類胡蘿卜素是廣泛存在于自然界中的一類具有多種生物活性的天然色素的總稱，顏色從亮黃色到暗紅色不等。當(dāng)類胡蘿卜素與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物時，可呈現(xiàn)綠色、藍(lán)色。目前已發(fā)現(xiàn)并鑒定的天然類胡蘿卜素已經(jīng)超過700種，其中可被人體吸收利用的有40余種。

類胡蘿卜素主要存在于微生物、藻類、高等植物內(nèi)，是所有光合生物的基本成分。動物自身不能合成類胡蘿卜素，主要通過外界食物攝入，并在結(jié)構(gòu)上對類胡蘿卜素分子進(jìn)行修飾，從而賦予鳥類、昆蟲及海洋無脊椎動物等許多特征色。

1817年人類首次從胡蘿卜中分離出β-胡蘿卜素，1937年又將秋天落葉中的色素鑒定為葉黃素。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，類胡蘿卜素可分為由 8個異戊二烯基本單位聚合而成的碳?xì)渌妮祁惢衔铮ê}卜素）和含氧衍生物（葉黃質(zhì)）兩大類（圖3-11）。所有的類胡蘿卜素都是由 40碳骨架衍變而來。類胡蘿卜素分子中最重要的部分是決定顏色和生物功能的共軛雙鍵系統(tǒng)，隨著分子里共軛雙鍵數(shù)目的增加，其顏色由黃色逐漸變?yōu)榧t色。

典型的C40類胡蘿卜素攜帶β-紫羅酮作為兩端的基團(tuán)，也就是β-胡蘿卜素。它主要由4個異戊二烯雙鍵首尾相連而成，主要有全反式、9-順式、13-順式及15-順式四種形式。純凈的β-胡蘿卜素產(chǎn)品為深紅色或暗紅色，易溶于二硫化碳、苯、氯仿等有機(jī)溶劑，遇氧、熱和光易發(fā)生氧化還原。β-胡蘿卜素是維生素A的前體，理論上，一分子β-胡蘿卜素可以轉(zhuǎn)化為兩分子的維生素A。β-胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)化為維生素A的過程如圖3-12所示。

圖3-11　幾種常見的類胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3-12　β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的過程

1.合成類胡蘿卜素的相關(guān)微生物

類胡蘿卜素普遍存在于細(xì)菌、真菌和藻類中。

光合細(xì)菌是一類具有原始光能合成體系的原核生物。迄今，光合細(xì)菌合成的類胡蘿卜素已超過80種，也是研究最多的產(chǎn)生類胡蘿卜素的微生物類群，主要有著色細(xì)菌屬、網(wǎng)硫菌屬、可變桿菌、板硫菌屬、莢硫菌屬、紅桿菌屬、硫螺旋菌屬、外硫螺旋菌屬、紅微菌屬、紅環(huán)菌、紅球菌屬、紅桿菌屬、突柄綠菌屬、綠蔓生菌屬、紅螺菌屬、紅假單胞菌屬、綠菌屬、暗網(wǎng)菌屬、綠曲菌屬、日光線菌屬、顫綠屬等。

非光合細(xì)菌中某些葡萄球菌能產(chǎn)生C30的類胡蘿卜素；黃桿菌能產(chǎn)生C45、C50的類胡蘿卜素，有資料表明，迄今C45和C50類胡蘿卜素還只限產(chǎn)生于非光合細(xì)菌之中。

不同類型真菌合成的類胡蘿卜素種類差別較大。酵母和霉菌中的一些種類合成類胡蘿卜素的能力備受關(guān)注，成為工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的選擇對象。如用深紅酵母合成紅酵母紅素、β-胡蘿卜素和紅酵母烯，紅酵母合成蝦黃素、β-胡蘿卜素和番茄紅素。此外，三孢布拉霉和布拉克須霉合成β-胡蘿卜素的能力都比較強(qiáng)。

類胡蘿卜素廣泛存在于不同微藻之中，其中以β-胡蘿卜素最為普遍。李淑清等（2000）發(fā)現(xiàn)有12種類胡蘿卜素在吉蘭泰杜氏鹽藻（Dunaliella salina Jilantai）中能夠檢出。

2.類胡蘿卜素主要的生理功能

類胡蘿卜素具有多種重要的生物功能，可以作為著色劑、飼料添加劑、抗氧化劑等，廣泛應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)藥行業(yè)。目前已從光合細(xì)菌中提取出的類胡蘿卜素，不僅色調(diào)豐富，提取容易，而且能大量生產(chǎn)。

以紅色類胡蘿卜素為例，它是一種油溶性的色素，適宜于用作乳酸飲料、果子露、冰淇淋、果酒和清涼飲料等食品的著色劑。另外，還可用作藥品片劑的色素。類胡蘿卜素用作飼料添加劑能有效改善動物的營養(yǎng)狀況，改善家禽等的皮膚和肉類及蛋黃的色澤。在家禽體內(nèi)，它沉積于爪、喙及皮下脂肪中使其著色，提高家禽胴體品質(zhì)。在產(chǎn)蛋家禽的體內(nèi)類胡蘿卜素沉積于卵黃中，使其呈黃色或橘黃色，提高蛋的品質(zhì)。魚蝦類顏色的深淺取決于類胡蘿卜素的攝入量。在水產(chǎn)養(yǎng)殖條件下，尤其是在高密度集約化養(yǎng)殖過程中，大量使用人工配制的飼料，魚蝦類的養(yǎng)殖周期被縮短，如不能獲得充足的天然色素源，導(dǎo)致魚蝦的體色變淡，體型變得難看，品味也無法與野生的相媲美。

類胡蘿卜素中β-胡蘿卜素、番茄紅素等是很好的抗氧化劑。氧化在本質(zhì)上可以理解為自由基的生成、轉(zhuǎn)移和焠滅。細(xì)胞內(nèi)的鏈?zhǔn)阶杂苫趸磻?yīng)可對細(xì)胞的生命過程產(chǎn)生極強(qiáng)的影響，是人類許多頑疾（如癌癥和衰老）的重要起因。通常在植物中類胡蘿卜素可清除活性氧而保護(hù)植物免遭強(qiáng)太陽光而受到灼傷。在動物體內(nèi)的類胡蘿卜素也可捕獲清除自由基，通過抗氧化作用而保護(hù)動物細(xì)胞免遭自由基的破壞。

蝦青素屬于類胡蘿卜素，具有很強(qiáng)的抗氧化功能，能清除體內(nèi)由紫外線照射產(chǎn)生的自由基，調(diào)節(jié)和降低由光化學(xué)導(dǎo)致的傷害，對紫外線引起的皮膚癌有治療效果；蝦青素的抗氧化功能高于其他類胡蘿卜素，具有抑制生物膜被氧化的作用；蝦青素還能顯著促進(jìn)淋巴結(jié)抗體的產(chǎn)生，特別是促進(jìn)與體內(nèi)T細(xì)胞相關(guān)抗原的抗體產(chǎn)生。

3.微生物發(fā)酵法生產(chǎn)類胡蘿卜素

利用微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)類胡蘿卜素具有含量高、易于大規(guī)模培養(yǎng)的優(yōu)勢，是今后發(fā)展的方向。目前，國內(nèi)外利用微生物合成類胡蘿卜素的研究主要集中在三孢布拉霉菌和紅酵母方面。其中，三孢布拉霉菌菌株生長迅速，生物量高，是國際上所采用的實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的好菌株。蘇聯(lián)和東歐地區(qū)已達(dá)小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)水平，但技術(shù)工藝較為復(fù)雜。在我國，該方法正處于研究階段。自20世紀(jì)90年代初以來，我國對此方法進(jìn)行了大量研究，但發(fā)酵過程中存在的一系列復(fù)雜技術(shù)性問題，如發(fā)酵液黏稠度高、溶解氧利用難等，使得其距離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有一段相當(dāng)?shù)木嚯x。

海洋紅酵母是海洋中自然存在的一種單細(xì)胞酵母品系，其細(xì)胞中富含蛋白質(zhì)、肝糖顆粒、不飽和脂肪酸、維生素、動物幼體生長激素、以蝦青素為主的類胡蘿卜素，具有較好的耐鹽性，因此海洋紅酵母是優(yōu)良的蝦青素生產(chǎn)菌和極具潛力的動物飼料蛋白和食品添加劑，同時又是天然色素源，開發(fā)海洋紅酵母產(chǎn)品具有重要意義。此外，海洋紅酵母還具有培養(yǎng)周期短、適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點，使其在醫(yī)藥、食品、化工和農(nóng)業(yè)等方面得到了越來越廣泛的重視。利用海洋紅酵母生產(chǎn)類胡蘿卜素，雖然目前色素發(fā)酵水平比三孢布拉霉低得多，但它有一定的優(yōu)點：① 可以利用蔗糖、廢糖蜜等進(jìn)行培養(yǎng)，成本較低廉；② 周期短，發(fā)酵控制容易，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；③ 菌體無毒，并含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪酸和維生素，可不用提取色素，整個細(xì)胞作為含類胡蘿卜素的單細(xì)胞蛋白，用作飼料添加劑或水產(chǎn)養(yǎng)殖用餌料。因此，無論是從品質(zhì)技術(shù)、資源還是成本等因素考慮，研究海洋紅酵母生產(chǎn)類胡蘿卜素都具有一定的應(yīng)用價值和開發(fā)前景。

天然蝦青素是由微藻、酵母等產(chǎn)生的。一些水生物種食用產(chǎn)生蝦青素的這些藻類等生物，然后把這種色素儲存在殼、皮膚或脂肪中，于是它們的外表呈現(xiàn)紅色。我們經(jīng)常食用的三文魚，體內(nèi)就含有豐富的蝦青素。三文魚肉平時本身是白色的，產(chǎn)卵時要逆流而上，為了儲備能量，三文魚會沿著大海周游，四處捕食蝦等甲殼類作為食物，在體內(nèi)儲蓄蝦青素作為產(chǎn)卵時沿著激流而上的能源。三文魚在產(chǎn)卵時，還會將紅色色素移轉(zhuǎn)到三文魚子中，以此來保護(hù)三文魚卵在淺灘里不受到強(qiáng)烈的紫外線侵害。陸地養(yǎng)殖三文魚吃不到天然食物，而只有魚飼料。如果沒有蝦和其他蝦青素來源，三文魚就會保持白色，消費者不喜歡這樣的三文魚，所以魚飼料中需要加入蝦青素。目前，天然蝦青素的生物來源一般有3種：水產(chǎn)品加工工業(yè)的廢棄物、紅發(fā)夫酵母和微藻。其中，廢棄物中蝦青素含量較低，且提取費用較高，不適于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。一些微藻，如杜氏鹽藻、雨生紅球藻等在特定條件下可在細(xì)胞內(nèi)積累蝦青素，有時可超過細(xì)胞干重的1%（圖3-13）。雨生紅球藻被公認(rèn)為自然界中生產(chǎn)天然蝦青素的最好生物，因此，利用這種微藻提取蝦青素?zé)o疑具有廣闊的發(fā)展前景，已成為近年來國際上天然蝦青素生產(chǎn)的研究熱點。

圖3-13　顯微鏡下的雨生紅球藻

【注釋】

[1]本章由牟海津、孔青、嚴(yán)群編寫。