天然虾青素的稳定性和生物活性

互推小编 2023-05-12

摘要：虾青素是一种主要形成于真菌和微藻，并可富集于动物甲壳和毛发中的天然叶黄素类胡萝卜素，具有强抗氧化性和广泛生物活性。雨生红球藻是目前医药、保健食品及化妆品中天然虾青素的最主要来源。本文对天然虾青素在生产及应用中最关键制约因素-稳定性保持策略的相关研究进行了探讨，总结了虾青素的生物活性研究进展，并对其进一步研究开发方向做出了展望和建议。

关键词：虾青素；稳定性；生物活性

The stability and biological activity research development of natural astaxanthin

Abstract: As a type of natural xanthophyll carotenoid, astaxanthin has strong antioxidant activity and wide bioactivities, which was found in fungi, micro algae, animal shells and hair et al. Astaxanthin separated from Haematococcus pluvialis showed high activity, which had been applied to pharmaceuticals, nutraceuticals and cosmetics. This review discussed the relevant research strategy to maintain the stability of astaxanthin, which was the key point in the production and application. The research progress of biological activity of astaxanthin were summarized. Furthermore, the prospects and suggestions of the further research and development direction of astaxanthin are also discussed.

Key Words：Astaxanthin; Stability; Biological activity

中图分类号：S912 文献标识码：A 文章编号：

虾青素（3,3′-二羟基-4,4′-二酮基-β-胡萝卜素）（图1）是目前唯一能够通过血脑屏障、将各种抗氧化有益成分直接传送到大脑和中枢神经系统的一种非维生素A源性的天然类胡萝卜素，是至今发现的最强天然抗氧化剂[1]。2010年获批为新资源食品的雨生红球藻是目前天然虾青素含量最高的生物，最高可达其干重的3.8%[2]。由于虾青素的高度不饱和性，在雨生红球藻原料保存、虾青素分离纯化、产品保存和使用过程中，虾青素的稳定性问题是其生产及应用中最关键之处。虾青素具有强抗氧化性和广泛药用价值，已有大量研究表明其具有预防和治疗某些疾病的功效，如癌症、慢性炎症、代谢综合征、心血管疾病、神经退行性疾病等[3-9]。基于此，本文就天然虾青素的稳定性、生物活性进行了论述和展望。

图1 虾青素的化学结构(a.[3S,3S’], b.[3R,3S’], c.[3R,3R’])

1 虾青素的稳定性研究进展

虾青素的生物活性与其分子结构中的羟基和羰基有密切关系，但羟基、羰基以及长共轭不饱和双键易被氧化，使其性质极不稳定，进而影响其生物活性[3]。因此，虾青素的稳定性是其制备、保存和使用时需关注的焦点。

1.1 雨生红球藻原料的稳定性

研究表明，雨生红球藻在4 ℃避光、真空密封保存24 h时，虾青素的损失率最低 (0.33%)，同条件下温度升高至20 ℃，损失率升高至0.67%。采用非真空密封时，损失率高于2.00%，而在20 ℃普通自然光非真空密封保存24 h后，损失率为3.67%[10]。因此，雨生红球藻藻粉在真空、低温和避光条件下，可有效保持虾青素的稳定性。

1.2 虾青素在提取纯化过程中的稳定性

虾青素提取方法主要有溶剂法、微波法、超声波法及超临界CO2萃取法等。溶剂法应选用对藻粉和虾青素稳定性影响较小的溶剂。高功率微波或超声波长时间提取时会影响虾青素的稳定性[11]，故要控制好实验的条件。超临界CO2萃取法是近些年应用比较成熟的提取方法，其对虾青素的稳定性影响还需进一步的研究。因此，不同的提取方法不仅影响虾青素的提取效率也影响其稳定性和含量，故在选择提取方法要综合考虑这些因素。

1.3 虾青素在保存过程中的稳定性

纯化后的虾青素产品或高含量虾青素提取物在保存过程中要注意以下几点：（1）金属离子。Cu2+可能会诱导反式虾青素向其顺势异构体转化[11]，而Fe2+对虾青素的稳定性影响较大，避光24 h后其保存率仅为 13.52%[12]，这可能由于Fe2+离子发生过氧化反应，进一步使虾青素发生氧化反应。因此，虾青素在制备、保存和使用时要注意避免和上述金属离子的接触。（2）环境因素。①光照:太阳光照射5 h左右时，虾青素的吸光值接近于0；在室内自然光条件下，24 h后测定虾青素的残留率仅为75%；避光保存时，虾青素的吸光值基本不变[13]。②温度:温度低于60 ℃时，虾青素1 h内的损失率在2%以内。③氧气：虾青素在充氮密封条件下含量几乎无变化，而敞口放置的含量降至4.06%，损失率为24.81% [10]。④pH值：在pH 4以下，虾青素开始被破坏且被破坏的程度随pH降低而加剧，虾青素保存在pH 4~11范围内较稳定[14]。因此，纯虾青素最好在充氮密封避光条件下冷藏。

上述影响纯品虾青素稳定性的因素，如易被忽视的金属离子，可避免的空气暴露、高温、光照和酸碱环境等，在提取纯化工艺过程中也应引起足够重视，以降低虾青素被氧化的概率。

1.4 虾青素在产品中的稳定性

虾青素在药品、保健食品和化妆品等产品中保持稳定性的方法主要可分为两种类型：一是物理方法，主要为微/纳米包封技术，如微胶囊包埋技术、主客体包结络合技术、纳米沉淀技术等[15]；二是把虾青素保存于适当的溶剂中，最常用的是脂溶性溶剂。（1）微胶囊包埋技术；以辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材微胶囊化虾青素，稳定性试验表明微胶囊化虾青素和未微胶囊化虾青素在30 ℃避光储存8 d后，微胶囊化虾青素含量保持在90%左右，而未微胶囊化虾青素的残留量只有8%；而在同等条件下常温光照储存8 d后，微胶囊化虾青素含量接近80%，而未微胶囊化虾青素则只有4%左右[16]。（2）主客体包结络合技术；经β-环糊精包封的虾青素对热、光、氧的稳定性提高了7~ 9倍，温度达100 ℃时仍能保持较好的稳定性；在pH 6.5、25 ℃条件下，相比于游离虾青素，β-环糊精/虾青素包合物的水溶性也提高了110倍[17]。（3）纳米沉淀技术；用聚（环氧乙烷）-4-甲氧基肉桂酰基邻苯二甲壳聚糖（PCPLC）纳米胶囊包封虾青素，使虾青素包封率达98%。未包封的虾青素在70 ℃加热2 h后烯烃键会发生氧化还原反应，而包合物则能避免烯烃键发生氧化还原反应[18]。（4）其它；把虾青素保存在不同食用油(米糠、芝麻油、棕榈油)中，在70-90 ℃、8 h后虾青素的含量为84%-90%，其中，棕榈油在90 ℃储存8 h后，虾青素的含量仍然能保持90% [19]。

微/纳米包封技术可以解决虾青素不溶于水、稳定性差的应用缺陷，关键在于要提高亲水性微/纳米载体对虾青素的包封率，上面提及的3种方法虾青素包封率都相对较高，其具有良好的工业化应用前景。但若要更好的实现工业化，不仅要提高虾青素的包封率，还需考虑包封材料的安全食用性和不同剂型的生物利用度。把虾青素保存在一定的溶剂中具有一定的工业参考价值，在保健食品具有一定的应用前景，但不适用于在某些药品方面的应用。

2 虾青素的生物活性

虾青素因其独特的化学结构而具有较强的抗氧化性和广泛的生物活性，具有较高的药用价值，对许多疾病都具有预防和治疗作用，如炎症、心血管疾病、糖尿病以及癌症等[3-9]。

2.1 抗氧化

氧化应激是许多疾病的潜在原因，活性氧自由基（ROS）极不稳定，易与蛋白质、脂质和DNA发生链式反应，导致蛋白质、脂质过氧化反应以及DNA损伤，最终引发多种疾病。虾青素不仅能吸共轭烯烃链上的电子，也能吸终端环上部分电子，因此虾青素具有淬灭单线态氧、清除氧自由基的能力。虾青素的特殊分子结构可使虾青素存在于细胞膜内外[20]，从而能更好的抑制脂质的过氧化反应。相比于叶黄素、番茄红素、α-胡萝卜素以及β-胡萝卜素，虾青素具有更高的抗氧化活性[21]，在体外细胞膜模型中，虾青素不仅能有效地抑制脂质过氧化物形成且能保护细胞膜的完整性[22]。给高胆固醇血症的兔子喂食虾青素后，其体内超氧化歧化酶和硫氧还原蛋白还原酶的活性增加，而对氧磷酶的活性则会被抑制，且已证明虾青素能够延缓血清蛋白的氧化[23]。

2.2 抗炎

虾青素是终止生物体内炎症的潜在物质。虾青素可通过激活Nrf2信号通路介导的内源性抗氧化系统来预防氧化应激，通过抑制NF-қB通路来抑制炎症的发生[[5]。虾青素能够降低环磷酰胺所引起的氧化应激和DNA损伤[24]，能够减少促炎性细胞因子、肿瘤坏死因子α(TNFα)、白介素-1β(IF-1β)、诱导性一氧化氮合酶(iNOS)及环氧化酶2(COX-2)的产生，同时也能抑制核转录因子қB(NF-қB)磷酸化[25]。若长期暴露在紫外线环境下，会引起皮肤炎症的发生。有研究表明，虾青素能预防皮肤变薄，减少紫外线引起的皮肤损伤，预防胶原蛋白的减少[26, 27]。虾青素在眼睛炎症治疗方面也可发挥一定的作用，给高眼压的大鼠喂食虾青素后，视网膜上的凋亡细胞数量会明显减少[28]。

2.3 预防心血管疾病

氧化应激和炎症是动脉粥样硬化心血管疾病的病理生理学特征。虾青素是治疗动脉粥样心血管疾病的潜在治疗药物[29]。给基因敲除小鼠喂食高脂肪（15%）/高胆固醇（0.2%）的膳食并每天喂食0.03%虾青素，4周后，小鼠体内的血浆总胆固醇水平和三酰甘油水平显著降低，同时抗氧化防御机制明显提高[30]。给大鼠肠胃外给药二钠丁二酸酯虾青素后，相对于对照组，实验组的大鼠的梗死面积明显减小，同时，血清肌钙蛋白水平有显著降低趋势[31]。Hussein等[32]给自发性高血压大鼠每天喂食50 mg/kg虾青素，5周后大鼠动脉血压降低且中风的概率也有所降低。

2.4 治疗糖尿病

糖尿病是一种慢性代谢性疾病，在糖尿病患者体内氧化应激水平非常高，抗氧化剂能够降低氧化应激水平，可作为预防糖尿病以及并发症的有效药物。虾青素能够增加胰岛素的敏感性[33, 34]。给2型糖尿病小鼠喂食虾青素后能够降低其氧化应激水平并能够提高血清葡萄糖和胰岛素水平[35]。给有高血糖症、高胰岛素血症并有胰岛素耐受性瑞士白化小鼠每天喂食6 mg/kg的虾青素，60 d后高血糖症、高胰岛素血症会明显改善，胰岛素耐受性也明显减弱[36]。四氧嘧啶能引起氧化应激，给由四氧嘧啶引起的糖尿病小鼠喂食虾青素，7 d后小鼠血浆血糖浓度降低[37]。

2.5 抗癌

抗氧化剂通过抑制氧化剂对细胞的损伤而减少突变基因和致癌基因。相比于β-胡萝卜素和斑蝥黄质，虾青素具有较好的抗肿瘤的活性[38]。研究表明，虾青素能够抑制皮肤癌、口腔癌、结肠癌、乳腺癌的生长[27, 39-42]。虾青素通过抑制Nf-Κb P65和Wnt/β-Catenin通路从而发挥抑制人肝癌细胞的增殖并促进其凋亡的功能[43]。虾青素可以通过阻断细胞周期的进程从而抑制人胃癌细胞株的增殖[44]。成人T细胞白血病是一种恶性肿瘤T淋巴细胞疾病，由人T细胞白血病病毒I感染引起，shikawa等[45]发现虾青素对这种T细胞白血病有轻微的抑制作用。

2.6 其它

除了上面提及的药用价值，虾青素在延缓衰老、增强免疫力以及提高女性健康等方面都具有一定的作用[40][46-49]。

虾青素在人体中的药用价值研究很多（表1）[2]。成年人每天食用虾青素的剂量不宜过多，推荐剂量为2~4 mg/d，而对于儿童和孕妇的使用剂量和使用情况还不明确。

表1 虾青素对人体健康的益处

3 结语

雨生红球藻来源的天然虾青素因其安全性和广泛的生物活性，在医药、保健品、食品及化妆品行业具有良好的开发和应用前景。随着人们对雨生红球藻和虾青素的认识不断提高，微藻培养技术、基因工程技术和分离纯化技术的不断发展和成熟，我们认为，对天然虾青素的进一步研究可以从以下两个方面展开：

（1）虾青素的高效稳定保存新技术。从原料保存到提取过程再到产品保存，虾青素稳定性都是不容忽视的问题，理论上虾青素保存在避光低温无氧无金属离子的环境中，其稳定性较好，但日常使用不便。目前，微/纳米包封技术是近几年研究的热点，此方法能显著提高虾青素的稳定性，更适宜于在药品中使用；虾青素保存在溶剂中也是近些年研究的一个方向，脂溶性溶剂是较佳的选择。但是，如需使用虾青素单体时，这两种保存办法仍不方便，因此，未来的研究中，仍需致力于高效方便地提取和保存虾青素单体。

（2）虾青素（酯）生物活性和体内作用机制的进一步研究。天然虾青素的存在方式以酯类为主，但目前对虾青素酯（单酯和双酯）及其在生物体内的相关研究甚少。虽然目前虾青素作为药品还少有成熟产品，但由于虾青素的强抗氧化活性，对许多疾病有明确的预防和治疗作用。进一步明确虾青素及其酯类化合物的新药用价值和药理药效作用机制，也是一个值得重点关注的领域。

参考文献

[1] MATSUNO T, MIKI W. Biological functions and activities of animal carotenoids [J]. Pure Appl Chem, 1991, 63(1): 141-146.

[2] AMBATI R R, PHANG S M, RAVI S, et al. Astaxanthin: sources, extraction, stability, biological activities and its commercial applications--a review [J]. Mar Drugs, 2014, 12(1): 128-152.

[3] DHANKHAR J, KADIAN S S, SHARMA A. Astaxanthint: A potential carotenoid [J]. IJPSR, 2012, 3(5): 1246-1259.

[4] YAMASHITA E. Astaxanthin as a Medical Food [J]. FFHD, 2013, 3(7): 254-258.

[5] YANG Y, KIM B, LEE J Y. Astaxanthin Structure,Metabolism,and Health Benefits [J]. J Hum Nutr Food Sci, 2013, 1(1003): 1-11.

[6] HUSSEIN G, SANKAWA U, GOTO H, et al. Astaxanthin, a carotenoid with potential in human health and nutrition [J]. J Nat Prod, 2006, 69(3): 443-449.

[7] YUAN J P, PENG J, YIN K, et al. Potential health-promoting effects of astaxanthin: A high-value carotenoid mostly from microalgae [J]. Mol Nutr Food Res 2011, 55(1): 150-165.

[8] WU H, NIU H, SHAO A, et al. Astaxanthin as a Potential Neuroprotective Agent for Neurological Diseases [J]. Mar Drugs, 2015, 13(9): 5750-5766.

[9] GUERIN M, HUNTLEY M E, OLAIZOLA M. Haematococcus astaxanthin: applications for human health and nutrition [J]. Trends Biotechnology, 2003, 21(5): 210–216.

[10] 王红霞, 杨雯, 田洪, 等. 雨生红球藻中虾青素的提取及稳定性研究 [J]. 中国食品添加剂, 2015, 2(2): 101-106.

[11] 赵立艳. 雨生红球藻中虾青素的分离提取及其性质的研究 [D]; 中国农业大学, 2006.

[12] 罗玉芳, 张兰. 虾壳虾青素提取液稳定性研究 [J]. 福建轻纺, 2008, 4(4): 5-9.

[13] 黄水英. 雨生红球藻的培养及其虾青素的提取、稳定性和应用研究 [D]; 厦门大学, 2008.

[14] 张影霞, 武利刚, 罗志辉, 等. 虾青素的提取及其稳定性的研究 [J]. 现代食品科技, 2009, 24(12): 1288-1291.

[15] 万百惠, 李敬, 赵英源, 等. 微/纳米包封技术在改善虾青素水溶性和稳定性中的应用 [J]. 食品工业科技, 2014, 35(23): 382-386.

[16] 黄文哲, 杨哪, 谢正军, 等. 喷雾干燥制备虾青素微胶囊的工艺研究 [J]. 食品工业科技, 2010, 7(7): 239-242.

[17] KIM S, CHO E, YOO J, et al. β-CD-mediated encapsulation enhanced stability and solubility of astaxanthin [J]. J Korean Soc Appl Bi, 2010, 53(5): 559-565.

[18] TACHAPRUTINUN A, UDOMSUP T, LUADTHONG C, et al. Preventing the thermal degradation of astaxanthin through nanoencapsulation [J]. Int J Pharm, 2009, 374(1-2): 119-124.

[19] RAO A R, SARADA R. Stabilization of astaxanthin in edible oils and its use as an antioxidant [J]. J Sci Food Agric, 2007, 87(6): 957-965.

[20] GOTO S, KOGURE K, ABE K, et al. Efficient radical trapping at the surface and inside the phospholipid membrane is responsible for highly potent antiperoxidative activity of the carotenoid astaxanthin [J]. Biochim Biophys Acta, 2001, 1512(2): 251-258.

[21] NAGUIB Y M. Antioxidant activities of astaxanthin and related carotenoids [J]. J Arg Food Chem, 2000, 48(4): 1150-1154.

[22] MCNULTY H P, BYUN J, LOCKWOOD S F, et al. Differential effects of carotenoids on lipid peroxidation due to membrane interactions: X-ray diffraction analysis [J]. Biochim Biophys Acta, 2007, 1768(1): 167-174.

[23] AUGUSTI P R, ANDR IA Q, SABRINA S, et al. Astaxanthin prevents changes in the activities of thioredoxin reductase and paraoxonase in hypercholesterolemic rabbits [J]. J Clin Biochem Nutr, 2012, 51(1): 42-49.

[24] TRIPATHI D N, JENA G B. Astaxanthin intervention ameliorates cyclophosphamide-induced oxidative stress, DNA damage and early hepatocarcinogenesis in rat: Role of Nrf2, p53, p38 and phase-II enzymes [J]. Mutat Res/fund Mol M, 2010, 696(1): 69-80.

[25] KISHIMOTO Y, TANI M, UTOKONDO H, et al. Astaxanthin suppresses scavenger receptor expression and matrix metalloproteinase activity in macrophages [J]. Eur J Nutr, 2010, 49(2): 119-126.

[26] HAMA S, TAKAHASHI K, INAI Y, et al. Protective effects of topical application of a poorly soluble antioxidant astaxanthin liposomal formulation on ultraviolet-induced skin damage [J]. J Pharm SCI, 2012, 101(8): 2909-2916.

[27] AMBATI RANGA R, SINDHUJA H N, DHARMESH S M, et al. Effective Inhibition of Skin Cancer, Tyrosinase, and Antioxidative Properties by Astaxanthin and Astaxanthin Esters from the Green Alga Haematococcus pluvialis [J]. J Arg Food Chem, 2013, 61(16): 3842-3851.

[28] CORT A, OZTURK N, AKPINAR D, et al. Suppressive effect of astaxanthin on retinal injury induced by elevated intraocular pressure [J]. Regul Toxicol Pharm, 2010, 58(1): 121–130.

[29] FASSETT R G, COOMBES J S. Astaxanthin: a potential therapeutic agent in cardiovascular disease [J]. Mar Drugs, 2011, 9(3): 447–465.

[30] YUE Y, JEONG MIN S, ANTHONY N, et al. Astaxanthin-rich extract from the green alga Haematococcus pluvialis lowers plasma lipid concentrations and enhances antioxidant defense in apolipoprotein E knockout mice [J]. J Nutr, 2011, 141(9): 1611-1617.

[31] PASHKOW F J, WATUMULL D G, CAMPBELL C L. Astaxanthin: a novel potential treatment for oxidative stress and inflammation in cardiovascular disease [J]. Am J Cardio, 2008, 101(10): 58D-68D.

[32] HUSSEIN G, NAKAMURA M Q, IGUCHI T, et al. Antihypertensive and Neuroprotective Effects of Astaxanthin in Experimental Animals [J]. Biol Pharm Bull, 2005, 28(1): 47-52.

[33] GHAZI H, TAKAKO N, HIROZO G, et al. Astaxanthin ameliorates features of metabolic syndrome in SHR/NDmcr-cp [J]. Life Sci, 2007, 80(6): 522-529.

[34] BHUVANESWARI S, YOGALAKSHMI B, SREEJA S, et al. Astaxanthin reduces hepatic endoplasmic reticulum stress and nuclear factor-κB-mediated inflammation in high fructose and high fat diet-fed mice [J]. Cell Stress Chaperones, 2014, 19(2): 183-191.

[35] UCHIYAMA K, NAITO Y, HASEGAWA G, et al. Astaxanthin protects β-cells against glucose toxicity in diabetic db/db mice [J]. Redox Rep, 2002, 7(5): 290-293(294).

[36] BHUVANESWARI S, ARUNKUMAR E, VISWANATHAN P. Astaxanthin restricts weight gain, promotes insulin sensitivity and curtails fatty liver disease in mice fed a obesity-promoting diet [J]. Process Biochem, 2010, 45(8): 1406-1414.

[37] WANG J J, CHEN Z Q, LU W Q. Hypoglycemic effect of astaxanthin from shrimp waste in alloxan-induced diabetic mice [J]. Med Chem Res, 2012, 21(9): 2363-2367.

[38] CHEW B P, PARK J S, WONG M W, et al. A comparison of the anticancer activities of dietary β-carotene, canthaxanthin and astaxanthin in mice in vivo [J]. Anticancer Res, 1999, 19: 1849-1853.

[39] KOWSHIK J, BABA A B, GIRI H, et al. Astaxanthin inhibits JAK/STAT-3 signaling to abrogate cell proliferation, invasion and angiogenesis in a hamster model of oral cancer [J]. PIos One, 2014, 9(10): 109-114.

[40] PAOLA P, CRISTIANA T, ALMA B, et al. Growth-inhibitory effects of the astaxanthin-rich alga Haematococcus pluvialis in human colon cancer cells [J]. Cancer Lett, 2009, 283(1): 108–117.

[41] PRABHU P N, ASHOKKUMAR P, SUDHIRAN G. Antioxidative and antiproliferative effects of astaxanthin during the initiation stages of 1,2-dimethyl hydrazine-induced experimental colon carcinogenesis [J]. Fund Clin Pharmacol, 2009, 23(2): 225-234.

[42] NAKAO R, NELSON O L, PARK J S, et al. Effect of dietary astaxanthin at different stages of mammary tumor initiation in BALB/c mice [J]. Anticancer Res, 2010, 30(6): 2171-2175.

[43] LI J, DAI W, XIA Y, et al. Astaxanthin Inhibits Proliferation and Induces Apoptosis of Human Hepatocellular Carcinoma Cells via Inhibition of Nf-Kappab P65 and Wnt/Beta-Catenin in Vitro [J]. Mar Drugs, 2015, 13(10): 6064-6081.

[44] KIM J H, PARK J J, LEE B J, et al. Astaxanthin Inhibits Proliferation of Human Gastric Cancer Cell Lines by Interrupting Cell Cycle Progression [J]. Gut Liver, 2015

[45] ISHIKAWA C, TAFUKU S, KADEKARU T, et al. Antiadult T-cell leukemia effects of brown algae fucoxanthin and its deacetylated product, fucoxanthinol [J]. Int J Cancer, 2008, 123(11): 2702-2712.

[46] CHEW B P, JEAN SOON P. Carotenoid action on the immune response [J]. J Nutr, 2004, 134(1): 257S-261S.

[47] PARRIS K. Astaxanthin, cell membrane nutrient with diverse clinical benefits and anti-aging potential [J]. Altern Med Rev, 2011, 16(4): 355-364.

[48] TOMINAGA K, HONGO N, KARATO M, et al. Cosmetic benefits of astaxanthin on humans subjects [J]. Acta Biochim Pol, 2012, 59(1): 43-47.

[49] BARALIC I, ANDJELKOVIC M, DJORDJEVIC B, et al. Research Article Effect of Astaxanthin Supplementation on Salivary IgA, Oxidative Stress, and Inflammation in Young Soccer Players [J]. Evid-based Compl Alt, 2015.

[注：本文部分图片来自互联网！未经授权，不得转载！每天跟着我们读更多的书]