蝦青素的應(yīng)用前景
Application prospects of astaxanthin
陳曉琳1,2 ，汲 霞1,2 ，鐘志梅1,2 ，李鵬程1
(1．中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 ，山東青島 266071； 2．中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100039)
中圖分類號(hào) ：Q562 文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A 文 章編 號(hào)：1000．3096(2008)05．0087．03
蝦青素 (astaxanthin)，化學(xué)名稱為3，3’-二羥基-4，4’-二酮基-β，β’-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，相對(duì)分子質(zhì)量為596．86，又名蝦黃質(zhì)、蝦黃素或龍蝦殼色素，是一種酮式類胡蘿卜素。色澤為粉紅色,具脂溶性，不溶于水,易溶于氯仿、丙酮、苯和二硫化碳等有機(jī)溶劑。ASTA蝦青素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由4個(gè)異戊二烯單位以共軛雙鍵型式聯(lián)結(jié)，兩端又有2個(gè)異戊烯單位組成六節(jié) 環(huán)結(jié)構(gòu)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由于蝦青素的化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)長(zhǎng)的共軛不飽和雙鍵系統(tǒng)，因此，很容易受光、熱、氧化物等的作用而破壞其結(jié)構(gòu)。
圖 1 蝦青素的結(jié)構(gòu)式
1 蝦青素的生物學(xué)功能及其應(yīng)用
ASTA蝦青素早在2O世紀(jì)3O年代即從蝦、蟹殼中分離出來(lái)，但直到2O世紀(jì)8O年代中期才對(duì)其生物學(xué) 功能進(jìn)行廣泛研究 。研究表明蝦青素具有許多重要的生物學(xué)功能及廣闊的應(yīng)用前景。
1．1 蝦青素在水產(chǎn)動(dòng)物中的應(yīng)用
ASTA蝦青素廣泛存在于生物界中，特別是水生動(dòng)物的蝦、蟹、魚(yú)和鳥(niǎo)類的羽毛中，起顯色作用。蝦青素呈艷麗的紅色，當(dāng)其添加到水產(chǎn)動(dòng)物的飼料中時(shí)，可使水產(chǎn)動(dòng)物的體色變得鮮艷。通常在水產(chǎn)動(dòng)物飼料中添加蝦青素以補(bǔ)充色素，可極大地提高產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值。蝦青素不僅可以作為水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的著色劑，而且越來(lái)越多的證據(jù)證實(shí)，蝦青素對(duì)于水產(chǎn)動(dòng)物的正常生長(zhǎng)、健康養(yǎng)殖、提高存活率和繁殖率亦具有極為重要的作用。另外，在水產(chǎn)養(yǎng)殖用飼料中添加蝦青素還可以防止 水產(chǎn)加工品如虹鱒魚(yú)因脂質(zhì)氧化而變質(zhì)，并且為人類食物提供豐富的蝦青素來(lái)源。
1．2 作為抗氧化劑
ASTA蝦青素是一種非維生素A源的類胡蘿卜素，在動(dòng)物體內(nèi)不能轉(zhuǎn)化為維生素A。但是，在蝦青素分子中,有很長(zhǎng)的共軛雙鍵，并且有羥基和在共軛雙鍵鏈末端的不飽和酮，其中羥基和酮基又構(gòu)成α-羥基酮，這些結(jié)構(gòu)都具有比較活潑的電子效應(yīng)，能向自由基提供電子或吸引自由基未配對(duì)電子，使其極易與自由基反應(yīng)而清除自由基，從而起到抗氧化作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，蝦青素可以清除NO、硫化物、二硫化物等。蝦青素在清除自由基方面，其能力是β胡蘿卜素的1O倍以上，是維生素E的100倍以上。 同時(shí)，蝦青素具有抑制或降低脂質(zhì)過(guò)氧化的作用，能保護(hù)磷脂酰膽堿脂質(zhì)免受氧化。因此，蝦青素可應(yīng)用于醫(yī)藥產(chǎn)品，作為抗衰老的藥品和食品保健品。
1．3 作為防曬劑
ASTA蝦青素能有效清除體內(nèi)由紫外線照射產(chǎn)生的自由基，降低由于光化學(xué)引起的傷害，因此，對(duì)紫外線引起的皮膚癌有很好的預(yù)防和治療效果。另外，將蝦青素與化妝品復(fù)配，可形成新的具有防曬功能的日用化妝品。
1．4 作為免疫制劑
近幾年的研究表明，蝦青素在促進(jìn)抗體的產(chǎn)生、增強(qiáng)宿主的免疫功能方面有重要的生理功能。單線態(tài)氧對(duì)動(dòng)物的免疫系統(tǒng)具有細(xì)胞毒作用，它催化產(chǎn)生的自由基可加速巨噬細(xì)胞細(xì)胞膜的降解，導(dǎo)致吞噬效率降低和功能紊亂。由于蝦青素具有清除單線態(tài)氧的功能，因此能顯著影響動(dòng)物的免疫功能。實(shí)驗(yàn)證明，在有抗原存在時(shí)，蝦青素能顯著促進(jìn)脾細(xì)胞產(chǎn)生抗體，從而增強(qiáng)T細(xì)胞刺激下人體內(nèi)血細(xì)胞免疫球蛋白的產(chǎn)生。Jyonouchi等通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，蝦青素能顯著促進(jìn)胸 腺依賴抗原(TD-Ag)刺激時(shí)的抗體產(chǎn)生，分泌lgM和IgG的細(xì)胞數(shù)增加。補(bǔ)充蝦青素還能夠部分恢復(fù)年老小鼠的體液免疫系統(tǒng)。因此，蝦青素具有重要的免疫調(diào)節(jié)作用，可作為免疫增強(qiáng)劑使用。
1．5 作為抗癌制劑
許多專家研究了天然類胡蘿卜素的生理生化功能，發(fā)現(xiàn)蝦青素具有很強(qiáng)的抗癌作用。它能抑制由黃曲霉素BI(AFB1)、α-苯芘(BaP)、二乙基亞硝酸(DEN)、α-硝基丙烷、N-丁 基-N (4-羥丁基)亞硝胺和環(huán)磷酰胺等引起的致突變作用。因此，蝦青素能有效地預(yù)防肝癌、口腔癌、大腸癌、膀胱癌和乳腺癌。利用蝦青素可開(kāi)發(fā)出治療和預(yù)防腫瘤的藥物。
1．6 其他應(yīng)用
ASTA蝦青素除了具有上述用途之外，還可用于預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化及相關(guān)疾病，這也要?dú)w因于蝦青素的抗氧化性能。蝦青素可以降低或抑制血液中低密度脂蛋白(LDL)的氧化，使得血管壁上的沉積物減少，從而減少了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生。另外，蝦青素還可用于防治眼科疾病，近似于維生素A的特性。尤其對(duì)糖尿病眼病的發(fā)生率有明顯降低的效果，可作為治療糖尿病的輔助藥物。
2 蝦青素衍生物的應(yīng)用
ASTA蝦青素可根據(jù)立體異構(gòu)體、幾何異構(gòu)體、酯化程度分為多種。如南極磷蝦中蝦青素的主要立體異構(gòu)體為3R、3R’，且被酯化；紅酵母中的蝦青素主要以酯化的3R、3R’形式為主；血球藻 (Haematococcus pluvialis)中蝦青素的立體異構(gòu)體主要是酯化的3S、3S’形式，單酯約占80％，二酯約占15％，主要的脂肪酸有油酸、反油酸、蓖麻酸和花生酸等。
化學(xué)合成的蝦青素均為游離蝦青素，由于游離的蝦青素不穩(wěn)定，因此天然蝦青素很少游離存在。除了與脂肪酸成酯外，天然蝦青素往往與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，產(chǎn)生不同的顏色(如龍蝦中的藍(lán)色、綠色和黃色)；也可溶 在油脂中，如雪藻(Chlamyclomonas nivalis)的紅色就是其細(xì)胞質(zhì)脂類中積累蝦青素的結(jié)果。
除了天然存在的蝦青素酯外，亦有對(duì)蝦青素進(jìn)行酯化修飾的報(bào)道 。Hawaii Biotech．Inc．(HBI) 成功地合成了蝦青素二丁二酸酯二鈉鹽，這不僅提高了蝦青素在水中的溶解性(該鹽室溫下在水中的溶解度可以達(dá)到8．6 g/L)，而且該衍生物比蝦青素表現(xiàn)出更強(qiáng)的清除超氧自由基的能力。該鹽在水 中好的溶解性有助于清除水相中的自由基。因此，該化合物可能對(duì)于降低人類動(dòng)脈粥樣硬化和癌癥的發(fā)生起到重要的作用。除此之外，Jackson等利用蝦青素和賴氨酸為原料合成了蝦青素的二賴氨酸酯的四鹽酸鹽。該新化合物是目前為止所發(fā)現(xiàn)的在水中溶解度最大的蝦青素衍生物。其室溫下在水中的溶解度可達(dá)到181．6g／L，該化合物亦具有很強(qiáng)的自由基清除能力。因此，利用這些蝦青素衍生物在水中溶解度大的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于生物和化學(xué)上需要清除水相中自由基的方面。
蝦青素特殊的分子結(jié)構(gòu)決定了很容易受光、熱、氧化物等的作用而破壞。
Chen等對(duì)蝦青素的β-環(huán)糊精包合物進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)蝦青素和β-環(huán)糊精形成包合物時(shí)，蝦青素的水溶性、對(duì)光和熱的穩(wěn)定性得到提高，為蝦青素進(jìn)一步的應(yīng)用奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
3 存在問(wèn)題
由于蝦青素具有抗氧化、抗腫瘤和增強(qiáng)免疫力等許多重要的生理和生物學(xué)功能，因而在食品添加劑、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化妝品、保健品和醫(yī)藥工業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前美國(guó)的食品藥品管理局已批準(zhǔn)人工合成反式結(jié)構(gòu)的蝦青素用作水產(chǎn)養(yǎng)殖的添加劑。但是，現(xiàn)在市場(chǎng)上蝦青素的售價(jià)很高， 其人工合成品的單價(jià)達(dá) 2000~2500 美元／kg。因此研究和開(kāi)發(fā)蝦青素具有重要的商業(yè)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖和食品醫(yī)藥等工業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)蝦青素的需求量越來(lái)越大，但目前從水產(chǎn)品廢棄物中提取蝦青素普遍存在蝦青素含量低、提取費(fèi)用高的缺點(diǎn)，不能滿足大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的需要。因此，建立切實(shí)可行的技術(shù)方案是關(guān)鍵，同時(shí)，尋找和開(kāi)發(fā)新的資源與方法，如選育高產(chǎn)酵母菌、發(fā)酵培養(yǎng)紅球藻等，也將是未來(lái)要解決的問(wèn)題。
雖然目前對(duì)蝦青素的生物學(xué)功能方面報(bào)道較多，但對(duì)蝦青素在動(dòng)物體內(nèi)殘留問(wèn)題以及過(guò)量使用引起的毒性問(wèn)題研究較少。因此對(duì)長(zhǎng)期使用蝦青素的安全性研究也是有待于探索的課題 。
隨著蝦青素生物來(lái)源的不斷發(fā)現(xiàn)以及提取分離純化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，ASTA蝦青素必將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
蝦青素的應(yīng)用前景
