虾青素的提取与合成工艺及在水产养殖中的应用

陈 雯

（庐江县白湖镇农业技术推广服务站，安徽庐江 231500）

虾青素是类胡萝卜素的一种，对水产动物不仅具有较好的着色效果，且可以起到防止变色、变质等保鲜作用[1]。虾青素具有高效抗氧化、抗癌变、增强免疫、保护眼睛和中枢神经系统等功能，目前已广泛应用于医药、饲料、食品、化妆品等生产[2]。虾青素来源包括人工合成和天然提取，目前国内外常见的天然虾青素产品主要来源于水产品废弃物、微生物和转基因植物等。在水产养殖业中，虾青素主要作为新型高效的饲料添加剂被广泛应用。

1 虾青素简介

虾青素（Astaxanthin）分子式为C40H52O4。虾青素属于一种脂溶性及水溶性的色素。晶体状虾青素熔点224 ℃，是一种深紫褐色粉末，色泽为粉红色，不溶于水，易溶于丙酮、苯、氯仿等有机溶剂。虾青素广泛存在于生物体内，尤其是鱼、虾、蟹体内和鸟类的羽毛中，例如火烈鸟、朱鹭的羽毛、大麻哈鱼的肉、鲑鱼的肉、虾蟹的甲壳等。由于动物不能自行合成虾青素，虽然有些甲壳类动物可以将其他类胡萝卜素转化为虾青素，但无法达到体内需求量，所以需要从食物中摄取。海产鱼类和甲壳类动物大多数体内含有虾青素，这些虾青素一般是通过食物链从浮游植物和浮游动物中获得[3-4]。虾青素不仅能使水产动物具有良好的外观品质，它还是动物生长和发育所必需的营养物质。

虾青素分子两端末端环状结构上各有一个羟基（－OH），可与脂肪酸形成单酯、双酯结构。生物体内的酯化基团是虾青素与蛋白质结合的桥梁，游离或酯化状态影响虾青素在生物体内的稳定性、与蛋白结合的程度和代谢的速度等，并且游离虾青素很难与蛋白结合，且更加容易被代谢清除。例如，健康活虾蟹体表颜色为青色，煮熟为橙红色，就是酯化虾青素与蛋白质分离引起的。

2 虾青素的存在形式和获取途径

2.1 虾青素的存在形式

虾青素在不同动物、不同组织器官中分布不同，储存在生物体内更加稳定。未被氧化过的虾青素是酯化的虾青素，鱼的皮肤、鱼鳞、鱼子中主要分布酯化态虾青素，肌肉、血浆和内脏器官主要分布游离态的虾青素。蟹、虾等甲壳类动物酯化虾青素主要沉积在壳、性腺和肝胰腺上。

2.2 虾青素的获取途径

目前成熟的虾青素生产工艺包括生物提取法和化学合成法，常见天然虾青素主要来源于水产品废弃物、微生物和转基因植物。虾青素分子结构（图1）：以共轭不饱和双键形式联结4 个异戊二烯，长的共轭不饱和双键结构对光、热、酸、碱、氧化物及酶等非常敏感[5]。因此，如何优化提取工艺最大效率提取天然虾青素成为国际研究热点。

图1 虾青素分子结构

2.2.1 化学合成法 虾青素的合成方法有2 种：直接合成法和间接合成法。直接合成法常用合成类胡萝卜素单体直接合成，间接合成法则是由其他类胡萝卜素氧化得到虾青素。2种合成法合成流程均十分复杂，得到的虾青素状态为100%游离，且多为顺式结构（天然虾青素多为反式结构）。

2.2.2 水产加工废弃物中提取 2022 年我国水产品年产量已达6 869万t，水产品废弃物资源丰富，利用水产品废弃物提取虾青素可带来巨大经济效益，并促进我国水产养殖业的可持续发展。传统的虾青素提取方法包括碱提法、油溶法、索氏提取法、有机溶剂提取法等。近年来，酶提取法、负压空化法、高压均质法、离子液体、脉冲电场法、超临界流体萃取法等新方法可低耗、高效提取虾青素。祖元刚等[6]对负压空化法提取虾青素的各项工艺条件进行初步研究，得出最佳提取工艺参数：提取溶剂为质量分数80%的乙醇溶液，提取时间35 min，通气量0.2 m3/h。Martínez 等[7]比较了脉冲电场法处理、研磨、冻融、热处理、超声处理雨生红球藻等方式下虾青素的提取率，结果表明脉冲电场法处理后虾青素提取率为96%，其他提取方法最高提取率为80%。张晔等[8]研究纤维素酶、果胶酶以及复合酶对雨生红球藻破壁效果，并通过响应面优化酶解破壁辅助提取虾青素，发现当纤维素酶和果胶酶酶活力配比1∶1（U/U），加酶量7 000 U/mL，pH 4.9，温度49 ℃，时间6 h，虾青素提取率为71.08%，且复合酶法辅助提取方法简单、条件温和、绿色安全、效率高。此外，柱层析法、高效液相色谱法、重结晶法、高速逆流色谱法等纯化虾青素的方法也在不断发展中。水产品废弃物中虾青素含量相对较低，提取工艺复杂，费用较高。因此，经济高效提取虾青素已成为生产业亟待解决的难题。

2.2.3 微生物生产 多类自然界微生物（藻类、真菌、细菌等）能够合成天然虾青素，目前研究生产使用较多的是红发夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous）和雨生红球藻（Haematococcus Pluvialis）[9-10]。优良红发夫酵母菌株可积累占干重0.5%左右的虾青素，且发酵工艺成熟，能短时间内获得产物[11]，但受碳源、氮源、温度、pH、溶氧等发酵条件的影响较大，发酵成本高，产生的虾青素为抗氧化活性低的右旋异构体，因此红发夫酵母不能作为最好的天然虾青素生产工具。目前主要生产工具为雨生红球藻，其能积累占菌株干重4%～5%的虾青素，但雨生红球藻的生长条件极其苛刻，对水质、光照和培养环境的要求高，培养周期长，技术要求严格，且虾青素在其体内的积累发生在不适于其细胞生物量积累的胁迫环境下，因此大规模生产比较困难[12-13]。

2.2.4 转基因植物生产 高等植物中普遍存在虾青素合成所需前体β-胡萝卜素、β-胡萝卜素羟化酶，但不含β-胡萝卜素酮化酶，因此不能进行虾青素合成。目前研究通过向植物体内导入β-胡萝卜素酮化酶，已成功让烟草[14-15]、土豆[16]、拟南芥[17]、莲花[18]、玉米[19]等植物产生虾青素，但转基因植物中产生的虾青素含量不稳定、存在中间代谢产物积累等问题。因此，发掘和利用植物自身（如植物中夏侧金盏花花瓣中含有虾青素，含量为花瓣干重的1%左右[20]）的虾青素合成相关基因，将成为基因工程生产虾青素的重要研究方向。

3 虾青素在水产养殖中的应用

虾青素已被应用于食品、医药和饲料等行业，但目前主要是作为新型高效的饲料添加剂被应用于水产养殖业中。

3.1 着色作用

虾青素与不同种类的蛋白质相结合，可呈现出红、橙、黄、绿、蓝、紫等颜色。

3.1.1 促进养殖鱼类的着色 在饲料中添加虾青素可使鲑鱼和鲟鱼等养殖鱼类的皮肤、肌肉呈鲜红色，且肉味更为鲜美[21]。Nickell 等[22]通过投喂虹鳟不同脂肪水平的饲料发现，虾青素的着色程度和效率随饲料内脂类物质含量的升高而升高。张春燕等[23]研究发现饲料中添加1.0 g/kg 合成虾青素组和添加含0.1 g/kg虾青素的雨生红球藻提取物组，虹鳟（Oncorhynchus mykiss）肌肉红度值、黄度值均显著高于对照组。Nogueira 等[24]研究发现日粮中补充虾青素（50或80 mg/kg，持续6个月；或50 mg/kg，持续3个月，然后80 mg/kg，连续3个月）对红鲷（Red snapper）的胸鳍和尾部皮肤色调和色度产生积极影响，并使色调和色度值接近野生个体。李耀鹏等[25]选择17万余尾平均体重约1 kg的三倍体虹鳟（Oncorhynchus mykiss）进行饲料虾青素水平对三倍体虹鳟生长性能、出成率和肌肉着色影响的中试试验，发现添加40 mg/L 和30 mg/L 虾青素饲料分别在虹鳟上市前7个月和9个月进行投喂，肉色即可达标。王宏宇等[26]饲喂大泷六线鱼（Hexagrammos otakii）添加虾青素的饲料，60 d 后结果显示当添加剂量为0.10%～0.20%时鱼体背部的亮度、红度、黄度，腹部的红度、黄度及尾部的亮度、黄度均显著高于对照组，添加量为0.05%～0.20%时鱼体背部、腹部及尾部皮肤的虾青素沉积量均显著高于对照组。

3.1.2 促进观赏鱼的着色 观赏鱼体色是由叶红素和叶黄素在体内积累泛色而成，观赏鱼体内不能合成这2 种色素，必须从饲料中摄取。观赏鱼饲料必须同时满足观赏鱼生长和发育需要及保持观赏鱼鲜艳体色需要。虾青素作为目前最好的着色剂可使观赏鱼类保持鲜艳体色。陈晓明等[27]经过60 d的试验发现饲料中添加60 mg/kg 的虾青素可使金鱼的着色更自然鲜艳。王锐等[28]研究发现在饲料中添加30 mg/kg的虾青素，可显著改善丽鱼、红剑尾鱼和金鱼的鱼体色素沉积效果。孙学亮等[29]研究虾青素与不同载体（磷脂，维生素E）的组合方式，发现虾青素与维生素E、磷脂这2种载体的组合使鹦鹉鱼的体色显著变红。王军辉等[30]研究虾青素对锦鲤（Cyprinus carpioL.）体色的影响发现体色中红度值和黄度值在虾青素添加量为400 mg/kg时达到最大。

3.1.3 对虾蟹的着色效应 虾蟹体表颜色决定其市场价值。虾青素在虾蟹体内与甲壳蛋白结合呈现出青绿色，经过高温加热蛋白质与原虾青素分离，颜色变为橙红色。金征宇等[31]用60 mg/kg的虾青素饲料喂养罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii），35 d后试验结果显示虾体内总类胡萝卜素含量最高（119.38 g/kg），高于对照组40%。Chien 等[32]分别添加50、100 mg/kg 的虾青素于日本囊对虾的饲料中，63 d 后发现虾壳和肌肉中的虾青素沉积率显著提高。Long 等[33]在成年中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）饲料中添加富含天然虾青素的雨生红球藻粉，发现蟹卵巢和甲壳的红度随着雨生红球藻粉添加量的增加而显著增加。同时苏芳[34]的试验也证实了这点，其发现雨生红球藻饲料饲喂中华绒螯蟹可显著提高蟹产品色泽和质量，其中蟹卵巢、肝胰腺、背甲和表皮中的虾青素含量显著提高，且存在显著的剂量效应关系，雨生红球藻添加越高，体内虾青素积累量越高。麻楠等[35]提出育肥饲料中添加合成虾青素可显著提高中华绒螯蟹头胸甲、肝胰腺和卵巢中的类胡萝卜素总量、色泽和抗氧化能力，并建议雌蟹育肥饲料中添加合成虾青素含量90 mg/kg左右。

3.2 强抗氧化作用

Shimidzu 等[36]经过体外研究发现虾青素淬灭单线态氧、清除自由基的能力高于叶黄素和玉米黄，Lee 等[37]的研究也证实了这点。王吉桥等[38]在水温11.0～20.0 ℃、盐度35、pH 7.5 的实验室条件下，饲喂仿刺参（Apostichopus japonicus）幼参分别添加30、60、90 mg/kg β-胡萝卜素和虾青素的饲料，饲养80 d后测定发现添加虾青素的各组仿刺参体腔液的平均总抗氧化能力值（12.77 U/mL）比添加β-胡萝卜素的各组平均值（8.77 U/mL）高45.61%，表明虾青素的抗氧化能力高于β-胡萝卜素。冯铭镭等[39]在基础饲料中分别添加31.50 mg/kg 红发夫酵母虾青素（P-AST）和32.96 mg/kg 人工合成虾青素（S-AST），饲喂虹鳟112 d 后，发现S-AST 和P-AST 均能够调节虹鳟红肌抗氧化系统的功能及脂质代谢相关基因的表达。王照欣等[40]通过在等氮等脂饲料中添加加丽素粉红（含10%虾青素）设计出3种虾青素浓度梯度饲料饲养凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）亲虾，112 d后研究表明饲料中添加适量虾青素能够提高亲虾的抗氧化能力和机体免疫功能。在食物保鲜方面，韩青佑[41]研究发现虾青素不仅可用于水果和食品等保鲜领域，更可为延长水果的货架期提供科学理论依据。李念等[42]研究表明60和90 mg/L的虾青素-羧甲基壳聚糖复合涂膜保鲜罗氏沼虾是一种安全、有效、可行的方法，能够抑制罗氏沼虾在冷藏期间感官品质下降，延缓脂质氧化，延长罗氏沼虾货架期3～4 d。

3.3 抗应激作用

Jyonouchi 等[43]研究表明，虾青素能增强体液免疫反应中Th1（T辅助细胞1）和Th2（T辅助细胞2）的活性，还能增加免疫球蛋白IgA、IgM、IgG的生成量，使动物具有更高的免疫调节活性。Zhang 等[44]研究发现，凡纳滨对虾日粮中添加125～150 mg/kg 的虾青素，可提升对虾机体的抗氧化能力和对低氧胁迫的耐受性。Jiang 等[45]发现在中华绒螯蟹幼蟹日粮中添加雨生红球藻粉可降低氨胁迫时幼蟹死亡率。Xie等[46]在饲喂金鲳鱼（Trachinotus ovatus）80 d后进行急性缺氧应激试验（1.2 mg/L），发现添加雨生红球藻组金鲳鱼机体炎症反应减轻。Tizkar 等[47]研究表明日本沼虾（Macrobrachium nipponense）摄取虾青素（50～150 mg/kg）日粮70 d 后，可以耐受缺氧、氨胁迫、冷应激等各种物理和化学应激。

3.4 促进生长、繁殖和发育

在饲料中添加虾青素，可以显著提高虹鳟的生长和繁殖性能，可提高幼虾的存活率、鱼卵的浮力和存活率，可提高鲑鱼卵的受精率、存活率和生长率。金征宇等[31]研究显示虾青素可明显提高罗氏沼虾的增重率。李晨露[48]研究表明虾青素对微囊藻毒素造成的斑马鱼（Barchydanio rerio var）氧化应激反应和氧化损伤有显著缓解效应，且虾青素浓度越高，对机体氧化应激的改善效果越好。王照欣等[40]通过研究表明饲料中添加适量虾青素能够提高亲虾卵巢卵黄蛋白含量、受精卵孵化率、幼体变态率以及无节幼体和蚤状幼体数量，从而提高亲虾的繁殖性能。

4 虾青素的安全性和应用展望

日常食物中含有大量虾青素，虾、蟹类食物中含80～100 mg/kg 虾青素，野生红鲑鱼虾青素含量为30～58 mg/kg，鱼类平均虾青素浓度40 mg/kg 左右，贝类平均虾青素浓度10 mg/kg 左右。近年来，在动物和人体中的多项毒理学试验研究结果也表明虾青素是安全无毒的[49-50]。

虾青素因其重要的生理功能和经济价值，在水产养殖、食品添加剂、化妆品和医药制品等方面具有巨大的应用潜力，随着国内外各行业的发展，虾青素的需求量会不断增加。目前国际上虾青素的合成与提取普遍存在合成提取方式复杂、产量低、费用高等缺点，不能满足大规模商业化生产需要。利用现代生物技术开展高产虾青素菌株选育研究具有广阔的开发应用前景，需列入重点研究计划。