虾青素的开发与应用
2011-11-06 20:43:35   来源:   评论:0 点击:

目前养殖中添加的着色剂主要有天然着色剂和化学合成的类胡萝卜素两大类。天然着色剂是指富含类胡萝卜素和叶黄素的动物、植物、微生物的提取物。化学合成的类胡萝卜素包括胡萝卜素类和叶黄素类。虾青素既可天然提...

目前养殖中添加的着色剂主要有天然着色剂和化学合成的类胡萝卜素两大类。天然着色剂是指富含类胡萝卜素和叶黄素的动物、植物、微生物的提取物。化学合成的类胡萝卜素包括胡萝卜素类和叶黄素类。虾青素既可天然提取,又可化学合成,它是胡萝卜素的含氧衍生物,现已成为养殖中应用最广泛的饲用着色剂之一。现就虾青素的结构。性质、生产方法、在养殖中的应用效果及其发展前景作一阐述。

 
1   虾青素的结构及理化性质
 
    虾青素(Astaxanthin),又名虾黄素,化学名称为3,3’一二羟基一4,4’一二酮基一β,β’一胡萝卜素,分子式为C40H52O4,是一种酮式类胡萝卜素,含有两个羟基(-OH)和两个酮基(=O),其天然产物多数以酯的形式存在。
 
    虾青素是一种含氧的有机化合物,色泽为粉红色,不溶于水,易溶于大部分有机溶剂,在酸。氧、高温及紫外光条件下均不稳定,易氧化降解。
 
2   虾青素的生产方法
 
    虾青素的生产方法主要有两种方式,即天然提取和化学合成。
 
2.l   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。
 
2.1.l    从动物及其副产品中提取   虾青素大量分布于水生动物的体内及软体动物的壳内(GOOd-win,1984),这些动物本身不能合成虾青素,它们体内的虾青素全部来源于食物(主要是水中的藻类)。Karrer等(1932)最早从蟹卵中提取虾育素后,甲壳纲水产品(虾。蟹)的副产物一直是提取天然虾育素的主要原料。在挪威,采用将虾壳粉碎后,用酸或酶法水解,最后用有机溶剂萃取的方法来提取虾育素,产率可达 150 mg/kg左右,提取的色素中虾青素占90%以上。但因为大多数虾、副产品中的色素含量较低,仅为 80-200 mg/kg,且提取费用较高,所以这种方法不适用于商品化生产,发展潜力不大。
 
2.l.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,其子物质中的虾青素含量可达0.5%-2.0%(LWOff等,1930),约占类胡萝卜素总量的90%以上。另外,ChlO。urnSP具有耐高温、耐极端pH值、较快的生长速度和易在户外培养等优点,被认为是一种极具潜力的用于虾青素大规模生产的藻类(Nelis等,1991)。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(kvalheim等,1985)这些都影响了用藻类来迸行虾青素的规模化生产。
 
2.1.3  微生物发酵  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0.03 mg/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(Andrewes等,1976),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、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500 mg/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。如利用酒精废液培养基筛选到发夫酵母 NRRLY- 17269的突变株JB 2,在 5 L发酵罐试验中每千克干细胞可得到 2100~2270 mg类胡萝卜素(Bon等,1997)。Calo等(1995)研究获得的发夫酵母突变株虾青素含量增加23%,达到了 1500 mg/kg干细胞。我国研究人员用酸热处理细胞来进行破壁,再用丙酮提取虾青素,取得较好的效果。用圆形芽抱杆菌(BaCillus circula。)分泌的酶来酶解坚韧的细胞壁也是一种破壁方法。国外已有用发夫酵母进行工业化生产虾青素的企业,如美国 Red star公司,其酵母色素含量为 3000~4000 g/t干酵母; lgene生物有限公司产品中虾青素含量可达8000 g/t。
 
2.2   化学合成   由β一胡萝卜素转变为虾青素需加上二个酮基和二个羟基,化学合成比较困难,且大多为顺式结构。到目前为止用化学合成法来工业化生产虾育素的企业只有瑞士Hofflnann-In-ROche公司,其商品名为 Carophyll pink,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。虾青素的合成需经多步化学和生物催化反应才能完成,其中生物催化的作用是选择确定合成过程中中间体碳原子的立体构型或氧原子的取代位置。化学合成的主要前体物质为(S)-3一乙酸基一4一氧代一β一紫罗酮,它是由不同的微生物对(R)一萜烯醇醋酸盐不对称水解,后经萃取、反流分布及重结晶等技术处理所得的产物,这种前体物质经过反应转化为十五碳的维悌希盐,最后由两个十五碳的维悌希盐同一个+碳的双醛反应生成虾青素(widmer等,1989)。
 
3   虾青素的应用效果
 
3.1  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(Bjomdahl,1990),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、像呈现健康的金黄色或红色。β一胡萝卜素虽能在甲壳类水生动物体内转化为虾青素,但大部分转变为维生素A,着色效果较差,而它在普通水生动物及禽类中则不能着色。只有胡萝卜素的含氧衍生物(叶黄素类),才具有对蛋黄着色的功能(Olson,1989),且二羟基和二酮基类胡萝卜素(虾青素)比单羟基、单酮基或环氧类胡萝卜素对蛋黄的着色功能强(Braeunlich,1978)。
 
    Olsen等(1994)在北极红点蛙饲料中添加虾青素时发现:北极红点鲑鱼肉的红色程度与添加虾青素的量呈正相关,且添加量为 70 mg/kg时达到色素形成的稳定期。     Choubert等(1996)在虹鳟饲料中添加 100 mg/kg从酵母中提取的虾青素发现:虹鳟肌肉中的类胡萝卜素含量升高。釜田忠等(1990)在虹鳟饲料中添加含0.l%虾青素的金盏花花瓣提取物发现:不仅鱼的表皮磷甲变为黄色,而且肌肉中虾育素的含量增加。李战胜(1993)研究认为,虾青素是大马哈鱼及虹鳟鱼饲料中的首选色素。
 
3.2   虾青素增强免疫功能的作用    虾青素是一种优良的抗氧化剂,在促进抗体产生、增强动物的免疫功能、抗氧化、淬灭自由基的产生方面起着重要的作用。Miki(1991)研究发现,虾青素的抗氧化能力是β一胡萝卜素的10倍,比维生素E高100倍。虾青素的这些功能,有助于动物个体的存活和健康状况的改善。研究表明,在独角虾饲料中添加 50 mg/kg虾育素,可明显提高虾的存活率、增重和饲料转化率。
 
3.3  虾青素促进生长繁殖的作用  水生动物的卵子中虾育素的含量很高,这种高含量的虾育素可削弱鱼对光的敏感度,促进鱼类的生长繁殖(李战胜,1993),它作为激素能促进鱼卵受精,减少胚胎发育的死亡率,加快个体生长,增加成熟速度和生殖力(Torrissen等,1994)。虾青素还能提高家禽的产蛋率。
 
4 虾青素应用的研究方向
 
    虾青素作为一种优良的饲用着色剂,在养殖业中具有很好的应用前景。近年来国内外对虾青素的需求量越来越大,全世界每年用于虹鳟鱼养殖的虾青素用量就达 100 t,价值 1.85亿美元,市场潜力可观。
 
4.l  虾青素生产技术的研究  利用发夫酵母发酵规模化生产虾育素是今后发展的方向,筛选高产虾青素的菌株,控制发酵的最佳条件,改进发酵工艺,运用基因改良技术和选择廉价的发酵原料来提高产量,降低生产成本,选用适宜的破壁技术来提高虾育素的利用率,是需进一步研究的课题。
 
4.2 拓展虾青素应用的研究 目前,对虾育素在水产和禽类养殖中应用的研究较多,在家畜饲养中应用的报道比较罕见。如何拓展虾青素在家畜中的应用,是今后需深入研究的方向,如利用虾青素能在体表及肌肉组织沉积的特点把它作为猪的饲用着色剂,使猪的肤色发亮,肌肉红润,来提高猪肉的品质。另一方面,应系统地研究虾青素在饲料中的添加量,分析添加量与着色效果的相关性,以确定虾青素在各种水产、畜禽饲料中适宜添加剂量,用较小的投入来产生最佳的效果。虾青素在饲料中的着色效果,与饲料的配方、动物的健康状况和养殖的环境有关,饲料中的油脂、抗氧化剂、维生素E等能保护着色剂免遭破坏,均有利于动物对虾青素的吸收,而含有较高浓度的钙和维生素A的饲料则会影响虾青素的沉积效果。另外,饲料中蛋白质的类型、脂肪的氧化状态、类胡萝卜素含量及抗营养因子的存在均影响虾青素在动物体内的沉积。研究这些影响因素,能更好地发挥虾青素着色作用,减少其在使用中的损失。
 
4.3  虾青素安全性的研究 虽然目前对虾青素在养殖中添加效果的报道较多,但对它使用后在动物体内的残留及添加过量引起的毒性鲜有报道,因此对长期使用虾青素的安全性研究也是有待探索的课题。

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