蝦青素的功能及應用

蝦青素的功能及應用進展李兆華（山東省環(huán)科院，濟南，250013）摘要：蝦青素是一種極具潛力的類胡蘿卜素，具有抗氧化、增強免疫和預防癌癥等功效。本文主要綜述了國內(nèi)外在蝦青素的功能及應用方面的進展。關鍵詞：蝦青素，類胡蘿卜素，抗氧化，1蝦青素的結構蝦青素，是一種氧化型的類胡蘿卜素，化學名稱為3,3'-二羥基-4,4'-二酮基書。-胡蘿卜素，分子式為c40h52o4。在某些綠藻、細菌和某些酵母菌中，作為次生類胡蘿卜素積累。在蝦青素分子中，不僅同其他類胡蘿卜素一樣具有很長的共軛雙鍵，而且在共軛雙鍵鏈的末端還有不飽和酮基和羥基，羥基和酮基又構成a-羥基酮（見圖1）。這些結構都具有比較活潑的電子效應，能向自由基提供電子或吸引自由基的電子，使其極易與自由基發(fā)生反應而清除自由基，從而起到抗氧化作用。因而，蝦青素不僅具有一般類胡蘿卜素的生理功能，而且，由于它特有的結構賦予的超強抗氧化特性，使其具有更為突出的生理功能［1］。圖1蝦青素的分子結構Figure1Molecularstructureofastaxanthin2蝦青素的功能2.1蝦青素的抗氧化能力蝦青素同其他類胡蘿卜素一樣具有抗氧化活性，在生物體中表現(xiàn)為猝滅單線態(tài)氧⑵，清除自由基，阻止脂質過氧化【Ml等功能。并且越來越多的證據(jù)顯示蝦青素的抗氧化特性強于。-胡蘿卜素【7］、玉米黃素（zeaxanthin,3,3'-二羥基書-胡蘿卜素）［8】、角黃質（4,4'-二酮基書-胡蘿卜素）、維生素C和維生素E【9］。蝦青素是一類斷鏈抗氧化劑，它特有的結構使其具有比其他類胡蘿卜素更強的抗氧化特性。Di等［10］研究了多種類胡蘿卜素猝滅分子氧的能力，發(fā)現(xiàn)猝滅分子氧的能力為：蝦青素〉a-胡蘿卜素＞&-胡蘿卜素＞紅木素〉玉米黃質〉黃體素〉膽紅素＞膽綠素。Terao等⑺利用測定甲基亞麻酸氫過氧化物的生成來測驗類胡蘿卜素的抗氧化功能，發(fā)現(xiàn)蝦青素由于在a-羥基酮環(huán)的C-4和-4’位置上含有氧基團，可有效地延緩氫化過氧化物的形成，而且蝦青素的自催化氧化速度比&-胡蘿卜素和玉米黃素慢得多，蝦青素是比&-胡蘿卜素更有效的抗氧化劑。Lee等【8止匕較了包括蝦青素在內(nèi)的共軛雙鍵數(shù)不同的5種類胡蘿卜素在豆油光氧化作用中猝滅活性氧的作用，發(fā)現(xiàn)此作用隨類胡蘿卜素共軛雙鍵數(shù)增加而增加，以蝦青素的作用為最強。Miki［11］以含亞鐵粒子的血紅蛋白作為自由基產(chǎn)生者，用硫代巴比妥酸法檢測各受試類胡蘿卜素、維生素E等的抗氧化性，結果表明：蝦青素抗脂肪氧化的能力最強，比。-胡蘿卜素高10倍，比維生素E高100倍，故又稱'超級維生素E’。蝦青素可解除光誘導產(chǎn)生的氧化脅迫，抑制光敏作用能力強。Corona等［⑵分析了蝦青素、黃體素、。-胡蘿卜素等保護小鼠腎纖維細胞免受UVA誘導產(chǎn)生的氧化壓力的能力，發(fā)現(xiàn)蝦青素（10nmol/L）、。-胡蘿卜素（1mmol/L）和葉黃素（1mmol/L）均可保護機體免受UVA光誘導的氧化脅迫，而蝦青素的效果最佳。Oshima等［13］將組成蛋黃卵磷脂的大型單片脂質體添加水溶性光敏物質或脂溶性光敏物質后進行光照輻射，用以檢測蝦青素和。-胡蘿卜素抑制磷脂雙分子層的光敏氧化作用的效果。結果表明，蝦青素比。-胡蘿卜素抑制光敏氧化作用的能力強。2.2增強機體免疫力蝦青素能顯著提高動物的免疫能力。小鼠活體實驗表明，蝦青素能顯著促進胸腺依賴抗原（TD-Ag）刺激時抗體的產(chǎn)生，分泌IgM和IgG的細胞數(shù)增加，這一效應尤其有助于恢復老齡動物的體液免疫，而葉黃素和P-胡蘿卜素的這一效應卻比較弱［14］。此外，蝦青素還能增強小鼠釋放白細胞介素-Ia和腫瘤壞死因子a，其作用比6-胡蘿卜素和角黃質強得多。有抗原存在時，蝦青素也能顯著促進脾細胞產(chǎn)生抗體的能力，增強T細胞刺激下人體內(nèi)血細胞免疫球蛋白的產(chǎn)生［15］。2.3預防癌癥Tanaka等［16］觀察了蝦青素對N-J基-N-（4-羥丁基）-亞硝胺（ON-BBN）誘導的小鼠膀胱癌的化學預防作用，發(fā)現(xiàn)服用蝦青素的小鼠膀胱癌發(fā)生率顯著降低。用4-硝基喹啉-1-氧化物誘發(fā)F344大鼠口腔癌的類似試驗中，蝦青素也能顯著降低口腔腫瘤的發(fā)生US蝦青素還能降低黃曲霉毒素的致癌性，對減少黃曲霉毒素誘導的肝腫瘤細胞的數(shù)量和體積效果良好［18］。為了研究蝦青素等類胡蘿卜素腫瘤預防發(fā)生的機理，Savoured］用表皮鳥氨酸脫羧酶（ODC）活性和游離多胺濃度為指標，檢測UV-A和UV-B輻照前后SKHI裸鼠表皮的多胺代謝，結果發(fā)現(xiàn)實驗組ODC遠低于對照組，且以蝦青素組的抑制作用為最強，說明蝦青素抑制腫瘤發(fā)生的效應在于對腫瘤增殖的抑制?？诜r青素還能抑制乳腺癌的生長，其較低的劑量效應在。-胡蘿卜素和角黃質中是不存在的［20］。3蝦青素的主要來源蝦青素主要存在于水生動物、藻類、真菌、細菌等生物類群中，這些生物都是蝦青素的潛在來源。目前化學合成蝦青素也已成為事實。但究竟哪一種來源更為經(jīng)濟和高效，下面分別就上述的幾種來源進行分析和闡述。3.1化學合成人工合成蝦青素比較困難，而且大多數(shù)為順式結構，并且在體內(nèi)不能轉化成天然的反式構型。美國食品衛(wèi)生管理局（FDA）僅批準反式結構的蝦青素用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的添加劑，而且不準任何化學合成產(chǎn)品進入保健食品市場。目前僅有瑞士Hoffmann-LaRoche公司成功地合成了反式蝦青素并投入市場，商品名為CarophyllPink（加麗素粉紅），蝦青素含量約為5%-10%。動物體對化學合成的蝦青素吸收能力較弱，并且與天然蝦青素相比其著色能力和生物效價低得多I”】。隨著天然蝦青素產(chǎn)業(yè)的興起，這種低效的產(chǎn)品會逐漸被淘汰。但目前，由于生物來源的蝦青素產(chǎn)量還不夠高，化學合成的蝦青素在水產(chǎn)養(yǎng)殖中仍具有一定的競爭優(yōu)勢。3.2甲殼類動物加工的廢棄物甲殼類動物的甲殼中含有蝦青素，可以利用廢棄的甲殼提取蝦青素。當前，國外的蝦蟹加工業(yè)每年有1000萬噸的甲殼類水產(chǎn)品的廢棄物。但甲殼中蝦青素的含量很低，而灰分和幾丁質含量則較高，這極大地限制了蝦青素的提取和再利用。目前，挪威等國采用的青貯技術的回收率較高（180佬/g廢棄物），且純度也較其他處理方法高。3.3微藻據(jù)目前所知雨生紅球藻是蝦青素含量最高的微藻，也是所有已知的蝦青素合成生物體中積累量最高的物種，其積累量最高可達細胞干重的4%；除雨生紅球藻外，Neochloriswimmeri［22］、衣藻Chlamydomonasnivalis、Chlorococcumsp.、傘藻AcetabulariamediterraneanScenedesmuskomarekii［23］、裸藻Euglenarubida、Chlorellazofingiensis、雪藻（snowalga,Chlamydomonasspp.&Chloromonasspp.）［24］等綠藻在不利的環(huán)境條件下也會積累或多或少的蝦青素；但這些蝦青素合成綠藻的缺點是：通常生長較慢，需要較長的培養(yǎng)周期；蝦青素的積累是逆境脅迫的產(chǎn)物，在正常的生長條件下沒有合成或很少合成；誘導蝦青素積累的逆境脅迫與藻細胞生物量積累是一對矛盾。3.4真菌某些真菌也可以合成蝦青素，如紅發(fā)夫酵母Phaffiarhodozyma、深紅酵母Rhodotorularubra、Penniophorasp.、Cryptococcus、Sporobolomyces和粘紅酵母Rhodotorulaglutinis等。其中，紅發(fā)夫酵母中蝦青素積累量較高，野生株系中達細胞十重的0.05%左右，某些突變株系中最多可達0.3%，并且其中所合成的類胡蘿卜素中蝦青素是主要成分，因而是目前微生物發(fā)酵生產(chǎn)蝦青素普遍采用的菌株。紅發(fā)夫酵母也被認為是除雨生紅球藻外最為合適的蝦青素來源［25］。但與紅球藻相似的是，紅發(fā)夫酵母中蝦青素的積累與菌體的生長速率也是一對矛盾，往往是在改變發(fā)酵條件用于增加蝦青素的合成量時菌體的產(chǎn)率相應降低。3.5細菌已知，乳酸分支桿菌Mycobacteriumlacticola和短桿菌Brevibacterium、及海洋細菌Agrobacteriumaurantiacum、Alcaligenes及Parococcuscarotinifaciens等細菌可以合成蝦青素。乳酸分支桿菌只在烴類培養(yǎng)基上產(chǎn)生蝦青素，而在營養(yǎng)瓊脂上不能合成蝦青素。短桿菌在石油里生長，發(fā)酵終了時生物量僅為3g/L，色素量只有0.3%?？紤]到該菌較慢的生長速度和較低的蝦青素含量以及烴類發(fā)酵的不利之處，該菌很難有生產(chǎn)應用價值。在上述的這些菌株中色素合成量都非常低，基本沒有利用價值。4蝦青素的應用4.1蝦青素在養(yǎng)殖業(yè)中的應用蝦青素最大的市場是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和家禽養(yǎng)殖業(yè),主要用作魚類(鮭魚、鱘魚、虹鱒魚、真鯛等)和蝦蟹等甲殼類動物及家禽的飼料添加劑。蝦青素是類胡蘿卜素合成的終點，因而，它進入動物體后可以不經(jīng)修飾或生化轉化而直接貯存沉積在組織中，并可與肌紅蛋白非特異性結合。因而，魚類和甲殼類對蝦青素的吸收和積累要比其他類胡蘿卜素如角黃質(canthaxanthin)、葉黃素(luxin)和玉米黃素(zeaxanthin)有效得多［26］。蝦青素不僅可以改善水生動物及禽類的色澤，對它們的生長繁殖也有很重要的作用，它可作為激素促進魚卵受精、減少胚胎發(fā)育的死亡率，促進個體生長、增加成熟速度和繁殖力。Christiansen】27］進行的一項實驗發(fā)現(xiàn)蝦青素對大西洋鮭魚苗的生長和存活都有顯著影響，只有當飼料中蝦青素含量達到5.3X10-6時大西洋鮭魚才能正常生長，而低于5.1X10-6時就停止生長；如果飼料中蝦青素含量低于1X10-6，則魚苗死亡率達到50%。Bendich［28］認為，蝦青素及其它類胡蘿卜素之所以可以提高未成年鮭鱒魚類的存活率，是因為它們可以提高動物的免疫力。Torrissen［26］發(fā)現(xiàn)，在某些特定水域中，成年鮭鱒魚類之所以不能繁衍后代，就是因為他們產(chǎn)的卵子中以及魚苗體內(nèi)缺乏蝦青素。蝦青素不僅可以提高魚類的存活率和繁殖力，它還可以提高母雞的產(chǎn)蛋率、促進蛋雞的健康。此外，蝦青素還可極大地提高產(chǎn)品的市場價值。在家禽飼料中添加蝦青素，也可使雞蛋蛋黃增加色素含量，這是歐洲消費者首先考慮的商品參數(shù)。蝦青素還能夠增加魚類的風味。Jeosephson用氣相色譜研究了煮熟的鮭魚的風味，從中鑒定出的幾種化合物均由蝦青素轉化而來。研究人員認為類胡蘿卜素既可直接作為形成鮭魚食品風味的前體化合物，也可促進脂肪酸或其他脂類前體物轉化成鮭魚的風味化合物。蝦青素目前的國際市場價格大約是每公斤2500美元。目前僅鮭魚飼料一項的年市場容量就超過1.85億美元，并以每年8%的速率遞增，顯示出極大的市場潛力。天然蝦青素作為蛋禽和家畜的飼料添加劑，目前的市場容量為1.25億美元，其需求也還在不斷地增長。4.2蝦青素用作食品添加劑蝦青素目前也已被用作食品添加劑用于食品的著色、保鮮及營養(yǎng)。蝦青素為脂溶性，具艷麗紅色和強抗氧化性能，對于食品尤其含脂類較多的食品，既有著色效果又可起到保鮮作用oBjerkeng等［29］的實驗結果表明蝦青素有助于鱒魚片的保鮮。在日本，用含蝦青素的紅色油劑用于蔬菜、海藻和水果的腌漬已申請專利，用于飲料、面條、調(diào)料的著色也均有專利報道。4.3蝦青素用于藥品和保健品隨著蝦青素生物功能研究的深入和藥理藥效試驗的逐步完善，蝦青素的最新也是非常有潛力的應用市場是藥品、化妝品和高級營養(yǎng)保健食品產(chǎn)業(yè)。在化妝品中添加蝦青素，不僅可以起到抗衰老、防曬的效果；而且還可以用在唇膏中，使其長時間保持著色的同時又有利于皮膚健康。日本也已有利用蝦青素的抗光敏作用生產(chǎn)化妝品的專利。制藥及食品工業(yè)利用蝦青素的抗氧化及免疫促進作用，做成藥物預防氧化組織損傷［30］及配制保健食品。人類視網(wǎng)膜中含有的多不飽和脂肪酸和高濃度氧比其他任何組織中都高，極易被由光氧化產(chǎn)生的單線態(tài)氧和氧自由基引起過氧化損傷。一項研究表明，蝦青素能通過血腦屏障，有效防止視網(wǎng)膜的氧化和感光器細胞的損傷，說明蝦青素在預防和治療“年齡相關性黃斑變性”、改善視網(wǎng)膜功能方面具有良好效果，該研究成果已申請專利［31］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)也都富含不飽和脂肪酸和鐵，代謝活性很高，極易受到氧化損傷，導致多種神經(jīng)系統(tǒng)的疾病。蝦青素具有保護神經(jīng)系統(tǒng)的能力，尤其是大腦和脊柱，能有效治療缺血性的重復灌注損傷、脊髓損傷、Parkinson氏綜合癥、Alzheimer氏綜合癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。最新的研究表明，給小鼠飼喂富含蝦青素的紅球藻藻粉，能顯著降低幽門螺桿菌對胃的附著和感染［32］，為此國外已開發(fā)了口服制劑作為抗感染藥物。美國BBC（BusinessCommunicationsCo.Inc.）公司的調(diào)查研究表明：1999年全球類胡蘿卜素的市場額約為7.86億美元，到2005年預計可達到9.35億美元，年均增長2.9%，銷量最大的類胡蘿卜素為蝦青素和3胡蘿卜素，它們各占類胡蘿卜素總銷量的28%，2000年全世界飼料工業(yè)對蝦青素的市場需求約為3億美元。5天然蝦青素的生物安全性人類日常食用的天然蝦蟹、魚類等水生動物中皆含有豐富的蝦青素，從這一點上來說，蝦青素對人類和水生動物是絕對安全的。盡管如此，還是有多個動物和人體試驗對蝦青素的生物安全性進行了驗證。Nishikawa等報道，口服高達10.4-18.0mg/g蝦青素含量的紅球藻藻粉的雌雄小鼠皆未發(fā)現(xiàn)有異常情況。人體以每天14.4mg蝦青素的劑量服用紅球藻粉兩周，不僅無任何致病效果，而且隨著蝦青素劑量的增加，血清中LDL的氧化速率反而明顯降低［33］。美國Aquasearch公司曾做過系統(tǒng)的人體安全性實驗：在29天的實驗期內(nèi)，33名健康成人每天分高（19.25mg）低（3.85mg）兩個劑量組服用雨生紅球藻粉來補充蝦青素。經(jīng)過詳細監(jiān)測志愿者的體重、皮膚顏色、血壓、近距離和遠距離視力、理解力、眼睛健康狀況，以及耳、鼻、喉、口、齒、胸、肺和反射反應，以及全面的血液和尿樣分析，結果表明，口服富含天然蝦青素的雨生紅球藻藻粉對人體無任何致病效應或毒副作用。該公司的產(chǎn)品也已經(jīng)通過了美國食品衛(wèi)生管理局的檢測，被批準作為膳食商品上市。綜上所述，蝦青素是一種非維生素A原的天然類胡蘿卜素，除著色功能外（還有許多優(yōu)良的生物學功能,對生命體的健康有極大的促進作用，在功能食品和醫(yī)藥等方面有廣闊的應用前景,可開發(fā)多種保健食品、醫(yī)藥產(chǎn)品和生物營養(yǎng)飼料。可見，蝦青素研究與開發(fā)將有一個光明而廣闊的前景［34］。參考文獻1.李浩明，高藍，蝦青素的結構功能及應用，精細化工，2003，20（1）：32-38.SavoureN,BriandG,etal.,VitaminAstatusandmetabolismofcutaneouspolyaminesinthehairlessmouseafterUVirradiation：actionofbeta-caroteneandastaxanthin.Int.JVitam.Nutr.Res.,1995,65(2):79-86.KobayashiM,HiraiN,etal.,Abscisicacid-dependentalgalmorphogenesisintheunicellulargreenalgaHaematococcuspluvialis.PlantGrowthRegul.,1997a,22:79-85.PalozzaPandKrinskyNL,Astaxanthinandcanthaxanthinarepotentantioxidantsinamembranemodel.Arch.Biochem.Biophys.,1992,297:291-295.WoodallAA,BrittonG,etal.,Carotenoidsandprotectionofphospholipidsinsolutionorinliposomesagainstoxidationbyperoxylradicals.Biochem.Biophys.Acta,1997,1336(3):578-586.MontsantA,ZarkaAandBoussibaS,Presenceofanonhydrolyzablebiopolymerinthecellwallofvegetativecellsandastaxanthin-richcystsofHaematococcuspluvialis.MarineBiotech.2001,3:515-521.TeraoJ,Antioxidantactivityof^-carotene-relatedcarotenoidsinsolution.Lipids,1989,24:659-661.LeeSH,MinDB,Effects,quenchingmechanismsandkineticsofcarotenoidsinchlorophyll-sensitisedphoto-oxidationofsoybeanoil.J.Agric.FoodChem.,1990,38(8):1630-1634.FukuzawaK,InokamiY,etal,Rateconstantsforquenchingsingletoxygenandactivitiesforinhibitinglipidperoxidationofcarotenoidsanda-tocopherolinliposomes.Lipids,1998,3:751-756.DiMP,DevasagayamTP,etal.,Biochem.Soc.Trans.,1990,18(6):1054-1056MikiW,HosodaK,etal.,Astaxanthin-containingdrink.Patentapplicationnumber10155459[P].JapanesePatentOffice,Publicationdate:16June,1998.CoronaV,AracriB,etal.,Regulationofacarotenoidbiosynthesisgenepromoterduringplantdevelopment.PlantJ.,1996,9(4):505-512.OshimaS,OjimaF,etal.,Inhibitoryeffectofbeta-caroteneandastaxanthinonphotosensitizedoxidationofphospholipidbilayers.Nutr.Sci.Vitaminnol.,1993,39(6):607-615.JyonouchiH,ZhangL,etal.,Immunomodulatingactionsofcarotenoids:enhancementofinvivoandinvitroantibodyproductiontoT-dependentantigens.Nutr.Cancer,1994,21(1):47-56.JyonouchiH,SunS,etal.,Effectsofvariouscarotenoidsoncloned,effector-stageT-helpercellactivity.Nutr.Cancer,1996,26(3):313-324.TanakaT,MorishitaY,etal.,Chemopreventionofmouseurinarybladderbythenaturallyoccurringcarotenoidastaxanthin.Carcinogenesis,1994,15(1):15-19.TanakaT,MakitaH,etal.,Chemopreventionofratoralcarcinogenesisbynaturallyoccurringxanthophylls,astaxanthinandcanthaxanthin.CancerRes.,1995,55(18):4059-4064.CarattollA,CogoniC,etal.,Molecularcharacterizationofupstreamregulatorysequencecontrollingthephotoinducedexpressionofthealbino-3geneofNeurosporacrassa.Mol.Microbiol.,1994,13(5):787-795.SavoureN,BriandG,etal.,VitaminAstatusandmetabolismofcutancouspolyaminesinthehairlessmouseafterUVirradiation：actionofbeta-caroteneandastaxanthin.Int.JVitam.Nutr.Res.,1995,65(2):79-86.ChewBP,ParkJS,etal.,Acomparisonoftheanticanceractivitiesofdietarybeta-carotene,canthaxanthinandastaxanthininmiceinvivo.AnticancerResearch,1999,19:1849-1853.BowenJ,LagockiS,etal.,Comparisonofastaxanthinaccumulationinrainbowtrout(Oncorhynchusmykiss)fedalgalandsyntheticastaxanthin.Abstractsofthe12thInternationalCarotenoidSymposium.Cairus,Australia,1999,201.OrosaM;TorresE;etal.,Productionandanalysisofsecondarycarotenoidsingreenalgae.J.Appl.Phycol.,2000,12(3-5):553-556.HanagataNandDubinskyZ,SecondarycarotenoidaccumulationinScenedesmuskomarekii(Chlorophyceae,Chlorophyta).J.Phycol.,1999,35(5):960-966.MullerT,BleiWetal.,SnowalgaefromnorthwestSvalbard:theiridentification,distribution,pigmentandnutrientcontent.PolarBiol.,1998,20:14-32.J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