国家顶级科研机构中科院水生所这样解说虾青素

2020-06-30 15:15:01 alphy-it01 285

爱尔发虾青素

作为一种新资源食品,虾青素独特而丰富的生物功效和巨大的发展潜力不断吸引着科研机构、专家学者、医生、企业和消费者的目光,不同的人群站在不同的角度对虾青素有不同的认识。为帮助大家正确认识虾青素的生物功效及国内虾青素发展状况等,我们在上期推介《中国科学报》对虾青素报道文章的基础上,将陆续摘编相关科研机构、专家学者、医生对虾青素的论述、看法和认识的权威材料,供大家参考,敬请关注!


本期我们摘编中科院水生所公众号发布的《美丽的抗衰老色素——虾青素》,一起分享国家顶级科研机构中科院水生所的科学家如何解读虾青素的文章!  


中国科学院水生生物研究所(以下简称水生所)是从事内陆水体生命过程、生态环境保护与生物资源利用研究的综合性学术研究机构,2011年水生所整体进入中国科学院“创新2020”试点工程。是为中国科学院“率先行动”计划特色研究所。


2018年,中科院水生所公众号以《美丽的抗衰老色素——

虾青素》为为题,从科研机构的角度,对虾青素作了介绍、解说。(小编略有删节)

爱尔发虾青素 

在自然界有一种美丽色素,存在于大多数甲壳类动物、鲑科鱼类、鸟类的羽毛和肉冠,使这些动物呈现出绚烂的红色。可是这种色素却被称作“虾青素”,为什么呢?

下图是含有虾青素的动物(从左到右、从上到下依次为鲑鱼,新孵化鲑鱼,火烈鸟,磷虾,龙虾,雉鸡,北极虾,螃蟹,鹦鹉)

爱尔发虾青素 

1938年,德国化学家理查德·库恩(Richard Kuhn)最早从龙虾体内提取并鉴定出了这种色素。在活体的虾中,虾青素与蛋白质结合,其光学特性发生改变而呈现出蓝色(所以叫虾青素);在加热之后,蛋白质变性释放出虾青素才显示出红色。

爱尔发虾青素 

虾青素分子的化学结构

 

看似红红火火的鸟类羽毛和水生动物体内仅含有极微量的虾青素。而且,无论是鸟类、甲壳动物还是鱼类都不具备合成虾青素的能力,其食物链中的初级生产者——藻类才是虾青素的终极来源。在微藻中,雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)的虾青素含量尤其突出,可达到干重的4%以上。

一般认为,藻类形成虾青素与其抗氧化胁迫有关。当藻细胞处于高光、营养缺乏、高盐等环境胁迫时,虾青素的生物合成途径被激活。由藻类中重要的光合色素β-胡萝卜素开始,在羟化酶和酮化酶的作用下形成虾青素分子。在藻细胞内,虾青素不仅可以直接清除超氧自由基,还能吸收一定量的蓝光,对光合系统起到遮光保护作用,如同“遮阳伞”。同时,虾青素的生物合成过程也消耗大量的氧分子,从而有效避免超氧自由基的形成 (延伸阅读: Han et al., 2013 )

爱尔发虾青素 

显微镜下的雨生红球藻细胞


虾青素分子中的11个共轭双键赋予其超强的抗氧化能力,达到维生素E500倍,所以作为营养品一经问世即风靡全球。其亲脂性的结构使得其嵌入细胞膜的脂质双分子层中发挥功能,除了抗氧化活性外,还表现出一系列丰富的生物活性,例如提高免疫力、抗衰老、缓解疲劳等。另外,在鱼虾贝类人工养殖产业中,虾青素也被用作着色剂添加到鱼饵饲料中,使得人工养殖的水产品拥有野生动物一样的色泽和品质。

爱尔发虾青素 

虾青素的生物活性

  人们试图通过化学合成的方法获得虾青素。虽然已经实现虾青素的人工化学合成,但是化学合成品与天然虾青素表现出不同的立体异构性:化学合成的虾青素是(3R3R),(3R3S)和(3S3S)三种异构体的混合物,而天然虾青素主要是(3S3S)类型的异构体,其抗氧化活性高于其他两种类型的异构体。再加上化学合成过程中其他中间体和化学试剂的残留,也带来了安全隐患。


天然虾青素如何生产呢?

有人从水生动物中提取,如生活在南极洲水域的磷虾成为近年各国竞相捕捞的资源,但每年近1亿吨的捕捞量给南极生态系统带来的负面影响不容忽视。


另一条途径是培养产虾青素的藻类,不仅能够持续生产天然虾青素,还可同时消耗二氧化碳,起到碳减排的作用。


在所有已知的藻类中,雨生红球是目前天然虾青素最主要的来源。当环境条件适合时,雨生红球藻的细胞呈现出绿色,但是当细胞处于胁迫条件时,开始大量积累虾青素。水生所的胡强和韩丹翔团队认为,雨生红球藻之所以能积累大量虾青素,是因为这种生物具有将虾青素酯化的能力。游离的虾青素分子含有两个β-紫罗酮环上含有两个羟基,研究发现在雨生红球藻中90%以上的虾青素分子的羟基上连有1-2个脂肪酸分子,形成化学性质更加稳定的虾青素酯,并储存于“脂肪体”中。正是虾青素的酯化,以及从其合成场所——内质网——运输到脂肪体中,有效地缓解了虾青素合成过程中的产物反馈抑制作用,使得细胞能大量合成虾青素酯 (延伸阅读:Chen et al. 2015)


由于其卓越的虾青素合成能力,雨生红球藻自被发现以来迅速地引起生物技术领域的关注,并由以色列Algatech公司最早实现其商业化的生产,该公司利用封闭式的管道系统在日照充沛的荒漠地带实现了雨生红球藻的大规模培养。


近年来,我国的天然虾青素产业发展非常迅猛,雨生红球藻生物质产量已超过欧美各国,跃居全球首位。

爱尔发虾青素 

图为:云南爱尔发公司利用管道式光生物反应器培养雨生红球藻

除了生长较慢以外,影响雨生红球藻产量的另一个重要因素是来自一种真菌(Paraphysodermasedebokerense)的威胁(见视频)。本研究中心不仅对藻类—真菌互作开展了一系列基础生物学的研究,还通过筛选获得了能够抑制真菌而对藻类无负面影响并且使用安全的化合物,成功地实现了培养体系中真菌的污染控制。该项技术将帮助更多的雨生红球藻企业解决生产中的瓶颈问题。

 

红球藻与寄生真菌


我们有足够的理由相信,随着科技的进步、产业的升级,这种神奇美丽的色素将在食品、饲料、大健康领域发挥更广泛的作用,走入寻常百姓家。


爱尔发虾青素

图为:云南爱尔康公司符合美国FDA标准的生产线


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