1. 引言

蝦青素來源有兩種，天然提取和人工合成 [1] [2]。目前天然蝦青素的來源中，以微藻的前景Z為廣闊，特別是雨生紅球藻。雨生紅球藻中的蝦青素以其高活性及高含量，成為近年來的研究熱點(diǎn)。蝦青素也廣泛存在于生物界，特別在蝦、蟹、魚體內(nèi)含量較高，是海洋生物體內(nèi)主要的類胡蘿卜素之一。另外，一些藻類也能產(chǎn)生蝦青素，例如雨生紅球藻、綠球藻等微藻及海帶等大型海藻中都有蝦青素的分布。蝦青素的化學(xué)名為3,3’-二羥基-β,β’-胡蘿卜素-4,4’-二酮，分子式C40H52O4，相對(duì)分子質(zhì)量596.86，是一種萜烯類不飽和化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)由4個(gè)異戊二烯單位以共軛雙鍵的形式連接，在其兩端2個(gè)烯酮單位組成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，和β-胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)相似，其結(jié)構(gòu)式如下圖1所示。

2. 蝦青素用途

在食品領(lǐng)域中，蝦青素可以用于飲料、食品、調(diào)料的著色，還可以有效地起保鮮作用。

在化妝品領(lǐng)域中蝦青素更是因其抗氧化功效被廣泛應(yīng)用，蝦青素有著強(qiáng)大的抗氧化作用，可用于對(duì)皮膚的保護(hù)。因能夠減弱活性氧(ROS)和基質(zhì)金屬蛋白酶(NMP)對(duì)真pi層膠原蛋白和彈力蛋白的破壞，保證了皮膚的正常代謝，從而使得紫外線損傷的皮膚快速得以修復(fù)。

在醫(yī)療方面，有研究證實(shí)蝦青素可以緩解疲勞、增強(qiáng)免疫力、抗炎抗感染等，也可以用于心腦血管疾病的預(yù)防甚至抑制腫瘤的形成 [3] [4]。

目前蝦青素已經(jīng)有商品化的產(chǎn)品，大部分用于化妝品領(lǐng)域。蝦青素具有抗氧化作用，可對(duì)皮膚起到一定保護(hù)，防止皺紋的出現(xiàn)及色素沉著的加重，目前市面有蝦青素膠囊，蝦青素片，富含蝦青素的精華液以及蝦青素面膜等，其中蝦青素的含量有4 mg，12 mg不等。

3. 蝦青素的提取工藝

蝦青素廣泛存在于生物界中，一些藻類也能產(chǎn)生蝦青素，例如雨生紅球藻、綠球藻等微藻及海帶等大型海藻中都有蝦青素的分布。目前在天然蝦青素的來源中，以微藻的前景Z為廣闊，特別是雨生紅球藻。由于雨生紅球藻的蝦青素含量Z高可達(dá)5%以上，遠(yuǎn)高于其他原料，利用雨生紅球藻提取蝦青素，極具大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)潛力，目前國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開展了雨生紅球藻的規(guī)?；B(yǎng)殖。

雨生紅球藻隸屬綠藻門、團(tuán)藻目、紅球藻科、紅球藻屬，雨生種。其細(xì)胞壁較厚，加大了從中提取蝦青素的難度，采用有機(jī)溶劑直接萃取的方式，會(huì)大大降低蝦青素的提取率，因此對(duì)雨生紅球藻細(xì)胞進(jìn)行有效的破壁處理是蝦青素提取工藝中的關(guān)鍵步驟，目前從雨生紅球藻中提取蝦青素分為兩個(gè)步驟：破壁和提取。

破壁：雨生紅球藻的厚壁孢子具有堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，使得蝦青素直接提取率較低。通常需在提取前需將紅球藻進(jìn)行破壁處理，且蝦青素屬于熱敏性較高的物質(zhì)，提取過程中易于分解。目前常用的破壁方法主要有：珠磨法、高壓均質(zhì)法、冷凍法、勻漿法、超聲波法、凍融法、機(jī)械研磨法、液氮冷凍法、酶法和化學(xué)法等。但對(duì)雨生紅球藻進(jìn)行破壁處理，極易造成蝦青素的損失，如酸法破壁法，該方法額外在體系中添加了酸作為破壁溶劑，增加了產(chǎn)品分離的難度，且酸液不易于回收利用。有些破壁效果較好，因設(shè)備要求較高，不利于放大生產(chǎn)，如高壓均質(zhì)破壁法，該方法破壁需要經(jīng)過反復(fù)多次處理，耗時(shí)較長(zhǎng)從而導(dǎo)致有效成分被氧化，此外紅球藻在溶液中極易沉降，導(dǎo)致料液不均勻從而堵塞儀器；超高壓破碎該方法采用100~300 mpa高壓破碎，破壁率超過95%，效果較好但對(duì)設(shè)備要求較高，不易在規(guī)?；a(chǎn)中應(yīng)用 [5]。所以找到合適的并可以在生產(chǎn)中規(guī)?；瘧?yīng)用的破壁方法是實(shí)驗(yàn)成功關(guān)鍵之一。

提?。簭挠晟t球藻中提取蝦青素主要有以下幾種方法：超臨界CO2萃取法、有機(jī)溶劑提取法、高壓均質(zhì)提取法、油提取法和我們的微波提取法等。采用超臨界CO2萃取技術(shù)萃取蝦青素是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)技術(shù)，該工藝綠色安全環(huán)保，但是該方法對(duì)設(shè)備要求較高，不易放大生產(chǎn)，該方法和高壓均質(zhì)提取法常用于實(shí)驗(yàn)室研究，因設(shè)備投入成本較高，較難工業(yè)化生產(chǎn)；油提取法的提取效果較好，但因油難以除去而降低了蝦青素的含量，品質(zhì)難以提升；有機(jī)溶劑提取法生產(chǎn)成本較低，方法簡(jiǎn)便，提取率較高，后期處理方便。因此，有機(jī)溶劑萃取法在生產(chǎn)中較為常用 [6]。我們實(shí)驗(yàn)室正在應(yīng)用北京祥鵠微波和超聲波化學(xué)儀器改進(jìn)蝦青素的提取工藝。

4. 蝦青素的合成

關(guān)于蝦青素的主要合成路線，按照合成原料結(jié)構(gòu)式的含碳數(shù)可以包括有三條 [7] [8]：一是2C10 + C20 → C40路線，二是2C6 + C10 + 2C9 → C40路線，三是2C15 + C10 → C40路線。第三條路線已經(jīng)由眾多公司實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，該路線的綜合策略在于先通過各種途徑反應(yīng)生成相應(yīng)的C15磷葉立德，再使用C10二醛發(fā)生經(jīng)典的雙Wittig反應(yīng)生成C40蝦青素。其中本實(shí)驗(yàn)室采用的是線路三的路線，但是在C15的合成中采用了更為溫和高效的方法，使得合成更為安全。以下針對(duì)各個(gè)路線作一概述 [4]：

合成路線一 [9]：是由兩分子的甲氧基異戊二烯(1)和C10-二醛二甲基縮醛(2)反應(yīng)生成C20-二醛二甲基縮醛(4)結(jié)構(gòu)，在與兩分子的C10-二烯醚(5)反應(yīng)生成蝦青素(7)。反應(yīng)具體路線如下圖2所示。

該反應(yīng)Z關(guān)鍵的過程為1，5號(hào)化合物的合成，根據(jù)參考文獻(xiàn) [9] 得出化合物1的制備過程如下圖3。

化合物5是該方法中制備蝦青素的重要原料，其反應(yīng)原理如下圖4。

化合物1，5是合成線路一的關(guān)鍵原料，正因?yàn)槠浜铣傻膹?fù)雜性以及危險(xiǎn)性，導(dǎo)致該路線是合成蝦青素的難點(diǎn)之一。

合成路線二 [10]：其具體步驟為以C6醇(17)為原料，生成C6膦鹽(18)后，兩分子的18和C10-二醛(19)反應(yīng)，生成C22的共軛二炔多烯化合物(20)，再與C10-二烯酮(22)反應(yīng)，經(jīng)過還原后，生成蝦青素(7)。反應(yīng)路線如下圖5。

其中原料8和13是制備蝦青素的關(guān)鍵產(chǎn)品，原料8屬于維A醇，但其價(jià)格十分昂貴，成為該反應(yīng)的制備的一大難題。原料13與上述原料5制備基本相似。

合成路線三：

該線路已經(jīng)在國(guó)外的羅氏公司、BASF公司實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，因此該路線也更適合應(yīng)用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。該反應(yīng)分為兩部分：C9 + C6 = C15和C15 + C10 + C15 = C40。

C9的合成：以氧代異佛爾酮為起始原料，雙鍵在堿性條件下環(huán)氧化，堿性水解，氫化還原，羥基和羰基的雙護(hù)，得到重要中間體C9合成單元。該路線與上述化合物11合成15路線一致。

C6單元的合成兩公司有著輕微的區(qū)別：

羅氏公司C6單元的合成：丙酮和甲醛水溶液在微堿性條件下發(fā)生羥醛反應(yīng)得到羥基丁酮，草酸脫水得到丁烯酮，同乙炔加成，硫酸重排得到重要的中間體六碳醇，此化合物是合成維生素A的重要中間體，將其羥基保護(hù)后得到此路線合成蝦青素的C6合成單元。如下圖6。

BASF公司前面三步反應(yīng)同羅氏公司采用的合成工藝路線一樣得到C6叔醇，但生成的叔醇不用酸催化重排轉(zhuǎn)位，而是將羥基直接保護(hù)后去與C9單元反應(yīng)。其反應(yīng)路線如下圖7 [8] [11]。

羅氏公司C15單元的合成：C6合成單元的炔基用二異丙氨基鋰處理后與C9合成單元的羰基加成，在酸催化下水解脫保護(hù)和叔醇脫水，再選擇炔鍵還原成雙鍵，與三苯基膦溴化氫反應(yīng)得到C15三苯基鹽 [12] [13] [14]，如下圖8。

BASF公司路線對(duì)C15合成單元的合成：C6合成單元的炔基與鋰試劑作用形成炔基鋰，與C9合成單元的羰基加成得到C15骨架，水解脫水脫保護(hù)，三鍵部分氫化形成雙鍵，得到的叔醇再與三苯基膦溴化氫復(fù)合物反應(yīng)得到C15三苯基膦鹽。如下圖9。

Z后2分子C15和C10進(jìn)行經(jīng)典的Wittig反應(yīng)合成蝦青素，反應(yīng)式如下圖10。

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用C15 + C10 + C15 = C40的方法，應(yīng)用的是C13 + C2 = C15。后續(xù)的2分子C15和C10進(jìn)行經(jīng)典的Wittig反應(yīng)合成蝦青素跟上述方法一致。該方法合成路線優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)較為溫和。其合成路線為 [15] [16]：以α-紫羅蘭酮(43)為起始原料，經(jīng)過7步反應(yīng)生成C15三苯基膦(35)結(jié)構(gòu)，再與C10-多烯二醛反應(yīng)，Z終生成蝦青素(7)。具體路線如下圖11：

從反應(yīng)三條線路中都可以看出2,7,-二甲基-2,4,6-辛三烯-1,8-二醛(19)結(jié)構(gòu)是反應(yīng)中關(guān)鍵的中間體，線路一中的(4)是C10的兩個(gè)醛基進(jìn)行保護(hù)，所以需要進(jìn)行C10結(jié)構(gòu)的合成，現(xiàn)在概述主要的合成路線 [6]。

方法一為BASF公司以1,4-二鹵-2-丁烯(39)為原料，經(jīng)Abrozov重排反應(yīng)得到雙磷酸酯化合物，再與丙酮醛縮二甲醇進(jìn)行Wittig-Horner反應(yīng)、脫保護(hù)基得到十碳三烯雙醛 [17] [18] [19]，其反應(yīng)式如下圖12。

方法二是Hagen以苯亞磺酸鈉為連接劑，與兩分子的2-(3-氯-1-甲基-1-丙烯基)-5,5-二甲基-1,3二噁烷合成砜化合物，再通過強(qiáng)堿消除Z終得到2,7,-二甲基-2,4,6-辛三烯-1,8-二醛 [20]。如下圖13。

方法三是以呋喃為起始原料，與甲醇經(jīng)過兩步加成得到1,l,4,4-四甲氧基-2-丁烯，此雙縮醛化合物在路易斯酸催化下與丙烯基甲醚縮合反應(yīng)得到C10骨架，再經(jīng)堿處理消除甲醇形成雙鍵得到目標(biāo)產(chǎn)物。此路線的缺點(diǎn)是丙烯醚原料難得，且化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，與縮醛的加成反應(yīng)副產(chǎn)物較多 [4]。

5. 蝦青素的生物活性研究

蝦青素是一種含氧的類胡蘿卜素，其分子結(jié)構(gòu)中碳骨架由多聚烯鏈和位于兩側(cè)的芳香環(huán)組成，同時(shí)芳香環(huán)上含有羥基和酮基。近年來，國(guó)內(nèi)外大量研究表明，因蝦青素獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其具有很強(qiáng)的抗氧化活性，可以預(yù)防ai癥、動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病等慢性病的發(fā)展，具有提高免疫力、延緩衰老有積極作用。

蝦青素是一個(gè)非常優(yōu)良的具有抗氧化清除氧自由基功效的化學(xué)物質(zhì)。現(xiàn)已經(jīng)探明，人體內(nèi)存在的氧自由基，是百病之源、衰老之魁。這些自由基也被稱為“氧毒”，它們是不成對(duì)電子的原子、分子，對(duì)人體器官組織和免疫系統(tǒng)具有很強(qiáng)的攻擊能力。如：攻擊細(xì)胞膜、脂蛋白、侵蝕胰島細(xì)胞、損害關(guān)節(jié)膜、侵蝕晶狀體和腦細(xì)胞、攻擊毛細(xì)血管、攻擊人體免疫系統(tǒng)、激發(fā)人體釋放因子、攻擊復(fù)制中的DNA等。實(shí)驗(yàn)證明，蝦青素在防止亞油酸自氧化、清除羥自由基、清除1,1-二苯代苦肼基(DPPH)的實(shí)驗(yàn)中，都表現(xiàn)出良好的效果。也正因?yàn)槠浠瘜W(xué)結(jié)構(gòu)不同于其他類胡蘿卜素，除了有長(zhǎng)的共軛雙鍵外，在兩端的芳香環(huán)中的羥基和不飽和酮基具有活潑的電子效應(yīng)，能向自由基提供電子或吸引自由基的未配對(duì)電子。達(dá)到清除自由基的目的 [21]。

除了強(qiáng)大的抗氧化活性外，蝦青素還具有抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗ai活性和增強(qiáng)免疫功能的活性。研究表明，蝦青素可以升高高密度脂蛋白(HDL)，降低低密度脂蛋白(LDL)。對(duì)于動(dòng)脈粥樣硬化有很好的預(yù)防作用 [22]。越來越多的研究表明，蝦青素具有抑癌、抗ai作用，這些作用主要體現(xiàn)在蝦青素預(yù)防腫瘤的發(fā)生、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤轉(zhuǎn)移、增強(qiáng)免疫、增加細(xì)胞間通訊等方面 [23]。另外，有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蝦青素會(huì)增加IL-2的產(chǎn)生，并能促進(jìn)脂多糖誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞的增殖。蝦青素可以增強(qiáng)pizang細(xì)胞對(duì)抗原的免疫應(yīng)答，增強(qiáng)抗體的生成 [24] [25]，促進(jìn)免疫細(xì)胞的增殖以此來增強(qiáng)免疫功能。

由于蝦青素結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)手性中心，分別是兩端環(huán)結(jié)構(gòu)的C-3和C-3’，兩個(gè)手性碳均可以R或S構(gòu)型存在，所以蝦青素存在光學(xué)異構(gòu)體，分別為3R，3’R，3S，3’S，和內(nèi)消旋體。不同結(jié)構(gòu)其生物活性會(huì)有區(qū)別 [26]，雨聲紅球藻中的蝦青素均以反式結(jié)構(gòu)存在，并且是3S，3’S的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)表明，蝦青素?zé)o論是清除自由基的能力還是提高免疫活性的能力，其內(nèi)消旋結(jié)構(gòu)活性都是Z差的。所以純化蝦青素也是提高其生物活性的一大優(yōu)勢(shì)。

6. 小結(jié)與展望

越來越多的實(shí)驗(yàn)表明蝦青素具有強(qiáng)大的抗氧化能力，其強(qiáng)抗氧化能力已經(jīng)逐漸進(jìn)入到食用色素、畜牧業(yè)和水產(chǎn)品的飼料添加劑中，也廣泛應(yīng)用于化妝品、保健品和醫(yī)藥等行業(yè)中 [27]。當(dāng)然，蝦青素的抗氧化機(jī)制及作用為預(yù)防和治療腫瘤、心血管疾病及各種慢性疾病提供了理論基礎(chǔ)。雖然關(guān)于蝦青素研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但未來我們?nèi)孕枰粩嗟膶?shí)驗(yàn)研究，找到更安全的簡(jiǎn)便的方法來提取和合成蝦青素，我們實(shí)驗(yàn)室正在應(yīng)用祥鵠微波化學(xué)系列儀器改進(jìn)蝦青素的萃取方法和合成路線 [28] [29]，為進(jìn)一步研究蝦青素的生物活性、構(gòu)效關(guān)系及其工業(yè)化提供基礎(chǔ)。

NOTES

*通訊作者。