雨生红球藻虾青素的制备及生物活性研究进展

贺青华，李勇超，王文娟，张波*

（北京联合大学应用文理学院功能食品科学技术研究院，北京100191）

雨生红球藻虾青素的制备及生物活性研究进展

贺青华，李勇超，王文娟，张波*

（北京联合大学应用文理学院功能食品科学技术研究院，北京100191）

虾青素是类胡萝卜素的含氧衍生物，人工养殖的雨生红球藻是天然虾青素的最好来源。虾青素具有多种生物活性，在疾病的预防和治疗中起重要作用。文章介绍了虾青素的提取与稳定性以及在人体中的吸收与代谢，主要对雨生红球藻虾青素的抗氧化活性以及在炎症、糖尿病、心血管疾病、免疫调节以及抗癌等方面的研究进展和应用现状进行了综述。

虾青素；雨生红球藻；生物活性

虾青素（astaxanthin）是一种类胡萝卜素，广泛存在于生物中，如虾、蟹、微藻类和鸟类的羽毛。目前虾青素的主要来源是利用藻类、酵母生产。雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是一种单细胞绿藻，是天然虾青素含量最高的生物[1]。目前天然虾青素主要通过人工养殖雨生红球藻，采收其孢子并经破壁、提取等工艺制成。在日本及欧美，雨生红球藻虾青素在功能食品及食品添加剂中的使用已比较普遍[2]。近年来人们对天然虾青素在抗氧化、提高人和动物的免疫力、改善和治疗糖尿病、心血管疾病、神经性退化疾病以及抗癌、防止紫外线照射、抗衰老、抗高血压等方面的研究日益增多[3-4]，虾青素良好的生物活性使其在食品、医药、化妆品等领域已展现重要的应用价值和良好的应用前景。雨生红球藻作为生产天然虾青素的主要原料，已经引起国内外的广泛关注，并且生产技术日益完善。关于虾青素的生理功能的研究欠缺还没有得到美国食品和药品管理局（food and drug administration，FDA）等机构的认可，但诸多实验表明，虾青素有着非常良好的生理功能[5]。本文主要对来源于雨生红球藻的虾青素的生产及生物活性在动物试验或人体试验研究进行综述，目的是为能够解决和改善人们健康和生活质量提供新的方法。

1 虾青素的结构及性质

图1 虾青素的分子结构Fig.1 Molecular structure of astaxanthin

虾青素分子结构3,3'-二羟基-4,4'-二酮基-β,β'-胡萝卜素，分子式为C40H52O4，分子质量为596.84 u，是唯一能通过血脑屏障的类胡萝卜素的含氧衍生物，颜色为红色。虾青素为不饱和萜烯类化合物，碳链末端各有一个含羟基的β-紫罗兰酮环（见图1）。虾青素不溶于水，具脂溶性。虾青素是一种广泛应用的类胡萝卜素，其最重要的特质是具有强抗氧化性质。分子结构中含有多个共轭双键，末端含有不饱和的酮基（见图1），这些结构使虾青素具有活泼的电子效应，能吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而清除自由基，终止链反应，能够通过物理方式淬灭单线态氧。虾青素分子末端含有羟基，可以与脂肪酸形成酯。形成酯后疏水性增加，双酯比单酯亲脂性强。虾青素可贯穿细胞膜[5-6]，其生物活性优于其他抗氧化剂。

2 制备虾青素的工艺及稳定性

2.1 雨生红球藻虾青素的制备

雨生红球藻含有丰富的虾青素。我国卫生部（原）已于2010年批准雨生红球藻作为新食品原料（卫生部（原）2010年新资源食品第17号公告），培养雨生红球藻生产虾青素具有重要的价值，有广阔的发展前景。对于雨生红球藻的培养，重点是研究和优化其生长条件，在高密度培养的基础上大量积累虾青素；不断优化藻种减少培养过程中的污染；优化孢子破壁技术，实现虾青素的高效提取。从雨生红球藻中分离纯化虾青素有很多种方法，其中酶法、微波法、研磨法、高压均质法等主要通过提高雨生红球藻细胞破壁率来提高虾青素的提取率。超临界CO2萃取法、碱提法、溶剂法等则通过不同的渗透作用，使溶剂进入雨生红球藻细胞体内提取[6-8]。提取后可通过硅胶柱进行纯化分离得到天然虾青素。虾青素的含量一般采用高效液相色谱和质谱进行定量分析测定[9]。

2.2 雨生红球藻虾青素的稳定性

虾青素在低于60℃条件下稳定性较好，高于60℃降解速度加快。雨生红球藻在培养液pH7.0时可获得最大细胞产量，且虾青素的产量显著增加[10]。由于温度和光照对虾青素稳定性影响较大，雨生红球藻藻粉一般采用铝箔袋避光真空包装并低温冷藏储存[11]。另外，采用壳聚糖、乳化剂以及β-环糊精微囊包埋技术也可提高虾青素的稳定性[12-13]。虾青素易氧化，氧化后成为虾红素（astancene）并且在弱碱性条件中较稳定，加入金属离子对色素具有破坏作用。

3 虾青素的生物活性

3.1 抗氧化作用

自由基和活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）具有很高的反应活性，可引起机体氧化损伤（如脂质过氧化、DNA损伤等），造成机体一系列功能紊乱和失调。虾青素的共轭双烯，可通过淬灭单线态氧和清除自由基，从而抑制机体的氧化损伤；还能阻断不饱和脂肪酸的链式反应[2]。虾青素特殊的分子结构可以贯穿细胞膜，抑制磷脂双分子层的过氧化、保护细胞膜结构，其抗氧化活性是其他类胡萝卜素的10倍，是维生素E的550倍，故被称为“超级维生素E”[15-16]。以脐静脉血管内皮细胞测定虾青素的抗氧化能力，发现雨生红球藻中提取的天然虾青素的抗氧化活性是合成虾青素（浓度5 mmol/L）的90倍[17]。硫氧还蛋白以及硫氧还蛋白还原酶是细胞内最重要的抗氧化系统之一，对维持细胞内蛋白质的还原状态并正常发挥生理功能起着重要的作用。有研究表明，虾青素可以明显改善由胆固醇症引起的蛋白质氧化，使硫氧还蛋白还原酶活性提高[18]。以60 mg/kg丙戊酸建立产后小鼠自闭症模型，再以2 mg/kg的虾青素饲喂产后小鼠4周，结果表明，肝脏脑的氧化应激水平提高，小鼠自闭症行为有所改善[19]。体外肝细胞培养试验结果也表明，虾青素具有清除自由基、淬灭单线态氧，提高谷胱甘肽含量，防止脂质过氧化的作用[20]。成熟猪卵母细胞培养中添加0.5mg/kg虾青素酯也使细胞的抗氧化能力提高[21]。虾青素酯和游离虾青素对清除自由基均有效[22]。

3.2 抗炎活性

链脲佐霉素（streptozotocin，STZ）150 mg/kg诱导小鼠糖尿病模型中，小鼠每天经口服虾青素25 mg/kg 10周，可有效减少脑中神经胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）阳性细胞数量，并且抑制半胱天冬酶-3型（caspase-3）、白介素6（interleukin-6，IL-6）、白介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和额叶胱硫醚合成酶（cystathionase，CBS）的表达，抑制糖尿病引起的脑部炎症对神经系统的损害，对神经起到保护作用，虾青素具有的抗炎特性，可以用于慢性神经退行性疾病等[23-25]。另外，虾青素对于皮肤过敏也有抑制作用，可降低肿瘤坏死因子-α（tumour necrosis factor，TNF-α）和干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）的含量，有效抑制由二硝基氟苯（dinitrofluorobenzene，DNFB）诱导的小鼠耳过敏反应[26]。

3.3 抗糖尿病活性

成年雄性大鼠饲喂高脂、高糖饲料15 d后，每天再饲喂2 mg/kg虾青素饲料45 d，发现肝脏线粒体内质网蛋白激酶、核转录因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）、线粒体自噬因子等含量降低，应激反应减弱，虾青素可降低由胰岛β-细胞失调引发的高血糖氧化应激，改善血浆中的胰岛素和葡萄糖的水平，能够降低葡萄糖对胰腺β-细胞的毒性[27-28]。给大鼠腹腔注射链脲佐霉素建立糖尿病模型，分别以50 mg/kg、100 mg/kg虾青素饲喂14 d，结果表明大鼠血糖水平显著下降，磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）通路激活，并且抑制氧化应激反应，还提高了糖尿病大鼠的认知能力[29]。研究还表明，虾青素可通过降低肾脏氧化应激反应，降低肾脏细胞的损害，从而减缓糖尿病肾病的发生和发展[30]。并且，虾青素对糖尿病微血管并发症的发生也具有抑制作用[31]。

3.4 预防心血管疾病

临床应用研究表明，虾青素能够抑制低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）的氧化，提高高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）和脂联素的水平[32]。以75～200 mg/kg的虾青素饲喂自发性高血压大鼠8周，发现心缩压下降，左心室肥大状况明显降低，阻力动脉血管内皮功能改善，能够降低血压值，对高血压症有治疗作用[32]。有研究表明，虾青素能够通过降低ROS簇保护血管内皮细胞[34]。这些结果表明，虾青素治疗动脉粥样硬化和心血管疾病的机制与降低氧化应激和缓解慢性炎症有关，有望用于预防和治疗动脉粥样硬化和心血管疾病。

3.5 免疫调节作用

免疫细胞对游离自由基的损害非常敏感。虾青素可清除游离自由基，具有重要的免疫调节作用。人群研究表明，每天补充虾青素可降低DNA损伤、降低血浆中C反应蛋白的浓度，提高健康成年女性的免应答能力[35]。虾青素（1 mg/kg）和深海鱼油[二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）10 mg/kg，二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）7 mg/kg]混合后饲喂大鼠45 d，结果发现，虾青素和深海鱼油混合能显著降低活性氧、过氧化氢以及一氧化氮水平，从而T和B淋巴细胞的增殖数量降低，改善免疫调节作用[36]。体外试验证明，300 nmol/L虾青素可以促进脾脏淋巴细胞的增殖；小鼠连续灌胃虾青素（0.28 mg/kg、1.4 mg/kg、7 mg/kg）14 d，发现INF-γ、IL-2产量提高，并且没有产生细胞毒素[37]。

3.6 抗癌活性

细胞间隙连接通讯（gap junction intercellular communication，GJIC）对细胞的正常增殖分化及组织自身稳定起着重要的调节作用。细胞间隙连接通讯功能的抑制或破坏是促癌作用的重要机制。虾青素的抗癌作用与其诱导细胞间隙连接通讯的能力密切相关，通过加强正常细胞间的连接通讯能力来控制癌细胞的生长和转移[38]。体外实验表明，虾青素可以促进人体皮肤成纤维细胞之间的间隙连接通讯[39]。虾青素还能够抑制细胞增殖和凋亡，且不产生抗药性。在人肝癌细胞系LM3和SMMC-7721培养液中加入50～300 μmol/L的虾青素培养72 h，结果表明，虾青素主要通过抑制PI3K/PKB和细胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）信号转导通路，下调NF-κB p65和Wnt/β-catenin信号通路，抑制癌细胞的增殖，并使大量癌细胞发生凋亡[40]。

4 总结

虾青素是一种具有很强生物活性的抗氧化剂，目前国际上在药品以及食品领域的应用主要定位于调节免疫、改善和治疗糖尿病、心血管疾病以及保护视网膜、抗炎、抗衰老等方面。国外已研究开发了多款含有虾青素的产品。我国仍处于研究初期，需要加强虾青素原料生产以及提取技术的改革和创新并深入研究虾青素的性质和功能。进一步开发虾青素在人造奶油、功能性饮料、食用油等食品中以及保健品和药物中的应用。

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Research progress of preparation and bioactivity of astaxanthin fromHaematococcus pluvialis

HE Qinghua,LI Yongchao,WANG Wenjuan,ZHANG Bo*
(Research Institute for Science and Technology of Functional Food,College of Applied Arts and Science, Beijing Union University,Beijng 100191,China)

Astaxanthin is oxy-derivatives of carotenoid,and the artificial propagation ofHaematococcus pluvialisis the best source of natural astaxanthin.Astaxanthin has a variety of biological activity and plays an important role in prevention and treatment of disease.The extraction and stability of astaxanthin and its absorption and metabolism in human body were introduced.The antioxidant activity of astaxanthin fromH.pluvialisand research progress and application status in inflammation,diabetes,cardiovascular disease,immune regulation and anticancer were reviewed.

astaxaanthin;Haematococcus pluvialis;bioactivity

Q562

0254-5071（2016）11-0035-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.11.007

2016-06-20

“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAD33B06）；北京联合大学校级科研项目（2015年）

贺青华（1990-），女，硕士研究生，研究方向为生物活性物质的功能与毒理。

*通讯作者：张波（1962-），女，教授，博士，研究方向为生物活性物质的功能与毒理。