蝦青素的提取與合成工藝及在水產養殖中的應用

陳 雯

（廬江縣白湖鎮農業技術推廣服務站，安徽廬江 231500）

蝦青素是類胡蘿卜素的一種，對水產動物不僅具有較好的著色效果，且可以起到防止變色、變質等保鮮作用[1]。蝦青素具有高效抗氧化、抗癌變、增強免疫、保護眼睛和中樞神經系統等功能，目前已廣泛應用于醫藥、飼料、食品、化妝品等生產[2]。蝦青素來源包括人工合成和天然提取，目前國內外常見的天然蝦青素產品主要來源于水產品廢棄物、微生物和轉基因植物等。在水產養殖業中，蝦青素主要作為新型高效的飼料添加劑被廣泛應用。

1 蝦青素簡介

蝦青素（Astaxanthin）分子式為C40H52O4。蝦青素屬于一種脂溶性及水溶性的色素。晶體狀蝦青素熔點224 ℃，是一種深紫褐色粉末，色澤為粉紅色，不溶于水，易溶于丙酮、苯、氯仿等有機溶劑。蝦青素廣泛存在于生物體內，尤其是魚、蝦、蟹體內和鳥類的羽毛中，例如火烈鳥、朱鷺的羽毛、大麻哈魚的肉、鮭魚的肉、蝦蟹的甲殼等。由于動物不能自行合成蝦青素，雖然有些甲殼類動物可以將其他類胡蘿卜素轉化為蝦青素，但無法達到體內需求量，所以需要從食物中攝取。海產魚類和甲殼類動物大多數體內含有蝦青素，這些蝦青素一般是通過食物鏈從浮游植物和浮游動物中獲得[3-4]。蝦青素不僅能使水產動物具有良好的外觀品質，它還是動物生長和發育所必需的營養物質。

蝦青素分子兩端末端環狀結構上各有一個羥基（－OH），可與脂肪酸形成單酯、雙酯結構。生物體內的酯化基團是蝦青素與蛋白質結合的橋梁，游離或酯化狀態影響蝦青素在生物體內的穩定性、與蛋白結合的程度和代謝的速度等，并且游離蝦青素很難與蛋白結合，且更加容易被代謝清除。例如，健康活蝦蟹體表顏色為青色，煮熟為橙紅色，就是酯化蝦青素與蛋白質分離引起的。

2 蝦青素的存在形式和獲取途徑

2.1 蝦青素的存在形式

蝦青素在不同動物、不同組織器官中分布不同，儲存在生物體內更加穩定。未被氧化過的蝦青素是酯化的蝦青素，魚的皮膚、魚鱗、魚子中主要分布酯化態蝦青素，肌肉、血漿和內臟器官主要分布游離態的蝦青素。蟹、蝦等甲殼類動物酯化蝦青素主要沉積在殼、性腺和肝胰腺上。

2.2 蝦青素的獲取途徑

目前成熟的蝦青素生產工藝包括生物提取法和化學合成法，常見天然蝦青素主要來源于水產品廢棄物、微生物和轉基因植物。蝦青素分子結構（圖1）：以共軛不飽和雙鍵形式聯結4 個異戊二烯，長的共軛不飽和雙鍵結構對光、熱、酸、堿、氧化物及酶等非常敏感[5]。因此，如何優化提取工藝最大效率提取天然蝦青素成為國際研究熱點。

圖1 蝦青素分子結構

2.2.1 化學合成法 蝦青素的合成方法有2 種：直接合成法和間接合成法。直接合成法常用合成類胡蘿卜素單體直接合成，間接合成法則是由其他類胡蘿卜素氧化得到蝦青素。2種合成法合成流程均十分復雜，得到的蝦青素狀態為100%游離，且多為順式結構（天然蝦青素多為反式結構）。

2.2.2 水產加工廢棄物中提取 2022 年我國水產品年產量已達6 869萬t，水產品廢棄物資源豐富，利用水產品廢棄物提取蝦青素可帶來巨大經濟效益，并促進我國水產養殖業的可持續發展。傳統的蝦青素提取方法包括堿提法、油溶法、索氏提取法、有機溶劑提取法等。近年來，酶提取法、負壓空化法、高壓均質法、離子液體、脈沖電場法、超臨界流體萃取法等新方法可低耗、高效提取蝦青素。祖元剛等[6]對負壓空化法提取蝦青素的各項工藝條件進行初步研究，得出最佳提取工藝參數：提取溶劑為質量分數80%的乙醇溶液，提取時間35 min，通氣量0.2 m3/h。Martínez 等[7]比較了脈沖電場法處理、研磨、凍融、熱處理、超聲處理雨生紅球藻等方式下蝦青素的提取率，結果表明脈沖電場法處理后蝦青素提取率為96%，其他提取方法最高提取率為80%。張曄等[8]研究纖維素酶、果膠酶以及復合酶對雨生紅球藻破壁效果，并通過響應面優化酶解破壁輔助提取蝦青素，發現當纖維素酶和果膠酶酶活力配比1∶1（U/U），加酶量7 000 U/mL，pH 4.9，溫度49 ℃，時間6 h，蝦青素提取率為71.08%，且復合酶法輔助提取方法簡單、條件溫和、綠色安全、效率高。此外，柱層析法、高效液相色譜法、重結晶法、高速逆流色譜法等純化蝦青素的方法也在不斷發展中。水產品廢棄物中蝦青素含量相對較低，提取工藝復雜，費用較高。因此，經濟高效提取蝦青素已成為生產業亟待解決的難題。

2.2.3 微生物生產 多類自然界微生物（藻類、真菌、細菌等）能夠合成天然蝦青素，目前研究生產使用較多的是紅發夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous）和雨生紅球藻（Haematococcus Pluvialis）[9-10]。優良紅發夫酵母菌株可積累占干重0.5%左右的蝦青素，且發酵工藝成熟，能短時間內獲得產物[11]，但受碳源、氮源、溫度、pH、溶氧等發酵條件的影響較大，發酵成本高，產生的蝦青素為抗氧化活性低的右旋異構體，因此紅發夫酵母不能作為最好的天然蝦青素生產工具。目前主要生產工具為雨生紅球藻，其能積累占菌株干重4%～5%的蝦青素，但雨生紅球藻的生長條件極其苛刻，對水質、光照和培養環境的要求高，培養周期長，技術要求嚴格，且蝦青素在其體內的積累發生在不適于其細胞生物量積累的脅迫環境下，因此大規模生產比較困難[12-13]。

2.2.4 轉基因植物生產 高等植物中普遍存在蝦青素合成所需前體β-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素羥化酶，但不含β-胡蘿卜素酮化酶，因此不能進行蝦青素合成。目前研究通過向植物體內導入β-胡蘿卜素酮化酶，已成功讓煙草[14-15]、土豆[16]、擬南芥[17]、蓮花[18]、玉米[19]等植物產生蝦青素，但轉基因植物中產生的蝦青素含量不穩定、存在中間代謝產物積累等問題。因此，發掘和利用植物自身（如植物中夏側金盞花花瓣中含有蝦青素，含量為花瓣干重的1%左右[20]）的蝦青素合成相關基因，將成為基因工程生產蝦青素的重要研究方向。

3 蝦青素在水產養殖中的應用

蝦青素已被應用于食品、醫藥和飼料等行業，但目前主要是作為新型高效的飼料添加劑被應用于水產養殖業中。

3.1 著色作用

蝦青素與不同種類的蛋白質相結合，可呈現出紅、橙、黃、綠、藍、紫等顏色。

3.1.1 促進養殖魚類的著色 在飼料中添加蝦青素可使鮭魚和鱘魚等養殖魚類的皮膚、肌肉呈鮮紅色，且肉味更為鮮美[21]。Nickell 等[22]通過投喂虹鱒不同脂肪水平的飼料發現，蝦青素的著色程度和效率隨飼料內脂類物質含量的升高而升高。張春燕等[23]研究發現飼料中添加1.0 g/kg 合成蝦青素組和添加含0.1 g/kg蝦青素的雨生紅球藻提取物組，虹鱒（Oncorhynchus mykiss）肌肉紅度值、黃度值均顯著高于對照組。Nogueira 等[24]研究發現日糧中補充蝦青素（50或80 mg/kg，持續6個月；或50 mg/kg，持續3個月，然后80 mg/kg，連續3個月）對紅鯛（Red snapper）的胸鰭和尾部皮膚色調和色度產生積極影響，并使色調和色度值接近野生個體。李耀鵬等[25]選擇17萬余尾平均體重約1 kg的三倍體虹鱒（Oncorhynchus mykiss）進行飼料蝦青素水平對三倍體虹鱒生長性能、出成率和肌肉著色影響的中試試驗，發現添加40 mg/L 和30 mg/L 蝦青素飼料分別在虹鱒上市前7個月和9個月進行投喂，肉色即可達標。王宏宇等[26]飼喂大瀧六線魚（Hexagrammos otakii）添加蝦青素的飼料，60 d 后結果顯示當添加劑量為0.10%～0.20%時魚體背部的亮度、紅度、黃度，腹部的紅度、黃度及尾部的亮度、黃度均顯著高于對照組，添加量為0.05%～0.20%時魚體背部、腹部及尾部皮膚的蝦青素沉積量均顯著高于對照組。

3.1.2 促進觀賞魚的著色 觀賞魚體色是由葉紅素和葉黃素在體內積累泛色而成，觀賞魚體內不能合成這2 種色素，必須從飼料中攝取。觀賞魚飼料必須同時滿足觀賞魚生長和發育需要及保持觀賞魚鮮艷體色需要。蝦青素作為目前最好的著色劑可使觀賞魚類保持鮮艷體色。陳曉明等[27]經過60 d的試驗發現飼料中添加60 mg/kg 的蝦青素可使金魚的著色更自然鮮艷。王銳等[28]研究發現在飼料中添加30 mg/kg的蝦青素，可顯著改善麗魚、紅劍尾魚和金魚的魚體色素沉積效果。孫學亮等[29]研究蝦青素與不同載體（磷脂，維生素E）的組合方式，發現蝦青素與維生素E、磷脂這2種載體的組合使鸚鵡魚的體色顯著變紅。王軍輝等[30]研究蝦青素對錦鯉（Cyprinus carpioL.）體色的影響發現體色中紅度值和黃度值在蝦青素添加量為400 mg/kg時達到最大。

3.1.3 對蝦蟹的著色效應 蝦蟹體表顏色決定其市場價值。蝦青素在蝦蟹體內與甲殼蛋白結合呈現出青綠色，經過高溫加熱蛋白質與原蝦青素分離，顏色變為橙紅色。金征宇等[31]用60 mg/kg的蝦青素飼料喂養羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii），35 d后試驗結果顯示蝦體內總類胡蘿卜素含量最高（119.38 g/kg），高于對照組40%。Chien 等[32]分別添加50、100 mg/kg 的蝦青素于日本囊對蝦的飼料中，63 d 后發現蝦殼和肌肉中的蝦青素沉積率顯著提高。Long 等[33]在成年中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）飼料中添加富含天然蝦青素的雨生紅球藻粉，發現蟹卵巢和甲殼的紅度隨著雨生紅球藻粉添加量的增加而顯著增加。同時蘇芳[34]的試驗也證實了這點，其發現雨生紅球藻飼料飼喂中華絨螯蟹可顯著提高蟹產品色澤和質量，其中蟹卵巢、肝胰腺、背甲和表皮中的蝦青素含量顯著提高，且存在顯著的劑量效應關系，雨生紅球藻添加越高，體內蝦青素積累量越高。麻楠等[35]提出育肥飼料中添加合成蝦青素可顯著提高中華絨螯蟹頭胸甲、肝胰腺和卵巢中的類胡蘿卜素總量、色澤和抗氧化能力，并建議雌蟹育肥飼料中添加合成蝦青素含量90 mg/kg左右。

3.2 強抗氧化作用

Shimidzu 等[36]經過體外研究發現蝦青素淬滅單線態氧、清除自由基的能力高于葉黃素和玉米黃，Lee 等[37]的研究也證實了這點。王吉橋等[38]在水溫11.0～20.0 ℃、鹽度35、pH 7.5 的實驗室條件下，飼喂仿刺參（Apostichopus japonicus）幼參分別添加30、60、90 mg/kg β-胡蘿卜素和蝦青素的飼料，飼養80 d后測定發現添加蝦青素的各組仿刺參體腔液的平均總抗氧化能力值（12.77 U/mL）比添加β-胡蘿卜素的各組平均值（8.77 U/mL）高45.61%，表明蝦青素的抗氧化能力高于β-胡蘿卜素。馮銘鐳等[39]在基礎飼料中分別添加31.50 mg/kg 紅發夫酵母蝦青素（P-AST）和32.96 mg/kg 人工合成蝦青素（S-AST），飼喂虹鱒112 d 后，發現S-AST 和P-AST 均能夠調節虹鱒紅肌抗氧化系統的功能及脂質代謝相關基因的表達。王照欣等[40]通過在等氮等脂飼料中添加加麗素粉紅（含10%蝦青素）設計出3種蝦青素濃度梯度飼料飼養凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei）親蝦，112 d后研究表明飼料中添加適量蝦青素能夠提高親蝦的抗氧化能力和機體免疫功能。在食物保鮮方面，韓青佑[41]研究發現蝦青素不僅可用于水果和食品等保鮮領域，更可為延長水果的貨架期提供科學理論依據。李念等[42]研究表明60和90 mg/L的蝦青素-羧甲基殼聚糖復合涂膜保鮮羅氏沼蝦是一種安全、有效、可行的方法，能夠抑制羅氏沼蝦在冷藏期間感官品質下降，延緩脂質氧化，延長羅氏沼蝦貨架期3～4 d。

3.3 抗應激作用

Jyonouchi 等[43]研究表明，蝦青素能增強體液免疫反應中Th1（T輔助細胞1）和Th2（T輔助細胞2）的活性，還能增加免疫球蛋白IgA、IgM、IgG的生成量，使動物具有更高的免疫調節活性。Zhang 等[44]研究發現，凡納濱對蝦日糧中添加125～150 mg/kg 的蝦青素，可提升對蝦機體的抗氧化能力和對低氧脅迫的耐受性。Jiang 等[45]發現在中華絨螯蟹幼蟹日糧中添加雨生紅球藻粉可降低氨脅迫時幼蟹死亡率。Xie等[46]在飼喂金鯧魚（Trachinotus ovatus）80 d后進行急性缺氧應激試驗（1.2 mg/L），發現添加雨生紅球藻組金鯧魚機體炎癥反應減輕。Tizkar 等[47]研究表明日本沼蝦（Macrobrachium nipponense）攝取蝦青素（50～150 mg/kg）日糧70 d 后，可以耐受缺氧、氨脅迫、冷應激等各種物理和化學應激。

3.4 促進生長、繁殖和發育

在飼料中添加蝦青素，可以顯著提高虹鱒的生長和繁殖性能，可提高幼蝦的存活率、魚卵的浮力和存活率，可提高鮭魚卵的受精率、存活率和生長率。金征宇等[31]研究顯示蝦青素可明顯提高羅氏沼蝦的增重率。李晨露[48]研究表明蝦青素對微囊藻毒素造成的斑馬魚（Barchydanio rerio var）氧化應激反應和氧化損傷有顯著緩解效應，且蝦青素濃度越高，對機體氧化應激的改善效果越好。王照欣等[40]通過研究表明飼料中添加適量蝦青素能夠提高親蝦卵巢卵黃蛋白含量、受精卵孵化率、幼體變態率以及無節幼體和蚤狀幼體數量，從而提高親蝦的繁殖性能。

4 蝦青素的安全性和應用展望

日常食物中含有大量蝦青素，蝦、蟹類食物中含80～100 mg/kg 蝦青素，野生紅鮭魚蝦青素含量為30～58 mg/kg，魚類平均蝦青素濃度40 mg/kg 左右，貝類平均蝦青素濃度10 mg/kg 左右。近年來，在動物和人體中的多項毒理學試驗研究結果也表明蝦青素是安全無毒的[49-50]。

蝦青素因其重要的生理功能和經濟價值，在水產養殖、食品添加劑、化妝品和醫藥制品等方面具有巨大的應用潛力，隨著國內外各行業的發展，蝦青素的需求量會不斷增加。目前國際上蝦青素的合成與提取普遍存在合成提取方式復雜、產量低、費用高等缺點，不能滿足大規模商業化生產需要。利用現代生物技術開展高產蝦青素菌株選育研究具有廣闊的開發應用前景，需列入重點研究計劃。