蝦青素在畜牧養殖中的應用研究進展

侯慶明，張 妍，黃倩倩，滿建魯，劉傳順，劉世蓮

（山東勝利生物工程有限公司，山東濟寧 272000）

蝦青素是一種類胡蘿卜素，主要從水生動物中提取，具有多種生理功能，因此成為畜牧養殖行業中的研究熱點。由于其抗氧化活性極強，是其他類胡蘿卜素的10 倍以上，維生素的550 倍以上，蝦青素也因此有“超級維生素”之稱。蝦青素能有效抑制細胞的氧化損傷和癌變，還有防紫外線輻射、增強機體抵抗力、抗心腦血管系統疾病等功能，在衛生保健和飼料養殖等行業中發揮著愈來愈重要的作用[1]。本文從蝦青素的物理化學性質、結構特性、生產來源、在畜牧養殖行業中的應用及安全性等方面進行了綜述，以期為蝦青素在我國畜禽養殖業中的應用提供理論參考。

1 蝦青素的物理化學性質與結構特性

1.1 物理化學性質

蝦青素，又名蝦黃素、蝦黃質，是由德國化學家Richard Kuhn 在龍蝦體內首次提取出來的一種紫紅色結晶物質，故稱為蝦青素，后來蝦青素被確定為一種與蝦紅素有密切關系的類胡蘿卜素。β-胡蘿卜素、葉黃素、角黃素、番茄紅素等均為類胡蘿卜素的合成中間產物，而蝦青素是類胡蘿素中合成水平最高的產物，也是目前人類在自然界中所發現的具有最強抗氧化活性的物質，抗氧化性遠高于現有的抗氧化劑。蝦青素的化學名稱為3,3'-二羥基-4,4'-二酮基-β,β'-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，相對分子質量596.84，熔點為215～216℃，沸點為774℃，為紅色固體粉末，有脂溶性，不易溶于水。

1.2 結構特性

蝦青素的分子結構如圖1 所示。中間結構由4 個異戊二烯單位構成的共軛雙鍵組成，兩端結構由α-羥基紫羅酮六元環構成，兩端環結構的C-3 和C-3'為兩個手性中心。中間結構的共軛雙鍵能吸引自由基未配對電子或者向自由基提供電子，從而清除自由基，起到抗氧化作用。由于共軛雙鍵鏈、不飽和酮基和羥基的特殊結構，蝦青素易與光、熱和氧化物發生降解反應，形成蝦紅素。

圖1 蝦青素的分子結構

蝦青素一個手性中心有兩種構象，每一個手性碳原子都可以以R 或S 的形式存在，因此蝦青素有（3S，3'S)、（3R，3'R) 和（3R，3'S) 共3種異構體，其中（3S，3'S) 與（3R，3'R) 異構體互為對映體。由于碳碳雙鍵基團鏈接方式不同，蝦青素存在反式結構與順式結構，天然蝦青素基本全為反式結構，化學合成的兩者均有。其中，天然反式構型的蝦青素生物活性較高，而順式結構的蝦青素生物活性極低，動物機體對順式蝦青素的吸收能力較弱，因此，在畜牧養殖行業中一般會選擇反式結構的蝦青素[2]。

2 蝦青素的生產方法

20 世紀初期，主要采用天然提純法從蝦、蟹等生物體內提取天然蝦青素。隨著科學技術的進步，化學合成的蝦青素悄然問世，但由于分子結構等方面的差異，其效果和安全性遠遠低于天然提純的蝦青素。

2.1 人工合成蝦青素

人工合成的蝦青素的主要路徑是以類胡蘿卜素中β-胡蘿卜素為起點，在β-胡蘿卜素的芳香環的3 號碳和4 號碳上面分別引入2 個羥基和酮基，最終形成蝦青素。目前人工合成蝦青素最廣泛的是采用Wittig 反應的全合成法，而半合成法可以將斑蝥黃質、玉米黃質和葉黃素等類胡蘿卜素當做原料來制備蝦青素。制備工藝簡單、成本低廉是使用化學合成法生產蝦青素的主要特點，但是它有3 種立體異構體的形式存在，并且含有副產物，在穩定性、安全性和抗氧化活性等方面均達不到令人滿意的效果[3]。特別是在實際生產應用中，動物機體對天然蝦青素的生物吸收利用效果強于合成蝦青素，當喂食濃度較低時，天然蝦青素在虹鱒魚血液中的濃度明顯高于人工合成蝦青素，并且人工合成的蝦青素在動物體內無法轉化為天然構型，生物效價和著色能力比同濃度的天然蝦青素要低的多[4]。鑒于此，全球對化學合成蝦青素的管理也日趨嚴格，各國對此也做出相應的管理規定，美國食品與藥物管理局(FDA)已禁止保健食品市場使用化學合成的蝦青素。

2.2 天然蝦青素

天然蝦青素主要是以3S，3'S 形式存在，具有更高的生物活性，主要有2 種生產方法：一種方法是在磷蝦、龍蝦、鱒魚、鮭魚、藻類、酵母、細菌以及水產加工廢棄物中提取[5]。目前，全世界每年大概有上百萬噸的水產品廢棄物，經粉碎、破壁、水解、萃取后可以得到天然蝦青素，通過這種方法可以促進水產養殖業健康發展，減輕生態環境壓力。但這些廢棄水產品中含有幾丁質、灰分等雜質，如何最大化的提取蝦青素并去除雜質是解決產品質量和生產成本問題的關鍵；另一種方法是通過紅法夫酵母、銅綠小球藻、單細胞綠藻雨生紅球藻、粘紅酵母、膠紅酵母、副球菌屬等微生物發酵生產，具有環保壓力小、產物明確、副產物少等優勢[6]，是目前主要的蝦青素生產方法。但這種方法對于培養條件和菌種的要求較高。Chi 等[7]利用基因工程手段改造高產紅法夫酵母MK19，蝦青素產量比野生型提高17 倍。紅法夫酵母發酵生產蝦青素的方法具有培養時間短、可以大量增殖實現高密度培養等優點，而且酵母還是良好的飼料蛋白原料，高產紅法夫酵母菌株的選育因此備受關注。若能夠篩選到紅法夫酵母的高產菌株，一定會進一步助力蝦青素的規?；a，促進蝦青素在畜牧養殖業的應用。

3 蝦青素在畜牧養殖中的應用

3.1 蝦青素對畜禽產品品質的影響

色澤、保水性等是畜禽產品品質優劣的重要參考指標，影響這些指標的因素有產品的色素含量、抗氧化酶活性等。蝦青素在著色和抗氧化性方面具有先天優勢，是水產和家禽飼料中首選的著色劑。作為類胡蘿卜素合成的最后一站，蝦青素進入動物機體后可以直接貯存并沉積在肌肉組織中，并能夠與肌紅蛋白發生非特異性結合[8]。因此，在飼料中添加蝦青素能有效提高畜禽產品的色澤，增強畜禽產品營養價值和市場競爭力。Conradie 等[9]研究發現，在飼料中添加蝦青素，可以使蛋雞的腳、皮膚、喙和羽毛等部位呈現不同程度的紅色或者金黃色，全蛋和蛋黃重增加，促進家禽的生長并提高產蛋率。劉兵[10]研究發現，蛋雞的肌肉組織和蛋黃的抗氧化酶活性隨著蝦青素在日糧中添加量的增加而提高。付興周等[11]研究發現，蝦青素可明顯提高宰后雞肉紅度值a*和亮度值L*。蝦青素在家畜類動物方面的研究也逐漸增多。Carballo 等[12]在研究哺乳羔羊肉質時發現，在含丁基羥基甲苯的商業代乳粉中添加蝦青素可以增加宰后羊肉和脂肪的紅度值a*，從而提高凍肉的脂質穩定性。李新杰等[13]研究發現，在育肥豬日糧中添加蝦青素，可以降低腰肌的亮度值L*和黃度值b*，加深肉質的顏色，品質更佳。

3.2 蝦青素對畜禽繁殖性能的影響

蝦青素可淬滅單線態氧，清除自由基，通過降低膜通透性，限制氧化劑滲透進細胞內,提高內源性抗氧化酶系統的防御作用。蝦青素通過不斷降低畜禽動物精子的氧化損傷水平提高精液質量，通過提高熱休克卵丘細胞的超氧化物歧化酶活性來改善雌性動物的繁殖性能[14]。有研究表明，在雞精液中添加蝦青素可顯著增強精液中的超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性，提高精子質膜的完整率[15]。在體外試驗中，向豬卵母細胞成熟培養基添加蝦青素，各階段的生長發育情況都有不同程度的改善[14]。胡亞美[16]研究發現，適量的蝦青素可以明顯改善常溫下豬精液的質量。Kamada 等[17]在培養牛黃體細胞的過程中發現，添加低濃度的蝦青素可提高培養液中的孕酮含量，因此，在飼糧中添加蝦青素有提高黃體功能的潛力。

3.3 蝦青素對畜禽生產性能的影響

蝦青素作為一種新型飼料添加劑，可以提高畜禽的飼料利用率和生長速度。有研究表明，在蛋雞日糧中添加蝦青素，可以提高DHA 雞蛋的儲存穩定性，并提高產蛋率。Kumar 等[18]研究發現，在犢牛飼糧中添加蝦青素可以明顯提高犢牛的飼料轉化率，增加體重。林建坤等[19]研究發現，在仔豬飼料中組合添加蝦青素和雙乙酸鈉可提高仔豬的抗氧化能力和養分消化率，從而提高仔豬的生產性能。Perenlei 等[20]研究發現，蝦青素可提高肉雞的日增重和腹部脂肪比例。但也有研究表明，在蛋雞的日糧中添加天然蝦青素對生產性能無影響[21,22]。

3.4 蝦青素對畜禽機體免疫力的影響

畜禽機體免疫力的高低直接影響到畜禽的健康狀況和生長速度。蝦青素對畜禽免疫力的影響主要體現在以下3 個方面：一是抗氧化作用，蝦青素具有很強的抗氧化性，可以清除自由基，阻止氧化應激反應，保護免疫細胞，防止免疫系統受到損傷。二是增強免疫細胞數量和活性，蝦青素能夠增加淋巴細胞、中性粒細胞和巨噬細胞等免疫細胞的數量，從而提高機體的免疫能力。三是促進免疫球蛋白生成，蝦青素可以促進免疫系統中B 細胞的活力，增加免疫球蛋白（IgG、lgA和IgM) 的生成量，增強體液免疫反應能力。

綜上所述，蝦青素在畜牧養殖中可以作為一種有效的抗氧化劑和免疫增強劑來使用，并提高畜禽的免疫力和抗病能力。但蝦青素不能替代任何藥物治療疾病。同時，不同種類的動物對蝦青素的吸收和利用程度也可能有所不同，在實際應用中需要結合實際情況進行適當地調整和選擇。

4 蝦青素在畜牧養殖中的安全性

蝦青素具有安全、無毒副作用的特點，被廣泛應用于動物飼料中，在適量的情況下可以促進動物的生長發育，并且不會對動物的健康造成負面影響，許多試驗也證明了這一點。金偉等[23]對大鼠進行30d 蝦青素喂養實驗，研究發現大鼠生長發育無異常，一般表現良好，各項指標結果和組織病理學檢查均無明顯的異常變化。Lin 等[24]研究表明，與對照組相比，未發現連續服用13 周蝦青素的小鼠在體重、血液學、尿液分析、器官重量等臨床參數上存在明顯的生物學差異。石麗麗等[25]采用急性毒性試驗、遺傳毒性試驗、大鼠30d 喂養試驗等毒理學評價方法，對蝦青素的食用安全性也進行了評估，未見蝦青素的明顯毒副作。林飛良等[26]的研究也揭示紅球藻提取物在大鼠的90 天喂養試驗和致畸試驗中是安全的。

在世界范圍內，蝦青素應用廣泛。在北美，2009 年4 月，FDA 批準蝦青素作為一種混合著色劑的成分可用于魚飼料。2000 年，雨生紅球藻粉和法夫紅酵母被批準用于魚飼料為鮭魚著色，獲得了理想的飼喂效果。在歐盟，蝦青素被批準作為膳食補充劑的新原料。2009 年，我國批準蝦青素用作飼料添加劑，雨生紅球藻于2010 年被批準為新食品資源?？偟膩碚f，在動物飼料中使用蝦青素是安全的，但如果動物對蝦青素、類胡蘿卜素、蝦青素來源或者對抑制5-α 還原酶藥物有過敏情況，應避免使用蝦青素。另外，需要注意使用量和與其他飼料成分的搭配，避免對動物的健康造成影響。

5 小結

蝦青素是自然界中最重要的類胡蘿卜素之一，因其在改善畜禽動物生長性能、存活率、繁殖性能、抗病能力等方面發揮著重要作用受到動物營養學家的關注。由于對畜禽產品色澤和繁殖性能、生產性能、機體免疫力等方面具有顯著提升效果，在畜牧養殖中的蝦青素使用量急劇增加，并且具有極大的應用價值和發展空間。但蝦青素在畜禽尤其是反芻動物養殖方面的應用研究不多，很多作用機理尚未明確。隨著蝦青素市場需求的不斷增加，通過合成生物學、分子生物學、代謝工程等新型技術手段實現蝦青素的規?；a是研究的重點，高產蝦青素菌株的篩選、提取和純化技術是關鍵點和難點?？傊?，蝦青素的生產和應用是一個極具吸引力和挑戰性的領域，期待在新的生物技術手段的助力下，蝦青素的規?；a和應用能得到新的發展。