虾青素的提取
虾青素的提取、制备及应用综述
040012008161 08海洋生物张语嫣
关键词虾青素天然提取人工制备功能应用毒理性分析安全
摘要
虾青素的化学名称为3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，色素Aj067-69 CAS No: 472-61-7，分子式C40H52O4，[分子量] 596.86。虾青素（astaxanthin又名虾黄素、龙虾壳色素）是一种红色素，可以赋予观赏鱼、三文鱼、虾和火烈鸟粉红的颜色。其化学结构类似于β - 胡萝卜素。虾青素是类胡萝卜组的一种，也是类胡萝素合成的最高级别产物。本文主要介绍工业上天然虾青素的提取、人工化学方法的制备，以及虾青素的主要功能。
正文
一虾青素的天然提取
天然的虾青素常存在于某些动物、藻类及微生物体内，其生产可分为从动物及其副产品中提取，从藻类中提取和采用微生物发酵。
1 从动物及其副产品中提取
从甲壳类加工下脚料中提取回收虾青素是虾青素生产的主要途径之一，关于这方面国内外均有较长的研究历史，目前用于虾青素提取的主要有4 种方法：碱提法、油溶法、有机溶剂法以及超临界CO2流体萃取法。
1.1 碱提法
碱提法主要是应用了碱液脱蛋白的原理，甲壳加工下脚料中的虾青素大多与蛋白质结合，以色素结合蛋白的形式存在，当用热碱液煮下脚料时，其中的蛋白质溶出，而与蛋白质结合的虾青素也随之溶出，从而达到提取虾青素的目的。Mikalsen的专利中最早报道了这种方法：将虾壳等置于沸碱液中使虾青素溶出，然后加酸沉淀或冷却将虾青素分离出来。丁纯梅等也作了类似的报道，他们先将龙虾壳用1mol/LHCl 浸泡24h，然后用2mol/L NaOH 回流10h，过滤后滤液用酸调pH 至2，析出沉淀，然后再过滤，沉淀物即为富含虾青素的提取物。
由于碱提法加工过程需消耗大量酸碱，同时加工废水的污染也是很难解决的问题，因此近几年来对碱提法的研究报道较少。
1.2 油溶法
虾青素具有良好的脂溶性，油溶法正是利用这一特性进行的。该方法所用的油脂主要为可食用油脂类，最常见的是大豆油，也有用鱼油如步鱼油、鲱鱼油、鳕鱼肝油等。油用量直接影响虾青素的提取效率。Chen 和Meyers 等从克氏原螯虾中提取虾青素时，认为油用量与
原料比在1∶10~1∶1 之间时提取效率差别不大，但是增至1∶1 后则开始下降。而Spinell和Mahnlm 用豆油处理红蟹壳时，得出结论认为油料比1∶9 为最佳比例，并且若采用三阶段逆流提取法则更为有效。
不同类型油的提取效果不同。Omara 等研究发现，相同工艺下大豆油的提取效果明显高于步鱼油和鲱鱼油。Shahidi 等则对鳕鱼肝油作为提取剂进行了研究，发现以油料比2∶1(V/W) 于60℃提取0.5h，虾青素回收率可达74%。油提取温度一般均较高，常见的在60~90℃。提取时温度较高会影响虾青素的稳定性，另外提取后含色素的油不易浓缩，产品浓度不高，使应用范围受到限制。若想纯化，需采用层析方法。
1.3 有机溶剂法
有机溶剂是一种提取虾青素的有效试剂，通常提取后可将溶剂蒸发，从而将虾青素浓缩，得到浓度较大的虾青素油，同时溶剂也可回收循环利用。常见的溶剂有丙酮、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、正己烷等，不同的溶剂提取效果不同。在研究中发现，丙酮的提取效果最好，而乙醇最差，并且从提取液的吸收波谱看，不同提取剂提取的色素中其具体成分也有所差异。有机溶剂法提取可采用浸提和回流提取的方法，但资料报道较多的主要是浸提法。Alvarez 等研究了用丙酮从冷冻干燥的虾壳废料中提取虾青素，产率可达到129.5mg/g 壳；Miki等描述了用己烷从鳞虾粉中提取虾青素的工艺；而Meyers 等人则研究认为以石油醚∶丙酮∶水比例为15∶75∶10 的混合溶剂提取
的效果更好。但是像丙酮等这类有机溶剂，沸点低，易挥发，且有一定的毒性，加工过程中存在安全与健康问题，在实际应用中受到一定的限制。目前一致认为乙醇是一种安全的提取剂。丁纯梅等报道了用乙醇提取虾青素的流程：先将虾壳用盐酸泡24h 经过滤后，滤渣用95%乙醇浸泡，提取液蒸馏即得浓缩的粗制虾青素提取物。另外熊汉国等也以乙醇为溶剂，通过正交试验，得出最佳提取条件为乙醇浓度95%、温度70℃、0.5h，此时粗提取物虾青素含量可达4.92%。Celia 等专利报道了使用碳酸酯类化合物提取虾青素。该类化合物具有R1CO2R2 的结构，其中R1为H 或烷基，R2 为烷基，R1、R2 可以相同。并用乙酸乙酯从2.13kg对虾壳中提取得到了392mg虾青素。
1.4 超临界CO2 萃取法
超临界流体萃取(SCFE)技术是近年来发展起来的高新技术，由于其提取的产品具有纯度高、溶剂残留少、无毒副作用等优点，越来越受到人们的重视。Tsunco 等的专利中报道，应用超临界CO2 从6kg 南极鳞虾壳中得到了13.4g 提取物(虾青素浓度8.331%)；而Koichi 等也有类似的报道，并用超临界逆流回流的方法得到了高浓度的色素。Felix 等研究发现，CO2 超临界萃取时以乙醇作萃取剂效果良好，并通过响应面分析的方法得出最佳操作条件为压力≥34MPa、温度45℃。而Charest 研究发现在乙醇为共溶剂的情况下，当压力31.8MPa、温度60℃时，龙虾壳中虾青素提取率可达207.6mg/kg。超临界萃取技术可以得到高品质的产品，但由于设备前期投资大、生产技术要求高，目前用于大规模工业生产尚存在一定困难。
2 从藻类中提取
许多在氮缺乏环境下的藻类，如雨生红球藻（Haenaococus pluvialis）是重要的虾青素产生菌，被认为是一种很有商业化生产前景的藻类。该藻类在培养过程中，若氮源缺乏，则能在藻体内积累虾青素，含量可达0.5%～2.0%，约占类胡萝卜素总量的90%以上。但总体来看，藻类的自养周期长，对水质、环境及光的要求很高，大规模生产受到限制。另外，雨生红球藻中87%的虾育素以酯化状态存在，在某些动物体内的吸收和沉积较差这些都影响了用藻类来迸行虾青素的规模化生产。
3微生物发酵法生产虾青素
已知能产虾育素的微生物有乳酸分支杆菌（Myobacterium lerticola）、短杆菌103（Brmibacterium）以及真菌担子菌纲的发夫酵母属（Phaffia rhozyma）。其中乳酸分支杆菌只能在烃类培养基上而不能在营养琼脂上产生虾育素，而短杆菌103要在石油上生长，发酵结束时虾育素产量不足0.03mg/g，两者实际应用的意义均不大。发夫酵母被认为是工业化生产虾育素最有应用价值的微生物，它最初于1970年从美国的阿拉斯加和日本的北海道一带山区的落叶树渗出物中分离得到，后经鉴定为真菌担子菌纲的一个属。发夫酵母具有不同于其他同属酵母的好氧性，且能够发酵糖类，它所产生的10多种类胡萝卜素中，主要有虾育素、β一胡萝卜素、γ一胡萝卜素等，野生菌中虾育素的含量占40%～95%。但野生发夫酵母中类胡萝卜素的总量一般不超过500mg/kg干酵母，且酵母细胞壁很厚，不破壁很难
被动物消化吸收。为了解决这些难题，近年来国内外学者在高产虾育素菌株的选育、酵母细胞破壁方面进行了深入的研究，并取得了可喜的成绩。张先华等人用南极红酵母（Rhodotorula sp）NJ-0211发酵生产虾青素。考察了摇床的转速、培养时间和培养温度对南极红酵母培养的影响，确定了NJ-0211的最佳培养条件为转速100r／min，时间10d，温度4℃。在此培养条件下，虾青素的含量为873．75μg／g干菌体，比文献报道的高2．5倍。
二虾青素的人工制备
人工合成虾青素不仅价格昂贵，而且同天然虾青素在结构、功能、应用及安全性等方面差别显著．
在结构方面，由于两端的羟基（-OH)旋光性原因，虾青素具有3S-3 ‘S、3R-3’ S、3R-3‘R（也称为左旋、消旋、右旋）这3种虾青素的3中结构状态异构型态，其中人工合成虾青素为3种结构虾青素的混合物（左旋占25%、右旋占25%，消旋50%左右），极少抗氧化活性，与鲑鱼等养殖生物体内的虾青素(以反式结构——3S-3 S型为主)截然不同．酵母菌源的虾青素是100%右旋（3R-3‘R），有部分抗氧化活性；上述两种来源虾青素主要用在非食用动物和物资的着色上。只有藻源的虾青素是100%左旋（3S-3 ‘S）结构，具有最强的生物学活性，FUJI、YAMAHA这样的大企业经过了多年的研究，用来作为人类的保健食品、高档化妆品、药品。
在生理功能方面，人工合成虾青素的稳定性和氧化活性亦比天然
虾青素低．由于虾青素分子两端的羟基（-OH)可以被酯化倒致其稳定性不一样，天然虾青素90%以上酯化形式存在，因此较稳定，合成虾青素以游离态存在，因此稳定性不一样，合成虾青素必须要进行包埋才能稳定。合成虾青素由于只有1/4左右的左旋结构，因此其抗氧化性也只有天然的1/4左右。
在应用效果上，人工虾青素的生物吸收效果也较天然虾青素差，喂食浓度较低时，人工虾青素在虹鳟鱼血液中浓度明显低于天然虾青素引，且在体内无法转化为天然构型，其着色能力和生物效价更比同浓度的天然虾青素低的多．
在生物安全方面，利用化学手段合成虾青素时将不可避免的引入杂质化学物质，如合成过程中产生的非天然副产物等，将降低其生物利用安全性．因此，不能用在人类市场。美国FDA 仅批准反式结构虾青素用于工业生产。目前为止，用化学合成法来合成虾青素的公司仅瑞士的罗氏公司，其商品名为加丽素粉红（Carophyllpink），虾青素含量为5%～10%。因用发酵法生产的虾育素含量较低，化学合成的虾青素具有一定的竞争优势。
三虾青素的功能与应用
1 虾青素的着色作用
虾青素是类胡萝卜素合成的终点，它进入动物体后可以不经修饰或生化转化而直接贮存在组织中，使一些水生动物的皮肤和肌肉出现健康而鲜艳的颜色，使禽蛋及禽的羽毛、皮肤、脚呈现健康的金黄色