虾青素在水产养殖中的应用研究进展

胡红伟，闫凌鹏，麻啸涛，杨亚奇，任帅，陈茹茹

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西芮城044600）

虾青素（Astaxanthin）是一种天然存在的红色类胡萝卜素色素，主要存在于甲壳类动物（如螃蟹、小龙虾、龙虾和磷虾等)、鲑鱼肉和包括微藻在内的其他海洋生物和微生物[1-3]。鱼类和其他动物一样，缺乏从头合成虾青素的能力，必须从食物中获取，野生鱼类通过捕获的猎物获取虾青素，而养殖鱼类通过饵料获取。天然虾青素具有抗炎、抗氧化、着色、增强免疫力、抗动脉粥样硬化、抗衰老等作用，广泛应用于功能性食品、膳食补充剂、饮料、化妆品和保健品等行业[4-6]。近年来，虾青素不仅应用于人体保健品中，而且在动物养殖领域也被用于饲料添加剂，在水产养殖中使用虾青素可以提高动物免疫力、降低死亡率、减少抗生素滥用[7]。此外，虾青素在一些水生动物，如虹鳟和观赏鱼的色素沉着中起着关键作用[8]。本文综述了虾青素的来源、理化性质及其在水产养殖中的应用。

1 虾青素的来源

虾青素的主要来源是简单的微生物，特别是藻类、酵母、真菌和细菌，虾青素不能由动物通过生物化学的方法合成，但可以通过食用含有虾青素的生物体在动物组织中积累。天然虾青素提取物通常含有与生物活性相关其他类型的胡萝卜素（β-胡萝卜素、角黄素和叶黄素），不同的微生物和海洋动物，包括微藻、酵母、野生的和养殖的鲑鱼的肌肉、鳟鱼、磷虾和小龙虾、复杂的植物以及一些鸟类是天然虾青素的来源。商业化的虾青素通常由化学合成或通过红法夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous）或者雨生红球藻（Haematococcus Pluvialis）等生产[9-11]。野生鲑鱼肉中，虾青素的含量为3～38 mg·kg-1，而虹鳟鱼肉中虾青素含量为12～25 mg·kg-1[12]，因此，来源于野生和养殖鲑鱼的鱼片可以作为虾青素的膳食来源。

在市场需求和生态效益的驱动下，微藻虾青素的生产和虾青素在水产养殖中的实际应用成为近年来研究的热点。研究者对富含虾青素微藻菌株的分离和藻细胞合成虾青素的机制进行了研究，目前雨生红球藻、佐氏小球藻（Chlorellazofingiensis）和斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）已被确定为具有生产天然虾青素潜力的藻类菌株（见表1）。虾青素或富含虾青素的微藻已被广泛用作鲑鱼、虾和观赏鱼的饲料添加剂，可以提高动物免疫力、防止抗生素滥用及增加色素沉着，将藻虾青素用来养鱼已被认为是水产养殖业可持续发展的可行途径。

表1 生产虾青素的藻类

2 虾青素的理化性质

虾青素即3，3'-二羟基-4，4'-二酮基-β'，β'-胡萝卜素，是类胡萝卜素的一种，分子式为C40H52O4（相对分子质量596.84），密度为1.071 g·mL-1，熔点为216℃，沸点为774℃。虾青素在水中溶解度差，易溶于有机溶剂，在二氯甲烷、氯仿、二甲亚砜和丙酮中的溶解度分别为30 mg·mL-1、10 mg·mL-1、0.5 mg·mL-1和0.2 mg·mL1[20]。

虾青素的分子结构见图1A，中间由4个异戊二烯单位构成的共轭双键组成，两端为α-羟基紫罗酮六元环结构，C-3和C-3'具有手性中心。由于一个手性中心可以有两个构象，虾青素的两个手性碳原子C-3和C-3'可以以R或S的形式存在，因此，虾青素有（3S，3S'）、（3R，3R'）和（3R，3S'）三种异构体（见图1B～D），其中，（3S，3S'）和（3R，3R'）为对映异构体，每对对映异构体具有相反的旋光度，使平面偏振光向左或向右旋转，而（3R，3S'）异构体没有旋光性。

图1 虾青素的化学结构

虾青素有游离态和酯化态两种状态，合成虾青素是以（3S，3R'）为主的游离态存在，天然虾青素是以（3S，3S'）、（3R，3R'）为主的酯化态形式存在，其中红法夫酵母所产虾青素以顺式（3R，3R'）的二酯为主[21]，雨生红球藻所含虾青素以全反式（3S，3S'）的单酯为主[22]，作为脂溶性胡萝卜素家族的一员，虾青素的特殊结构可能导致应用过程中具有以下缺点：

（1）疏水性。虾青素是一种亲油性物质，在非极性溶剂中溶解性很差。虾青素的两端有两个羟基，每个羟基可以与脂肪酸相互作用形成酯，酯化后的虾青素比游离虾青素具有更强的疏水性[23]。

（2）不稳定。由于不饱和共轭双键的结构，虾青素单体极不稳定，在加工和贮存过程中，由于光照、温度和含氧量的变化，极易发生降解和褪色，使其失去原有的生物活性，最终产品的质量和色泽较差。

3 虾青素在水产养殖中的应用

长期以来，虾青素作为一种天然色素被添加到鱼类饲料中，用于养殖鲑鱼、鲷鱼和一些观赏鱼。近年来越来越多的研究发现，虾青素在水生动物增重和免疫应答等方面有积极作用，虾青素的应用范围扩大到甲壳类和一些经济鱼类。类胡萝卜素与植物、动物大量的生理功能紧密相关，大多数水产动物及动物组织的颜色归因于各种类胡萝卜素的存在[24-25]。作为水产动物组织中的主要类胡萝卜素，虾青素具有色素沉着、抗氧化、抗应激的作用。

3.1 虾青素对水产动物着色功能的影响

在鲑鱼、鳟鱼、鲷鱼、观赏鱼和甲壳类动物的养殖中，色素沉着是一个重要的过程，消费者更青睐于虾青素含量较高的粉红色三文鱼肉。此外，观赏鱼在市场上的价值部分取决于它们的肤色或肌肉颜色。水产动物的颜色在消费者接受度、感知质量及价格方面起着重要作用，浅黄色甲壳的养殖甲壳动物的市场价格通常低于红色或深橙色甲壳的甲壳动物。在大多数情况下，鱼类不能在体内合成色素，但能吸收外源色素，因此，饲料中添加虾青素可提高鱼类及甲壳类动物的着色能力和组织中虾青素的浓度[26-27]。

鲑鱼、鳟鱼和鲷鱼广泛分布于太平洋和大西洋，富含蛋白质、脂类、天然色素和矿物质等人体所必须的丰富营养。在市场上，鲑鱼、鳟鱼和鲷鱼的皮肤和肌肉中的色素沉着在一定程度上决定了它们的品质，然而野生环境下，渔业资源的衰退严重限制了这些高附加值鱼类的市场供应，为了给人类提供优质的水产品，鲑鱼、鳟鱼、鲷鱼的人工养殖业发展迅速，增加了对鱼类饲料的市场需求。

S.Sigurgisladottir等[28]在大西洋鲑鱼饲料中添加88.6 mg·kg-1虾青素，结果试验组鲑鱼肌肉中虾青素含量为2.0～2.5 μg·kg-1，对照组虾青素含量为0.5～0.8 μg·kg-1，表明虾青素的添加增加了鲑鱼肌肉中的色素沉着。在虹鳟鱼养殖中，鱼料中虾青素含量从0增加到27.6 mg·kg-1，导致肌肉中总类胡萝卜素含量和肌肉色度值增加。随着虾青素含量从27.6 mg·kg-1增加到46.1 mg·kg-1，总类胡萝卜素含量和色度值没有明显增加[29]，造成这种现象的主要原因可能是过量的虾青素不能被水生动物充分吸收。张春燕等[30]在虹鳟饲料中添加1.0 g·kg-1合成虾青素（Ast组）和4.4 g·kg-1雨生红球藻提取物（HE组，虾青素含量为100 mg·kg-1），对照组为基础日粮，饲喂6周，发现Ast组和HE组的肌肉红度和黄度值、组织虾青素含量和血清类胡萝卜素含量均显著高于对照组。A.Kurnia等[31]研究表明，用合成虾青素和天然虾青素饲养的鲷鱼组织中虾青素含量分别达到7.76 mg·kg-1和12.7 mg·kg-1，而C.Georges等[32]用合成虾青素（AST组）和来源于雨生红球藻的天然虾青素（ALG组）饲喂虹鳟鱼，结果AST组虹鳟鱼的血浆和肌肉虾青素浓度、肌肉颜色饱和度（C*）、红度（a*）、黄度（b*）均高于ALG组，表明不同来源虾青素对不同水生动物色素沉着的影响不同。

Jiang J.F.等[33]在红海草莓（Pseudochromis fridmani）饲料中添加不同来源和浓度（20，50，75和100 mg·kg-1）的虾青素，进行42 d饲养试验，研究虾青素对红海草莓着色的影响，结果证明，饲喂75 mg·kg-1和100 mg·kg-1的天然虾青素组和100 mg·kg-1的人工合成虾青素组，鱼的亮度显著低于对照组，75 mg·kg-1和100 mg·kg-1两种来源虾青素组的鱼皮色彩饱和度显著高于对照组，所有组（25 mg·kg-1天然虾青素组除外）色调与对照组显著不同。N.A.Bell等[34]在金鱼（Carassius auratus）饲料中添加富含虾青素和蛋白质的龙虾粉，发现金鱼的亮度、红度和黄度均有所增加。王军辉等[35]研究了不同虾青素添加量对锦鲤（Cyprinus carpio L.）体色的影响，发现虾青素的添加对体色中亮度没有影响，体色中红度（a*）和黄度（b*）随虾青素添加量的增加出现先升高后下降的趋势，在添加量为400 mg·kg-1时，两种色度值达到最大。饲料中添加虾青素，除了影响观赏鱼的色素沉着以外，还能够影响观赏鱼基于色彩的行为，E.Lewis等[36]研究发现红玫瑰鱼（Puntius titteya）饲料中添加虾青素能减少其镜像攻击行为和择偶行为。

许多种类的甲壳动物如寄居蟹、红帝王蟹、小龙虾、爪子龙虾、多刺龙虾和草虾，如果不能摄取足够的类胡萝卜素，将会失去或者不进行色素沉着[37-41]。香蕉虾色素沉着被证明是遗传的[42]，这表明类胡萝卜色素的保留可能有遗传基础。Long X.W.等[43]对成年中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）饲喂富含天然虾青素的雨生红球藻粉，发现随着日粮中雨生红球藻粉添加量的增加，中华绒螯蟹卵巢和甲壳的红度（a*）显著增加，但亮度（L*）和黄度（b*）呈现下降的趋势，这一结果与Han T.等[44]对三疣梭子蟹（Portunus trituberculatus）的研究结果一致。

3.2 虾青素对水产动物抗氧化功能的影响

活性氧自由基（ROS）是生物体有氧代谢的自然产物，是机体生存所必需的一种自由基。活性氧自由基在调剂细胞某些活性、细胞凋亡、免疫系统和基因转录等方面发挥着重要作用，但是活性氧自由基对细胞高度有害。为了应对不断产生的活性氧，需要依靠体内的抗氧化防御体系，该体系包括酶促和非酶促两类抗氧化剂，酶促抗氧化剂包括过氧化物酶（POX）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等；非酶促抗氧化剂包括维生素E、维生素C、微量元素和类胡萝卜素等。ROS对脂类、蛋白质和核苷酸都有很强的反应性，ROS与多不饱和脂肪酸（PUFA）反应导致脂质过氧化的发生，该反应会产生一个新的ROS，会继续与新的PUFA发生反应，导致氧化反应循环进行，水生动物体内富含n-3 PUFA，极易受到氧和其他自由基的攻击。

近年来，虾青素作为存在于某些海洋生物中的有效抗氧化剂，越来越多的受到研究者关注[45-46]。由于虾青素分子结构中含有共轭双键、羟基和酮基等还原性功能基团，可以与氧自由基反应，清除自由基，发挥抗氧化作用。虾青素已被证明有强大的抗氧化活性，是类胡萝卜素（如角黄素、β-胡萝卜素和叶黄素）的10倍，维生素C的65倍和维生素E的100倍[47]。虾青素的抗氧化活性作用表现为清除单线态氧、超氧化物和羟基自由基等ROS、活性氮自由基（RNS）和抑制脂质过氧化[48]。虾青素与脂肪反应可以生成虾青素酯，可以有效地抑制细胞内氧自由基与不饱和脂肪酸的化学反应，因而可以减轻DNA的氧化损伤和炎症反应，提高机体免疫应答，同时很容易以对膜损伤最小的方式穿透生物膜，从而可以保护生物膜和脂肪酸免受脂质过氧化的影响。

O.Z.Barim等[49]在多瑙河小龙虾（Astacus leptodactylus）日粮中添加维生素E（VE）、维生素C（VC）、维生素A（VA）、虾青素（AST）和β-胡萝卜素（βC），试验过程中测定卵子数量和尺寸，组织中VE、VC、VA、AST、βC和丙二醛（MDA）含量，结果表明VE和AST组的卵子数量和大小是各组中最优的，AST组中，肝脏、卵巢、腮和肌肉组织中MDA含量是最低的，表明虾青素组的抗氧化能力最高。Yi X.等[50]的研究指出，大黄鱼日粮中添加虾青素，能够增加大黄鱼肝脏中SOD和GSHPx的活力，进而提高大黄鱼机体总抗氧化水平。Ma S.L.等[51]研究了皱纹盘鲍（Haliotis discus hannai）日粮中添加虾青素对其抗氧化能力的影响，发现与对照组相比，虾青素组皱纹盘鲍血清中SOD和CAT含量明显增加，同时MDA含量明显降低，SOD和CAT反应了机体对自由基的补偿能力，含量越高则抗氧化能力越高。

3.3 虾青素对水产动物抗应激与抗病能力的影响

高密度水产养殖作业经常使动物受到各种身体应激，这些应激来源于分级、运输、搬运、接种疫苗和拥挤等因素，导致动物处于高压及免疫抑制状态，可能破坏水生动物与周围环境之间的动态平衡，从而引发应激反应。过度的压力导致水生动物生理功能失调、生长速度降低、免疫抑制、对疾病入侵易感甚至死亡[52-53]。因此，在水产养殖研究中，缓解压力引起的不利条件是非常重要的。

一项早期的研究表明，每天摄入含虾青素230～810 mg·kg-1的日粮，持续4周，可提高斑节对虾（P.monodon）对高盐环境的耐受性[54]。Y.H.Chien等[55]注意到日粮中添加360 mg·kg-1的虾青素饲喂1周，能够诱导斑节对虾幼虫对低溶氧水平的耐受性。用不同压力因子测试的斑节对虾后，对其进行8周含虾青素日粮（80 mg·kg-1）的饲喂试验，斑节对虾表现出更高的抗氧化防御能力（更低的SOD水平）和更好的肝脏（更低的谷草转氨酶AST和谷丙转氨酶ALT）功能，同时改善了抗高渗和热应激的能力。同样，用含虾青素71.5 mg·kg-1的日粮饲喂斑节对虾幼虾8周，斑节对虾表现出惊人的抗氧化状态和对不同水平（0.02，0.2，2，20 mg·L-1）氨胁迫的抵抗力[56]。较低的SOD、AST和ALT表明生物胁迫后，斑节对虾消耗组织中各种抗氧化酶，增强抗氧化能力和肝脏功能。以上研究表明，在外界压力引起的生理应激下，虾青素是斑节对虾非常重要的一个营养因子。K.Supamattaya等[57]用含杜氏藻提取物200～300 mg·kg-1的饲料饲喂的斑节对虾，能够耐受0.8～1 mg·L-1的低氧环境，并能显著抵抗病毒性白斑综合征（WSSV），同时还发现饲喂杜氏藻提取物的斑节对虾组织中虾青素含量较高，说明它们可以快速地将β-胡萝卜素转化为虾青素。

大量在凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）和其他甲壳类的研究中也发现了与斑节对虾研究相类似的结果。Zhang J.等[58]研究发现，凡纳滨对虾（日粮中添加125～150 mg·kg-1的虾青素，除了上调缺氧诱导因子（HIF-1α）、胞质锰超氧化物歧化酶（cMnSOD）和CAT mRNA的表达水平外，还可提高总抗氧化能力和对低氧胁迫（0.8 mg·L-1）的耐受性。在另一项相关研究中，Niu J.等[59]证实，通过饲喂虾青素（100 mg·kg-1）和胆固醇（1%）的组合日粮，增强了凡纳滨对虾HIF-1α因子和热休克蛋白HSP70的mRNA基因的表达，能够提高其36 h模拟活体运输过程中的耐受性。Wang H.等[60]进一步研究发现，饲喂80 mg·kg-1虾青素的凡纳滨对虾4周后，其对毒性白斑综合征（WSSV）具有较高抵抗力，这与吞噬活性、血细胞总数、血清酚氧化酶活性、血清抗超氧自由基活性、血清溶菌活性和血清抗菌活性等血淋巴免疫指标的改善有关。日本沼虾（Macrobrachium nipponense）摄取不同剂量虾青素（50～150 mg·kg-1）日粮10周后，可以耐受各种物理和化学应激，如缺氧供应（0.5 mg·L-1）、氨胁迫（0.75 mg·L-1）和冷应激（0℃）等[61]。Jiang X.D.等[62]在中华绒螯蟹幼蟹日粮中添加30～120 mg·kg-1的雨生红球藻粉，发现与对照组（不添加雨生红球藻粉）相比，各添加组在经历氨胁迫时的死亡率大大降低，同时还发现添加雨生红球藻的各组抗氧化酶基因表达显著增强，这可能与其死亡率低有关。

虾青素同样对鱼类也产生了有益效果，Liu F.等[53]研究了日粮虾青素摄入量对黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）抗逆性的影响，当以80 mg·kg-1的剂量饲喂60 d时，可提高肝脏HSP70、肝脏SOD、血清总蛋白（TP）的含量和对急性拥挤应激的耐受性，随后进行的奇异变形杆菌的攻击试验表明了虾青素组的抵抗力显著增强。Li M.Y.等[63]研究了乌鳢（Channa argus）添加虾青素对脂多糖诱导的氧化应激及免疫应答的影响，发现虾青素能提高热应激蛋白HSP70、HSP90和糖皮质激素受体基因的表达。另一项研究还发现，虾青素通过抑制NFκB和MAPKs信号通路，来抑制促炎细胞因子的产生[64]。Xie J.J.等[65]在金鲳鱼（Trachinotus ovatus）日粮中添加雨生红球藻粉，饲喂8周后，进行急性缺氧应激试验（1.2 mg·L-1），发现添加雨生红球藻组通过激活Nef2-ARE信号通路对抗NF-κB信号通路来减轻炎症反应。

4 小 结

虾青素是自然界中最重要的类胡萝卜素之一，因其对水生动物健康的广泛影响而受到动物营养学家的关注。水产动物日粮中添加虾青素不仅能改善动物体色，还具有很强的活性和抗氧化、抗应激及抗病功能，对水产动物细胞、组织的应激及氧化损伤具有保护作用。随着我国水产养殖业规模化、集约化的发展，虾青素的应用将会越来越广泛。