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虾青素的应用前景

 

虾青素的应用前景

 

Application prospects of astaxanthin

陈晓琳1,2 ,汲 霞1,2 ,钟志梅1,2 ,李鹏程1

(1.中国科学院 海洋研究所 ,山东青岛 266071 2.中国科学院 研究生院,北京 100039)

中图分类号 :Q562 文 献标识码 :A 文 章编 号:10003096(2008)05008703

 

虾青素 (astaxanthin)化学名称为33-二羟基-44-二酮基-β,β’-胡萝卜素,分子式为C40H52O4相对分子质量为59686,又名虾黄质、虾黄素或龙虾壳色素,是一种酮式类胡萝卜素。色泽为粉红色,具脂溶性,不溶于水,易溶于氯仿、丙酮、苯和二硫化碳等有机溶剂。ASTA虾青素的化学结构是由4个异戊二烯单位以共轭双键型式联结,两端又有2个异戊烯单位组成六节 环结构,其化学结构见图1。由于虾青素的化学结构中含有一个长的共轭不饱和双键系统,因此,很容易受光、热、氧化物等的作用而破坏其结构。

 

虾青素的分子结构

 

 

1 虾青素的结构式

 

 

1 虾青素的生物学功能及其应用

 

ASTA虾青素早在2O世纪3O年代即从虾、蟹壳中分离出来,但直到2O世纪8O年代中期才对其生物学 功能进行广泛研究 。研究表明虾青素具有许多重要的生物学功能及广阔的应用前景。

 

11 虾青素在水产动物中的应用

 

ASTA虾青素广泛存在于生物界中,特别是水生动物的虾、蟹、鱼和鸟类的羽毛中,起显色作用。虾青素呈艳丽的红色,当其添加到水产动物的饲料中时,可使水产动物的体色变得鲜艳。通常在水产动物饲料中添加虾青素以补充色素,可极大地提高产品的市场价值。虾青素不仅可以作为水产养殖动物的着色剂,而且越来越多的证据证实,虾青素对于水产动物的正常生长、健康养殖、提高存活率和繁殖率亦具有极为重要的作用。另外,在水产养殖用饲料中添加虾青素还可以防止 水产加工品如虹鳟鱼因脂质氧化而变质,并且为人类食物提供丰富的虾青素来源。

 

1作为抗氧化剂

 

ASTA虾青素是一种非维生素A源的类胡萝卜素,在动物体内不能转化为维生素A。但是,在虾青素分子中,有很长的共轭双键,并且有羟基和在共轭双键链末端的不饱和酮,其中羟基和酮基又构成α-羟基酮,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未配对电子,使其极易与自由基反应而清除自由基,从而起到抗氧化作用。动物实验表明,虾青素可以清除NO、硫化物、二硫化物等。虾青素在清除自由基方面,其能力是β胡萝卜素的1O倍以上,是维生素E100倍以上。 同时,虾青素具有抑制或降低脂质过氧化的作用,能保护磷脂酰胆碱脂质免受氧化。因此,虾青素可应用于医药产品,作为抗衰老的药品和食品保健品。

 

13 作为防晒剂

 

ASTA虾青素能有效清除体内由紫外线照射产生的自由基,降低由于光化学引起的伤害,因此,对紫外线引起的皮肤癌有很好的预防和治疗效果。另外,将虾青素与化妆品复配,可形成新的具有防晒功能的日用化妆品。

 

14 作为免疫制剂

 

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,它催化产生的自由基可加速巨噬细胞细胞膜的降解,导致吞噬效率降低和功能紊乱。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,虾青素能显著促进脾细胞产生抗体,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lgMIgG的细胞数增加。补充虾青素还能够部分恢复年老小鼠的体液免疫系统。因此,虾青素具有重要的免疫调节作用,可作为免疫增强剂使用。

 

15 作为抗癌制剂

 

许多专家研究了天然类胡萝卜素的生理生化功能,发现虾青素具有很强的抗癌作用。它能抑制由黄曲霉素BI(AFB1)α-苯芘(BaP)、二乙基亚硝酸(DEN)α-硝基丙烷、N-丁 基-N (4-羟丁基)亚硝胺和环磷酰胺等引起的致突变作用。因此,虾青素能有效地预防肝癌、口腔癌、大肠癌、膀胱癌和乳腺癌。利用虾青素可开发出治疗和预防肿瘤的药物。

 

16 其他应用

 

ASTA虾青素除了具有上述用途之外,还可用于预防动脉粥样硬化及相关疾病,这也要归因于虾青素的抗氧化性能。虾青素可以降低或抑制血液中低密度脂蛋白(LDL)的氧化,使得血管壁上的沉积物减少,从而减少了动脉粥样硬化的发生。另外,虾青素还可用于防治眼科疾病,近似于维生素A的特性。尤其对糖尿病眼病的发生率有明显降低的效果,可作为治疗糖尿病的辅助药物。

 

2 虾青素衍生物的应用

 

ASTA虾青素可根据立体异构体、几何异构体、酯化程度分为多种。如南极磷虾中虾青素的主要立体异构体为3R3R’,且被酯化;红酵母中的虾青素主要以酯化的3R3R’形式为主;血球藻 (Haematococcus pluvialis)中虾青素的立体异构体主要是酯化的3S3S’形式,单酯约占80%,二酯约占15%,主要的脂肪酸有油酸、反油酸、蓖麻酸和花生酸等。

化学合成的虾青素均为游离虾青素,由于游离的虾青素不稳定,因此天然虾青素很少游离存在。除了与脂肪酸成酯外,天然虾青素往往与蛋白质形成复合物,产生不同的颜色(如龙虾中的蓝色、绿色和黄色);也可溶 在油脂中,如雪藻(Chlamyclomonas nivalis)的红色就是其细胞质脂类中积累虾青素的结果。

除了天然存在的虾青素酯外,亦有对虾青素进行酯化修饰的报道 。Hawaii BiotechInc(HBI) 成功地合成了虾青素二丁二酸酯二钠盐,这不仅提高了虾青素在水中的溶解性(该盐室温下在水中的溶解度可以达到86 g/L),而且该衍生物比虾青素表现出更强的清除超氧自由基的能力。该盐在水 中好的溶解性有助于清除水相中的自由基。因此,该化合物可能对于降低人类动脉粥样硬化和癌症的发生起到重要的作用。除此之外,Jackson等利用虾青素和赖氨酸为原料合成了虾青素的二赖氨酸酯的四盐酸盐。该新化合物是目前为止所发现的在水中溶解度最大的虾青素衍生物。其室温下在水中的溶解度可达到1816gL,该化合物亦具有很强的自由基清除能力。因此,利用这些虾青素衍生物在水中溶解度大的特点,可以应用于生物和化学上需要清除水相中自由基的方面。

虾青素特殊的分子结构决定了很容易受光、热、氧化物等的作用而破坏。

Chen等对虾青素的β-环糊精包合物进行了研究。结果表明,当虾青素和β-环糊精形成包合物时,虾青素的水溶性、对光和热的稳定性得到提高,为虾青素进一步的应用奠定了科学基础。

 

3 存在问题

 

由于虾青素具有抗氧化、抗肿瘤和增强免疫力等许多重要的生理和生物学功能,因而在食品添加剂、水产养殖、化妆品、保健品和医药工业等方面具有广阔的应用前景。目前美国的食品药品管理局已批准人工合成反式结构的虾青素用作水产养殖的添加剂。但是,现在市场上虾青素的售价很高, 其人工合成品的单价达 2000~2500 美元/kg。因此研究和开发虾青素具有重要的商业和经济价值。

随着水产养殖和食品医药等工业的发展,近年来国内外对虾青素的需求量越来越大,但目前从水产品废弃物中提取虾青素普遍存在虾青素含量低、提取费用高的缺点,不能满足大规模商业化生产的需要。因此,建立切实可行的技术方案是关键,同时,寻找和开发新的资源与方法,如选育高产酵母菌、发酵培养红球藻等,也将是未来要解决的问题。

虽然目前对虾青素的生物学功能方面报道较多,但对虾青素在动物体内残留问题以及过量使用引起的毒性问题研究较少。因此对长期使用虾青素的安全性研究也是有待于探索的课题 。

随着虾青素生物来源的不断发现以及提取分离纯化技术的进一步发展,ASTA虾青素必将具有更为广阔的应用前景。