虾青素的功能及应用

虾青素的功能及应用进展李兆华（山东省环科院，济南，250013）摘要：虾青素是一种极具潜力的类胡萝卜素，具有抗氧化、增强免疫和预防癌症等功效。本文主要综述了国内外在虾青素的功能及应用方面的进展。关键词：虾青素，类胡萝卜素，抗氧化，1虾青素的结构虾青素，是一种氧化型的类胡萝卜素，化学名称为3,3'-二羟基-4,4'-二酮基书。-胡萝卜素，分子式为c40h52o4。在某些绿藻、细菌和某些酵母菌中，作为次生类胡萝卜素积累。在虾青素分子中，不仅同其他类胡萝卜素一样具有很长的共轭双键，而且在共轭双键链的末端还有不饱和酮基和羟基，羟基和酮基又构成a-羟基酮（见图1）。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电子，使其极易与自由基发生反应而清除自由基，从而起到抗氧化作用。因而，虾青素不仅具有一般类胡萝卜素的生理功能，而且，由于它特有的结构赋予的超强抗氧化特性，使其具有更为突出的生理功能［1］。图1虾青素的分子结构Figure1Molecularstructureofastaxanthin2虾青素的功能2.1虾青素的抗氧化能力虾青素同其他类胡萝卜素一样具有抗氧化活性，在生物体中表现为猝灭单线态氧⑵，清除自由基，阻止脂质过氧化【Ml等功能。并且越来越多的证据显示虾青素的抗氧化特性强于。-胡萝卜素【7］、玉米黄素（zeaxanthin,3,3'-二羟基书-胡萝卜素）［8】、角黄质（4,4'-二酮基书-胡萝卜素）、维生素C和维生素E【9］。虾青素是一类断链抗氧化剂，它特有的结构使其具有比其他类胡萝卜素更强的抗氧化特性。Di等［10］研究了多种类胡萝卜素猝灭分子氧的能力，发现猝灭分子氧的能力为：虾青素〉a-胡萝卜素＞&-胡萝卜素＞红木素〉玉米黄质〉黄体素〉胆红素＞胆绿素。Terao等⑺利用测定甲基亚麻酸氢过氧化物的生成来测验类胡萝卜素的抗氧化功能，发现虾青素由于在a-羟基酮环的C-4和-4’位置上含有氧基团，可有效地延缓氢化过氧化物的形成，而且虾青素的自催化氧化速度比&-胡萝卜素和玉米黄素慢得多，虾青素是比&-胡萝卜素更有效的抗氧化剂。Lee等【8止匕较了包括虾青素在内的共轭双键数不同的5种类胡萝卜素在豆油光氧化作用中猝灭活性氧的作用，发现此作用随类胡萝卜素共轭双键数增加而增加，以虾青素的作用为最强。Miki［11］以含亚铁粒子的血红蛋白作为自由基产生者，用硫代巴比妥酸法检测各受试类胡萝卜素、维生素E等的抗氧化性，结果表明：虾青素抗脂肪氧化的能力最强，比。-胡萝卜素高10倍，比维生素E高100倍，故又称'超级维生素E’。虾青素可解除光诱导产生的氧化胁迫，抑制光敏作用能力强。Corona等［⑵分析了虾青素、黄体素、。-胡萝卜素等保护小鼠肾纤维细胞免受UVA诱导产生的氧化压力的能力，发现虾青素（10nmol/L）、。-胡萝卜素（1mmol/L）和叶黄素（1mmol/L）均可保护机体免受UVA光诱导的氧化胁迫，而虾青素的效果最佳。Oshima等［13］将组成蛋黄卵磷脂的大型单片脂质体添加水溶性光敏物质或脂溶性光敏物质后进行光照辐射，用以检测虾青素和。-胡萝卜素抑制磷脂双分子层的光敏氧化作用的效果。结果表明，虾青素比。-胡萝卜素抑制光敏氧化作用的能力强。2.2增强机体免疫力虾青素能显著提高动物的免疫能力。小鼠活体实验表明，虾青素能显著促进胸腺依赖抗原（TD-Ag）刺激时抗体的产生，分泌IgM和IgG的细胞数增加，这一效应尤其有助于恢复老龄动物的体液免疫，而叶黄素和P-胡萝卜素的这一效应却比较弱［14］。此外，虾青素还能增强小鼠释放白细胞介素-Ia和肿瘤坏死因子a，其作用比6-胡萝卜素和角黄质强得多。有抗原存在时，虾青素也能显著促进脾细胞产生抗体的能力，增强T细胞刺激下人体内血细胞免疫球蛋白的产生［15］。2.3预防癌症Tanaka等［16］观察了虾青素对N-J基-N-（4-羟丁基）-亚硝胺（ON-BBN）诱导的小鼠膀胱癌的化学预防作用，发现服用虾青素的小鼠膀胱癌发生率显著降低。用4-硝基喹啉-1-氧化物诱发F344大鼠口腔癌的类似试验中，虾青素也能显著降低口腔肿瘤的发生US虾青素还能降低黄曲霉毒素的致癌性，对减少黄曲霉毒素诱导的肝肿瘤细胞的数量和体积效果良好［18］。为了研究虾青素等类胡萝卜素肿瘤预防发生的机理，Savoured］用表皮鸟氨酸脱羧酶（ODC）活性和游离多胺浓度为指标，检测UV-A和UV-B辐照前后SKHI裸鼠表皮的多胺代谢，结果发现实验组ODC远低于对照组，且以虾青素组的抑制作用为最强，说明虾青素抑制肿瘤发生的效应在于对肿瘤增殖的抑制。口服虾青素还能抑制乳腺癌的生长，其较低的剂量效应在。-胡萝卜素和角黄质中是不存在的［20］。3虾青素的主要来源虾青素主要存在于水生动物、藻类、真菌、细菌等生物类群中，这些生物都是虾青素的潜在来源。目前化学合成虾青素也已成为事实。但究竟哪一种来源更为经济和高效，下面分别就上述的几种来源进行分析和阐述。3.1化学合成人工合成虾青素比较困难，而且大多数为顺式结构，并且在体内不能转化成天然的反式构型。美国食品卫生管理局（FDA）仅批准反式结构的虾青素用于水产养殖的添加剂，而且不准任何化学合成产品进入保健食品市场。目前仅有瑞士Hoffmann-LaRoche公司成功地合成了反式虾青素并投入市场，商品名为CarophyllPink（加丽素粉红），虾青素含量约为5%-10%。动物体对化学合成的虾青素吸收能力较弱，并且与天然虾青素相比其着色能力和生物效价低得多I”】。随着天然虾青素产业的兴起，这种低效的产品会逐渐被淘汰。但目前，由于生物来源的虾青素产量还不够高，化学合成的虾青素在水产养殖中仍具有一定的竞争优势。3.2甲壳类动物加工的废弃物甲壳类动物的甲壳中含有虾青素，可以利用废弃的甲壳提取虾青素。当前，国外的虾蟹加工业每年有1000万吨的甲壳类水产品的废弃物。但甲壳中虾青素的含量很低，而灰分和几丁质含量则较高，这极大地限制了虾青素的提取和再利用。目前，挪威等国采用的青贮技术的回收率较高（180佬/g废弃物），且纯度也较其他处理方法高。3.3微藻据目前所知雨生红球藻是虾青素含量最高的微藻，也是所有已知的虾青素合成生物体中积累量最高的物种，其积累量最高可达细胞干重的4%；除雨生红球藻外，Neochloriswimmeri［22］、衣藻Chlamydomonasnivalis、Chlorococcumsp.、伞藻AcetabulariamediterraneanScenedesmuskomarekii［23］、裸藻Euglenarubida、Chlorellazofingiensis、雪藻（snowalga,Chlamydomonasspp.&Chloromonasspp.）［24］等绿藻在不利的环境条件下也会积累或多或少的虾青素；但这些虾青素合成绿藻的缺点是：通常生长较慢，需要较长的培养周期；虾青素的积累是逆境胁迫的产物，在正常的生长条件下没有合成或很少合成；诱导虾青素积累的逆境胁迫与藻细胞生物量积累是一对矛盾。3.4真菌某些真菌也可以合成虾青素，如红发夫酵母Phaffiarhodozyma、深红酵母Rhodotorularubra、Penniophorasp.、Cryptococcus、Sporobolomyces和粘红酵母Rhodotorulaglutinis等。其中，红发夫酵母中虾青素积累量较高，野生株系中达细胞十重的0.05%左右，某些突变株系中最多可达0.3%，并且其中所合成的类胡萝卜素中虾青素是主要成分，因而是目前微生物发酵生产虾青素普遍采用的菌株。红发夫酵母也被认为是除雨生红球藻外最为合适的虾青素来源［25］。但与红球藻相似的是，红发夫酵母中虾青素的积累与菌体的生长速率也是一对矛盾，往往是在改变发酵条件用于增加虾青素的合成量时菌体的产率相应降低。3.5细菌已知，乳酸分支杆菌Mycobacteriumlacticola和短杆菌Brevibacterium、及海洋细菌Agrobacteriumaurantiacum、Alcaligenes及Parococcuscarotinifaciens等细菌可以合成虾青素。乳酸分支杆菌只在烃类培养基上产生虾青素，而在营养琼脂上不能合成虾青素。短杆菌在石油里生长，发酵终了时生物量仅为3g/L，色素量只有0.3%。考虑到该菌较慢的生长速度和较低的虾青素含量以及烃类发酵的不利之处，该菌很难有生产应用价值。在上述的这些菌株中色素合成量都非常低，基本没有利用价值。4虾青素的应用4.1虾青素在养殖业中的应用虾青素最大的市场是水产养殖业和家禽养殖业,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。虾青素是类胡萝卜素合成的终点，因而，它进入动物体后可以不经修饰或生化转化而直接贮存沉积在组织中，并可与肌红蛋白非特异性结合。因而，鱼类和甲壳类对虾青素的吸收和积累要比其他类胡萝卜素如角黄质(canthaxanthin)、叶黄素(luxin)和玉米黄素(zeaxanthin)有效得多［26］。虾青素不仅可以改善水生动物及禽类的色泽，对它们的生长繁殖也有很重要的作用，它可作为激素促进鱼卵受精、减少胚胎发育的死亡率，促进个体生长、增加成熟速度和繁殖力。Christiansen】27］进行的一项实验发现虾青素对大西洋鲑鱼苗的生长和存活都有显著影响，只有当饲料中虾青素含量达到5.3X10-6时大西洋鲑鱼才能正常生长，而低于5.1X10-6时就停止生长；如果饲料中虾青素含量低于1X10-6，则鱼苗死亡率达到50%。Bendich［28］认为，虾青素及其它类胡萝卜素之所以可以提高未成年鲑鳟鱼类的存活率，是因为它们可以提高动物的免疫力。Torrissen［26］发现，在某些特定水域中，成年鲑鳟鱼类之所以不能繁衍后代，就是因为他们产的卵子中以及鱼苗体内缺乏虾青素。虾青素不仅可以提高鱼类的存活率和繁殖力，它还可以提高母鸡的产蛋率、促进蛋鸡的健康。此外，虾青素还可极大地提高产品的市场价值。在家禽饲料中添加虾青素，也可使鸡蛋蛋黄增加色素含量，这是欧洲消费者首先考虑的商品参数。虾青素还能够增加鱼类的风味。Jeosephson用气相色谱研究了煮熟的鲑鱼的风味，从中鉴定出的几种化合物均由虾青素转化而来。研究人员认为类胡萝卜素既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。虾青素目前的国际市场价格大约是每公斤2500美元。目前仅鲑鱼饲料一项的年市场容量就超过1.85亿美元，并以每年8%的速率递增，显示出极大的市场潜力。天然虾青素作为蛋禽和家畜的饲料添加剂，目前的市场容量为1.25亿美元，其需求也还在不断地增长。4.2虾青素用作食品添加剂虾青素目前也已被用作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，对于食品尤其含脂类较多的食品，既有着色效果又可起到保鲜作用oBjerkeng等［29］的实验结果表明虾青素有助于鳟鱼片的保鲜。在日本，用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。4.3虾青素用于药品和保健品随着虾青素生物功能研究的深入和药理药效试验的逐步完善，虾青素的最新也是非常有潜力的应用市场是药品、化妆品和高级营养保健食品产业。在化妆品中添加虾青素，不仅可以起到抗衰老、防晒的效果；而且还可以用在唇膏中，使其长时间保持着色的同时又有利于皮肤健康。日本也已有利用虾青素的抗光敏作用生产化妆品的专利。制药及食品工业利用虾青素的抗氧化及免疫促进作用，做成药物预防氧化组织损伤［30］及配制保健食品。人类视网膜中含有的多不饱和脂肪酸和高浓度氧比其他任何组织中都高，极易被由光氧化产生的单线态氧和氧自由基引起过氧化损伤。一项研究表明，虾青素能通过血脑屏障，有效防止视网膜的氧化和感光器细胞的损伤，说明虾青素在预防和治疗“年龄相关性黄斑变性”、改善视网膜功能方面具有良好效果，该研究成果已申请专利［31］。中枢神经系统也都富含不饱和脂肪酸和铁，代谢活性很高，极易受到氧化损伤，导致多种神经系统的疾病。虾青素具有保护神经系统的能力，尤其是大脑和脊柱，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。最新的研究表明，给小鼠饲喂富含虾青素的红球藻藻粉，能显著降低幽门螺杆菌对胃的附着和感染［32］，为此国外已开发了口服制剂作为抗感染药物。美国BBC（BusinessCommunicationsCo.Inc.）公司的调查研究表明：1999年全球类胡萝卜素的市场额约为7.86亿美元，到2005年预计可达到9.35亿美元，年均增长2.9%，销量最大的类胡萝卜素为虾青素和3胡萝卜素，它们各占类胡萝卜素总销量的28%，2000年全世界饲料工业对虾青素的市场需求约为3亿美元。5天然虾青素的生物安全性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虾青素，从这一点上来说，虾青素对人类和水生动物是绝对安全的。尽管如此，还是有多个动物和人体试验对虾青素的生物安全性进行了验证。Nishikawa等报道，口服高达10.4-18.0mg/g虾青素含量的红球藻藻粉的雌雄小鼠皆未发现有异常情况。人体以每天14.4mg虾青素的剂量服用红球藻粉两周，不仅无任何致病效果，而且随着虾青素剂量的增加，血清中LDL的氧化速率反而明显降低［33］。美国Aquasearch公司曾做过系统的人体安全性实验：在29天的实验期内，33名健康成人每天分高（19.25mg）低（3.85mg）两个剂量组服用雨生红球藻粉来补充虾青素。经过详细监测志愿者的体重、皮肤颜色、血压、近距离和远距离视力、理解力、眼睛健康状况，以及耳、鼻、喉、口、齿、胸、肺和反射反应，以及全面的血液和尿样分析，结果表明，口服富含天然虾青素的雨生红球藻藻粉对人体无任何致病效应或毒副作用。该公司的产品也已经通过了美国食品卫生管理局的检测，被批准作为膳食商品上市。综上所述，虾青素是一种非维生素A原的天然类胡萝卜素，除着色功能外（还有许多优良的生物学功能,对生命体的健康有极大的促进作用，在功能食品和医药等方面有广阔的应用前景,可开发多种保健食品、医药产品和生物营养饲料。可见，虾青素研究与开发将有一个光明而广阔的前景［34］。参考文献1.李浩明，高蓝，虾青素的结构功能及应用，精细化工，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.JohnsonEAandSchroederWA,AstaxanthinfromtheyeastPhaffiarhodozyma.Stud.Mycol.,1996,38:119-178.TorrissenOJ,ChristiansenR,Requirementsforcarotenoidsinfishdiets.J.Appl.Ichthyol.,1995,11:225-230.ChristiansenP,GletteJ,etal.,AntioxidantstatisandimmunityinAtlanticsalmon,SalmosalarL.,fedsemi-purifieddietswithandwithoutastaxanthinsupplementation.J.FishDiseases,1995,18:317.BendichA,Carotenoidsandtheimmunesystem.In:CarotenoidsChemistryandBiology,KrinskyNI,etal.,NewYork,PlenumPress,1990,323-350.BjerkengB,JohnsonG,Frozenstoragequalityofrainbowtrout(Oncorkynchusmykiss)asaffe