雨生紅球藻蝦青素的制備及生物活性研究進展

賀青華，李勇超，王文娟，張波*

（北京聯合大學應用文理學院功能食品科學技術研究院，北京100191）

雨生紅球藻蝦青素的制備及生物活性研究進展

賀青華，李勇超，王文娟，張波*

（北京聯合大學應用文理學院功能食品科學技術研究院，北京100191）

蝦青素是類胡蘿卜素的含氧衍生物，人工養殖的雨生紅球藻是天然蝦青素的最好來源。蝦青素具有多種生物活性，在疾病的預防和治療中起重要作用。文章介紹了蝦青素的提取與穩定性以及在人體中的吸收與代謝，主要對雨生紅球藻蝦青素的抗氧化活性以及在炎癥、糖尿病、心血管疾病、免疫調節以及抗癌等方面的研究進展和應用現狀進行了綜述。

蝦青素；雨生紅球藻；生物活性

蝦青素（astaxanthin）是一種類胡蘿卜素，廣泛存在于生物中，如蝦、蟹、微藻類和鳥類的羽毛。目前蝦青素的主要來源是利用藻類、酵母生產。雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）是一種單細胞綠藻，是天然蝦青素含量最高的生物[1]。目前天然蝦青素主要通過人工養殖雨生紅球藻，采收其孢子并經破壁、提取等工藝制成。在日本及歐美，雨生紅球藻蝦青素在功能食品及食品添加劑中的使用已比較普遍[2]。近年來人們對天然蝦青素在抗氧化、提高人和動物的免疫力、改善和治療糖尿病、心血管疾病、神經性退化疾病以及抗癌、防止紫外線照射、抗衰老、抗高血壓等方面的研究日益增多[3-4]，蝦青素良好的生物活性使其在食品、醫藥、化妝品等領域已展現重要的應用價值和良好的應用前景。雨生紅球藻作為生產天然蝦青素的主要原料，已經引起國內外的廣泛關注，并且生產技術日益完善。關于蝦青素的生理功能的研究欠缺還沒有得到美國食品和藥品管理局（food and drug administration，FDA）等機構的認可，但諸多實驗表明，蝦青素有著非常良好的生理功能[5]。本文主要對來源于雨生紅球藻的蝦青素的生產及生物活性在動物試驗或人體試驗研究進行綜述，目的是為能夠解決和改善人們健康和生活質量提供新的方法。

1 蝦青素的結構及性質

圖1 蝦青素的分子結構Fig.1 Molecular structure of astaxanthin

蝦青素分子結構3,3'-二羥基-4,4'-二酮基-β,β'-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，分子質量為596.84 u，是唯一能通過血腦屏障的類胡蘿卜素的含氧衍生物，顏色為紅色。蝦青素為不飽和萜烯類化合物，碳鏈末端各有一個含羥基的β-紫羅蘭酮環（見圖1）。蝦青素不溶于水，具脂溶性。蝦青素是一種廣泛應用的類胡蘿卜素，其最重要的特質是具有強抗氧化性質。分子結構中含有多個共軛雙鍵，末端含有不飽和的酮基（見圖1），這些結構使蝦青素具有活潑的電子效應，能吸引自由基未配對電子或向自由基提供電子，從而清除自由基，終止鏈反應，能夠通過物理方式淬滅單線態氧。蝦青素分子末端含有羥基，可以與脂肪酸形成酯。形成酯后疏水性增加，雙酯比單酯親脂性強。蝦青素可貫穿細胞膜[5-6]，其生物活性優于其他抗氧化劑。

2 制備蝦青素的工藝及穩定性

2.1 雨生紅球藻蝦青素的制備

雨生紅球藻含有豐富的蝦青素。我國衛生部（原）已于2010年批準雨生紅球藻作為新食品原料（衛生部（原）2010年新資源食品第17號公告），培養雨生紅球藻生產蝦青素具有重要的價值，有廣闊的發展前景。對于雨生紅球藻的培養，重點是研究和優化其生長條件，在高密度培養的基礎上大量積累蝦青素；不斷優化藻種減少培養過程中的污染；優化孢子破壁技術，實現蝦青素的高效提取。從雨生紅球藻中分離純化蝦青素有很多種方法，其中酶法、微波法、研磨法、高壓均質法等主要通過提高雨生紅球藻細胞破壁率來提高蝦青素的提取率。超臨界CO2萃取法、堿提法、溶劑法等則通過不同的滲透作用，使溶劑進入雨生紅球藻細胞體內提取[6-8]。提取后可通過硅膠柱進行純化分離得到天然蝦青素。蝦青素的含量一般采用高效液相色譜和質譜進行定量分析測定[9]。

2.2 雨生紅球藻蝦青素的穩定性

蝦青素在低于60℃條件下穩定性較好，高于60℃降解速度加快。雨生紅球藻在培養液pH7.0時可獲得最大細胞產量，且蝦青素的產量顯著增加[10]。由于溫度和光照對蝦青素穩定性影響較大，雨生紅球藻藻粉一般采用鋁箔袋避光真空包裝并低溫冷藏儲存[11]。另外，采用殼聚糖、乳化劑以及β-環糊精微囊包埋技術也可提高蝦青素的穩定性[12-13]。蝦青素易氧化，氧化后成為蝦紅素（astancene）并且在弱堿性條件中較穩定，加入金屬離子對色素具有破壞作用。

3 蝦青素的生物活性

3.1 抗氧化作用

自由基和活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）具有很高的反應活性，可引起機體氧化損傷（如脂質過氧化、DNA損傷等），造成機體一系列功能紊亂和失調。蝦青素的共軛雙烯，可通過淬滅單線態氧和清除自由基，從而抑制機體的氧化損傷；還能阻斷不飽和脂肪酸的鏈式反應[2]。蝦青素特殊的分子結構可以貫穿細胞膜，抑制磷脂雙分子層的過氧化、保護細胞膜結構，其抗氧化活性是其他類胡蘿卜素的10倍，是維生素E的550倍，故被稱為“超級維生素E”[15-16]。以臍靜脈血管內皮細胞測定蝦青素的抗氧化能力，發現雨生紅球藻中提取的天然蝦青素的抗氧化活性是合成蝦青素（濃度5 mmol/L）的90倍[17]。硫氧還蛋白以及硫氧還蛋白還原酶是細胞內最重要的抗氧化系統之一，對維持細胞內蛋白質的還原狀態并正常發揮生理功能起著重要的作用。有研究表明，蝦青素可以明顯改善由膽固醇癥引起的蛋白質氧化，使硫氧還蛋白還原酶活性提高[18]。以60 mg/kg丙戊酸建立產后小鼠自閉癥模型，再以2 mg/kg的蝦青素飼喂產后小鼠4周，結果表明，肝臟腦的氧化應激水平提高，小鼠自閉癥行為有所改善[19]。體外肝細胞培養試驗結果也表明，蝦青素具有清除自由基、淬滅單線態氧，提高谷胱甘肽含量，防止脂質過氧化的作用[20]。成熟豬卵母細胞培養中添加0.5mg/kg蝦青素酯也使細胞的抗氧化能力提高[21]。蝦青素酯和游離蝦青素對清除自由基均有效[22]。

3.2 抗炎活性

鏈脲佐霉素（streptozotocin，STZ）150 mg/kg誘導小鼠糖尿病模型中，小鼠每天經口服蝦青素25 mg/kg 10周，可有效減少腦中神經膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）陽性細胞數量，并且抑制半胱天冬酶-3型（caspase-3）、白介素6（interleukin-6，IL-6）、白介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和額葉胱硫醚合成酶（cystathionase，CBS）的表達，抑制糖尿病引起的腦部炎癥對神經系統的損害，對神經起到保護作用，蝦青素具有的抗炎特性，可以用于慢性神經退行性疾病等[23-25]。另外，蝦青素對于皮膚過敏也有抑制作用，可降低腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor，TNF-α）和干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）的含量，有效抑制由二硝基氟苯（dinitrofluorobenzene，DNFB）誘導的小鼠耳過敏反應[26]。

3.3 抗糖尿病活性

成年雄性大鼠飼喂高脂、高糖飼料15 d后，每天再飼喂2 mg/kg蝦青素飼料45 d，發現肝臟線粒體內質網蛋白激酶、核轉錄因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）、線粒體自噬因子等含量降低，應激反應減弱，蝦青素可降低由胰島β-細胞失調引發的高血糖氧化應激，改善血漿中的胰島素和葡萄糖的水平，能夠降低葡萄糖對胰腺β-細胞的毒性[27-28]。給大鼠腹腔注射鏈脲佐霉素建立糖尿病模型，分別以50 mg/kg、100 mg/kg蝦青素飼喂14 d，結果表明大鼠血糖水平顯著下降，磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）通路激活，并且抑制氧化應激反應，還提高了糖尿病大鼠的認知能力[29]。研究還表明，蝦青素可通過降低腎臟氧化應激反應，降低腎臟細胞的損害，從而減緩糖尿病腎病的發生和發展[30]。并且，蝦青素對糖尿病微血管并發癥的發生也具有抑制作用[31]。

3.4 預防心血管疾病

臨床應用研究表明，蝦青素能夠抑制低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）的氧化，提高高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）和脂聯素的水平[32]。以75～200 mg/kg的蝦青素飼喂自發性高血壓大鼠8周，發現心縮壓下降，左心室肥大狀況明顯降低，阻力動脈血管內皮功能改善，能夠降低血壓值，對高血壓癥有治療作用[32]。有研究表明，蝦青素能夠通過降低ROS簇保護血管內皮細胞[34]。這些結果表明，蝦青素治療動脈粥樣硬化和心血管疾病的機制與降低氧化應激和緩解慢性炎癥有關，有望用于預防和治療動脈粥樣硬化和心血管疾病。

3.5 免疫調節作用

免疫細胞對游離自由基的損害非常敏感。蝦青素可清除游離自由基，具有重要的免疫調節作用。人群研究表明，每天補充蝦青素可降低DNA損傷、降低血漿中C反應蛋白的濃度，提高健康成年女性的免應答能力[35]。蝦青素（1 mg/kg）和深海魚油[二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）10 mg/kg，二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）7 mg/kg]混合后飼喂大鼠45 d，結果發現，蝦青素和深海魚油混合能顯著降低活性氧、過氧化氫以及一氧化氮水平，從而T和B淋巴細胞的增殖數量降低，改善免疫調節作用[36]。體外試驗證明，300 nmol/L蝦青素可以促進脾臟淋巴細胞的增殖；小鼠連續灌胃蝦青素（0.28 mg/kg、1.4 mg/kg、7 mg/kg）14 d，發現INF-γ、IL-2產量提高，并且沒有產生細胞毒素[37]。

3.6 抗癌活性

細胞間隙連接通訊（gap junction intercellular communication，GJIC）對細胞的正常增殖分化及組織自身穩定起著重要的調節作用。細胞間隙連接通訊功能的抑制或破壞是促癌作用的重要機制。蝦青素的抗癌作用與其誘導細胞間隙連接通訊的能力密切相關，通過加強正常細胞間的連接通訊能力來控制癌細胞的生長和轉移[38]。體外實驗表明，蝦青素可以促進人體皮膚成纖維細胞之間的間隙連接通訊[39]。蝦青素還能夠抑制細胞增殖和凋亡，且不產生抗藥性。在人肝癌細胞系LM3和SMMC-7721培養液中加入50～300 μmol/L的蝦青素培養72 h，結果表明，蝦青素主要通過抑制PI3K/PKB和細胞外信號調節激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）信號轉導通路，下調NF-κB p65和Wnt/β-catenin信號通路，抑制癌細胞的增殖，并使大量癌細胞發生凋亡[40]。

4 總結

蝦青素是一種具有很強生物活性的抗氧化劑，目前國際上在藥品以及食品領域的應用主要定位于調節免疫、改善和治療糖尿病、心血管疾病以及保護視網膜、抗炎、抗衰老等方面。國外已研究開發了多款含有蝦青素的產品。我國仍處于研究初期，需要加強蝦青素原料生產以及提取技術的改革和創新并深入研究蝦青素的性質和功能。進一步開發蝦青素在人造奶油、功能性飲料、食用油等食品中以及保健品和藥物中的應用。

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Research progress of preparation and bioactivity of astaxanthin fromHaematococcus pluvialis

HE Qinghua,LI Yongchao,WANG Wenjuan,ZHANG Bo*
(Research Institute for Science and Technology of Functional Food,College of Applied Arts and Science, Beijing Union University,Beijng 100191,China)

Astaxanthin is oxy-derivatives of carotenoid,and the artificial propagation ofHaematococcus pluvialisis the best source of natural astaxanthin.Astaxanthin has a variety of biological activity and plays an important role in prevention and treatment of disease.The extraction and stability of astaxanthin and its absorption and metabolism in human body were introduced.The antioxidant activity of astaxanthin fromH.pluvialisand research progress and application status in inflammation,diabetes,cardiovascular disease,immune regulation and anticancer were reviewed.

astaxaanthin;Haematococcus pluvialis;bioactivity

Q562

0254-5071（2016）11-0035-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.11.007

2016-06-20

“十二五”國家科技支撐計劃課題（2012BAD33B06）；北京聯合大學校級科研項目（2015年）

賀青華（1990-），女，碩士研究生，研究方向為生物活性物質的功能與毒理。

*通訊作者：張波（1962-），女，教授，博士，研究方向為生物活性物質的功能與毒理。