淺談蝦青素的生理功能及其應用研究

◎ 張凱淇，于 澤，劉曉倩，劉桐彤，王琳雅，臧渤煦

（河北農業(yè)大學理工系，河北 滄州 061100）

迄今為止已發(fā)現600多種天然的類胡蘿卜素（Carotenoids）[1]，其中氧化性類胡蘿卜素—蝦青素（Astaxanthin）極具保健功效，其化學名稱為3，3′-二羥基-4，4′-二酮基-β，化學式為C40H52O4，呈艷麗紅色狀。蝦青素又名蝦黃素，廣泛存在于自然界，尤其在水生植物中含量豐富，少量酵母菌和微生物也在體內合成[2-3]。蝦青素的功效已被大量實驗證實，具有很強的抗氧化性，被認定為唯一能穿透血腦屏障的類胡蘿卜素，能有效削弱紫外線對眼睛視網膜和皮膚的損傷[4]。因此，把天然活性物質蝦青素應用到膳食營養(yǎng)品中，能有效改善人類的健康問題。本文重點介紹蝦青素的起源、結構、功能、吸收和代謝等方面的科學知識，并結合必要的資料及文獻作品，助力于未來蝦青素的開發(fā)和利用。

1 蝦青素的結構特性、來源及存在形態(tài)

1.1 蝦青素的結構特征

蝦青素的化學結構中包含有很長的共軛不飽和雙鍵，4個異戊二烯通過共軛雙鍵的方式連接于分子中央，并且兩端存在兩個α-羥基酮六元環(huán)式結構[5]。蝦青素分子間存在兩個手性碳原子，每個碳原子會產生兩種構象，從而會產生相應的3種光學異構體，蝦青素分子中羥基碳鏈的不對稱性和多個共軛長鏈的結構使其容易發(fā)生順反異構，形成多種旋光異構體[6]。順式結構中雙鍵附近的氫原子之間的空間位阻較大，不利于蝦青素的穩(wěn)定存在，因此在自然界中廣泛存在的是全反式蝦青素（All-trans-astaxanthin），甲基結構相對穩(wěn)定，其存在不會對空間位置造成威脅[7]。但全反式的蝦青素對光、熱、氧氣等外界因素較敏感，易受紫外線照射的影響而發(fā)生異構化反應，從而形成多種順式構型異構體，造成蝦青素生物活性（如抗氧化性能）的降低[8-9]。全反式蝦青素是目前最為穩(wěn)定的一種存在形式，而順式左旋蝦青素相比于其他結構的蝦青素具有更優(yōu)的生物活性[10]。

順式結構大多為化學合成的蝦青素，而自然界中天然存在的游離態(tài)蝦青素大多是全反式，雖然結構相似，但是蝦青素的光學構型在不同生物體內有著顯著性差異。結合相關文獻[11-12]，總結出不同物種中蝦青素的光學異構體的結構，如圖1所示。雨生紅球藻和南極磷蝦體內的蝦青素主要是以3S，3’S的構型存在，而紅法夫酵母中蝦青素則不存在3S，3’S和3S，3’R構型，梭子蟹和日本對蝦中3S，3’S和3S，3’R兩種構型相對含量較高[13-14]。我們可以看出不同物種間含量存在差異。

圖1 蝦青素光學異構體在不同生物中的相對百分含量圖

1.2 蝦青素的來源

高等生物體內沒有辦法合成蝦青素，一般通過食物來攝取。天然蝦青素主要在微藻類生物和浮游植物體內進行合成，通過食物鏈層層傳遞，逐級進入高等生物體內。不僅如此，一些酵母菌和細菌也可以自動合成蝦青素，但其合成的蝦青素在結構方面存在很大差異。在不同物種體內蝦青素含量的測定實驗中，不難發(fā)現雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）是含有大量天然蝦青素的一種微藻[15]，被視為蝦青素的濃縮品，但其富集蝦青素的過程中，對水源要求極高。其他幾種常見水產品中總蝦青素的含量如圖2所示，數據顯示，南極磷蝦體內蝦青素的含量最多，約為120 mg·kg-1，三文魚在幾種水產品中蝦青素含量最少，約為15～20 mg·kg-1[16-17]（均以干重計）。

圖2 水產品中蝦青素的含量圖

1.3 蝦青素的形態(tài)

自然存在的蝦青素主要有游離態(tài)和酯化態(tài)兩種形態(tài)。大量的數據顯示，在不同的物種中，蝦青素的存在狀態(tài)也有所不同。科學家研究表明，蝦青素在鮭魚及鱒魚中的存在形式主要是游離態(tài)[18-19]，在蝦和蟹中則是以酯化態(tài)存在[20-22]。游離態(tài)蝦青素不穩(wěn)定，易被氧化，因此游離態(tài)形式的蝦青素很少在動植物體內出現。游離態(tài)和酯化態(tài)蝦青素在幾種常見水產資源中所占的百分含量如圖3所示。

圖3 蝦青素及蝦青素酯在不同水產品中的相對百分含量圖

在圖中我們可以看到，水產品的種類差異可以導致蝦青素的存在形式有所不同，并且蝦青素單酯、蝦青素雙酯、游離蝦青素的含量以及百分比也不盡相同。三文魚和紅法夫酵母中均為游離的蝦青素。

2 蝦青素的生物學功能及其吸收代謝研究

2.1 蝦青素的生物學功能

蝦青素的特殊結構使其能夠有效降解活性氧，且猝滅分子氧的能力強。相關報道顯示，蝦青素是強大的天然抗氧化劑，其作用機制主要是抵抗自由基并加速對自由基的清除作用[23]，經研究顯示，蝦青素能抵抗腫瘤[24]、炎癥[25]，治療糖尿病[26]，提高機體的免疫功能[27]，預防心腦血管疾病的發(fā)生[28]等功能。

2.2 蝦青素的吸收代謝研究現狀

蝦青素被攝食后在體內能否被利用或儲存，主要取決于其分子結構，以及膳食中的脂肪含量等。目前關于蝦青素在體內吸收和代謝的研究較少，體內各種結構的蝦青素吸收過程有待進一步的探究。根據已有的大量實驗可知，在進食過程中，添加少量油脂可提高蝦青素的生物利用度。此后?STERLIE和CORAL等人[29-30]研究發(fā)現，人們在口服蝦青素后，游離的蝦青素會在人體血清中與脂蛋白結合，被人體直接吸收并利用。后來，?STERLIE繼續(xù)探究對比游離態(tài)蝦青素與蝦青素酯在人體內的吸收情況，大量的數據顯示，游離態(tài)蝦青素不穩(wěn)定，酯化的蝦青素具有更高的穩(wěn)定性和脂溶性，這一結論為證明蝦青素酯在體內具有與游離蝦青素相同的生物效力奠定了基礎。

3 結語

研究不同結構蝦青素的作用機制，不僅對揭示蝦青素的藥效、生物利用度的影響因素等具有重要意義，而且對檢驗高強度和高生物利用度的蝦青素存在形式具有指導作用。盡管天然蝦青素生產的成本較高，近幾年供不應求，導致合成蝦青素占據大片市場，但隨著市場對天然蝦青素的需求逐漸加大，且其在保健食品、化妝用品、防曬用品及生物醫(yī)藥等行業(yè)都有著廣闊的研發(fā)前景，相信天然蝦青素資源定會實現高值化利用和規(guī)模化生產。