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虾青素的生物学功能及其应用
  作者:徐海燕等 摘自:中国饲料工业信息网 日期:2013-03-18  

  虾青素(astaxanthin),即3,3’—二羟基 —4,4’—二酮基 —β,β’—胡萝卜素;它是一种非维生素A原的类胡萝卜素,在动物体内不能转化为维生素A,具有高效抗氧化、抗癌变、增强免疫及着色等功能,目前已被广泛应用于饲料、食品、医药、化妆品和保健品等的生产。由于虾青素具有多种生理功能,目前国际市场对它的需求量较大,市场前景非常广阔[1]。本文将着重介绍虾青素的生物学功能及应用,以期人们对它有更多的了解,从而进一步促进对它的开发和利用。

  1 虾青素的生物学功能

  1.1 抗氧化作用

  虾青素是在β—胡萝卜素的两个紫罗酮环上的3,4位各由一个羟基和酮基取代了氢原子,它的重要性质在于它的抗氧化性。虾青素的分子结构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未配对电子,通过吸收自由基多余的能量到分子链中,导致分子降解,阻止其它分子或组织受破坏,同时还可阻止富含脂质的膜迅速降解。可见,虾青素的结构特点使其极易与自由基反应而清除自由基,起到抗氧化作用[1]。

  体外研究表明,虾青素淬灭单线态氧和清除自由基的能力高于叶黄素和玉米黄素[2]。.Lee等人[3]研究了叶黄素、玉米黄素、番茄红素、异玉米黄素和虾青素五种类胡萝卜素在豆油光氧化作用活性氧能力,结果表明以虾青素的淬灭能力为最强;也有研究表明在保护膜磷脂和防止其它脂质的过氧化方面,虾青素是最好的类胡萝卜素[4]。用鼠的红细胞和线粒体作体外研究表明,虾青素清除自由基和淬灭活性氧的能力是β—胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素和角黄素等类胡萝卜素的10倍,是维生素E的80~550倍。因而被誉为“超级维生素E”、“超级抗氧化剂”[4,5]。

  虾青素可清除二氧化氮、硫化物、二硫化物,也可通过AMVN降低脂质过氧化作用[6];还保护蛋黄中磷脂酰胆碱脂质免受过氧化基团氧化,整合进膜系统的虾青素也表现出对脂质体的保护作用[7]。将虾青素添加到鼠肝微粒体,可有效地抑制自由基引发的脂质过氧化作用[8]。Nakagawa等人[9]评价了虾青素的抗氧化能力,将鼠的肝脏线粒体暴露在螯合离子中,再注入微粒体膜,定期测定磷脂的脂质过氧化物含量,发现虾青素具有显著降低脂质过氧化物累积的作用。

  虾青素的强抗氧化活性还表现在解除光诱导的胁迫,可作为潜在的光保护剂,用于阻止皮肤的光老化。Savoure等[10]研究了太阳光辐射对缺乏维生素A或喂食视黄醇、β一胡萝卜素和虾青素的SKH1无毛老鼠的影响,结果表明和视黄醇相比,虾青素具有更强的抑制腐胺积累的作用,并能降低亚精胺和精胺的浓度,显示了其对转谷氨酰胺酶的特殊作用。Connor等人[11]分析了虾青素、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,结果表明虾青素保护机体免受UVA光诱导的氧化效果最佳。

  1.2 着色作用

  大量试验表明,在水产动物饵料中添加适量的着色剂可改善其皮肤和肌肉的颜色,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等就将红法夫酵母加入鱿鱼、蹲鱼、鲜鱼的饲料中,使它们的体色变得鲜艳[12];Sommer[13]用破碎和完整的红球藻细胞喂虹蹲100天,发现虹蹲肌肉颜色均变鲜艳,他还发现天然虾青素和合成虾青素在对虹蹲生长的影响上区别不大。釜田忠等(1990)认为,在虹蹲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30天左右的养殖,蹲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,使虹蹲鱼肉质更鲜嫩、美味可口;朱秉仁等[14]在网箱养虹蹲饵料中添加0.1%的虾青素及10%的食用虾皮,50天后,虹蹲鱼肉呈桔红色,肉质比未着色的鱼更鲜美,可加工成生鱼片食用;Johnson将红法夫酵母添加到饵料中,蛙鱼和爵鱼食用了经破碎细胞壁的红法夫酵母后,虾青素积累在皮肤和肌肉中呈红色。这种鱼富含营养、色泽鲜艳、味道好。邱春吟等也报道在罗非鱼、大马哈鱼、鲤鱼、斑节对虾等的养殖过程中添加适量的虾青素、玉米黄素等均能改善鱼的体色和肉质,增加色素在皮肤、肌肉的沉积量。虾青素作为一种着色剂加到畜、禽饲料中,可使蛋鸡的蛋黄颜色加深,营养增强,从而增强市场竞争力。用类胡萝卜素的抽提物及人工添加虾青素喂饲太平洋小白虾,喂养14天后,均有不同程度的着色效果,测试发现主要的类胡萝卜素源是黄体素和玉米黄质,在太平洋小虾中体内代谢为虾青素并沉积显色[15]。

  1.3 抗癌作用

  Nishino[16]研究了天然类胡萝卜素的抗癌作用,发现虾青素具有很强的抗癌作用。Gradelet等人[17]研究了虾青素等类胡萝卜素对黄曲霉毒素T3引发肝致癌作用的影响。他们给鼠喂饲虾青素、胡萝卜素、番茄红素(300mg/kg每餐)或额外添加VA等,腹腔注射黄曲霉毒素前同时也腹腔注射3-甲基胆蕙(20mg/kg体重)。结果发现虾青素、β-胡萝卜素及3-甲基胆蕙在降低肝癌病灶的数目和大小方而效果显著,而番茄红素和过量VA无效。给由二乙基亚硝胺(DEN)或α-硝基丙烷引发肺肿瘤的鼠喂饲3周或4周的虾青素,可异著降低肺肿瘤病灶的大小片和数目[18]。

  Tanaka等人[19]用雄性F344老鼠研究了虾青素对4-亚硝基哇琳1-氧化物诱导的口腔致癌作用所产生的化保作用。给鼠饲喂100mg/kg虾青素,32周后,喂饲虾青素组肿瘤发生率比单喂4-亚硝基哇琳1-氧化物组小得多,而且喂饲虾青素组未见有口腔肿瘤发生。

  虾青素对N-丁基-N(4-羟丁基)亚硝胺引发的膀胱致癌作用亦有抑制效应。雄性ICR鼠在20周内饮用水中含250mg/L N-丁基-N(4-羟丁基)亚硝胺,间隔1星期后,喂以含50mg/L虾青素的水,持续20周。最后试验结果表明,虾青素饮水处理能极大地降低N-丁基-N(4-羟丁基)亚硝胺诱导的膀胱癌的发生[20]。Gradelet等研究了几种类胡萝卜素对黄曲霉毒素B1诱发肝癌作用的影响。研究结果表明虾青素能防止黄曲霉毒素B1的致癌作用。进一步的研究显示它们能够非常有效地减少肝肿瘤前病灶的数目和大小[21,22]。另外,虾青素作为光保护剂,可以防止由光辐射引起的皮肤衰老和皮肤癌。可见,虾青素对膀胱癌、口腔癌、舌癌、大肠癌、皮肤癌以及由黄曲霉毒素诱发的肝癌等癌症的发生起着一定的预防作用。

  1.4 增强免疫作用

  虾青素能促进人体免疫球蛋白的产生,具有更高的免疫调节活性。这种免疫调节特性与其具有的抗氧化性质相结合,在防止疾病的发生与传播中发挥着重要作用。Jyonouchi等报道认为虾青素能增强T细胞刺激人体血细胞免疫球蛋白的产生,可有效防止视网膜的氧化和感光器细胞的损伤,改良视网膜的功能[23]。Okai和Higashi-Kdai通过体外细胞培养试验研究了虾青素对鼠免疫活性细胞的繁殖及功能的影响,结果表明虾青素对于增强鼠免疫活性细胞的繁殖及其它功能方面具有可能的免疫调节活性。结果还显示,虾青素比裸藻酮和β-胡萝卜素具有更高的免疫调节活性[24]。Jyonouchi等使用来自成年志愿者和足月新生婴儿(脐带血)的血液样品,研究了类胡萝卜素对由外周血液单核细胞在体外产生免疫球蛋白的影响。该研究结果显示了虾青素能提高人体免疫球蛋白的产生[25]。对于养殖的水产品、家畜、家禽等,虾青素在防治疾病方面有与对人类同样的功用,如果喂以含有一定浓度虾青素的饲料后,会提高它们的抗病能力。因此,喂以含有虾青素的饵料是解决养殖中成活率低的方法之一。

  Jvonouchi等[25]还研究了虾青素和β-胡萝卜素2种类胡萝卜素对小鼠淋巴细胞体外组织培养系统的免疫调节效应,结果表明类胡萝卜素的免疫调节作用与有无Va活性无关,虾青素表现出更强的作用。通过整体实验观察,他们还发现虾青素等类胡萝卜素均显著促进胸腺依赖抗原(TD-Ag)刺激时的抗体产生,分泌IgM和1gG的细胞数增加。体外实验研究还表明,虾青素还可显著促进B6小鼠脾细胞对TD-Ag反应中抗体产生,提高依赖于T专一抗原的体液免疫反应[26]。

  1.5 保护心血管健康

  近十年来许多报道评论各种类胡萝卜素对心血管系统有显著的效果,大多数注意力都集中在这些物质对以各种脂蛋白形式存在的胆固醇含量的影响。大多数研究表明导致动脉粥样化的低密度脂蛋白的含量与心血管系统疾病的盛行有正面相关性(如高血压、心绞痛、心肌梗塞)。相反,人们普遍认识到在高密度脂蛋白的含量和心血管健康之间存在反面相关性。一个有益的脂蛋白的特点是其低密度脂蛋白的含量低,高密度脂蛋白的含量高。研究报道当在老鼠的饮食中添加虾青素时,高密度脂蛋白的含量有显著的增加;而添加其它的类胡萝卜素、β一胡萝卜素时,对高密度脂蛋白没有效果[27]。

  1.6 提高繁殖性能

  虾青素对鱼类的生长繁殖具有重要作用,现己发现,鲜鱼卵中虾青素的水平可影响其孵化率。研究表明,水生动物的卵子中虾青素含量很高,这种高含量的虾青素可削弱鱼卵对光敏感度,促进鱼类的生长繁殖,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,增加成熟速度和生殖能力[28,29]。

  2 虾青素的应用

  2.1 作为饲料添加剂

  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,所以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叶黄素和玉米黄素等有效得多[30]。

  虾青素能沉积在动物的肌肉和皮肤上,使得动物的肌肉和皮肤呈红色。如鲑鳟鱼和鲟鱼食用了红发夫酵母的发酵培养菌体后,鱼皮和肌肉中由于积累了虾青素而呈红色,增加了鲑鳟鱼和鲟鱼的食用美感,也增加了食用功效,同时增加了鱼类的繁殖能力和抗病能力。在虾饲料中添加一定浓度的虾青素,可明显提高虾饲料品质性能、减少虾病害发生。鸡、鸭等家禽食用了含有虾青素的食物后,虾青素可积累在蛋黄中,使蛋黄的颜色加深,提高了禽蛋的市场售价。因此,虾青素是一种具有特殊功能的饲料添加剂,对养殖业有积极的促进作用。

  2.2 作为人类的高级营养保健食品和药品

  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,虾青素非常有潜力的应用市场是药品和高级营养保健食品产业,国外早已开展利用虾青素合成人类保健品和药品的研究。在制药及食品工业中,利用虾青素的抗氧化及免疫促进作用可以做成药物用来预防氧化组织损伤[31]及配制保健食品。虾青素在体内和体外均表现出强烈的抗氧化作用,因此虾青素可用于医药品,作为抗衰老的医药、食品保健品;虾青素能有效地预防肝癌、口腔肿瘤、膀胱癌等肿瘤的发生,因此利用虾青素可开发成抗肿瘤的治疗和预防药物;虾青素能明显降低糖尿病、眼病的发病率,也可预防由于其它原因引起的眼病的发生,因此虾青素可作为治疗糖尿病的辅助药物,预防眼病的保健药物;最后虾青素具有增强免疫作用,因此可以用作人类的免疫增强剂。

  2.3 作为食品着色剂和化妆品着色剂

  虾青素可作为脂溶性的色素,具有艳丽的红色和强的抗氧化性能。在食品工业中,不仅能有效地起到保鲜、保色、保味、保质等作用,而且能够为多类食品着色,增加食品的色泽美感。在化妆品中,虾青素既可作为抗衰老防晒的化妆品,同时还可作为长时间保持的着色剂,如唇膏、口红等。

  3 展望

  随着动物养殖业、食品工业、医药保健工业等的迅速发展,对虾青素的需求必将越来越大。作为一种新的生物化工产品,国内虾青素的研究开发还刚刚起步,市场上对虾青素的认识还不是很深,市场上尚无产品供应,而国外如欧美市场每年的需求量在几十吨以上,需求额达十几亿美元,因此加强研究与开发虾青素产品和虾青素的应用领域具有非常广阔的前景。

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