蝦青素(astaxanthin)，3，3'- 二羥基-4，4'-二酮基-beta，beta-胡蘿蔔素，是壹種酮式類胡蘿蔔素，色澤為粉紅色，具脂溶性，不溶於水，易溶於氯仿、丙酮、苯和二硫化碳等有機溶劑。它廣泛存在於生物界中，特別是水生動物的蝦、蟹、魚和鳥類的羽毛中，起顯色的作用。其可調節色素的沈積，不同於黃體素。在飼料中添加蝦青素，家禽食用後沈積在蛋黃中，可使顏色加深。蝦青素是壹種非維生素A源的類胡蘿蔔素，在動物體內不能轉變為維生素A，但蝦青素是壹種斷鏈抗氧化劑，有極強的抗氧化能力。動物實驗表明，蝦青素可以清除N02、硫化物、二硫化物，也可降低脂質過氧化作用，有效的抑制自由基引發的脂質過氧化。另外，蝦青素還具有很強的抑制腫瘤發生、增強免疫功能等生理作用。因而在食品添加劑、水產養殖、化妝品、保健品和醫藥工業方面有廣闊的應用前景。隨著高檔水產養殖的迅猛發展，自20世紀80年代中期出現了對蝦青素的巨大市場需求，並於近年有急劇增加的趨勢。
2 蝦青素的來源
2．1 化學合成
蝦青素是類胡蘿蔔素合成的終點，由brta-胡蘿蔔素轉變為蝦青素需加上2個酮基和羥基。人工化學合成比較困難，而且大多為J頃式結構。美國FDA(食品和藥品管理局)僅批準反式結構的蝦青素用作水產養殖的添加劑。因此，人工合成的反式蝦青素價格昂貴(現國際市場價約2 000美元／kg)，限制了其廣泛應用。目前，由於生物來源的蝦青素含量還不夠高，化學合成的蝦青素仍具有壹定的競爭優勢。瑞士F．Hoffmann-latoche已完成了全反式蝦青
素的合成，並被批準用於大麻哈魚的飼料添加劑。雖然如此，壹些含蝦青素的微生物因具有生長速度快，發酵周期短，以及蝦青素提取後菌體單細胞蛋白可作為餌料、飼料添加劑等優點，隨著全天然食品在全球的興起，它將逐漸成為目前的研究重點。
2．2 生物來源
相比而言，從生物體內提取的蝦青素大多為反式結構，使用安全並具有環境友好性，有廣闊的發展前景。當前蝦青素的生物來源主要是：從水產品加工工業的廢棄物中提取以及用微生物發酵生產。
2．2．1 從水產品加工工業的廢棄物中提取蝦青素
當前，國外螯蝦加工工業每年有1 000萬t的甲殼綱水產品廢棄物，用聚合劑提取系統可從中提取蝦青素、蝦青素酯和蝦紅素，其產率可達153ug(g廢棄物)。據分析，蝦青素約占提取的類胡蘿蔔素的90％以上。近來，挪威海洋漁業工業采用青貯法處理廢棄物的技術，經過青貯處理後，回收率提高了10％，蝦青素的純度也大大的提高了。
由於水產品廢棄物中蝦青素含量低，提取費用較高，而且由於資源限制，這種方法不適合作為蝦青素的大規模來源，且發展潛力不大。但由於目前還沒有找到更好的方法，國外這種方法仍然存在。
2．2．2微生物發酵生產
蝦青素在微生物界中的分布與斑蝥黃(canthaxanthin)有點類似。研究發現，能產蝦青素的微生物有：真菌擔子菌綱的壹個屬(發夫酵母屬)，兩株同化烴類的細菌和許多在氮缺乏環境下的綠藻類。
(1)培養藻類生產蝦青素
在許多能產蝦青素的藻類中，雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)是很重要的蝦青素產生菌，曾被認為是壹種很有蝦青素商業生產前景的微藻該藻類既能進行自養，也能夠進行異養生活。在培養過程中，若氮源缺乏，則在藻體內積累蝦青素。目前，國外優良的雨生紅球藻體中蝦青素含量高達0．2％-2％，壹般約占類胡蘿蔔素總量的90％以上。另外，Chlorooccum sp．具有耐高溫，極端pH值，較快的生長速率和易在戶外培養等優點，被認為是壹種極具潛力的用於蝦青素大規模生產的藻類。但藻類的自養周期長，由於需要光照，生產場所在壹定程度上受到限制，並且藻類破壁釋放蝦青素困難。因此進行大規模生產也比較困難。
(2)利用細菌生產蝦青素
已知有2株能產生蝦青素的細菌：乳酸分支桿菌(Mycobacterium lacticola)，只在烴類培養基上產生蝦青素，而在營養瓊脂上不產蝦青素；另壹菌株短桿菌103(Bevibacterium)在石油裏生長，發酵終了時生物量為3 g／L，色素量僅有0．03mg／g。考慮到烴類發酵的不利之處和其較低的產量以及發夫酵母的可用性，未來上述2種細菌在生物技術上的應用看來
是不可能的。
(3)利用發夫酵母生產蝦青素
1976年，An&ewes和Phaff等人在發夫酵母中發現了蝦青素，這引起了人們的極大關註。之後，許多生物技術公司在對發夫酵母的研究上作了相當的努力，並取得了壹定的進展。
3 利用發夫酵母生產蝦青素的研究進展
發夫酵母於1970在美國的阿拉斯加的高山和日本北海道壹帶山區落葉樹的滲出液中分離得到。後經鑒定為擔子菌綱的壹個新屬並命名為發夫酵母屬。發夫酵母在擔子菌綱的酵母中顯得比較特別，主要表現在它能夠發酵糖類，並且含有蝦青素，這不同於其他紅酵母的嚴格好氧性，色素主要是beta-胡蘿蔔素或是單環胡蘿蔔素。發夫酵母中發現蝦青素不久，人們開始研究把它作為飼料添加劑用於魚和禽飼料的可行性及其對生物體色素形成的影響，並獲得良好的效果。在其後20余年的研究中，人們的研究精力主要放在了如下3個方面：(1)菌種的改良；(2)發酵工藝的優化；(3)細胞內蝦青素的提取。
3．1 高產蝦青素菌株的選育
現在人們已把註意力集中到蝦青素過量合成突變株的選育上。近年來國內外學者在這方面已取得
了壹定的進展。如獲得的紅發夫酵母突變株蝦青素含量增加232％，達到了1 500nv,／(kg幹細胞)。利用酒精廢液培養基篩選到發夫酵母NRRLY-17269的突變株JB2，在5L發酵罐試驗中每1 kg幹細胞得到(2 010+170)mg的類胡蘿蔔素的產量。此外，應用DNA重組技術構建高產蝦青素基因工程菌的研究已經展開，並在發夫酵母的轉化系統、生物合成蝦青素途徑中的關鍵酶及酶的編碼基因等方面取得壹定的進展。
3．2 生產工藝研究進展
3．2．1 發酵最佳條件的控制
蝦青素的產量除了與菌種有關外，還與培養條件有關。用發夫酵母UCD67-210作為實驗菌株，研究了影響發酵的幾個重要的參數，如pH值、溫度、碳源的種類和濃度、溶氧和光照。得到發酵的最佳參數為：pH值5．0；溫度20-22℃；最佳碳源、纖維二糖，糖質量濃度超過1．5％會降低單位重量細胞中蝦青素的含量；但由於生物量的增加，單位體積所含的蝦青素還會提高；溶氧3．6～108 rmnol／(L．h)；光照對蝦青素的影響不大。在研究連續培養
發夫酵母的pH值在線控制時，發現所加葡萄糖液的pH值(5．02)高於培養基的pH值(5．00)，發夫酵母生長比較緩慢(0．055 h-1)；而加糖pH值控制在4．98時，生長速度達到0．095h-1。同時還發現加糖的時間間隔對酵母的生長有重要影響。當用發夫酵母NCHU-FS501研究葡萄糖質量濃度對蝦青素產量的影響時發現，當葡萄糖的質量濃度達到35g／L時，蝦青素產量達到16．33mg／L；當葡萄糖質量濃度達到或超過45 g／L時，蝦青素形成受到抑制[刨。最近，法國學者用甘油作為碳源培養發夫酵母PRl90，使蝦青素的產量從0．78mg／(g幹細胞)提
高到0．97mg／(g幹細胞)。並得出當酵母的生長速率為0．075h-1時，蝦青素的產率最高；發酵168h後蝦青素產量可達33．7 mg／L(1 800 t,g／(g幹細胞))。而墨西哥學者用絲蘭棗的汁液作為唯壹碳源，當還原糖質量濃度為22．5e／I時，蝦青素產量達6．170mg／L，比用YM培養基提高了2．5倍。而值得壹提的是，當添加番茄汁時，其中可能含有蝦青素的前體物質，會使色素含量增加。國內學者對發夫酵母產蝦青素的搖瓶條件進行了優化，所獲最高蝦青素產量達11．63 mg／L(1 770 ug／(g幹細胞))。總體來說，單從發酵培養基的優化來提高蝦青素的含量，直至目前還未有突破性進展。
3．2．2降低發酵成本
除了蝦青素的低產量，另壹個影響發夫酵母商業應用的不利因素就是發夫酵母生長所需的培養基成本相對偏高(酵母氮基礎培養基加糖)。壹些廉價的食品加工廢棄物，如紫花苜蓿殘液，會有效地促進酵母增殖，但同時又會抑制蝦青素的形成，這種抑制作用是由於皂苷的存在。利用澱粉、酒精廢液篩選到發夫酵母NRRLY-17269的突變株JB2，在酒糟中培養類胡蘿蔔素1 330-1 750mg／(kg幹物質)，這使得培養基成本也大大降低。另據報道，糖蜜作為
壹種廉價的發酵原料，代替葡萄糖作為碳源培養發夫酵母，可使蝦青素的產量提高約3倍，達到15．3mg/L。此外，木糖可以通過水解木料或工農業固體廢棄物大量得到，也是壹種廉價的碳源。有學者用木糖作為碳源，經工藝優化可得蝦青素產量為5．2mg／L。
3．3 蝦青素的提取
目前蝦青素的提取主要是先用各種方法破壁，然後再用有機溶劑提取。研究表明：用乙醇比用二甲基亞碸(DMSO)提取率低。國內學者用酸熱處理細胞後，再用丙酮提取，效果也不錯。最近，日本的學者選育出壹株羅氏鏈黴菌(Streptomyces rochei)DB-34能夠產生高活性的組成型裂解酶，此酶表現出水解beta-1，'6-葡聚糖的活性，還發現在發夫酵母培養後期加入這種酶可以有效地提取蝦青素。
發夫酵母用作飼料添加劑時，須先經破壁才能使蝦青素沈積在魚或雞蛋黃內。為使色素易於釋放出來，在蒸餾水或檸檬酸緩沖液中進行預先自動水解是被看好的方法，或者可用圓形芽孢桿菌(Bacil-Jmcirculans)分泌的酶來酶解堅韌的細胞壁。在添加芽胞桿菌之前，發夫酵母需要加熱滅活，然後，調整其pH值。所以，比較方便的方法是把這兩種微生物混合培養，這樣做的另壹個好處是無細胞的培養液可以被重復利用。因為在發酵用去壹些營養物質之後，它仍能支持發夫酵母的生長，並含有壹定的裂解酶可以修飾細胞壁。壹個混種發酵培養液過濾後循環的工藝方案已被提出，旨在滿足大規模生產中的環保要求。不幸的是，混種發酵在某種程度上會抑制蝦青素的產量。
4開發應用前景
蝦青素目前已被廣泛開發應用於食品、醫藥、化妝品及飼料等的生產。蝦青素雖是壹種類胡蘿蔔素，但其某些生物學作用遠比其他類胡蘿蔔素強。蝦青素為脂溶性，具有艷麗的顏色和強的抗氧化性能。在食品上，不僅可以著色，還可以有效地起到保鮮、防止變色、變味、變質的作用。含蝦青素的紅色油劑既可用於蔬菜、海帶和水果的腌漬，也可用於飲料、面條、調料的著色，亦有專利報道。蝦青素的抗光敏作用較beta-胡蘿蔔素更強，國外有含蝦青素的化妝品專利。醫藥及食品工業利用蝦青素的抗氧化作用、抗炎癥作用及免疫促進作用來作為藥物預防氧化性組織損傷和配制保健食品。同時由於蝦青素有艷麗顏色，並可與肌動蛋白非特異結合，將其加入水產飼料中，可以改善養殖魚類的皮膚和肌肉色澤，增加魚類的抗病能力。另外，蝦青素對魚類的生長繁殖具有很重要的作用，可作為激素促進魚卵受精，減少胚胎發育的死亡率，促進個體的生長，增加成熟速度和生殖力，蝦青素還可作為營養物質促進家禽的生長和提高產蛋率。毫無疑問，蝦青素的生理功能強大，而且應用也廣泛，近年來國內外對蝦青素的需求量也越來越大。除了水產品加工業的廢棄物中提取獲得蝦青素外，利用酵母、藻類等微生物工業化發酵生產蝦青素，生產周期短，前景廣闊。但同其他成熟的發酵產物相比，利用微生物工業化生產蝦青素的規模相差甚遠，主要問題仍是產量低、發酵成本高。因此篩選高產菌株，改進發酵工藝，適時引人基因改良技術，提高產量，降低成本，有助於蝦青素的進壹步開發應用。