蝦青素

蝦青素又名蝦黃素、蝦黃質。1933年從蝦、蟹等水產品中提取出一種紫紅色結晶，后確定是一種與蝦紅素有密切關係的類胡蘿蔔素，故命名為蝦青素。其廣泛存在於蝦、蟹、魚、鳥、某些藻類及真菌等生物中。作為一種非維生素A原的類胡蘿蔔素，蝦青素在動物體內不能轉變為維生素A，但具有與類胡蘿蔔素相同的抗氧化作用，它淬滅單線態氧和捕捉自由基的能力比β-胡蘿蔔素高10餘倍，比維生素E強100多倍，人們又稱其“超級維生素E”。蝦青素的抗氧化性、著色性、增強機體免疫力的特性，已被廣泛認可。美國等國家已允許作為食品添加劑應用於生產，作為天然食品添加劑，有著廣闊的發展前景。

天然蝦青素是一種氧化性極強的類胡蘿蔔素，具有抗氧化、抗衰老、抗腫瘤、預防心腦血管疾病的作用，國際上已將其應用於保健食品、高檔化妝品、藥品等領域中。蝦青素本身穩定性不高，易氧化、見光易分解，市場上多以蝦青素凝膠的形式保留其活性。

蝦青素的生產方法包括天然提取和化學合成兩種。化學合成蝦青素同天然蝦青素在結構、功能、應用及安全性等方面差別顯著，其穩定性、抗氧化活性著色性也明顯低於天然蝦青素，因此進行大規模生產一般傾向於天然蝦青素的提取。

蝦青素屬酮式類胡蘿蔔素，是一種萜烯類不飽和化合物，化學名稱為3，3-二羥基-4，4-二酮基-β，β-胡蘿蔔素，分子式為C40H52O4，相對分子質量為596.86，其化學結構是由4個異戊二烯單位以共軛雙鍵形式連接，兩端又有2個異戊二烯單位組成的六節環結構。

蝦青素化學名稱為：化學名3，3′-二羥基-4，4′-二酮基-β，β′-胡蘿蔔素，分子式C40H52O4晶體狀蝦青素為粉紅色，熔點215-216℃ ，不溶於水，具脂溶性，易溶於氯仿、丙酮、苯等大部分有機溶劑。蝦青素分子結構中的共軛雙鍵鏈，及共軛雙鍵鏈末端的不飽和酮基和羥基，能吸引自由基未配對電子或向自由基提供電子，從而清除自由基起抗氧化作用，該結構也使其易與光、熱、氧化物發生作用，結構改變后降解為蝦紅素，特別是紫外光對其影響最為明顯，連續照射約4h蝦青素就會完全被破壞；在70℃以下、pH4-7範圍內，蝦青素較穩定；Ca、Mg、K、Na、Zn金屬離子對蝦青素基本沒影響，Fe、Fe、Cu有明顯破壞作用；

蝦青素分子結構中的發色團在紫外-可見光區有獨特的吸收區，因此其結晶或溶液在可見光下呈紫紅色。蝦青素主要以遊離態和酯化態形式存在。遊離態蝦青素極不穩定，易被氧化，通常化學合成的蝦青素為遊離態形式。酯化態蝦青素是由於蝦青素末端環狀結構中各有一個羥基易於與脂肪酸形成酯而穩定存在，水生動物皮膚和外殼上的蝦青素以脂化態形式為主，肉及內臟上則以遊離形式為主，紅酵母、雨生紅球藻中蝦青素主要以酯化形式存在，酯化態蝦青素根據其結合的脂肪酸不同分為蝦青素單酯和蝦青素二酯。蝦青素酯化后，其疏水性增強，且雙酯比單酯的親脂性強；蝦青素酯化態，或與蛋白質形成複合物，會產生不同的顏色。

蝦青素有兩個手性中心它們是分子中兩端環結構的C-3和C-3′。一個手性中心可以有兩種構象，蝦青素的兩手性碳原子C3、C3′都能以R或S的形式存在，這樣就有3種立體異構體，3S，3'S與3R，3'R異構體互為鏡像(對映體)，每一對映體有著相反的旋光性，能使平偏振光向左或向右旋轉，3R，3'S無旋光性。

蝦青素是一種非維生素A源的類胡蘿蔔素，在動物體內不能轉變為維生素A。天然蝦青素是單線態氧的強大淬滅劑。動物實驗表明，蝦青素可以除NO2、硫化物、二硫化物，也可降低脂質過氧化作用，有效地抑制自由基引發的脂質過氧化。同時具有抗癌活性，能顯著影響動物的免疫功能，強化需氧代謝，明顯增強人的肌肉力量和耐受力，具有抗感染活性。

蝦青素的重要性質在於它的抗氧化性，它是一種優良的抗氧化劑。蝦青素強大的抗氧化活性是因為其能穩定膜的結構，降低膜通透性、限制過氧化物啟動子進入細胞內。保護細胞內重要分子免受氧化損傷。同時蝦青素可能具有潛在的成為促氧化劑誘導氧化應激的產生。蝦青素分子中的共軛雙鍵、羥基和在共軛雙鍵鏈末端的不飽和的酮基，其中羥基和酮基又構成α-羥基酮，這些結構都具有比較活潑的電子效應，能向自由基提供電子或吸引自由基的未配對電子，有效地猝滅氧化性極強的單線態活性氧以及環境中其他自由基。研究表明，猝滅活性氧能力隨著共軛雙鍵數的增加而增加，蝦青素的猝滅能力是最強的，其猝滅分子氧的能力比具有相同結構的β-胡蘿蔔素、維生素E、α-胡蘿蔔素、葉黃素和番茄紅素都高。整合進膜系統的蝦青素通過對脂質體的保護作用，抑制脂質過氧化，還可以保護細胞及DNA免受氧化反應的傷害，保護細胞內的蛋白質，使細胞有效進行新陳代謝，使細胞內的蛋白質更好地發揮功能。這種抗氧化作用表現在延長低密度脂蛋白（LDL）被氧化的時間，從而降低動脈粥樣硬化的發生。

另外，實驗表明，蝦青素可以增加抗氧化酶活性和蛋白質表達，不同劑量蝦青素使動物細胞內過氧氫化酶和超氧化岐化酶的蛋白表達均有顯著增加，其生物學活性也有明顯提高，而這些物質在體內均起到較好的抗氧化作用。

對膳食類胡蘿蔔素攝入量和癌症發病率或死亡率間關係的調查發現，癌症總發病率或死亡率與類胡蘿蔔素的攝入量呈顯著負相關。比較各種類胡蘿蔔素抗腫瘤活性，以蝦青素的作用效果最強。蝦青素的抗腫瘤活性可能與它在細胞間的信號傳導，與異型物質代謝酶的誘導生成，與腫瘤細胞相關的免疫反應調節有關。研究表明，蝦青素具有抑制黃麴黴素B1、苯丙芘（BaP）、二乙基亞硝酸（DEN）、亞硝胺和環磷醯胺等引起的致突變作用，蝦青素預防腫瘤的作用可以在腫瘤生成的不同階段起作用。如通過抑制腐胺產生，並降低精胺和亞精胺等遊離多胺濃度，減少腫瘤誘發物形成；通過抗氧化作用保護皮膚免受紫外線的損害，阻止皮膚的光老化和防止誘發皮膚癌；通過加強正常細胞間的連接能力，把致癌物誘發的細胞放在一個擴展的通訊網路中，使其中的正常細胞佔據優勢，孤立癌細胞，減少癌細胞間的聯繫，控制其生長，防止腫瘤轉化；蝦青素還對癌細胞增殖有較強的抑制作用，高濃度的蝦青素能殺傷腫瘤細胞。研究發現，蝦青素能有效控制多種癌症，如肝癌、口腔癌、大腸癌、膀胱癌和乳腺癌。

蝦青素能明顯增強機體局部和全身的免疫能力，這種免疫調節特性與抗氧化性相結合，在防止疾病的發生與傳播中發揮重要作用。實驗表明，類胡蘿蔔素可以減緩由衰老引起的免疫能力下降，提高機體免疫器官功能，增強對惡劣環境的抵抗力。更重要的是蝦青素能增強體內T細胞的功能，增加嗜中性白細胞、自然殺傷細胞的數目，參與機體細胞免疫；蝦青素還可以增加免疫系統中B細胞的活力，消滅外源入侵的病原體，通過協助產生抗體並提高其他免疫組分的活性發揮作用，如促進免疫球蛋白的產生，增加IgG（免疫球蛋白G）、IgA（免疫球蛋白A）和IgM（免疫球蛋白M）的生成量，增強體液免疫反應能力，提高動物的免疫力。

類胡蘿蔔素是水生動物體內的主要色素物質，而蝦青素占水生動物體內類胡蘿素的大部分，因此可以說蝦青素是水生動物體內的主要色素物質。蝦青素是類胡蘿蔔素合成的終點，它進入動物體后可以不經修飾或生化轉化而直接貯存在組織中，具有極強的色素沉積能力，使一些水生動物的皮膚和肌肉出現健康而鮮艷的顏色，使禽蛋及禽的羽毛、皮膚、腳、項均呈現健康的金黃色或紅色。實驗表明，飼料中添加蝦青素不僅使魚的表皮磷甲變為黃色，而且肌肉中蝦青素的含量也增加了。

國外蝦青素已被作為食品添加劑用於食品的著色、保鮮及營養。蝦青素為脂溶性，具艷麗紅色和強抗氧化性能，對於食品尤其是含脂類較多的食品，既有著色效果又可起到保鮮作用。在日本，將含蝦青素的紅色油劑用於蔬菜、海藻和水果的腌漬已申請專利，用於飲料、麵條、調料的著色也均有專利報道。國外早已開展利用蝦青素合成人類保健品的研究，針對其強化免疫系統功能、抗癌、保護視網膜免受紫外輻射和光氧化、抗炎、預防血液低密度脂蛋白（LDL）-膽固醇的氧化損傷等方面功效性，開發含蝦青素的保健品。

利用蝦青素的抗氧化及免疫促進作用可以做成藥物用來預防氧化組織損傷。研究表明，蝦青素能通過血腦屏障，保護神經系統尤其是大腦和脊柱的能力，能有效治療缺血性的重複灌注損傷、脊髓損傷、Parkinson氏綜合症、Alzheimer氏綜合症等中樞神經系統損傷；有效防止視網膜的氧化和感光器細胞的損傷，改善視網膜功能方面具有良好效果，該研究成果已有專利申請。研究表明，給小鼠飼餵富含蝦青素的紅生球藻粉，能顯著降低幽門螺桿菌對胃的附著和感染，在此基礎上，國外已開發了口服製劑作為抗感染藥物。蝦青素的抗氧化性能還可用於預防動脈粥樣硬化及相關疾病，通過降低或抑制血液中低密度脂蛋白（LDL）的氧化，使得血管壁上的沉積物減少，從而減少了動脈粥樣硬化的發生，蝦青素在體內還具有升高高密度脂蛋白（HDL），因此將其用做預防動脈硬化、冠心病和缺血性腦損傷的製劑；除此外蝦青素還可作為普通的抗生物過氧化劑、抗癌劑以及治療不育症，促進胚胎和精子的發育。

蝦青素最大的市場是在飼料工業，它可以作為主要用作魚類（鮭魚、鱘魚、虹鱒魚、真鯛等）和蝦蟹等甲殼類動物及家禽的飼料添加劑。蝦青素作為水產養殖動物的著色劑，可以使水生動物呈現鮮艷的色澤，使其具有更高的觀賞性；在家禽飼料中添加蝦青素可增加雞蛋蛋黃色素含量；它還可以提高母雞的產蛋率，促進蛋雞的健康。蝦青素在防治魚類、蝦蟹及禽類疾病方面有與對人類同樣的功用，可提高免疫力、提高成活率，對其正常生長和健康養殖、提高存活率及繁殖率具有重要的作用。蝦青素還能夠增加魚類的風味，其可直接作為形成鮭魚食品風味的前體化合物，也可促進脂肪酸或其他脂類前體物轉化成鮭魚的風味化合物。

蝦青素作為新型化妝品原料，以其優良的特性廣泛應用於膏霜、乳劑、唇用香脂、護膚品等各類化妝品中。特別是在高級化妝品領域，天然蝦青素以其獨特的分子結構，通過其抗氧作用，可以高效地猝滅紫外線引起的自由基，防止皮膚光老化、減少UVA和UVB對皮膚的傷害、防止皮膚癌的產生、延緩細胞衰老、減少皮膚皺紋、減少黑色素沉積、減少雀斑產生，可保持水分，讓皮膚更有彈性、張力和潤澤感。日本已有利用蝦青素的抗光敏作用生產化妝品的專利。

人類日常食用的天然蝦蟹、魚類等水生動物中皆含有豐富的天然蝦青素，人類日常食用沒有出現不良反應和中毒癥狀，故天然蝦青素對人類和動物是安全的，試驗也證明了這一點。美國某公司經過系統的人體安全性試驗，對2組健康成年人每天分別以19.25mg和3.85mg劑量服用雨生紅球藻粉補充蝦青素，試驗后經過詳細監測以及全面分析，口服富含天然蝦青素的雨生紅球藻藻粉對人體無致病效應或毒副作用。但化學合成蝦青素，由於合成過程可能被其他有害物質污染，產品中還含有大量的順式異構體，其生物利用安全性降低，因此化學合成的蝦青素在食品、飼料、醫藥品及化妝品上的應用受到很大的限制。

自然界的蝦青素來源於藻類、細菌、浮游植物。一些水生物種包括蝦蟹在內的甲殼類動物，由於長期食用這些藻類、細菌和浮游植物而外表呈現紅色，它們又被三文魚、加力魚等魚類，火烈鳥、雞、鴨等鳥類、家禽捕食，色素儲存在皮膚和脂肪組織中使它們的皮膚和羽毛也呈現紅色。因此，天然蝦青素也可從甲殼類動物、魚類、鳥類、家禽類中獲得。

研究發現很多種類的藻類如雪藻、衣藻、裸藻、傘藻等都含有蝦青素，其中雨生紅球藻對蝦青素的積累量最高可達到細胞乾重的4%，積累速率和生產總量比其它綠藻類高，是目前公認生產天然蝦青素最好的生物來源。細菌由於受其自身因素的影響，利用價值較低。紅法夫酵母被認為是目前真菌發酵生產中最為合適的蝦青素來源。從紅法夫酵母中提取蝦青素是生產蝦青素的主要途徑之一。

雨生紅球藻（H.pluvialiso）是一種單細胞生物，在培養過程中，在氮源充足時，可以促進細胞生長；在氮源缺乏時，則能刺激細胞產生並在體內積累蝦青素。雨生紅球藻生產蝦青素具有細胞繁殖快、培養簡單、易於提取的特點，且藻粉可直接應用於食品及飼料工業，降低成本，因此被認為是一種很有蝦青素生產前景的微藻。國外優良的雨生紅球藻藻體中蝦青素一般約佔類胡蘿蔔素總量的90%以上，其生產質量較好，以酯化態的形式存在佔總類胡蘿蔔素的60%—80%，少量為遊離態形式。但雨生紅球藻生長條件相對要求高，培養周期長，需光照和破壁釋放蝦青素等缺點。

綠球藻（Chlorella zofingiensis）屬於綠藻門小球藻屬，具有容易培養、生長快速、耐高溫和極端pH、易在戶外培養等特點。其合成蝦青素兼具紅髮夫酵母和雨生紅球藻二者的部分優勢特徵，可以利用有機物如葡萄糖為碳源和能源在無光條件下快速合成蝦青素，最適生長溫度和最適蝦青素合成溫度24℃都接近室溫。碳氮比越高越有利於蝦青素的合成。蝦青素以酯化態形式在細胞質中大量積累，比較容易達到較高的細胞濃度，同時生長繁殖與蝦青素的積累可同步進行。這些特性有利於簡化生產設備，節約生產時間，提高生產效率，為大規模培養提供有利因素。但需要解決的是小球藻中蝦青素含量遠低於雨生紅球藻中蝦青素的含量，可能是合成途徑的缺陷導致。因此，現階段有人利用基因工程手段，對蝦青素合成途中關鍵酶的基因表達進行調控，或引入外源基因優化小球藻的蝦青素合成途徑，有可能突破生理水平常規誘導增產蝦青素的局限。

另據報道，衣藻（halamidomonas）、裸藻（euglena）、傘藻（acetabularin）等也含有一定量蝦青素。

目前蝦青素的生產主要有化學合成和天然提取兩種方式，化學合成的蝦青素不僅價格昂貴，而且分子結構生物學功能、應用效果及生物安全性能方面和天然蝦青素存在顯著差異，進而促使天然蝦青素的提取逐漸佔據主導地位。

隨著對蝦青素提取方法研究不斷深入，蝦青素生產工藝得到不斷優化和升級，尤其是在蝦青素的分離和提純方面。目前天然蝦青素的生產方法主要有兩大類：生物發酵法和從甲殼類動物加工下腳料中提取法。其具體的分離提純工藝有鹼提法、油脂溶出法、有機溶劑萃取法、超臨界萃取法、酶解法、微波處理法等。

典型的通過動物甲殼超臨界萃取法提取蝦青素的工藝流程如下：

蝦殼粉碎→稀酸處理→沖洗至中性→乾燥→裝料→超臨界靜態萃取→超臨界循環萃取→收集→皂化→液相色譜分析純化→包裝→冷凍保藏

從紅法夫酵母中提取蝦青素工藝流程為：

紅法夫酵母菌體活化→接種→發酵→離心收集菌體→烘乾→破壁處理→浸提→濃縮→分析提取蝦青素

應當指出，動物甲殼中的石灰質會影響蝦青素產量，動物甲殼提取法生產條件要求苛刻，生產成本高、產量較低、產品純度不高。因此，目前僅有少數國家應用這種技術生產蝦青素。從紅法夫酵母中提取蝦青素產量高，但提取加工過程中可能存在污染物的殘留、濃縮等問題。

從水產品加工廢棄物中提取蝦青素被廣泛利用，該法在創造經濟收益的同時，能夠降低生產加工廢水的色度、減少污染，常用鹼提法、油溶法、有機溶劑法和超臨界CO2萃取法等。

（1）鹼提法

鹼提法是用酸將水產品加工下腳料甲殼中的CaCO3溶解，用鹼（NaOH+Na2CO3）將與蛋白質結合的蝦青素分離，再將其中的蛋白質溶出，達到提取蝦青素的目的。鹼提法需消耗大量的酸、鹼，其廢水對環境污染嚴重，而且蝦青素在鹼性環境下高溫處理時，被氧化成為鮮紅色的蝦紅素，因此鹼提法所得到的不是蝦青素而是蝦紅素或蝦青素的其它降解產物。近年來對鹼提法的研究報道較少。

（2）油溶法

蝦青素的分子結構使其具良好的脂溶性，在油中對熱有較好穩定性，因此用油作為溶劑，通過油脂提取，然後再純化。該法所用油脂主要為可食用油脂類，最常見的是大豆油，提取時油溫最好控制在80℃以下，油溫較高也會影響蝦青素的穩定性，油用量直接影響蝦青素的提取效率，提取后的純化可採用層析方法進行。

該法具有產品安全、提取效率高的特點，但提取物不易與高沸點的油分離，提取后含色素的油不易濃縮，故產品濃度不高，若要進一步分離純化，需採用分子蒸餾等工藝，分離成本較高。

（3）有機溶劑法

利用有機溶劑提取蝦青素，選擇沸點低的萃取劑提取，提取液經蒸發獲得到高濃度蝦青素油，蒸餾技術還可以使溶劑回收循環利用。常見的有機溶劑有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、二氯甲烷、氯仿、正己烷等。不同的溶劑提取效果不同，在研究中發現，丙酮的提取效果最好，而乙醇最差。為提高提取效率，採用減壓迴流提取的方法，提取溫度最好控制在60℃左右。有機溶劑法提取可採用浸提和迴流提取的方法，浸提法又可分為單罐多次重複萃取和索氏提取法；前者是將試樣放入勻漿器中提取，當溶劑中的蝦青素濃度達到平衡后，將萃取液放出，再加溶劑進行下一次萃取，重複多次直到原料中蝦青素完全提取；後者是改良的單罐多次重複萃取，其優點是不斷用新鮮的溶劑進行提取，萃取劑和原料始終保持最大的濃度差，加快了萃取速度，提高了萃取率，最後得到的萃取液濃度較高。

（4）超臨界CO2萃取法

超臨界流體萃取技術就是利用臨界流體的特殊性質，在高壓條件下與待分離的固體或液體混合物接觸，調節系統的操作壓力和溫度，萃取出所需要的物質，隨後通過降壓或升溫的方法，降低超臨界流體的密度，使萃取物得到分離。

超臨界CO2萃取得到的產品具有純度高、溶劑殘留少、無毒副作用等優點，與其它方法比較，該法可以避免蝦青素的降解，得到高品質的產品，又可以有效地提取蝦青素，但由於設備前期投資大、生產技術要求高，目前用於大規模工業生產尚存在一定困難。

除上述方法外，還有人利用酶法提取蝦青素，選用某種較好的絮凝劑將蛋白質和蝦青素回收絮凝，然後採用酸性蛋白酶和中性蛋白酶對蛋白質進行酶解，同時分離獲得蝦青素；還有將鹼法和有機溶劑法結合的複合工藝提取蝦青素等。但是水產品加工下腳料提取蝦青素受到多方面制約，如下腳料的衛生問題、生產的環境問題、提取物的污染變質、廢棄物原料中蝦青素含量高低變化對提取成本的影響，以及原料中的幾丁質、灰分、濕度都限制蝦青素的提取。

（5）紅髮夫酵母生產

1976年首次在紅髮夫酵母（Phaffia rhodozyma）中發現蝦青素，紅髮夫酵母屬於擔子菌綱的紅髮夫酵母屬，是唯一天然可產蝦青素的酵母，其反式蝦青素已於2000年獲得FDA批准，用於食品添加劑。紅髮夫酵母以單細胞為主，有時形成假菌絲，繁殖方式為無性繁殖的芽殖，無有性繁殖，細胞中不但含有豐富的蛋白質、脂類、維生素，而且還含有大量的不飽和脂肪酸及多種蝦青素的前體，其生長的溫度範圍0—27℃。在野生酵母所產的10多種類胡蘿蔔素中，蝦青素是最大的組分，佔總類胡蘿蔔素的40%—95%。

紅髮夫酵母已成為工業化生產蝦青素的優良菌種，其生產蝦青素的特點是：紅髮夫酵母不需要光照，能利用多種糖作為碳源進行快速異養代謝，發酵周期短，生產速度快，能夠在發酵罐中實現高密度培養，以及色素提取后菌體單細胞蛋白可作為餌料、飼料添加劑等。

另外，有人利用從葡萄園土壤中分離出的粘紅酵母，經過紫外線和EMS誘變處理獲得的突變株產生蝦青素，還有人從保加利亞酸奶中分離出一種深紅酵母（Phadotoralarubra），從南極海冰中分離的酵母菌也有合成蝦青素的能力，這都有可能成為獲取蝦青素的新途徑。

由β-胡蘿蔔素轉變為蝦青素需加上2個酮基和2個羥基，化學合成比較困難，且產物大多為順式結構，而生物合成需要的蝦青素大多數為反式結構。蝦青素的合成需經多步化學和生物催化反應才能完成，其中生物催化作用是選擇確定合成過程中間體碳原子的立體構型或氧原子的取代位置，化學合成的主要前體物質為（S）-3-乙酸基-4-氧代-β-紫蘿酮，它是由不同的微生物對（R）-萜烯醇醋酸鹽的不對稱水解，后經萃取、反流分佈及重結晶等技術處理所得產物，這種前體物質經過反應轉化為含15個碳原子的維悌希鹽，最後由2個維悌希鹽與1個含10個碳原子的雙醛反應生成蝦青素，該工藝十分複雜，合成比較困難，世界上只有個別企業用化學合成法工業化生產蝦青素，且合成的反式蝦青素價格昂貴。

除天然提取、化學合成等2種生產蝦青素的方法外，還可利用細菌、原生動物、農作物體內的β-胡蘿蔔素作為前體物質，通過轉基因技術將合成蝦青素的酶轉入相應農作物中合成蝦青素。但目前，這種生產蝦青素的方法僅僅處於實驗研究中。