张晓燕 刘 楠 周德庆

（1.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266071；2.中国海洋大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266003）

天然虾青素来源及分离的研究进展

张晓燕1，2刘 楠1周德庆1

（1.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266071；2.中国海洋大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266003）

文章概述天然虾青素的来源和存在形式，并探讨碱提法、油溶法、有机溶剂萃取法、超临界CO2萃取、酶解法等常用提取方法，对其效果进行评述。

虾青素；功能；来源；分离

虾青素分子式为C40H52O4，全称3，3′－二羟基－4，4′－二酮基－β，β′－胡萝卜素，广泛存在于生物界中，比起类胡萝卜素更容易被吸收和积累。虾青素作为一种天然制剂，在医药、养殖、食品、化工等行业有十分广阔的应用和发展前景。

1 天然虾青素的生物学功能

虾青素在体内发挥作用时无需转变为维生素A，其作为一种非维生素A源类胡萝卜素具有诸如保护视网膜和中枢神经系统、防紫外线辐射、预防心血管疾病、增强机体免疫力等［1］优异的生物学功能。

1.1 抗氧化性

虾青素分子结构中有很长的共轭双键，此外在链末端还有由不饱和的酮基和羟基构成的α－酮羟基，具有活泼的电子效应，从而使虾青素极易与自由基反应并将其清除，具有极强的抗氧化性能。虾青素有“超级VE”之称，被认为是目前为止发现的抗氧化能力最强的物质，是天然VE的1 000倍。Kiyotaka等［2］通过随机、双盲人体试验证明服用虾青素有助于改善红细胞抗氧化性能，降低磷脂氢过氧化物水平。

1.2 抗癌特性

免疫学研究［3］表明，虾青素具有比β－胡萝卜素更强的抑制癌变的能力，能直接作用于免疫系统，缩小肿瘤。研究［4］表明，虾青素具有提高抗肿瘤免疫应答的功能，可以在一定程度上减少小鼠的胃癌、结肠癌、口腔癌和膀胱癌等的发生，降低黄曲霉素的致癌性，并可以作为光保护剂，防止由光辐射引起的皮肤衰老和皮肤癌。

1.3 增强免疫

虾青素具有很高的免疫调节活性，可以促进人体免疫球蛋白的产生；与其抗氧化功能结合，可以有效的防止疾病的发生与传播。喂食虾青素能够同时增强抗体反应和体液免疫，减缓免疫能力的下降，增强体内T细胞的功能，增加嗜中性白细胞的数目，参与机体细胞免疫。试验［5，6］表明喂食虾青素可以增强抗体反应和体液免疫，提高动物的免疫力；增强狗的细胞免疫和体液免疫反应，减轻DNA的损伤及炎症。

1.4 着色作用

虾青素本身是艳丽的红色，生物体内是类胡萝卜素合成的终点，具有极强的色素沉着能力。虾青素进入动物体内后不经修饰或生化转化就可以直接贮存、沉积在组织中，可以作为功能性色素应用于各个工业领域中。大量动物试验［7，8］表明，在饵料中添加适量的虾青素可改善皮肤和肌肉的颜色，从而提高水产动物的观赏性和商品价值。以南极磷虾和糠虾作为虾青素来源喂食红海鲤的试验［9］发现鱼体皮肤着色效果明显并得以保持。

1.5 其他功能

此外虾青素还能够提高鱼虾存活率，减少传染病，促进胚胎早期发育［10］等；应用于食品工业上可以起到保鲜，防止变色、变味、变质的作用；因其抗氧化、抗皱、防紫外线辐射的作用，在化妆品领域也得以应用［11］；值得一提的是虾青素是迄今为止发现的唯一可以有效阻止糖尿病肾损伤的物质，多项研究［12］发现虾青素还可以预防动脉硬化、白内障、心血管等疾病的发生，还可以起到营养增补剂的作用。

2 天然虾青素的来源和存在形式

目前虾青素的生产主要有化学合成和天然提取两种方式。化学合成的虾青素价格昂贵，并且在分子结构、生物学功能、应用效果及生物安全性能方面和天然虾青素存在显著差异。人工合成的虾青素是3种不同构型的混合物，其中以3R，3′S（右旋）为主，这也决定了其稳定性和抗氧化活性明显低于天然虾青素，生物吸收效果及着色性也差于天然虾青素，在动物体内无法转化为天然虾青素；另一方面人工合成过程中不可避免的会产生污染，导致一定的安全隐患的产生，安全性能降低。

天然虾青素在生物体内往往与蛋白质结合存在，呈现青、棕等不同颜色；加热使蛋白质变性后，释放出的虾青素是鲜艳的红色；其分子结构式中具有羟基，易与羧基结合生成稳定的虾青素酯，因此大多数天然虾青素是以虾青素酯的状态存在，有的是一元酯，有的则是二元酯。

天然虾青素的来源有5种：细菌、原生动物、真菌、微藻以及甲壳类动物。其中细菌菌体因其生长慢、合成量极低，基本没有利用价值［13］；而原生动物中的虾青素并不是本身合成所得，也不加考虑。目前天然虾青素的生产来源主要是微藻、真菌和甲壳类动物。

2.1 藻类

研究［14］发现很多种类的藻类如雪藻、衣藻、裸藻、伞藻等都含有虾青素，其中血红裸藻中虾青素的含量可达细胞干重的0.5%；但这些藻类的生长较慢，需要较长的培养周期。

目前国内外报道最多的是雨生红球藻，其生长过程中若氮源缺乏，体内就会积累虾青素。研究［15］表明雨生红球藻对虾青素的积累量最高可达到细胞干重的4%，积累速率和生产总量比其它绿藻类高；而且所含虾青素及其酯类的配比（约70%的单酯，25%的二酯及5%的单体）与水产养殖动物自身配比极为相似，这是通过化学合成和利用红法夫酵母等提取的虾青素所不具备的优势。此外，雨生红球藻中以3S－3′S型虾青素为主，与鲑鱼等生物体内虾青素分子结构基本上是一致的。因此雨生红球藻目前被公认是自然界中生产天然虾青素的最好生物来源，利用其提取虾青素具有广阔的发展前景，成为近年来国际上天然虾青素生产的研究热点。

但遗憾的是其中87%天然虾青素是以酯化状态存在，可能具有较差的生物学效价；再加上藻类对环境要求很高如水质、环境及光，及其自身生长慢、生物量低等因素影响了藻类规模化生产虾青素的进程。

2.2 真菌

某些真菌也可以合成虾青素，如红法夫酵母、豁红酵母、深红酵母等，其中法夫酵母被认为是积累虾青素量最高的真菌类。早在1976年，Andrewes等［16］在法夫酵母中发现虾青素，引起了广泛关注。法夫酵母中的红法夫酵母又被认为是目前真菌发酵生产中最为合适的虾青素来源［17］，能够在多种碳氮源条件下快速生长，是一种极具产业化前景的天然虾青素资源，野生法夫酵母约含200～500μg／g干酵母的类胡萝卜素，其中90%为虾青素。与藻类、甲壳类相比，具有可在发酵罐中快速代谢和高细胞密度生产等优点。

但为了提高法夫酵母的虾青素产量，克服含量低的缺点，需要大量添加碳源和氮源尤其是价格很高的有机氮源（酵母膏和蛋白胨等），因此生产成本增加，不利于商业化生产。目前利用真菌进行虾青素工业生产的研究重点是高产菌株的选育、发酵工艺及规律的探索、廉价发酵底物的研究以及其生理功能等。

2.3 甲壳类动物

目前国内外每年会产生1 000万t左右的虾蟹加工业的甲壳类废弃物，从甲壳类废弃料中提取回收虾青素成为生产天然虾青素的主要途径之一，既能增加经济收益，又可以收到较好的社会效益如减弱废水的色度，减少污染。但是甲壳动物（如虾及蟹）的壳内中的虾青素主要以酯的形式存在，为虾青素的提取带来了困难。近年来，挪威等国家在处理过程中加入无机酸或有机酸，破坏虾青素与蛋白质或骨骼的部分结合，增加虾青素的释放量，回收率可以达到180μg／g，且纯度大大提高；但产品产量和纯度仍然满足不了市场要求，而且生产条件要求苛刻并且成本高昂，因此目前仅有极少数国家采用此法生产虾青素。

甲壳类废弃物易腐败变质，体积大，运输成本相对高，再加上虾青素含量低且变化大，以及虾青素的结合态、甲壳的颗粒大小等也限制了虾青素的提取等原因，目前还未找到更好的大规模工业生产虾青素的方法。

3 天然虾青素的分离提纯

目前已经证实天然虾青素是一种非常安全的类胡萝卜素，其LD50值处于实际无毒级。目前，国内外许多生物技术公司致力于开发研究天然虾青素产品，但其产量和纯度还远不能满足市场的需求。

3.1 碱提法

天然虾青素大多与蛋白质结合，以类胡萝卜素蛋白结合物的形式存在。碱提法的原理是利用酸将其中的CaCO3溶解，再利用碱（NaOH＋Na2CO3）将虾青素分离，从而将蛋白质溶出，达到提取虾青素的目的。丁纯梅等［18］将龙虾壳在1mol／L HCl浸泡24h后，用2mol／L NaOH 回流10h，提取率可达4.5%～50%（以湿重计）；杜云健等［19］采用低温稀碱浸提法提取虾壳，提取率可达到9.31%（以湿重计）。倪辉等［20］研究了酸法提取法夫酵母中的虾青素，提取量可达1 294.7μg／g。

近年来对酸碱提取虾青素的研究报道较少，主要是因为碱提法需要消耗大量的酸、碱，易造成环境污染；而且虾青素在碱性环境下经过高温处理很容易被氧化为虾红素，导致颜色发生改变。

3.2 油溶法

虾青素是脂溶性物质，这为油溶法提取虾青素奠定了基础。所谓油溶法主要是采用可食用油脂提取，最常见的是大豆油，也可采用步鱼油、鲱鱼油、鳕鱼肝油等鱼油；相同的工艺条件下大豆油优于步鱼油和鲱鱼油的提取效果明显；此外油的种类、用量和提取温度都会影响虾青素的提取。Sontaya等［21］以雨生红球藻为来源，以豆油作为溶剂提取，提取率达到（36.36±0.79）%，以橄榄油作为溶剂提取，提取率达到（51.03±1.08）%；Akdes等［22］利用棕榈油作为溶剂对虾壳进行提取，表明加工过程中应尽量避免温度高于70℃，且应尽量缩短处理时间。

油溶法提取虾青素虽然安全无毒，提取效率高；但浓度较低，需要采用柱层析方法进一步纯化；而且与高沸点的油不易分离，造成分离成本较高，应用范围受到限制。

3.3 有机溶剂萃取法

虾青素分子结构中仅有两个羟基，却存在大量的疏水基团，因此虾青素不溶于水而溶于有机溶剂，这一性质为有机溶剂萃取虾青素提供了基础。常用的有机溶剂有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、正己烷及混合溶剂等。杜春霖［23］以二氯甲烷为萃取剂，辅助微波处理，提取率达到3.92%。Alvarez等［24］以冷冻干燥的南极磷虾废弃物为原料，以丙酮为萃取剂，提取率达到129.5mg／g。

选择低沸点的有机溶剂萃取虾青素，提取液经过旋蒸可得到高浓度的虾青素油，且有机溶剂可以回收利用；但提取过程中原料需要低温干燥处理，成本较高，而且有机溶剂的残留问题也可能影响虾青素在食品和药品等对安全性要求较高领域的应用。

3.4 超临界CO2萃取法

近年来超临界流体CO2萃取（SCFE）技术因为CO2无毒无害、溶解能力强、成本低等一系列的优点，成为首选的工业萃取技术。周湘池等［25］研究了温度、压力、萃取时间、CO2流量等对萃取效果的影响，影响显著性为压力＞时间＞流量＞温度。Andrea等［26］以冻干巴西红斑虾废料（包括虾头、虾尾和虾壳）为原料，最终确定最佳工艺条件为萃取温度43℃，萃取压力37MPa。周雪晴等［27］研究发现利用超临界CO2技术从海南对虾壳中提取虾青素，二氯甲烷作为夹带剂的加入可大大改善萃取效果，通过正交试验表明最佳工艺条件为萃取压力35MPa，萃取温度60℃。

超临界流体CO2萃取技术由于提取产品纯度高、溶剂残留少、无毒副作用等优点而被重视；但目前用于大规模工业生产尚存在一定困难，主要是因为设备前期投资大、生产技术要求高等。

3.5 酶解法

酶水解反应条件温和，对虾青素的破坏小，被广泛使用。周锦珂等［28］利用纤维素酶酶解、乙醇提取雨生红球藻，提取率可达94.6%。姜淼等［29］用内源酶（以蛋白酶、酯酶、几丁质酶和多酚氧化酶为主）酶解虾壳，虾青素的萃取率可达到32.16μg／g（湿虾壳），比直接超声波提取提高28%。

目前研究最多的是利用木瓜蛋白酶进行酶解，该法具有化学试剂用量少，蛋白质容易回收，且只选择性降解甲壳素的GlcNAc－GleN糖苷键［30］的优势，有利于虾青素的提取。钱飞等［31］以克氏原螯虾壳为原料，利用木瓜蛋白酶对其水解，每克湿虾壳含总类胡萝卜素的提取率达到115.76μg，比用酸处理法提取提高了13.82%。赵仪等［32］在虾仁废弃物中加入1.30%木瓜蛋白酶，湿虾壳总类胡萝卜素释放率为63.059μg／g，比直接用有机溶剂提取方法释放率提高了19.879%。

3.6 其他方法

倪辉等［33］选用由 0.28g／L（NH4）2SO4，0.49g／L KNO3以及1.19g／L牛肉汤组成的混合液作为法夫酵母的氮源，最大产量可以达到7.71mg／L或1.00mg／g；毕文涛等［34］利用超声波技术从虾废弃物中提取，与常规方法（46.7μg／g）相比提取率增加到98%（92.7μg／g）；陈志强等［35］选用AB－8大孔吸附树脂从虾壳中分离提取，吸附量达到（24.17±0.5）mg／g；周燕等［36］研究了利用鱼鳞对虾头、虾壳水解废液中的虾青素进行提取，利用鲫鱼鱼鳞在pH大于13条件下，采用丙酮∶石油醚（1∶1）混合试剂进行浸提时效果最佳。

4 展望

虾青素具有抗氧化、保护视网膜、防紫外线辐射、着色等多种生物学性能，口服虾青素制品可以预防诸如动脉硬化、白内障、心血管以及一些癌症等疾病的发生，可以增强机体免疫力等［37］。虾青素具有很高的经济价值，因其强大的生物学性能以及安全、无毒副作用等优势被广泛应用于食品、化工、饲料等行业，特别是在医药方面有广泛的应用前景。目前虾青素制品的产量和纯度都远不能满足市场需求，因此加快虾青素产品的研制开发，有十分重要的意义。

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Study on the source and extraction of natural astaxanthin

ZHANG Xiao－yan1，2LIU Nan1ZHOU De－qing1

（1.Yellow Sea Fishery Research Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Qingdao，Shandong266071，China；2.College of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao，Shandong266003，China）

In this paper，the sources and existence forms were summarized.And the common methods which were usually adopted to extract astaxanthin such as alkali formulation，oily solvent method，organic solvent extraction，supercritical CO2extraction and enzymolysis method had been described.

astaxanthin；function；source；extraction

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.069

纳米海洋功能食品体系的构建与研究（编号：2060322011017）

张晓燕（1986－），女，中国海洋大学在读硕士研究生。E－mail：xinyan16300＠yahoo.com.cn

周德庆

2011－10－25