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虾青素的提取

虾青素的提取、制备及应用综述

04001200816108海洋生物张语嫣

关键词虾青素天然提取人工制备功能应用毒理性分析安全

摘要

虾青素的化学名称为3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，色素Aj067-69CASNo:

472-61-7，分子式C40H52O4，[分子量]596.86。

虾青素（astaxanthin又名虾黄素、龙虾壳色素）是一种红色素，可以赋予观赏鱼、三文鱼、虾和火烈鸟粉红的颜色。

其化学结构类似于β-胡萝卜素。

虾青素是类胡萝卜组的一种，也是类胡萝素合成的最高级别产物。

本文主要介绍工业上天然虾青素的提取、人工化学方法的制备，以及虾青素的主要功能。

正文

一虾青素的天然提取

天然的虾青素常存在于某些动物、藻类及微生物体内，其生产可分为从动物及其副产品中提取，从藻类中提取和采用微生物发酵。

1从动物及其副产品中提取

从甲壳类加工下脚料中提取回收虾青素是虾青素生产的主要途径之一，关于这方面国内外均有较长的研究历史，目前用于虾青素提取的主要有4种方法：

碱提法、油溶法、有机溶剂法以及超临界CO2流体萃取法。

1.1碱提法

碱提法主要是应用了碱液脱蛋白的原理，甲壳加工下脚料中的虾青素大多与蛋白质结合，以色素结合蛋白的形式存在，当用热碱液煮下脚料时，其中的蛋白质溶出，而与蛋白质结合的虾青素也随之溶出，从而达到提取虾青素的目的。

Mikalsen的专利中最早报道了这种方法：

将虾壳等置于沸碱液中使虾青素溶出，然后加酸沉淀或冷却将虾青素分离出来。

丁纯梅等也作了类似的报道，他们先将龙虾壳用1mol/LHCl浸泡24h，然后用2mol/LNaOH回流10h，过滤后滤液用酸调pH至2，析出沉淀，然后再过滤，沉淀物即为富含虾青素的提取物。

由于碱提法加工过程需消耗大量酸碱，同时加工废水的污染也是很难解决的问题，因此近几年来对碱提法的研究报道较少。

1.2油溶法

虾青素具有良好的脂溶性，油溶法正是利用这一特性进行的。

该方法所用的油脂主要为可食用油脂类，最常见的是大豆油，也有用鱼油如步鱼油、鲱鱼油、鳕鱼肝油等。

油用量直接影响虾青素的提取效率。

Chen和Meyers等从克氏原螯虾中提取虾青素时，认为油用量与原料比在1∶10~1∶1之间时提取效率差别不大，但是增至1∶1后则开始下降。

而Spinell和Mahnlm用豆油处理红蟹壳时，得出结论认为油料比1∶9为最佳比例，并且若采用三阶段逆流提取法则更为有效。

不同类型油的提取效果不同。

Omara等研究发现，相同工艺下大豆油的提取效果明显高于步鱼油和鲱鱼油。

Shahidi等则对鳕鱼肝油作为提取剂进行了研究，发现以油料比2∶1（V/W）于60℃提取0.5h，虾青素回收率可达74%。

油提取温度一般均较高，常见的在60~90℃。

提取时温度较高会影响虾青素的稳定性，另外提取后含色素的油不易浓缩，产品浓度不高，使应用范围受到限制。

若想纯化，需采用层析方法。

1.3有机溶剂法

有机溶剂是一种提取虾青素的有效试剂，通常提取后可将溶剂蒸发，从而将虾青素浓缩，得到浓度较大的虾青素油，同时溶剂也可回收循环利用。

常见的溶剂有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、正己烷等，不同的溶剂提取效果不同。

在研究中发现，丙酮的提取效果最好，而乙醇最差，并且从提取液的吸收波谱看，不同提取剂提取的色素中其具体成分也有所差异。

有机溶剂法提取可采用浸提和回流提取的方法，但资料报道较多的主要是浸提法。

Alvarez等研究了用丙酮从冷冻干燥的虾壳废料中提取虾青素，产率可达到129.5mg/g壳；Miki等描述了用己烷从鳞虾粉中提取虾青素的工艺；而Meyers等人则研究认为以石油醚∶丙酮∶水比例为15∶75∶10的混合溶剂提取的效果更好。

但是像丙酮等这类有机溶剂，沸点低，易挥发，且有一定的毒性，加工过程中存在安全与健康问题，在实际应用中受到一定的限制。

目前一致认为乙醇是一种安全的提取剂。

丁纯梅等报道了用乙醇提取虾青素的流程：

先将虾壳用盐酸泡24h经过滤后，滤渣用95%乙醇浸泡，提取液蒸馏即得浓缩的粗制虾青素提取物。

另外熊汉国等也以乙醇为溶剂，通过正交试验，得出最佳提取条件为乙醇浓度95%、温度70℃、0.5h，此时粗提取物虾青素含量可达4.92%。

Celia等专利报道了使用碳酸酯类化合物提取虾青素。

该类化合物具有R1CO2R2的结构，其中R1为H或烷基，R2为烷基，R1、R2可以相同。

并用乙酸乙酯从2.13kg对虾壳中提取得到了392mg虾青素。

1.4超临界CO2萃取法

超临界流体萃取（SCFE）技术是近年来发展起来的高新技术，由于其提取的产品具有纯度高、溶剂残留少、无毒副作用等优点，越来越受到人们的重视。

Tsunco等的专利中报道，应用超临界CO2从6kg南极鳞虾壳中得到了13.4g提取物（虾青素浓度8.331%）；而Koichi等也有类似的报道，并用超临界逆流回流的方法得到了高浓度的色素。

Felix等研究发现，CO2超临界萃取时以乙醇作萃取剂效果良好，并通过响应面分析的方法得出最佳操作条件为压力≥34MPa、温度45℃。

而Charest研究发现在乙醇为共溶剂的情况下，当压力31.8MPa、温度60℃时，龙虾壳中虾青素提取率可达207.6mg/kg。

超临界萃取技术可以得到高品质的产品，但由于设备前期投资大、生产技术要求高，目前用于大规模工业生产尚存在一定困难。

2从藻类中提取

　　许多在氮缺乏环境下的藻类，如雨生红球藻（Haenaococuspluvialis）是重要的虾青素产生菌，被认为是一种很有商业化生产前景的藻类。

该藻类在培养过程中，若氮源缺乏，则能在藻体内积累虾青素，含量可达0.5%～2.0%，约占类胡萝卜素总量的90%以上。

但总体来看，藻类的自养周期长，对水质、环境及光的要求很高，大规模生产受到限制。

另外，雨生红球藻中87%的虾育素以酯化状态存在，在某些动物体内的吸收和沉积较差这些都影响了用藻类来迸行虾青素的规模化生产。

3微生物发酵法生产虾青素

已知能产虾育素的微生物有乳酸分支杆菌（Myobacteriumlerticola）、短杆菌103（Brmibacterium）以及真菌担子菌纲的发夫酵母属（Phaffiarhozyma）。

其中乳酸分支杆菌只能在烃类培养基上而不能在营养琼脂上产生虾育素，而短杆菌103要在石油上生长，发酵结束时虾育素产量不足0.03mg/g，两者实际应用的意义均不大。

发夫酵母被认为是工业化生产虾育素最有应用价值的微生物，它最初于1970年从美国的阿拉斯加和日本的北海道一带山区的落叶树渗出物中分离得到，后经鉴定为真菌担子菌纲的一个属。

发夫酵母具有不同于其他同属酵母的好氧性，且能够发酵糖类，它所产生的10多种类胡萝卜素中，主要有虾育素、β一胡萝卜素、γ一胡萝卜素等，野生菌中虾育素的含量占40%～95%。

但野生发夫酵母中类胡萝卜素的总量一般不超过500mg/kg干酵母，且酵母细胞壁很厚，不破壁很难被动物消化吸收。

为了解决这些难题，近年来国内外学者在高产虾育素菌株的选育、酵母细胞破壁方面进行了深入的研究，并取得了可喜的成绩。

张先华等人用南极红酵母（Rhodotorulasp）NJ-0211发酵生产虾青素。

考察了摇床的转速、培养时间和培养温度对南极红酵母培养的影响，确定了NJ-0211的最佳培养条件为转速100r／min，时间10d，温度4℃。

在此培养条件下，虾青素的含量为873．75μg／g干菌体，比文献报道的高2．5倍。

二虾青素的人工制备

人工合成虾青素不仅价格昂贵，而且同天然虾青素在结构、功能、应用及安全性等方面差别显著．

　在结构方面，由于两端的羟基（-OH）旋光性原因，虾青素具有3S-3‘S、3R-3’S、3R-3‘R（也称为左旋、消旋、右旋）这3种虾青素的3中结构状态异构型态，其中人工合成虾青素为3种结构虾青素的混合物（左旋占25%、右旋占25%，消旋50%左右），极少抗氧化活性，与鲑鱼等养殖生物体内的虾青素（以反式结构——3S-3S型为主）截然不同．酵母菌源的虾青素是100%右旋（3R-3‘R），有部分抗氧化活性；上述两种来源虾青素主要用在非食用动物和物资的着色上。

只有藻源的虾青素是100%左旋（3S-3‘S）结构，具有最强的生物学活性，FUJI、YAMAHA这样的大企业经过了多年的研究，用来作为人类的保健食品、高档化妆品、药品。

　在生理功能方面，人工合成虾青素的稳定性和氧化活性亦比天然虾青素低．由于虾青素分子两端的羟基（-OH）可以被酯化倒致其稳定性不一样，天然虾青素90%以上酯化形式存在，因此较稳定，合成虾青素以游离态存在，因此稳定性不一样，合成虾青素必须要进行包埋才能稳定。

合成虾青素由于只有1/4左右的左旋结构，因此其抗氧化性也只有天然的1/4左右。

　　在应用效果上，人工虾青素的生物吸收效果也较天然虾青素差，喂食浓度较低时，人工虾青素在虹鳟鱼血液中浓度明显低于天然虾青素引，且在体内无法转化为天然构型，其着色能力和生物效价更比同浓度的天然虾青素低的多．

　　在生物安全方面，利用化学手段合成虾青素时将不可避免的引入杂质化学物质，如合成过程中产生的非天然副产物等，将降低其生物利用安全性．因此，不能用在人类市场。

美国FDA仅批准反式结构虾青素用于工业生产。

目前为止，用化学合成法来合成虾青素的公司仅瑞士的罗氏公司，其商品名为加丽素粉红（Carophyllpink），虾青素含量为5%～10%。

因用发酵法生产的虾育素含量较低，化学合成的虾青素具有一定的竞争优势。

三虾青素的功能与应用

1虾青素的着色作用

虾青素是类胡萝卜素合成的终点，它进入动物体后可以不经修饰或生化转化而直接贮存在组织中，使一些水生动物的皮肤和肌肉出现健康而鲜艳的颜色，使禽蛋及禽的羽毛、皮肤、脚呈现健康的金黄色或红色。

β一胡萝卜素虽能在甲壳类水生动物体内转化为虾青素，但大部分转变为维生素A，着色效果较差，而它在普通水生动物及禽类中则不能着色。

只有胡萝卜素的含氧衍生物（叶黄素类），才具有对蛋黄着色的功能，且二羟基和二酮基类胡萝卜素（虾青素）比单羟基、单酮基或环氧类胡萝卜素对蛋黄的着色功能强。

Olsen等（1994）在北极红点蛙饲料中添加虾青素时发现：

北极红点鲑鱼肉的红色程度与添加虾青素的量呈正相关，且添加量为70mg/kg时达到色素形成的稳定期。

Choubert等（1996）在虹鳟饲料中添加100mg／kg从酵母中提取的虾青素发现：

虹鳟肌肉中的类胡萝卜素含量升高。

釜田忠等（1990）在虹鳟饲料中添加含0.l%虾青素的金盏花花瓣提取物发现：

不仅鱼的表皮磷甲变为黄色，而且肌肉中虾育素的含量增加。

李战胜（1993）研究认为，虾青素是大马哈鱼及虹鳟鱼饲料中的首选色素。

2虾青素增强免疫功能的作用

虾青素是一种优良的抗氧化剂，在促进抗体产生、增强动物的免疫功能、抗氧化、消除自由基的产生方面的能力均强于β－胡萝卜素。

Miki（1991）研究发现，虾青素的抗氧化能力是β一胡萝卜素的10倍，比维生素E高100倍。

虾青素的这些功能，有助于动物个体的存活和健康状况的改善。

研究表明，在独角虾饲料中添加50mg／kg虾育素，可明显提高虾的存活率、增重和饲料转化率。

3虾青素促进生长繁殖的作用

　　虾青素对鱼类的生长繁殖有很重要的作用，虾青素可作为激素促进鱼卵受精，减少胚胎的死亡率，促进个体生长，增加成熟速度和生殖力。

水生动物的卵子中虾育素的含量很高，这种高含量的虾育素可削弱鱼对光的敏感度，促进鱼类的生长繁殖。

Johnson（1980）将红法夫酵母添加到饵料中，鲑鱼和鲟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，在欧美市场很受青睐，其价格也要比普通的鱼高出许多倍。

因此在欧美国家鲑鱼和鲟鱼的养殖发展很快，红鲑鱼的虾青素含量通常为5～20mg/kg鲜重，而其虾青素的喂养浓度为40～150mg/kg饵料，以此来计算，每年虾青素的产量需求既可达数十万吨，总价值达数亿美元。

目前，我国的水产养殖发展很快，添加虾青素，生产高档水产品，前景十分广阔。

4虾青素在养禽业中的作用

蛋鸡饲料中加入2.95%的红法夫酵母，蛋黄的最大吸光度从571nm提高到593nm，而加入10.85%的黄玉米时，仅提高到575nm。

肉禽饲喂添加了虾青素后，皮肤、脚、喙呈现出金黄色，这些都大大提高了禽蛋、肉的商品价值。

另外，酵母作为单细胞蛋白，虾青素作为营养物质促进家禽的生长和提高产蛋率；而且这种蛋具有更丰富的营养，对人体的健康有利。

5虾青素在化妆品中的应用

虾青素作为自然界中最强的抗氧化维生素，具有“超级维生素E”的美誉，其抗氧化活性是维生素E的550倍，能够有效的保护皮肤免受紫外线（UVA，UVB）的损害，在皮肤受到光照时消耗腐胺，作为潜在的光保护剂，用于阻止皮肤光老化防止诱发皮肤癌。

其超强的消灭自由基的能力，可以防止皮肤细胞受到自由基的损伤，减少皱纹及雀斑的产生。

虾青素除了具有许多药用和添加剂用途外，现阶段作为新型化妆品原料以其优良的特性广泛应用于膏霜、乳剂、唇用香脂、护肤品等各类化妆品中。

6虾青素在食品辅剂方面的应用

随着经济的发展，人们对健康的关注，特别是老年性退行性疾病的增加,对提高抗氧化和免疫力的类胡萝卜素功能配料有更多的需求，虾青素也被作为食品配料和膳食补充剂有了越来越多地应用。

研究表明虾青素的主要保健功效有：

1）抗癌作用：

虾青素对人大肠癌SW116细胞的增殖有明显抑制作用，对膀胱癌、肝癌、口腔癌、肺癌和由紫外线引起的皮肤癌有一定的抑制作用2）抗氧化作用：

虾青素具有超强的抗氧化作用，其抗脂肪氧化的能力比β-胡萝卜素高10倍，比维生素E高550倍，是OPC的20倍，故称为超级抗氧化剂3）虾青素能增强抗体反应和增强体液免疫的功能4）对心血管系统有显著的保护作用5）虾青素极易通过血脑屏障，故能有效地预防与年龄相关的视黄斑退化和中枢神经系统疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病和脊髓损伤），故是老年人保健品的首选产品。

另外有研究表明,虾青素在动物实验模型中有减肥的作用。

7虾青素在水产品加工保鲜方面的应用

在鲑鱼及鳟鱼被捕后的贮藏过程中!

鲑鱼因鱼肉中含虾青素少易于酸败。

而鳟鱼鱼肉中虾青素含量较高，同样条件下贮存效果较鲑鱼好。

由此推断饵料中添加虾青素增加其在水产养殖对象体内的含量可以在一定程度上减少化学防腐剂的使用其作为一种特殊的高效的“生物防腐剂”使水产品贮存得更久，而且对人体绝对安全。

四虾青素的毒理性分析

2008年，刘敏等人采用整体动物试验、Ames试验、骨髓嗜多染红细胞微核试验、小鼠精子畸形试验相结合的原则来测试虾青素可能具有的毒性。

该项研究中,以10000mgPkg虾青素经灌胃途径进行动物毒性实验,小鼠皮毛生长、粪便、饮食、活动和神经反射等情况正常,无死亡情况发生。

表明虾青素对小鼠行为和精神情况没有明显影响。

当不加S9时,阳性物质叠氮钠能诱导菌株TA97、TA100、TA102回复突变菌落增加;当加S9时,22氨基芴能诱导菌株TA97、TA98、TA100、TA102回复突变菌落增加。

这表明实验用菌株回复突变特性是良好的,并且显示外源激活系统S9是具有激活能力的。

另外,从该研究结果来看,无论在加与不加S9情况下,受试物虾青素均未表现出诱发测试菌株回复突变的能力。

Ames试验是从原核细胞水平检测受试物是否具有诱发基因突变能力,它是一种快速检测化学物质致突变以及潜在致癌的有效且最常用的方法。

同时,研究结果表明,没有发现受试物虾青素具有诱发小鼠骨髓嗜多染红细胞微核生成的能力;结果实验中PCEPRBC比值大于011来看,受试物虾青素对红细胞的分化和成熟是没有影响的。

此外,他们将小鼠精子畸形试验纳入到该研究中,试图检测受试物虾青素对精子生成、发育的影响。

结果表明,小鼠精子畸形试验结果均为阴性。

受试物虾青素小鼠急性经口染毒LD50>10000mgPkg;反映体细胞和反映生殖细胞遗传毒性的Ames试验、小鼠骨髓嗜多染红细胞微核试验、小鼠精子畸形试验结果均为阴性,说明受试物虾青素在该实验条件下未见明显毒性,未见遗传毒性作用。

美国健康调研中心也针对虾青素对人体的安全性进行了调查，他们对35名35~69岁的健康成年人进行了为期8周的调查，其中19人每天服用含6mg虾青素的胶囊，而另外的16人作为对照服用安慰剂。

血压和血液化学检测结果表明，处理组和对照组在8周之后差异无统计学意义，表明每天服用6mg虾青素对健康成年人不会产生安全性问题。

值得讨论的是,试受物虾青素提取自微生物的培养和表达,提取加工过程中可能存在污染物的残留、浓缩等问题;由于受化学物质种类繁多和实验成本等因素的影响,不可能一一在标准和法律法规中对其化学检验项目进行规定。

特别是对于像虾青素这样提取自培养的微生物的物质,其中是否存在微生物、是否残留微生物成分（特别是大分子物质,如菌体的蛋白质、毒素）或加工过程中产生的有机衍生物、是否有培养基成分或溶剂残留等等,都是其食品安全性需要考虑的问题。

因此,检验食品（包括新资源食品、保健食品、食品容器等）的安全性除了理化安全性指标外,同时也要考虑毒理安全性检验的完整性。

感想

近年来随着生物技术的不断成熟，与医药相关的生物活性成分受到了越来越多的关注。

除了临床医学方面的应用，功能性食品的普及，在人们的生活水平的不断提高中，更为普通百姓所关注。

虾青素作为一种天然色素和活性物质，有着广阔的发展前景。

一方面，对于虾青素的获得过程，研究的重点和难点在于天然虾青素提取效率和安全的兼顾，以及规范的化学合成方法的探索；另一方面，对于虾青素的应用领域，市场的重心应逐渐向水产饲料添加剂以及人类保健品方向转移，以迎合现代人对健康的逐渐重视和对天然产品的偏好。

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