蝦青素抗氧化能力研究進展

江利華,柳慧芳,郝光飛,劉曉星,王紅霞,徐建中,*,趙山山,*

(1.河北工程大學生命科學與食品工程學院,河北邯鄲 056000; 2.河北省植物天然色素產業技術研究院,河北曲周 057250; 3.晨光生物科技集團股份有限公司,河北曲周 057250)

蝦青素(Astaxanthin),又稱蝦黃質和龍蝦殼色素,是一種紅色天然類胡蘿卜素,存在于海洋生物中的一種主要類胡蘿卜素,它廣泛應用于生物領域,特別是蝦、藻體、鮭魚、酵母[1]。蝦青素的化學名稱為3,3′-二羥基-4,4′-二酮基-β,β′-胡蘿卜素,分子式為C40H52O4,相對分子質量為596[2]。蝦青素的分子結構中有一條很長的共軛雙鍵鏈,在共軛雙鍵鏈的末端有不飽和酮基和羥基,酮基與羥基構成了α-羥基酮。這些結構都具有較活潑的電子效應,可以吸引自由基或向自由基提供電子,達到清除自由基的目的[3]。近年來,國內外大量研究也表明,因蝦青素獨特的化學結構,使其具有很強的抗氧化活性,對預防癌癥、動脈粥樣硬化、糖尿病等慢性病的發展,提高免疫力、延緩衰老有積極作用[4]。

顯著的抗氧化活性是蝦青素最重要的生理功能,其作為一種良好的抗氧化劑,在淬滅單線態氧方面起到非常重要的作用。在蝦青素的分子結構中,共軛雙鍵、羥基和不飽和酮基在共軛雙鍵鏈上數目較多,羥基和酮基形成α-羥基酮,這些結構都具有比較活潑的電子效應,可以將自由基吸引到未成對電子或向自由基提供電子,這表明蝦青素的結構特征使其易于與自由基反應,清除自由基,發揮明顯的抗氧化作用。

1 蝦青素抗氧化活性機制

1.1 淬滅單線態氧、清除自由基

清除羥自由基,淬滅單線態氧的能力是天然產物抗氧化性的重要檢測指標。體內過氧化物負離子與過氧化氫反應會生成羥自由基,而羥自由基能殺死紅細胞和降解 DNA、細胞膜與多糖化合物,隨著羥自由基清除劑加入,有害作用可明顯降低[5]。研究表明,蝦青素淬滅單線態氧的能力強于葉黃素、β-胡蘿卜素和其他類胡蘿卜素,甚至比維生素E強500倍。隨著蝦青素共軛雙鍵數目的增加,其淬滅活性氧的能力也隨之加強[6]。另外類胡蘿卜素羥基極性構型的活動性在整合入膜雙分子層的時候會受到限制,阻礙其多聚烯鏈和單線態氧反應,因此,同時含有羥基和酮基結構的蝦青素就表現出較高的抗氧化活性[7]。蝦青素中的酮基能激活羥基并促進氫向過氧化物自由基上轉移,使蝦青素的抗氧化活性較強；在4與4′位置上的酮基也會提高蝦青素的抗氧化性能,這可能會導致沿著多烯鏈上的電子密度發生實質性變化,特別是自由基最可能進攻的靠近環的一端[8]。

1.2 降低膜通透性,限制氧化劑滲透進細胞內

通過大量的體外實驗,發現蝦青素分子的極性末端橫跨細胞膜,可以大大提高細胞膜的穩定性和機械強度,降低膜的通透性,并限制過氧化物啟動子如過氧化氫、叔-丁基過氧化氫和抗壞血酸等進入細胞內,避免細胞中重要分子受到氧化損傷[9]。

1.3 增加抗氧化酶活性

裴凌鵬等[10]研究發現,在培養的成骨細胞中,分別添加不同濃度的蝦青素來孵化抑制過氧化氫誘導的氧化應激,結果表明蝦青素可通過激活細胞內抗氧化系統保護細胞免受氧化損傷。其又分別用不同劑量的蝦青素飼喂D-半乳糖誘導的衰老大鼠,測定其臟器丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性,結果與模型對照組比較,發現蝦青素攝入最低劑量組明顯降低了大鼠各臟器組織MDA產生,提高了SOD和GSH-Px酶活性[11]。

1.4 降低DNA的氧化損傷

研究發現,8-羥基鳥嘌呤可作為DNA氧化損傷的標志物,而Edge等[12]研究表明,蝦青素、β-胡蘿卜素、玉米黃質和番茄紅素均能降低鳥嘌呤核苷被氧化的水平(通過查閱文獻,只是發現蝦青素與這些色素有降低鳥嘌呤被氧化的水平,暫時還沒有相關能力的比較)。Lyons等[13]評價了蝦青素對UV-A誘導人皮膚成纖維細胞、黑素細胞和腸CaCo-2細胞中DNA突變的保護作用,試驗結果表明,在UV-A輻照前,用10 μmol/L蝦青素預孵育上述3種細胞均可明顯降低其DNA的損傷。

1.5 抑制脂質過氧化

在體內實驗中,Kurashige等[14]研究發現,把1%蝦青素添加在缺乏維生素E的大鼠飼料中,2～4個月后發現蝦青素能彌補維生素E缺乏癥的不足,避免機體發生脂質過氧化;與不缺乏維生素E組的大鼠相比,蝦青素抑制大鼠肝勻漿線粒體脂質過氧化的作用要比其強100倍。在體外實驗中,蝦青素能保護磷脂酰膽堿免于氧化、避免不飽和甲基脂肪酸酯過氧化、延緩脂質體過氧化的時間,是一種具有較強抗氧化活性的類胡蘿卜素[15]。Mcnulty等[16]對比了在多不飽和脂肪酸作用下,蝦青素與葉黃素、β-胡蘿卜素和番茄紅素對膜脂過氧化氫生成濃度的影響,結果發現,番茄紅素和β-胡蘿卜素等非極性胡蘿卜素會使脂質過氧化物水平增加85%,促進氧化劑對細胞脂質雙分子層的損傷,而蝦青素能使脂質過氧化物水平降低40%。

Jorgensen等[17]研究發現,與β-胡蘿卜素和玉米黃素相比,蝦青素能更有效防止不飽和脂肪酸甲酯的過度氧化,其抗氧化活性是維生素E的550倍,是β-胡蘿卜素、葉黃素和玉米黃素等其他類胡蘿卜素的10倍,被稱為“超級抗氧化劑”[18]。臨床研究表明,通常以非氧化狀態存在的低密度脂蛋白的氧化會促進動脈粥樣硬化的發展,而蝦青素的存在可以有效延長低密度脂蛋白被氧化的時間[19]。

2 蝦青素抗氧化能力研究進展

研究表明,蝦青素是迄今為止在自然界中發現的最強抗氧化劑,它具有清除紫外線照射產生的自由基的能力,并能減少光化學對生物體造成的傷害,對皮膚的光老化起到阻止作用[18]。因此,蝦青素在醫學、保健品以及化妝品等行業中均可用作抗氧化劑[20]。蝦青素抗氧化能力的測定主要通過體外清除DPPH、ABTS、羥自由基和超氧陰離子、在油脂體系內的抗氧化作用以及抑制促氧化酶、增強抗氧化酶活性來表示。

2.1 蝦青素體外清除自由基活性進展

Miki[21]早在1991年就研究了類胡蘿卜素如蝦青素、葉黃素、β-胡蘿卜素、金槍魚黃素、角黃素、玉米黃素、α-生育酚等的淬滅單線態氧和清除自由基能力,試驗結果表明類胡蘿卜素具有淬滅活性氧和清除自由基的能力,其中蝦青素的活性最強,比維生素E強100倍以上,并將其譽為“超級維生素E”。袁磊等[22]用DPPH自由基測定法、水楊酸法以及鄰苯三酚自氧化法來分別表征清除DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基能力,由此來比較蝦青素、葉黃素、β-胡蘿卜素以及番茄紅素的抗氧化能力,實驗結果表明這4種不同結構的類胡蘿卜素都具有較強的清除自由基的能力,且清除能力均遵循劑量-效應關系;清除自由基能力由強到弱依次為蝦青素、葉黃素、β-胡蘿卜素和番茄紅素,這表明蝦青素具有極顯著的抗氧化活性。劉曉星[23]在上述4種類胡蘿卜素研究的基礎上增加了維生素E和維生素C來對比這6種天然抗氧化劑體外清除DPPH自由基情況,研究結果表明維生素C清除DPPH自由基的能力最強,其次是蝦青素和番茄紅素,強于維生素E和β-胡蘿卜素,葉黃素的清除能力最弱。上述兩組關于蝦青素抗氧化活性的測定結果一致,這也充分說明了蝦青素的抗氧化能力是極強的，但是葉黃素和番茄紅素抗氧化能力存在差異,分析其原因可能是提取原料性質不同或由于類胡蘿卜素易在提取和儲藏過程中受溫度、光照等因素的影響導致其結構遭到破壞,進而影響清除自由基能力。

莫鏡池等[24]研究了蝦青素與ABTS自由基反應的紫外-可見吸收光譜特征,并將測量條件進行了優化,試驗結果表明當波長為752 nm時,蝦青素與ABTS自由基反應不產生光譜干擾,而且當蝦青素與ABTS自由基反應20 min后,反應基本穩定,說明蝦青素能夠快速、徹底地清除ABTS自由基;且當蝦青素濃度為1.84 mg/L,清除率可達到50%,這也充分說明了蝦青素極強的抗氧化活性。蹇華麗等[25]通過ORAC分析法對CHU-R(CHU-R是蝦青素產生菌,一種乳桿菌屬細菌的名稱,所以也命名由該種細菌產生的蝦青素為CHU-R蝦青素)蝦青素進行抗氧化活性測定,發現CHU-R蝦青素的抗氧化能力與萃取物濃度成正相關,平均抗氧化活性為13.80 U/mg,抗氧化性能良好。

2.2 油脂體系中蝦青素抑制脂質氧化降解進展

油脂氧化主要表現為油脂酸敗,是影響食用油脂質量的主要因素。油脂的酸敗會影響人體健康,為了延緩油脂在加工、儲存以及使用過程中的氧化和酸敗,研究發現,最重要的方法就是在食用油脂中添加抗氧化劑[26]，而然抗氧化劑具有廣闊的發展前景。

劉曉星[23]采用Schaal烘箱法對比研究了在不同添加量下,蝦青素與番茄紅素、葉黃素、β-胡蘿卜素、維生素C和維生素E這5種天然抗氧化劑在菜籽油和大豆油兩種食用油脂體系中的抗氧化性,研究結果表明,蝦青素在菜籽油和大豆油中均有較好的抗氧化能力,葉黃素在豆油中表現出很好的抑制豆油氧化效果,在菜油中卻相對低一些,而番茄紅素在菜籽油中的抗氧化能力要比豆油好很多,可能是本身性質不穩定或受一些因素影響,對大豆油的抗氧化性不佳。亞油酸乳化體系也是一種常見的檢驗抗氧化劑抗氧化能力的方法。如陳晉明等[1]用亞油酸乳化體系-鄰二氮菲-Fe2+氧化法比較研究了蝦青素和維生素E的抗氧化活性,發現蝦青素抑制亞油酸自氧化的效果明顯高于維生素E,分析其原因可能是由于蝦青素的化學結構與其他類胡蘿卜素不同造成的,蝦青素除了有較長的共軛雙鍵外,在兩端各個紫羅蘭環的3,4位上各有一個羥基和不飽和酮基,這些結構都具有較活潑的電子效應,能吸引自由基的未配對電子或向自由基提供電子。

2.3 蝦青素抑制促氧化酶、增強抗氧化酶活性進展

通過測定抗氧化酶、促氧化酶活性的升高或降低也是判斷蝦青素抗氧化能力大小的一種常用的方法。大量實驗研究表明,蝦青素具有抑制促氧化酶,增強抗氧化酶活性的能力。

2.3.1 蝦青素對動物體抗氧化能力 一項動物研究[27]表明,用雨生紅球藻粉飼喂大鼠,大鼠血漿和肝細胞中過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)的濃度會明顯增大,表明蝦青素極強的抗氧化能力。另外,劉慶春[28]研究了蝦青素對患有2型糖尿病的大鼠海馬抗氧化能力的影響,運用鏈脲佐菌素來制作糖尿病大鼠模型,將造模成功的大鼠分為蝦青素組、陽性對照組和模型組,藥物治療6周以后,采用Morris水迷宮對實驗大鼠進行測試,隨后取海馬,采用Real-Time PCR分析海馬中CAT、SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的表達水平,實驗研究結果表明海馬中CAT、SOD和GSH-Px的表達水平顯著提高,即雨生紅球藻中的蝦青素有效提高了海馬的抗氧化能力。還有相關研究分別以血鸚鵡、白對蝦與凡納濱對蝦以及中華絨螯蟹成體雌蟹等為研究對象,分別在喂養它們的飼料中添加適當含量的蝦青素,發現經過喂飼含蝦青素的飼料,動物體內的抗氧化酶活性會顯著上升,促氧化酶活性會下降,這也充分表明了蝦青素對于提高血鸚鵡、白對蝦與凡納濱對蝦以及中華絨螯蟹成體雌蟹的抗氧化活性有顯著的影響[29-30]。

蝦青素也可以與其他天然抗氧化劑共同作用來發揮抗氧化活性。關獻濤[31]添加蝦青素、葉黃素和β-胡蘿卜素于飼料中,考察蝦青素等對東星斑抗氧化能力的影響,主要通過測定東星斑肝臟中SOD、MDA、GSH-Px以及T-AOC活性來判定,研究結果表明隨著上述3種天然抗氧化劑添加量的升高,東星斑肝臟中SOD、GSH-Px以及T-AOC活性上升,MDA活性顯著下降,表示蝦青素等抗氧化劑的共同作用對東星斑的抗氧化活性有顯著影響。趙子續[32]以黃金鯉為研究對象,在不含任何增色劑的基礎飼料中添加萬壽菊粉和蝦青素,研究二者對黃金鯉的抗氧化能力的影響,發現在添加量分別為0.76%萬壽菊粉和0.04%蝦青素時,SOD活性、CAT活性達到峰值,且MDA含量最低;當添加量1.52%萬壽菊粉和0.16%蝦青素時,GSH含量和GST活性達到最大。綜上所述,適當添加量的萬壽菊粉和蝦青素對黃金鯉的抗氧化活性有顯著效果。

蝦青素人參茶葉對老齡小鼠有抗氧化效果。陳燕等[33-34]用SPF級昆明種老齡小鼠作為動物模型,設置3個不同劑量給藥30 d,同時設置陰性對照組和溶劑對照組,30 d后測量抗氧化活性指標脂質過氧化產物MDA、SOD、GSH-PX、GSH活性,實驗結果顯示高劑量組1%溶血液中MDA含量顯著降低,1%肝勻漿中SOD活性、1%溶血液GSH-PX活性和10%肝勻漿中GSH含量顯著升高,可見蝦青素人參茶葉對老齡小鼠有明顯的抗氧化作用,把蝦青素茶葉做成軟膠囊狀,對老齡小鼠具有同樣的抗氧化效果,且食用安全性更高,可以作進一步的推廣應用。

2.3.2 蝦青素抗氧化活性的穩定性 蝦青素的抗氧化活性不穩定,易受光照、溫度、鹽脅迫等的影響而發生降解或破壞。張麗瑤等[35]采用DPPH清除試驗來研究受光照、加熱影響的蝦青素的抗氧化活性,發現蝦青素是一種抗氧化活性極強的類胡蘿卜素,但結構不穩定,容易發生降解和異構體之間的轉化。在加熱、光照等條件下全反式蝦青素會全部或部分轉化為其順式異構體,且主要轉化形式為13-順式,蝦青素的順式異構體抗氧化活性比全反式強[36]。江紅霞等[37]研究了光周期對蝦青素累積和抗氧化能力的影響,其中蝦青素、丙二醛(MDA)含量以及總抗氧化能力通過分光光度計來測定,分析數據發現隨著光照時間的延長,MDA含量先升高后下降,而蝦青素含量和總抗氧化能力則逐漸升高;在16L:8D光周期條件下,MDA含量達到最大值,且顯著高于連續黑暗和連續光照條件下MDA含量;在連續光照條件下,總抗氧化能力達到最高,且明顯高于每日光照時間小于20 h條件下的蝦青素含量和總抗氧化能力;單個細胞中蝦青素含量和MDA含量在20L:4D和連續光照條件下無顯著差異,但這兩種條件下的單位干質量蝦青素含量和總抗氧化能力差異顯著;蝦青素含量、MDA含量和總抗氧化能力在連續黑暗條件下均最低。另外,江秋霞等[38]也研究了鹽脅迫對雨生紅球藻蝦青素的積累和抗氧化能力的影響,判斷鹽脅迫對蝦青素的積累及抗氧化能力的影響主要通過測定蝦青素含量、SOD、CAT和GSH-Px的活性以及MDA的含量,試驗結果顯示在鹽脅迫的早期(第3 d)和中期(第6 d),雨生紅球藻中蝦青素含量階段較低,在鹽脅迫的后期(第9 d)階段較高,而SOD、CAT和GSH-Px活性以及MDA含量則在鹽迫的早期和中期階段較高,在鹽脅迫的后期階段較低，實驗結果表明了適當濃度和時間的鹽脅迫條件會促進雨生紅球藻累積蝦青素,其機制主要是通過提高蝦青素合成相關酶基因的轉錄水平來促進蝦青素的合成,其蝦青素和抗氧化酶的抗氧化活性可能互為補充,共同保護雨生紅球藻免受鹽脅迫的氧化損傷。

蝦青素在貯存過程中會受到如光照、溫度、鹽離子和金屬離子等多種因素的影響,使其性質不穩定,容易發生降解。耿兆艷等[39]以雨生紅球藻粉為原料,對蝦青素提取液的穩定性進行了研究,實驗結果表明,在避光條件下冷藏保存并減少與金屬離子的接觸,會有效地減低蝦青素的降解速率。上述實驗結果為蝦青素的規?；a、存儲和應用提供了理論依據和保證。

3 結論

通過體外清除DPPH、ABTS、羥自由基和超氧陰離子在油脂體系內的抗氧化作用以及抑制促氧化酶、增強抗氧化酶活性的研究,越來越多的證據表明蝦青素具有強大的抗氧化能力,其強抗氧化能力已經逐漸進入到食用色素、畜牧業和水產品的飼料添加劑中,現在也廣泛應用于化妝品、保健品和醫藥等行業。蝦青素的抗氧化作用還對延緩油脂在加工、儲存和使用過程中的氧化和酸敗以及可明顯改善行為缺陷有顯著的影響,并且使得天然蝦青素有望成為調節人體機能、改善人體健康的有效方式。當然,蝦青素的抗氧化機制及作用對于后續關于預防和治療腫瘤、心血管疾病以及各種慢性退行性疾病提供了重要的理論依據。雖然關于蝦青素抗氧化活性的研究已經取得了很大的進展,但未來我們仍需要大規模的臨床試驗來驗證其在人體的實際作用過程,為進一步發揮蝦青素的抗氧化活性對人體的有益作用提供理論基礎。