《Bioresource Technology Reports》：Astaxanthin: A mechanistic review on its sources, extraction, encapsulation and health benefits
編輯推薦：
Astaxanthin作為天然色素和抗氧化劑，其生物合成、提取優化及納米封裝技術研究進展，以及在水產飼料、食品和醫藥中的應用前景被系統綜述。
薩米拉·哈比布（Samira Habib）| 巴爾吉斯·阿沙克（Barjees Ashaq）| 卡恩薩·拉蘇爾（Khansa Rasool）| 納迪拉·安朱姆（Nadira Anjum）| 扎希達·納西姆（Zahida Naseem）| 肖希德·艾哈邁德·帕德勒（Shahid Ahmad Padder）| 謝赫里什·穆斯塔法（Sehrish Mustafa）| 庫德西亞·阿亞茲（Qudsiya Ayaz）| 阿布·拉烏夫·馬利克（Ab Raouf Malik）| 薩賈德·穆罕默德·瓦尼（Sajad Mohd Wani）
印度查謨和克什米爾邦克什米爾農業科學與技術大學食品科學與技術系，郵編190025
摘要
蝦青素（Astaxanthin）是一種類胡蘿卜素，最初被用作水產養殖中的色素。由于其強大的抗氧化和抗炎特性，它在食品和生物制藥科學領域引起了廣泛關注。本文綜述了蝦青素的來源以及可用于大規模蝦青素生物煉制的成本效益高的提取策略。文章詳細闡述了蝦青素的主要生物合成途徑及參與代謝過程的關鍵酶。然而，其實際應用受到化學穩定性和水溶性較低的制約。納米包封技術被提出作為解決這些問題的方法，通過控制釋放提高其化學穩定性、生物可利用性和生物利用度。本文還總結了蝦青素對健康的益處，以及用于包封的納米顆粒制備的最新進展。
引言
顏色顯著影響食物的接受度和口感。為了改善外觀、彌補原材料的自然差異或加工過程中的顏色損失，以及為無色食品提供顏色/風味特征，人們經常使用色素添加劑（Malik等人，2012年）。即使質地良好、營養豐富且風味濃郁的食物，如果缺乏適當的顏色也會顯得不吸引人。目前，染料和色素的需求主要通過使用石油基原料的化學合成來滿足（Mussagy等人，2023年；de Oliveira等人，2022年；Mussagy等人，2022年）。然而，由于消費者對化學物質的恐懼、健康問題、環境影響以及人工色素的不對稱結構等問題，人們開始尋找天然色素的替代品（Lyu等人，2022年）。近年來，由于消費者態度和偏好的變化，天然食品色素變得越來越重要（Durmaz等人，2020年）。多種人工合成色素被廣泛用于食品、染料和藥品的生產中。然而，合成食品色素與多種潛在的健康風險相關，包括致敏性、兒童多動癥等行為問題、神經毒性、基因毒性和致癌性。此外，它們不可生物降解且對環境有害。因此，全球范圍內都有開發天然來源色素生產方法的興趣。天然色素主要來自植物和微生物。然而，植物來源的色素存在一些局限性，如顏色范圍有限、對光和熱不穩定、水溶性低以及季節性供應問題（Pantanella等人，2007年）。相比之下，微生物色素生產具有優勢，例如在廉價培養基中生長迅速且易于培養，且不受天氣條件影響（Chintapenta等人，2014年；Boonyapranai等人，2008年）。因此，微生物色素生產已成為一個有前景的研究領域。在自然界中，許多微生物（包括酵母、微藻和細菌）能夠大量產生色素（Li等人，2023年）。類胡蘿卜素是一類有機化合物，負責自然界中的黃色到紅色色素沉著，通常分為胡蘿卜素（carotenes）和葉黃素（xanthophylls）。這些色素具有抗氧化特性，其中一些還是維生素A的前體，有助于降低癌癥、高血壓和動脈粥樣硬化等退行性疾病的風險（da Costa Cardoso等人，2017年；Mata-Gómez等人，2014年）。此外，類胡蘿卜素在食品著色、動物飼料添加劑（如鮭魚、蝦和家禽）和營養補充劑中也有廣泛應用（Martins等人，2016年；Ambati等人，2014年）。在類胡蘿卜素中，蝦青素（一種葉黃素）以其抗炎和抗氧化特性而聞名，在食品和制藥工業中具有重要價值（Jiang等人，2017年）。
蝦青素是一種深紅色的酮類胡蘿卜素，存在于藻類、蝦、蟹、貝類等生物體內（Han等人，2013年；Schmidt等人，2011年）。其安全性和穩定的紅色使其成為水產養殖和食品工業的理想色素來源（Zhang等人，2020年）。蝦青素的分子結構（3,3′-二羥基-4,4′-二酮-β,β'-胡蘿卜素）與其他幾種胡蘿卜素相同。其主要鏈由四個異戊二烯單元通過共軛雙鍵連接而成，兩端各有一個β-離子酮環。每個離子酮環含有一個3-羥基（OH）和一個4-酮基（C=O）。這些結構特性使蝦青素能夠捕獲自由基并轉移電子，有效防止自由基鏈反應，從而解釋了其強大的抗氧化活性。多項研究表明，蝦青素補充劑具有多種健康益處，包括抗炎、抗癌、神經保護和增強免疫力等作用（Basiony等人，2022年；Ambati等人，2014年）。這些優點導致了對蝦青素需求的迅速增長，預計到2027年全球市場規模將達到34億美元（Debnath等人，2024年）。美國食品藥品監督管理局（USFDA）已批準將蝦青素用作魚類和動物飼料的著色劑，歐盟委員會也將天然蝦青素歸類為食品色素（Ambati等人，2014年）。盡管具有這些優點，蝦青素也存在一些缺點，如不穩定性和低生物利用度。包封是一種有效的方法，可以提高其生物可利用性、消化率和控制釋放。該過程涉及將天然色素封裝在載體中，并將最終產品融入食品基質中。包封技術確保生物活性成分在適當的時間和地點釋放（Kailasapathy，2009年）。本文旨在根據最新文獻提供關于蝦青素的物理化學性質、天然來源、生物合成以及發酵優化的全面概述，同時重點介紹提取策略和納米包封技術的研究進展，以提高其穩定性和生物利用度及商業應用。
蝦青素的結構和化學特性
類胡蘿卜素家族包含超過600種不同的色素。根據Higuera-Ciapara等人（2006年）的研究，構成類胡蘿卜素主要結構的40個碳氫化合物由兩個末端環系統組成，這兩個環系統通過聚烯系統或共軛雙鍵鏈連接。其中最重要的兩類是葉黃素和胡蘿卜素。胡蘿卜素由碳和氫組成，而葉黃素是含氧衍生物。
蝦青素的來源
自然界中最常見的蝦青素形式是立體異構體（3R, 3′R）和（3S, 3′S）。蝦青素天然存在于磷蝦、藻類、蝦、鮭魚、小龍蝦和鱒魚中。某些鳥類（如鵪鶉、火烈鳥等）體內也含有蝦青素。H. pluvialis和X. dendrorhous是商業蝦青素的主要來源。H. pluvialis是最早用于工業生產蝦青素的菌株之一（Basiony等人，2022年）。
蝦青素的生物合成途徑
X. dendrorhous是重要的蝦青素生產菌株，屬于真菌界、擔子菌門、層孔菌綱、Cystofilobasisiales目、Cystofilobasidiacee科和真核生物域（Vatankhah和Ramasamy，2021年）。P. rhodozyma細胞通過出芽方式進行無性繁殖，可單獨存在、成對出現或形成短鏈。其細胞呈橢圓形。P. rhodozyma的子實體形式稱為X. dendrorhous。
蝦青素發酵優化
有效改進發酵條件是提高蝦青素產量和降低生產成本的關鍵因素。因此，深入理解酵母的發酵過程對于大規模高效生產蝦青素至關重要。由于蝦青素是后期代謝產物，其細胞生長并不依賴于其生物合成過程。此外，多項研究表明，蝦青素的產量受到多種因素的影響。
細胞破裂和蝦青素提取的進步
下游工藝的主要步驟包括蝦青素的收獲和細胞破裂，以提高蝦青素的產量。由于下游類胡蘿卜素提取過程占蝦青素總成本的20-90%，因此提取方法的選擇對蝦青素的市場價值具有重要影響（Zhang等人，2020年）。
蝦青素的包封
由于蝦青素具有顯著的抗氧化活性，它作為營養食品、醫藥產品和補充劑的活性成分的需求不斷增加。然而，其實際應用受到低生物利用度、較差的生物可利用性和極低水溶性的限制。此外，蝦青素的化學穩定性相對較弱，尤其是在特定條件下。
抗氧化作用
在生物體的正常有氧代謝過程中會產生高活性的細胞氧化物質，如活性氧和有害的自由基，以維持生命功能。然而，這些氧化分子的過量存在可能與DNA、脂質和蛋白質發生反應，導致蛋白質和脂肪分解以及DNA損傷，這些都與多種疾病有關（Ambati等人）。
蝦青素的商業應用
目前，從天然來源生產蝦青素已成為生物技術領域最活躍的研究方向之一。蝦青素在食品、飼料、營養補充劑和藥品中的應用需求很高，因此人們致力于從生物來源提高其產量。最新研究強調了其在多種商業產品中的應用，如粉末、生物質、乳液、膠囊、軟膠囊、片劑和能量飲料等。
蝦青素的安全性和劑量
蝦青素是一種安全的食品添加劑，沒有負面效果。由于它是脂溶性的，因此在動物體內不會產生毒性（大鼠實驗驗證）。過量攝入可能導致動物皮膚出現黃色或紅色色素沉著。將其添加到魚飼料中可使魚皮呈現紅色。口服蝦青素后，大鼠體內的抗氧化酶水平顯著升高（Ranga Rao等人，2013年）。
結論
蝦青素來源于H. pluvialis、X. dendrorhous和甲殼類動物的副產品，以其強大的抗氧化特性而聞名，可用于治療多種人類疾病。大規模生產和提取蝦青素的方法已經得到充分建立和優化，這些方法高效可靠，可實現大規模生產，確保高產率和純度，使其適用于多種應用。
CRediT作者貢獻聲明
薩米拉·哈比布（Samira Habib）：撰寫初稿、數據整理、概念構思。
巴爾吉斯·阿沙克（Barjees Ashaq）：撰寫、審稿和編輯。
卡恩薩·拉蘇爾（Khansa Rasool）：撰寫、審稿和編輯。
納迪拉·安朱姆（Nadira Anjum）：監督。
扎希達·納西姆（Zahida Naseem）：監督。
肖希德·艾哈邁德·帕德勒（Shahid Ahmad Padder）：驗證。
謝赫里什·穆斯塔法（Sehrish Mustafa）：驗證。
庫德西亞·阿亞茲（Qudsiya Ayaz）：監督。
阿布·拉烏夫·馬利克（Ab Raouf Malik）：驗證。
薩賈德·穆罕默德·瓦尼（Sajad Mohd Wani）：撰寫、審稿和編輯、監督、方法論設計、概念構思。
未引用的參考文獻
Barredo等人，2017年
Cao等人，2023年
Liu和Lee，1999年
Liu和Lee，2000年
利益沖突聲明
作者聲明不存在利益沖突。
致謝
本工作得到了新德里印度醫學研究委員會（ICMR）的財政支持（F.N. 5/9/1406/2021-Nut）。
