达能营养中心第十届学术研讨会论文集

汪洪涛 杨爱萍 李小华

(江苏经贸职业技术学院,江苏南京,210007)

摘要：类胡萝卜素广泛存在和分布在自然界中，在植物、昆虫、鸟类和其它动物中均有发现。角黄素亦称斑蝥黄、斑蝥黄质，是一种极具潜力和有很高经济价值的类胡萝卜素色素，具有许多重要的诸如抗氧化性、清除自由基等生物学功能，可用于食品、医药、化妆品、饲料等行业中。随着人们崇尚大自然和绿色食品的心理日益增强以及医药保健工业、食品工业、水产养殖业等迅速发展，对天然角黄素的需求必将越来越大，所以加紧研究与开发角黄素产品尤其是天然产品已成为一个引人注目的发展趋势，具有十分重要的意义，可产生可观的经济效益和社会效益。文章中对角黄素的性质和功能、角黄素的应用、生物来源和生产方法等方面进行了论述，为我国角黄素的开发研究提供参考。

关键词：角黄素；性质与功能；应用；生物来源

引言
随着人们生活水平的提高，对化妆品及食用色素的安全性也越加关心，将会逐渐限制化学合成色素的使用，最终在食品及日用化学品中以天然色素取代化学合成色素，并法律化。角黄素是一种广泛存在和分布在自然界中的一种类胡萝卜素色素，具有广泛的应用价值，其具有着色功能和许多生理功能，可用于食品、化工、医药、饲料等行业，具有很高的经济价值。因此，研究角黄素的生物来源、生产方法，加强角黄素的生产与开发具有十分重要的意义。

1角黄素的性质与功能
角黄素（canthaxanthin），亦称斑蝥黄、斑蝥黄质，分子式为C40H52O2，化学名称为β,β'-胡萝卜素-４,4'-二酮，是一种非维生素Ａ源类胡萝卜素。天然的角黄素存在于某种蘑菇、甲壳类、鱼类、藻类、蛋、血液和肝脏中，含量极微[1]。其第一次是从可食的蘑菇Cantharellus cinnabarinus中分离出来的[2]，角黄素作为一个二酮类类胡萝卜素在红色波长范围内是一个有用的食品着色剂，它可用于培养的鲑鱼和沼虾的着色[3]。在角黄素分子中有许多共轭双键和末端环状基团上的不饱和酮，这些结构都具有比较活泼的电子效应，能向自由基提供电子或吸引自由基未配对电子，使其极易与自由基反应而清除自由基，从而起到抗氧化作用。PUNG等人通过研究表明含酮基的类胡萝卜素角黄素抑制癌变的能力比β胡萝卜素强[4]。G.O. Okotie-Eboh等人通过实验证明角黄素能显著的增加火鸡血液中的胆固醇、总蛋白、脲酸、甘油三羧酸的含量，而上述这些方面都被黄曲霉毒素显著的降低，β胡萝卜素则不影响所测的血液中的任何一种，故关于肌氨酸激酶活性方面角黄素和黄曲霉毒素之间有一个明显的相互作用：在黄曲霉毒素存在时，当食用的角黄素含量增加时，肌氨酸激酶活性下降[19]。从大量的临床试验表明，角黄素和β胡萝卜素的结合对治疗生血性原卟啉症（EPP）和复合光疾病（PMLE）病人比单独用β胡萝卜素好得多。裴凌鹏等人研究表明摄入适量的角黄素可以有效的改善D-半乳糖致衰老大鼠的抗氧化能力，从而达到延缓衰老的作用[22]。另外，角黄素具有光防护作用，它是带电的活化分子的优秀淬灭剂，同时也能与基态分子反应，正因为如此，它可作为人体里的亲油性抗氧化剂，可以保护细胞和细胞结构被存在于细胞脂肪部分的氧化剂氧化。而且角黄素具有免疫调节活性，可作为人体中的免疫调节化合物。细菌学和细胞学的研究表明，角黄素具有抗诱变复合物和防止恶性细胞转移的功能。角黄素能使血液中的T和B淋巴细胞增殖，可增加瘤块中的胞毒巨噬细胞和T细胞的活性，维持抗原中的巨噬细胞受体[5]。

2角黄素的应用
角黄素是一种具有很高应用价值和经济价值的添加剂，在食品、医药、保健品、饲料和日用化妆品等行业有着广阔的应用前景。1984年FDA/WHO批准角黄素列入食品添加剂并制订了质量标准，角黄素作为食品添加剂可用于饮料、冰淇淋、华夫无辅料饼干、调味酱、番茄加工品、肉类加工品等，适量添加于白色蛋糕预制粉，可带杏子色调，烘烤后色素残留率可达96%，猪肉制香肠中添加可得与牛肉制品相同的色调[1]。近年来角黄素已成功的用于防止植物油被光氧化[5]。在化妆品学和药理学方面，与β胡萝卜素结合使用可作为皮肤的光防护剂[6]。在医药方面，可用于药品的着色以及保护眼睛健康，用于神经衰弱、心血管疾病的治疗和一些主要癌症的预防及抗老化[5]。裴凌鹏等人研究表明，角黄素可以预防和降低双氧水对成骨细胞损伤的影响[21]。在饲料方面，角黄素可作为鱼类和禽类饲料的着色剂，以增强鱼类肉体的颜色和禽类皮肤的颜色以及蛋黄的颜色。博礼敦利用448只泰国杂交鸭做实验，来比较角黄素、虾青素和柠檬黄素三种类胡萝卜素在蛋黄着色和蛋黄实际沉积中的相对效率，结果表明角黄素在蛋黄中的沉积效率是18%，而虾青素和柠檬黄素分别为4%和5%。饲喂12mg/kg的柠檬黄素的鸭，其蛋黄着色的平均RYCF值为13.4，与饲喂4mg/kg的角黄素试验组相当（RYCF值13.5）[7]。由此说明，与虾青素和柠檬黄素相比，角黄素对鸭蛋黄的着色效率最高。

3角黄素的生物来源
3.1 甲壳类动物
甲壳纲动物和各种鱼类包括鲤鱼Cyprinus carpio、金鲻鱼Mugil auratus、有环纹的海生铜盆鱼类Diplodus annularis和濑鱼Crenilabrus tinca中均发现有角黄素。角黄素在野生的大西洋鲑鱼中没发现，但却在野生的太平洋鲑鱼中发现有少量[8]。由于这些动物中角黄素含量比较底，目前国内外还没有报道从甲壳类动物及其副产物中提取角黄素。
3.2 藻类
正常情况下绿藻中不含有角黄素和其它二酮类胡萝卜素。但在不利的营养条件下特别是在氮源缺乏时，一些绿藻能合成大量的角黄素和其前体海胆酮，能合成这些次要的类胡萝卜素的藻类包括Haematococcus，Chlorella，Chlamydomonas, Scenedes和Ankistrodesmus。据报道Dicty0coccus cinnabarinus在含有一种氮源和矿物质的培养基中添加葡萄糖培养几个星期后，其主要形成角黄素，且最后细胞中角黄素的含量是1-1.2mg/g干细胞[9]。
3.3 非光合作用细菌
3.3.1 短杆菌KY4313
利用烃类的短杆菌突变体KY4313被认为是生产角黄素的最具潜力的菌种之一。KY4313最初是从日本的油田中分离出来的，当这种利用烃类的细菌证明含有角黄素和少量的海胆酮与β胡萝卜素时，激起了人们特别的兴趣,它一直作为一个模型生物来研究角黄素的生物合成[10]。KY4313在含有烃类、磷酸胺、矿物质、维生素B12、麦芽汁和少量的一种无离子洗涤剂的基本培养基上生长时，生物量为3-3.5g/l，角黄素最大产量为1-2mg/l，高的C/N比有利于脂肪和色素的形成。目前通过三种方法来优化角黄素的产量：高产突变株的筛选，在培养基上添加类胡萝卜素促进因子和刺激生长。当用亚硝基甲基脲（NMU）处理菌株时，能获得一株细胞中角黄素含量增加32﹪的突变株，没有发现与烃类发酵有关的类胡萝卜素促进因子，在促进生长方面，主要通过定期更新培养基来提高色素的产量。在一个新设计的以延胡索酸—糖蜜—麦芽汁为基础的培养基上可以获得较高的生物量和色素含量，摇瓶培养时角黄素的最大产量为9.3mg/l，角黄素的直接前体海胆酮的含量为2.3mg/l。两升包括培养基更新的烃类分批发酵中角黄素的最大产量为7.2mg/l，海胆酮为3.7mg/l[11]。
3.3.2 极端嗜盐细菌突变体TM
极端嗜盐细菌突变体TM是1996年4月从埃及的一个海水蒸发池里的土壤样本中分离得到的。在含有1﹪的酵母膏、0.75﹪的酪蛋白氨基酸、25﹪的氯化钠、4﹪的硫酸镁、0.2﹪的氯化钾、PH7.2的培养基中，37℃下摇瓶培养6天，突变株TM能产生2.06mg的总类胡萝卜素/g干细胞，包括0.06mg的β胡萝卜素和0.7mg的角黄素。突变株TM所具有的独特的特征如下：1.培养基中的氯化钠浓度特别高，有利于防止其它微生物的污染，正因为如此，故不需要杀菌程序；2.低于10﹪的氯化钠浓度可诱导细胞自溶。因此，在淡水中细胞溶解自动发生，不需要细胞分解装置；3.而且，从突变株TM中提取和纯化类胡萝卜素的程序比从其它的来源中要简单，就象细菌类胡萝卜素比其它来源的类胡萝卜素要容易分离。正由于以上特征，突变株TM对鱼类、禽类和食品工业来说是一个最有前景的角黄素来源，通过获得高产突变株或从菌体中分离出一个与类胡萝卜素生物合成有关的克隆基因来提高产量[12]。
3.3.3 其它细菌
据报道，细菌Gordonia jacobaea MV1[13],细菌地壳根瘤菌Bradyrhizobium sp. Strain ORS278[14]和分枝杆菌Mycobacterium 32MCT[15]均含有角黄素。
3.4 酵母
据日本协和发酵工业株式会社报道，发夫酵母突变体可作为角黄素的生物来源，其在适当的培养基上生长时，角黄素含量可达5mg/l[16]。

4角黄素的生产方法
可以用两种方法来生产角黄素：化学合成法和微生物发酵法。
4.1 微生物发酵法
由于微生物繁殖速度快，生产周期短，发酵工艺也较为成熟，通过诱变获得高产菌株和优化培养基提高色素量是目前最理想的方法。发酵结束后从生物体中提取色素的方法主要是先用各种方法破壁，然后用有机溶剂提取。有机溶剂常采用丙酮、石油醚、酒精、二甲基亚枫等。目前国外在这方面研究得比较多，而国内还未见报道。
4.2 化学合成法
国外角黄素第一次是从β胡萝卜素合成的。Isler et al.和Isler and Schudel提供了全部的合成路线[17]。从1962年以来已经开始用化学合成法工业化生产。国内据报道的有江西中德联合研究院一家报道过用一步法合成斑蝥黄，其主要是利用β胡萝卜素作原料，通过氧化剂氯酸钠来合成的，[18]。杨泽慧等人用1,3二双键十五碳磷酸酯直接缩合法合成β胡萝卜素，β胡萝卜素选择性催化氧化合成角黄素[20]。
5结语
角黄素是一个具有很高的应用价值和经济价值的色素，在食品、医药、化妆品、饲料等方面具有很大的应用潜力。随着人们对天然健康产品的青睐，角黄素等天然色素越来越大越引起人们的关注。因此，开发角黄素的生物来源成为角黄素研究的一项重要课题。目前国外报道的微生物中角黄素的含量均不很高，离大规模生产还有一定距离，国内尚未有这方面的报道。开展利用现代生物技术筛选角黄素的高产菌株，优化培养条件，提高提取率等方面的研究不仅具有理论价值，而且具有广阔的应用开发前景。

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