浅谈虾青素的生理功能及其应用研究

◎ 张凯淇，于 泽，刘晓倩，刘桐彤，王琳雅，臧渤煦

（河北农业大学理工系，河北 沧州 061100）

迄今为止已发现600多种天然的类胡萝卜素（Carotenoids）[1]，其中氧化性类胡萝卜素—虾青素（Astaxanthin）极具保健功效，其化学名称为3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，化学式为C40H52O4，呈艳丽红色状。虾青素又名虾黄素，广泛存在于自然界，尤其在水生植物中含量丰富，少量酵母菌和微生物也在体内合成[2-3]。虾青素的功效已被大量实验证实，具有很强的抗氧化性，被认定为唯一能穿透血脑屏障的类胡萝卜素，能有效削弱紫外线对眼睛视网膜和皮肤的损伤[4]。因此，把天然活性物质虾青素应用到膳食营养品中，能有效改善人类的健康问题。本文重点介绍虾青素的起源、结构、功能、吸收和代谢等方面的科学知识，并结合必要的资料及文献作品，助力于未来虾青素的开发和利用。

1 虾青素的结构特性、来源及存在形态

1.1 虾青素的结构特征

虾青素的化学结构中包含有很长的共轭不饱和双键，4个异戊二烯通过共轭双键的方式连接于分子中央，并且两端存在两个α-羟基酮六元环式结构[5]。虾青素分子间存在两个手性碳原子，每个碳原子会产生两种构象，从而会产生相应的3种光学异构体，虾青素分子中羟基碳链的不对称性和多个共轭长链的结构使其容易发生顺反异构，形成多种旋光异构体[6]。顺式结构中双键附近的氢原子之间的空间位阻较大，不利于虾青素的稳定存在，因此在自然界中广泛存在的是全反式虾青素（All-trans-astaxanthin），甲基结构相对稳定，其存在不会对空间位置造成威胁[7]。但全反式的虾青素对光、热、氧气等外界因素较敏感，易受紫外线照射的影响而发生异构化反应，从而形成多种顺式构型异构体，造成虾青素生物活性（如抗氧化性能）的降低[8-9]。全反式虾青素是目前最为稳定的一种存在形式，而顺式左旋虾青素相比于其他结构的虾青素具有更优的生物活性[10]。

顺式结构大多为化学合成的虾青素，而自然界中天然存在的游离态虾青素大多是全反式，虽然结构相似，但是虾青素的光学构型在不同生物体内有着显著性差异。结合相关文献[11-12]，总结出不同物种中虾青素的光学异构体的结构，如图1所示。雨生红球藻和南极磷虾体内的虾青素主要是以3S，3’S的构型存在，而红法夫酵母中虾青素则不存在3S，3’S和3S，3’R构型，梭子蟹和日本对虾中3S，3’S和3S，3’R两种构型相对含量较高[13-14]。我们可以看出不同物种间含量存在差异。

图1 虾青素光学异构体在不同生物中的相对百分含量图

1.2 虾青素的来源

高等生物体内没有办法合成虾青素，一般通过食物来摄取。天然虾青素主要在微藻类生物和浮游植物体内进行合成，通过食物链层层传递，逐级进入高等生物体内。不仅如此，一些酵母菌和细菌也可以自动合成虾青素，但其合成的虾青素在结构方面存在很大差异。在不同物种体内虾青素含量的测定实验中，不难发现雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是含有大量天然虾青素的一种微藻[15]，被视为虾青素的浓缩品，但其富集虾青素的过程中，对水源要求极高。其他几种常见水产品中总虾青素的含量如图2所示，数据显示，南极磷虾体内虾青素的含量最多，约为120 mg·kg-1，三文鱼在几种水产品中虾青素含量最少，约为15～20 mg·kg-1[16-17]（均以干重计）。

图2 水产品中虾青素的含量图

1.3 虾青素的形态

自然存在的虾青素主要有游离态和酯化态两种形态。大量的数据显示，在不同的物种中，虾青素的存在状态也有所不同。科学家研究表明，虾青素在鲑鱼及鳟鱼中的存在形式主要是游离态[18-19]，在虾和蟹中则是以酯化态存在[20-22]。游离态虾青素不稳定，易被氧化，因此游离态形式的虾青素很少在动植物体内出现。游离态和酯化态虾青素在几种常见水产资源中所占的百分含量如图3所示。

图3 虾青素及虾青素酯在不同水产品中的相对百分含量图

在图中我们可以看到，水产品的种类差异可以导致虾青素的存在形式有所不同，并且虾青素单酯、虾青素双酯、游离虾青素的含量以及百分比也不尽相同。三文鱼和红法夫酵母中均为游离的虾青素。

2 虾青素的生物学功能及其吸收代谢研究

2.1 虾青素的生物学功能

虾青素的特殊结构使其能够有效降解活性氧，且猝灭分子氧的能力强。相关报道显示，虾青素是强大的天然抗氧化剂，其作用机制主要是抵抗自由基并加速对自由基的清除作用[23]，经研究显示，虾青素能抵抗肿瘤[24]、炎症[25]，治疗糖尿病[26]，提高机体的免疫功能[27]，预防心脑血管疾病的发生[28]等功能。

2.2 虾青素的吸收代谢研究现状

虾青素被摄食后在体内能否被利用或储存，主要取决于其分子结构，以及膳食中的脂肪含量等。目前关于虾青素在体内吸收和代谢的研究较少，体内各种结构的虾青素吸收过程有待进一步的探究。根据已有的大量实验可知，在进食过程中，添加少量油脂可提高虾青素的生物利用度。此后ØSTERLIE和CORAL等人[29-30]研究发现，人们在口服虾青素后，游离的虾青素会在人体血清中与脂蛋白结合，被人体直接吸收并利用。后来，ØSTERLIE继续探究对比游离态虾青素与虾青素酯在人体内的吸收情况，大量的数据显示，游离态虾青素不稳定，酯化的虾青素具有更高的稳定性和脂溶性，这一结论为证明虾青素酯在体内具有与游离虾青素相同的生物效力奠定了基础。

3 结语

研究不同结构虾青素的作用机制，不仅对揭示虾青素的药效、生物利用度的影响因素等具有重要意义，而且对检验高强度和高生物利用度的虾青素存在形式具有指导作用。尽管天然虾青素生产的成本较高，近几年供不应求，导致合成虾青素占据大片市场，但随着市场对天然虾青素的需求逐渐加大，且其在保健食品、化妆用品、防晒用品及生物医药等行业都有着广阔的研发前景，相信天然虾青素资源定会实现高值化利用和规模化生产。