Из чего изготовлен астаксантин?

Abstract: This paper introduces that astaxanthin is not only a pink antioxidant pigment, но также имеет значительные биологические функции и может широко использоваться в кормовой, пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Обсуждаются источники астаксантина, в частности, разведение астаксантина-производящего шизохитрия, процесс и извлечение пигмента, а также другие достижения исследований внутри страны и за рубежом в последние годы.

1. Введение

Astaxanthin, 3,3'- дигидрокс -4,4'- дион-бета, бета'- каротин-кето-каротин розового цвета, жирорастворимый, нерастворимый в воде и растворимый в органических растворителях, таких как хлороформ, ацетон, бензол и углерод дисульфид. Широко распространена в животном мире, особенно у водных животных, таких как креветки, крабов, Рыбы, и в перьях птиц, где она играет определенную роль в окраске. Он может регулировать осаждение пигментов и отличается от прогестерона.

When added to feed, astaxanthin is deposited in the egg yolk after consumption by poultry, which deepens the color. Astaxanthin is a non-vitamin A/данные отсутствуют.carotenoid that cannot be converted into vitamin A in animals. However, astaxanthin is a chain-breaking antioxidant with extremely strong antioxidant properties. Animal experiments have shown that astaxanthin can remove NO2, sulfides, and disulfides, and can also reduce lipid peroxidation and effectively inhibit lipid peroxidation caused by free radicals. In addition, astaxanthin also has strong physiological effects such as inhibiting tumorigenesis and enhancing immune function. Therefore, it has broad application prospects in food additives, aquaculture, cosmetics, health products and the pharmaceutical industry. With the rapid development Соединенные Штаты америкиhigh-end aquaculture, there has been a huge market demand for astaxanthin since the mid-1980s, and it has been increasing rapidly in recent years.

2 источника астаксантина

2.1 химический синтез

Астаксантин является конечной точкой синтеза каротеноидов, и преобразование грау-каротина в астаксантин требует добавления двух кетонных групп и гидроксиловой группы. Искусственный химический синтез является относительно сложным, и большая его часть имеет структуру СНГ. FDA США (Food and Drug Administration) утверждает трансастаксантин только в качестве добавки для аквакультуры. Поэтому искусственно синтезированный трансастаксантин стоит дорого (в настоящее время на международном рынке около 2000 долларов США/кг) [1], что ограничивает его широкое применение.

At present, since the content Соединенные Штаты америкиastaxanthin from biological sources is not high enough, chemically synthesized astaxanthin still has a certain competitive advantage. F. Hoffmann-La Roche of Switzerland has completed the synthesis of all-trans astaxanthin and has been approved for use as a feed additive for salmon [2].

Однако некоторые астаксантин-содержащие микроорганизмы имеют преимущества быстрого роста, коротких циклов ферментации, и тот факт, что астаксантин-извлекаемый одноклеточный белок может использоваться в качестве приманки и кормовых добавок. С ростом всех натуральных продуктов питания во всем мире, он постепенно станет центром текущих исследований.

2.2 биологические источники

В отличие от этого астаксантин, извлеченный из живых организмов, имеет в основном трансконфигурацию, является безопасным в использовании и экологически чистым и имеет широкие перспективы развития. В настоящее время биологическими источниками астаксантина являются главным образом: извлечение из отходов предприятий по переработке водных продуктов и производство путем микробной ферментации.

2.2.1 извлечение астаксантина из отходов предприятий по переработке водных продуктов

В настоящее время иностранная отрасль по переработке раков ежегодно производит 10 млн. тонн отходов ракообразных водных продуктов. Система экстракции с использованием полимеризаторов может быть использована для извлечения астаксантина, астаксантина эфиров и креветок красного пигмента из этих отходов, с выходом до 153 μg/(г отходов). Согласно анализу, астаксантин составляет более 90% добытых каротеноидов. В последнее время норвежская индустрия морского рыболовства внедрила технологию обращения с чувствительными отходами. После повышения чувствительности коэффициент восстановления увеличился на 10%, а чистота астаксантина также значительно улучшилась.

Из-за низкого содержания астаксантина в отходах водных продуктов затраты на добычу высоки, и из-за ограниченности ресурсов этот метод не подходит в качестве крупномасштабного источника астаксантина и имеет незначительный потенциал развития. Однако, поскольку до сих пор не найдено более эффективных методов, этот метод все еще существует за границей.

2.2.2 производство микробной ферментации

Распределение астаксантина в микробном мире несколько похоже на распределение кантаксантина. Исследования показали, что микроорганизмы, производящие astaxanthin, включают в себя род грибов в Basidiomycota phylum (род Phaffia), два вида бактерий, которые ассимилируют углеводороды, и многие зеленые водоросли, которые растут в азотодефицитной среде [3].

(1) выращивание водорослей для получения астаксантина

Among the many astaxanthin-producing algae, Haematococcus pluvialis is an important astaxanthin-producing bacterium and was once considered a microalga with great prospects for commercial astaxanthin production. This algae can both carry out autotrophy and heterotrophy. During cultivation, if there is a lack of nitrogen sources, astaxanthin will accumulate in the algae.

В настоящее время содержание астаксантина в организме зарубежного высококачественного гематококкового плувиалиса достигает 0,2% - 2%, что, как правило, составляет более 90% от общего количества каротеноидов. Кроме того, хлорокопкум s- п.обладает такими преимуществами, как высокая термостойкость, экстремальные pH, высокие темпы роста и легкость выращивания на открытом воздухе, и считается водорослями с большим потенциалом для крупномасштабного производства астаксантина [3]. Тем не менее, автотрофический цикл водорослей является длительным, производство ограничено в определенной степени из-за необходимости света, и трудно сломать клеточной стенки водорослей, чтобы освободить астаксантин. Поэтому также сложнее осуществлять крупномасштабное производство.

(2) использование бактерий для производства астаксантина

Two strains of bacteria are known to produce astaxanthin: Mycobacterium lacticola, which produces astaxanthin only on hydrocarbon media and does not produce astaxanthin on nutrient agar; and another strain, Bevibacterium brevis 103, which grows in petroleum and has a biomass of 3 g/L at the end of fermentation, with only 0.03 mg/g of pigment. Considering the disadvantages of hydrocarbon fermentation and its low yield, as well as the availability of Pichia pastoris, the future biotechnological application of the above two bacteria seems unlikely.

(3) использование Pichia pastis для производства астаксантина

В 1976 году эндрюс и фхафф обнаружили астаксантин в пичиа пасторис, что привлекло большое внимание. С тех пор многие биотехнологические компании приложили значительные усилия в исследовании дрожжей фаффии и добились определенного прогресса [4].

3 научно-исследовательский прогресс в производстве астаксантина с использованием дрожжей фаффия

Дрожжи фаффия были изолированы в 1970 году от лиственных деревьев в горах Аляска и хоккайдо, Япония [4]. Позже он был идентифицирован как новый род базидиомицетов и назван как род фаффия [3]. Фхаффия дрожжи, кажется, довольно особенные среди дрожжей Basidiomycetes, в основном потому, что он может ферментировать сахара и содержит astaxanthin, который отличается от строгого аэробиоза других красных дрожжей, и пигмент в основном β- каротин или моноциклический каротин. Астаксантин был обнаружен в дрожжевых гематококках вскоре после его обнаружения, и начались исследования по возможности использования его в качестве кормовой добавки в корме для рыб и птицы и его влияние на формирование пигмента организмов, с хорошими результатами. В последующие 20 лет научно-исследовательская деятельность была сосредоточена на следующих трех областях: (1) повышение напряженности; (2) оптимизация процесса ферментации; И (3) удаление астаксантина из клеток.

3.1 разведение высокоурожайных штаммов астаксантина

Теперь люди сосредоточились на размножении штаммов мутантов с избыточным астаксантиновым синтезом. В последние годы ученые внутри страны и за рубежом добились определенного прогресса в этой области. Например, содержание астаксантина полученного штамма мутантов глютиниса родоторулы увеличилось на 232%, достигнув 1500 мг/кг стволовых клеток [5]. Штамм мутантов Haematococcus pluvialis NRRLY-17269, JB2, был проверен с использованием жидкой спиртной жидкости, а выход (2 010 + 170) мг каротеноидов на 1 кг сухих клеток был получен в ходе 5 - литрового ферментерного испытания [1]. Кроме того, были проведены исследования по созданию высокопродуктивных астаксантиновых генно-технических бактерий с использованием технологии рекомбинации ДНК, и достигнут прогресс в преобразовании системы Pichia is, ключевых ферментов в биосинтезе астаксантинового пути и генов, кодирующих эти ферменты.

3.2 научно-исследовательский прогресс в процессе производства

3.2.1 контроль за оптимальными условиями ферментации

В настоящее времяyield of astaxanthin is related to the culture conditions in addition to the strain. Using the yeast UCD67-210 as the experimental strain, several important parameters affecting fermentation were studied, such as pH, temperature, type and concentration of carbon source, dissolved oxygen and light. The optimal parameters for fermentation were obtained: pH/ч.5. 0; temperature 20 ~ 22 ℃; optimal carbon source, cellobiose; sugar mass concentration exceeding 1.5% will reduce the astaxanthin content per unit weight of cells; however, due to the increase in biomass, the astaxanthin content per unit volume will still increase; dissolved oxygen 3.6 ~ 108 mmoL/(L · h); light has little effect on astaxanthin [3].

При изучении онлайн-контроля pH во время непрерывной культуры Pichia скотоводов было установлено, что pH добавленного глукозы раствора (5,02) был выше, чем у культурного носителя (5,00), а рост Pichia скотоводов был относительно медленным (0,055 h-1). Однако, когда pH добавленного сахара контролировался на уровне 4,98, темпы роста достигли 0. 095 h-1. Было также установлено, что интервал между добавлением сахара оказывает значительное влияние на рост дрожжей [7].

Когда воздействие концентрации глюкозы по массе на производство астаксантина изучалось с использованием дрожжей nchufs501, было установлено, что когда массовая концентрация глюкозы достигла 35 г/л, производство астаксантина достигло 16. 33 мг/л; Когда массовая концентрация глюкозы достигает или превышает 45 г/л, образование астаксантина замедляется [2]. Недавно французские ученые использовали глицерол в качестве источника углерода для обработки дрожжей PR190, увеличив производство астакзантина с 0,78 мг /(g стволовых клеток) до 0,97 мг /(g стволовых клеток). Было также установлено, что наибольшая урожайность астаксантина была достигнута при темпах роста дрожжей 0,075 h-1; После 168 ч ферментации урожайность астаксантина может достигать 33,7 мг/л (1800 гранул/г сухой клетки) [8].

Mexican scholars used the juice of yucca as the sole carbon source, and when the mass concentration of reducing sugar was 22.5 g/L, the asПроизводство по таксанинуreached 6.170 mg/L, which was 2.5 times higher than that using YС. О.medium [9]. It is worth mentioning that when tomato juice is added, the precursor substances that may contain astaxanthin will increase the pigment content. Domestic scholars have optimized the shaking bottle conditions for astaxanthin production by Haematococcus pluvialis, and the highest astaxanthin yield obtained was 11.63 mg/L (1770 μg/(g dry cell)) [10]. Overall, there has been no breakthrough in simply optimizing the fermentation medium to increase the astaxanthin content.

3.2. 2 сократить расходы на ферментацию

Помимо низкой урожайности астаксантина, еще одним фактором, отрицательно влияющим на коммерческое применение дрожжей, является относительно высокая стоимость среды, необходимой для роста дрожжей (базовая среда дрожжевого азота с добавлением сахара). Некоторые дешевые пищевые отходы переработки, такие как щелочные остатки, могут эффективно способствовать распространению дрожжей, но в то же время препятствовать астаксантин образования. Это ингибирование связано с присутствием сапонинов.

Штамм мутантов JB2 дрожжей Pichia скотоводов NRRLY-17269 был проверен с использованием крахмальной и алкогольной жидкости и культивирован в distiller's grains to produce 1,330–1,750 mg/kg dry matter of carotenoids, which greatly reduced the cost of the culture medium [1]. It has also been reported that the use of molasses as a cheap fermentation raw material instead of glucose as a carbon source to cultivate Phaffia can increase the production of astaxanthin by about 3 times to 15. 3 mg/L [12]. In addition, xylose can be obtained in large quantities by hydrolyzing wood or industrial and agricultural solid waste, and is also an inexpensive carbon source. Some scholars used xylose as a carbon source, and after process optimization, the astaxanthin yield was 5.2 mg/L[13].

3.3 извлечение астаксантина

В настоящее время астаксантин извлекается главным образом путем сначала разрушения клеточной стенки с помощью различных методов, а затем путем экстракции с помощью органического растворителя. Исследования показали, что коэффициент экстракции при использовании этанола ниже, чем при использовании диметилсульфоксида (дмсо) [5]. Отечественные ученые также добились хороших результатов, обработав клетки кислотным теплом, а затем извлекая ацетон. Недавно японские ученые выбрали штамм Streptomyces rochei DB-34, который производит очень активную конституционную лиазу. Этот фермент проявляет активность в гидролизе грау -1,6- глюкан, и было также установлено, что добавление этого фермента на более поздних стадиях культуры пичи пасторис может эффективно извлекать астаксантин [14].

При использовании в качестве кормовой добавки дрожжи должны быть разбиты таким образом, чтобы астаксантин может быть сдан на хранение в рыбу или яичный желток. Чтобы сделать пигмент более доступным, преаутолиз в дистиллированной воде или лимонной кислотной буфере является перспективным методом, или жесткие клеточные стенки могут быть сломаны с помощью фермента, скрытого циркулярами Bacillus. Прежде чем добавить Bacillus циркулянов, дрожжи должны быть термоубитые и pH регулируется. Поэтому более удобно выращивать эти два микроорганизма вместе. Еще одно преимущество заключается в Том, что бульон культуры без клеток может быть использован повторно. Потому что он по-прежнему поддерживает рост дрожжей после того, как некоторые питательные вещества были удалены для ферментации, и он содержит определенные литические ферменты, которые изменяют клеточную стенку. Была предложена схема фильтрации и рециркуляции смешанного брота ферментации с целью соблюдения экологических требований при крупномасштабном производстве. К сожалению, смешанная ферментация в некоторой степени препятствует производству астаксантина [3].

4 перспективы разработки и применения

Astaxanthin is currently being widely developed and applied in the production of foods, medicines, cosmetics and animal feed. Although astaxanthin is a carotenoid, some of its biological effects are much stronger than those of other carotenoids. Astaxanthin is fat-soluble, has a bright color and strong antioxidant properties. In foods, it not only colors, but also effectively preserves, preventing discoloration, off-flavors and spoilage.

Astaxanthin-containing red oil can be used to marinate vegetables, seaweed and fruit, as well as to color drinks, noodles and condiments. Patents have also been reported. Astaxanthin has stronger photoprotective effects than β-carotene, and there are patents for cosmetics containing astaxanthin abroad. The pharmaceutical and food industries use the antioxidant, anti-inflammatory and immune-promoting effects of astaxanthin to prevent oxidative tissue damage and formulate health foods. At the same time, because astaxanthin has a bright color and can non-specifically bind to actin, adding it to aquaculture feed can improve the skin and muscle color of farmed fish and increase their disease resistance. In addition, astaxanthin plays an important role in the growth and reproduction of fish. It can be used as a hormone to promote the fertilization of fish eggs, reduce the mortality rate of developing embryos, promote individual growth, increase maturity and fertility. Astaxanthin can also be used as a nutrient to promote the growth of poultry and increase egg production.

Нет сомнений, что астаксантин имеет мощные физиологические функции и широко используется. В последние годы спрос на астаксантин растет как внутри страны, так и за рубежом. Помимо извлечения астаксантина из отходов предприятий по переработке водных продуктов, он также производится путем промышленной ферментации с использованием таких микроорганизмов, как дрожжи и водоросли. Однако по сравнению с другими зрелыми ферментированными продуктами масштабы промышленного производства астакзантина с использованием микроорганизмов все еще значительно отстают. Основными проблемами по-прежнему являются низкая урожайность и высокая стоимость ферментации. Поэтому дальнейшему развитию и применению астаксантина будут способствовать скрининг высокоурожайных штаммов, совершенствование процессов ферментации и своевременное внедрение методов генетической модификации для повышения урожайности и снижения затрат.

Ссылка:

[1] Bon J A,Leathers T D,Jayaswal R k. Изоляция астаксантина Производство мутантов Pha "" ia Rhodozyma[J].  B. биотехнология Письма, 1997,19(2):1O9 ~ 112.

[2] Fang T J,chiou T y. Серийное производство и остаксантин мутантом дрожжей пха "" ia 1. РодозимаNcHu-Fs5O1[J]. Журнал промышленной микробиологии,1996(16):175 ~ 181.

[3] Nelis H J,De Leenheer A p. Микробные источники каротеноидной свиньи - Обучался питанию и кормам [J]. Журнал по теме Применения конвенции Бактериология, 1991,7O:181 ~ 191.

[4] - андреуес. A  - джи, фэфф H  - джей, старр.  M  p.  - каротеноиды of   Фа "я родозима", а - красный цвет - пигментированные - ферментирование; Дрожжи [J].  Phytochem-istry,1976(15):1 OO3 ~ 1 OO7.

[5] calo p,velazquez J B,sieiro c,Blanco p,et al. Анализ астакса-антина и других каротеноидов из нескольких мутантов фая родозима [J]. - джей агрик. Food chem,1995,43:1 396 ~ 1 399.

[6] чан и, хо к п. Экономического роста и развития Производство каротеноидов по pH-стат Культура фая родозима [J]. - биотехнол. Летт,1999,21(11): 953 ~ 958.

[7] kusdiyantini E,Gaudin p, гома G, и др. Рост на душу населения Кинетика и как taxanthin production  of  Фа "я" 1. Родозима На глицероле в качестве источника углерода во время Партия (в упаковке) Ферментация [J].  - биотехнол.  Летт,1998,2O (1O):929 ~ 934.

[8] ramrez J,Munez M L,valdivia R. Увеличение производства Astaxanthin на фая родозима мутант выращивается на дату сок из yucca Fil- lifera[J]. - джей. - привет. Ind. Микробиол. Биотехнол,2000,24(3):187 ~ 19O.

[9] Сюй сюэмин, цзинь чженю, лю даньхуй и др. Шейная фляга для производства астакзантина Haematococcus pluvialis [J]. Журнал вуси университета легкой промышленности, 2000, 19(3): 230-235.

[10] Окагбу р н, Льюис м джей. Использование щелочного остаточного сока в качестве субстрата для распространения красных дрожжей фая родозима [J]. - привет. - привет. - микробиол. Biotechnol,1984,2O:33 ~ 39.

[11] харрд н ф. Образование астаксантина дрожжевым пха "" ia Rhodozymaon Molasses[J]. Биотехнологические письма,1988,1O(9):6O9 ~ 614.

[12] parjo J c,santos v,vazquez M. Оптимизация каротеноидов про-удукция В чем дело? Rhodozyma  2. Камеры - с учетом роста На xylose[J].  Биохимия процессов,1998,33(2):181 ~ 187.

[13] ниши акико, охбучи казухико, хамачи масааки и др. 3. Разведение животных Образующий штамм стрептомициса рочея Пха - 34 Который производит лайтический фермент для фаи родозимы И добычи полезных ископаемых Astaxanthin с использованием фермента [J]. Сейбуцу когаку кайши,1999, 77(2):60 ~ 65.