综述：虾青素：关于其来源、提取、包封及健康益处的机制研究综述

《Bioresource Technology Reports》：Astaxanthin: A mechanistic review on its sources, extraction, encapsulation and health benefits

Astaxanthin作为天然色素和抗氧化剂，其生物合成、提取优化及纳米封装技术研究进展，以及在水产饲料、食品和医药中的应用前景被系统综述。

　　

萨米拉·哈比布（Samira Habib）| 巴尔吉斯·阿沙克（Barjees Ashaq）| 卡恩萨·拉苏尔（Khansa Rasool）| 纳迪拉·安朱姆（Nadira Anjum）| 扎希达·纳西姆（Zahida Naseem）| 肖希德·艾哈迈德·帕德勒（Shahid Ahmad Padder）| 谢赫里什·穆斯塔法（Sehrish Mustafa）| 库德西亚·阿亚兹（Qudsiya Ayaz）| 阿布·拉乌夫·马利克（Ab Raouf Malik）| 萨贾德·穆罕默德·瓦尼（Sajad Mohd Wani）

印度查谟和克什米尔邦克什米尔农业科学与技术大学食品科学与技术系，邮编190025

摘要

虾青素（Astaxanthin）是一种类胡萝卜素，最初被用作水产养殖中的色素。由于其强大的抗氧化和抗炎特性，它在食品和生物制药科学领域引起了广泛关注。本文综述了虾青素的来源以及可用于大规模虾青素生物炼制的成本效益高的提取策略。文章详细阐述了虾青素的主要生物合成途径及参与代谢过程的关键酶。然而，其实际应用受到化学稳定性和水溶性较低的制约。纳米包封技术被提出作为解决这些问题的方法，通过控制释放提高其化学稳定性、生物可利用性和生物利用度。本文还总结了虾青素对健康的益处，以及用于包封的纳米颗粒制备的最新进展。

引言

颜色显著影响食物的接受度和口感。为了改善外观、弥补原材料的自然差异或加工过程中的颜色损失，以及为无色食品提供颜色/风味特征，人们经常使用色素添加剂（Malik等人，2012年）。即使质地良好、营养丰富且风味浓郁的食物，如果缺乏适当的颜色也会显得不吸引人。目前，染料和色素的需求主要通过使用石油基原料的化学合成来满足（Mussagy等人，2023年；de Oliveira等人，2022年；Mussagy等人，2022年）。然而，由于消费者对化学物质的恐惧、健康问题、环境影响以及人工色素的不对称结构等问题，人们开始寻找天然色素的替代品（Lyu等人，2022年）。近年来，由于消费者态度和偏好的变化，天然食品色素变得越来越重要（Durmaz等人，2020年）。多种人工合成色素被广泛用于食品、染料和药品的生产中。然而，合成食品色素与多种潜在的健康风险相关，包括致敏性、儿童多动症等行为问题、神经毒性、基因毒性和致癌性。此外，它们不可生物降解且对环境有害。因此，全球范围内都有开发天然来源色素生产方法的兴趣。天然色素主要来自植物和微生物。然而，植物来源的色素存在一些局限性，如颜色范围有限、对光和热不稳定、水溶性低以及季节性供应问题（Pantanella等人，2007年）。相比之下，微生物色素生产具有优势，例如在廉价培养基中生长迅速且易于培养，且不受天气条件影响（Chintapenta等人，2014年；Boonyapranai等人，2008年）。因此，微生物色素生产已成为一个有前景的研究领域。在自然界中，许多微生物（包括酵母、微藻和细菌）能够大量产生色素（Li等人，2023年）。类胡萝卜素是一类有机化合物，负责自然界中的黄色到红色色素沉着，通常分为胡萝卜素（carotenes）和叶黄素（xanthophylls）。这些色素具有抗氧化特性，其中一些还是维生素A的前体，有助于降低癌症、高血压和动脉粥样硬化等退行性疾病的风险（da Costa Cardoso等人，2017年；Mata-Gómez等人，2014年）。此外，类胡萝卜素在食品着色、动物饲料添加剂（如鲑鱼、虾和家禽）和营养补充剂中也有广泛应用（Martins等人，2016年；Ambati等人，2014年）。在类胡萝卜素中，虾青素（一种叶黄素）以其抗炎和抗氧化特性而闻名，在食品和制药工业中具有重要价值（Jiang等人，2017年）。

虾青素是一种深红色的酮类胡萝卜素，存在于藻类、虾、蟹、贝类等生物体内（Han等人，2013年；Schmidt等人，2011年）。其安全性和稳定的红色使其成为水产养殖和食品工业的理想色素来源（Zhang等人，2020年）。虾青素的分子结构（3,3′-二羟基-4,4′-二酮-β,β'-胡萝卜素）与其他几种胡萝卜素相同。其主要链由四个异戊二烯单元通过共轭双键连接而成，两端各有一个β-离子酮环。每个离子酮环含有一个3-羟基（OH）和一个4-酮基（C=O）。这些结构特性使虾青素能够捕获自由基并转移电子，有效防止自由基链反应，从而解释了其强大的抗氧化活性。多项研究表明，虾青素补充剂具有多种健康益处，包括抗炎、抗癌、神经保护和增强免疫力等作用（Basiony等人，2022年；Ambati等人，2014年）。这些优点导致了对虾青素需求的迅速增长，预计到2027年全球市场规模将达到34亿美元（Debnath等人，2024年）。美国食品药品监督管理局（USFDA）已批准将虾青素用作鱼类和动物饲料的着色剂，欧盟委员会也将天然虾青素归类为食品色素（Ambati等人，2014年）。尽管具有这些优点，虾青素也存在一些缺点，如不稳定性和低生物利用度。包封是一种有效的方法，可以提高其生物可利用性、消化率和控制释放。该过程涉及将天然色素封装在载体中，并将最终产品融入食品基质中。包封技术确保生物活性成分在适当的时间和地点释放（Kailasapathy，2009年）。本文旨在根据最新文献提供关于虾青素的物理化学性质、天然来源、生物合成以及发酵优化的全面概述，同时重点介绍提取策略和纳米包封技术的研究进展，以提高其稳定性和生物利用度及商业应用。

虾青素的结构和化学特性

类胡萝卜素家族包含超过600种不同的色素。根据Higuera-Ciapara等人（2006年）的研究，构成类胡萝卜素主要结构的40个碳氢化合物由两个末端环系统组成，这两个环系统通过聚烯系统或共轭双键链连接。其中最重要的两类是叶黄素和胡萝卜素。胡萝卜素由碳和氢组成，而叶黄素是含氧衍生物。

虾青素的来源

自然界中最常见的虾青素形式是立体异构体（3R, 3′R）和（3S, 3′S）。虾青素天然存在于磷虾、藻类、虾、鲑鱼、小龙虾和鳟鱼中。某些鸟类（如鹌鹑、火烈鸟等）体内也含有虾青素。H. pluvialis和X. dendrorhous是商业虾青素的主要来源。H. pluvialis是最早用于工业生产虾青素的菌株之一（Basiony等人，2022年）。

虾青素的生物合成途径

X. dendrorhous是重要的虾青素生产菌株，属于真菌界、担子菌门、层孔菌纲、Cystofilobasisiales目、Cystofilobasidiacee科和真核生物域（Vatankhah和Ramasamy，2021年）。P. rhodozyma细胞通过出芽方式进行无性繁殖，可单独存在、成对出现或形成短链。其细胞呈椭圆形。P. rhodozyma的子实体形式称为X. dendrorhous。

虾青素发酵优化

有效改进发酵条件是提高虾青素产量和降低生产成本的关键因素。因此，深入理解酵母的发酵过程对于大规模高效生产虾青素至关重要。由于虾青素是后期代谢产物，其细胞生长并不依赖于其生物合成过程。此外，多项研究表明，虾青素的产量受到多种因素的影响。

细胞破裂和虾青素提取的进步

下游工艺的主要步骤包括虾青素的收获和细胞破裂，以提高虾青素的产量。由于下游类胡萝卜素提取过程占虾青素总成本的20-90%，因此提取方法的选择对虾青素的市场价值具有重要影响（Zhang等人，2020年）。

虾青素的包封

由于虾青素具有显著的抗氧化活性，它作为营养食品、医药产品和补充剂的活性成分的需求不断增加。然而，其实际应用受到低生物利用度、较差的生物可利用性和极低水溶性的限制。此外，虾青素的化学稳定性相对较弱，尤其是在特定条件下。

抗氧化作用

在生物体的正常有氧代谢过程中会产生高活性的细胞氧化物质，如活性氧和有害的自由基，以维持生命功能。然而，这些氧化分子的过量存在可能与DNA、脂质和蛋白质发生反应，导致蛋白质和脂肪分解以及DNA损伤，这些都与多种疾病有关（Ambati等人）。

虾青素的商业应用

目前，从天然来源生产虾青素已成为生物技术领域最活跃的研究方向之一。虾青素在食品、饲料、营养补充剂和药品中的应用需求很高，因此人们致力于从生物来源提高其产量。最新研究强调了其在多种商业产品中的应用，如粉末、生物质、乳液、胶囊、软胶囊、片剂和能量饮料等。

虾青素的安全性和剂量

虾青素是一种安全的食品添加剂，没有负面效果。由于它是脂溶性的，因此在动物体内不会产生毒性（大鼠实验验证）。过量摄入可能导致动物皮肤出现黄色或红色色素沉着。将其添加到鱼饲料中可使鱼皮呈现红色。口服虾青素后，大鼠体内的抗氧化酶水平显著升高（Ranga Rao等人，2013年）。

结论

虾青素来源于H. pluvialis、X. dendrorhous和甲壳类动物的副产品，以其强大的抗氧化特性而闻名，可用于治疗多种人类疾病。大规模生产和提取虾青素的方法已经得到充分建立和优化，这些方法高效可靠，可实现大规模生产，确保高产率和纯度，使其适用于多种应用。

CRediT作者贡献声明

萨米拉·哈比布（Samira Habib）：撰写初稿、数据整理、概念构思。 巴尔吉斯·阿沙克（Barjees Ashaq）：撰写、审稿和编辑。 卡恩萨·拉苏尔（Khansa Rasool）：撰写、审稿和编辑。 纳迪拉·安朱姆（Nadira Anjum）：监督。 扎希达·纳西姆（Zahida Naseem）：监督。 肖希德·艾哈迈德·帕德勒（Shahid Ahmad Padder）：验证。 谢赫里什·穆斯塔法（Sehrish Mustafa）：验证。 库德西亚·阿亚兹（Qudsiya Ayaz）：监督。 阿布·拉乌夫·马利克（Ab Raouf Malik）：验证。 萨贾德·穆罕默德·瓦尼（Sajad Mohd Wani）：撰写、审稿和编辑、监督、方法论设计、概念构思。

未引用的参考文献

Barredo等人，2017年 Cao等人，2023年 Liu和Lee，1999年 Liu和Lee，2000年

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了新德里印度医学研究委员会（ICMR）的财政支持（F.N. 5/9/1406/2021-Nut）。