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蝦青素（C40H52O4）是一種酮式類胡蘿卜素，化學(xué)名為3，3′-二羥基-4，4′-二酮基-β，β′-胡蘿卜素，化學(xué)結(jié)構(gòu)：四個(gè)異戊二烯通過(guò)共軛雙鍵連接，兩端連接兩個(gè)異戊二烯組成的六元環(huán)。蝦青素有三種旋光異構(gòu)體，三種旋光異構(gòu)體的區(qū)別在于全反式蝦青素的立體異構(gòu)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(qiáng)，而左旋蝦青素對(duì)于脂質(zhì)過(guò)氧化的抑制作用和免疫活性較強(qiáng)。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(wǎng)膜屏障并對(duì)中樞神經(jīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)中羥基的存在，易與脂肪酸結(jié)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(chǔ)在富含三酰甘油的胞質(zhì)脂質(zhì)體中。酯化態(tài)蝦青素根據(jù)其結(jié)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(dá)4%的蝦青素（按干重計(jì)），HOLTIN等[6]發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)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(nèi)蝦青素和脂肪酸的相互作用機(jī)理，但在H.pluvialis中觀察到了蝦青素和脂肪酸生物合成的化學(xué)計(jì)量關(guān)系。
目前國(guó)內(nèi)外制備蝦青素的方法主要可以分為兩類：化學(xué)合成法和生物合成法。化學(xué)合成的蝦青素為三種結(jié)構(gòu)的混合物左旋：消旋：右旋（1：2：1），化學(xué)合成蝦青素主要作為工業(yè)染料，但在食品、醫(yī)藥領(lǐng)域不被允許使用。生物合成的蝦青素允許在食品、醫(yī)藥領(lǐng)域使用。自然界中某些微藻、真菌、細(xì)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(xué)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(guò)化學(xué)合成反應(yīng)來(lái)獲得蝦青素。半合成法是利用角黃質(zhì)、葉黃素和玉米黃質(zhì)等類胡蘿卜素作為原料來(lái)制備蝦青素的方法[1]。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于蝦青素的化學(xué)全合成路線都展開(kāi)了一系列的研究。國(guó)外霍夫曼羅氏公司與巴斯夫公司是化學(xué)合成蝦青素的兩家主要企業(yè)，兩家公司利用化學(xué)合成法生產(chǎn)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(hù)產(chǎn)物的羥基使其與6-氧代異佛爾酮發(fā)生反應(yīng)，最后在強(qiáng)堿作用下發(fā)生雙邊的Wittig反應(yīng)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(jīng)過(guò)酸化重排，而是將羥基進(jìn)行保護(hù)后與6-氧代異佛爾酮發(fā)生一系列轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中進(jìn)行重排，最終得到目標(biāo)產(chǎn)物蝦青素。國(guó)內(nèi)合成蝦青素路線則與國(guó)外合成路線不同，采用C13＋C2→C15，2C15＋C10→C40的合成路線來(lái)制備蝦青素。他以α-紫羅蘭酮為原料，經(jīng)過(guò)間氯過(guò)氧苯甲酸處理，經(jīng)過(guò)一系列的中間轉(zhuǎn)化過(guò)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(jìn)行雙向Wittig反應(yīng)生成蝦青素。合成路線的獨(dú)特之處在于采用一種新的方法合成關(guān)鍵中間體C15化合物，該方法的起始原料易得、反應(yīng)的選擇性高、總收率高。Witting反應(yīng)是蝦青素的全合成路線特征反應(yīng)。此類合成路線具有工藝簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。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(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程較長(zhǎng)、中間過(guò)程的控制難度較大、要求嚴(yán)格，但其合成成本低、價(jià)格便宜，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是市場(chǎng)上蝦青素供應(yīng)的最主要工業(yè)化來(lái)源（圖1）。
圖1 蝦青素合成路線圖
半合成法是利用角黃質(zhì)、葉黃素和玉米黃質(zhì)等類胡蘿卜素作為原料來(lái)制備蝦青素的方法。經(jīng)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(gòu)化反應(yīng)生成玉米黃質(zhì)。以1，2-丙二醇為溶劑，氫氧化鉀作為催化劑，在110℃下反應(yīng)168h，玉米黃質(zhì)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(shí)則經(jīng)過(guò)堿化、硅醚化、環(huán)氧化、水解4個(gè)過(guò)程合成蝦青素，具有合成快捷、收率高（約產(chǎn)率60%）的特點(diǎn)。由于角黃素的成本高，且生產(chǎn)過(guò)程中有一定的危險(xiǎn)性，目前難以達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。與全合成法相比，半合成法合成的蝦青素生物活性高，但產(chǎn)率低，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)困難。
蝦青素具有極強(qiáng)的抗氧化性能，隨著市場(chǎng)對(duì)蝦青素關(guān)注與需求的提升，蝦青素在食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑、醫(yī)療保健、飼料等方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間。化學(xué)合成、生物合成的蝦青素在不同領(lǐng)域具有不同的應(yīng)用空間。化學(xué)合成蝦青素成本低、價(jià)格便宜，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，是市場(chǎng)上蝦青素供應(yīng)的最主要的工業(yè)化來(lái)源。隨著生物合成蝦青素的興起，各國(guó)對(duì)化學(xué)合成的蝦青素管理愈來(lái)愈嚴(yán)格，美國(guó)食品與藥物管理局（FDA）禁止化學(xué)合成的蝦青素進(jìn)入食品、保健品等市場(chǎng)。生物合成的天然蝦青素具有更高的生物活性，且來(lái)源更安全，滿足市場(chǎng)需要，尤其是供人類消費(fèi)的天然色素，成為研究熱點(diǎn)。這一市場(chǎng)需求也使得生物合成蝦青素的關(guān)注度日益增加。但是當(dāng)前的天然蝦青素的產(chǎn)量低導(dǎo)致價(jià)格高，不能滿足普遍的市場(chǎng)需求。針對(duì)市場(chǎng)對(duì)蝦青素需求的日益增長(zhǎng)的問(wèn)題，通過(guò)合成生物學(xué)、代謝工程、發(fā)酵工程等手段精確調(diào)控植物或微生物蝦青素的生物合成，是來(lái)實(shí)現(xiàn)天然蝦青素的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的有效途徑。
[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