光语带你认识微藻 第六篇——虾青素与其功效

图1.提取得到的虾青素油(图片引自网络)

光语带你认识微藻

第六篇——虾青素与其功效

单位:上海光语生物科技有限公司

微信公众号:Leadingtec

作者:俞建中(微信号:Scophy117

(本篇图少,君莫嫌弃)

 

1.虾青素简介

虾青素,英文名叫Astaxanthin,台湾称为虾红素,是类胡萝卜素的一种,脂溶性,广泛存在于微生物细胞内和水生动物体内。目前主要应用于食品色素、保健品、化妆品、鱼虾饲料等。

图1.提取得到的虾青素油(图片引自网络)
图1.提取得到的虾青素油(图片引自网络)

 

研究表明,除了我们熟知的鲑鳟鱼类肌肉和虾蟹类甲壳中含有虾青素外,还有很多的微生物种类中含有,如藻类里有雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)、新绿球藻(Neochloris wimmeri)、绿球藻(Chlorococcum)、佐芬根小球藻(Chlorella zofingiensis,现已更名为色绿球藻Chromochloris)、栅藻(Scenedesmus)、肠浒苔(Enteromorpha intestinalis)、石莼(Ulva lactuca)、链藻(Catenella repens,属红藻),以及血红裸藻(Euglena sanguinea,早期资料称含有血红素,实为虾青素),其他的微生物如农杆菌(Agrobacterium aurantiacum)、副球菌(Paracoccus carotinifaciens)、法夫酵母(Phaffia rhodozyma)和破囊壶菌(Thraustochytrium)等。

图2.鲑鳟鱼肌肉及虾蟹外壳含有虾青素(图片引自网络)
图2.鲑鳟鱼肌肉及虾蟹外壳含有虾青素(图片引自网络)

 

目前商业化的虾青素产品主要来源于雨生红球藻、法夫酵母和化学合成。依据化学中手性分子的说法,虾青素其实有好几种立体化学结构,如下图所示的四种,名字很复杂,为了简单起见,用个字母代号来表示他们的几种类型:A=“3S,3’S”、B=“3R,3’R”,C=“3S,3’R”, D=“3R,3’S”。

图3.虾青素的四种化学结构式,by KD Nguyen (按本篇代号,从上往下依次为A、B、C和D型)
图3.虾青素的四种化学结构式,by KD Nguyen
(按本篇代号,从上往下依次为A、B、C和D型)

不同原料获取的虾青素的化学立体结构是有区别的:如雨生红球藻中全是A型;法夫酵母中B型占98%以上,剩下是C和D型;化学合成的A和B型各占25%,剩下的是C和D型(也有文献报道A:B:C:D=1:1:2:2),而三文鱼肌肉中测到数据,80%左右是A,其他三种含量较低。尽管都是虾青素,但摄入体内后就有可能因立体结构的不同,影响吸收利用及其生物学功效。另外一个情况是,在生物体内,游离的虾青素很少,大部分是跟脂肪酸结合形成酯结构,而合成的虾青素全部为游离形式,因此推断认为,酯化的虾青素更容易被吸收利用。

 

2.虾青素的抗氧化作用

抗氧化是虾青素最显著的功能

抗氧化是指的是一种物质抑制氧化的能力,氧化性损伤是由自由基和活性氧造成的,生物体正常的有氧代谢就能产生活性很强的自由基和活性氧,在过量的情况下,就会跟蛋白、脂质和DNA等物质形成系列的反应,导致这些物质的损伤和破坏。

图4. 不同抗氧化物质焠灭单线态氧的能力比较(从左往右依次为虾青素,叶黄素、β-胡萝卜素和维生素E,by N. Shimidzu et al. 1996)
图4. 不同抗氧化物质焠灭单线态氧的能力比较(从左往右依次为虾青素,叶黄素、β-胡萝卜素和维生素E,by N. Shimidzu et al. 1996)

自由基和活性氧的氧化能力可以被内源或外源的抗氧化物质所抑制,如类胡萝卜素。虾青素相比于他类胡萝卜素,如叶黄素、番茄红素和α/β-胡萝卜素,具有更高的抗氧化能力。如图显示的是不同抗氧化物质猝灭单线态氧强度的比较,图为不同抗氧化物质清除氧自由基的能力。同时动物体内实验证明,给实验大鼠喂养雨生红球藻后,鼠的血浆及肝脏中各种抗氧化酶的活性均有大幅度提高。

 

图5. 不同抗氧化物质清除氧自由基的能力比较(从左往右依次为维生素E、维生素C、碧萝芷(松树皮萃取物)、β-胡萝卜素、合成虾青素和天然虾青素,by D. Bagchi, 2001)
图5. 不同抗氧化物质清除氧自由基的能力比较(从左往右依次为维生素E、维生素C、碧萝芷(松树皮萃取物)、β-胡萝卜素、合成虾青素和天然虾青素,by D. Bagchi, 2001)

 

(1)抑制脂过氧化

虾青素的强抗氧化能力来源于其分子一个独特的结构(分子两端的紫罗酮环带有的羟基和酮基),该结构使得虾青素的抗氧化能力是其他类胡萝卜素的数倍,如(数)十倍于玉米黄素、叶黄素、斑蝥黄素、β-胡萝卜素,百倍于维生素E。虾青素分子在细胞膜中形成穿膜,因此可以通过整个分子的碳链将活性电子传递至细胞外(如图)。因此具有抑制细胞膜上的脂过氧化、增强免疫系统功能和调节基因表达等功能,此功能已经在很多动物实验中得到证实。

图6. 虾青素在细胞膜中形成穿膜(引自http://truttmd.com/)
图6. 虾青素在细胞膜中形成穿膜(引自http://truttmd.com/)

 

(2)消炎作用

雨生红球藻中提取的虾青素具有消除细菌感染引起的炎症反应的作用,如幽门杆菌引起的胃炎,还能降低因炎症引起的DHA氧化损伤,在肺炎、胃溃疡、皮肤炎等病症中也证明了其功效。

 

(3)视力健康

眼睛的黄斑变性认为与光诱导的氧化损伤有关,虾青素能够通过血视网膜屏障进入眼球,以其抗氧化能力对此病症发生作用。另外更深入的研究发现,虾青素对眼球疲劳引起的酸胀、视力模糊、双影等症状均有效果。

 

(4)糖尿病

虾青素能够保护胰脏β-细胞,降低胰脏细胞中因高血糖引起的氧化水平,并提升血浆胰岛素水平,恢复糖尿病导致的淋巴细胞机能障碍,通过抑制脂和蛋白氧化使得人脐静脉内皮细胞具有抑制糖和糖蛋白导致的细胞毒作用,提高自发性糖尿病动物的胰岛素敏感度,降低尿蛋白水平,预防糖尿病肾病等。

 

(5)心血管疾病预防

低密度胆固醇(LDL)被认为与动脉粥样硬化的发生有关,而虾青素能够通过提升高密度胆固醇的含量而减低产生动脉粥样硬化的风险,从而具有维护心血管的健康。同时氧化应激和炎症反应是动脉粥样硬化冠心病疾病的病例特征之一,而虾青素具有的抗氧化和消炎作用使其有可能成为治疗该疾病的药物原料。另外虾青素还具有影响血压,增加血液流动速度,还能抑制某些高胆固醇血脂造成的蛋白氧化。

 

(6)抗癌活性

活性氧如过氧化物、过氧化氢和自由羟基等在正常的有氧代谢中就会产生,而单线态氧由光化学反应催化而来,氢过氧自由基则产生于脂质过氧化。这些氧化物会通过氧化DNA而导致衰老和退化性疾病如癌症和动脉硬化的发生。

抗氧化物可以通过抑制对细胞的氧化损伤而降低突变和癌变几率。细胞间某个交联蛋白的增加可以提升细胞间隙连接,从而降低癌细胞增殖,虾青素较之斑蝥黄素和β-胡萝卜素具有明显的抗癌活性,能够明显提升人体皮肤成纤维细胞的细胞间隙连接。另有研究证明虾青素能够抑制细胞死亡、癌细胞增殖、乳腺癌增生、皮肤瘤增生,抑制结肠癌细胞增生并促进其凋亡等等。

 

(7)免疫调节

免疫系统的细胞对自由基破坏非常敏感,而虾青素可以对抗自由基以维护免疫细胞的防御能力。在小鼠的实验中,虾青素与β-胡萝卜素相比具有更高的免疫调节功效;虾青素具有提高年老动物抗体的产量和降低体液免疫应答的作用;在实验室研究中发现,虾青素具有促进人细胞产生免疫球蛋白的功能;在人体实验中发现,长时期的摄入虾青素后,可提升某些自然杀伤细胞的活性,T细胞和B细胞的数量提升,DNA损伤降低,C-反应蛋白显著降低。

目前的研究中,已经在体内或体外得到验证的虾青素生物活性有,抗氧化、防紫外辐射、抗皮肤癌、消炎、抗胃癌、保肝、抗糖尿病、心血管保护、免疫应答、神经系统保护等(by RR Ambati et al.,2014)

 

3.其他

以下是一些问题,对于探讨机理的研究来说,没有发paper的价值,而对于我们现实中的应用确是意义重大。就老俞掌握的,已经公开出来的资料来说,现有的数据资料还不够全面,可能是我们下一阶段需要做的工作(当然不排除个别机构已经做了相关的研究,而数据处于保密阶段),如果有朋友看到相关的研究报告,烦请告知。

问题如下:

  1. 几种不同结构的虾青素之间,其抗氧化活性和其他生物活性差距有多少?
  2. 酯化虾青素和游离虾青素相比,优势在哪里?例如被细胞吸收和利用的比例各有多少?
  3. 人体摄入量的问题,有见到过量摄入无法吸收而直接排除体外的情况,是否有能够促进吸收的辅料物质或方法?
  4. 微胶囊等技术可以提升虾青素的稳定性,但对吸收有否影响?
  5. 活性越强、保存越难,各种风吹草动产生的氧化物质都会对虾青素活性产生影响,各种保存条件对虾青素结构及活性的影响力度有多大?如温度、光照、保存时间等?这块有过研究,但是比较粗浅,动力学的数据不够详实。
  6. 最后一个简单的问题,虾青素在200℃以上结构会被破坏,那煮熟(100℃以下温度)虾壳里的虾青素结构是否还完整,活性是否还保持?

参考文献

(1)Mar. Drugs 2014, 12, 128-152; RR Ambati et al.

(2)http://trace.tennessee.edu/utk_chembiopubs/94; KD Nguyen.

(3)https://www.researchgate.net/publication/242219323; J Wilkinson & T Evans.

(4)The World’s Best Kept Health Secret: Natural Astaxanthin; 2ed, B Capelli & G Cysewski.

 

 

俞建中博士系列藻类科普文章链接:

光语带你认识微藻 第一篇——什么是微藻

光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用

光语带你认识微藻 第三篇——微藻培养简介

光语带你认识微藻 第四篇——紫球藻

光语带你认识微藻 第五篇——雨生红球藻

光语带你认识微藻 第六篇——虾青素与其功效

光语带你认识微藻 第七篇——盐藻与β-胡萝卜素

光语带你认识微藻 第八篇——地木耳、发菜和葛仙米

光语带你认识微藻 第九篇——微藻与不饱和脂肪酸

光语带你认识微藻 第十篇——裸藻(Euglena)

光语带你认识微藻 第十一篇——螺旋藻(一)

光语带你认识微藻 第十二篇—— 小球藻

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