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本综述系统梳理虾青素研究进展，剖析化学合成与生物提取路径的优劣及工业适用性，探讨其光 / 热 / 氧敏感性带来的稳定性挑战与包封技术策略，综述其在食品、化妆品、医药及动物营养领域的应用成果与技术瓶颈，为多领域产业化应用提供前瞻视角。
虾青素（astaxanthin）作为天然脂溶性酮类胡萝卜素中抗氧化能力最强的成分，因其卓越生物活性与多元应用潜力成为研究焦点。
结构特征与存在形式
虾青素存在游离态与酯化态两种形式。自然界中主要以酯化形式存在，仅雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）、红发夫酵母（Phaffia rhodozyma）等少数物种可产生游离态。游离态因羟基基团易氧化而稳定性较差，酯化态则因脂肪酸链修饰提升了环境耐受性。
合成路径解析
微生物合成天然虾青素分为三个阶段：
- 异戊烯基焦磷酸（IPP）合成：所有微生物均通过甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径或甲羟戊酸（MVA）途径生成 IPP，为类胡萝卜素合成提供前体。
- β- 胡萝卜素合成：IPP 经牻牛儿基焦磷酸（GPP）、法尼基焦磷酸（FPP）等中间体聚合为八氢番茄红素，再经脱氢、环化形成 β- 胡萝卜素。
- 虾青素合成：不同微生物在此阶段差异显著。雨生红球藻通过 β- 胡萝卜素羟化酶与酮化酶催化，在 β- 环两端引入羟基与酮基；红发夫酵母则依赖特异性氧化酶完成官能团修饰。
抗氧化机制与生物活性
虾青素的共轭双键系统使其具备高效清除活性氧（ROS，包括超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基）的能力，抗氧化活性约为维生素 E 的 500 倍。其分子结构中的亲脂端与亲水端使其可跨细胞膜分布，同时在胞内与胞外发挥抗氧化作用。此外，虾青素还表现出抗炎、抗癌及紫外线防护等功能，例如通过抑制核因子 κB（NF-κB）通路下调促炎细胞因子表达，或通过调控细胞周期蛋白诱导肿瘤细胞凋亡。
稳定性挑战与包封技术
虾青素对光、热、氧敏感，限制了实际应用。当前包封策略以生物基材料为主，包括：
- 脂质体：利用磷脂双分子层结构包裹虾青素，提升水溶性与靶向性（Chen et al., 2023）。
- 蛋白质：乳清蛋白、酪蛋白等通过静电相互作用或疏水作用形成纳米颗粒，增强光热稳定性。
- 多糖：壳聚糖、海藻酸钠等通过离子凝胶法制备微胶囊，实现缓释效果。
- 复合体系：脂质 - 蛋白质 - 多糖三元复合物通过多层包埋进一步优化保护效果。
多领域应用进展
食品工业
作为天然着色剂、营养强化剂与防腐剂，虾青素已被欧盟批准用于含脂食品（限量 10%）。例如，包封虾青素的鱼糜制品表现出优异的热稳定性与黏附性（Adegbusi et al., 2024），可提升水产加工品品质；在功能性食品中，其抗氧化特性用于延缓油脂氧化酸败，延长货架期。
化妆品领域
虾青素因兼具抗氧化与抗紫外线功能，被广泛用于护肤品。其跨膜特性使其可直达真皮层，抑制基质金属蛋白酶（MMPs）活性，减少胶原蛋白降解，从而延缓皮肤衰老。含虾青素的防晒产品可吸收 UVB 辐射，降低红斑指数，同时通过清除自由基减轻光损伤。
生物医药研究
虾青素及其酯类可穿越血脑屏障，在神经保护领域展现潜力。研究表明，其通过抑制氧化应激与炎症反应，对阿尔茨海默病、帕金森病模型动物具有认知功能改善作用。此外，在肾脏保护方面，可通过激活 Nrf2/ARE 通路增强抗氧化酶活性，减轻顺铂诱导的肾毒性。
动物营养添加
在水产养殖中，虾青素作为饲料添加剂可促进甲壳类动物色素沉积，改善三文鱼肉质色泽。同时，其免疫增强作用可提升畜禽抗病能力，例如在肉鸡饲料中添加可降低肠道炎症发生率，提高存活率。
挑战与展望
尽管虾青素研究已取得显著进展，仍面临以下挑战：
- 生物合成效率：微生物代谢通路调控复杂，需通过基因编辑（如 CRISPR-Cas9）优化关键酶表达量。
- 包封技术成本：天然高分子材料的规模化生产与包封效率提升需进一步突破。
- 临床转化瓶颈：人体药代动力学数据不足，需开展更多临床试验验证其安全性与有效性。
未来研究方向可聚焦于合成生物学技术开发高效工程菌株，设计智能响应型包封系统（如 pH / 温度敏感型载体），以及探索虾青素在精准医疗中的靶向递送应用，推动其在可持续工业实践中的广泛应用。
