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天然虾青素超级抗氧化活性及其应用

发布日期:2016-04-20

天然虾青素的超级抗氧化活性及其应用

魏东(1) , 严小君(2)

(1.青岛海洋大学海洋生命学院,青岛 266003;2.中国科学院实验海洋生物学开放研究室 266071)

摘 要:本文综述了天然虾青素(超级维生素E)的来源、超级抗氧化活性和生物安全性,以及在医药、保健食品和饲料工业中的应用,并对国内虾青素的产业化前景进行了展望。

关键词:虾青素;抗氧化活性;生物安全性;产业化

中图分类号: R971 文献标识码: A 文章编号: 1002-3461-(2001)04-0045-06

虾青素(又名超级维生素E)是一种红色的天然类胡萝卜素,化学名称为3,3' -二羟基-β,β-胡萝卜素-4,4' -二酮,分子式C40H52O4,广泛存在于鲑鱼、虾、蟹、观赏鱼和鱼卵中,以及植物叶、花和水果中。绝大多数海产甲壳类动物和鱼类都含有虾青素,但都是通过食物链从海洋微藻、浮游植物和浮游动物中获得的。这些海产动物通常都是人类的日常膳食,对人体绝对安全。虾青素不仅能使鲑鱼的肉呈桃红色,虾、蟹的壳呈深红色,保证了水产动物具有良好的营养价值和市场价值,而且它还是这些动物正常生长和存活所必需的营养物质。近年来的研究证实,天然虾青素具有强烈的抗氧化活性,被赞誉为“超级维生素E,作为人类的高级保健食品、心血管、糖尿病等领域药品和水产动物、家禽、家畜的饲料添加剂市场非常广阔。

1 天然虾青素的超级抗氧化活性

生物体的光氧化、生理胁迫和正常的免疫系统功能都会产生几种有害的活性氧,如单线态氧和氧自由基。这些分子含有非配对的电子,具有高度不稳定性,会导致氨基酸的氧化、蛋白质的降解和DNA的损伤等多种细胞伤害。氧自由基还会攻击细胞膜上的不饱和脂肪酸,过度氧化的脂肪酸能通过链式反应产生更多的脂肪酸自由基。过多自由基的存在打破了生物体自由基与抗氧化剂的平衡,成为导致风湿性关节炎、心脏病、Parkin-son氏综合症、Alzheimer氏综合症、多种癌症和休克的重要原因。

天然虾青素(又名超级维生素E)具有特殊的分子结构,体外实验发现它是单线态氧的强大淬灭剂,具有清除氧自由基的强大能力,是一种极有效的抗氧化剂。在雨生红球藻(H aematococcus pluvislis)活细胞内,它作为光保护剂和强抗氧化剂,能够淬灭由强光和过度氧化产生的多种活性氧,防止活性氧对细胞的伤害。天然虾青素比角黄素(canthaxanthin)、β-胡萝卜素(β-carotene)和玉米黄素(zeaxanthin)能更有效地阻止不饱和脂肪酸甲酯的过度氧化,其抗氧化活性是维生素E550,是β-胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素(lutein)和角黄素等类胡萝卜素的10,被誉为“超级维生素E”、“超级抗氧化剂”。

天然虾青素(超级维生素E)的生物学活性主要表现在:

1.1 保护皮肤免受光损伤

紫外辐射是导致表皮光老化和皮肤癌的重要原因。研究表明,虾青素对转谷胺酰胺酶具有特殊作用,能够在皮肤受光时消耗腐胺,而且口服虾青素对腐胺积累的抑制作用比口服维生素A更强,说明虾青素(又名超级维生素E)的强抗氧化活性可作为潜在的光保护剂,用于阻止皮肤的光老化。

1.2 预防动脉硬化和相关疾病

临床医学研究表明,低密度脂蛋白(LDL)的氧化是导致动脉硬化的重要原因。虾青素在体内具有显著升高高密度脂蛋白(HDL)和降低LDL的功效,而β-胡萝卜素和角黄素则无此作用,因此推测虾青素(超级维生素E)能减轻载脂蛋白的氧化,可用做预防动脉硬化、冠心病和缺血性脑损伤的制剂。

1.3 抗癌活性

免疫学研究表明,口服类胡萝卜素具有抗癌作用,能直接作用于免疫系统,导致肿瘤缩小。给实验大鼠和小鼠饲喂虾青素,能显著地抑制化学物诱导的初期癌变,对暴露于致癌物质中的上皮细胞具有抗增殖作用和强化免疫功能的作用,而且存在着剂量效应。因此推测虾青素具有显著的抗癌特性。虾青素还能诱导肝脏中的酶,显著抑制小鼠的膀胱癌、大鼠的口腔癌和结肠癌、胃癌,要比β-胡萝卜素更为有效。口服虾青素还能抑制乳腺癌的生长,其剂量效应在β-胡萝卜素和角黄素中是不存在的。虾青素(又名超级维生素E)还能降低黄曲霉毒素的致癌性,对减少黄曲霉毒素诱导的肝肿瘤细胞的数量和体积效果良好。

1.4 增强免疫系统功能

单线态氧对动物的免疫系统具有细胞毒作用,它催化产生的自由基可加速巨嗜细胞细胞膜的降解,导致吞噬效率降低和功能紊乱。虾青素能显著影响动物的免疫功能,在有抗原存在时显著促进脾细胞产生抗体的能力,增强T细胞刺激下人体内血细胞免疫球蛋白的产生,还能够部分恢复年老小鼠的体液免疫系统,表明在抗原入侵初期,虾青素能增强特异性体液免疫反应。虾青素还能增强小鼠释放白细胞介素-1α和肿瘤坏死因子α,其作用比β-胡萝卜素和角黄素强得多。由此认为,虾青素超级维生素E)具有最佳诱导细胞分裂的活性和具有重要的免疫调节作用,可作为免疫增强剂使用,有利于预防各种类型的流行性感冒

1.5 维护眼睛和中枢神经系统的健康

人类视网膜中含有的多不饱和脂肪酸和高浓度氧比任何其他组织中都高。当高能量蓝光作用于视网膜时,由光氧化产生的单线态氧和氧自由基就会对视网膜产生过氧化损伤。对于人和其他动物来说,膳食中的类胡萝卜素是保持眼睛健康所必需的,可将这些损伤性的活性氧淬灭,帮助保护视网膜抗氧化损伤,在临床上可用于治疗“年龄相关性黄斑变性”。最近的研究表明,虾青素能通过血脑屏障,有效防止视网膜的氧化和感光器细胞的损伤,说明虾青素(超级维生素E)在预防和治疗“年龄相关性黄斑变性”、改善视网膜功能方面具有良好效果。

中枢神经系统(包括大脑、脊髓和外周神经)都富含不饱和脂肪酸和铁,代谢活性很高,极易受到氧化损伤,导致多种神经系统的疾病。虾青素(超级维生素E)具有保护中枢神经系统的能力,尤其是大脑和脊柱,能有效治疗缺血性的重复灌注损伤、脊髓损伤、Parkinson氏综合症、Alzheimer氏综合症等中枢神经系统损伤。

1.6 强化肌体的能量代谢

口服虾青素能强化需氧代谢,可使人的肌肉力量和耐受力明显增强。饲喂虾青素还能使虾在胁迫环境中的存活率大大提高,作用效果与组织中的色素含量呈正相关。研究发现,对于人工养殖的大西洋鲑鱼鱼苗,如果的饲料中虾青素的含量低于5.1μg·g-1 ,鱼苗将停止生长,低于1μg·g-1 时鱼苗的存活率将直线下降到50%以下。可能虾青素(超级维生素E)作为一种细胞内氧的储存物质发挥作用,使鱼类和甲壳动物在通常池塘养殖的缺氧条件下得以存活。

1.7 抗感染活性

最新的研究表明,给小鼠饲喂富含虾青素的雨生红球藻(H aematococcus)藻粉,能够明显降低幽门螺杆菌(H elicobacter pylori)对胃的附着和感染,为此国外已开发了口服制剂作为抗感染制剂。虾青素二酯还具有抗感染药物的配合剂的作用,与阿司匹林同时服用可加强其药效。

2 天然虾青素的应用

2.1 作为人类的高级营养保健食品和药品

目前,国际上利用天然虾青素开发人类的高级营养保健食品和药品,其产品定位主要在强化免疫系统功能、抗癌、保护视网膜免受紫外辐射和光氧化、抗炎、预防血液LDL-胆固醇的氧化损伤等方面。最近日本又开发出两种皮肤外用制剂,以及含有虾青素(又名超级维生素E)的抗炎制剂和饮料,可用于保护皮肤免受紫外辐射的损伤。

2.2 作为水产养殖业的饲料添加剂

水产养殖业始终是虾青素(超级维生素E)最大的市场。在商业化的鱼类和甲壳类动物(如鲑鱼、虾、蟹、虹鳟鱼等)养殖厂,通常在饲料中添加虾青素以补充色素,可极大提高产品的市场价值。虾青素不仅仅做为水产养殖动物的着色剂,越来越多的证据证实,虾青素(又名超级维生素E)是水产动物必需的维生素,对它们的正常生长和健康养殖、提高存活率和繁殖率具有极为重要的作用。大西洋鲑鱼的鱼苗要求在饲料中必需含有的虾青素不得低于5.1μg·g-1 ,否则会影响生长和存活。虾青素还能增加大西洋鲑鱼某些组织中维生素ACE的含量;能刺激彩虹鲑鱼的免疫系统。虾青素还对对虾卵和幼虫的发育至关重要,在饲料中添加虾青素,可提高幼虾的存活率和红海鲤的卵浮力和存活率,强化红罗非鱼肝细胞的结构和糖原储存,并在鲑鱼育苗期能增加受精率、卵的存活率和生长率。

全球水产业以每年24%的比例递增,目前是每年350亿美金,2010年将达到490亿美金。天然虾青素的市场主要受全球生产能力的制约,国际市场的价格高于每公斤3000美元,目前仅鲑鱼饲料一项的年市场容量就超过1.85亿美金,并以每年8%的速率递增,显示出极大的市场潜力。

2.3作为蛋禽和家畜工业的饲料添加剂

天然虾青素(又名超级维生素E)作为蛋禽和家畜的饲料添加剂,目前的市场容量为1.25亿美金,其需求还在不断地增长。在家禽饲料中添加虾青素,可使鸡蛋蛋黄增加色素含量,这是欧洲消费者首先考察的参数。它还能提高母鸡的产蛋率、促进蛋鸡的健康。同时,在孵化初期的3周内还能促进鸡仔的生长和饲料利用率、降低鸡仔的死亡率、提高孵化率、抵抗沙门氏菌的感染、延长鸡蛋的货架期。虾青素作为饲料添加剂喂猪,可增加公猪的精液体积,提高猪仔的体积和存活率。虾青素(超级维生素E)还是一种活性的抗胁迫因子,可增进饲养动物和家庭宠物的抗胁迫能力,将极端温度和其他突发的环境变化带来的体重丧失和免疫性降低减小到最低。雨生红球藻粉中的酯化虾青素是一些药物配方中的首选成分,可预防和治疗马的肌肉机能障碍、奶牛的乳腺炎和幽门螺杆菌(H elicobacter sp.)引起的胃肠管道炎症。

3 天然虾青素的生物效价和生物安全性

化学合成的虾青素多为3R-3'S,野生鲑鱼和雨生红球藻中的虾青素主要是天然的3S-3'S型。动物体对化学合成的虾青素吸收能力较弱,且在体内不能转化成天然构型。随着天然产物的兴起,世界各国对化学合成虾青素的管理也越来越严,如美国食品与药物管理局(FDA)已禁止化学合成的虾青素进入保健食品市场。而天然虾青素的着色能力和生物效价,在同样浓度下要比合成虾青素高得多,因而越来越受到人们的青睐。

天然虾青素是人类日常食物中的一种成分,在红大麻哈鱼中的含量可高达40μg·g-1 ,对动物和人体绝对安全。

动物和人体实验的结果表明,在高达10.4~18.0 mg·g-1的雨生红球藻藻粉的口服剂量下,雌、雄小鼠未发现死亡和异常现象。大鼠以400μg·g-1 虾青素的剂量饲喂41,未发现任何有害作用。一项日本专利的研究表明,人体以每天14.4mg虾青素的剂量服用雨生红球藻粉两周,无任何致病效果,并随着虾青素剂量的增加,血清中LDL的氧化速率明显降低。体外研究也未发现雨生红球藻粉有任何诱变作用。Aquasearch公司的最新研究表明,29天的实验期内,33名健康成人每天服用雨生红球藻藻粉来补充虾青素,分为高(19.25mg)和低(3.85mg)二个剂量组。经过详细监测志愿者的体重、皮肤颜色、血压、近距离和远距离视力、理解力、眼睛健康状况,以及耳、鼻、喉、口、齿、胸、肺和反射反应,还进行了全面的血液和尿样分析,结果表明,口服富含天然虾青素的雨生红球藻藻粉,对人体无任何致病效应或毒副作用。该公司的雨生红球藻产品现已获美国FDA的批准,允许作为一种新的膳食成分进入市场。在日本,天然虾青素(超级维生素E)也已用于食品和动物饲料,美国FDA、欧盟、加拿大食品监察局也已批准它作为鲑鱼类的饲料添加剂。

4 天然虾青素的产业化现状

目前,虾青素的主要来源还是化学合成,只有少数跨国公司能够生产,一般用于鱼类饲料中。天然虾青素虽来源广泛,但含量极低,如在虾、蟹的废壳中的含量只有约80μg·g-1 。一种特殊的酵母法夫酵母(Phaffia rhodozyma)中含量一般在1500 ~ 5000μg·g-1 之间,淡水单细胞绿藻-雨生红球藻(H aematococcus pluvialis),虾青素的含量可达10000 ~ 40000μg·g-1 ,是鲑鱼肉中的1000 ~ 4000,因而被认为是自然界中天然虾青素含量最高的生物。天然虾青素的工业化生产,目前也主要是采用法夫酵母的工业发酵和雨生红球藻的大规模养殖来进行的。由于生产技术难度高,天然虾青素的产量有限,国际市场上的价格很高,也使天然虾青素(又名超级维生素E)的应用受到了一定的制约。

虽然国外在这个领域的研究已相当深入,个别大公司的生产技术业已成熟,并在十几个国家申请了专利进行知识产权的保护,导致了天然虾青素的生产技术和市场价格的垄断。但国内仍然有必要进行独立的研究和开发,抓住天然虾青素价格居高不下的有利时机,借鉴国外的成功经验,跟踪国际最新信息,建立具有自主知识产权的高新技术,打破这种垄断,在国际市场上占有一席之地,实现巨大的经济效益。目前,青岛海洋大学、中科院武汉植物所、无锡轻工业大学等单位正在独立开发雨生红球藻和法夫酵母生产天然青素超级维生素E)的技术,在不远的将来有望实现产业化。

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