虾青素的生理功能及其在运动中的应用

苏铁柱

（商洛学院 体育教学研究部，陕西商洛 726000）

虾青素是类胡萝卜素的含氧衍生物，能有效地淬灭活性氧自由基，具有极强的抗氧化活性，抗氧化作用是天然VE的100倍，Q10的60倍，番茄红素的7倍，具有较高的营养和药用价值[1]。大量动物和临床实验证明虾青素有着多方面的生理功能，虾青素能强效清除自由基，具有抗氧化、抗疲劳、抗衰老、防辐射、抑制肿瘤发生、抗炎等多种功效，能预防心血管疾病及增强免疫功能，在健康和营养方面具有多方面的生物效用，具有广阔的应用前景。目前，无论大众体育还是竞技体育运动过程中往往容易产生大量损伤机体的自由基及代谢产物，出现运动性疲劳甚至运动性损伤等，影响正常运动或降低运动能力，而对运动营养补剂的研究也成为热点，虾青素所具有的生物化学功能能够对运动过程中机体产生的机能变化发挥一定的积极作用。本文结合近年来国内外关于虾青素的生理功能及其在运动领域应用的研究，综合论述了虾青素作为运动营养补剂目前研究现状及应用进展，为虾青素在运动领域的广泛应用提供一定的理论依据和实践指导。

1 虾青素的结构、性质及分布

虾青素是酮式类胡萝卜素，化学名称是3,3′-二羟基-4,4′-二酮基-β, β′-胡萝卜素，在体内可与蛋白质结合而呈青、蓝色，相对分子质量596.86，分子式为 C40H52O4，熔点：216℃-218℃，纯净固态呈紫罗兰色，不溶于水，易溶于丙酮、氯仿、苯等有机溶剂。虾青素分子结构含有不饱和的酮基和羟基，构成α-羟基酮能吸引自由基或向自由基提供电子，从而清除自由基[1]。虾青素比一般类胡萝卜素的抗氧化性更强[2]。虾青素主要以游离态和酯化态形式存在[3]，游离态易被氧化，酯化态易与蛋白质结合形成不同颜色[4]。植物、浮游动物中广泛存在，虾青素是海洋生物体内主要的类胡萝卜素之一，广泛存在与藻类、虾类、蟹类、贝类、鱼类及其他动植物中，一般虾、蟹类含虾青素的食物1000 g的虾壳中含80-100 mg虾青素，雨生红球藻是自然界中合成和积累虾青素最多的微生物。天然虾青素（天然虾红素）是世界上最强的天然抗氧化剂，能有效清除细胞内的氧自由基，增强细胞再生能力，维持机体平衡和减少衰老细胞的堆积，由内而外保护细胞和DNA健康，从而保护皮肤健康，促进毛发生长，抗衰老、缓解运动疲劳、增强机体活力。

2 虾青素的生理功能

2.1 虾青素的抗氧化作用

生物体内细胞生物氧化产生的氧自由基和H2O2等活性氧，易通过脂肪酸自由基将细胞膜上的不饱和脂肪酸氧化，打破生物体抗氧化剂和自由基的平衡，易导致风湿性关节炎、心脏病等症状或疾病[5]。虾青素是一种链断裂型抗氧化剂，具有极强的抗氧化作用，能有效清除活性氧[6]。天然虾青素是人类发现自然界最强的抗氧化剂，其抗氧化活性远远超过现有的抗氧化剂。Hix等[7]首先提出在高压氧的条件下，类胡萝卜素可加强氧化剂的氧化性，虾青素比类胡萝卜素抗氧化能力强。虾青素有“超级VE”之称，是α-生育酚抗氧化性的百倍，能阻断不饱和脂肪酸降解降低或防止自由基的生成，也能通过长链的共轭烯烃结构阻止单线态氧对其它分子或组织造成氧化伤害。研究发现虾青素可通过淬灭单线态氧，清除自由基，降低膜通透性限制氧化剂渗透进细胞内，能够维持膜稳定。McNulty等[8]用X射线衍射分析实验也发现虾青素能稳定膜结构，展现出强大的抗氧化活性。曹秀明等[9]研究发现虾青素能对H2O2引起的质膜氧化损伤具有明显的抗氧化保护作用。虾青素还可减少DNA的氧化损伤，抑制脂质过氧化[10]，增加蛋白质表达和抗氧化酶活性[11]。裴凌鹏[12]发现摄入10 mg Pkg剂量虾青素即可显著降低机体各脏器组织MDA的产生，增强SOD和GSH2Px酶活性，提高超氧化物歧化酶-1(SOD-1)的蛋白表达，表明虾青素具有抗氧化作用。虾青素能使动物细胞内超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的蛋白表达及活性均提高[13]。裴凌鹏等[14]研究发现虾青素可通过激活细胞内抗氧化系统保护成骨细胞免受H2O2诱导的氧化损伤。

2.2 虾青素的免疫调节作用

虾青素能明显促进抗原存在时脾细胞抗体产生，刺激体内免疫球蛋白的产生，增强T细胞的作用，对机体免疫能力具有调节作用。Jyonouchi等[15]研究表明虾青素比类胡萝卜素在对小鼠淋巴细胞体外组织培养系统表现出更强的免疫调节作用，同时还发现虾青素能提高人体免疫球蛋白的产生，进一步证实了虾青素对机体免疫能力的调节作用。体外实验表明，虾青素可提高依赖于T专一抗原的体液免疫反应，显著促进小鼠脾细胞对胸腺依赖抗原(TD-Ag)反应中抗体的产生，研究发现虾青素能显著促进分泌IgG和IgM的细胞数增加，促进TD-Ag刺激时的抗体产生。研究表明在抗原入侵初期，虾青素能通过增加小鼠体内的IgM、IgA和IgG增强特异性体液免疫反应，从而恢复年老小鼠的体液免疫系统。虾青素能通过增强T细胞对人体血细胞刺激后产生免疫球蛋白对视网膜功能具有改善作用。虾青素可通过增强植物血凝素使脾B和T淋巴细胞分化增殖能力提高，虾青素比β-胡萝卜素具有更强的增强小鼠释放肿瘤坏死因子α和白细胞介素-Iα的能力，表明虾青素可能通过其强抗氧化性及较强的诱导细胞分裂的活性作用，对免疫能力具有重要的调节作用。虾青素可保护肝脏，控制炎症，表现出抑制炎性细胞因子类，可能是通过促使脾B淋巴细胞和T淋巴细胞增殖分化，从而增强机体的免疫力。

2.3 虾青素具有预防心血管系统疾病的作用

高密度脂蛋白(HDL)能预防并缓解冠心病的危险，低密度脂蛋白(LDL)的氧化易导致动脉粥状硬化，高含量的HDL能预防动脉粥状硬化，补充抗氧化剂能够降低动脉硬化的危险，膳食中的抗氧化剂能通过抑制LDL氧化对心血管疾病具有预防作用。体外和临床试验已证明每人每天连续口服3.6 mg虾青素2周，能预防LDL-胆固醇的氧化[5]，从而预防心血管疾病的发生。虾青素能有效地降低成年大鼠中由缺血性脑损伤引起的伤害。氧化应激和炎症反应是致使动脉粥样硬化的主要原因，虾青素能够通过增加HDL，减少LDL，减轻巨噬细胞的炎症反应，增加动脉粥样硬化斑块的稳定性，减少斑块破裂及粥样硬化斑块的形成，通过改善血流从而对动脉硬化、冠心病等心血管疾病具有预防作用。研究表明，虾青素能够降血压和抑制血栓，并对心肌梗死、动脉粥样硬化及缺血再灌注损伤等心血管系统疾病具有预防和治疗作用[16]。虾青素可能通过减少谷氨酸盐释放、抑制氧化应激来改善缺血性脑自由基损伤及细胞凋亡等神经性病变[17]。

2.4 虾青素具有延缓衰老、保护细胞作用

衰老的主要原因是线粒体的氧化损伤加速了细胞的老化，从而导致衰老。虾青素具有保护线粒体和抗衰老的作用，研究表明虾青素能防止大鼠肝脏线粒体的体外过氧化，其效率是VE的100多倍。虾青素的多烯烃链和末端环状结构使细胞膜刚性增加，增强膜内及表面的抗氧化能力，同时改变了细胞膜的通透性，对细胞膜产生强大保护作用，保证细胞生理功能正常。虾青素能显著增强脑损伤后成年鼠的活动能力及降低脑梗死几率。研究表明虾青素对抗缺血性脑损伤的机制为阻止脑部的氧化应激反应，减少谷氨酸盐释放，抑制细胞凋亡。虾青素及类胡萝卜素等抗氧化剂可能通过调节基因表达和诱导细胞间信息传递，保护细胞的健康[18]。虾青素极强的抗氧化作用延缓了细胞的老化，对细胞具有保护作用，延缓了衰老进程。

2.5 其他作用

红色的虾青素具有极强的色素沉积能力，因此通常可作为着色剂。虾青素对运动中产生的自由基所致运动应激性溃疡具有抵抗作用。对于天然虾青素的抗抗癌抑癌作用，类胡萝卜素及其衍生物能抑制癌细胞的扩散[19]。虾青素显著减少斑块中巨噬细胞浸润，抗缺氧、抗高血压，延迟了SHR卒中的发生[20]，预防动脉粥样硬化和心肌梗死。虾青素通过保证胰岛B细胞正常分泌胰岛素的能力来改善机体血糖水平，用以改善糖尿病的症状。最新研究表明虾青素能够抗辐射保护皮肤，以及对改善视网膜具有良好效果[21]。虾青素还具有保护心血管及中枢神经系统，抗肥胖、肝保护、调节时差，治疗自体免疫性疾病、慢性滤过性病毒和细胞内细菌感染，治疗消化不良，预防或治疗幽门螺旋杆菌感染，治疗眼睛疾病、保持眼睛功能，缓解压力等作用。

3 虾青素在运动领域的应用及其作用机制

3.1 减缓中枢疲劳，维护中枢神经系统稳定

虾青素对学习和记忆具有促进作用，对中枢神经系统具有神经保护作用。大脑、脊髓等中枢神经系统极易在运动过程中收到不饱和脂肪酸、脂类等代谢活性很高的氧化剂氧化损伤，从而导致运动性中枢神经疲劳及许多神经系统疾病的发生。已有大量的研究证明氧化胁迫是帕金森(Parkinson)综合症以及肌肉萎缩侧索硬化(ALS)等神经系统疾病诱发的主要原因或者具有促进作用。实验表明，通过给小鼠饲喂天然虾青素，发现对帕金森综合症等神经性疾病具有预防和治疗作用，可能是由于虾青素穿过血-脑屏障，在血-脑屏障外产生抗氧化活性，防止氧化损伤对中枢神经系统的损伤。Hussein等[20]用虾青素预处理的缺血小鼠在Moms水迷宫中的学习行为测试实验中发现极大缩短了缺血小鼠的逃脱期，实验结果表明虾青素对改善血管痴呆症记忆发挥有益的作用，对缺血小鼠具有显著的神经保护作用。在运动过程中容易产生氧自由基及代谢产物对中枢神经系统产生损伤，摄入富含虾青素的食物能降低运动性中枢疲劳及相关疾病的危险。有研究表明，虾青素很容易通过血脑屏障和细胞膜，能有效地防止视网膜的氧化和感光细胞的损伤，以及对中枢神经系统尤其是对大脑起到保护作用，从而有效治疗脑缺血-再灌注损伤、脊髓损伤、帕金森综合征、Alzheimer综合征等中枢神经系统损伤。

3.2 改善运动疲劳损伤及引起的炎症反应

虾青素具有抗缺氧、抗疲劳及缓解肌肉运动损伤的作用，在炎症发生的情况下，有毒的活性氧和噬中性细胞导致抗氧化剂水平降低、脂质过氧化水平及氧化代谢产物增加，破坏了原有的平衡，研究表明活性氧也能加重运动训练引起的肌肉损伤炎症，因此虾青素能够通过自身极强的抗氧化作用在运动性疲劳及损伤炎症中发挥抗炎作用。尹蔷等[22]研究发现虾青素制品通过抑制脂质过氧化反应、抑制前列腺素E2(PGE2)的生成对多种炎症模型均有明显的抵抗作用。研究发现给小鼠饲喂富含虾青素的雨生红球藻藻粉，能明显预防幽门螺杆菌(Helicobacter pylorio)的溃疡症状并可减轻胃炎[23]。研究表明虾青素与其他抗炎类药物有同等或更好的效果，与阿司匹林同时服用可加强后者的药效。陈东方等[24]通过给雄性小鼠灌胃天然虾青素30 d后，发现给予200 mg·kg－1和 600 mg·kg－1剂量天然虾青素小鼠负重游泳时间显著增长，小鼠肝糖原增高，血清尿素氮及血乳酸含量均低于对照组，表明天然虾青素对体力疲劳具有缓解作用。虾青素抗氧化作用能抵抗自由基氧化损伤所致的关节疼痛和关节炎。由于运动负荷量过大或符合强度过大，运动过程中容易产生运动性疲劳或运动性损伤[25]，运动性损伤后产生大量炎性因子，导致病情加重，由于虾青素具有抗炎症作用，能够抵抗炎性因子产生的炎症作用，增强免疫力，改善运动损伤的程度及防止诱发其他症状，并促进运动损伤的恢复。

3.3 清除自由基缓解肌肉损伤增强代谢能力

虾青素的强抗氧化性能够减少细胞、组织和器官氧化损伤，通过降低脂质过氧化水平改善脂质代谢，保证细胞内平衡及线粒体正常供能，降低血乳酸堆积，增进肌肉耐受力，提高运动过程中耐力水平，减少肌肉质量的降低，防止运动性疲劳的产生，对运动性肌肉损伤具有治疗作用，同时增强了运动能力。实验表明：在心肌和骨骼肌剧烈运动后应用虾青素，能拮抗过氧化物酶活性，增强血浆肌酸激酶活性，同时削弱中性粒细胞对肌细胞的损伤，缓解了骨骼肌和心肌剧烈运动所致的损伤[26]。当机体运动时肌肉会释放自由基，引起肌肉酸痛或肌肉组织损伤，而虾青素可以抑制氧化损伤，防止剧烈运动后产生的延迟性肌肉疼痛，对运动性疲劳具有缓解作用[27]。Wataru A[28]报道虾青素在运动中能够抑制脂肪在体内的堆积，提高脂肪在运动中的供能从而延长小鼠的力竭运动时间。Mayumi[29]给予小鼠口服虾青素能够显著降低血乳酸浓度，减少血浆游离脂肪酸和血糖的消耗，延长游泳力竭时间，提高运动能力。Wolf A M等[30]研究发现虾青素能够在氧化应激条件下改善线粒体功能完整性和氧化还原状态。虾青素可以减少心肌和腓骨肌中的髓过氧化酶导致的氧化应激损伤[31]，而且研究发现虾青素能够提高大鼠在循环时间试验中的持续运动时间[32]。大量研究表明，服用虾青素能够显著提高小鼠负重游泳时间，增强了肌肉耐力和力量，降低血清尿素氮含量、降低血乳酸水平，提高了供能能力及代谢能力，对运动能力具有增强作用。

4 结语

虾青素主要通过其抗氧化功能、调节免疫系统功能、保护皮肤、抗衰老、抗炎、抗癌症、预防LDL的氧化损害及保护视网膜等生物功能研发并应用于高级营养保健品、化妆品及医药用品等方面[33]。虾青素的生理功能及其机制的阐明对于开发和研制抗氧化、预防肿瘤及心血管疾病和慢性退行性疾病的虾青素制剂提供了重要的理论依据，使其在食品添加剂、化妆品、保健食品和医药工业方面等广阔领域得以应用。由于虾青素极强的抗氧化性及生理作用，使得其具有较强的营养及药物价值，并能够作为运动补剂应用于延缓运动疲劳，改善运动损伤及提高运动能力等运动领域中。

目前，虾青素并不属于兴奋剂，虾青素可以作为运动营养补剂使用，虾青素广泛存在于常见食物中，研究尚未发现大剂量的虾青素摄入对机体器官造成损害，对于一些氧化损伤及慢性疾病具有治疗和预防效果。动物实验也证实虾青素的抗氧化、抗缺氧、抗疲劳、抗炎、免疫调节、缓解肌肉运动损伤、神经保护等作用在运动领域的应用具有十分广阔的前景，无论是对运动能力的提高、运动性疲劳的缓解及运动性损伤的预防和治疗均具有一定积极作用。但目前，机体对虾青素的代谢、吸收利用、神经体液调节、体内自由基平衡，以及虾青素作为运动补剂的补充时间、补充量、有无副作用等方面证据研究相对较少，因此虾青素在运动领域的应用及其作用机制还需深入、系统的研究。

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