虾青素的生理功能及其在动物遗传资源保护和生产中的应用
李 磊，张 丽，林树带，李广珍,2，焦振海，王府建，宾乘锋，李 国，杨耐德*
（1.广东海洋大学滨海农业学院，广东湛江 524088；
2.广东润生农业集团有限公司，广东湛江 524400）
虾青素，又名虾黄素、虾黄质（C40H52O4)，是一种酮式类胡萝卜素。天然虾青素主要存在于海洋生物中，以游离态和酯化态两种形式存在。虾青素在游离状态下不稳定，容易被氧化。其末端环状结构中有羟基存在，容易通过与脂肪酸结合形成虾青素酯而稳定存在[1]。虾青素具有很强的抗氧化能力、色素沉积能力和特殊的着色能力。研究发现虾青素比维生素的氧化能力高550 倍，比其他类胡萝卜素的氧化能力高10倍，有超级维生素之称[2]。此外，虾青素还在提高动物免疫力[3]、预防心血管疾病发生[4]等方面有重要的生理和生物学功能，在畜牧业及水生动物生产中已被广泛应用[5]。
1.1 虾青素的理化性质
虾青素化学名为3,3′-二羟基-4,4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，现已发现天然虾青素中9、13 和15 位有Z 式结构，因此虾青素可能的几何异构体有全-E、（9Z)、（13Z)、（15Z)、（9Z、13Z)、（9Z、15Z)、（13Z、15Z)和（9Z、13Z、15Z)等（图1)。虾青素呈粉红色，具有脂溶性，易溶于氯仿、丙酮和苯等有机溶剂，在水中不能被溶解[6]。虾青素分子中的共轭双键、不饱和酮以及羟基具有比较活泼的电子效应，能够吸引自由基的未配对电子，向自由基提供电子，因此具有清除自由基的作用。虾青素根据碳碳双键基团连接方式的不同分为反式结构和顺式结构，天然存在具有生物活性并且较稳定的为虾青素反式结构。化学合成的虾青素也有顺式结构和反式结构两种，顺式结构的虾青素不能被动物体吸收利用[2]。
图1 虾青素立体异构体
1.2 虾青素的来源
1.2.1 生物体内合成的虾青素
生物体内虾青素是C40 类胡萝卜素代谢的最终产物。类胡萝卜素的合成又可以分为3 个阶段分别为中心碳代谢、类胡萝卜素前体物质异戊烯焦磷酸酯（IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸酯（DAMPP)的合成、类胡萝卜素的合成[7]。雨生红球藻和红法夫酵母是目前虾青素生物合成的主要来源。通过分析测定不同生物发现，雨生红球藻是天然虾青素的较好来源，其中虾青素约占藻粉干重的4%～5%。但是雨生红球藻对水质、环境和光照的要求较高以及自养周期长[8]。而红法夫酵母中虾青素约占干重的0.12%，并具有发酵工艺成熟、培养时间短和高密度培养等优点。其缺点在于红法夫酵母受pH 值、温度、碳氮源和溶氧等条件的影响较大[9]。此外，甲壳类动物如南极磷虾、蟹，鱼类如三文鱼、鲑鱼等也含有虾青素[10]。
1.2.2 虾青素的化学合成
据报道，目前有4 种途径可以合成虾青素。①以6-氧代异佛尔酮为原料，通过羟醛缩合、脱水等化学反应生成虾青素[11,12]。②以α-紫罗兰酮为原料与间氯过氧苯甲酸反应生成中间体氧化衍生物α-紫罗兰酮环，再经过一系列化学反应生成最终产物虾青素。③通过α-β 不饱和烯醇醚与二十碳双缩醛发生缩合、碱化形成虾青素。④以角黄素为原料通过4 个过程合成虾青素，分别为碱化、硅醚化、环氧化、水解，具有路线短合成效率高的优点[13,14]。
2.1 抗氧化作用
虾青素是一种抗氧化剂，因其β-紫罗兰酮环和长链共轭烯烃结构[15]，有利于抑制脂质过氧化反应，从而阻止氧化反应的进行，使细胞免受氧化反应的损伤使从而保护细胞及DNA[16]。如图2 所示，虾青素可以通过不同的途径发挥其抗氧化作用。虾青素具有淬灭单线态氧、清除氧自由基的能力，是通过吸取共轭烯烃链上的电子和终端环上部分电子来实现的。虾青素还能够降低膜通透性，限制氧化剂渗透进细胞内、增加抗氧化酶活性[17]。通过化学发光法测定以及与非酶抗氧化剂抗活性氧效率的比较，发现虾青素清除羟自由基效率更快，其抗氧化活性比抗坏血酸和维生素E 更高[18]。研究发现，在培养的成骨细胞中通过添加不同浓度的虾青素，可激活细胞内抗氧化系统实现成骨细胞免受氧化损伤[19]。此外，虾青素能防止不饱和脂肪酸甲酯的过度氧化，其效果比β-胡萝卜素和玉米黄素更好[20]。由于虾青素在羟基酮环上含有两个氧基团，所以能够有效地延缓过氧化物形成，并且其自催化氧化速度比β-胡萝卜素和玉米黄素慢很多[21]。虾青素发挥抗氧化功能还可以通过清除过量的活性氧簇以终止链式反应来实现[22]。有研究表明胃肠上皮细胞中超氧化物歧化酶的活性受到抑制是由于幽门螺杆菌引起线粒体中活性氧簇水平上升所导致，胃肠上皮细胞经过5μmoL/L 虾青素预处理后，发现超氧化物歧化酶的活性不会受到幽门螺杆菌的抑制，由此可以得出虾青素可能对线粒体起到一定的保护作用[23]。
图2 虾青素抗氧化作用通路示意图
2.2 抗炎作用
虾青素能够降低生物体内炎症反应。其通过抑制NF-KB 通路预防炎症发生[24]。研究发现虾青素能抑制核转录因子KB 磷酸化，降低体内肿瘤坏死因子TNFα、促炎性细胞因子、白介素-1β、诱导性一氧化氮合酶和环氧化酶2 的产生[25]。研究发现，虾青素可通过低密度脂蛋白受体相关蛋白-1（LRP-1)不仅能够通过调控NF-KB、JNK 信号通路改变BV2 的极性改变，而且使脂多糖介导BV2 产生的TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-10 下调[26]。
2.3 疾病预防中的作用
研究表明，虾青素通过抑制氧化剂降低细胞损伤，减少突变和致癌基因的作用。在抗肿瘤活性中虾青素比β-胡萝卜素和斑蝥黄具有更强的活性[27]。在抑制皮肤癌、结肠癌、口腔癌、乳腺癌等方面虾青素具有积极的作用[28]。虾青素促进肝癌细胞凋亡以及抑制肝癌细胞的增殖能是通过抑制Nf-kbP65 和Wnt/β Catenin 信号通路发挥生物学作用[29]。虾青素也可以通过阻断胃癌细胞的周期进程从而抑制其增殖[30]。虾青素能够抑制黄曲霉毒素的致癌作用，使黄曲霉毒素诱导的肝肿瘤细胞的数量和体积减小[31]。在动脉粥样硬化心血管疾病的病理生理学特征中包括氧化应激和炎症，研究表明虾青素在治疗动脉粥样心血管疾病有一定的作用[32]。给自发性高血压大鼠饲喂50mg/kg 的虾青素，大鼠动脉血压得到了降低[33]。
虾青素除以上作用外还有抗凋亡作用，实验表明虾青素可抑制乳腺癌细胞的增殖、迁移和阻断肿瘤细胞分裂，但不影响正常细胞的迁移、细胞数、改变细胞凋亡基因表达[34]。此外，虾青素是目前唯一一个能通过哺乳动物血脑屏障的类胡萝卜素可能在中枢神经系统中有潜在的作用[35]。
3.1 虾青素在畜禽种质资源保护中的研究和应用
动物遗传资源是生物多样性、生态系统的重要组成部分，也是育种工作可持续发展的基石。动物遗传资源保护常用的保种方法有异位保种和原位保种。异位保种方法有精液的冷冻保存、胚胎冷冻保存和构建基因文库。原位保种主要用于濒危的动物保存并繁殖活体动物，从而扩大其群体数量来保存现有的遗传多样性和表型多样性[36]。而配子和胚胎的冷冻保存作为动物遗传操作的一项重要技术，被广泛用于长期保种、运输动物遗传资源和辅助生殖技术[37]。
3.1.1 虾青素在精液冷冻中的应用
研究发现，虾青素在鸡和大黄鱼精液冷冻保存具有积极作用，可以有效提高保存时间、活力，并且虾青素对鸡和猪精液常温保存也有良好作用。在猪精液保存中添加不同浓度梯度的虾青素后比较精液品质发现，在稀释液BTS 中添加0.25μg/mL 虾青素使猪精液保存质量显著上升，不仅可显著改善精子活力、质膜完整率和顶体完整率，而且猪精液在常温时精子的氧化损伤可以得到有效缓解，精子总抗氧化能力也得到明显提升，有效延长了猪精液在常温条件下保存的时间。精液中添加虾青素能够增加精子高线粒体膜电位的比例，使得精子ATP 水平和LDH 酶活性显著提高[38]，具有改善精子运动性能的趋势。在鸡精液低温保存时添加不同浓度梯度的虾青素，发现0.20μg/mL 虾青素提高了低温环境下保存精子活力、受精率、顶体、头部质膜和尾部质膜的完整率，但对精子畸形率影响不显著，低温保存精液的抗氧化能力也得到了增强。0.20μg/mL 浓度的虾青素和番茄红素稀释液对鸡的精液保存效果均优于稀释液原液，二者在鸡的精液CAT活性上虽然番茄红素稀释液效果更好，但是在保存鸡精液过程中精子活力与精子顶体、质膜完整率和T-AOC 虾青素稀释液相比于番茄红素稀释液效果更好。两种稀释液在ROS 水平无显著差异，所以在精液稀释液中添加虾青素作为抗氧化剂效果更优[39]。此外，试验发现虾青素对超低温冷冻大黄鱼精子细胞膜具有保护作用[40]。
3.1.2 虾青素在胚胎冷冻中的应用
目前，玻璃化冷冻不同发育阶段猪胚胎被认为是最常见、最有效的冷冻保存方法[41]。在受精卵阶段通过对胚胎进行玻璃化冷冻是胚胎有效利用的一种便捷策略，使胚胎移植不受时间和空间限制。研究表明，虾青素不仅可以保护卵母细胞和胚胎免受热应激和氧化应激等有害因素引起的发育损害[42]，还能改善玻璃化冷冻后的猪未成熟卵母细胞的成熟质量，抑制猪卵母细胞的体外老化[43]。研究发现，通过孤雌激活（PA)和体细胞核移植（SCNT)的猪受精卵能够成功地被玻璃化冷冻并且冷冻存活率较高，但是玻璃化冷冻造成的亚致死性损伤会残留在猪受精卵随后的胚胎发育中，造成发育能力较低[44]。冷冻保存使得卵母细胞和胚胎质量和发育受损是因为产生过多的活性氧（ROS)，导致其生理、生化和分子水平发生变化，包括DNA 断裂、纺锤体缺陷、代谢异常、细胞器功能障碍、细胞凋亡等[45]。研究表明，在体外培养培养液中添加1.5μmol/L 虾青素能减轻氧化应激，改善线粒体和溶酶体功能，对玻璃化冷冻猪受精卵的植入前胚胎发育和胚胎质量具有积极作用[46]。
综上所述，虾青素作为一种外源抗氧化剂，在动物精液冷冻保存中可能是通过对ATP 水平、LDH 活性保护作用、抗氧化能力、活性氧、超氧化物歧化酶活性、谷胱甘肽过氧化物酶活性、丙二醛含量和过氧化氢酶的调节来增强对精子的保护作用。可能有效抑制了卵母细胞和胚胎冷冻保存所产生的活性氧，降低了对其生理、生化和分子水平的损伤，从而极大地提高了冷冻后卵母细胞和胚胎的活力和发育能力。所以虾青素可以用于建立更高效的体外保存体系，用于精液、卵母细胞和胚胎的冷冻保存，在畜禽种质资源保护中发挥重要作用。
3.2 虾青素在水产养殖中的应用
虾青素作为水生动物饲料添加剂，在水产养殖方面应用较为广泛，它可以提高鱼的色素沉积、生产性能、生长性能以及非正常环境下的存活率。用添加虾青素与甲睾酮的日粮饲喂樱桃鲃30d，结果表明，添加100mg/kg 浓度的虾青素日粮身体色素沉积浓度明显高于添加甲睾酮的日粮，随着添加浓度增加鱼体表色素沉积没有明显增加[47]。研究发现日粮中添加虾青素饲喂红玫瑰鱼（Puntius titteya)能减少其镜像攻击行为和择偶行为[48]。七彩神仙鱼饲料中添加不同浓度梯度的虾青素能改善鱼的增重率和特定生长率，其中添加50mg/kg 虾青素对养殖七彩神仙鱼最有益[49]。在乌鳢（Channa argus)饲粮中添加虾青素能提高热应激蛋白HSP70、HSP90 和糖皮质激素受体基因的表达[50]。对于马氏珠母贝而言，虾青素不仅可提高其存活率，还可导致贝体外套膜、闭壳肌、腮丝和肾脏呈现橙色，贝壳珍珠层呈现金黄色[51]。高密度水产养殖易引起动物身体受到各种应激，如运输、搬运、接种疫苗和拥挤等因素使动物处于高压及免疫抑制状态，引发动物死亡[52]。饲料中添加一定量的虾青素可以增强鱼虾对高氮、低氧环境的耐受力以及免疫力[53,54]，从而提高其生长性能以及存活率[55]。研究表明，饲料中添加700mg/kg 虾青素能有效提高锦鲤体质量增长率以及蛋白质效率，虾青素添加量对锦鲤的肥满度、肝体指数以及脏体指数无明显影响，但是锦鲤的体色有所改变[56]。
综上所述，饲粮中添加一定量的虾青素能促进水生动物的生长可能是由于虾青素在适宜含量范围内通过激活水生动物体内的抗氧化系统，使其免疫机能大大增加从而提高了存活率。鱼类不能自身合成色素，只能吸收外源色素，所以饲粮中添加虾青素可能对鱼类组织中色素的沉积具有促进作用。并且虾青素的添加量不能过低或过高，添加量过低达不到预期效果，过高对其效果没有增强作用剩余部分可能会通过代谢排出体外造成浪费。
3.3 虾青素在家禽生产中的应用
虾青素可以提高鸡的饲料利用率、产蛋率、肉品质、生长率、蛋黄颜色以及免疫力。研究发现，肉鸡饲粮中添加一定量的虾青素复合添加剂，可以有效改善肉鸡生长性能和鸡肉品质，日粮中添加虾青素饲养肉鸡不仅使其日增重和饲料利用率显著升高，而且在鸡屠宰后肌肉的pH 值下降速度显著降低[57]。在京红鸡日粮中添加虾青素复合添加剂发现其蛋鸡生产性能、蛋壳厚度、蛋壳百分比、哈氏单位和蛋黄百分比均未有明显的影响，但能导致其蛋黄颜色逐渐加深，以添加量为3.6g/kg 时效果最佳[58]。在太行鸡日粮中添加80mg/kg 虾青素能有效改善蛋黄颜色和哈氏单位，提高产蛋率，降低料蛋比[59]。对于肉鸡而言，饲粮中添加含20mg/kg 虾青素的酵母粉或0.15%含虾青素的干细胞粉使得肉鸡屠宰后肌肉的红度以及黄度值明显增加[60,61]。此外，虾青素能够显著降低雏鸡的总体死亡率，提高蛋鸡的产蛋效率[62]。
综上所述，虾青素可能对鸡体内的抗氧化系统激活具有促进作用，使鸡的免疫机能大大增加，降低患病率从而提高了饲料转化率以及日增重。蛋黄颜色加深可能是虾青素的着色作用使其色素沉积增加。肌肉的红度以及黄度值增加与虾青素着色功能有关。在应激状态下，其通过降低肌肉中丙二醛的含量提高肌肉的抗氧化能力。
3.4 虾青素在猪生产中的应用
在热应激下，虾青素可以改善猪的繁殖率、仔猪存活率、抗病力、公猪的射精量以及肉品质。研究发现在母猪的饲料中添加0.5mg/kg 虾青素，不仅能使热应激状态下母猪卵母细胞的成熟率显著提高，还能提高其受精率和胚胎存活率，从而改善猪的繁性能[63]。对于种公猪，0.01mg/kg 虾青素不仅可以提高公猪的射精量，而且可以提高仔猪的存活率和抗病力。对于断奶仔猪，饲粮中添加4400mg/kg 虾青素和双乙酸钠能够使断奶仔猪抗氧化能力、空肠黏膜超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性显著提高，从而提高肠道对养分的消化能力和促进空肠细胞结构以及功能的完整性，促进仔猪生长[64]。在商品猪日粮中添加66.7mg/kg 浓度虾青素，虽然不能影响猪生长性状，但在进行肉产品加工时能使肉色更深且不易发黄[65]。
综上所述，虾青素可能通过缓解热应激状态下对母猪卵母细胞减数分裂的不利影响，有效提高了猪的繁殖力，而对于提高公猪射精量的机制尚不清楚还有待研究。添加虾青素能使肉色较深且不易发黄，可能是在猪屠宰过程中减轻应激带来的危害，发挥了一定的作用。
3.5 虾青素在牛生产中的应用
虾青素可改善热应激下牛囊胚发育以及提高牛的卵母细胞成熟。对体外受精后第3 天牛胚胎，在反复热应激下，将虾青素加入培养基中，观察胚泡发育情况。结果表明在培养基中加入虾青素后，反复加热组的胚泡发育明显恢复，从而得出虾青素可改善热应激引起的囊胚发育障碍[66]。此外，在体外生长培养的第8～12d，对P4 的产生有抑制作用，但对E2 的产生没有抑制作用，这表明虾青素可能通过其抗氧化作用抑制了体外生长培养过程中颗粒细胞的黄体化[67]。在牛培养卵母细胞培养过程中，添加0.5mg/L 虾青素可显著提高卵母细胞成熟率[68]。
综上所述，虾青素的抗氧化作用对热应激状态下牛囊胚发育以及提高牛的卵母细胞成熟具有积极作用，但是其研究动物单一其他动物中是否有类似作用还有待验证，并且虾青素改善牛卵母细胞和胚胎发育的作用机制尚需要进一步研究。
3.6 其他
在河豚基础饲料中添加虾青素并饲养8 周。结果表明，虾青素添加量为80、160 和320mg/kg 的饲料显著提高了河豚的增重和特定生长率。此外，饲喂适量虾青素可提高河豚血浆碱性磷酸酶活性，降低血浆天门冬氨酸转氨酶和谷丙转氨酶活性。饲喂试验结束后，将河豚置于高温胁迫48h，结果表明虾青素能抑制高温应激诱导的ROS 产生。同时，虾青素组在高温应激下增加了SOD、CAT 和HSP70mRNA 的表达。由此可见，在基础饲料中添加虾青素可增强河豚的生长、非特异性免疫反应和抗氧化防御系统，提高河豚对高温应激的抵抗力[69]。
经过研究虾青素在畜禽保种方面具有潜在应用价值。虾青素因其具有抗氧化和抗炎作用，能在精液常温和低温保存过程中提高其保存时间和质量。在卵母细胞和胚胎冷冻保存中，虾青素也有积极作用，能提高冷冻后卵母细胞和胚胎的活力和发育能力。虾青素可用于建立高效的体外保存体系，在畜禽种质资源保护中发挥重要作用。如用于精液、卵母细胞和胚胎的冷冻保存。能够在畜禽种质资源保护中发挥重要作用。关于虾青素的研究和应用，其现有研究对象，如物种和品种较少，作用机制尚不清楚。还有待进一步的研究，实现其在动物遗传资源保护中的高效利用提供理论依据。而虾青素作为水产动物和家禽养殖的饲料添加剂已有广泛研究，其对动物的生长、免疫、饲料的利用率以及动物体着色等方面具有很好的效果，并且能够有效改善猪和牛在应激状态下的繁殖性能。但是针对不同的养殖品种，虾青素的适宜添加量、添加方式和作用机制还有待深入研究。
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