天然蝦青素來源及分離的研究進展

張曉燕 劉 楠 周德慶

（1.中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東 青島 266071；2.中國海洋大學食品科學與工程學院，山東 青島 266003）

天然蝦青素來源及分離的研究進展

張曉燕1，2劉 楠1周德慶1

（1.中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東 青島 266071；2.中國海洋大學食品科學與工程學院，山東 青島 266003）

文章概述天然蝦青素的來源和存在形式，并探討堿提法、油溶法、有機溶劑萃取法、超臨界CO2萃取、酶解法等常用提取方法，對其效果進行評述。

蝦青素；功能；來源；分離

蝦青素分子式為C40H52O4，全稱3，3′－二羥基－4，4′－二酮基－β，β′－胡蘿卜素，廣泛存在于生物界中，比起類胡蘿卜素更容易被吸收和積累。蝦青素作為一種天然制劑，在醫(yī)藥、養(yǎng)殖、食品、化工等行業(yè)有十分廣闊的應用和發(fā)展前景。

1 天然蝦青素的生物學功能

蝦青素在體內發(fā)揮作用時無需轉變?yōu)榫S生素A，其作為一種非維生素A源類胡蘿卜素具有諸如保護視網膜和中樞神經系統(tǒng)、防紫外線輻射、預防心血管疾病、增強機體免疫力等［1］優(yōu)異的生物學功能。

1.1 抗氧化性

蝦青素分子結構中有很長的共軛雙鍵，此外在鏈末端還有由不飽和的酮基和羥基構成的α－酮羥基，具有活潑的電子效應，從而使蝦青素極易與自由基反應并將其清除，具有極強的抗氧化性能。蝦青素有“超級VE”之稱，被認為是目前為止發(fā)現(xiàn)的抗氧化能力最強的物質，是天然VE的1 000倍。Kiyotaka等［2］通過隨機、雙盲人體試驗證明服用蝦青素有助于改善紅細胞抗氧化性能，降低磷脂氫過氧化物水平。

1.2 抗癌特性

免疫學研究［3］表明，蝦青素具有比β－胡蘿卜素更強的抑制癌變的能力，能直接作用于免疫系統(tǒng)，縮小腫瘤。研究［4］表明，蝦青素具有提高抗腫瘤免疫應答的功能，可以在一定程度上減少小鼠的胃癌、結腸癌、口腔癌和膀胱癌等的發(fā)生，降低黃曲霉素的致癌性，并可以作為光保護劑，防止由光輻射引起的皮膚衰老和皮膚癌。

1.3 增強免疫

蝦青素具有很高的免疫調節(jié)活性，可以促進人體免疫球蛋白的產生；與其抗氧化功能結合，可以有效的防止疾病的發(fā)生與傳播。喂食蝦青素能夠同時增強抗體反應和體液免疫，減緩免疫能力的下降，增強體內T細胞的功能，增加嗜中性白細胞的數(shù)目，參與機體細胞免疫。試驗［5，6］表明喂食蝦青素可以增強抗體反應和體液免疫，提高動物的免疫力；增強狗的細胞免疫和體液免疫反應，減輕DNA的損傷及炎癥。

1.4 著色作用

蝦青素本身是艷麗的紅色，生物體內是類胡蘿卜素合成的終點，具有極強的色素沉著能力。蝦青素進入動物體內后不經修飾或生化轉化就可以直接貯存、沉積在組織中，可以作為功能性色素應用于各個工業(yè)領域中。大量動物試驗［7，8］表明，在餌料中添加適量的蝦青素可改善皮膚和肌肉的顏色，從而提高水產動物的觀賞性和商品價值。以南極磷蝦和糠蝦作為蝦青素來源喂食紅海鯉的試驗［9］發(fā)現(xiàn)魚體皮膚著色效果明顯并得以保持。

1.5 其他功能

此外蝦青素還能夠提高魚蝦存活率，減少傳染病，促進胚胎早期發(fā)育［10］等；應用于食品工業(yè)上可以起到保鮮，防止變色、變味、變質的作用；因其抗氧化、抗皺、防紫外線輻射的作用，在化妝品領域也得以應用［11］；值得一提的是蝦青素是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一可以有效阻止糖尿病腎損傷的物質，多項研究［12］發(fā)現(xiàn)蝦青素還可以預防動脈硬化、白內障、心血管等疾病的發(fā)生，還可以起到營養(yǎng)增補劑的作用。

2 天然蝦青素的來源和存在形式

目前蝦青素的生產主要有化學合成和天然提取兩種方式?；瘜W合成的蝦青素價格昂貴，并且在分子結構、生物學功能、應用效果及生物安全性能方面和天然蝦青素存在顯著差異。人工合成的蝦青素是3種不同構型的混合物，其中以3R，3′S（右旋）為主，這也決定了其穩(wěn)定性和抗氧化活性明顯低于天然蝦青素，生物吸收效果及著色性也差于天然蝦青素，在動物體內無法轉化為天然蝦青素；另一方面人工合成過程中不可避免的會產生污染，導致一定的安全隱患的產生，安全性能降低。

天然蝦青素在生物體內往往與蛋白質結合存在，呈現(xiàn)青、棕等不同顏色；加熱使蛋白質變性后，釋放出的蝦青素是鮮艷的紅色；其分子結構式中具有羥基，易與羧基結合生成穩(wěn)定的蝦青素酯，因此大多數(shù)天然蝦青素是以蝦青素酯的狀態(tài)存在，有的是一元酯，有的則是二元酯。

天然蝦青素的來源有5種：細菌、原生動物、真菌、微藻以及甲殼類動物。其中細菌菌體因其生長慢、合成量極低，基本沒有利用價值［13］；而原生動物中的蝦青素并不是本身合成所得，也不加考慮。目前天然蝦青素的生產來源主要是微藻、真菌和甲殼類動物。

2.1 藻類

研究［14］發(fā)現(xiàn)很多種類的藻類如雪藻、衣藻、裸藻、傘藻等都含有蝦青素，其中血紅裸藻中蝦青素的含量可達細胞干重的0.5%；但這些藻類的生長較慢，需要較長的培養(yǎng)周期。

目前國內外報道最多的是雨生紅球藻，其生長過程中若氮源缺乏，體內就會積累蝦青素。研究［15］表明雨生紅球藻對蝦青素的積累量最高可達到細胞干重的4%，積累速率和生產總量比其它綠藻類高；而且所含蝦青素及其酯類的配比（約70%的單酯，25%的二酯及5%的單體）與水產養(yǎng)殖動物自身配比極為相似，這是通過化學合成和利用紅法夫酵母等提取的蝦青素所不具備的優(yōu)勢。此外，雨生紅球藻中以3S－3′S型蝦青素為主，與鮭魚等生物體內蝦青素分子結構基本上是一致的。因此雨生紅球藻目前被公認是自然界中生產天然蝦青素的最好生物來源，利用其提取蝦青素具有廣闊的發(fā)展前景，成為近年來國際上天然蝦青素生產的研究熱點。

但遺憾的是其中87%天然蝦青素是以酯化狀態(tài)存在，可能具有較差的生物學效價；再加上藻類對環(huán)境要求很高如水質、環(huán)境及光，及其自身生長慢、生物量低等因素影響了藻類規(guī)?；a蝦青素的進程。

2.2 真菌

某些真菌也可以合成蝦青素，如紅法夫酵母、豁紅酵母、深紅酵母等，其中法夫酵母被認為是積累蝦青素量最高的真菌類。早在1976年，Andrewes等［16］在法夫酵母中發(fā)現(xiàn)蝦青素，引起了廣泛關注。法夫酵母中的紅法夫酵母又被認為是目前真菌發(fā)酵生產中最為合適的蝦青素來源［17］，能夠在多種碳氮源條件下快速生長，是一種極具產業(yè)化前景的天然蝦青素資源，野生法夫酵母約含200～500μg／g干酵母的類胡蘿卜素，其中90%為蝦青素。與藻類、甲殼類相比，具有可在發(fā)酵罐中快速代謝和高細胞密度生產等優(yōu)點。

但為了提高法夫酵母的蝦青素產量，克服含量低的缺點，需要大量添加碳源和氮源尤其是價格很高的有機氮源（酵母膏和蛋白胨等），因此生產成本增加，不利于商業(yè)化生產。目前利用真菌進行蝦青素工業(yè)生產的研究重點是高產菌株的選育、發(fā)酵工藝及規(guī)律的探索、廉價發(fā)酵底物的研究以及其生理功能等。

2.3 甲殼類動物

目前國內外每年會產生1 000萬t左右的蝦蟹加工業(yè)的甲殼類廢棄物，從甲殼類廢棄料中提取回收蝦青素成為生產天然蝦青素的主要途徑之一，既能增加經濟收益，又可以收到較好的社會效益如減弱廢水的色度，減少污染。但是甲殼動物（如蝦及蟹）的殼內中的蝦青素主要以酯的形式存在，為蝦青素的提取帶來了困難。近年來，挪威等國家在處理過程中加入無機酸或有機酸，破壞蝦青素與蛋白質或骨骼的部分結合，增加蝦青素的釋放量，回收率可以達到180μg／g，且純度大大提高；但產品產量和純度仍然滿足不了市場要求，而且生產條件要求苛刻并且成本高昂，因此目前僅有極少數(shù)國家采用此法生產蝦青素。

甲殼類廢棄物易腐敗變質，體積大，運輸成本相對高，再加上蝦青素含量低且變化大，以及蝦青素的結合態(tài)、甲殼的顆粒大小等也限制了蝦青素的提取等原因，目前還未找到更好的大規(guī)模工業(yè)生產蝦青素的方法。

3 天然蝦青素的分離提純

目前已經證實天然蝦青素是一種非常安全的類胡蘿卜素，其LD50值處于實際無毒級。目前，國內外許多生物技術公司致力于開發(fā)研究天然蝦青素產品，但其產量和純度還遠不能滿足市場的需求。

3.1 堿提法

天然蝦青素大多與蛋白質結合，以類胡蘿卜素蛋白結合物的形式存在。堿提法的原理是利用酸將其中的CaCO3溶解，再利用堿（NaOH＋Na2CO3）將蝦青素分離，從而將蛋白質溶出，達到提取蝦青素的目的。丁純梅等［18］將龍蝦殼在1mol／L HCl浸泡24h后，用2mol／L NaOH 回流10h，提取率可達4.5%～50%（以濕重計）；杜云健等［19］采用低溫稀堿浸提法提取蝦殼，提取率可達到9.31%（以濕重計）。倪輝等［20］研究了酸法提取法夫酵母中的蝦青素，提取量可達1 294.7μg／g。

近年來對酸堿提取蝦青素的研究報道較少，主要是因為堿提法需要消耗大量的酸、堿，易造成環(huán)境污染；而且蝦青素在堿性環(huán)境下經過高溫處理很容易被氧化為蝦紅素，導致顏色發(fā)生改變。

3.2 油溶法

蝦青素是脂溶性物質，這為油溶法提取蝦青素奠定了基礎。所謂油溶法主要是采用可食用油脂提取，最常見的是大豆油，也可采用步魚油、鯡魚油、鱈魚肝油等魚油；相同的工藝條件下大豆油優(yōu)于步魚油和鯡魚油的提取效果明顯；此外油的種類、用量和提取溫度都會影響蝦青素的提取。Sontaya等［21］以雨生紅球藻為來源，以豆油作為溶劑提取，提取率達到（36.36±0.79）%，以橄欖油作為溶劑提取，提取率達到（51.03±1.08）%；Akdes等［22］利用棕櫚油作為溶劑對蝦殼進行提取，表明加工過程中應盡量避免溫度高于70℃，且應盡量縮短處理時間。

油溶法提取蝦青素雖然安全無毒，提取效率高；但濃度較低，需要采用柱層析方法進一步純化；而且與高沸點的油不易分離，造成分離成本較高，應用范圍受到限制。

3.3 有機溶劑萃取法

蝦青素分子結構中僅有兩個羥基，卻存在大量的疏水基團，因此蝦青素不溶于水而溶于有機溶劑，這一性質為有機溶劑萃取蝦青素提供了基礎。常用的有機溶劑有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、正己烷及混合溶劑等。杜春霖［23］以二氯甲烷為萃取劑，輔助微波處理，提取率達到3.92%。Alvarez等［24］以冷凍干燥的南極磷蝦廢棄物為原料，以丙酮為萃取劑，提取率達到129.5mg／g。

選擇低沸點的有機溶劑萃取蝦青素，提取液經過旋蒸可得到高濃度的蝦青素油，且有機溶劑可以回收利用；但提取過程中原料需要低溫干燥處理，成本較高，而且有機溶劑的殘留問題也可能影響蝦青素在食品和藥品等對安全性要求較高領域的應用。

3.4 超臨界CO2萃取法

近年來超臨界流體CO2萃?。⊿CFE）技術因為CO2無毒無害、溶解能力強、成本低等一系列的優(yōu)點，成為首選的工業(yè)萃取技術。周湘池等［25］研究了溫度、壓力、萃取時間、CO2流量等對萃取效果的影響，影響顯著性為壓力＞時間＞流量＞溫度。Andrea等［26］以凍干巴西紅斑蝦廢料（包括蝦頭、蝦尾和蝦殼）為原料，最終確定最佳工藝條件為萃取溫度43℃，萃取壓力37MPa。周雪晴等［27］研究發(fā)現(xiàn)利用超臨界CO2技術從海南對蝦殼中提取蝦青素，二氯甲烷作為夾帶劑的加入可大大改善萃取效果，通過正交試驗表明最佳工藝條件為萃取壓力35MPa，萃取溫度60℃。

超臨界流體CO2萃取技術由于提取產品純度高、溶劑殘留少、無毒副作用等優(yōu)點而被重視；但目前用于大規(guī)模工業(yè)生產尚存在一定困難，主要是因為設備前期投資大、生產技術要求高等。

3.5 酶解法

酶水解反應條件溫和，對蝦青素的破壞小，被廣泛使用。周錦珂等［28］利用纖維素酶酶解、乙醇提取雨生紅球藻，提取率可達94.6%。姜淼等［29］用內源酶（以蛋白酶、酯酶、幾丁質酶和多酚氧化酶為主）酶解蝦殼，蝦青素的萃取率可達到32.16μg／g（濕蝦殼），比直接超聲波提取提高28%。

目前研究最多的是利用木瓜蛋白酶進行酶解，該法具有化學試劑用量少，蛋白質容易回收，且只選擇性降解甲殼素的GlcNAc－GleN糖苷鍵［30］的優(yōu)勢，有利于蝦青素的提取。錢飛等［31］以克氏原螯蝦殼為原料，利用木瓜蛋白酶對其水解，每克濕蝦殼含總類胡蘿卜素的提取率達到115.76μg，比用酸處理法提取提高了13.82%。趙儀等［32］在蝦仁廢棄物中加入1.30%木瓜蛋白酶，濕蝦殼總類胡蘿卜素釋放率為63.059μg／g，比直接用有機溶劑提取方法釋放率提高了19.879%。

3.6 其他方法

倪輝等［33］選用由 0.28g／L（NH4）2SO4，0.49g／L KNO3以及1.19g／L牛肉湯組成的混合液作為法夫酵母的氮源，最大產量可以達到7.71mg／L或1.00mg／g；畢文濤等［34］利用超聲波技術從蝦廢棄物中提取，與常規(guī)方法（46.7μg／g）相比提取率增加到98%（92.7μg／g）；陳志強等［35］選用AB－8大孔吸附樹脂從蝦殼中分離提取，吸附量達到（24.17±0.5）mg／g；周燕等［36］研究了利用魚鱗對蝦頭、蝦殼水解廢液中的蝦青素進行提取，利用鯽魚魚鱗在pH大于13條件下，采用丙酮∶石油醚（1∶1）混合試劑進行浸提時效果最佳。

4 展望

蝦青素具有抗氧化、保護視網膜、防紫外線輻射、著色等多種生物學性能，口服蝦青素制品可以預防諸如動脈硬化、白內障、心血管以及一些癌癥等疾病的發(fā)生，可以增強機體免疫力等［37］。蝦青素具有很高的經濟價值，因其強大的生物學性能以及安全、無毒副作用等優(yōu)勢被廣泛應用于食品、化工、飼料等行業(yè)，特別是在醫(yī)藥方面有廣泛的應用前景。目前蝦青素制品的產量和純度都遠不能滿足市場需求，因此加快蝦青素產品的研制開發(fā)，有十分重要的意義。

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Study on the source and extraction of natural astaxanthin

ZHANG Xiao－yan1，2LIU Nan1ZHOU De－qing1

（1.Yellow Sea Fishery Research Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Qingdao，Shandong266071，China；2.College of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao，Shandong266003，China）

In this paper，the sources and existence forms were summarized.And the common methods which were usually adopted to extract astaxanthin such as alkali formulation，oily solvent method，organic solvent extraction，supercritical CO2extraction and enzymolysis method had been described.

astaxanthin；function；source；extraction

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.069

納米海洋功能食品體系的構建與研究（編號：2060322011017）

張曉燕（1986－），女，中國海洋大學在讀碩士研究生。E－mail：xinyan16300＠yahoo.com.cn

周德慶

2011－10－25