蝦青素的提取與合成工藝及在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

陳 雯

（廬江縣白湖鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)站，安徽廬江 231500）

蝦青素是類胡蘿卜素的一種，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物不僅具有較好的著色效果，且可以起到防止變色、變質(zhì)等保鮮作用[1]。蝦青素具有高效抗氧化、抗癌變、增強(qiáng)免疫、保護(hù)眼睛和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等功能，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、飼料、食品、化妝品等生產(chǎn)[2]。蝦青素來源包括人工合成和天然提取，目前國內(nèi)外常見的天然蝦青素產(chǎn)品主要來源于水產(chǎn)品廢棄物、微生物和轉(zhuǎn)基因植物等。在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，蝦青素主要作為新型高效的飼料添加劑被廣泛應(yīng)用。

1 蝦青素簡介

蝦青素（Astaxanthin）分子式為C40H52O4。蝦青素屬于一種脂溶性及水溶性的色素。晶體狀蝦青素熔點(diǎn)224 ℃，是一種深紫褐色粉末，色澤為粉紅色，不溶于水，易溶于丙酮、苯、氯仿等有機(jī)溶劑。蝦青素廣泛存在于生物體內(nèi)，尤其是魚、蝦、蟹體內(nèi)和鳥類的羽毛中，例如火烈鳥、朱鷺的羽毛、大麻哈魚的肉、鮭魚的肉、蝦蟹的甲殼等。由于動(dòng)物不能自行合成蝦青素，雖然有些甲殼類動(dòng)物可以將其他類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為蝦青素，但無法達(dá)到體內(nèi)需求量，所以需要從食物中攝取。海產(chǎn)魚類和甲殼類動(dòng)物大多數(shù)體內(nèi)含有蝦青素，這些蝦青素一般是通過食物鏈從浮游植物和浮游動(dòng)物中獲得[3-4]。蝦青素不僅能使水產(chǎn)動(dòng)物具有良好的外觀品質(zhì)，它還是動(dòng)物生長和發(fā)育所必需的營養(yǎng)物質(zhì)。

蝦青素分子兩端末端環(huán)狀結(jié)構(gòu)上各有一個(gè)羥基（－OH），可與脂肪酸形成單酯、雙酯結(jié)構(gòu)。生物體內(nèi)的酯化基團(tuán)是蝦青素與蛋白質(zhì)結(jié)合的橋梁，游離或酯化狀態(tài)影響蝦青素在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性、與蛋白結(jié)合的程度和代謝的速度等，并且游離蝦青素很難與蛋白結(jié)合，且更加容易被代謝清除。例如，健康活蝦蟹體表顏色為青色，煮熟為橙紅色，就是酯化蝦青素與蛋白質(zhì)分離引起的。

2 蝦青素的存在形式和獲取途徑

2.1 蝦青素的存在形式

蝦青素在不同動(dòng)物、不同組織器官中分布不同，儲(chǔ)存在生物體內(nèi)更加穩(wěn)定。未被氧化過的蝦青素是酯化的蝦青素，魚的皮膚、魚鱗、魚子中主要分布酯化態(tài)蝦青素，肌肉、血漿和內(nèi)臟器官主要分布游離態(tài)的蝦青素。蟹、蝦等甲殼類動(dòng)物酯化蝦青素主要沉積在殼、性腺和肝胰腺上。

2.2 蝦青素的獲取途徑

目前成熟的蝦青素生產(chǎn)工藝包括生物提取法和化學(xué)合成法，常見天然蝦青素主要來源于水產(chǎn)品廢棄物、微生物和轉(zhuǎn)基因植物。蝦青素分子結(jié)構(gòu)（圖1）：以共軛不飽和雙鍵形式聯(lián)結(jié)4 個(gè)異戊二烯，長的共軛不飽和雙鍵結(jié)構(gòu)對(duì)光、熱、酸、堿、氧化物及酶等非常敏感[5]。因此，如何優(yōu)化提取工藝最大效率提取天然蝦青素成為國際研究熱點(diǎn)。

圖1 蝦青素分子結(jié)構(gòu)

2.2.1 化學(xué)合成法 蝦青素的合成方法有2 種：直接合成法和間接合成法。直接合成法常用合成類胡蘿卜素單體直接合成，間接合成法則是由其他類胡蘿卜素氧化得到蝦青素。2種合成法合成流程均十分復(fù)雜，得到的蝦青素狀態(tài)為100%游離，且多為順式結(jié)構(gòu)（天然蝦青素多為反式結(jié)構(gòu)）。

2.2.2 水產(chǎn)加工廢棄物中提取 2022 年我國水產(chǎn)品年產(chǎn)量已達(dá)6 869萬t，水產(chǎn)品廢棄物資源豐富，利用水產(chǎn)品廢棄物提取蝦青素可帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，并促進(jìn)我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的蝦青素提取方法包括堿提法、油溶法、索氏提取法、有機(jī)溶劑提取法等。近年來，酶提取法、負(fù)壓空化法、高壓均質(zhì)法、離子液體、脈沖電場法、超臨界流體萃取法等新方法可低耗、高效提取蝦青素。祖元?jiǎng)偟萚6]對(duì)負(fù)壓空化法提取蝦青素的各項(xiàng)工藝條件進(jìn)行初步研究，得出最佳提取工藝參數(shù)：提取溶劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液，提取時(shí)間35 min，通氣量0.2 m3/h。Martínez 等[7]比較了脈沖電場法處理、研磨、凍融、熱處理、超聲處理雨生紅球藻等方式下蝦青素的提取率，結(jié)果表明脈沖電場法處理后蝦青素提取率為96%，其他提取方法最高提取率為80%。張曄等[8]研究纖維素酶、果膠酶以及復(fù)合酶對(duì)雨生紅球藻破壁效果，并通過響應(yīng)面優(yōu)化酶解破壁輔助提取蝦青素，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維素酶和果膠酶酶活力配比1∶1（U/U），加酶量7 000 U/mL，pH 4.9，溫度49 ℃，時(shí)間6 h，蝦青素提取率為71.08%，且復(fù)合酶法輔助提取方法簡單、條件溫和、綠色安全、效率高。此外，柱層析法、高效液相色譜法、重結(jié)晶法、高速逆流色譜法等純化蝦青素的方法也在不斷發(fā)展中。水產(chǎn)品廢棄物中蝦青素含量相對(duì)較低，提取工藝復(fù)雜，費(fèi)用較高。因此，經(jīng)濟(jì)高效提取蝦青素已成為生產(chǎn)業(yè)亟待解決的難題。

2.2.3 微生物生產(chǎn) 多類自然界微生物（藻類、真菌、細(xì)菌等）能夠合成天然蝦青素，目前研究生產(chǎn)使用較多的是紅發(fā)夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous）和雨生紅球藻（Haematococcus Pluvialis）[9-10]。優(yōu)良紅發(fā)夫酵母菌株可積累占干重0.5%左右的蝦青素，且發(fā)酵工藝成熟，能短時(shí)間內(nèi)獲得產(chǎn)物[11]，但受碳源、氮源、溫度、pH、溶氧等發(fā)酵條件的影響較大，發(fā)酵成本高，產(chǎn)生的蝦青素為抗氧化活性低的右旋異構(gòu)體，因此紅發(fā)夫酵母不能作為最好的天然蝦青素生產(chǎn)工具。目前主要生產(chǎn)工具為雨生紅球藻，其能積累占菌株干重4%～5%的蝦青素，但雨生紅球藻的生長條件極其苛刻，對(duì)水質(zhì)、光照和培養(yǎng)環(huán)境的要求高，培養(yǎng)周期長，技術(shù)要求嚴(yán)格，且蝦青素在其體內(nèi)的積累發(fā)生在不適于其細(xì)胞生物量積累的脅迫環(huán)境下，因此大規(guī)模生產(chǎn)比較困難[12-13]。

2.2.4 轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn) 高等植物中普遍存在蝦青素合成所需前體β-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素羥化酶，但不含β-胡蘿卜素酮化酶，因此不能進(jìn)行蝦青素合成。目前研究通過向植物體內(nèi)導(dǎo)入β-胡蘿卜素酮化酶，已成功讓煙草[14-15]、土豆[16]、擬南芥[17]、蓮花[18]、玉米[19]等植物產(chǎn)生蝦青素，但轉(zhuǎn)基因植物中產(chǎn)生的蝦青素含量不穩(wěn)定、存在中間代謝產(chǎn)物積累等問題。因此，發(fā)掘和利用植物自身（如植物中夏側(cè)金盞花花瓣中含有蝦青素，含量為花瓣干重的1%左右[20]）的蝦青素合成相關(guān)基因，將成為基因工程生產(chǎn)蝦青素的重要研究方向。

3 蝦青素在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

蝦青素已被應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和飼料等行業(yè)，但目前主要是作為新型高效的飼料添加劑被應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中。

3.1 著色作用

蝦青素與不同種類的蛋白質(zhì)相結(jié)合，可呈現(xiàn)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等顏色。

3.1.1 促進(jìn)養(yǎng)殖魚類的著色 在飼料中添加蝦青素可使鮭魚和鱘魚等養(yǎng)殖魚類的皮膚、肌肉呈鮮紅色，且肉味更為鮮美[21]。Nickell 等[22]通過投喂虹鱒不同脂肪水平的飼料發(fā)現(xiàn)，蝦青素的著色程度和效率隨飼料內(nèi)脂類物質(zhì)含量的升高而升高。張春燕等[23]研究發(fā)現(xiàn)飼料中添加1.0 g/kg 合成蝦青素組和添加含0.1 g/kg蝦青素的雨生紅球藻提取物組，虹鱒（Oncorhynchus mykiss）肌肉紅度值、黃度值均顯著高于對(duì)照組。Nogueira 等[24]研究發(fā)現(xiàn)日糧中補(bǔ)充蝦青素（50或80 mg/kg，持續(xù)6個(gè)月；或50 mg/kg，持續(xù)3個(gè)月，然后80 mg/kg，連續(xù)3個(gè)月）對(duì)紅鯛（Red snapper）的胸鰭和尾部皮膚色調(diào)和色度產(chǎn)生積極影響，并使色調(diào)和色度值接近野生個(gè)體。李耀鵬等[25]選擇17萬余尾平均體重約1 kg的三倍體虹鱒（Oncorhynchus mykiss）進(jìn)行飼料蝦青素水平對(duì)三倍體虹鱒生長性能、出成率和肌肉著色影響的中試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加40 mg/L 和30 mg/L 蝦青素飼料分別在虹鱒上市前7個(gè)月和9個(gè)月進(jìn)行投喂，肉色即可達(dá)標(biāo)。王宏宇等[26]飼喂大瀧六線魚（Hexagrammos otakii）添加蝦青素的飼料，60 d 后結(jié)果顯示當(dāng)添加劑量為0.10%～0.20%時(shí)魚體背部的亮度、紅度、黃度，腹部的紅度、黃度及尾部的亮度、黃度均顯著高于對(duì)照組，添加量為0.05%～0.20%時(shí)魚體背部、腹部及尾部皮膚的蝦青素沉積量均顯著高于對(duì)照組。

3.1.2 促進(jìn)觀賞魚的著色 觀賞魚體色是由葉紅素和葉黃素在體內(nèi)積累泛色而成，觀賞魚體內(nèi)不能合成這2 種色素，必須從飼料中攝取。觀賞魚飼料必須同時(shí)滿足觀賞魚生長和發(fā)育需要及保持觀賞魚鮮艷體色需要。蝦青素作為目前最好的著色劑可使觀賞魚類保持鮮艷體色。陳曉明等[27]經(jīng)過60 d的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)飼料中添加60 mg/kg 的蝦青素可使金魚的著色更自然鮮艷。王銳等[28]研究發(fā)現(xiàn)在飼料中添加30 mg/kg的蝦青素，可顯著改善麗魚、紅劍尾魚和金魚的魚體色素沉積效果。孫學(xué)亮等[29]研究蝦青素與不同載體（磷脂，維生素E）的組合方式，發(fā)現(xiàn)蝦青素與維生素E、磷脂這2種載體的組合使鸚鵡魚的體色顯著變紅。王軍輝等[30]研究蝦青素對(duì)錦鯉（Cyprinus carpioL.）體色的影響發(fā)現(xiàn)體色中紅度值和黃度值在蝦青素添加量為400 mg/kg時(shí)達(dá)到最大。

3.1.3 對(duì)蝦蟹的著色效應(yīng) 蝦蟹體表顏色決定其市場價(jià)值。蝦青素在蝦蟹體內(nèi)與甲殼蛋白結(jié)合呈現(xiàn)出青綠色，經(jīng)過高溫加熱蛋白質(zhì)與原蝦青素分離，顏色變?yōu)槌燃t色。金征宇等[31]用60 mg/kg的蝦青素飼料喂養(yǎng)羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii），35 d后試驗(yàn)結(jié)果顯示蝦體內(nèi)總類胡蘿卜素含量最高（119.38 g/kg），高于對(duì)照組40%。Chien 等[32]分別添加50、100 mg/kg 的蝦青素于日本囊對(duì)蝦的飼料中，63 d 后發(fā)現(xiàn)蝦殼和肌肉中的蝦青素沉積率顯著提高。Long 等[33]在成年中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）飼料中添加富含天然蝦青素的雨生紅球藻粉，發(fā)現(xiàn)蟹卵巢和甲殼的紅度隨著雨生紅球藻粉添加量的增加而顯著增加。同時(shí)蘇芳[34]的試驗(yàn)也證實(shí)了這點(diǎn)，其發(fā)現(xiàn)雨生紅球藻飼料飼喂中華絨螯蟹可顯著提高蟹產(chǎn)品色澤和質(zhì)量，其中蟹卵巢、肝胰腺、背甲和表皮中的蝦青素含量顯著提高，且存在顯著的劑量效應(yīng)關(guān)系，雨生紅球藻添加越高，體內(nèi)蝦青素積累量越高。麻楠等[35]提出育肥飼料中添加合成蝦青素可顯著提高中華絨螯蟹頭胸甲、肝胰腺和卵巢中的類胡蘿卜素總量、色澤和抗氧化能力，并建議雌蟹育肥飼料中添加合成蝦青素含量90 mg/kg左右。

3.2 強(qiáng)抗氧化作用

Shimidzu 等[36]經(jīng)過體外研究發(fā)現(xiàn)蝦青素淬滅單線態(tài)氧、清除自由基的能力高于葉黃素和玉米黃，Lee 等[37]的研究也證實(shí)了這點(diǎn)。王吉橋等[38]在水溫11.0～20.0 ℃、鹽度35、pH 7.5 的實(shí)驗(yàn)室條件下，飼喂仿刺參（Apostichopus japonicus）幼參分別添加30、60、90 mg/kg β-胡蘿卜素和蝦青素的飼料，飼養(yǎng)80 d后測定發(fā)現(xiàn)添加蝦青素的各組仿刺參體腔液的平均總抗氧化能力值（12.77 U/mL）比添加β-胡蘿卜素的各組平均值（8.77 U/mL）高45.61%，表明蝦青素的抗氧化能力高于β-胡蘿卜素。馮銘鐳等[39]在基礎(chǔ)飼料中分別添加31.50 mg/kg 紅發(fā)夫酵母蝦青素（P-AST）和32.96 mg/kg 人工合成蝦青素（S-AST），飼喂虹鱒112 d 后，發(fā)現(xiàn)S-AST 和P-AST 均能夠調(diào)節(jié)虹鱒紅肌抗氧化系統(tǒng)的功能及脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的表達(dá)。王照欣等[40]通過在等氮等脂飼料中添加加麗素粉紅（含10%蝦青素）設(shè)計(jì)出3種蝦青素濃度梯度飼料飼養(yǎng)凡納濱對(duì)蝦（Litopenaeus vannamei）親蝦，112 d后研究表明飼料中添加適量蝦青素能夠提高親蝦的抗氧化能力和機(jī)體免疫功能。在食物保鮮方面，韓青佑[41]研究發(fā)現(xiàn)蝦青素不僅可用于水果和食品等保鮮領(lǐng)域，更可為延長水果的貨架期提供科學(xué)理論依據(jù)。李念等[42]研究表明60和90 mg/L的蝦青素-羧甲基殼聚糖復(fù)合涂膜保鮮羅氏沼蝦是一種安全、有效、可行的方法，能夠抑制羅氏沼蝦在冷藏期間感官品質(zhì)下降，延緩脂質(zhì)氧化，延長羅氏沼蝦貨架期3～4 d。

3.3 抗應(yīng)激作用

Jyonouchi 等[43]研究表明，蝦青素能增強(qiáng)體液免疫反應(yīng)中Th1（T輔助細(xì)胞1）和Th2（T輔助細(xì)胞2）的活性，還能增加免疫球蛋白IgA、IgM、IgG的生成量，使動(dòng)物具有更高的免疫調(diào)節(jié)活性。Zhang 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，凡納濱對(duì)蝦日糧中添加125～150 mg/kg 的蝦青素，可提升對(duì)蝦機(jī)體的抗氧化能力和對(duì)低氧脅迫的耐受性。Jiang 等[45]發(fā)現(xiàn)在中華絨螯蟹幼蟹日糧中添加雨生紅球藻粉可降低氨脅迫時(shí)幼蟹死亡率。Xie等[46]在飼喂金鯧魚（Trachinotus ovatus）80 d后進(jìn)行急性缺氧應(yīng)激試驗(yàn)（1.2 mg/L），發(fā)現(xiàn)添加雨生紅球藻組金鯧魚機(jī)體炎癥反應(yīng)減輕。Tizkar 等[47]研究表明日本沼蝦（Macrobrachium nipponense）攝取蝦青素（50～150 mg/kg）日糧70 d 后，可以耐受缺氧、氨脅迫、冷應(yīng)激等各種物理和化學(xué)應(yīng)激。

3.4 促進(jìn)生長、繁殖和發(fā)育

在飼料中添加蝦青素，可以顯著提高虹鱒的生長和繁殖性能，可提高幼蝦的存活率、魚卵的浮力和存活率，可提高鮭魚卵的受精率、存活率和生長率。金征宇等[31]研究顯示蝦青素可明顯提高羅氏沼蝦的增重率。李晨露[48]研究表明蝦青素對(duì)微囊藻毒素造成的斑馬魚（Barchydanio rerio var）氧化應(yīng)激反應(yīng)和氧化損傷有顯著緩解效應(yīng)，且蝦青素濃度越高，對(duì)機(jī)體氧化應(yīng)激的改善效果越好。王照欣等[40]通過研究表明飼料中添加適量蝦青素能夠提高親蝦卵巢卵黃蛋白含量、受精卵孵化率、幼體變態(tài)率以及無節(jié)幼體和蚤狀幼體數(shù)量，從而提高親蝦的繁殖性能。

4 蝦青素的安全性和應(yīng)用展望

日常食物中含有大量蝦青素，蝦、蟹類食物中含80～100 mg/kg 蝦青素，野生紅鮭魚蝦青素含量為30～58 mg/kg，魚類平均蝦青素濃度40 mg/kg 左右，貝類平均蝦青素濃度10 mg/kg 左右。近年來，在動(dòng)物和人體中的多項(xiàng)毒理學(xué)試驗(yàn)研究結(jié)果也表明蝦青素是安全無毒的[49-50]。

蝦青素因其重要的生理功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、食品添加劑、化妝品和醫(yī)藥制品等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，隨著國內(nèi)外各行業(yè)的發(fā)展，蝦青素的需求量會(huì)不斷增加。目前國際上蝦青素的合成與提取普遍存在合成提取方式復(fù)雜、產(chǎn)量低、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，不能滿足大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)需要。利用現(xiàn)代生物技術(shù)開展高產(chǎn)蝦青素菌株選育研究具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景，需列入重點(diǎn)研究計(jì)劃。