虾青素的生物学活性及其在水产饲料中的应用

解文丽，郭俊南，王 晖，何小刚

(1.黎明职业大学轻工学院，福建 泉州 362000；2.厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005；3.安佑生物科技集团股份有限公司，江苏 苏州 215400)

虾青素原先从龙虾中分离获得(Kuhn等，1938)，纯品为粉红色。虾青素分子结构主要由中央多聚烯链和两侧的芳香环两部分组成，芳香环上的羟基和酮基构成了α-羟基酮，这种结构决定了它具有强大的抗氧化能力(王鸣等，2006；Lin等，2016)。此外，虾青素还具有改善动物体色(王军辉等，2019；张春燕等，2021)、提高动物生长性能(Yuan等，2019；姚金明等，2019)、增强机体免疫力(Keng等，2019)等生理功能。

一、虾青素的结构

虾青素的化学式为C40H52O4，化学名称是3，3'-二羟基-4，4'-二酮基-β，β'-胡萝卜素。虾青素独特的结构使其具有多种同分异构体。一方面，虾青素分子结构有3种旋光异构体；另一方面，多烯链中的共轭双键使得虾青素存在几何异构体，包括反式异构体、9-顺式异构体、13-顺式异构体、15-顺式异构体(Henry等，2008)。在高温、光照、酸或者有机溶剂等条件下，虾青素的全-反式和顺式异构体可相互转化(Jian等，2001；Wen等，2020)。

虾青素分子中央是一条不饱和双键链，很容易被氧化物、热和光等破坏(何璞等，2012；Bustos G等，2013；Martinez D等，2017)。自然界中的虾青素存在游离态和酯化态两种形式，前者稳定性差，后者稳定性好，虾青素主要以酯化态或者与蛋白质结合形式存在(Turujman等，1997；Keng等，2018)。虾青素的酯化态是指虾青素分子与脂肪酸结合生成虾青素酯，单个羟基与脂肪酸结合称为单酯，两个羟基与脂肪酸结合称为双酯(Ambati等，2014)。

二、虾青素的来源与代谢

虾青素的来源主要有天然虾青素和化学合成虾青素。天然虾青素主要来源于藻类(如雨生红球藻、小球藻)、微生物(如红法夫酵母)、鲑鱼、虾蟹壳等。其中，动物体内的虾青素是通过食物链获得，自身无法合成(王鸣等，2006；Keng等，2018)。迄今为止，开发价值大的天然虾青素来源是雨生红球藻和红法夫酵母(Liu等，2008；陈丹等，2021)，其中雨生红球藻虾青素含量占其细胞干重的3%～5%(Keng等，2018)。野生红法夫酵母中虾青素含量占其细胞干重的0.2%～0.4%，基因突变菌株E5042虾青素含量占其细胞干重的2.512%(Liu等，2008)。化学合成虾青素的方法包括全合成法和半合成法。天然虾青素在吸收效果、着色能力、生产成本和安全性等方面明显优于化学合成虾青素。

虾青素属于疏水性叶黄素，它在肠道的水环境中溶解度很低，无法被肠道上皮细胞很好地吸收。研究表明，食物中添加胆固醇、脂肪酸、VE和脂肪等可以提高生物体对虾青素的吸收和代谢(Olsen等，2005；Peng等，2011；Keng等，2018)。具体原因为：食物中的脂类、胆盐、胆磷脂等可以很好地帮助虾青素等类胡萝卜素在胃肠道中分散，随后溶解在由磷脂、游离脂肪酸、胆盐、单酰基甘油组成的混合胶束中。之后类胡萝卜素通过自由扩散转移到肠道上皮细胞，然后经血液循环运送至肝脏。肝脏是虾青素主要的储存和代谢场所(吕宏伟等，2019)。在肝脏中，虾青素可以与多种脂蛋白结合，经由体循环运送到皮肤、肌肉和性腺等部位。

三、虾青素的生理功能和作用机理

1.抗氧化作用

过量的氧化因子可能引起生物体内蛋白质、脂质的氧化以及DNA的损伤，导致各种疾病(Ambati等，2014)。天然抗氧化剂有VE、VC、类胡萝卜素等，其中，类胡萝卜素中的虾青素表现最优，其抗氧化能力是VE的数百倍(马建，2011)。虾青素多烯链上有丰富的双键，每一个紫罗酮环上都有羰基和羟基官能团，这些结构能有效地猝灭单线态氧、清除自由基(Yoshimi等，2010；Dose等，2016)。此外，虾青素的疏水链和亲水端结构使其垂直于细胞膜方向横跨在磷脂双分子层上，这样的分布使得虾青素分子的两极能够充分暴露在细胞质和细胞膜外部的水环境中，从而有效地促进电子沿着虾青素分子主链的双键转移，清除细胞膜表面和内部的自由基(Fredric等，2008；Wen等，2020)。

2.着色作用

众所周知，颜色是评价水产品品质的重要因素之一。虾青素作为有效的着色剂可以提高水产动物皮肤或肌肉典型的粉红色(Keng等，2018)。类胡萝卜素合成的终点是虾青素，因此，虾青素可以不加修饰地沉积在组织中(金征宇等，1999)。虾青素主要通过两种方式发挥着色作用，第一种，当虾青素与蛋白质形成复合物时，其化学键的扭曲角度会发生明显的变化，表现出蓝灰色；第二种，虾青素与蛋白质结合形成烯醇化合物，该化合物两端的氢键遇到高温时会发生断裂，呈现出红色(吕宏伟等，2019)。

3.生长性能和存活率

在水产养殖业中，开发饲料的营养成分促进水产动物生长和存活以降低生产成本是十分必要的。虾青素在水产动物细胞内的中间代谢中发挥重要作用(Viswanath，2012)，它通过改善动物的生理功能，提高动物体对营养物质的利用率，最终提高动物的生长性能(Amar等，2001；Keng等，2019；刘明哲等，2021)。

此外，虾青素能够提高动物的存活率可能与它的抗氧化功能密切相关，它能够保证细胞在各种压力条件下保持正常的生理功能(Keng等，2019)。也有一些研究表明虾青素对动物体生长性能影响不显著(Fei等，2016；余小君等，2018)。一种解释是虾青素只有在氧化损伤、拥挤等应激条件下才会对动物的生长性能产生显著影响；另一种观点认为虾青素发挥促生长作用与动物种类、生长阶段和实验条件等因素有关(Minh等，2014)。

4.免疫力

集约化养殖下水产动物面临拥挤、动物粪便和残饵增加、化学消毒剂等各类环境因子的胁迫，不仅影响动物的生长发育，严重时还可能导致水产动物患病(沈振华，2017)。研究表明，适量虾青素能够显著增强水产动物免疫力，减少患病概率(Yuanxia等，2019；Li等，2020)。免疫系统的细胞容易受到自由基的氧化伤害，虾青素的抗氧化功能则可以清除自由基、保护免疫系统(Ambati等，2014)。然而，也有研究人员指出过量的虾青素可能会造成体内VA的合成过多，导致机体中毒(王军辉等，2019)。

四、虾青素在水产养殖中的应用

虾青素主要在水产养殖中被用作着色剂(Pashkow等，2008)，在食品产业被用作膳食补充剂，并且还被应用在保健品和药品中。目前，围绕虾青素的主要功能已有较多的应用研究在水产动物中开展，详见表1。

表1 虾青素在水产动物中的应用

虾青素能显著提高水产动物的抗氧化能力，其适宜添加量与水产动物的品种、生长阶段、饲料配方等因素密切相关(崔惟东等，2009；张立颖等，2021)。关于虾青素对水产动物着色作用的研究主要集中在两个方面，分别是食用水产动物和观赏水产动物。研究表明，二者均能够有效地利用虾青素着色(Nicholas等，2017；Tao等，2018；Wei等，2018)。此外，观赏鱼体内的虾青素在鱼皮中的沉积通常是最多的，不同种类鱼体内的虾青素沉积情况不同(李小慧等，2008；李小兵等，2013)。研究发现，虾青素对水产动物生长性能的影响存在显著和不显著两种情况，推测虾青素促生长作用可能与动物种类、生长阶段和实验条件等因素有关。研究表明，虾青素提高水产动物免疫力具有剂量依赖性，适量的虾青素能够显著提高水产动物的免疫力(温为庚等，2011；Xiao等，2020；Li等，2020)。

五、小结

虾青素作为水产饲料添加剂安全且高效(Roche，1987；Ambati等，2014)，它能够显著提高水产动物的免疫力和产品品质(刘建国，2020)。为推进虾青素在水产饲料中的进一步应用，今后应继续开展以下研究：第一，高稳定性、高生物利用率以及低成本的虾青素有待进一步开发；第二，安全、高效、绿色、低成本的天然虾青素提取技术有待进一步发展；第三，虾青素作为水产饲料添加剂的适宜添加量和作用机制等方面需要更系统、更深入地研究。随着相关研究的不断深入，相信虾青素一定会在促进水产养殖业健康、可持续发展中发挥更大作用。