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虾青素 发布于:

虾青素是一种酮式类胡萝卜素,化学名为3,3′-二羟基-4,4′-二酮基-β,β′-胡萝卜素,红色固体粉末,具脂溶性,不溶于水,可溶于有机溶剂。 。它广泛存在于生物界中,特别是水生动物如虾、蟹、鱼和鸟类的羽毛中,起显色的作用。

虾青素是一种断链抗氧化剂。具有极强的抗氧化能力,可以清除二氧化氮、硫化物、二硫化物等,也可降低脂质过氧化作用,有效的抑制自由基引起的脂质过氧化作用。 同时,有抑制肿瘤发生,增强免疫力,清除体内自由基等多方面的生理作用,对紫外线引起的皮肤癌有很好的治疗效果,对糖尿病引起的眼病也有防治作用,在保健品、医药、化妆品、食品添加剂以及水产养殖等方面具有广阔的应用前景。

虾青素除利用生物提取法获得外,也可用化学合成法,也可利用藻类、细菌、酵母等生产。此外应用DNA重组技术构建高产虾青素基因工程也在研究中。

虾青素,又名虾黄素、虾黄质。1933年从虾、蟹等水产品中提取出一种紫红色结晶,后确定是一种与虾红素有密切关系的类胡萝卜素,故命名为虾青素。其广泛存在于虾、蟹、鱼、鸟、某些藻类及真菌等生物中。作为一种非维生素A原的类胡萝卜素,虾青素在动物体内不能转变为维生素A,但具有与类胡萝卜素相同的抗氧化作用,它淬灭单线态氧和捕捉自由基的能力比β-胡萝卜素高10余倍,比维生素E强100多倍,人们又称其“超级维生素E”。虾青素的抗氧化性、着色性、增强机体免疫力的特性,已被广泛认可。美国等国家已允许作为食品添加剂应用于生产,作为天然食品添加剂,有着广阔的发展前景。

天然虾青素是一种抗氧化性极强的类胡萝卜素,具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、预防心脑血管疾病的作用,国际上已将其应用于保健食品、高档化妆品、药品等领域中。虾青素本身稳定性不高,易氧化、见光易分解,市场上多以虾青素凝胶的形式保留其活性。

虾青素的生产方法包括天然提取和化学合成两种。化学合成虾青素同天然虾青素在结构、功能、应用及安全性等方面差别显著,其稳定性、抗氧化活性着色性也明显低于天然虾青素,因此进行大规模生产一般倾向于天然虾青素的提取。

虾青素属酮式类胡萝卜素,是一种萜烯类不饱和化合物,化学名称为3,3-二羟基-4,4-二酮基-β,β-胡萝卜素,分子式为C40H52O4,相对分子质量为596.86,其化学结构是由4个异戊二烯单位以共轭双键形式连接,两端又有2个异戊二烯单位组成的六节环结构。

虾青素化学名称为3,3′-二羟基-4,4′-二酮基-β,β′-胡萝卜素,分子式为C40H52O4 ,晶体状虾青素为粉红色,熔点215-216℃ ,不溶于水,具脂溶性,易溶于氯仿、丙酮、苯等大部分有机溶剂。虾青素分子结构中的共轭双键链,及共轭双键链末端的不饱和酮基和羟基,能吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子,从而清除自由基起抗氧化作用,该结构也使其易与光、热、氧化物发生作用,结构改变后降解为虾红素,特别是紫外光对其影响最为明显,连续照射约4h虾青素就会完全被破坏;在70℃以下、pH4-7范围内,虾青素较稳定;Ca、Mg、K、Na、Zn金属离子对虾青素基本没影响,Fe、Fe、Cu有明显破坏作用;

虾青素分子结构中的发色团在紫外-可见光区有独特的吸收区,因此其结晶或溶液在可见光下呈紫红色。虾青素主要以游离态和酯化态形式存在。游离态虾青素极不稳定,易被氧化,通常化学合成的虾青素为游离态形式。酯化态虾青素是由于虾青素末端环状结构中各有一个羟基易于与脂肪酸形成酯而稳定存在,水生动物皮肤和外壳上的虾青素以脂化态形式为主,肉及内脏上则以游离形式为主,红酵母、雨生红球藻中虾青素主要以酯化形式存在,酯化态虾青素根据其结合的脂肪酸不同分为虾青素单酯和虾青素二酯。虾青素酯化后,其疏水性增强,且双酯比单酯的亲脂性强;虾青素酯化态,或与蛋白质形成复合物,会产生不同的颜色。

虾青素有两个手性中心它们是分子中两端环结构的C-3和C-3′。一个手性中心可以有两种构象,虾青素的两手性碳原子C3、C3′都能以R或S的形式存在,这样就有3种立体异构体,3S,3'S与3R,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,能使平偏振光向左或向右旋转,3R,3'S无旋光性。

虾青素是一种非维生素A源的类胡萝卜素,在动物体内不能转变为维生素A。天然虾青素是单线态氧的强大淬灭剂。动物实验表明,虾青素可以除NO2、硫化物、二硫化物,也可降低脂质过氧化作用,有效地抑制自由基引发的脂质过氧化。同时具有抗癌活性,能显著影响动物的免疫功能,强化需氧代谢,明显增强人的肌肉力量和耐受力,具有抗感染活性。

虾青素的重要性质在于它的抗氧化性,它是一种优良的抗氧化剂。虾青素强大的抗氧化活性是因为其能稳定膜的结构,降低膜通透性、限制过氧化物启动子进入细胞内。保护细胞内重要分子免受氧化损伤。同时虾青素可能具有潜在的成为促氧化剂诱导氧化应激的产生。虾青素分子中的共轭双键、羟基和在共轭双键链末端的不饱和的酮基,其中羟基和酮基又构成α-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的未配对电子,有效地猝灭氧化性极强的单线态活性氧以及环境中其他自由基。研究表明,猝灭活性氧能力随着共轭双键数的增加而增加,虾青素的猝灭能力是最强的,其猝灭分子氧的能力比具有相同结构的β-胡萝卜素、维生素E、α-胡萝卜素、叶黄素和番茄红素都高。整合进膜系统的虾青素通过对脂质体的保护作用,抑制脂质过氧化,还可以保护细胞及DNA免受氧化反应的伤害,保护细胞内的蛋白质,使细胞有效进行新陈代谢,使细胞内的蛋白质更好地发挥功能。这种抗氧化作用表现在延长低密度脂蛋白(LDL)被氧化的时间,从而降低动脉粥样硬化的发生。

另外,实验表明,虾青素可以增加抗氧化酶活性和蛋白质表达,不同剂量虾青素使动物细胞内过氧氢化酶和超氧化岐化酶的蛋白表达均有显著增加,其生物学活性也有明显提高,而这些物质在体内均起到较好的抗氧化作用。

对膳食类胡萝卜素摄入量和癌症发病率或死亡率间关系的调查发现,癌症总发病率或死亡率与类胡萝卜素的摄入量呈显著负相关。比较各种类胡萝卜素抗肿瘤活性,以虾青素的作用效果最强。虾青素的抗肿瘤活性可能与它在细胞间的信号传导,与异型物质代谢酶的诱导生成,与肿瘤细胞相关的免疫反应调节有关 。研究表明,虾青素具有抑制黄曲霉素B1、苯丙芘(BaP)、二乙基亚硝酸(DEN)、亚硝胺和环磷酰胺等引起的致突变作用,虾青素预防肿瘤的作用可以在肿瘤生成的不同阶段起作用。如通过抑制腐胺产生,并降低精胺和亚精胺等游离多胺浓度,减少肿瘤诱发物形成;通过抗氧化作用保护皮肤免受紫外线的损害,阻止皮肤的光老化和防止诱发皮肤癌;通过加强正常细胞间的连接能力,把致癌物诱发的细胞放在一个扩展的通讯网络中,使其中的正常细胞占据优势,孤立癌细胞,减少癌细胞间的联系,控制其生长,防止肿瘤转化;虾青素还对癌细胞增殖有较强的抑制作用,高浓度的虾青素能杀伤肿瘤细胞。研究发现,虾青素能有效控制多种癌症,如肝癌、口腔癌、大肠癌 、膀胱癌和乳腺癌。

虾青素能明显增强机体局部和全身的免疫能力,这种免疫调节特性与抗氧化性相结合,在防止疾病的发生与传播中发挥重要作用。实验表明,类胡萝卜素可以减缓由衰老引起的免疫能力下降,提高机体免疫器官功能,增强对恶劣环境的抵抗力。更重要的是虾青素能增强体内T细胞的功能,增加嗜中性白细胞、自然杀伤细胞的数目,参与机体细胞免疫;虾青素还可以增加免疫系统中B细胞的活力,消灭外源入侵的病原体,通过协助产生抗体并提高其他免疫组分的活性发挥作用,如促进免疫球蛋白的产生,增加IgG(免疫球蛋白G)、IgA(免疫球蛋白A)和IgM(免疫球蛋白M)的生成量,增强体液免疫反应能力,提高动物的免疫力。

类胡萝卜素是水生动物体内的主要色素物质,而虾青素占水生动物体内类胡萝素的大部分,因此可以说虾青素是水生动物体内的主要色素物质。虾青素是类胡萝卜素合成的终点,它进入动物体后可以不经修饰或生化转化而直接贮存在组织中,具有极强的色素沉积能力,使一些水生动物的皮肤和肌肉出现健康而鲜艳的颜色,使禽蛋及禽的羽毛、皮肤、脚、项均呈现健康的金黄色或红色。实验表明,饲料中添加虾青素不仅使鱼的表皮磷甲变为黄色,而且肌肉中虾青素的含量也增加了。

国外虾青素已被作为食品添加剂用于食品的着色、保鲜及营养。虾青素为脂溶性,具艳丽红色和强抗氧化性能,对于食品尤其是含脂类较多的食品,既有着色效果又可起到保鲜作用。在日本,将含虾青素的红色油剂用于蔬菜、海藻和水果的腌渍已申请专利,用于饮料、面条、调料的着色也均有专利报道。国外早已开展利用虾青素合成人类保健品的研究,针对其强化免疫系统功能、抗癌、保护视网膜免受紫外辐射和光氧化、抗炎、预防血液低密度脂蛋白(LDL)-胆固醇的氧化损伤等方面功效性,开发含虾青素的保健品。

利用虾青素的抗氧化及免疫促进作用可以做成药物用来预防氧化组织损伤。研究表明,虾青素能通过血脑屏障,保护神经系统尤其是大脑和脊柱的能力,能有效治疗缺血性的重复灌注损伤、脊髓损伤、Parkinson氏综合症、Alzheimer氏综合症等中枢神经系统损伤;有效防止视网膜的氧化和感光器细胞的损伤,改善视网膜功能方面具有良好效果,该研究成果已有专利申请。研究表明,给小鼠饲喂富含虾青素的红生球藻粉,能显著降低幽门螺杆菌对胃的附着和感染,在此基础上,国外已开发了口服制剂作为抗感染药物。虾青素的抗氧化性能还可用于预防动脉粥样硬化及相关疾病,通过降低或抑制血液中低密度脂蛋白(LDL)的氧化,使得血管壁上的沉积物减少,从而减少了动脉粥样硬化的发生,虾青素在体内还具有升高高密度脂蛋白(HDL),因此将其用做预防动脉硬化、冠心病和缺血性脑损伤的制剂;除此外虾青素还可作为普通的抗生物过氧化剂、抗癌剂以及治疗不育症,促进胚胎和精子的发育。

虾青素最大的市场是在饲料工业,它可以作为主要用作鱼类(鲑鱼、鲟鱼、虹鳟鱼、真鲷等)和虾蟹等甲壳类动物及家禽的饲料添加剂。虾青素作为水产养殖动物的着色剂,可以使水生动物呈现鲜艳的色泽,使其具有更高的观赏性;在家禽饲料中添加虾青素可增加鸡蛋蛋黄色素含量;它还可以提高母鸡的产蛋率,促进蛋鸡的健康。虾青素在防治鱼类、虾蟹及禽类疾病方面有与对人类同样的功用,可提高免疫力、提高成活率,对其正常生长和健康养殖、提高存活率及繁殖率具有重要的作用。虾青素还能够增加鱼类的风味,其可直接作为形成鲑鱼食品风味的前体化合物,也可促进脂肪酸或其他脂类前体物转化成鲑鱼的风味化合物。

虾青素作为新型化妆品原料,以其优良的特性广泛应用于膏霜、乳剂、唇用香脂、护肤品等各类化妆品中。特别是在高级化妆品领域,天然虾青素以其独特的分子结构,通过其抗氧作用,可以高效地猝灭紫外线引起的自由基,防止皮肤光老化、减少UVA和UVB对皮肤的伤害、防止皮肤癌的产生、延缓细胞衰老、减少皮肤皱纹、减少黑色素沉积、减少雀斑产生,可保持水分,让皮肤更有弹性、张力和润泽感。日本已有利用虾青素的抗光敏作用生产化妆品的专利。

人类日常食用的天然虾蟹、鱼类等水生动物中皆含有丰富的天然虾青素,人类日常食用没有出现不良反应和中毒症状,故天然虾青素对人类和动物是安全的,试验也证明了这一点。美国某公司经过系统的人体安全性试验,对2组健康成年人每天分别以19.25mg和3.85mg剂量服用雨生红球藻粉补充虾青素,试验后经过详细监测以及全面分析,口服富含天然虾青素的雨生红球藻藻粉对人体无致病效应或毒副作用。但化学合成虾青素,由于合成过程可能被其他有害物质污染,产品中还含有大量的顺式异构体,其生物利用安全性降低,因此化学合成的虾青素在食品、饲料、医药品及化妆品上的应用受到很大的限制。

自然界的虾青素来源于藻类、细菌、浮游植物。一些水生物种包括虾蟹在内的甲壳类动物,由于长期食用这些藻类、细菌和浮游植物而外表呈现红色,它们又被三文鱼、加力鱼等鱼类,火烈鸟、鸡、鸭等鸟类、家禽捕食,色素储存在皮肤和脂肪组织中使它们的皮肤和羽毛也呈现红色。因此,天然虾青素也可从甲壳类动物、鱼类、鸟类、家禽类中获得。

研究发现很多种类的藻类如雪藻、衣藻、裸藻、伞藻等都含有虾青素,其中雨生红球藻对虾青素的积累量最高可达到细胞干重的4%,积累速率和生产总量比其它绿藻类高,是目前公认生产天然虾青素最好的生物来源。细菌由于受其自身因素的影响,利用价值较低。红法夫酵母被认为是目前真菌发酵生产中最为合适的虾青素来源。从红法夫酵母中提取虾青素是生产虾青素的主要途径之一。

雨生红球藻(H.pluvialiso)是一种单细胞生物,在培养过程中,在氮源充足时,可以促进细胞生长;在氮源缺乏时,则能刺激细胞产生并在体内积累虾青素。雨生红球藻生产虾青素具有细胞繁殖快、培养简单、易于提取的特点,且藻粉可直接应用于食品及饲料工业,降低成本,因此被认为是一种很有虾青素生产前景的微藻。国外优良的雨生红球藻藻体中虾青素一般约占类胡萝卜素总量的90%以上,其生产质量较好,以酯化态的形式存在占总类胡萝卜素的60%—80%,少量为游离态形式。但雨生红球藻生长条件相对要求高,培养周期长,需光照和破壁释放虾青素等缺点。

绿球藻(Chlorella zofingiensis)属于绿藻门小球藻属,具有容易培养、生长快速、耐高温和极端pH、易在户外培养等特点。其合成虾青素兼具红发夫酵母和雨生红球藻二者的部分优势特征,可以利用有机物如葡萄糖为碳源和能源在无光条件下快速合成虾青素,最适生长温度和最适虾青素合成温度24℃都接近室温。碳氮比越高越有利于虾青素的合成。虾青素以酯化态形式在细胞质中大量积累,比较容易达到较高的细胞浓度,同时生长繁殖与虾青素的积累可同步进行。这些特性有利于简化生产设备,节约生产时间,提高生产效率,为大规模培养提供有利因素。但需要解决的是小球藻中虾青素含量远低于雨生红球藻中虾青素的含量,可能是合成途径的缺陷导致。因此,现阶段有人利用基因工程手段,对虾青素合成途中关键酶的基因表达进行调控,或引入外源基因优化小球藻的虾青素合成途径,有可能突破生理水平常规诱导增产虾青素的局限。

另据报道,衣藻(halamidomonas)、裸藻(euglena)、伞藻(acetabularin)等也含有一定量虾青素。

目前虾青素的生产主要有化学合成和天然提取两种方式,化学合成的虾青素不仅价格昂贵,而且分子结构生物学功能、应用效果及生物安全性能方面和天然虾青素存在显著差异,进而促使天然虾青素的提取逐渐占据主导地位。

随着对虾青素提取方法研究不断深入,虾青素生产工艺得到不断优化和升级,尤其是在虾青素的分离和提纯方面。目前天然虾青素的生产方法主要有两大类:生物发酵法和从甲壳类动物加工下脚料中提取法。其具体的分离提纯工艺有碱提法、油脂溶出法、有机溶剂萃取法、超临界萃取法、酶解法、微波处理法等。

典型的通过动物甲壳超临界萃取法提取虾青素的工艺流程如下 :

虾壳粉碎→稀酸处理→冲洗至中性→干燥→装料→超临界静态萃取→超临界循环萃取→收集→皂化→液相色谱分析纯化→包装→冷冻保藏

从红法夫酵母中提取虾青素工艺流程为:

红法夫酵母菌体活化→接种→发酵→离心收集菌体→烘干→破壁处理→浸提→浓缩→分析提取虾青素

应当指出,动物甲壳中的石灰质会影响虾青素产量,动物甲壳提取法生产条件要求苛刻,生产成本高、产量较低、产品纯度不高。因此,目前仅有少数国家应用这种技术生产虾青素。从红法夫酵母中提取虾青素产量高,但提取加工过程中可能存在污染物的残留、浓缩等问题。

从水产品加工废弃物中提取虾青素被广泛利用,该法在创造经济收益的同时,能够降低生产加工废水的色度、减少污染,常用碱提法、油溶法、有机溶剂法和超临界CO2萃取法等。

(1)碱提法

碱提法是用酸将水产品加工下脚料甲壳中的CaCO3溶解,用碱(NaOH+Na2CO3)将与蛋白质结合的虾青素分离,再将其中的蛋白质溶出,达到提取虾青素的目的。碱提法需消耗大量的酸、碱,其废水对环境污染严重,而且虾青素在碱性环境下高温处理时,被氧化成为鲜红色的虾红素,因此碱提法所得到的不是虾青素而是虾红素或虾青素的其它降解产物。近年来对碱提法的研究报道较少。

(2)油溶法

虾青素的分子结构使其具良好的脂溶性,在油中对热有较好稳定性,因此用油作为溶剂,通过油脂提取,然后再纯化。该法所用油脂主要为可食用油脂类,最常见的是大豆油,提取时油温最好控制在80℃以下,油温较高也会影响虾青素的稳定性,油用量直接影响虾青素的提取效率,提取后的纯化可采用层析方法进行。

该法具有产品安全、提取效率高的特点,但提取物不易与高沸点的油分离,提取后含色素的油不易浓缩,故产品浓度不高,若要进一步分离纯化,需采用分子蒸馏等工艺,分离成本较高。

(3)有机溶剂法

利用有机溶剂提取虾青素,选择沸点低的萃取剂提取,提取液经蒸发获得到高浓度虾青素油,蒸馏技术还可以使溶剂回收循环利用。常见的有机溶剂有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、二氯甲烷、氯仿、正己烷等。不同的溶剂提取效果不同,在研究中发现,丙酮的提取效果最好,而乙醇最差。为提高提取效率,采用减压回流提取的方法,提取温度最好控制在60℃左右。有机溶剂法提取可采用浸提和回流提取的方法,浸提法又可分为单罐多次重复萃取和索氏提取法;前者是将试样放入匀浆器中提取,当溶剂中的虾青素浓度达到平衡后,将萃取液放出,再加溶剂进行下一次萃取,重复多次直到原料中虾青素完全提取;后者是改良的单罐多次重复萃取,其优点是不断用新鲜的溶剂进行提取,萃取剂和原料始终保持最大的浓度差,加快了萃取速度,提高了萃取率,最后得到的萃取液浓度较高。

(4)超临界CO2萃取法

超临界流体萃取技术就是利用临界流体的特殊性质,在高压条件下与待分离的固体或液体混合物接触,调节系统的操作压力和温度,萃取出所需要的物质,随后通过降压或升温的方法,降低超临界流体的密度,使萃取物得到分离。

超临界CO2萃取得到的产品具有纯度高、溶剂残留少、无毒副作用等优点,与其它方法比较,该法可以避免虾青素的降解,得到高品质的产品,又可以有效地提取虾青素,但由于设备前期投资大、生产技术要求高,目前用于大规模工业生产尚存在一定困难。

除上述方法外,还有人利用酶法提取虾青素,选用某种较好的絮凝剂将蛋白质和虾青素回收絮凝,然后采用酸性蛋白酶和中性蛋白酶对蛋白质进行酶解,同时分离获得虾青素;还有将碱法和有机溶剂法结合的复合工艺提取虾青素等。但是水产品加工下脚料提取虾青素受到多方面制约,如下脚料的卫生问题、生产的环境问题、提取物的污染变质、废弃物原料中虾青素含量高低变化对提取成本的影响,以及原料中的几丁质、灰分、湿度都限制虾青素的提取。

(5)红发夫酵母生产

1976年首次在红发夫酵母(Phaffia rhodozyma)中发现虾青素,红发夫酵母属于担子菌纲的红发夫酵母属,是唯一天然可产虾青素的酵母,其反式虾青素已于2000年获得FDA批准,用于食品添加剂。红发夫酵母以单细胞为主,有时形成假菌丝,繁殖方式为无性繁殖的芽殖,无有性繁殖,细胞中不但含有丰富的蛋白质、脂类、维生素,而且还含有大量的不饱和脂肪酸及多种虾青素的前体,其生长的温度范围0—27℃。在野生酵母所产的10多种类胡萝卜素中,虾青素是最大的组分,占总类胡萝卜素的40%—95%。

红发夫酵母已成为工业化生产虾青素的优良菌种,其生产虾青素的特点是:红发夫酵母不需要光照,能利用多种糖作为碳源进行快速异养代谢,发酵周期短,生产速度快,能够在发酵罐中实现高密度培养,以及色素提取后菌体单细胞蛋白可作为饵料、饲料添加剂等。

另外,有人利用从葡萄园土壤中分离出的粘红酵母,经过紫外线和EMS诱变处理获得的突变株产生虾青素,还有人从保加利亚酸奶中分离出一种深红酵母(Phadotoralarubra),从南极海冰中分离的酵母菌也有合成虾青素的能力,这都有可能成为获取虾青素的新途径。

由β-胡萝卜素转变为虾青素需加上2个酮基和2个羟基,化学合成比较困难,且产物大多为顺式结构,而生物合成需要的虾青素大多数为反式结构。虾青素的合成需经多步化学和生物催化反应才能完成,其中生物催化作用是选择确定合成过程中间体碳原子的立体构型或氧原子的取代位置,化学合成的主要前体物质为(S)-3-乙酸基-4-氧代-β-紫萝酮,它是由不同的微生物对(R)-萜烯醇醋酸盐的不对称水解,后经萃取、反流分布及重结晶等技术处理所得产物,这种前体物质经过反应转化为含15个碳原子的维悌希盐,最后由2个维悌希盐与1个含10个碳原子的双醛反应生成虾青素,该工艺十分复杂,合成比较困难,世界上只有个别企业用化学合成法工业化生产虾青素,且合成的反式虾青素价格昂贵。

除天然提取、化学合成等2种生产虾青素的方法外,还可利用细菌、原生动物、农作物体内的β-胡萝卜素作为前体物质,通过转基因技术将合成虾青素的酶转入相应农作物中合成虾青素。但目前,这种生产虾青素的方法仅仅处于实验研究中。


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