《Reviews in Aquaculture》：Molecular Mechanism of Absorption, Transport and Metabolic Transformation of Astaxanthin in Aquatic Animals
2024年全球虾青素市场达到16.9亿美元，其中47%用于水产饲料——然而，其在水生生物中的吸收、代谢、沉积和储存的分子基础仍未完全阐明。更深入地理解这些机制将有助于优化饲料配方、提高虾青素生物利用率并改善水产养殖的经济效益。本研究探讨了肠道脂质转运蛋白（SR-B1、CD36、NPC1L1）介导的虾青素吸收机制及其在不同组织和器官中的利用/沉积。综述了水生生物中虾青素主要吸收途径、代谢过程和储存形式的最新研究进展，分析了影响其利用效率的关键因素，并讨论了未来潜在的研究方向，以期为水产养殖实践提供科学依据和理论支持。
1 前言
虾青素（astaxanthin）是一种橙红色的脂溶性酮式类胡萝卜素，具有强抗氧化和抗炎特性。近年来，随着水产养殖业的快速发展，虾青素在该领域的应用日益受到关注。其消费预计将由水产饲料工业驱动[1]。据报道，全球虹鳟（Oncorhynchus mykiss）虾青素年消费量达100吨，价值1.85亿美元，显示出巨大的市场潜力。根据市场研究，2024年全球虾青素市场估值为16.9亿美元，预计到2025年将扩大至19.5亿美元，2025年至2030年预计复合年增长率（CAGR）为14.74%。其中，47%归因于水产饲料中的应用。虾青素不仅能增强水生动物的着色和市场价值，还能提高其免疫力、生长性能和对环境胁迫的抗性，同时降低水产养殖的成本和损失，在该领域提供多重效益[2-4]。然而，尽管对虾青素的多功能生物学作用（包括抗氧化、抗炎等）已有广泛研究，但对其特异性吸收、代谢途径及其全部生物活性谱仍需进一步了解。对虾青素吸收动力学和代谢途径缺乏全面理解，可能导致不合理的饲料补充，这不仅削弱其生理效力和生物利用率，还会损害水产饲料生产的经济可行性。因此，研究虾青素在水生动物中的吸收、代谢和储存动态，可为水产养殖和水产饲料工业提供更科学的指导，提高虾青素的生物利用率和功能性，并增加水产养殖的盈利能力和产品质量。
本文对虾青素在水生动物中的结构特征、生物学功能、吸收机制、代谢途径和组织沉积策略进行了全面综述。为确保整体视角，文献综合涵盖了主要在2020年至2025年间发表的原始研究和权威综述，并补充了从主要学术数据库（包括PubMed/NCBI (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/)、Web of Science (https://webofscience.clarivate.cn/wos/woscc/smart-search)和AMiner (https://www.aminer.cn/)）检索到的开创性和基础性研究。鉴于类胡萝卜素吸收机制在脊椎动物中的进化保守性，本综述策略性地纳入哺乳动物模型的研究成果，以填补水生物种的现有知识空白。本文采用的方法整合了同行评审文献的批判性评估、关键实证发现的综合、当前局限性的识别以及前瞻性应用策略的完善。通过概述虾青素的结构特征和功能，本研究进一步探讨其在水生动物中的吸收机制——特别关注B类I型清道夫受体（SR-B1）、白细胞分化抗原36（CD36）和Niemann-Pick C1样1（NPC1L1）的转运作用，并进一步探讨肝脏、肌肉、皮肤和甲壳等组织中的代谢过程和沉积机制。所有解释和结论均严格基于公开可得的学术出版物，严格遵守渔业科学中流行的研究范式和技术评价标准。
2 虾青素的结构特征及其在水生动物中的生物活性
作为水生动物的关键抗氧化剂和营养因子，虾青素在维持氧化还原稳态、增强免疫功能和改善体色方面发挥着重要作用。由于大多数水生动物缺乏从头生物合成类胡萝卜素所需的关键酶系统，它们通常不能自主合成虾青素，必须依赖外源性饮食摄入[5, 6]。在自然生态系统中，虾青素及其相关类胡萝卜素最初由微生物（如雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）、红法夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous，原名Phaffia rhodozyma）和副球菌属（Paracoccus sp.））合成，随后通过食物链传递给更高营养级的水生动物。值得注意的是，某些甲壳类动物可以进一步将摄入的类胡萝卜素前体转化为虾青素；然而，这种生物转化仍然依赖于前体的外源供应，并表现出显著的物种特异性效率差异[7, 8]。因此，要阐明虾青素在水生动物中的沉积模式和生理功能，首先必须表征天然虾青素的分子结构特征。
2.1 虾青素的化学结构和结构变异体（几何异构体、光学异构体和脂肪酸酯）
虾青素（C
40H
52O
4；分子量：596.84 g/mol）具有长链共轭多烯系统，两端由β-紫罗兰酮环封端，每个环上带有一个酮基（C4=O）和一个羟基（C3–OH）[9, 10]。该分子含有13个共轭碳-碳双键，每个双键均能独立进行几何异构化，从而为数百种虾青素几何异构体的存在提供了结构基础。大多数天然来源和化学合成的虾青素制剂是以混合物形式存在，主要包含全反式（all-E）异构体，以及少量的9-顺式（9Z）、13-顺式（13Z）和15-顺式（15Z）构型。例如，由Carotenoid-producing副球菌（Paracoccus carotinifaciens）生产的虾青素包含95.5%的全E异构体[11, 12]。虽然Z异构体通常表现出比E异构体更高的生物活性，但它们稳定性较差。在光照、高温或特定化学试剂暴露下，全E-虾青素容易发生几何异构化，形成9Z和13Z异构体[13]。这种异构化机制，加上天然来源中全E-虾青素的高浓度，为其在更高营养级水生动物中的营养传递、沉积和生理功能提供了结构基础，具体信息见表2。腹腔注射相同剂量的全E-虾青素后，大西洋鳕（Gadus morhua L.）肌肉中的浓度显著低于大西洋鲑（Salmo salar L.）[15]。这种差异可能归因于鳕鱼肌肉中缺乏有效的虾青素结合受体或载体蛋白（如α-肌动蛋白）[16]，或者也可能是鲑鱼中观察到的较慢蛋白质周转率所致[15]。全E-虾青素优先在虹鳟的血浆和肌肉中积累，而Z异构体倾向于富集在肠道和肝脏中[17, 18]。借鉴哺乳动物类胡萝卜素吸收模型，Z异构体更“弯曲”的构象通常阻碍稳定晶体形成，并增强其在由胆汁盐、脂肪酸和磷脂组成的混合胶束中的溶解度，从而提高肠道生物可及性，进而增加肠上皮细胞可利用的有效浓度。此外，体外消化和Caco-2细胞模型表明，Z-和E-异构体之间可能在消化和细胞摄取过程中发生相互转化，不同的Z异构体表现出不同的生物可及性和跨上皮转运效率（例如，据报道13Z有利于胶束化，而9Z有利于细胞转运）[33]。在肝脏水平，几何异构体之间的差异可能通过脂蛋白转运和受体介导的摄取进一步放大。Z-虾青素在肝脏代谢过程中经历更明显的异构化和重塑，导致肝脏中Z异构体含量较高，但肌肉中水平较低。肝脏类胡萝卜素裂解酶，如β-胡萝卜素加氧酶2（BCO2），可能调节虾青素的代谢命运和组织分布；然而，其亚型特异性选择性需要通过物种和组织特异性研究进一步验证[34]。相比之下，在斑节对虾（Penaeus monodon）、中国对虾（Fenneropenaeus chinensis）和脊尾白虾（Exopalaemon carinicauda）等甲壳类动物中，沉积在肉、甲壳和头胸部的优势形式是全E-虾青素[14]。虹鳟和甲壳类动物之间几何异构体沉积模式的差异可能源于以下几个因素：（i）消化吸收器官在胶束化、摄取和局部E/Z相互转化方面的差异——甲壳类动物主要依靠肝胰腺和中肠进行消化和吸收，其“重塑强度/方向”可能与鱼类的“肠-肝轴”不同；（ii）系统转运系统的差异导致不同的装载选择性（例如，脂蛋白组成、组织摄取途径）；（iii）沉积位点的结构限制——在甲壳类动物中，全E-虾青素可能与组织中的特定结合蛋白或结构基质形成更稳定的复合物，从而使全E形式在外骨骼及相关组织中具有沉积优势。
此外，该分子在每个末端环上具有两个手性中心，采用R或S构型，从而产生三种立体异构体：(3S, 3′S)、(3R, 3′S)和(3R, 3′R)。其中，(3S, 3′S)异构体表现出最高的生物活性[35]。雨生红球藻（H. pluvialis）主要产生(3S, 3′S)形式的虾青素，而源自红法夫酵母（X. dendrorhous）的天然虾青素主要由(3R, 3′R)构型组成。相比之下，化学合成的虾青素包含(3S, 3′S)、(3R, 3′R)和内消旋(3R, 3′S)异构体的等摩尔混合物，比例为1:2:1[36-38]。与几何异构现象类似，不同光学异构体在不同水生物种中的组织分布差异显著，可能受食性、营养组成和内源酶系统的影响。大量研究表明，鲑科鱼类中虾青素的立体异构体谱通常与其膳食来源的立体异构体谱相似[14]。然而，某些水生动物具有C-3羟基化和C-4酮化的酶学能力，可将前体（如玉米黄质/角黄质）转化为虾青素，或使现有虾青素发生差向异构化。因此，其代谢活性组织中虾青素的立体构型可能与其饮食中的明显不同。例如，水蚤属（Daphnia spp.）和淡水鲤科鱼类可以将藻类来源的(3R, 3′R)-玉米黄质代谢为光学纯的(3S, 3′S)-虾青素，或促进立体异构体之间的相互转化[12, 39]。尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）快速代谢膳食虾青素二酯，经历3S至3R差向异构化，产生特征性的组织比例4:1:0.3（对应玉米黄质异构体）[40]。(3S, 3′S)构型在较低等甲壳类动物中占主导，如哲水蚤（Calanus finmarchicus）、脊尾白虾（Exopalaemon carinicauda）和日本沼虾（Macrobrachium nipponense）[22-25]。相反，(3R, 3′R)形式是南极磷虾（Euphausia superba）以及螃蟹甲壳和卵巢中的主要异构体[22, 26]。这些观察结果表明，鲑科鱼类缺乏手性差向异构化的酶机制，而枝角类、鲤科鱼类和甲壳类动物则拥有β-环C3羟化酶/相关细胞色素P450和还原酶系统。虾青素C3/C3′（3-羟基）位置的手性基本上是在β-紫罗兰酮环羟基化过程中建立的。然而，负责产生不同立体异构体的具体酶促途径仍需进一步阐明。另一种补充机制涉及组织特异性虾青素结合蛋白或结构蛋白（如载体蛋白或细胞骨架相关蛋白）的差异结合亲和力，它们可能在吸收后“保留-沉积”阶段选择性保留或沉积特定对映体，最终导致对映体比率的组织特异性差异。
最后，虾青素具有很强的亲脂性，其末端羟基容易与饱和脂肪酸发生酯化反应形成酯键：单酯（例如虾青素单硬脂酸酯）是通过一个羟基的修饰生成的，而二酯（例如虾青素二硬脂酸酯）则是两个末端均被修饰的结果。与游离形式相比，酯化虾青素表现出优异的稳定性和储存性能；因此，大多数天然虾青素以酯化形式存在，同时满足显色功能和长期储存需求。在甲壳类动物中，虾青素主要以高酯化形式沉积在外骨骼中，总色素的47.7%–95.6%以酯化状态存在。在腹部和肌肉中观察到相对较高比例的游离形式。具体而言，南极磷虾（Euphausia superba）含有25%–35%的虾青素单硬脂酸酯和55%–64%的虾青素二硬脂酸酯。相比之下，鱼类主要在皮肤中沉积酯化虾青素，而在肌肉和其他组织中使用游离形式或弱疏水相互作用进行沉积[41-43]。在鲤科鱼类中，虾青素及其代谢衍生物主要以酯化形式（单酯和二酯）富集在皮肤、鳞片和鳍条中；相反，在肌肉、肝胰腺和肾脏组织中主要检测到游离虾青素，其可能进一步代谢转化为下游类胡萝卜素，如紫黄质和新黄质[44, 45]。
2.2 虾青素在水生动物中的生物活性
虾青素作为一种强效抗氧化剂，已被证明可通过多种机制显著促进水生动物的生长。研究表明，它提高饲料利用效率、增强抗氧化能力、加强免疫反应并增加对胁迫因子的抗性，从而大大提高了其在水产养殖中的价值。其生物活性与其结构高度相关。其共轭双键系统能够吸收特定波长的光，产生鲜艳的橙红色调，有利于色素沉积和抗氧化特性[46]。虾青素末端环状结构中的每个六元环带有一个羟基（–OH）和一个羰基（C=O），形成α-羟基酮结构，增强了其极性和反应性。这种构型还赋予虾青素强大的抗氧化能力，使其能够有效清除自由基，有效保护细胞膜免受氧化损伤，并表现出比其他抗氧化剂更高的活性氧（ROS）淬灭效率，例如，比β-胡萝卜素高10倍，比维生素E高100–550倍[47-49]。与其他类胡萝卜素不同，虾青素具有独特的分子结构，其特征是共轭多烯链两侧带有酮基。这种结构构型赋予其增强的膜通透性，促进有效的跨细胞摄取并与细胞内生物分子直接相互作用。在磷脂双分子层中，虾青素保持单体状态，以20°倾斜角插入细胞膜的脂质疏水区域[50]。这种取向使其两端的极性基团能够同时接触膜界面，形成独特的“跨膜桥”结构，动态地接触两个膜表面，显著提高虾青素的生物利用率。
虾青素通过两种方式增强水生动物的抗氧化活性：一是直接中和和清除活性化学物质（如活性氧[ROS]）；二是诱导生物系统产生一系列抗氧化酶（如总抗氧化酶[T-AOC]、超氧化物歧化酶[SOD]、过氧化氢酶[CAT]和丙二醛[MDA]）。这些活动主要发生在肝脏和血清中。长期投喂虹鳟（Oncorhynchus mykiss）化学合成虾青素（剂量31.50 mg/kg）、雨生红球藻来源虾青素（剂量31.25 mg/kg）或红法夫酵母来源虾青素（32.96 mg/kg）可显著增加肝脏T-AOC并降低MDA，其中雨生红球藻来源虾青素效果最佳[51]。在等剂量30 mg/kg时，天然和合成虾青素均显著降低了螃蟹肝脏MDA水平并提高了肝脏SOD活性，两组之间无统计学显著差异[51]。
虾青素也是水产养殖中常用的着色剂，可增强观赏鱼、虹鳟和虾的着色。虾青素在不同水生动物中的沉积位点和形式各不相同。大多数水生动物自身不能合成虾青素，皮肤和肌肉的着色依赖于外源摄入。研究表明，用合成虾青素（80 mg/kg）投喂斑节对虾（Penaeus monodon）8周可改善表面亮度，而用合成虾青素（25–75 mg/kg）投喂大黄鱼（Larimichthys crocea）9周可显著增强腹部皮肤的红度和黄度以及背部皮肤的亮度[52]。此外，用雨生红球藻来源虾青素（44.5 mg/kg）、红法夫酵母来源虾青素（45.1 mg/kg）或合成虾青素（51.5 mg/kg）投喂虹鳟88天可显著增强鱼肉亮度黄度。此外，在大西洋鲑（Salmo salar）中，投喂红法夫酵母来源虾青素的鱼体颜色比投喂化学合成虾青素的鱼体颜色更深[53]。
虾青素还可以通过改善营养吸收和增强能量代谢来促进水生动物的生长。研究表明，在饲料中添加20 mg/kg的雨生红球藻来源、红法夫酵母来源或化学合成的虾青素，并投喂凡纳滨对虾（Penaeus vannamei）56天，由于淀粉酶和脂肪酶等消化酶的激活，体重增加。化学合成虾青素增强肠道淀粉酶活性，但没有促生长作用[54]。只有雨生红球藻来源虾青素（31.25–32.96 mg/kg）投喂4周可促进虹鳟生长，而其他研究表明，投喂这三种虾青素（100 mg/kg）56天可增加虹鳟终末体重[51, 55]。此外，向凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）饲料中添加250 mg/kg虾青素4周，显著增强了肠道淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶活性，同时也导致体重显著增加[56]。
最后，水产养殖模式正逐渐从基于自然生产力的传统模式向集约化模式转变；高密度养殖已成为重大挑战。这种集约化方式增加了水生动物对疾病的易感性，导致更高的成本和资源浪费。虾青素显示出显著益处：它增强水生动物的抗应激能力、降低疾病发生率并提高存活率。当饲料中添加虾青素（80 mg/kg）时，可有效缓解高密度胁迫下黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）皮质醇水平的升高[57]。为期8周的虾青素（1.5 g/kg）投喂方案将凡纳滨对虾的存活率从81.67%提高到95%。毒性试验显示，经虾青素处理的对虾对腐皮镰刀菌（Fusarium solani）的抗性显著增强，死亡率从65%降至35%[58]。类似地，向凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）投喂虾青素（250 mg/kg）4周，导致对溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）的抗性显著增加，死亡率从65%降至30%。值得注意的是，其中肠中免疫相关基因LZM、Cru和Pen-3α的表达水平显著高于对照组[56]。
虾青素在水生动物中的生物学功能不仅由其分子结构和生物利用率决定，还涉及与各种组织和细胞组分的复杂相互作用。在水生系统中，虾青素的吸收主要发生在胃肠道，专门的转运蛋白和基因在其中发挥关键作用。其在水生生物中的分布和储存与其亲脂特性密切相关，而肝脏、性腺、皮肤和肌肉等高代谢活性组织表现出卓越的摄取效率[59]。虾青素在水生环境中的生物利用率取决于其在消化道中的吸收效率和组织中的储存能力，涉及受化学形式、转运蛋白、消化条件和物种特异性变异影响的多重生物过程。理解这些分子机制对于优化饲料配方和提高虾青素在水生动物中的生物利用率至关重要。然而，与对哺乳动物的广泛研究相比，针对水生物种虾青素吸收和代谢机制的研究仍然相对有限。这一知识差距凸显了对水生生物进行针对性研究的迫切需要。由于类胡萝卜素吸收机制在不同动物中进化保守，来自其他物种的这些保守途径的见解可为研究水生动物虾青素吸收机制提供有价值的指导。借鉴其他物种的现有研究，本综述全面阐明了虾青素在水生动物中生物活性的分子机制，涵盖其吸收、转运和代谢转化过程。
3 虾青素在水生动物肠道中的吸收和转运分子机制
虾青素是一种脂溶性化合物，其与消化道中脂肪吸收机制有许多相似之处，涉及乳化、水解、被动扩散和转运蛋白介导的吸收等过程。首先，当虾青素被摄入时，它在消化道中被胆汁乳化，与膳食脂肪形成水溶性混合胶束。然后这些胶束自由扩散到肠壁表面，通过被动扩散或由肠道黏膜或上皮细胞中的转运蛋白介导的主动转运被吸收[60]。随后，游离虾青素进入肠道上皮细胞。在吸收之前，酯化虾青素必须通过消化酶（如胰脂肪酶）转化为游离形式，水解效率直接影响其生物利用率。投喂虹鳟酯化虾青素（来自雨生红球藻）显著增加了肠道内容物中的游离虾青素浓度，游离虾青素的血清吸收率比酯化形式高35%，证实了水解是吸收的必要步骤[61]。类似地，当银大马哈鱼（Oncorhynchus kisutch）被投喂磷虾来源的虾青素酯时，在肠道中仅检测到游离虾青素[62]。
被动扩散长期以来被认为是游离虾青素进入细胞的主要机制。虾青素独特的疏水-亲水-疏水分子结构使其无需特定转运蛋白即可通过被动扩散进入细胞，特别是在脂溶性环境中效率很高。此外，不同立体化学构型的游离虾青素显示出不同的扩散效率。3S, 3′S构型的吸收率比3R, 3′R构型高9–11倍，鲑鱼摄食后血浆中超过80%的虾青素是3S, 3′S构型[63]。然而，随后的实验揭示了游离虾青素表现出差异性、选择性和竞争性吸收[64, 65]。肠道上皮细胞对β-胡萝卜素的吸收是非浓度依赖性的，这表明特定转运蛋白参与了类胡萝卜素的摄取[66]。一项比较转录组研究进一步证实了这一点，该研究显示脊尾白虾（Exopalaemon carinicauda）摄入富含虾青素的饲料后，其小肠中吸收相关基因（如低密度脂蛋白受体[LDLR]和卵黄蛋白受体）上调，表明虾青素的吸收涉及物理扩散和生化信号调节[59]。
肠道中胆固醇的吸收受到多种转运蛋白的调控。过表达SR-B1、CD36和NPC1L1的细胞对胆固醇胶束的吸收增强，而添加这些转运蛋白的特异性抑制剂则显著抑制胆固醇摄取[67-69]。类胡萝卜素如虾青素与胆固醇具有相似的异戊二烯结构。研究人员假设并随后证实，包括SR-B1、CD36和NPC1L1在内的转运蛋白也参与脂溶性维生素和类胡萝卜素的跨膜转运（图1）。
在这三种转运蛋白中，SR-B1是第一个被鉴定介导类胡萝卜素主动摄取的。2005年，Reboul等人通过Caco-2 TC-7细胞系模型证明SR-B1是叶黄素的关键转运蛋白[70]。同年，有报道称SR-B1和CD36通过肠道刷状缘膜囊泡增强β-胡萝卜素的吸收[71]。后续研究证实，包括番茄红素、维生素A原、八氢番茄红素和八氢番茄红素在内的类胡萝卜素也可以通过SR-B1被转运到细胞中[72-74]。对虾青素吸收的研究明显落后于其他类胡萝卜素。Yang等人利用Caco-2细胞单层模型阐明了SR-B1在虾青素转运中的作用[75]。该转运过程具有构象选择性，分子对接模拟和细胞验证实验显示，SR-B1对13Z-虾青素的亲和力高于全反式虾青素和9Z-虾青素[75]。SR-B1的疏水通道（约5×5-?开口和显著的22×11×8-?空腔）容纳虾青素分子，而胞外结构域通过带正电荷的氨基酸残基与虾青素的极性末端基团（如酮基和羟基）进行静电相互作用，从而增强结合亲和力[76]。SR-B1缺陷的鲤鱼和斑马鱼表现出类胡萝卜素沉积减少和体色苍白[77-79]。此外，SR-B1缺乏导致斑马鱼繁殖能力受损、胚胎发育异常和幼虫存活率降低，表明SR-B1对亲脂分子的转运功能对水生动物至关重要[78, 79]。SR-B1的氨基酸序列和关键功能结构域在脊椎动物进化中高度保守，包括水生动物[80]。此外，其特异性抑制剂BLT1能够在哺乳动物和斑马鱼中抑制其脂质转运活性[78, 81]。因此，基于跨物种的保守性和功能研究，研究人员提出SR-B1介导的虾青素转运主要涉及以下三个阶段：表面积累、定向转移和细胞内代谢（图2）。在表面积累阶段，游离虾青素与膳食脂质、脂肪酸和胆汁盐形成混合胶束，嵌入HDL/LDL核心。SR-B1识别HDL（主要通过ApoA-I）和LDL作为脂蛋白配体，并通过其脂质转运通道介导虾青素的选择性摄取[82, 83]。在大西洋鲑实验中，高脂饲料通过上调SR-B1表达促进虾青素在脂蛋白（HDL/LDL）中的积累，从而显著提高血浆浓度[84]。与LDL相比，SR-B1对HDL-ApoA-I表现出更高的亲和力，导致嵌入HDL核心的游离虾青素具有更高的转运效率[85]。在定向转移阶段，SR-B1在膜上形成寡聚体（二聚体/四聚体），创造“脂质通道”，直接从脂蛋白中提取虾青素并将其释放到细胞膜双分子层中[86]。此过程不依赖于内吞作用，比受体介导的内吞作用消耗更少的能量[83]。最终，游离虾青素可能通过脂肪酸转运蛋白（如FATP4）在细胞质中转运至内质网（ER），并被酯化，然后重新掺入乳糜微粒（甲壳类动物）或直接掺入乳糜微粒（鱼类），随后通过淋巴系统进入血液，参与体内代谢[87]。
CD36和NPC1L1已相继被证明介导虾青素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-玉米黄质和叶黄素等类胡萝卜素的吸收[73, 88]。CD36与SR-B1具有结构同源性（均含有胆固醇识别位点），属于B类清道夫受体家族[89]。研究表明，CD36通过其疏水结合域直接捕获虾青素等亲脂性分子，并通过高尔基体膜上的DHHC4（棕榈酰酰基转移酶4）和细胞膜小窝结构上的DHHC5介导其跨膜转运，这些酶调节CD36的棕榈酰化和去棕榈酰化，从而控制其质膜定位和虾青素内吞作用[90-92]。体外和细胞实验证实，CD36的虾青素转运效率高于SR-B1。在Caco-2肠上皮细胞中，敲低CD36使虾青素吸收减少63.2%（p < 0.01），显著高于SR-B1沉默组观察到的28.5%的减少（p < 0.05）。特异性CD36抑制剂（磺基-N-琥珀酰亚胺油酸酯）阻断了70%的虾青素内吞，而SR-B1抑制剂（BLT-1）仅抑制40%。有趣的是，CD36和SR-B1表现出功能协同作用，部分补偿了由SR-B1受损引起的吸收能力。在SR-B1基因敲除小鼠中，CD36表达上调1.8倍（p < 0.001）[84]。一个合理的解释是，CD36对Z型虾青素（特别是9Z-虾青素）具有更高的亲和力，与SR-B1在虾青素吸收和转运中形成互补关系。分子对接和表面等离子体共振研究进一步证实，9Z-虾青素通过快速结合和解离与CD36的多个氨基酸残基结合，促进其转运[93]。此外，两种蛋白质形成的异二聚体增强了肠道微绒毛细胞中的脂质转运效率[94]。它们共同优化了肠道中的亲脂微环境，进一步提高了虾青素的溶解度和吸收率[89]。CD36介导的虾青素转运吸收的分子机制可概括为三个关键阶段：配体特异性识别、网格蛋白介导的内吞作用和细胞内代谢（图3）。在配体特异性识别阶段，CD36的DHHC4-棕榈酰化结构域通过其脂筏结构域（由胆固醇和鞘脂组成）在细胞膜小窝结构上快速积累[91, 92]。CD36的疏水通道结构（Lys164-Val165）通过范德华力特异性结合虾青素的β-吡咯烷酮环[95, 96]。虾青素与CD36结合后，激活其下游激酶LYN。LYN的磷酸化使DHHC5失活，导致CD36去棕榈酰化。随后，去棕榈酰化的CD36招募SYK激酶启动内吞作用，从而促进虾青素进入细胞[97, 98]。最后，游离虾青素与细胞质脂肪酸结合蛋白2（FABP2）结合，并被转运至内质网进行酯化和乳糜微粒组装[99-102]。同时，在被DHHC4棕榈酰化后，CD36重新与细胞膜结合[91, 92]。在Caco-2肠上皮细胞中过表达CD36使乳糜微粒分泌增加40%（p < 0.05），虾青素富集浓度提高1.7倍[103]。值得注意的是，CD36与虾青素的结合依赖于其脂肪酸结合位点，而CD36对脂肪酸的亲和力高于对虾青素的亲和力。脂肪酸的共存导致CD36对虾青素的转运效率显著降低（约50%），表明两者存在结合口袋的竞争性相互作用[104]。
作为参与胆固醇吸收的关键蛋白，NPC1L1通过调节膜脂流动性间接影响虾青素的转运[105]。然而，直接结合测定表明，虾青素对NPC1L1的亲和力（K
d≈15 μM）仅为对CD36亲和力（K
d≈0.75 μM）的二十分之一[69]。NPC1L1介导的虾青素转运的具体机制仍不清楚。研究人员假设NPC1L1在胆固醇吸收中的分子机制可能与CD36相似（图4）。NPC1L1的N末端结构域包含一个保守的甾醇结合口袋，通过疏水相互作用识别虾青素的异戊二烯链和β-紫罗兰酮酮环[106]。虾青素-NPC1L1复合物随后与肠细胞顶膜结合，与脂褐素蛋白Flotillin-1/2相互作用。这种相互作用促进网格蛋白的招募以形成囊泡，然后触发内吞过程[107]。
除了这些转运蛋白外，虾青素的细胞摄取还受到多种因素的影响，包括饲料配方、环境条件和动物自身的生理状态。Cao等人的研究指出，异构化和酯化在膳食虾青素的结构-功能关系中起着关键作用，这意味着饲料中虾青素的异构体组成和酯化程度直接影响其吸收[75]。此外，胆汁盐和膳食脂肪显著促进虾青素吸收。在饲料中添加适量的脂质有助于虾青素胶束的形成，从而增强其吸收。胆汁盐的存在提高了肠道中脂溶性物质的生物利用率，从而增加了虾青素的吸收效率。研究表明，在高脂肪饮食中虾青素的吸收显著增加，与肠道中脂肪酸浓度呈正相关[59]。Olsen等人研究了膳食脂质来源和胆汁酸组成对鲑鱼虾青素吸收的影响[108]。与鱼油相比，添加颗粒状大豆油显著损害了虾青素的摄取；然而，这种抑制通过牛磺酸补充得到部分逆转，使吸收率增加约20%并提高血液虾青素水平。相反，膳食卵磷脂水平升高被发现降低了虾青素的吸收。水温显著影响水生动物的消化生理和代谢率，可能影响虾青素的吸收[109]。然而，目前直接探讨温度如何影响水生动物虾青素吸收分子机制的详细研究很少，这是一个需要进一步研究的领域。
总之，细胞对虾青素的摄取受多种因素调控。表1列出了影响因素及其具体机制，以供参考。
4 虾青素代谢转化的分子机制
虾青素通过SR-B1、CD36、NPC1L1以及可能的LDLR等转运蛋白穿过顶膜（刷状缘）进入肠上皮细胞后，遵循两条不同的途径进入体循环（图5）。进入细胞后，一部分虾青素可以直接穿过细胞膜而无需代谢处理，到达基底侧膜并进入体循环。同时，另一部分虾青素在肠细胞内被BCMO1裂解以产生全反式视黄醛。随后，该产物可通过ALDH1A2转化为全反式视黄酸（ATRA），其与RAR/RXR核受体通路相关，或通过RDH3还原为全反式视黄醇，最终形成9-顺式维甲酸类物质和二氢维甲酸类物质等分支代谢物。同时，ABCG2的上调促进部分虾青素外排回肠腔；基因敲除研究表明，ABCG2是调节肠道虾青素代谢的关键基因之一[119, 120]。
在水生生物的体循环中，虾青素参与多种生物过程，包括异构化、酯化、分解代谢和储存，遵循优先在代谢活跃或易于色素沉积区域积累的原则。其在水生生物中的分布模式与其生理功能高度一致，通常在肝脏、肌肉、皮肤和性腺等组织中表现出高浓度[121-123]。虾青素的利用和储存直接有助于维持水生生物的健康。其生物活性主要表现为以酯化或游离形式直接参与抗氧化保护、以酯化或游离形式参与着色（皮肤、肌肉和外骨骼）、以游离形式参与营养补充（性腺）、以游离形式参与解毒机制（肝脏），或通过代谢转化为次级代谢产物而发挥作用[124]。在肌肉和肝脏等高代谢组织中，虾青素清除活性氧（ROS），增强抗氧化酶（如超氧化物歧化酶[SOD]和谷胱甘肽过氧化物酶[GPx]）的活性，并减少脂质过氧化[10, 125]。在生殖腺中，虾青素通过减轻氧化应激来提高配子质量，从而间接提高水产养殖生产力[126-128]。此外，它通过增强水生动物的非特异性免疫反应和改善病原体抗性来调节免疫功能。当红罗非鱼（Oreochromis sp.）摄入虾青素时，虾青素在组织中积累并促进免疫因子（如TNF-α）的表达，导致氨氮应激耐受性提高40%[129]。下面详细阐述驱动这些生物效应的多方面机制，包括生化代谢途径和细胞信号级联反应。
4.1 虾青素在水生动物中的分子命运
水生动物的肝脏是虾青素代谢转化的主要器官，富含各种酶系统（图5）。作为负责转化和排泄各种外源物质的代谢中心，肝脏中的虾青素积累显著高于其他器官（肝脏：肠道 = 3.2:1），荧光标记实验证明了这一点[130]。此外，肝脏中的虾青素主要以高活性的游离形式存在。当投喂虹鳟虾青素时，游离虾青素占肝脏虾青素含量的60%，而酯化形式主要储存在脂滴中[131]。研究表明，肠道吸收的虾青素被掺入乳糜微粒（CM），通过淋巴系统转运到血液中，并被肝细胞上的LDL受体识别而内化[132]。水生动物肝脏中虾青素的直接代谢转化主要通过NADPH依赖性还原酶、异构酶和裂解酶进行，涉及三种主要途径：还原、异构化和链裂解。这些反应主要涉及酶促羟基化和去甲基化，形成更水溶性的代谢物，如羟基虾青素或3-羟基-4-氧代-β-紫罗兰酮（C13产物）——侧链缩短的衍生物[133-135]。Matsuno等人（1985）揭示了两种主要的还原代谢途径。第一种涉及通过(3S, 4RS, 3′R)-β,β-胡萝卜素-3,4,3′-三醇中间体将(3S, 3′S)-虾青素转化为(3R, 3′R)-玉米黄质，这在鲭鱼和黄尾鱼中常见[26]。第二种途径通过(3R, 3′R)-玉米黄质和(3R, 6′S)-3-羟基-β,ε-胡萝卜素-3′-酮等中间体形成鲻鱼黄质A、B和C，已在鲯鳅和飞鱼中发现[26]。异构化主要产生13Z-虾青素、9Z-虾青素和异虾青素等异构体，其中异虾青素是卵巢中的主要产物。由类胡萝卜素裂解加氧酶催化的氧化
