Из чего изготовлен астаксантин?

Аннотация: в данной статье показано, что астаксантин является не только розовым антиоксидантным пигментом, но и имеет значительные биологические функции и может быть широко использован 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.

При добавлении в корм астаксантин откладывается в яичный желток после потребления птицей, что углубляет цвет. Астаксантин — это невитамин а каротеноид, который не может быть преобразован в витамин а у животных. Однако астаксантин является цепным антиоксидантом с чрезвычайно сильными антиоксидантными свойствами. Эксперименты на животных показали, что astaxanthin может удалять NO2, сульфиды и дисульфиды, а также уменьшать липидное пероксирование и эффективно ингибировать липидное пероксирование, вызываемое свободными радикалами. Кроме того, астаксантин также имеет сильные физиологические эффекты, такие как ингибирование опухоригенеза и укрепление иммунной функции. Поэтому она имеет широкие перспективы применения в пищевых добавках, аквакультуре, косметике, медицинской продукции и фармацевтической промышленности. С быстрым развитием высокоразвитой аквакультуры с середины 80 - х годов на рынке существует огромный спрос на астаксантин, который в последние годы быстро растет.

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/данные отсутствуют.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.

В настоящее время, поскольку содержание астаксантина из биологических источников недостаточно высоко, химически синтезированный астаксантин все еще имеет определенное конкурентное преимущество. Ф. хоффман-ла-рош (Швейцария) завершил синтез всего-транс-астаксантина и получил разрешение на использование в качестве кормовой добавки для лосося [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

Среди многих водорослей, производящих астаксантин,Haematococcus pluvialis является важным astaxanine-производящая бактерииИ когда-то считался микроводорослей с большими перспективами промышленного производства астаксантина. Это водоросли могут как проводить автотрофей и гетеротрофей. При выращивании, если отсутствуют источники азота, астаксантин накапливается в водорослях.

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

Известно, что астаксантин производят два штамма бактерий: Mycobacterium lacticola, которая производит астаксантин только на углеводородных средах и не производит астаксантин на биогенном агаре; И еще Один штамм, бевибактерий brevis 103, который растет в нефти и имеет биомассу 3 г/л в конце ферментации, всего 0,03 мг/г пигмента. Учитывая недостатки углеродного ферментации и его низкую урожайность, а также наличие Pichia is, будущее биотехнологическое применение двух вышеупомянутых бактерий представляется маловероятным.

(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

Выход астаксантина связан не только с нагрузкой, но и с культурными условиями. С использованием дрожжей UCD67-210 в качестве экспериментального штамма был изучен ряд важных параметров, влияющих на ферментацию, таких как pH, температура, тип и концентрация источника углерода, растворенного кислорода и света. Получены оптимальные параметры ферментации: pH/ч.5. - 1; Температура 20 ~ 22 °; Оптимальный источник углерода, цельбиоза; Массовая концентрация сахара, превышающая 1,5%, снижает содержание астаксантина на единицу массы клеток; Однако в связи с увеличением биомассы содержание астаксантина на единицу объема будет по-прежнему увеличиваться; Растворенный кислород 3.6 ~ 108 ммоль /(л · ч); Свет мало влияет на астаксантин [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].

При воздействии концентрации глюкозы по массеПроизводство astaxanthinИсследование проводилось с использованием дрожжей ngu-fs501, 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].

Мексиканские ученые использовали сок юкка в качестве единственного источника углерода, а когда массовая концентрация снижающегося сахара составляла 22,5 г/л, производство астаксанфина достигло 6,170 мг/л, что в 2,5 раза выше, чем при использовании среды YС. О.[9]. Стоит отметить, что при добавлении томатного сока вещества-прекурсоры, которые могут содержать астаксантин, увеличат содержание пигмента. Отечественные ученые оптимизировали условия тряски бутылок для производства астаксантина Haematococcus pluvialis, и самая высокая урожайность астаксантина составила 11,63 мг/л (1770 градиенг/г сухой клетки) [10]. В целом, не было никакого прорыва в простой оптимизации ферментационной среды для увеличения содержания астаксантина.

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'. Зерно s производит 1 330 — 1 750 мг/кг сухого вещества каротеноидов, что значительно снизило стоимость культурной среды [1]. Сообщалось также, что использование мелассы в качестве дешевого ферментационного сырья вместо глюкозы в качестве источника углерода для выращивания фаффии может увеличить производство астаксантина примерно в 3-15 раз. 3 мг/л [12]. Кроме того, ксилоза может быть получена в больших количествах путем гидролиза древесины или промышленных и сельскохозяйственных твердых отходов, а также является недорогим источником углерода. Некоторые ученые использовали ксилоз в качестве источника углерода, и после оптимизации процессов урожайность астаксантина составила 5,2 мг/л [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

В настоящее время астаксантин широко развивается и применяется в производстве продуктов питания, лекарственных средств, косметики и кормов для животных. Хотя астаксантин является каротеноидом, некоторые из его биологических эффектов гораздо сильнее, чем другие каротеноиды. Астаксантин жирорастворимый, имеет яркий цвет и сильные антиоксидантные свойства. В продуктах питания, он не только цвета, но и эффективно сохраняет, предотвращая обесцвечивание, вневкусовые и порчи.

Красное масло, содержащее астаксантин, может использоваться для маринования овощей, морских водорослей и фруктов, а также для окрашивания напитков, лапши и приправ. Сообщалось также о патентах. Астаксантин обладает более сильным фотозащитным действием, чем грау-каротин, и есть патенты на косметику, содержащую астаксантин за рубежом. Фармацевтическая и пищевая промышленность использует антиоксидантные, противовоспалительные и иммуностимулирующие эффекты астаксантина для предотвращения повреждения окислительной ткани и формирования здоровой пищи. В то же время, поскольку астаксантин имеет яркий цвет и не может быть специально привязан к актину, добавление его в корм аквакультуры может улучшить цвет кожи и мышц выращиваемой Рыбы и повысить их сопротивляемость болезням. Кроме того, астаксантин играет важную роль в росте и воспроизводстве Рыбы. Может использоваться в качестве гормона для содействия оплодотворению яйцеклеток рыб, снижения уровня смертности развивающихся эмбрионов, содействия индивидуальному росту, повышения зрелости и фертильности. Астаксантин также может быть использован в качестве питательного вещества для стимулирования роста птицы и увеличения производства яиц.

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 Соединенные Штаты америки  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 Производство по таксанину Соединенные Штаты америки 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.