1 蝦青素的物理化學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特性
1.1 物理化學(xué)性質(zhì)
蝦青素，又名蝦黃素、蝦黃質(zhì)，是由德國(guó)化學(xué)家Richard Kuhn 在龍蝦體內(nèi)首次提取出來(lái)的一種紫紅色結(jié)晶物質(zhì)，故稱為蝦青素，后來(lái)蝦青素被確定為一種與蝦紅素有密切關(guān)系的類胡蘿卜素。β-胡蘿卜素、葉黃素、角黃素、番茄紅素等均為類胡蘿卜素的合成中間產(chǎn)物，而蝦青素是類胡蘿素中合成水平最高的產(chǎn)物，也是目前人類在自然界中所發(fā)現(xiàn)的具有最強(qiáng)抗氧化活性的物質(zhì)，抗氧化性遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的抗氧化劑。蝦青素的化學(xué)名稱為3,3'-二羥基-4,4'-二酮基-β,β'-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，相對(duì)分子質(zhì)量596.84，熔點(diǎn)為215～216℃，沸點(diǎn)為774℃，為紅色固體粉末，有脂溶性，不易溶于水。
1.2 結(jié)構(gòu)特性
蝦青素的分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。中間結(jié)構(gòu)由4 個(gè)異戊二烯單位構(gòu)成的共軛雙鍵組成，兩端結(jié)構(gòu)由α-羥基紫羅酮六元環(huán)構(gòu)成，兩端環(huán)結(jié)構(gòu)的C-3 和C-3'為兩個(gè)手性中心。中間結(jié)構(gòu)的共軛雙鍵能吸引自由基未配對(duì)電子或者向自由基提供電子，從而清除自由基，起到抗氧化作用。由于共軛雙鍵鏈、不飽和酮基和羥基的特殊結(jié)構(gòu)，蝦青素易與光、熱和氧化物發(fā)生降解反應(yīng)，形成蝦紅素。
圖1 蝦青素的分子結(jié)構(gòu)
蝦青素一個(gè)手性中心有兩種構(gòu)象，每一個(gè)手性碳原子都可以以R 或S 的形式存在，因此蝦青素有（3S，3'S)、（3R，3'R) 和（3R，3'S) 共3種異構(gòu)體，其中（3S，3'S) 與（3R，3'R) 異構(gòu)體互為對(duì)映體。由于碳碳雙鍵基團(tuán)鏈接方式不同，蝦青素存在反式結(jié)構(gòu)與順式結(jié)構(gòu)，天然蝦青素基本全為反式結(jié)構(gòu)，化學(xué)合成的兩者均有。其中，天然反式構(gòu)型的蝦青素生物活性較高，而順式結(jié)構(gòu)的蝦青素生物活性極低，動(dòng)物機(jī)體對(duì)順式蝦青素的吸收能力較弱，因此，在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)中一般會(huì)選擇反式結(jié)構(gòu)的蝦青素[2]。
2 蝦青素的生產(chǎn)方法
20 世紀(jì)初期，主要采用天然提純法從蝦、蟹等生物體內(nèi)提取天然蝦青素。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，化學(xué)合成的蝦青素悄然問世，但由于分子結(jié)構(gòu)等方面的差異，其效果和安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然提純的蝦青素。
2.1 人工合成蝦青素
人工合成的蝦青素的主要路徑是以類胡蘿卜素中β-胡蘿卜素為起點(diǎn)，在β-胡蘿卜素的芳香環(huán)的3 號(hào)碳和4 號(hào)碳上面分別引入2 個(gè)羥基和酮基，最終形成蝦青素。目前人工合成蝦青素最廣泛的是采用Wittig 反應(yīng)的全合成法，而半合成法可以將斑蝥黃質(zhì)、玉米黃質(zhì)和葉黃素等類胡蘿卜素當(dāng)做原料來(lái)制備蝦青素。制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉是使用化學(xué)合成法生產(chǎn)蝦青素的主要特點(diǎn)，但是它有3 種立體異構(gòu)體的形式存在，并且含有副產(chǎn)物，在穩(wěn)定性、安全性和抗氧化活性等方面均達(dá)不到令人滿意的效果[3]。特別是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，動(dòng)物機(jī)體對(duì)天然蝦青素的生物吸收利用效果強(qiáng)于合成蝦青素，當(dāng)喂食濃度較低時(shí)，天然蝦青素在虹鱒魚血液中的濃度明顯高于人工合成蝦青素，并且人工合成的蝦青素在動(dòng)物體內(nèi)無(wú)法轉(zhuǎn)化為天然構(gòu)型，生物效價(jià)和著色能力比同濃度的天然蝦青素要低的多[4]。鑒于此，全球?qū)瘜W(xué)合成蝦青素的管理也日趨嚴(yán)格，各國(guó)對(duì)此也做出相應(yīng)的管理規(guī)定，美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)已禁止保健食品市場(chǎng)使用化學(xué)合成的蝦青素。
2.2 天然蝦青素
天然蝦青素主要是以3S，3'S 形式存在，具有更高的生物活性，主要有2 種生產(chǎn)方法：一種方法是在磷蝦、龍蝦、鱒魚、鮭魚、藻類、酵母、細(xì)菌以及水產(chǎn)加工廢棄物中提取[5]。目前，全世界每年大概有上百萬(wàn)噸的水產(chǎn)品廢棄物，經(jīng)粉碎、破壁、水解、萃取后可以得到天然蝦青素，通過這種方法可以促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展，減輕生態(tài)環(huán)境壓力。但這些廢棄水產(chǎn)品中含有幾丁質(zhì)、灰分等雜質(zhì)，如何最大化的提取蝦青素并去除雜質(zhì)是解決產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本問題的關(guān)鍵；另一種方法是通過紅法夫酵母、銅綠小球藻、單細(xì)胞綠藻雨生紅球藻、粘紅酵母、膠紅酵母、副球菌屬等微生物發(fā)酵生產(chǎn)，具有環(huán)保壓力小、產(chǎn)物明確、副產(chǎn)物少等優(yōu)勢(shì)[6]，是目前主要的蝦青素生產(chǎn)方法。但這種方法對(duì)于培養(yǎng)條件和菌種的要求較高。Chi 等[7]利用基因工程手段改造高產(chǎn)紅法夫酵母MK19，蝦青素產(chǎn)量比野生型提高17 倍。紅法夫酵母發(fā)酵生產(chǎn)蝦青素的方法具有培養(yǎng)時(shí)間短、可以大量增殖實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且酵母還是良好的飼料蛋白原料，高產(chǎn)紅法夫酵母菌株的選育因此備受關(guān)注。若能夠篩選到紅法夫酵母的高產(chǎn)菌株，一定會(huì)進(jìn)一步助力蝦青素的規(guī)模化生產(chǎn)，促進(jìn)蝦青素在畜牧養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用。
3 蝦青素在畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用
3.1 蝦青素對(duì)畜禽產(chǎn)品品質(zhì)的影響
色澤、保水性等是畜禽產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)，影響這些指標(biāo)的因素有產(chǎn)品的色素含量、抗氧化酶活性等。蝦青素在著色和抗氧化性方面具有先天優(yōu)勢(shì)，是水產(chǎn)和家禽飼料中首選的著色劑。作為類胡蘿卜素合成的最后一站，蝦青素進(jìn)入動(dòng)物機(jī)體后可以直接貯存并沉積在肌肉組織中，并能夠與肌紅蛋白發(fā)生非特異性結(jié)合[8]。因此，在飼料中添加蝦青素能有效提高畜禽產(chǎn)品的色澤，增強(qiáng)畜禽產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。Conradie 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加蝦青素，可以使蛋雞的腳、皮膚、喙和羽毛等部位呈現(xiàn)不同程度的紅色或者金黃色，全蛋和蛋黃重增加，促進(jìn)家禽的生長(zhǎng)并提高產(chǎn)蛋率。劉兵[10]研究發(fā)現(xiàn)，蛋雞的肌肉組織和蛋黃的抗氧化酶活性隨著蝦青素在日糧中添加量的增加而提高。付興周等[11]研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素可明顯提高宰后雞肉紅度值a*和亮度值L*。蝦青素在家畜類動(dòng)物方面的研究也逐漸增多。Carballo 等[12]在研究哺乳羔羊肉質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在含丁基羥基甲苯的商業(yè)代乳粉中添加蝦青素可以增加宰后羊肉和脂肪的紅度值a*，從而提高凍肉的脂質(zhì)穩(wěn)定性。李新杰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在育肥豬日糧中添加蝦青素，可以降低腰肌的亮度值L*和黃度值b*，加深肉質(zhì)的顏色，品質(zhì)更佳。
3.2 蝦青素對(duì)畜禽繁殖性能的影響
蝦青素可淬滅單線態(tài)氧，清除自由基，通過降低膜通透性，限制氧化劑滲透進(jìn)細(xì)胞內(nèi),提高內(nèi)源性抗氧化酶系統(tǒng)的防御作用。蝦青素通過不斷降低畜禽動(dòng)物精子的氧化損傷水平提高精液質(zhì)量，通過提高熱休克卵丘細(xì)胞的超氧化物歧化酶活性來(lái)改善雌性動(dòng)物的繁殖性能[14]。有研究表明，在雞精液中添加蝦青素可顯著增強(qiáng)精液中的超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性，提高精子質(zhì)膜的完整率[15]。在體外試驗(yàn)中，向豬卵母細(xì)胞成熟培養(yǎng)基添加蝦青素，各階段的生長(zhǎng)發(fā)育情況都有不同程度的改善[14]。胡亞美[16]研究發(fā)現(xiàn)，適量的蝦青素可以明顯改善常溫下豬精液的質(zhì)量。Kamada 等[17]在培養(yǎng)牛黃體細(xì)胞的過程中發(fā)現(xiàn)，添加低濃度的蝦青素可提高培養(yǎng)液中的孕酮含量，因此，在飼糧中添加蝦青素有提高黃體功能的潛力。
3.3 蝦青素對(duì)畜禽生產(chǎn)性能的影響
蝦青素作為一種新型飼料添加劑，可以提高畜禽的飼料利用率和生長(zhǎng)速度。有研究表明，在蛋雞日糧中添加蝦青素，可以提高DHA 雞蛋的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，并提高產(chǎn)蛋率。Kumar 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在犢牛飼糧中添加蝦青素可以明顯提高犢牛的飼料轉(zhuǎn)化率，增加體重。林建坤等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬飼料中組合添加蝦青素和雙乙酸鈉可提高仔豬的抗氧化能力和養(yǎng)分消化率，從而提高仔豬的生產(chǎn)性能。Perenlei 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素可提高肉雞的日增重和腹部脂肪比例。但也有研究表明，在蛋雞的日糧中添加天然蝦青素對(duì)生產(chǎn)性能無(wú)影響[21,22]。
3.4 蝦青素對(duì)畜禽機(jī)體免疫力的影響?
畜禽機(jī)體免疫力的高低直接影響到畜禽的健康狀況和生長(zhǎng)速度。蝦青素對(duì)畜禽免疫力的影響主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：一是抗氧化作用，蝦青素具有很強(qiáng)的抗氧化性，可以清除自由基，阻止氧化應(yīng)激反應(yīng)，保護(hù)免疫細(xì)胞，防止免疫系統(tǒng)受到損傷。二是增強(qiáng)免疫細(xì)胞數(shù)量和活性，蝦青素能夠增加淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞的數(shù)量，從而提高機(jī)體的免疫能力。三是促進(jìn)免疫球蛋白生成，蝦青素可以促進(jìn)免疫系統(tǒng)中B 細(xì)胞的活力，增加免疫球蛋白（IgG、lgA和IgM) 的生成量，增強(qiáng)體液免疫反應(yīng)能力。
綜上所述，蝦青素在畜牧養(yǎng)殖中可以作為一種有效的抗氧化劑和免疫增強(qiáng)劑來(lái)使用，并提高畜禽的免疫力和抗病能力。但蝦青素不能替代任何藥物治療疾病。同時(shí)，不同種類的動(dòng)物對(duì)蝦青素的吸收和利用程度也可能有所不同，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和選擇。
4 蝦青素在畜牧養(yǎng)?殖中的安全性
蝦青素具有安全、無(wú)毒副作用的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)物飼料中，在適量的情況下可以促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，并且不會(huì)對(duì)動(dòng)物的健康造成負(fù)面影響，許多試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。金偉等[23]對(duì)大鼠進(jìn)行30d 蝦青素喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)大鼠生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)異常，一般表現(xiàn)良好，各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果和組織病理學(xué)檢查均無(wú)明顯的異常變化。Lin 等[24]研究表明，與對(duì)照組相比，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)服用13 周蝦青素的小鼠在體重、血液學(xué)、尿液分析、器官重量等臨床參數(shù)上存在明顯的生物學(xué)差異。石麗麗等[25]采用急性毒性試驗(yàn)、遺傳毒性試驗(yàn)、大鼠30d 喂養(yǎng)試驗(yàn)等毒理學(xué)評(píng)價(jià)方法，對(duì)蝦青素的食用安全性也進(jìn)行了評(píng)估，未見蝦青素的明顯毒副作。林飛良等[26]的研究也揭示紅球藻提取物在大鼠的90 天喂養(yǎng)試驗(yàn)和致畸試驗(yàn)中是安全的。
在世界范圍內(nèi)，蝦青素應(yīng)用廣泛。在北美，2009 年4 月，F(xiàn)DA 批準(zhǔn)蝦青素作為一種混合著色劑的成分可用于魚飼料。2000 年，雨生紅球藻粉和法夫紅酵母被批準(zhǔn)用于魚飼料為鮭魚著色，獲得了理想的飼喂效果。在歐盟，蝦青素被批準(zhǔn)作為膳食補(bǔ)充劑的新原料。2009 年，我國(guó)批準(zhǔn)蝦青素用作飼料添加劑，雨生紅球藻于2010 年被批準(zhǔn)為新食品資源。總的來(lái)說(shuō)，在動(dòng)物飼料中使用蝦青素是安全的，但如果動(dòng)物對(duì)蝦青素、類胡蘿卜素、蝦青素來(lái)源或者對(duì)抑制5-α 還原酶藥物有過敏情況，應(yīng)避免使用蝦青素。另外，需要注意使用量和與其他飼料成分的搭配，避免對(duì)動(dòng)物的健康造成影響。
5 小結(jié)
蝦青素是自然界中最重要的類胡蘿卜素之一，因其在改善畜禽動(dòng)物生長(zhǎng)性能、存活率、繁殖性能、抗病能力等方面發(fā)揮著重要作用受到動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家的關(guān)注。由于對(duì)畜禽產(chǎn)品色澤和繁殖性能、生產(chǎn)性能、機(jī)體免疫力等方面具有顯著提升效果，在畜牧養(yǎng)殖中的蝦青素使用量急劇增加，并且具有極大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間。但蝦青素在畜禽尤其是反芻動(dòng)物養(yǎng)殖方面的應(yīng)用研究不多，很多作用機(jī)理尚未明確。隨著蝦青素市場(chǎng)需求的不斷增加，通過合成生物學(xué)、分子生物學(xué)、代謝工程等新型技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)蝦青素的規(guī)模化生產(chǎn)是研究的重點(diǎn)，高產(chǎn)蝦青素菌株的篩選、提取和純化技術(shù)是關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。總之，蝦青素的生產(chǎn)和應(yīng)用是一個(gè)極具吸引力和挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，期待在新的生物技術(shù)手段的助力下，蝦青素的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用能得到新的發(fā)展。
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文章來(lái)源：侯慶明, 張 妍, 黃倩倩, 滿建魯, 劉傳順, 劉世蓮. 蝦青素在畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)畜禽種業(yè), 2024, 20(2): 110-114.
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