背景及概述

蝦青素（C40H52O4）是一種酮式類胡蘿卜素，化學名為3，3′-二羥基-4，4′-二酮基-β，β′-胡蘿卜素，化學結構：四個異戊二烯通過共軛雙鍵連接，兩端連接兩個異戊二烯組成的六元環(huán)。蝦青素有三種旋光異構體，三種旋光異構體的區(qū)別在于全反式蝦青素的立體異構體中，消旋蝦青素的抗氧化活性最低，右旋蝦青素清除自由基能力最強，而左旋蝦青素對于脂質過氧化的抑制作用和免疫活性較強。蝦青素除了具有抗氧化活性外，還具有抗癌、抗炎、抗糖尿病等多種功效。此外，蝦青素是唯一可以穿透血腦和血視網膜屏障并對中樞神經系統(tǒng)和腦功能有積極作用的類胡蘿卜素。因此，蝦青素被廣泛應用于食品、醫(yī)療保健、化妝品及飼料添加劑中。

天然蝦青素主要存在于海洋環(huán)境中，以游離態(tài)和酯化態(tài)等形式存在。游離態(tài)蝦青素不穩(wěn)定，易被氧化。蝦青素由于末端環(huán)狀結構中羥基的存在，易與脂肪酸結合形成蝦青素酯而穩(wěn)定存在。雨生紅球藻（Haematococcuspluvialis）中約95%的蝦青素分子被脂肪酸酯化并存儲在富含三酰甘油的胞質脂質體中。酯化態(tài)蝦青素根據其結合的脂肪酸不同分為蝦青素單酯和蝦青素二酯。H.pluvialis可積累高達4%的蝦青素（按干重計），HOLTIN等[6]發(fā)現在強光照脅迫下積累的蝦青素的95%被脂肪酸酯化。雖然目前尚不清楚生物體內蝦青素和脂肪酸的相互作用機理，但在H.pluvialis中觀察到了蝦青素和脂肪酸生物合成的化學計量關系。

制備

目前國內外制備蝦青素的方法主要可以分為兩類：化學合成法和生物合成法?；瘜W合成的蝦青素為三種結構的混合物左旋：消旋：右旋（1：2：1），化學合成蝦青素主要作為工業(yè)染料，但在食品、醫(yī)藥領域不被允許使用。生物合成的蝦青素允許在食品、醫(yī)藥領域使用。自然界中某些微藻、真菌、細菌和特定種類的植物具有合成蝦青素的能力。合成的左旋蝦青素占蝦青素總量的90%以上。

化學合成蝦青素分為全合成法和半合成法。蝦青素全合成法以化工原料為原材料，通過化學合成反應來獲得蝦青素。半合成法是利用角黃質、葉黃素和玉米黃質等類胡蘿卜素作為原料來制備蝦青素的方法[1]。

1蝦青素化學全合成法

國內外對于蝦青素的化學全合成路線都展開了一系列的研究。國外霍夫曼羅氏公司與巴斯夫公司是化學合成蝦青素的兩家主要企業(yè)，兩家公司利用化學合成法生產蝦青素的合成路線相似，采用C9＋C6→C15，2C15＋C10→C40路線。霍夫曼羅氏公司以6-氧代異佛爾酮為原料[1]，首先利用丙酮與甲醛在弱堿條件下發(fā)生羥醛縮合失水生成α-β不飽和丁烯酮，再與乙炔發(fā)生1,2-親核加成生成六碳炔叔醇，并在硫酸作用下重排，保護產物的羥基使其與6-氧代異佛爾酮發(fā)生反應，最后在強堿作用下發(fā)生雙邊的Wittig反應合成蝦青素。巴斯夫公司合成路線中合成中間的體六碳炔叔醇并不先經過酸化重排，而是將羥基進行保護后與6-氧代異佛爾酮發(fā)生一系列轉化，在轉化的過程中進行重排，最終得到目標產物蝦青素。國內合成蝦青素路線則與國外合成路線不同，采用C13＋C2→C15，2C15＋C10→C40的合成路線來制備蝦青素。他以α-紫羅蘭酮為原料，經過間氯過氧苯甲酸處理，經過一系列的中間轉化過程后，在氫溴酸作用下酸化重排，再與三苯基膦作用生成十五碳三苯基季鏻鹽，最后進行雙向Wittig反應生成蝦青素。合成路線的獨特之處在于采用一種新的方法合成關鍵中間體C15化合物，該方法的起始原料易得、反應的選擇性高、總收率高。Witting反應是蝦青素的全合成路線特征反應。此類合成路線具有工藝簡單，成本低的優(yōu)點。雖然霍夫曼羅氏公司與巴斯夫公司這兩條路線工藝流程很復雜，生產過程較長、中間過程的控制難度較大、要求嚴格，但其合成成本低、價格便宜，且已經實現工業(yè)化生產，是市場上蝦青素供應的最主要工業(yè)化來源（圖1）。

圖1 蝦青素合成路線圖

2蝦青素化學半合成法

半合成法是利用角黃質、葉黃素和玉米黃質等類胡蘿卜素作為原料來制備蝦青素的方法。經典的方法是以葉黃素為起始原料，葉黃素在堿的催化下發(fā)生異構化反應生成玉米黃質。以1，2-丙二醇為溶劑，氫氧化鉀作為催化劑，在110℃下反應168h，玉米黃質在碘和溴酸鈉的作用下直接氧化為蝦青素。以角黃素為原料時則經過堿化、硅醚化、環(huán)氧化、水解4個過程合成蝦青素，具有合成快捷、收率高（約產率60%）的特點。由于角黃素的成本高，且生產過程中有一定的危險性，目前難以達到大規(guī)模工業(yè)化生產。與全合成法相比，半合成法合成的蝦青素生物活性高，但產率低，實現規(guī)?；a困難。

結語與展望

蝦青素具有極強的抗氧化性能，隨著市場對蝦青素關注與需求的提升，蝦青素在食品營養(yǎng)強化劑、醫(yī)療保健、飼料等方面具有很大的應用價值和發(fā)展空間?；瘜W合成、生物合成的蝦青素在不同領域具有不同的應用空間?；瘜W合成蝦青素成本低、價格便宜，已經實現了工業(yè)化生產，是市場上蝦青素供應的最主要的工業(yè)化來源。隨著生物合成蝦青素的興起，各國對化學合成的蝦青素管理愈來愈嚴格，美國食品與藥物管理局（FDA）禁止化學合成的蝦青素進入食品、保健品等市場。生物合成的天然蝦青素具有更高的生物活性，且來源更安全，滿足市場需要，尤其是供人類消費的天然色素，成為研究熱點。這一市場需求也使得生物合成蝦青素的關注度日益增加。但是當前的天然蝦青素的產量低導致價格高，不能滿足普遍的市場需求。針對市場對蝦青素需求的日益增長的問題，通過合成生物學、代謝工程、發(fā)酵工程等手段精確調控植物或微生物蝦青素的生物合成，是來實現天然蝦青素的大規(guī)模工業(yè)生產的有效途徑。

參考文獻

[1] HOLTIN K, KUEHNLE M, REHBEIN J, et al. Determination of astaxanthin and astaxanthin esters in the microalgae by LC-(APCI)MS and characterization of predominant carotenoid isomers by N Haematococcus pluvialis MR spectroscopy[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry，2009，395（6）：1613-1622