虾青素的结构制备以及应用

虾青素的化学结构、制备方法、功能与应用
及市场前景
食安1001 4102100131 刘道光
关键词：虾青素化学结构天然提取天然与人工合成虾青素的差异虾青素的功能与应用市场前景
摘要
虾青素，是从河螯虾外壳，牡蛎和鲑鱼中发现的一种红色类胡萝卜素，化学名称是：3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，色素Aj067-69 CAS No: 472-61-7，分子式C40H52O4，[分子量] 596.86。

在体内可与蛋白质结合而呈青、蓝色。

其有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、预防心脑血管疾病作用。

目前，天然虾青素的生物来源一般有3种：水产品加工工业的废弃物、红发夫酵母(Phaffiarhodozyma)和微藻(雨生红球藻)．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，并且，人工虾青素的生物吸收效果也较天然虾青素差，在体内也无法转化为天然构型。

由于天然虾青素具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、预防心脑血管疾病等作用，所以，其在化妆品，保健品，医药卫生等方面具有较好的市场前景。

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
1.1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。

1.2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。

1.3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难度。

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（Haenaococus pluvialis）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（Myobacterium lerticola）、短杆菌103（Brmibacterium）以及真菌担子菌纲的发夫酵母属（Phaffia rhozyma）。

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（Rhodotorula sp）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。

二天然与人工合成虾青素的差异
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-3 S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。

三.保健食品领域的应用
全球的保健品推出了大约200多款虾青素软、硬胶囊、口服液的保健食品。

尤其是在日本这个寿命最长的国家最为受到欢迎，近3年来虾青素成为日本最火爆的健康食品。

东南亚包括台湾、新加坡深受其影响。

我国也有一些企业相继跟进。

【虾青素保健功效】：
1眼和中枢神经系统的保护作用
人类视网膜和中枢神经系统（脑）富含不饱和脂肪酸，因此，氧化产生的自由基很容易使其发生过氧化损伤。

有研究表明，虾青素很容易通过血脑屏障和细胞膜，能有效地防止视网膜的氧化和感光细胞的损伤，以及对中枢神经系统尤其是对大脑起到保护作用，从而有效治疗缺血-再灌注损伤、脊髓损伤、帕金森综合征、Alzheimer综合征等中枢神经系统损伤。

尤其是视网膜黄斑变性效果较叶黄素更加显著。

美国CADAX公司已经把虾青素作为一种脑梗塞后防止再次梗塞的药物，据报道2010年已经进入临床试验阶段。

最大的好处是不会象抗血小板药导致凝血功能障碍。

2防紫外线辐射
众所周知，紫外线辐射是导致表皮光老化和皮肤癌的重要原因。

研究表明，虾青素对谷氨酰胺转胺酶(transglutaminase)具有特殊作用，能够在皮肤受光照时消耗腐胺，口服虾青素对腐胺积累的抑制作用比口服维生素A 更强。

因此，虾青素的强抗氧化性可能使它成为潜在的光保护剂，有效清除引起皮肤老化的自由基，保护细胞膜和线粒体膜免受氧化损伤，用于阻止皮肤光老化。

3预防心血管疾病
动脉硬化及相关心血管疾病的临床研究表明，低密度脂蛋白的氧化是导致动脉硬化的重要原因。

人体中LDL浓度越高，加之血小板沉积使血管变细阻碍血流速度，人体患动脉硬化的风险就越大。

而血液中高密度脂蛋白(HDL)则有相反的作用，它可以阻止动脉硬化的发生。

在人体血液中，虾青素由极低密度脂蛋白(VLDL)、LDL和HDL携带。

体外和临床试验证明每人口服3．6mg／d虾青素，连续2周，能预防LDL的氧化。

另外，有动物研究表明，虾青素在体内具有显著升高HDL和降LDL的功效，其中HDL 可由原来的49．7±3．6mg／dL增加至66．5±5．1mg／dL，因此推测虾青素能减轻载脂蛋白的氧化，可用来预防动脉硬化、冠心病和缺血性脑损伤。

不同于一般降低LDL的药物，每天服用1.8、3.6、14.4和21.6mg虾青素连续2周后，LDL氧化的时间分别被延长了5.0％、26.2％、42.3％和30.7％；从而可预防动脉粥样硬化的发生。

4增强免疫力
虾青素能显著影响动物的免疫功能，在有抗原存在时，能明显促进脾细胞产生抗体的能力，增强T细胞的作用，刺激体内免疫球蛋白的产生。

虾青素还能够部分恢复年老小鼠的体液免疫系统，其中可使小鼠体内的IgM、IgA和IgG分别都增加至10mol／L，表明在抗原入侵初期，它能增强特异性体液免疫反应。

另外，虾青素还可以增强小鼠释放白细胞介素-Iα和肿瘤坏死因子α的能力，其作用比β-胡萝卜素和角黄素强得多。

由此认为，虾青素有很强的诱导细胞分裂的活性，具有重要的免疫调节作用。

5缓解运动疲劳。

增强机体能量代谢
当机体运动时肌肉会释放自由基，这些自由基若不被抗氧化剂及时处理，就会产生氧化压力，致使肌肉酸痛或肌肉组织的损伤。

研究表明，虾青素可以作为一种抗氧化剂抑制自由基对机体的氧化损害作用。

另外，口服虾青素还可以强化需氧代谢，增加肌肉力量和肌肉耐受力，迅速缓解运动疲劳，减轻剧烈运动后产生的迟发性肌肉疼痛。

主要表现在：4mg/天，6个月后可增幅体力40%。

4mg/天，2周后可延长持续运动的时间20%，以及
减少运动后的乳酸堆积28.6%。

6抗炎抗感染特性
关节疼痛和关节炎通常是自由基导致的氧化损伤所致。

虾青素较强的抗氧化特性有助于抑制自由基，减少其对关节的氧化损害。

已有研究表明，给小鼠饲喂富含虾青素的雨生红球藻粉，能够激活T淋巴细胞的应答，从而降低幽门螺杆菌对胃的附着和感染。

Mara公司研究了红球藻虾青素产品(astafactor)对人类健康的影响，并与其它26种著名的抗炎药物进行比较，结果显示：服用虾青素患者的健康状况提高了85％，虾青素与92％的抗炎药物有同等的效果或效果更佳。

研究表明：4mg/天虾青素所抑制的炎症因子（如前列腺素E等）效果与4mg【可的松】相当，但却没有我们熟知的【可的松】之副作用，因此又被誉为没有副作用的激素。

7抑制肿瘤
Tanaka等的研究表明，给实验大鼠和小鼠饲喂虾青素100～500mg／kg，能显著抑制化学物诱导的初期癌变，对暴露于致癌物质中的上皮细胞具有抗增殖作用和强化免疫功能的作用，而且这种效应存在剂量-效应关系。

与对照组相比，高剂量组(500mg／kg)的肿瘤发生率和肿瘤大小明显低于对照组和低剂量组。

因此推测虾青素具有显著的抗癌特性。

虾青素还能诱导肝脏中的转移酶，显著抑制小鼠膀胱癌、大鼠口腔癌和结肠癌、胃癌，其作用效果要比β-胡萝卜素更为明显。

另外，虾青素还能预防黄曲霉毒素的致癌性，对减少黄曲霉毒素诱导的肝肿瘤细胞的数量和体积效果良好。

最近，科研人员提出了虾青素的抗癌机制，认为它与细胞膜的稳定性和蛋白质基因表达有关，通过改变膜稳定性和基因表达数量来调节细胞间通讯，从而提高细胞间的平衡能力，维持细胞的正常功能。

8抑制糖尿病肾病
糖尿病人70%会在5年内发展为肾病损害，虾青素是迄今为止发现的唯一可以有效阻止糖尿病肾病损的物质，虾青素主要是通过直接保护肾小球基底膜、阻止因高血糖产生的自由基来破坏基底膜；此外，还可以对抗肾小管上皮细胞的自由基，保护葡萄糖及磷的在肾小管细胞的正常转运，从而保存ATP及钠-钾ATP酶这些重要物质，确保肾脏血流不受影响，减少蛋白尿的产生（图11）。

糖尿病患者为了避免尿泡泡事件的发生，一定要预先开始使用ASTA天然虾青素。

研究证实：8mg虾青素，8周时间可显著减少尿蛋白70%。

四.化妆品领域应用
由于其强大的抗氧化性，全球差不多一线的化妆品品牌均添加了天然
虾青素作为其超强抗氧化剂的成分，包括雅诗兰黛、欧莱雅的DermaE，尤其是日本的品牌高丝（KOSE）、芳凯（FancL)、JUJU、FUJI，DHC以及曼秀雷登等推出了专门的虾青素系列保湿霜、抗皱眼霜、面膜、口红等。

只要看到那些红色或橙色的宣称抗氧化的，且售价数百上千元的化妆品都是加的虾青素这一类物质。

【虾青素抗皱的作用机理】
皮肤是由三层结构构成：表皮层、真皮层、皮下脂肪。

真皮层包含了胶原蛋白、弹力蛋白、和其他纤维构成了支撑皮肤的骨架。

也是这些元素使得皮肤显得光滑年轻，同样这些元素也易受到UVA和UVB的损伤。

紫外线又分为长波紫外线UVA和短波紫外线UVB。

其中UVA这种长波紫外线由于波长比较长，可以到达真皮层，主要损伤胶原蛋白，支撑表皮的骨架消失，导致表皮不均一的塌陷这样皮肤皱纹形成（右图），UVB则主要是作用在表皮，导致晒伤或黑色素的沉积，形成斑点或皮肤变黑。

紫外线UV会产生的原位活性氧和基质金属蛋白酶，这些因子是皱纹产生的根源，因为他们摧毁了真皮层的胶原蛋白基质。

幸运的是皮肤自身的修复机制是能够重建损伤的胶原蛋白的，然而，如果活性氧（ROS)和基质金属蛋白酶（NMP）的破坏活动得不到有效控制，他们就会持续损害这些胶原蛋白，这样就严重阻碍了皮肤自身的修复进程，虾青素则能够显著减弱ROS和NMP对真皮层胶原蛋白、弹力蛋白的破坏，保证了皮肤的正常代谢。

如果外用虾青素结合内服虾青素，同时补充一些富含胶原蛋白的食物，则皱纹的修复会很快。

【虾青素防晒作用机理】：
虾青素有其独特的分子结构，其物质的吸收峰值就是470nm左右，跟UVA波长（380-420nm）相近，因此微量的虾青素就可以吸收大量的UVA，好比地球上最完美独特的天然防晒剂，如同自然的防阳伞铺盖全身，可以高效地防紫外线辐射、淬灭紫外线引起的自由基，减少紫外线对皮肤的伤害防止。

除此以外，它亦能快速地复原遭受紫外线烧伤破坏的肌肤。

五．市场前景
由于虾青素具有抗氧化性，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，其人工合成品的价格达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愈大，但目前从水产品废弃物中提取虾青素含量低，费用高，不能满足大规模商业化生产的需要，因此开发和利用虾青素的市场前景将更为广阔。

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/view/114538.htm（虾青素）
/wiki/%E8%99%BE%E9%9D%92%E7%B4%A0，虾青素
/index.php?doc-view-687.html，虾青素-原料成分/Article/jmhy/201009/1337.html 虾青素的开发和应用。