1、 1 本科毕业论文 文献综述 环境 工程 虾青素的研究进展 摘要 ： 虾青素是一种广泛存在于生物体的红色素， 它 的 生理与药理功能 远比类胡萝卜素强得 多 ，已 成为近年来国内外研究的热点。本文 扼要介绍了 虾青素的来源 、 结构 与 性质 ，重点对 虾青素的 天然提取、人工合成 及其 应用的国内外研究进展进行了综述 。 关键词 ： 虾青素； 天然红色素 ； 提取；化学合成 1 前言 虾青素即 3,3-二羟基 -4,4-二酮基 -,胡萝卜素，又名虾黄素，虾黄质，龙虾壳色素。虾青素相对分子质量 596.86，分子式 C40 H52O4。虾青素具脂溶性，不溶于水，易溶于 氯仿、丙酮、苯和二硫化碳
2、等有机溶剂。它是一种非维生素 A源的类胡萝卜素，在动物体内不能转变为维生素 A，但它是一种不断链抗氧化 1。在分子中有很长的共轭乙烯基和共轭链末端的不饱和羰基，这些结构有较活泼的电子效应，可高效率地淬灭单线态氧和清除自由基，因而虾青素享有 “超级维生素 E”的美誉 2。同时， Woodall等发现虾青素具有降低脂质过氧化的作用，可保护磷脂酰胆碱脂质不受氧化 3。它不仅具有很强的抗氧化性、抗肿瘤及增强免疫生理功能，并且拥有艳丽红色和极强色素沉积能力，国内外已成功用于高档水产养殖。天然虾青素主要存在于一些植物和微生物中，动物不能自身合成虾青素，必须从食物中摄取。 天然虾青素的来源有五种，即酵母菌、
3、藻类、农作物、甲壳类动物、细菌和原生动物。本文着重阐述了天然虾青素从动物或动物副产物中，从藻类中，从微生物发酵中提取。并且因为虾青素具有着色功能和极强的抗氧化性，提高免疫力等功能。本文针对虾青素的综合利用，阐述了天然虾青素在着色剂、食品、医药、化妆品、免疫剂等领域的应用。 2 虾青素的来源分布 虾青素广泛分布于生物界，特别是水生生物的虾、蟹、鱼和鸟类的羽毛中，起显色作用。但绝大多数海产甲壳动物和鱼类等 自身不能合成虾青素，而仅通过食物链从海洋微藻、浮游动植物获取。天然虾青素虽然来源广泛，但含量较低，如在每克虾、蟹的废弃物中的含量约为 80g，在蟹卵中的含量略高一些 4。到目前发现天然虾青素的来
4、源有五种，即酵母菌、藻类、农作物、甲壳类动物、细菌和原生动物 5。日本东京 Kirin酿造公司和海洋生物技术研究所的科学家，已经克隆了参与海洋细菌体内的红色素 “虾青素 ”生成基因。 2 3 虾青素的生产 3.1 化学合成 虾青素合成过程十分复杂，要经由多步化学和生物催化反应才能完成 6。虾青素是类胡萝卜素合成的终点，由 -胡萝卜素转变为虾青素需加上 2个酮基和羟基。人工化学合成比较困难，而且大多为顺式结构，并且人工合成的反式虾青素价格昂贵，限制了其广泛应用。目前，由于生物来源的虾青素含量还不够高，化学合成的虾青素仍具有一定的竞争优势。 虾青素的化学合成路线主要有两种，一是间接由 C15+C1
5、0+C15合成其它类胡萝卜素如四十碳的角黄素，再由该类胡萝卜素氧化生成双 甲硅烷基 烯醇醚中间体，再经酸酰化而得；另一种方式是直接由 C15+C10+C15合成而得。到目前为止用化学合成法来工业化生产虾青素的公司只有瑞士的罗氏公司，其产品的 商品名为加丽素粉红，虾青素含量为 5%10%。由于涉及商业秘密及知识产权的保护，罗氏公司至今均未详细公开合成虾青素的具体工艺及参数7。 3.2 虾青素的天然提取 天然的虾青素存在于某些动植物、藻类及微生物之中，因而其生产又可分为从动物或动物副产物中提取，从藻类中提取或采用微生物发酵 8。相比而言，从生物体内提取的虾青素大多为反式结构，使用安全并具有环境友好
6、性，有广阔的发展前景 9。虾青素的提取和精制的方法大体可以归纳为：溶剂萃取法、层析法、超临界萃取法与超声波提取法等。 3.2.1 动物或动物副产物 中提取 由于水产动物虾、蟹、鱼类等体内含有较多的虾青素 ,因此人们首先想到的是从水产品的加工废弃物中来提取虾青素 10。虾青素的最早来源是蟹卵，但虾及虾壳是提取天然虾青素的主要原料，在挪威，虾的副产物一直是传统的鲑鱼及鳟鱼的天然色素来源，其提取方法通常是将虾壳细粉碎，然后用酸或酶法水解，最后用有机溶剂如丙酮、石油醚等萃取。由于大多数虾壳中色素含量很低，通常为 80mg/kg200mg/kg，因此提取成本很高 11。但由于目前还没有找到更好的方法，且
7、国内外的虾蟹加工业每年有 1000 万吨的甲壳类废弃物，资 源丰富，因此国外从虾壳中提取虾青素的方式仍然存在 12,13。 3.2.2 藻类中提取 有些微藻中虾青素的含量比较高，如水生红球藻细胞内虾青素的含量超过细胞干重的2%、血红裸藻中虾青素双酯的含量为细胞干重的 0.7%。此外一些绿藻在不利的生长条件下也可以产生虾青素。但是目前已知的这些微藻通常生长速度都比较慢，需要较长的自养培养周期。迄今为止，微藻中的红球藻是公认的含有虾青素含量最高者。也因此红球藻成为了制3 备天然虾青素主要研究对象 14。 目前，国外优质雨生红球藻中虾青素占类胡萝卜素总量达 90%以上，藻细胞 虾青素含量高，但细胞生
8、长慢，生物量低，生长条件苛刻，对水质、环境及光的要求很高，大规模生产仍有难度 15,16。另外， Chlorooccum sp.具有耐高温，极端 pH值 ,较快的生长速率和易在户外培养等优点，被认为是一种极具潜力的用于虾青素大规模生产的藻类 17。但藻类的自养周期长，由于需要光照 ,生产场所在一定程度上受到限制，并且藻类破壁释放虾青素困难，因此进行大规模生产也比较困难。 3.2.3微生物发酵 真菌类中虾青素的含量比较低，如酵母菌野生株系中只含有质量分数 0.05%的虾青素，一些突变株系中虾青 素的含量则有大幅度的增加，甚至质量分数可以达到 0.3%(细菌干重 )。但是从要求来看，则显然还是不够
9、 18。 虾青素的产量除了与菌种有关外，还与培养条件有关。用发夫酵 UCD67-210 作为实验菌株，研究了影响发酵的几个重要的参数，如 pH值、温度、碳源的种类和浓度、溶氧和光照。得到发酵的最佳参数为： pH值 5.0；温 2022 ；最佳碳源、纤维二糖，糖质量浓度超过1.5 %会降低单位重量细胞中虾青素的含量；但由于生物量的增加，单位体积所含的虾青素还会提高；溶氧 3.6108mmol/(Lh)；光照对虾青素的影 响不大 19。最近，法国学者用甘油作为碳源培养发夫酵 PR190，使虾青素的产量从 0.78mg/(g干细胞 )提高到 0.97mg/(g干细胞 )。并得出当酵母的生长速率为 0
10、.075h-1时，虾青素的产率最高；发酵 168h后虾青素产量可达33.7mg/L(1800g/(g干细胞 )20。而墨西哥学者用丝兰枣的汁液作为唯一碳源，当还原糖质量浓度为 22.5 g/L时，虾青素产量达 6.170mg/L，比用 YM培养基提高了 2.5倍 21。国内学者对发夫酵母产虾青素的摇瓶条件进行了优化，所获最高虾青素产量达 11. 63 mg/L(1770g/ (g干细胞 )22。 4 虾青素综合利用 4.1 作为着色剂 众多研究表明，在水产品饵料中添加适量的虾青素可改善其皮肤和肌肉的颜色，可提高观赏鱼类的观赏性，提高商品鱼、虾等的商品价值早在 1980年， Johnson等就将
11、红法夫酵母添加到鲑鱼、鳟鱼、鲟鱼的饲料中，食用了经破碎细胞壁的红法夫酵母后，使它们的体色变得鲜艳，皮肤和肌肉呈红色； Sommer用破碎和完整的红球藻细胞喂虹鳟 100d，发现虹鳟肌肉颜色均变得鲜艳，他还发现天然虾青素和合成虾青素在对红鳟生长的影响上区别不大；釜田忠 等认为，在红鳟饲料中添加由金盏花花瓣提取的类胡萝卜素 (含 0.1%的虾青素 )，经 30d4 左右的养殖，鳟鱼的表皮鳞甲变为黄色，颜色极为迷人，肌肉中的虾青素含量增加，同时丰富了鱼的营养成分，使虹鳟鱼肉呈橘红色，肉质比未着色的鱼更鲜美 23,24。 4.2 作为天然抗氧化剂 4.2.1 在食品中应用 食品保鲜和延长食品的货架寿命
12、，是消费者和食品科技工作者最为关心的问题之一。而防止食物的氧化变性是食品保鲜的关键之一。常用的物理方法是抽真空，但真空度有限，即使尚存 1%的氧，就足以影响食品的色香味。在许多食品加工中，不仅 抽真空，同时还加入抗氧化剂 25。在天然抗氧化剂中，应用较多的是维生素 E、维生素 C、香草醛、迷迭香等，但这些抗氧化剂远不及天然虾青素的抗氧化能力。在实验室条件下，虾青素的抗氧化活性比-胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素和角黄素等类胡萝卜素高 10倍，比维生素 E高 550倍 26。由此可见，天然虾青素作为食品的新型抗氧剂有着十分广阔的市场，但价格昂贵，添加成本太高。 4.2.2 在保健品及医药中应用 虾青素
13、能显著影响动物的免疫功能，在有抗原存在时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，还能够部分恢复年老小鼠的体液免疫系统由此认为，虾青素具有最佳诱导细胞分裂的活性和具有重要的免疫调节作用，可作为免疫增强剂使用 27,28。随着人们对虾青素在保健品和医药领域的深入研究，在开发心脏病、癌症和抗衰老等药物方面，虾青素已显示出重要的研究价值和潜在的开发市场。 4.2.3 在化妆品中应用 随着生活水平的不断提高，美容、抗衰老、抗光辐射的产品引起了人们的极大兴趣。化妆品对治疗皱纹、雀斑、粉刺、色素沉着有一定的效果，其主要功能是抗氧化，保护细胞膜免受自由基损伤。虾青素具有
14、强大的自由基清除功能，抗 氧化活性、脂溶性好，对细胞膜具有亲和力成为新型的极富诱惑力的化妆品，开发前景广阔。另外，已有研究表明，虾青素可以防止由光辐射引起的皮肤衰老和皮肤癌，是一种十分有效的光保护剂 29,30。用虾青素开发防晒霜，不仅可防止光辐射，还具有抗细胞老化等美容效果。 4.3 作为天免疫制剂 近几年的研究表明，虾青素在促进抗体的产生、增强宿主细胞的免疫功能方面有重要的生理功能。单线态氧对动物的免疫系统具有细胞毒作用，它催化生产的自由基可以加速巨噬细胞膜的降解，导致吞噬效率降低和功能紊乱 31。由于虾青素具有清除单线态氧 的功能，因此能显著影响动物的免疫功能。实验证明，在有抗原存在时，
15、虾青素能显著促进脾细胞产5 生抗体，从而增强 T细胞刺激下人体内血细胞免疫球蛋白的产生。 Jyonouchi等 32通过实验观察发现，虾青素能显著促进胸腺依赖抗原 (TD-Ag)刺激时的抗体产生，分泌 IgM和 IgG的细胞数增加。 5总结 通过近几年的研究表明，虾青素对人类健康维护将是一个实用有效的策略，而支持这一推论的是虾青素具有强抗氧化的作用。近年来国内外对虾青素的需求量也越来越大。虾青素来源广泛，除了水产品加工业的废弃物中提取获得虾青素外，利用酵母 、藻类等微生物工业化发酵生产虾青素，具有生产周期短、培养条件温和、对环境友好等特点，因而前景十分广阔。但同其他成熟的发酵产物相比，利用微生
16、物工业化生产虾青素的规模相差甚远，主要问题仍是产量低、发酵成本高。因此筛选高产菌株，改进发酵工艺，适时引入基因改良技术，提高产量，降低成本，有助于虾青素的进一步开发应用。虾青素生理功能众多，可广泛应用于食品、医药、化工、饲料等行业，尤其在功能性食品和医药市场方面潜力很大。 6 参考文献 1 张明祥 ,赵建国 .国内外虾青素的研究进展 J.粮食与饲料工业 ,2002,(1):26. 2 魏东 ,尹小君 .天然虾青素的超级抗氧化活性及其应用 J.中国海洋药物 ,2001,20 (4):45. 3 Woodall AA,BrittonG,TacksonMJ.Carotenoidsand protea
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