a l ，1 9 9 5 ) 。 3 2 2 3 癌症 大量流行病学资料表明，在人类血清的几种主要类胡萝h 素中，b 一胡萝b 素的防癌作用最强，其摄入量及血液浓度与恶性肿瘤的发病率呈负相关 ( h e n n e k e n sc h ，1 9 9 7 ) 。体外进行的细胞培养实验表明，类胡萝h 素可以抑制细 胞繁殖、转化、形成微核及修饰某些基因的表达( r o c ke ta 1 ，1 9 9 5 ) ，这些都是 对细胞发生癌变时的保护机制，在这一方面，最早的研究发现，一些类胡萝h 素 在体外可以增加细胞间隙联接通讯的效果，并表现出一定的剂量依赖效应 ( o m e n ne ta 1 ，1 9 9 7 ) ，此后，科研工作者陆续展开了对类胡萝h 素及其抑癌作用 的研究( 8 i n g hd ka n dl i p p m a ns m ，1 9 9 8 ；h e n n e j e n se ta 1 ，1 9 9 7 ：p i e r c ee t 海洋红酵母菌产类胡萝b 素的研究 a 1 ，1 9 9 6 ：r o c ke ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 3 2 2 4 治疗光敏症 美国f d a 在1 9 7 5 年即批准b 一胡萝b 素用于治疗该病，但对于其防紫外线的功 能直n 2 0 世纪九十年代中期，才有对照性研究。研究发现，发病率在添加b 一胡 萝b 素后症状减轻，并认为这是由于这些物质具有抗氧化性的缘故。后来的研究 用西红柿试验持续1 0 周，发现红斑明显减轻。细胞的体外实验结果也可证实此论 断( p d f r a s e r ，p m b r a m l e y ，2 0 0 4 ) 。 3 2 2 5 提高免疫机能 天然类胡萝b 素植物油有增进食欲、改善睡眠、增强记忆、加速伤口愈合、 防治气管炎、咽炎的作用。有研究人员根据b 一胡萝h 素利于上皮细胞的代谢和 再生，有维持上皮细胞的健康和加速伤口愈合的作用，将0 一胡萝b 素粉制成膜 剂，用于治疗口腔溃疡、口腔白斑等，均取得了较好的疗