「蝦青素的提取」.doc

蝦青素的提取、制備及應用綜述040012008161 08海洋生物 張語嫣關鍵詞 蝦青素 天然提取 人工制備 功能應用 毒理性分析 安全摘要蝦青素的化學名稱為3，3-二羥基-4，4-二酮基-，-胡蘿卜素，色素Aj067-69 CAS No: 472-61-7，分子式C40H52O4，分子量 596.86。蝦青素（astaxanthin又名蝦黃素、龍蝦殼色素）是一種紅色素，可以賦予觀賞魚、三文魚、蝦和火烈鳥粉紅的顏色。其化學結構類似于 - 胡蘿卜素。蝦青素是類胡蘿卜組的一種，也是類胡蘿素合成的最高級別產(chǎn)物。本文主要介紹工業(yè)上天然蝦青素的提取、人工化學方法的制備，以及蝦青素的主要功能。正文一 蝦青素的天然提取天然的蝦青素常存在于某些動物、藻類及微生物體內，其生產(chǎn)可分為從動物及其副產(chǎn)品中提取，從藻類中提取和采用微生物發(fā)酵。1 從動物及其副產(chǎn)品中提取從甲殼類加工下腳料中提取回收蝦青素是蝦青素生產(chǎn)的主要途徑之一，關于這方面國內外均有較長的研究歷史，目前用于蝦青素提取的主要有4 種方法：堿提法、油溶法、有機溶劑法以及超臨界CO2流體萃取法。1.1 堿提法堿提法主要是應用了堿液脫蛋白的原理，甲殼加工下腳料中的蝦青素大多與蛋白質結合，以色素結合蛋白的形式存在，當用熱堿液煮下腳料時，其中的蛋白質溶出，而與蛋白質結合的蝦青素也隨之溶出，從而達到提取蝦青素的目的。Mikalsen的專利中最早報道了這種方法：將蝦殼等置于沸堿液中使蝦青素溶出，然后加酸沉淀或冷卻將蝦青素分離出來。丁純梅等也作了類似的報道，他們先將龍蝦殼用1mol/LHCl 浸泡24h，然后用2mol/L NaOH 回流10h，過濾后濾液用酸調pH 至2，析出沉淀，然后再過濾，沉淀物即為富含蝦青素的提取物。由于堿提法加工過程需消耗大量酸堿，同時加工廢水的污染也是很難解決的問題，因此近幾年來對堿提法的研究報道較少。1.2 油溶法蝦青素具有良好的脂溶性，油溶法正是利用這一特性進行的。該方法所用的油脂主要為可食用油脂類，最常見的是大豆油，也有用魚油如步魚油、鯡魚油、鱈魚肝油等。油用量直接影響蝦青素的提取效率。Chen 和Meyers 等從克氏原螯蝦中提取蝦青素時，認為油用量與原料比在11011 之間時提取效率差別不大，但是增至11 后則開始下降。而Spinell和Mahnlm 用豆油處理紅蟹殼時，得出結論認為油料比19 為最佳比例，并且若采用三階段逆流提取法則更為有效。不同類型油的提取效果不同。Omara 等研究發(fā)現(xiàn)，相同工藝下大豆油的提取效果明顯高于步魚油和鯡魚油。Shahidi 等則對鱈魚肝油作為提取劑進行了研究，發(fā)現(xiàn)以油料比21(V/W) 于60提取0.5h，蝦青素回收率可達74%。油提取溫度一般均較高，常見的在6090。提取時溫度較高會影響蝦青素的穩(wěn)定性，另外提取后含色素的油不易濃縮，產(chǎn)品濃度不高，使應用范圍受到限制。若想純化，需采用層析方法。1.3 有機溶劑法有機溶劑是一種提取蝦青素的有效試劑，通常提取后可將溶劑蒸發(fā)，從而將蝦青素濃縮，得到濃度較大的蝦青素油，同時溶劑也可回收循環(huán)利用。常見的溶劑有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、正己烷等，不同的溶劑提取效果不同。在研究中發(fā)現(xiàn)，丙酮的提取效果最好，而乙醇最差，并且從提取液的吸收波譜看，不同提取劑提取的色素中其具體成分也有所差異。有機溶劑法提取可采用浸提和回流提取的方法，但資料報道較多的主要是浸提法。Alvarez 等研究了用丙酮從冷凍干燥的蝦殼廢料中提取蝦青素，產(chǎn)率可達到129.5mg/g 殼；Miki等描述了用己烷從鱗蝦粉中提取蝦青素的工藝；而Meyers 等人則研究認為以石油醚丙酮水比例為157510 的混合溶劑提取的效果更好。但是像丙酮等這類有機溶劑，沸點低，易揮發(fā)，且有一定的毒性，加工過程中存在安全與健康問題，在實際應用中受到一定的限制。目前一致認為乙醇是一種安全的提取劑。丁純梅等報道了用乙醇提取蝦青素的流程：先將蝦殼用鹽酸泡24h 經(jīng)過濾后，濾渣用95%乙醇浸泡，提取液蒸餾即得濃縮的粗制蝦青素提取物。另外熊漢國等也以乙醇為溶劑，通過正交試驗，得出最佳提取條件為乙醇濃度95%、溫度70、0.5h，此時粗提取物蝦青素含量可達4.92%。Celia 等專利報道了使用碳酸酯類化合物提取蝦青素。該類化合物具有R1CO2R2 的結構，其中R1為H 或烷基，R2 為烷基，R1、 R2 可以相同。并用乙酸乙酯從2.13kg對蝦殼中提取得到了392mg蝦青素。1.4 超臨界CO2 萃取法超臨界流體萃取(SCFE)技術是近年來發(fā)展起來的高新技術，由于其提取的產(chǎn)品具有純度高、溶劑殘留少、無毒副作用等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。Tsunco 等的專利中報道，應用超臨界CO2 從6kg 南極鱗蝦殼中得到了13.4g 提取物(蝦青素濃度8.331%)；而Koichi 等也有類似的報道，并用超臨界逆流回流的方法得到了高濃度的色素。Felix 等研究發(fā)現(xiàn)，CO2 超臨界萃取時以乙醇作萃取劑效果良好，并通過響應面分析的方法得出最佳操作條件為壓力34MPa、溫度45。而Charest 研究發(fā)現(xiàn)在乙醇為共溶劑的情況下，當壓力31.8MPa、溫度60時，龍蝦殼中蝦青素提取率可達207.6mg/kg。超臨界萃取技術可以得到高品質的產(chǎn)品，但由于設備前期投資大、生產(chǎn)技術要求高，目前用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)尚存在一定困難。2 從藻類中提取許多在氮缺乏環(huán)境下的藻類，如雨生紅球藻（Haenaococus pluvialis）是重要的蝦青素產(chǎn)生菌，被認為是一種很有商業(yè)化生產(chǎn)前景的藻類。該藻類在培養(yǎng)過程中，若氮源缺乏，則能在藻體內積累蝦青素，含量可達 0.5%2.0%，約占類胡蘿卜素總量的90%以上。但總體來看，藻類的自養(yǎng)周期長，對水質、環(huán)境及光的要求很高，大規(guī)模生產(chǎn)受到限制。另外，雨生紅球藻中87%的蝦育素以酯化狀態(tài)存在，在某些動物體內的吸收和沉積較差這些都影響了用藻類來迸行蝦青素的規(guī)?；a(chǎn)。3微生物發(fā)酵法生產(chǎn)蝦青素已知能產(chǎn)蝦育素的微生物有乳酸分支桿菌（Myobacterium lerticola）、短桿菌103（Brmibacterium）以及真菌擔子菌綱的發(fā)夫酵母屬（Phaffia rhozyma）。其中乳酸分 支桿菌只能在烴類培養(yǎng)基上而不能在營養(yǎng)瓊脂上產(chǎn)生蝦育素，而短桿菌103要在石油上生長，發(fā)酵結束時蝦育素產(chǎn)量不足0.03mg/g，兩者實際應用的意義 均不大。發(fā)夫酵母被認為是工業(yè)化生產(chǎn)蝦育素最有應用價值的微生物，它最初于1970年從美國的阿拉斯加和日本的北海道一帶山區(qū)的落葉樹滲出物中分離得到， 后經(jīng)鑒定為真菌擔子菌綱的一個屬。發(fā)夫酵母具有不同于其他同屬酵母的好氧性，且能夠發(fā)酵糖類，它所產(chǎn)生的10多種類胡蘿卜素中，主要有蝦育素、一胡蘿卜素、一胡蘿卜素等，野生菌中蝦育素的含量占40%95%。但野生發(fā)夫酵母中類胡蘿卜素的總量一般不超過500mg/kg干酵母，且酵母細胞壁很厚，不破壁很難被動物消化吸收。為了解決這些難題，近年來國內外學者在高產(chǎn)蝦育素菌株的選育、酵母細胞破壁方面進行了深入的研究，并取得了可喜的成績。張先華等人用南極紅酵母（Rhodotorula sp）NJ-0211發(fā)酵生產(chǎn)蝦青素。考察了搖床的轉速、培養(yǎng)時間和培養(yǎng)溫度對南極紅酵母培養(yǎng)的影響，確定了NJ-0211的最佳培養(yǎng)條件為轉速 100rmin，時間10d，溫度4。在此培養(yǎng)條件下，蝦青素的含量為87375gg干菌體，比文獻報道的高25倍。二 蝦青素的人工制備人工合成蝦青素不僅價格昂貴，而且同天然蝦青素在結構、功能、應用及安全性等方面差別顯著 在結構方面，由于兩端的羥基（-OH)旋光性原因，蝦青素具有3S-3 S、3R-3 S、3R-3R（也稱為左旋、消旋、右旋）這3種蝦青素的3中結構狀態(tài)異構型態(tài)，其中人工合成蝦青素為3種結構蝦青素的混合物（左旋占25%、右旋占 25%，消旋50%左右），極少抗氧化活性，與鮭魚等養(yǎng)殖生物體內的蝦青素(以反式結構 3S-3 S型為主)截然不同 酵母菌源的蝦青素是100%右旋（3R-3R），有部分抗氧化活性；上述兩種來源蝦青素主要用在非食用動物和物資的著色上。只有藻源的蝦青素是 100%左旋（3S-3 S）結構，具有最強的生物學活性，F(xiàn)UJI、YAMAHA這樣的大企業(yè)經(jīng)過了多年的研究，用來作為人類的保健食品、高檔化妝品、藥品。 在生理功能方面，人工合成蝦青素的穩(wěn)定性和氧化活性亦比天然蝦青素低 由于蝦青素分子兩端的羥基（-OH)可以被酯化倒致其穩(wěn)定性不一樣，天然蝦青素90%以上酯化形式存在，因此較穩(wěn)定，合成蝦青素以游離態(tài)存在，因此穩(wěn)定 性不一樣，合成蝦青素必須要進行包埋才能穩(wěn)定。合成蝦青素由于只有1/4左右的左旋結構，因此其抗氧化性也只有天然的1/4左右。在應用效果上，人工蝦青素的生物吸收效果也較天然蝦青素差，喂食濃度較低時，人工蝦青素在虹鱒魚血液中濃度明顯低于天然蝦青素 引，且在體內無法轉化為天然構型，其著色能力和生物效價更比同濃度的天然蝦青素低的多 在生物安全方面，利用化學手段合成蝦青素時將不可避免的引入雜質化學物質，如合成過程中產(chǎn)生的非天然副產(chǎn)物等，將降低其生物利用安全性 因此，不能用在人類市場。美國FDA 僅批準反式結構蝦青素用于工業(yè)生產(chǎn)。目前為止，用化學合成法來合成蝦青素的公司僅瑞士的羅氏公司，其商品名為加麗素粉紅（Carophyllpink），蝦青素含量為5%10%。因用發(fā)酵法生產(chǎn)的蝦育素含量較低，化學合成的蝦青素具有一定的競爭優(yōu)勢。三 蝦青素的功能與應用1 蝦青素的著色作用蝦青素是類胡蘿卜素合成的終點，它進入動物體后可以不經(jīng)修飾或生化轉化而直接貯存在組織中，使一些水生動物的皮膚和肌肉出現(xiàn)健康而鮮艷的顏色，使禽蛋及禽的羽毛、皮膚、腳呈現(xiàn)健康的金黃色或紅色。一胡蘿卜素雖能在甲殼類水生動物體內轉化為蝦青素，但大部分轉變?yōu)榫S生素A，著色效果較差，而它在普通水生動物及禽類中則不能著色。只有胡蘿卜素的含氧衍生物（葉黃素類），才具有對蛋黃著色的功能，且二羥基和二酮基類胡蘿卜素（蝦青素）比單羥基、單酮基或環(huán)氧類胡蘿卜素對蛋黃的著色功能強。Olsen等（1994）在北極紅點蛙飼料中添加蝦青素時發(fā)現(xiàn)：北極紅點鮭魚肉的紅色程度與添加蝦青素的量呈正相關，且添加量為70mg/kg時達到色素形成的穩(wěn)定期。Choubert等（1996）在虹鱒飼料中添加100mgkg從酵母中提取的蝦青素發(fā)現(xiàn)：虹鱒肌肉中的類胡蘿卜素含量升高。釜田忠等（1990）在虹鱒飼料中添加含0.l%蝦青素的金盞花花瓣提取物發(fā)現(xiàn)：不僅魚的表皮磷甲變?yōu)辄S色，而且肌肉中蝦育素的含量增加。李戰(zhàn)勝（1993）研究認為，蝦青素是大馬哈魚及虹鱒魚飼料中的首選色素。2 蝦青素增強免疫功能的作用蝦青素是一種優(yōu)良的抗氧化劑，在促進抗體產(chǎn)生、增強動物的免疫功能、抗氧化、消除自由基的產(chǎn)生方面的能力均強于胡蘿卜素。Miki（1991）研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素的抗氧化能力是一胡蘿卜素的10倍，比維生素E高100倍。蝦青素的這些功能，有助于動物個體的存活和健康狀況的改善。研究表明，在獨角蝦飼料中添加50mgkg蝦育素，可明顯提高蝦的存活率、增重和飼料轉化率。3 蝦青素促進生長繁殖的作用蝦青素對魚類的生長繁殖有很重要的作用，蝦青素可作為激素促進魚卵受精，減少胚胎的死亡率，促進個體生長，增加成熟速度和生殖力。水生動物的卵 子中蝦育素的含量很高，這種高含量的蝦育素可削弱魚對光的敏感度，促進魚類的生長繁殖。Johnson(1980)將紅法夫酵母添加到餌料中，鮭魚和鱘魚食用了經(jīng)破碎細胞壁的紅法夫酵母后，蝦青素積累在皮膚和肌肉中呈紅色。這種魚富含營養(yǎng)、色澤鮮艷、味道好，在歐美市場很受青睞，其價格也要比普通的魚高出許多倍。因此在歐美國家鮭魚和鱘魚的養(yǎng)殖發(fā)展很快，紅鮭魚的蝦青素含量通常為520mg/kg鮮重，而其蝦青素的喂養(yǎng)濃度為40150mg/kg餌料，以此來計算，每年蝦青素的產(chǎn)量需求 既可達數(shù)十萬噸，總價值達數(shù)億美元。目前，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展很快，添加蝦青素，生產(chǎn)高檔水產(chǎn)品，前景十分廣闊。4 蝦青素在養(yǎng)禽業(yè)中的作用蛋雞飼料中加入2.95%的紅法夫酵母，蛋黃的最大吸光度從571nm提高到593nm，而加入10.85%的黃玉米時，僅提高到575nm。肉禽飼喂添加了蝦青素后，皮膚、腳、喙呈現(xiàn)出金黃色，這些都大大提高了禽蛋、肉的商品價值。另外，酵母作為單細胞蛋白，蝦青素作為營養(yǎng)物質促進家禽的生長和提高產(chǎn)蛋率；而且這種蛋具有更豐富的營養(yǎng)，對人體的健康有利。5 蝦青素在化妝品中的應用蝦青素作為自然界中最強的抗氧化維生素，具有“超級維生素E”的美譽，其抗氧化活性是維生素E的550倍，能夠有效的保護皮膚免受紫外線(UVA，UVB)的 損害，在皮膚受到光照時消耗腐胺，作為潛在的光保護劑，用于阻止皮膚光老化防止誘發(fā)皮膚癌。其超強的消滅自由基的能力，可以防止皮膚細胞受到自由基的損 傷，減少皺紋及雀斑的產(chǎn)生。蝦青素除了具有許多藥用和添加劑用途外，現(xiàn)階段作為新型化妝品原料以其優(yōu)良的特性廣泛應用于膏霜、乳劑、唇用香脂、護膚品等各類化妝品中。6 蝦青素在食品輔劑方面的應用隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對健康的關注，特別是老年性退行性疾病的增加,對提高抗氧化和免疫力的類胡蘿卜素功能配料有更多的需求，蝦青素也被作為食品配料和膳食補充劑有了越來越多地應用。研究表明蝦青素的主要保健功效有：1）抗癌作用：蝦青素對人大腸癌SW116細胞的增殖有明顯抑制作用，對膀胱癌、肝癌、口腔癌、肺癌和由紫外線引起的皮膚癌有一定的抑制作用2）抗氧化作用：蝦青素具有超強的抗氧化作用，其抗脂肪氧化的能力比-胡蘿卜素高10倍，比維生素E高550倍，是OPC的20倍，故稱為超級抗氧化劑 3）蝦青素能增強抗體反應和增強體液免疫的功能4）對心血管系統(tǒng)有顯著的保護作用5）蝦青素極易通過血腦屏障，故能有效地預防與年齡相關的視黃斑退化和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如帕金森病、阿爾茨海默病和脊髓損傷），故是老年人保健品的首選產(chǎn)品。另外有研究表明,蝦青素在動物實驗模型中有減肥的作用。7 蝦青素在水產(chǎn)品加工保鮮方面的應用 在鮭魚及鱒魚被捕后的貯藏過程中! 鮭魚因魚肉中含蝦青素少易于酸敗。而鱒魚魚肉中蝦青素含量較高，同樣條件下貯存效果較鮭魚好。由此推斷餌料中添加蝦青素增加其在水產(chǎn)養(yǎng)殖對象體內的含量可以在一定程度上減少化學防腐劑的使用其作為一種特殊的高效的“生物防腐劑”使水產(chǎn)品貯存得更久，而且對人體絕對安全。四 蝦青素的毒理性分析2008年，劉敏等人采用整體動物試驗、Ames 試驗、骨髓嗜多染紅細胞微核試驗、小鼠精子畸形試驗相結合的原則來測試蝦青素可能具有的毒性。該項研究中,以10 000 mgPkg蝦青素經(jīng)灌胃途徑進行動物毒性實驗,小鼠皮毛生長、糞便、飲食、活動和神經(jīng)反射等情況正常,無死亡情況發(fā)生。表明蝦青素對小鼠行為和精神情況沒有明顯影響。當不加S9 時,陽性物質疊氮鈉能誘導菌株TA97、TA100、TA102 回復突變菌落增加; 當加S9 時,22氨基芴能誘導菌株TA97、TA98、TA100、TA102 回復突變菌落增加。這表明實驗用菌株回復突變特性是良好的,并且顯示外源激活系統(tǒng)S9 是具有激活能力的。另外,從該研究結果來看,無論在加與不加S9 情況下,受試物蝦青素均未表現(xiàn)出誘發(fā)測試菌株回復突變的能力。Ames 試驗是從原核細胞水平檢測受試物是否具有誘發(fā)基因突變能力,它是一種快速檢測化學物質致突變以及潛在致癌的有效且最常用的方法。同時,研究結果表明,沒有發(fā)現(xiàn)受試物蝦青素具有誘發(fā)小鼠骨髓嗜多染紅細胞微核生成的能力;結果實驗中PCEPRBC 比值大于011 來看,受試物蝦青素對紅細胞的分化和成熟是沒有影響的。此外,他們將小鼠精子畸形試驗納入到該研究中,試圖檢測受試物蝦青素對精子生成、發(fā)育的影響。結果表明,小鼠精子畸形試驗結果均為陰性。受試物蝦青素小鼠急性經(jīng)口染毒LD50 10 000 mgPkg ;反映體細胞和反映生殖細胞遺傳毒性的Ames 試驗、小鼠骨髓嗜多染紅細胞微核試驗、小鼠精子畸形試驗結果均為陰性,說明受試物蝦青素在該實驗條件下未見明顯毒性,未見遺傳毒性作用。美國健康調研中心也針對蝦青素對人體的安全性進行了調查，他們對35 名3569 歲的健康成年人進行了為期8 周的調查，其中19 人每天服用含6 mg 蝦青素的膠囊，而另外的16人作為對照服用安慰劑。血壓和血液化學檢測結果表明，處理組和對照組在8 周之后差異無統(tǒng)計學意義，表明每天服用6 mg蝦青素對健康成年人不會產(chǎn)生安全性問題。值得討論的是,試受物蝦青素提取自微生物的培養(yǎng)和表達,提取加工過程中可能存在污染物的殘留、濃縮等問題;由于受化學物質種類繁多和實驗成本等因素的影響,不可能一一在標準和法律法規(guī)中對其化學檢驗項目進行規(guī)定。特別是對于像蝦青素這樣提取自培養(yǎng)的微生物的物質,其中是否存在微生物、是否殘留微生物成分(特別是大分子物質,如菌體的蛋白質、毒素) 或加工過程中產(chǎn)生的有機衍生物、是否有培養(yǎng)基成分或溶劑殘留等等,都是其食品安全性需要考慮的問題。因此,檢驗食品(包括新資源食品、保健食品、食品容器等) 的安全性除了理化安全性指標外,同時也要考慮毒理安全性檢驗的完整性。感想近年來隨著生物技術的不斷成熟，與醫(yī)藥相關的生物活性成分受到了越來越多的關注。除了臨床醫(yī)學方面的應用，功能性食品的普及，在人們的生活水平的不斷提高中，更為普通百姓所關注。蝦青素作為一種天然色素和活性物質，有著廣闊的發(fā)展前景。一方面，對于蝦青素的獲得過程，研究的重點和難點在于天然蝦青素提取效率和安全的兼顧，以及規(guī)范的化學合成方法的探索；另一方面，對于蝦青素的應用領域，市場的重心應逐漸向水產(chǎn)飼料添加劑以及人類保健品方向轉移，以迎合現(xiàn)代人對健康的逐漸重視和對天然產(chǎn)品的偏好。參考資料1綦秀芬，李恩澤，劉月芬，劉濤，劉玉愛，王春波，蝦青素的研究進展，齊魯醫(yī)學雜志 年 月第 卷第 期2姜啟興，夏文水，甲殼類加工下腳料中蝦青素的提取研究，TS201.2，A1005-9989(2003)12-0085-043 劉敏,胡嘉想,秦光和,景簫,王偉，蝦青素的毒理學安全性評價毒理學雜志2008 年6 月第22 卷第3 期J Toxicol June 2008 Vol122 No134 于孝東，姚維志，欒會妮，孫志明，羅紅波，蝦青素的開發(fā)及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應用，飼料博覽2005年第四期 5 金征宇，過世東，呂玉華，飼料中添加富含蝦青素的法夫酵母對羅氏沼蝦的體色及生長狀況的影響，飼料工業(yè)1990,20（10），29-316 王菊芳，吳振強，梁世中，蝦青素的生理功能及其應用，食品與發(fā)酵工業(yè) 1999（2），61-697 魏東，臧曉南，大規(guī)模培養(yǎng)雨生紅球藻生產(chǎn)天然蝦青素的研究進展和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，中國海洋藥物2001（5），4-88 林曉，儲小軍，周蒂，錢鋒，毛爾華，范良秀，管雪青，蝦青素的來源、功能及應用，環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學 2008年12月 第25卷第6 期 J Environ Occup Med，Dec. 2008 Vol.25 No.69余俊欣，黃美瑩，劉文御. 飼料中的還原蝦紅素對白蝦體色素的影響J. 水產(chǎn)研究（臺灣），2003，11（112）：57-65.10 陸開形，蔣霞敏，翟興文. 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