李 磊，張 麗，林樹帶，李廣珍,2，焦振海，王府建，賓乘鋒，李 國，楊耐德*

（1.廣東海洋大學濱海農業(yè)學院，廣東湛江 524088；2.廣東潤生農業(yè)集團有限公司，廣東湛江 524400）

蝦青素，又名蝦黃素、蝦黃質（C40H52O4)，是一種酮式類胡蘿卜素。天然蝦青素主要存在于海洋生物中，以游離態(tài)和酯化態(tài)兩種形式存在。蝦青素在游離狀態(tài)下不穩(wěn)定，容易被氧化。其末端環(huán)狀結構中有羥基存在，容易通過與脂肪酸結合形成蝦青素酯而穩(wěn)定存在[1]。蝦青素具有很強的抗氧化能力、色素沉積能力和特殊的著色能力。研究發(fā)現(xiàn)蝦青素比維生素的氧化能力高550 倍，比其他類胡蘿卜素的氧化能力高10倍，有超級維生素之稱[2]。此外，蝦青素還在提高動物免疫力[3]、預防心血管疾病發(fā)生[4]等方面有重要的生理和生物學功能，在畜牧業(yè)及水生動物生產中已被廣泛應用[5]。

1 蝦青素的理化性質和來源

1.1 蝦青素的理化性質

蝦青素化學名為3,3′-二羥基-4,4′-二酮基-β，β′-胡蘿卜素，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)天然蝦青素中9、13 和15 位有Z 式結構，因此蝦青素可能的幾何異構體有全-E、（9Z)、（13Z)、（15Z)、（9Z、13Z)、（9Z、15Z)、（13Z、15Z)和（9Z、13Z、15Z)等（圖1)。蝦青素呈粉紅色，具有脂溶性，易溶于氯仿、丙酮和苯等有機溶劑，在水中不能被溶解[6]。蝦青素分子中的共軛雙鍵、不飽和酮以及羥基具有比較活潑的電子效應，能夠吸引自由基的未配對電子，向自由基提供電子，因此具有清除自由基的作用。蝦青素根據碳碳雙鍵基團連接方式的不同分為反式結構和順式結構，天然存在具有生物活性并且較穩(wěn)定的為蝦青素反式結構?；瘜W合成的蝦青素也有順式結構和反式結構兩種，順式結構的蝦青素不能被動物體吸收利用[2]。

圖1 蝦青素立體異構體

1.2 蝦青素的來源

1.2.1 生物體內合成的蝦青素

生物體內蝦青素是C40 類胡蘿卜素代謝的最終產物。類胡蘿卜素的合成又可以分為3 個階段分別為中心碳代謝、類胡蘿卜素前體物質異戊烯焦磷酸酯（IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸酯（DAMPP)的合成、類胡蘿卜素的合成[7]。雨生紅球藻和紅法夫酵母是目前蝦青素生物合成的主要來源。通過分析測定不同生物發(fā)現(xiàn)，雨生紅球藻是天然蝦青素的較好來源，其中蝦青素約占藻粉干重的4%～5%。但是雨生紅球藻對水質、環(huán)境和光照的要求較高以及自養(yǎng)周期長[8]。而紅法夫酵母中蝦青素約占干重的0.12%，并具有發(fā)酵工藝成熟、培養(yǎng)時間短和高密度培養(yǎng)等優(yōu)點。其缺點在于紅法夫酵母受pH 值、溫度、碳氮源和溶氧等條件的影響較大[9]。此外，甲殼類動物如南極磷蝦、蟹，魚類如三文魚、鮭魚等也含有蝦青素[10]。

1.2.2 蝦青素的化學合成

據報道，目前有4 種途徑可以合成蝦青素。①以6-氧代異佛爾酮為原料，通過羥醛縮合、脫水等化學反應生成蝦青素[11,12]。②以α-紫羅蘭酮為原料與間氯過氧苯甲酸反應生成中間體氧化衍生物α-紫羅蘭酮環(huán)，再經過一系列化學反應生成最終產物蝦青素。③通過α-β 不飽和烯醇醚與二十碳雙縮醛發(fā)生縮合、堿化形成蝦青素。④以角黃素為原料通過4 個過程合成蝦青素，分別為堿化、硅醚化、環(huán)氧化、水解，具有路線短合成效率高的優(yōu)點[13,14]。

2 蝦青素的生理功能

2.1 抗氧化作用

蝦青素是一種抗氧化劑，因其β-紫羅蘭酮環(huán)和長鏈共軛烯烴結構[15]，有利于抑制脂質過氧化反應，從而阻止氧化反應的進行，使細胞免受氧化反應的損傷使從而保護細胞及DNA[16]。如圖2 所示，蝦青素可以通過不同的途徑發(fā)揮其抗氧化作用。蝦青素具有淬滅單線態(tài)氧、清除氧自由基的能力，是通過吸取共軛烯烴鏈上的電子和終端環(huán)上部分電子來實現(xiàn)的。蝦青素還能夠降低膜通透性，限制氧化劑滲透進細胞內、增加抗氧化酶活性[17]。通過化學發(fā)光法測定以及與非酶抗氧化劑抗活性氧效率的比較，發(fā)現(xiàn)蝦青素清除羥自由基效率更快，其抗氧化活性比抗壞血酸和維生素E 更高[18]。研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的成骨細胞中通過添加不同濃度的蝦青素，可激活細胞內抗氧化系統(tǒng)實現(xiàn)成骨細胞免受氧化損傷[19]。此外，蝦青素能防止不飽和脂肪酸甲酯的過度氧化，其效果比β-胡蘿卜素和玉米黃素更好[20]。由于蝦青素在羥基酮環(huán)上含有兩個氧基團，所以能夠有效地延緩過氧化物形成，并且其自催化氧化速度比β-胡蘿卜素和玉米黃素慢很多[21]。蝦青素發(fā)揮抗氧化功能還可以通過清除過量的活性氧簇以終止鏈式反應來實現(xiàn)[22]。有研究表明胃腸上皮細胞中超氧化物歧化酶的活性受到抑制是由于幽門螺桿菌引起線粒體中活性氧簇水平上升所導致，胃腸上皮細胞經過5μmoL/L 蝦青素預處理后，發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶的活性不會受到幽門螺桿菌的抑制，由此可以得出蝦青素可能對線粒體起到一定的保護作用[23]。

圖2 蝦青素抗氧化作用通路示意圖

2.2 抗炎作用

蝦青素能夠降低生物體內炎癥反應。其通過抑制NF-KB 通路預防炎癥發(fā)生[24]。研究發(fā)現(xiàn)蝦青素能抑制核轉錄因子KB 磷酸化，降低體內腫瘤壞死因子TNFα、促炎性細胞因子、白介素-1β、誘導性一氧化氮合酶和環(huán)氧化酶2 的產生[25]。研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素可通過低密度脂蛋白受體相關蛋白-1（LRP-1)不僅能夠通過調控NF-KB、JNK 信號通路改變BV2 的極性改變，而且使脂多糖介導BV2 產生的TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-10 下調[26]。

2.3 疾病預防中的作用

研究表明，蝦青素通過抑制氧化劑降低細胞損傷，減少突變和致癌基因的作用。在抗腫瘤活性中蝦青素比β-胡蘿卜素和斑蝥黃具有更強的活性[27]。在抑制皮膚癌、結腸癌、口腔癌、乳腺癌等方面蝦青素具有積極的作用[28]。蝦青素促進肝癌細胞凋亡以及抑制肝癌細胞的增殖能是通過抑制Nf-kbP65 和Wnt/β Catenin 信號通路發(fā)揮生物學作用[29]。蝦青素也可以通過阻斷胃癌細胞的周期進程從而抑制其增殖[30]。蝦青素能夠抑制黃曲霉毒素的致癌作用，使黃曲霉毒素誘導的肝腫瘤細胞的數(shù)量和體積減小[31]。在動脈粥樣硬化心血管疾病的病理生理學特征中包括氧化應激和炎癥，研究表明蝦青素在治療動脈粥樣心血管疾病有一定的作用[32]。給自發(fā)性高血壓大鼠飼喂50mg/kg 的蝦青素，大鼠動脈血壓得到了降低[33]。

蝦青素除以上作用外還有抗凋亡作用，實驗表明蝦青素可抑制乳腺癌細胞的增殖、遷移和阻斷腫瘤細胞分裂，但不影響正常細胞的遷移、細胞數(shù)、改變細胞凋亡基因表達[34]。此外，蝦青素是目前唯一一個能通過哺乳動物血腦屏障的類胡蘿卜素可能在中樞神經系統(tǒng)中有潛在的作用[35]。

3 畜牧生產中的應用

3.1 蝦青素在畜禽種質資源保護中的研究和應用

動物遺傳資源是生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是育種工作可持續(xù)發(fā)展的基石。動物遺傳資源保護常用的保種方法有異位保種和原位保種。異位保種方法有精液的冷凍保存、胚胎冷凍保存和構建基因文庫。原位保種主要用于瀕危的動物保存并繁殖活體動物，從而擴大其群體數(shù)量來保存現(xiàn)有的遺傳多樣性和表型多樣性[36]。而配子和胚胎的冷凍保存作為動物遺傳操作的一項重要技術，被廣泛用于長期保種、運輸動物遺傳資源和輔助生殖技術[37]。

3.1.1 蝦青素在精液冷凍中的應用

研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素在雞和大黃魚精液冷凍保存具有積極作用，可以有效提高保存時間、活力，并且蝦青素對雞和豬精液常溫保存也有良好作用。在豬精液保存中添加不同濃度梯度的蝦青素后比較精液品質發(fā)現(xiàn)，在稀釋液BTS 中添加0.25μg/mL 蝦青素使豬精液保存質量顯著上升，不僅可顯著改善精子活力、質膜完整率和頂體完整率，而且豬精液在常溫時精子的氧化損傷可以得到有效緩解，精子總抗氧化能力也得到明顯提升，有效延長了豬精液在常溫條件下保存的時間。精液中添加蝦青素能夠增加精子高線粒體膜電位的比例，使得精子ATP 水平和LDH 酶活性顯著提高[38]，具有改善精子運動性能的趨勢。在雞精液低溫保存時添加不同濃度梯度的蝦青素，發(fā)現(xiàn)0.20μg/mL 蝦青素提高了低溫環(huán)境下保存精子活力、受精率、頂體、頭部質膜和尾部質膜的完整率，但對精子畸形率影響不顯著，低溫保存精液的抗氧化能力也得到了增強。0.20μg/mL 濃度的蝦青素和番茄紅素稀釋液對雞的精液保存效果均優(yōu)于稀釋液原液，二者在雞的精液CAT活性上雖然番茄紅素稀釋液效果更好，但是在保存雞精液過程中精子活力與精子頂體、質膜完整率和T-AOC 蝦青素稀釋液相比于番茄紅素稀釋液效果更好。兩種稀釋液在ROS 水平無顯著差異，所以在精液稀釋液中添加蝦青素作為抗氧化劑效果更優(yōu)[39]。此外，試驗發(fā)現(xiàn)蝦青素對超低溫冷凍大黃魚精子細胞膜具有保護作用[40]。

3.1.2 蝦青素在胚胎冷凍中的應用

目前，玻璃化冷凍不同發(fā)育階段豬胚胎被認為是最常見、最有效的冷凍保存方法[41]。在受精卵階段通過對胚胎進行玻璃化冷凍是胚胎有效利用的一種便捷策略，使胚胎移植不受時間和空間限制。研究表明，蝦青素不僅可以保護卵母細胞和胚胎免受熱應激和氧化應激等有害因素引起的發(fā)育損害[42]，還能改善玻璃化冷凍后的豬未成熟卵母細胞的成熟質量，抑制豬卵母細胞的體外老化[43]。研究發(fā)現(xiàn)，通過孤雌激活（PA)和體細胞核移植（SCNT)的豬受精卵能夠成功地被玻璃化冷凍并且冷凍存活率較高，但是玻璃化冷凍造成的亞致死性損傷會殘留在豬受精卵隨后的胚胎發(fā)育中，造成發(fā)育能力較低[44]。冷凍保存使得卵母細胞和胚胎質量和發(fā)育受損是因為產生過多的活性氧（ROS)，導致其生理、生化和分子水平發(fā)生變化，包括DNA 斷裂、紡錘體缺陷、代謝異常、細胞器功能障礙、細胞凋亡等[45]。研究表明，在體外培養(yǎng)培養(yǎng)液中添加1.5μmol/L 蝦青素能減輕氧化應激，改善線粒體和溶酶體功能，對玻璃化冷凍豬受精卵的植入前胚胎發(fā)育和胚胎質量具有積極作用[46]。

綜上所述，蝦青素作為一種外源抗氧化劑，在動物精液冷凍保存中可能是通過對ATP 水平、LDH 活性保護作用、抗氧化能力、活性氧、超氧化物歧化酶活性、谷胱甘肽過氧化物酶活性、丙二醛含量和過氧化氫酶的調節(jié)來增強對精子的保護作用?？赡苡行б种屏寺涯讣毎团咛ダ鋬霰４嫠a生的活性氧，降低了對其生理、生化和分子水平的損傷，從而極大地提高了冷凍后卵母細胞和胚胎的活力和發(fā)育能力。所以蝦青素可以用于建立更高效的體外保存體系，用于精液、卵母細胞和胚胎的冷凍保存，在畜禽種質資源保護中發(fā)揮重要作用。

3.2 蝦青素在水產養(yǎng)殖中的應用

蝦青素作為水生動物飼料添加劑，在水產養(yǎng)殖方面應用較為廣泛，它可以提高魚的色素沉積、生產性能、生長性能以及非正常環(huán)境下的存活率。用添加蝦青素與甲睪酮的日糧飼喂櫻桃鲃30d，結果表明，添加100mg/kg 濃度的蝦青素日糧身體色素沉積濃度明顯高于添加甲睪酮的日糧，隨著添加濃度增加魚體表色素沉積沒有明顯增加[47]。研究發(fā)現(xiàn)日糧中添加蝦青素飼喂紅玫瑰魚（Puntius titteya)能減少其鏡像攻擊行為和擇偶行為[48]。七彩神仙魚飼料中添加不同濃度梯度的蝦青素能改善魚的增重率和特定生長率，其中添加50mg/kg 蝦青素對養(yǎng)殖七彩神仙魚最有益[49]。在烏鱧（Channa argus)飼糧中添加蝦青素能提高熱應激蛋白HSP70、HSP90 和糖皮質激素受體基因的表達[50]。對于馬氏珠母貝而言，蝦青素不僅可提高其存活率，還可導致貝體外套膜、閉殼肌、腮絲和腎臟呈現(xiàn)橙色，貝殼珍珠層呈現(xiàn)金黃色[51]。高密度水產養(yǎng)殖易引起動物身體受到各種應激，如運輸、搬運、接種疫苗和擁擠等因素使動物處于高壓及免疫抑制狀態(tài)，引發(fā)動物死亡[52]。飼料中添加一定量的蝦青素可以增強魚蝦對高氮、低氧環(huán)境的耐受力以及免疫力[53,54]，從而提高其生長性能以及存活率[55]。研究表明，飼料中添加700mg/kg 蝦青素能有效提高錦鯉體質量增長率以及蛋白質效率，蝦青素添加量對錦鯉的肥滿度、肝體指數(shù)以及臟體指數(shù)無明顯影響，但是錦鯉的體色有所改變[56]。

綜上所述，飼糧中添加一定量的蝦青素能促進水生動物的生長可能是由于蝦青素在適宜含量范圍內通過激活水生動物體內的抗氧化系統(tǒng)，使其免疫機能大大增加從而提高了存活率。魚類不能自身合成色素，只能吸收外源色素，所以飼糧中添加蝦青素可能對魚類組織中色素的沉積具有促進作用。并且蝦青素的添加量不能過低或過高，添加量過低達不到預期效果，過高對其效果沒有增強作用剩余部分可能會通過代謝排出體外造成浪費。

3.3 蝦青素在家禽生產中的應用

蝦青素可以提高雞的飼料利用率、產蛋率、肉品質、生長率、蛋黃顏色以及免疫力。研究發(fā)現(xiàn)，肉雞飼糧中添加一定量的蝦青素復合添加劑，可以有效改善肉雞生長性能和雞肉品質，日糧中添加蝦青素飼養(yǎng)肉雞不僅使其日增重和飼料利用率顯著升高，而且在雞屠宰后肌肉的pH 值下降速度顯著降低[57]。在京紅雞日糧中添加蝦青素復合添加劑發(fā)現(xiàn)其蛋雞生產性能、蛋殼厚度、蛋殼百分比、哈氏單位和蛋黃百分比均未有明顯的影響，但能導致其蛋黃顏色逐漸加深，以添加量為3.6g/kg 時效果最佳[58]。在太行雞日糧中添加80mg/kg 蝦青素能有效改善蛋黃顏色和哈氏單位，提高產蛋率，降低料蛋比[59]。對于肉雞而言，飼糧中添加含20mg/kg 蝦青素的酵母粉或0.15%含蝦青素的干細胞粉使得肉雞屠宰后肌肉的紅度以及黃度值明顯增加[60,61]。此外，蝦青素能夠顯著降低雛雞的總體死亡率，提高蛋雞的產蛋效率[62]。

綜上所述，蝦青素可能對雞體內的抗氧化系統(tǒng)激活具有促進作用，使雞的免疫機能大大增加，降低患病率從而提高了飼料轉化率以及日增重。蛋黃顏色加深可能是蝦青素的著色作用使其色素沉積增加。肌肉的紅度以及黃度值增加與蝦青素著色功能有關。在應激狀態(tài)下，其通過降低肌肉中丙二醛的含量提高肌肉的抗氧化能力。

3.4 蝦青素在豬生產中的應用

在熱應激下，蝦青素可以改善豬的繁殖率、仔豬存活率、抗病力、公豬的射精量以及肉品質。研究發(fā)現(xiàn)在母豬的飼料中添加0.5mg/kg 蝦青素，不僅能使熱應激狀態(tài)下母豬卵母細胞的成熟率顯著提高，還能提高其受精率和胚胎存活率，從而改善豬的繁性能[63]。對于種公豬，0.01mg/kg 蝦青素不僅可以提高公豬的射精量，而且可以提高仔豬的存活率和抗病力。對于斷奶仔豬，飼糧中添加4400mg/kg 蝦青素和雙乙酸鈉能夠使斷奶仔豬抗氧化能力、空腸黏膜超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性顯著提高，從而提高腸道對養(yǎng)分的消化能力和促進空腸細胞結構以及功能的完整性，促進仔豬生長[64]。在商品豬日糧中添加66.7mg/kg 濃度蝦青素，雖然不能影響豬生長性狀，但在進行肉產品加工時能使肉色更深且不易發(fā)黃[65]。

綜上所述，蝦青素可能通過緩解熱應激狀態(tài)下對母豬卵母細胞減數(shù)分裂的不利影響，有效提高了豬的繁殖力，而對于提高公豬射精量的機制尚不清楚還有待研究。添加蝦青素能使肉色較深且不易發(fā)黃，可能是在豬屠宰過程中減輕應激帶來的危害，發(fā)揮了一定的作用。

3.5 蝦青素在牛生產中的應用

蝦青素可改善熱應激下牛囊胚發(fā)育以及提高牛的卵母細胞成熟。對體外受精后第3 天牛胚胎，在反復熱應激下，將蝦青素加入培養(yǎng)基中，觀察胚泡發(fā)育情況。結果表明在培養(yǎng)基中加入蝦青素后，反復加熱組的胚泡發(fā)育明顯恢復，從而得出蝦青素可改善熱應激引起的囊胚發(fā)育障礙[66]。此外，在體外生長培養(yǎng)的第8～12d，對P4 的產生有抑制作用，但對E2 的產生沒有抑制作用，這表明蝦青素可能通過其抗氧化作用抑制了體外生長培養(yǎng)過程中顆粒細胞的黃體化[67]。在牛培養(yǎng)卵母細胞培養(yǎng)過程中，添加0.5mg/L 蝦青素可顯著提高卵母細胞成熟率[68]。

綜上所述，蝦青素的抗氧化作用對熱應激狀態(tài)下牛囊胚發(fā)育以及提高牛的卵母細胞成熟具有積極作用，但是其研究動物單一其他動物中是否有類似作用還有待驗證，并且蝦青素改善牛卵母細胞和胚胎發(fā)育的作用機制尚需要進一步研究。

3.6 其他

在河豚基礎飼料中添加蝦青素并飼養(yǎng)8 周。結果表明，蝦青素添加量為80、160 和320mg/kg 的飼料顯著提高了河豚的增重和特定生長率。此外，飼喂適量蝦青素可提高河豚血漿堿性磷酸酶活性，降低血漿天門冬氨酸轉氨酶和谷丙轉氨酶活性。飼喂試驗結束后，將河豚置于高溫脅迫48h，結果表明蝦青素能抑制高溫應激誘導的ROS 產生。同時，蝦青素組在高溫應激下增加了SOD、CAT 和HSP70mRNA 的表達。由此可見，在基礎飼料中添加蝦青素可增強河豚的生長、非特異性免疫反應和抗氧化防御系統(tǒng)，提高河豚對高溫應激的抵抗力[69]。

4 結論與展望

經過研究蝦青素在畜禽保種方面具有潛在應用價值。蝦青素因其具有抗氧化和抗炎作用，能在精液常溫和低溫保存過程中提高其保存時間和質量。在卵母細胞和胚胎冷凍保存中，蝦青素也有積極作用，能提高冷凍后卵母細胞和胚胎的活力和發(fā)育能力。蝦青素可用于建立高效的體外保存體系，在畜禽種質資源保護中發(fā)揮重要作用。如用于精液、卵母細胞和胚胎的冷凍保存。能夠在畜禽種質資源保護中發(fā)揮重要作用。關于蝦青素的研究和應用，其現(xiàn)有研究對象，如物種和品種較少，作用機制尚不清楚。還有待進一步的研究，實現(xiàn)其在動物遺傳資源保護中的高效利用提供理論依據。而蝦青素作為水產動物和家禽養(yǎng)殖的飼料添加劑已有廣泛研究，其對動物的生長、免疫、飼料的利用率以及動物體著色等方面具有很好的效果，并且能夠有效改善豬和牛在應激狀態(tài)下的繁殖性能。但是針對不同的養(yǎng)殖品種，蝦青素的適宜添加量、添加方式和作用機制還有待深入研究。