虾青素抗氧化能力研究进展

江利华,柳慧芳,郝光飞,刘晓星,王红霞,徐建中,*,赵山山,*

(1.河北工程大学生命科学与食品工程学院,河北邯郸 056000; 2.河北省植物天然色素产业技术研究院,河北曲周 057250; 3.晨光生物科技集团股份有限公司,河北曲周 057250)

虾青素(Astaxanthin),又称虾黄质和龙虾壳色素,是一种红色天然类胡萝卜素,存在于海洋生物中的一种主要类胡萝卜素,它广泛应用于生物领域,特别是虾、藻体、鲑鱼、酵母[1]。虾青素的化学名称为3,3′-二羟基-4,4′-二酮基-β,β′-胡萝卜素,分子式为C40H52O4,相对分子质量为596[2]。虾青素的分子结构中有一条很长的共轭双键链,在共轭双键链的末端有不饱和酮基和羟基,酮基与羟基构成了α-羟基酮。这些结构都具有较活泼的电子效应,可以吸引自由基或向自由基提供电子,达到清除自由基的目的[3]。近年来,国内外大量研究也表明,因虾青素独特的化学结构,使其具有很强的抗氧化活性,对预防癌症、动脉粥样硬化、糖尿病等慢性病的发展,提高免疫力、延缓衰老有积极作用[4]。

显著的抗氧化活性是虾青素最重要的生理功能,其作为一种良好的抗氧化剂,在淬灭单线态氧方面起到非常重要的作用。在虾青素的分子结构中,共轭双键、羟基和不饱和酮基在共轭双键链上数目较多,羟基和酮基形成α-羟基酮,这些结构都具有比较活泼的电子效应,可以将自由基吸引到未成对电子或向自由基提供电子,这表明虾青素的结构特征使其易于与自由基反应,清除自由基,发挥明显的抗氧化作用。

1 虾青素抗氧化活性机制

1.1 淬灭单线态氧、清除自由基

清除羟自由基,淬灭单线态氧的能力是天然产物抗氧化性的重要检测指标。体内过氧化物负离子与过氧化氢反应会生成羟自由基,而羟自由基能杀死红细胞和降解 DNA、细胞膜与多糖化合物,随着羟自由基清除剂加入,有害作用可明显降低[5]。研究表明,虾青素淬灭单线态氧的能力强于叶黄素、β-胡萝卜素和其他类胡萝卜素,甚至比维生素E强500倍。随着虾青素共轭双键数目的增加,其淬灭活性氧的能力也随之加强[6]。另外类胡萝卜素羟基极性构型的活动性在整合入膜双分子层的时候会受到限制,阻碍其多聚烯链和单线态氧反应,因此,同时含有羟基和酮基结构的虾青素就表现出较高的抗氧化活性[7]。虾青素中的酮基能激活羟基并促进氢向过氧化物自由基上转移,使虾青素的抗氧化活性较强；在4与4′位置上的酮基也会提高虾青素的抗氧化性能,这可能会导致沿着多烯链上的电子密度发生实质性变化,特别是自由基最可能进攻的靠近环的一端[8]。

1.2 降低膜通透性,限制氧化剂渗透进细胞内

通过大量的体外实验,发现虾青素分子的极性末端横跨细胞膜,可以大大提高细胞膜的稳定性和机械强度,降低膜的通透性,并限制过氧化物启动子如过氧化氢、叔-丁基过氧化氢和抗坏血酸等进入细胞内,避免细胞中重要分子受到氧化损伤[9]。

1.3 增加抗氧化酶活性

裴凌鹏等[10]研究发现,在培养的成骨细胞中,分别添加不同浓度的虾青素来孵化抑制过氧化氢诱导的氧化应激,结果表明虾青素可通过激活细胞内抗氧化系统保护细胞免受氧化损伤。其又分别用不同剂量的虾青素饲喂D-半乳糖诱导的衰老大鼠,测定其脏器丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性,结果与模型对照组比较,发现虾青素摄入最低剂量组明显降低了大鼠各脏器组织MDA产生,提高了SOD和GSH-Px酶活性[11]。

1.4 降低DNA的氧化损伤

研究发现,8-羟基鸟嘌呤可作为DNA氧化损伤的标志物,而Edge等[12]研究表明,虾青素、β-胡萝卜素、玉米黄质和番茄红素均能降低鸟嘌呤核苷被氧化的水平(通过查阅文献,只是发现虾青素与这些色素有降低鸟嘌呤被氧化的水平,暂时还没有相关能力的比较)。Lyons等[13]评价了虾青素对UV-A诱导人皮肤成纤维细胞、黑素细胞和肠CaCo-2细胞中DNA突变的保护作用,试验结果表明,在UV-A辐照前,用10 μmol/L虾青素预孵育上述3种细胞均可明显降低其DNA的损伤。

1.5 抑制脂质过氧化

在体内实验中,Kurashige等[14]研究发现,把1%虾青素添加在缺乏维生素E的大鼠饲料中,2～4个月后发现虾青素能弥补维生素E缺乏症的不足,避免机体发生脂质过氧化;与不缺乏维生素E组的大鼠相比,虾青素抑制大鼠肝匀浆线粒体脂质过氧化的作用要比其强100倍。在体外实验中,虾青素能保护磷脂酰胆碱免于氧化、避免不饱和甲基脂肪酸酯过氧化、延缓脂质体过氧化的时间,是一种具有较强抗氧化活性的类胡萝卜素[15]。Mcnulty等[16]对比了在多不饱和脂肪酸作用下,虾青素与叶黄素、β-胡萝卜素和番茄红素对膜脂过氧化氢生成浓度的影响,结果发现,番茄红素和β-胡萝卜素等非极性胡萝卜素会使脂质过氧化物水平增加85%,促进氧化剂对细胞脂质双分子层的损伤,而虾青素能使脂质过氧化物水平降低40%。

Jorgensen等[17]研究发现,与β-胡萝卜素和玉米黄素相比,虾青素能更有效防止不饱和脂肪酸甲酯的过度氧化,其抗氧化活性是维生素E的550倍,是β-胡萝卜素、叶黄素和玉米黄素等其他类胡萝卜素的10倍,被称为“超级抗氧化剂”[18]。临床研究表明,通常以非氧化状态存在的低密度脂蛋白的氧化会促进动脉粥样硬化的发展,而虾青素的存在可以有效延长低密度脂蛋白被氧化的时间[19]。

2 虾青素抗氧化能力研究进展

研究表明,虾青素是迄今为止在自然界中发现的最强抗氧化剂,它具有清除紫外线照射产生的自由基的能力,并能减少光化学对生物体造成的伤害,对皮肤的光老化起到阻止作用[18]。因此,虾青素在医学、保健品以及化妆品等行业中均可用作抗氧化剂[20]。虾青素抗氧化能力的测定主要通过体外清除DPPH、ABTS、羟自由基和超氧阴离子、在油脂体系内的抗氧化作用以及抑制促氧化酶、增强抗氧化酶活性来表示。

2.1 虾青素体外清除自由基活性进展

Miki[21]早在1991年就研究了类胡萝卜素如虾青素、叶黄素、β-胡萝卜素、金枪鱼黄素、角黄素、玉米黄素、α-生育酚等的淬灭单线态氧和清除自由基能力,试验结果表明类胡萝卜素具有淬灭活性氧和清除自由基的能力,其中虾青素的活性最强,比维生素E强100倍以上,并将其誉为“超级维生素E”。袁磊等[22]用DPPH自由基测定法、水杨酸法以及邻苯三酚自氧化法来分别表征清除DPPH自由基、羟基自由基和超氧阴离子自由基能力,由此来比较虾青素、叶黄素、β-胡萝卜素以及番茄红素的抗氧化能力,实验结果表明这4种不同结构的类胡萝卜素都具有较强的清除自由基的能力,且清除能力均遵循剂量-效应关系;清除自由基能力由强到弱依次为虾青素、叶黄素、β-胡萝卜素和番茄红素,这表明虾青素具有极显著的抗氧化活性。刘晓星[23]在上述4种类胡萝卜素研究的基础上增加了维生素E和维生素C来对比这6种天然抗氧化剂体外清除DPPH自由基情况,研究结果表明维生素C清除DPPH自由基的能力最强,其次是虾青素和番茄红素,强于维生素E和β-胡萝卜素,叶黄素的清除能力最弱。上述两组关于虾青素抗氧化活性的测定结果一致,这也充分说明了虾青素的抗氧化能力是极强的，但是叶黄素和番茄红素抗氧化能力存在差异,分析其原因可能是提取原料性质不同或由于类胡萝卜素易在提取和储藏过程中受温度、光照等因素的影响导致其结构遭到破坏,进而影响清除自由基能力。

莫镜池等[24]研究了虾青素与ABTS自由基反应的紫外-可见吸收光谱特征,并将测量条件进行了优化,试验结果表明当波长为752 nm时,虾青素与ABTS自由基反应不产生光谱干扰,而且当虾青素与ABTS自由基反应20 min后,反应基本稳定,说明虾青素能够快速、彻底地清除ABTS自由基;且当虾青素浓度为1.84 mg/L,清除率可达到50%,这也充分说明了虾青素极强的抗氧化活性。蹇华丽等[25]通过ORAC分析法对CHU-R(CHU-R是虾青素产生菌,一种乳杆菌属细菌的名称,所以也命名由该种细菌产生的虾青素为CHU-R虾青素)虾青素进行抗氧化活性测定,发现CHU-R虾青素的抗氧化能力与萃取物浓度成正相关,平均抗氧化活性为13.80 U/mg,抗氧化性能良好。

2.2 油脂体系中虾青素抑制脂质氧化降解进展

油脂氧化主要表现为油脂酸败,是影响食用油脂质量的主要因素。油脂的酸败会影响人体健康,为了延缓油脂在加工、储存以及使用过程中的氧化和酸败,研究发现,最重要的方法就是在食用油脂中添加抗氧化剂[26]，而然抗氧化剂具有广阔的发展前景。

刘晓星[23]采用Schaal烘箱法对比研究了在不同添加量下,虾青素与番茄红素、叶黄素、β-胡萝卜素、维生素C和维生素E这5种天然抗氧化剂在菜籽油和大豆油两种食用油脂体系中的抗氧化性,研究结果表明,虾青素在菜籽油和大豆油中均有较好的抗氧化能力,叶黄素在豆油中表现出很好的抑制豆油氧化效果,在菜油中却相对低一些,而番茄红素在菜籽油中的抗氧化能力要比豆油好很多,可能是本身性质不稳定或受一些因素影响,对大豆油的抗氧化性不佳。亚油酸乳化体系也是一种常见的检验抗氧化剂抗氧化能力的方法。如陈晋明等[1]用亚油酸乳化体系-邻二氮菲-Fe2+氧化法比较研究了虾青素和维生素E的抗氧化活性,发现虾青素抑制亚油酸自氧化的效果明显高于维生素E,分析其原因可能是由于虾青素的化学结构与其他类胡萝卜素不同造成的,虾青素除了有较长的共轭双键外,在两端各个紫罗兰环的3,4位上各有一个羟基和不饱和酮基,这些结构都具有较活泼的电子效应,能吸引自由基的未配对电子或向自由基提供电子。

2.3 虾青素抑制促氧化酶、增强抗氧化酶活性进展

通过测定抗氧化酶、促氧化酶活性的升高或降低也是判断虾青素抗氧化能力大小的一种常用的方法。大量实验研究表明,虾青素具有抑制促氧化酶,增强抗氧化酶活性的能力。

2.3.1 虾青素对动物体抗氧化能力 一项动物研究[27]表明,用雨生红球藻粉饲喂大鼠,大鼠血浆和肝细胞中过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)的浓度会明显增大,表明虾青素极强的抗氧化能力。另外,刘庆春[28]研究了虾青素对患有2型糖尿病的大鼠海马抗氧化能力的影响,运用链脲佐菌素来制作糖尿病大鼠模型,将造模成功的大鼠分为虾青素组、阳性对照组和模型组,药物治疗6周以后,采用Morris水迷宫对实验大鼠进行测试,随后取海马,采用Real-Time PCR分析海马中CAT、SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的表达水平,实验研究结果表明海马中CAT、SOD和GSH-Px的表达水平显著提高,即雨生红球藻中的虾青素有效提高了海马的抗氧化能力。还有相关研究分别以血鹦鹉、白对虾与凡纳滨对虾以及中华绒螯蟹成体雌蟹等为研究对象,分别在喂养它们的饲料中添加适当含量的虾青素,发现经过喂饲含虾青素的饲料,动物体内的抗氧化酶活性会显著上升,促氧化酶活性会下降,这也充分表明了虾青素对于提高血鹦鹉、白对虾与凡纳滨对虾以及中华绒螯蟹成体雌蟹的抗氧化活性有显著的影响[29-30]。

虾青素也可以与其他天然抗氧化剂共同作用来发挥抗氧化活性。关献涛[31]添加虾青素、叶黄素和β-胡萝卜素于饲料中,考察虾青素等对东星斑抗氧化能力的影响,主要通过测定东星斑肝脏中SOD、MDA、GSH-Px以及T-AOC活性来判定,研究结果表明随着上述3种天然抗氧化剂添加量的升高,东星斑肝脏中SOD、GSH-Px以及T-AOC活性上升,MDA活性显著下降,表示虾青素等抗氧化剂的共同作用对东星斑的抗氧化活性有显著影响。赵子续[32]以黄金鲤为研究对象,在不含任何增色剂的基础饲料中添加万寿菊粉和虾青素,研究二者对黄金鲤的抗氧化能力的影响,发现在添加量分别为0.76%万寿菊粉和0.04%虾青素时,SOD活性、CAT活性达到峰值,且MDA含量最低;当添加量1.52%万寿菊粉和0.16%虾青素时,GSH含量和GST活性达到最大。综上所述,适当添加量的万寿菊粉和虾青素对黄金鲤的抗氧化活性有显著效果。

虾青素人参茶叶对老龄小鼠有抗氧化效果。陈燕等[33-34]用SPF级昆明种老龄小鼠作为动物模型,设置3个不同剂量给药30 d,同时设置阴性对照组和溶剂对照组,30 d后测量抗氧化活性指标脂质过氧化产物MDA、SOD、GSH-PX、GSH活性,实验结果显示高剂量组1%溶血液中MDA含量显著降低,1%肝匀浆中SOD活性、1%溶血液GSH-PX活性和10%肝匀浆中GSH含量显著升高,可见虾青素人参茶叶对老龄小鼠有明显的抗氧化作用,把虾青素茶叶做成软胶囊状,对老龄小鼠具有同样的抗氧化效果,且食用安全性更高,可以作进一步的推广应用。

2.3.2 虾青素抗氧化活性的稳定性 虾青素的抗氧化活性不稳定,易受光照、温度、盐胁迫等的影响而发生降解或破坏。张丽瑶等[35]采用DPPH清除试验来研究受光照、加热影响的虾青素的抗氧化活性,发现虾青素是一种抗氧化活性极强的类胡萝卜素,但结构不稳定,容易发生降解和异构体之间的转化。在加热、光照等条件下全反式虾青素会全部或部分转化为其顺式异构体,且主要转化形式为13-顺式,虾青素的顺式异构体抗氧化活性比全反式强[36]。江红霞等[37]研究了光周期对虾青素累积和抗氧化能力的影响,其中虾青素、丙二醛(MDA)含量以及总抗氧化能力通过分光光度计来测定,分析数据发现随着光照时间的延长,MDA含量先升高后下降,而虾青素含量和总抗氧化能力则逐渐升高;在16L:8D光周期条件下,MDA含量达到最大值,且显著高于连续黑暗和连续光照条件下MDA含量;在连续光照条件下,总抗氧化能力达到最高,且明显高于每日光照时间小于20 h条件下的虾青素含量和总抗氧化能力;单个细胞中虾青素含量和MDA含量在20L:4D和连续光照条件下无显著差异,但这两种条件下的单位干质量虾青素含量和总抗氧化能力差异显著;虾青素含量、MDA含量和总抗氧化能力在连续黑暗条件下均最低。另外,江秋霞等[38]也研究了盐胁迫对雨生红球藻虾青素的积累和抗氧化能力的影响,判断盐胁迫对虾青素的积累及抗氧化能力的影响主要通过测定虾青素含量、SOD、CAT和GSH-Px的活性以及MDA的含量,试验结果显示在盐胁迫的早期(第3 d)和中期(第6 d),雨生红球藻中虾青素含量阶段较低,在盐胁迫的后期(第9 d)阶段较高,而SOD、CAT和GSH-Px活性以及MDA含量则在盐迫的早期和中期阶段较高,在盐胁迫的后期阶段较低，实验结果表明了适当浓度和时间的盐胁迫条件会促进雨生红球藻累积虾青素,其机制主要是通过提高虾青素合成相关酶基因的转录水平来促进虾青素的合成,其虾青素和抗氧化酶的抗氧化活性可能互为补充,共同保护雨生红球藻免受盐胁迫的氧化损伤。

虾青素在贮存过程中会受到如光照、温度、盐离子和金属离子等多种因素的影响,使其性质不稳定,容易发生降解。耿兆艳等[39]以雨生红球藻粉为原料,对虾青素提取液的稳定性进行了研究,实验结果表明,在避光条件下冷藏保存并减少与金属离子的接触,会有效地减低虾青素的降解速率。上述实验结果为虾青素的规模化生产、存储和应用提供了理论依据和保证。

3 结论

通过体外清除DPPH、ABTS、羟自由基和超氧阴离子在油脂体系内的抗氧化作用以及抑制促氧化酶、增强抗氧化酶活性的研究,越来越多的证据表明虾青素具有强大的抗氧化能力,其强抗氧化能力已经逐渐进入到食用色素、畜牧业和水产品的饲料添加剂中,现在也广泛应用于化妆品、保健品和医药等行业。虾青素的抗氧化作用还对延缓油脂在加工、储存和使用过程中的氧化和酸败以及可明显改善行为缺陷有显著的影响,并且使得天然虾青素有望成为调节人体机能、改善人体健康的有效方式。当然,虾青素的抗氧化机制及作用对于后续关于预防和治疗肿瘤、心血管疾病以及各种慢性退行性疾病提供了重要的理论依据。虽然关于虾青素抗氧化活性的研究已经取得了很大的进展,但未来我们仍需要大规模的临床试验来验证其在人体的实际作用过程,为进一步发挥虾青素的抗氧化活性对人体的有益作用提供理论基础。