维普资讯 http://www.cqvip.com ｏ 期 ９月出版 金龙飞：天然虾青素的应用和制备 ９ 天然虾青素的应用和制备 金龙飞 （华中师范大学化学系，武汉４３００７９） 摘要天然虾青素具有很强的抗氧化功能，在三文鱼的养殖过程中起着重要的作用，因此存在有很大的 商业和经济价值。作者综述了虾青素的应用、天然来源、生物合成机理和提取制备。 关键词 虾青素应用 生物合成提取 虾青素属于类胡萝卜素，是甲壳类动物，如虾、蟹 和三文鱼的主要色素，分子式为Ｃ ｏＨ ：Ｏ ，为褐红棕 ０ 色粉末，熔点２２４ ｏＣ，不溶于水，溶于大多数有机溶 剂。虾青素的化学全称为３，３ｊ一二羟基一ｐ，ｐ 一胡萝 ０Ｈ 卜素一４，４’一二酮，其化学结构由四个异戊二烯单位 以共轭双键形式连接，在其两端有二个异戊二烯单位 组成的六元环结构。虾青素具有三种不同的旋光异构 体，如图１所示。现在已知微藻红球藻合成的虾青素 为３Ｓ，３ｉＳ异构体，酵母菌合成的虾青素为３Ｒ，３１Ｒ异 构体，人工合成的虾青素则三种异构体都存在。由于 结构中含有长共轭不饱和双键链，因此虾青素很容易 被酶、光、热和氧化物破坏。但是，虾青素与脂肪酸形 Ｈ０ ０ 虾青紊３ｓ。３ｊＳ异构体 ０ ０Ｈ 成的酯却比其他类胡萝卜素与脂肪酸形成的酯稳定， 不容易被氧化。 Ｈ０ ０ 虾青素３Ｒ。３１Ｒ异构体 １ 虾青素的应用 ０Ｈ 与化学结构相对应，虾青素具有很强的抗氧化功 能，能清除人体内由紫外线照射而产生的自由基，是 一Ｈ０ ０ 种很好的自由基清除剂，对由紫外线造成的皮肤癌 具有很好的治疗效果。虾青素对人体内淋巴结抗体的 产生也具有明显的促进作用，特别是与人体内Ｔ细胞 虾青素３Ｓ，３－Ｒ异构体 图１ 虾青紊的三种旋光异构体 相关抗原抗体的产生。目前美国食品和药品管理局已 经将人工合成虾青素批准为食品添加剂。 但是与在医药和食品领域中的研究和应用相比， 目前虾青素的主要使用开发还是在三文鱼饲料添加 －剂方面。三文鱼是一种重要的水产养殖品种，其由虾 青素控制的鱼肉鲜红色则是产品的一个非常重要的 质量指标。但是三文鱼自身却不能合成虾青素，必须 ／￣金龙飞，男，１９６２年ｌＯ月出生．１９８３年毕业于华中师范大学，化学专业，副教授。 收稿日期：２００２—０６—１５ 维普资讯 http://www.cqvip.com １０ 山西食品工业 ２００２年第３期 从饲料或食物链中获取。人工养殖的三文鱼如果饲料 中不添加虾青素，则肉呈白色，就会直接影响销售和 价格。现在消费者对三文鱼肉中虾青素的含量要求越 来越高，已由２０世纪７０年代的２ ｍｇ／ｋｇ一３ ｍｇ／ｋｇ 增加到现在的６ ｍｇ／ｋｇ以上。 科学研究表明，用三文鱼自然色素虾青素作为着 色剂明显优于其它色素，能够有效地被三文鱼积累。 此外，虾青素除了影响三文鱼的肉色外，还能改善三 文鱼的生理功能，对三文鱼的生长具有明显的促进作 用。对照实验发现，如果在每千克三文鱼饲料中添加 ６０ ｍｇ虾青素，１０个月后，三文鱼的平均体重比没有 添加虾青素的高１倍，虾青素的含量高１０倍以上；添 加虾青素的饲料喂养三文鱼，其体内维生素Ａ的含量 比没有添加虾青素的高２０倍以上，不但增加了三文 鱼的营养价值，而且有利于提高三文鱼本身的抗病能 力。 ２ 虾青素的生物来源和合成途径 ２．１ 虾青素的生物来源 天然虾青素的来源有五种，即细菌、真菌、原生动 物、微藻和甲壳类动物，其中细菌来源中的菌体由于 生长慢含量低，现在认为无利用价值；在原生动物中 所含有的虾青素，由于不是原生动物本身合成出来 的，因此也不加以考虑。所以目前认定天然虾青素的 来源只有三种，真菌、微藻和甲壳类动物。 ２．１．１ 真菌 真菌类中虾青素的含量比较低，如酵母菌野生株 系中只含有质量分数为０．０５％的虾青素，一些突变 株系中虾青素的含量则有大幅度的增加，甚至质量分 数可以达到０．３％（细菌干重）。但是从要求来看，则 显然还是不够。 ２．１．２ 微藻 有些微藻中虾青素的含量比较高，如水生红球藻 细胞内虾青素的含量超过细胞干重的２％、血红裸藻 中虾青素双酯的含量为细胞干重的０．７％。此外一些 绿藻在不利的生长条件下也可以产生虾青素。但是目 前已知的这些微藻通常生长速度都比较慢，需要较长 的自养培养周期。 迄今为止，微藻中的红球藻是公认的含有虾青素 含量最高者。也因此红球藻成为了制备天然虾青素的 ９月出版 主要研究对象。 ２．１．３ 甲壳类动物 一般甲壳类动物的甲壳中都含有虾青素，但是提 出这部分虾青素却比较困难。其原因一是含量很低， 二是这些甲壳中灰分、几丁质的含量较高，相对成本 增加。 ２．２ 虾青素的生物合成 天然虾青素的生物合成机理大致为，首先由三分 子的乙酰辅酶Ａ缩合成３一甲基一３，５一二羟基戊 酸，在酶的作用下磷酸化形成焦磷酸脂。脱羧后形成 异戊二烯焦磷酸，再由二分子的异戊二烯焦磷酸缩合 成二甲基丙烯焦磷酸酯。二甲基丙烯焦磷酸酯与二分 子异戊二烯焦磷酸依次缩合成法呢（基）焦磷酸和二 甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸，二分子的二甲基辛烯二 甲基辛烯焦磷酸缩合成有４０个碳的八氢蕃茄红素 （ｐｈｙｔｏｅｎｅ），最后逐步脱氢环化形成Ｂ一胡萝卜素。 Ｂ一胡萝卜素可以先在Ｃ一３，３ 位羟基化形成中间产 物Ｂ一隐黄质和玉米黄质，再在ｃ一４位氧化形成３， ３ 一二羟基一４一酮一Ｂ一胡萝卜素，最后在Ｃ一４位 氧化形成虾青素。Ｂ一胡萝卜素也可以先在Ｃ一４，４ 位氧化形成中间产物海胆酮和鸡油菌黄质，再在ｃ一 ３位羟基化形成３一羟基一４，４ 一二酮一８一胡萝卜 素，最后在Ｃ一３ 位羟基化形成虾青素（详见图２）。 不同的生物体中，虾青素的存在形式不同。虾青 素在红球藻内以与脂肪酸（１８碳脂肪酸为主）形成脂 肪酸酯的形式存在；在海洋细菌中以与糖类结合形成 糖酯的形式存在；在甲壳类动物中则以与蛋白质类结 合形成色蛋白质的蓝色形式存在，虾、蟹也因此经高 温烹煮后色蛋白质变性释放出虾青素而变红。 ３ 天然虾青素的提取 天然虾青素的提取，与大多数天然色素的提取一 样，多采用溶剂萃取的方法。选择合适的溶剂从天然 材料中提取制备虾青素时，必须特别注意虾青素对 光、热、氧、酶等的反应敏感性，尽量减少由此造成的 分解和破坏。 对于红球藻，其细胞特别是含有很高虾青素的厚 壁细胞对虾青素的提取是一个障碍。细胞壁不但阻碍 提取溶剂向细胞内渗透，也影响虾青素溶液的扩散。因 此对于红球藻通常需要先用机械破碎的方法破坏红球 藻的细胞机构，特别是细胞壁，然后再用溶剂提取。 维普资讯 http://www.cqvip.com ９月出版 ０ 期 金龙飞：天然虾青素的应用和制备 乙酰辅酶Ａ 目前虾青素已经在美国被批准为食品添加剂，并 且在三文鱼的养殖中得到了很好的应用。现在市场上 ３一甲基一３。５一二羟基戊酸 虾青素的售价很高，其人工合成品的单价达２０００～ 异戊二烯焦磷酸 二甲基丙烯焦磷酸酯 Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工 ２５００５／ｋｇ，因此研究和开发虾青素具有重要的商业和 经济价值。 天然虾青素的制备前提，是必须有足够的含量比 较高的天然材料。为此，红球藻的大规模工业化培养 势在必行。尽快解决培养过程中的有关过程，建立切 实可行的技术方案则是关键。同时寻找和开发新的资 法呢（基）焦磷酸 二甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸 八氢蕃茄红素 ｌ ｐ一胡萝卜素 ．．．．．．．． ．．．． ． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 源与方法，如选育高产酵母菌、发酵培养红球藻等，也 将是其中的重要内容。 ｐ一隐黄质 海胆酮 鸡油菌４－黄质 ３－－羟基一４－４，玉莱黄质 ３，３ 一二羟基一４— ＋ ｉ进一步研究虾青素对人体的作用，开发相关的保 健食品和保健化妆品，则可以扩大天然虾青素的应用 范围和市场。 Ｉ４１一二酮一 酮一ｐ一 萝卜素 虾青索 ｐ一胡萝卜素 虾青素 参 考 文 献 １ Ｒｅｎｓｔｒｏｍ Ｂ．，Ｌｉａａｅｎ－－Ｊｅｎｓｅｎ Ｓ．，Ｆａｔｔｙ ａｃｉｄ ｃｏｍｐｏ— ｓｉ ｏｎ ｏｆ ｓｏｍｅ ｅｓｔｅｒｉｉｅｄ ｃａｒｏｔｅｎｏｌｓ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｂｉｆｏ． ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，１９８１，６９Ｂ：６２５～６２７． 图２ 虾青素的生物合成机理 采用溶剂萃取的方法提取天然虾青素，必须选择 合适的有机溶剂。虾青素不溶于水，在极性弱的有机 溶剂中溶解度较大，如二氯甲烷中的溶解度为３０ ｇ／ Ｌ，氯仿中为１０ ｇ／Ｌ。在极性较强的有机溶剂中溶解 度较小，如丙酮中虾青素的溶解度为０．２ ｇ／Ｌ，二甲亚 ２ Ｊｙｏｎｏｕｃｈｉ Ｈ．，Ｌｅｉ Ｚ．，Ｙｏｓｈｉｆｕｍｉ Ｔ．，Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｉｍ． ｍｕｎｏｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓ．Ⅱ．Ａｓｔａｘａｎｔｈｉｎ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ａｎｔｉｂｏｄｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｔ－－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ａｎｔｉｇｅｎｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆａｃｌｉｔａｔｉｎｇ ｐｏｌｙｃｏｎａｌ Ｂ————ｃｅｌｌ ａｃｔｉｖａ— ｔｉｏｎ．Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｎｃｅｒ，１９９３，１９（３）：２６９～２８０． ３ Ｊｙｏｎｏｕｃｈｉ Ｈ．，Ｌｅｉ Ｚ．， Ｍｙｒｏｎ Ｇ．， Ｙｏｓｈｉｆｕｍｉ Ｔ．．Ｉｍｍｕｎｏｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓ：Ｅｎｈａｎｃｅ— 砜中为０．５ ｇ／Ｌ。溶剂与细胞接触时，存在亲水性和疏 水性问题。疏水性溶剂向红球藻细胞内部渗透的速度 比亲水性溶剂慢。有时为了加快渗透，可在疏水性非 极性溶剂中添加少量极性溶剂，如乙醇、丙酮等。 实际采用的虾青素提取方法主要有以下两种： ３．１ 单罐多次重复萃取 ｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎ ｖｉｖｏ ａｎｄ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ａｎｔｉｂｏｄｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｔ— ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ａｎｔｉｇｅｎｓ．Ｎｕｔｉｒｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｎｃｅｒ，１ ９９４，２ １（１）： ４７～５８． ４ Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｅ．Ａ．，Ａｎ Ｇ．Ｈ．．Ａｓｔａｘａｎｔｈｉｎ ｆｒｏｍ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｓｏｕｒｃｅｓ．Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ｉｎ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１ ９９ １，１ １： ２９７—３２６． 单罐多次重复萃取是最简单的提取方法，即将红 球藻细胞与溶剂放入匀浆器中提取。当溶剂中的虾青 素浓度达到平衡后，将萃取液放出，再加溶剂进行下 一５ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ Ｒ．，Ｓｔｒｕｋｓｎａｅｓ Ｇ．，Ｅｓｔｍａｒｍ Ｒ．，Ｔｏｒｒｉｓｓｅｎ 次萃取。如此重复多次，直到细胞中的虾青素完全 Ｏ．Ｊ．．Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｆｌｅｓｈ ｃｏｌｏｕｒ ｉｎ Ａｔｌａｎｔｉｃ ｓａｌｍｏｎ． 提取出来。 ３．２ 索氏提取法 ｓａ！ｍｏ ｓａｌ ．Ａｑｕｓｃｕｈｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９５，２６（５）：３１ １— ３２１． 索氏提取法是改良的单罐多次重复萃取。索氏提 取方法的优点是不断用新鲜的溶剂进行提取，萃取剂 和原料细胞始终保持最大的浓度差，从而加快了萃取 ６ Ｎａｋａｎｏ Ｔ．，Ｔｏｓａ Ｍ．，Ｔａｋｅｕｃｈｉ Ｍ．．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｆｉｓｈ ｈｅａｈｙ ｂｙ ｒｅｄ ｙｅａｓｔ ａｎｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｓｔａｘａｎｔｈｉｎ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｆｏｏｄ 速度，提高了萃取率，最后得到的萃取液浓度较高，克 服了单罐萃取液浓度很低的缺点。 Ｃｈｅｍｉｓｔｙ，１９９５，４３（６）：１５７０—１５７３．ｒ ７ Ｂｏｕｓａｉｂａ Ｓ．，Ｖｏｎｓｈａｋ Ａ．．Ａｓｔａｘａｎｔｈｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ａｌｇａ Ｈａｅｍａｔｏｃｏｃｃｕｓ ｐｌｕｖｉａｌｉｓ．Ｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｃｅｌｌ ４ 结束语 Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，１９９１，３２（７）：１０７７—１０８２． 维普资讯 http://www.cqvip.com １２ 山西食品工业 ２００２年第３期 ８ Ｎｉｎｅｔ Ｌ．．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２ｎｄ ｅｄｉ— ｔｉｏｎ．Ｖｏ１．１．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９７９．５２９～ ５４４． ９ Ｇｏｏｄｗｉｎ Ｔ．Ｗ．．Ｔｈｅ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓ， Ｌｏｎｄｏｎ．Ｃｈａｐｍａｎ Ｈａｉｌ．１ ９８０． １０ Ｇｉｒａｒｄ Ｐ．，Ｆａｌｃｏｎｎｉｅｒ Ｂ．，Ｂｒｉｃｏｕｔ Ｊ．，Ｖｌａｄｅｓｃｕ Ｂ．．Ｂ— Ｃａｒｏｔｅｎｅ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｍｕｔａｎｔｓ ｏｆ Ｐｈａｆｉｆａ ｒｈｏｄｏｚｙ一 ・＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－—＋一－—＋一－—＋一－—＋一－—＋一－—＋一－—＋一－—＋ － （上接第８页） 无油型方便面采用微波技术，可以克服热风干燥 法产品糊化度低、面筋值低、色泽暗黑、面块干缩、复 水性差和浑汤等缺点，不仅可以改善口感，而且不用 棕榈油：口感与传统面条风味一致，不含油脂，不存在 油脂氧化、哈变问题，保质期长。由于未经高温油炸 处理，能够保证产品天然营养成分，且可加入蔬菜 粉、蛋黄粉、豆粉等，开发多种保健型、功能型儿童与 老年方便面食品。该产品可改变油炸方便面只能沸 水煮、泡的单一口感。由于面筋值高，不断条，具有传 统水面条风味，所以可做成炒面、凉拌面等多品种食 用。 ２．３ 微波催陈技术 各种酒在酿制过程中，必须在特定的条件下贮存 一段时间，时间越长，酒的口感越好，即所谓“酒越陈 越香”。国内现已有利用远红外、太阳能、高频电磁能、 激光能、微波能等新技术处理新酒，使之加速老熟陈 化过程，取得不同程度的进展，而应用最广泛、性能最 可靠、效果最明显的是微波能老熟催陈技术。主要机 理是：利用微波对酒的化学反应和热效应。酒液是由 水、乙醇和一些其它微量成分组成，由于活度较大的 自由乙醇分子的存在，使酒的辛辣味变大。而用微波 处理时，在微波场的作用下，酒中的水分子和乙醇分 子重新排列，更趋整齐，乙醇分子受到水分子的束缚、 活度有所减少，使酒的辛辣和暴味大大减轻，这个过 程比自然老熟要快得多。乙醇和水分子都是极性分 子，在微波场的作用下，这些极性分子随着电场周期 变化而迅速旋转，旋转次数为１０ｓ次／ｓ，促使自然老 熟过程中缓慢进行的氧化还原和酯化反应得到加 剧，化学反应速度加快，使醛含量降低酯类增加。经过 １ ｍｉｎ～２ ｍｉｎ的微波照射，就能消除新酒的辛辣，减 少杂味，使酒绵软爽口，醇和甘润，可能达到酒库贮存 自然老熟方法所需３～６个月的效果（国家评酒委员 会通过鉴定）。对低档次的自洒，微波处理后更能除掉 ９月出版 ｍａ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１ ９９４，４ １：１ ８３～ １９１． １ １ 陈峰，姜悦．微藻生物技术．北京：中国轻工业 出版社，１９９９ １２ 王业勤，李勤生．天然类胡萝卜素一研究进展、 生产、应用．北京：中国医药科技出版社，１９９７ 大部分邪杂味，效果更为明显。用微波对低度大曲酒 进行处理，既能提高酒质，又能杀菌。如将处理过的酒 再贮存１～３个月效果更好。 ２．４ 微波在大豆脱腥工艺中的应用 传统的大豆粉生产工艺：大豆一浸泡一磨浆一滤 液一浓缩一真空干燥（喷雾干燥）一包装一成品。该工 艺生产大豆粉有以下缺点：生产周期长、设备投资大、 大豆利用率低、能源消耗高、劳动强度大、产品成本 高；另一方面，由于采用低温干燥法，因此不能有效去 除豆腥味。目前研究认为豆腥味产生的机理是：破碎 的大豆在空气中，脂肪氧脂酶的催化作用，使多不饱 和脂肪酸被氧化成脂肪酸的氢过氧化物所致。所以破 碎前钝化脂肪氧化酶的活性是脱腥的关键，加热能使 其丧失催化不饱和脂肪酸氧化的能力。然而加热时间 过长又会出现溶解度差、大豆利用率低的现象。新型 的大豆粉（脱腥豆粉）生产，采用微波技术对大豆进行 干燥和脱腥，将传统的湿法生产工艺改为干法生产工 艺，即大豆不经水泡，直接脱腥、磨粉，缩短整个豆粉 生产工序流程，进一步提高了大豆粉的质量。微波大 豆粉生产工艺：大豆一分拣一微波脱腥（杀菌）一粉碎 （脱皮）一包装一成品。该工艺将大豆经分拣机分选 后，由输送带送人微波加热器，经微波辐射数分钟，进 行脱腥和杀菌处理。 ３ 展望 随着微波技术和微波设备的进一步成熟，微波技 术在食品工业上将会得到更广泛的应用，而食品工业 的发展也会进一步推动微波技术的研究。 参 考 文 献 １ 程守洙编．普通物理学３．第５版．北京：高等教 育出版社，１９９８ ２ 王绍林．微波食品工程［Ｍ】．北京：机械工业出 版社，１９９４．５～９０，１２５～１３６．
