¿De qué está hecha la astaxantina?

Resumen: este artículo introduce que la astaxantina no sólo es un pigmento antioxidante rosa, sino que también tiene funciones biológicas significativas y puede ser ampliamente utilizado en las industrias de piensos, alimentos, farmacéuticas y químicas. Las fuentes de astaxantina, especialmente la cría de la astaxantina que produce Schizochytrium, el proceso y la extracción del pigmento, y otros progresos de la investigación en el país y en el extranjero en los últimos años se discuten.

1 introducción

Astaxantina,3,3' dihidroxy-4,4'-dione-beta,beta' -caroteno, es un ceto-carotencon un color rosa, soluble en grasa, insoluble en agua, y soluble en disolventes orgánicos como cloroform, acetona, benceno y disulfurde de carbono. Se encuentra ampliamente en el mundo vivo, especialmente en animales acuáticos como camarones, cangrejos, peces, y en las plumas de las aves, donde juega un papel en la coloración. Puede regular la deposición de pigmentos y es diferente de progesterona.

Cuando se añade a la alimentación, astaxantina se deposien en la yema de huevo después de su consumo por las aves de corral, lo que profundiel color. Astaxantina es un carotenno vitamina a que no se puede convertir en vitamina a en los animales. Sin embargo, la astaxantina es un antioxidante que rompe la cadena con propiedades antioxidantes extremadamente fuertes. Los experimentos en animales han demostrado que la astaxantina puede eliminar el NO2, sulfur, y disulfur, y también puede reducir la peroxidlipíy efectivamente inhila la peroxidlipícausada por los radicales libres. Además, astaxantina también tiene fuertes efectos fisiológicos tales como la inhibide tumorigénesis y mejorar la función inmune. Por lo tanto, tiene amplias perspectivas de aplicación en aditivos alimentarios, acuicultura, cosméticos, productos sanitarios y la industria farmacéutica. Con el rápido desarrollo de la acuicultura de alta gama, ha habido una enorme demanda de astaxantina en el mercado desde mediados de la década de 1980, y ha aumentado rápidamente en los últimos años.

2 fuentes de astaxantina

2.1 síntesis química

La astaxantina es un punto final de la síntesis de carotenoides, y la transformación del -carotena a astaxantina requiere la adición de dos grupos cetona y un grupo hidroxilo. La síntesis química Artificial es relativamente difícil, y la mayor parte está estructurada en cis. La FDun(administración de alimentos y medicamentos) de los EE.UU. sólo aprueba la transastaxantina como aditivo para la acuicultura. Por lo tanto, la transastaxantina sintetizartificialmente es cara (actualmente alrededor de 2.000 USD/kg en el mercado internacional) [1], lo que limita su uso generalizado.

En la actualidad, ya que el contenido de astaxantina de fuentes biológicas no es lo suficientemente alto, químicamente sintetizastaxantina todavía tiene una cierta ventaja competitiva. F. Hoffmann-La Roche de Suiza ha completado la síntesis de all-trans astaxantina y ha sido aprobado para su uso como aditivo alimenticio para el salmón [2].

Sin embargo, algunos microorganismos que contienen astaxantina tienen las ventajas de un crecimiento rápido, ciclos de fermentación cortos, y el hecho de que la proteína unicelular extrade astaxantina se puede utilizar como cebo y aditivos alimentarios. Con el aumento de los alimentos totalmente naturales en todo el mundo, se convertirá gradualmente en el foco de la investigación actual.

2.2 fuentes biológicas

En contraste, astaxantina extrade organismos vivos es sobre todo de la configuración trans, seguro de usar y el medio ambiente, y tiene amplias perspectivas de desarrollo. Las fuentes biológicas actuales de astaxantina son principalmente: la extracción de los residuos de la industria de procesamiento de productos acuáticos y la producción por fermentación microbiana.

2.2.1 extracción de astaxantina de los residuos de la industria de transformación de productos acuáticos

En la actualidad, la industria procesadora extranjera de cangrejos de río produce 10 millones de toneladas de desechos de productos acuáticos de crustáceos cada año. El sistema de extracción utilizando agentes de polimeripuede ser utilizado para extraer astaxantina, esteres de astaxantina y pigmento rojo de camarón de este residuo, con un rendimiento de hasta 153 μg/(g de residuo). Según el análisis, astaxantina representa más del 90% de los carotenoides extraídos. Recientemente, la industria pesquera Noruega ha adoptado la tecnología del ensilado de residuos. Después del ensilaje, la tasa de recuperación ha aumentado en un 10%, y la pureza de astaxantina también se ha mejorado mucho.

Debido al bajo contenido de astaxantina en los residuos de productos acuáticos, el costo de extracción es alto, y debido a las limitaciones de recursos, este método no es adecuado como una fuente a gran escala de astaxantina y tiene poco potencial de desarrollo. Sin embargo, dado que no se han encontrado métodos mejores, este método todavía existe en el extranjero.

2.2.2 producción de fermentación microbiana

La distribución de astaxantina en el mundo microbiano es algo similar a la de cantaxantina. Los estudios han encontrado que los microorganismos que producen astaxantina incluyen un género de hongos en el filo Basidiomycota (el género Phaffia), dos especies de bacterias que asimillos hidrocarburos, y muchas algas verdes que crecen en entornos con deficiencia de nitrógeno [3].

(1) cultivar algas para producir astaxantina

Entre las muchas algas que producen astaxantina,Haematococcus pluvialis es una importante bacteria productora de astaxantinaY una vez fue considerado un microalga con grandes perspectivas para la producción comercial de astaxantina. Esta alga puede llevar a cabo tanto autotrofeo como heterotrofeo. Durante el cultivo, si hay una falta de fuentes de nitrógeno, astaxantina se acumulará en las algas.

En la actualidad, el contenido de astaxantina en el cuerpo de Haematococcus pluvialis de alta calidad es tan alto como de 0,2% a 2%, generalmente representa más del 90% de los carotenoides totales. Además, Chlorococcum sP.tiene las ventajas de resistencia a altas temperaturas, pHextremo, rápida tasa de crecimiento y fácil cultivo al aire libre, y se considera una alga con gran potencial para la producción a gran escala de astaxantina [3]. Sin embargo, el ciclo autótrofo de las algas es largo, el sitio de producción está limitado hasta cierto punto debido a la necesidad de luz, y es difícil romper la pared celular de las algas para liberar astaxantina. Por lo tanto, también es más difícil llevar a cabo la producción a gran escala.

(2) usar bacterias para producir astaxantina

Dos cepas de bacterias se sabe que producen astaxantina: Mycobacterium lacticola, que produce astaxantina sólo en medios de hidrocarburos y no produce astaxantina en agar nutriente; Y otra cepa, Bevibacterium brevis 103, que crece en el petróleo y tiene una biomasa de 3 g/L al final de la fermentación, con sólo 0,03 mg/g de pigmento. Considerando las desventajas de la fermentación de hidrocarburos y su bajo rendimiento, así como la disponibilidad de Pichia pastoris, la futura aplicación biotecnológica de las dos bacterias mencionadas anteriormente parece poco probable.

(3) usando Pichia pastoris para producir astaxantina

En 1976, Andrewesy Phaff descubrieron astaxantina en Pichia pastoris, que atrajo una gran cantidad de atención. Desde entonces, muchas empresas biotecnológicas han hecho esfuerzos considerables en la investigación de la levadura Phaffia y han hecho algunos progresos [4].

3 progreso de la investigación en la producción de astaxantina utilizando la levadura Phaffia

La levadura Phaffia fue aislada en 1970 de los exudados de árboles caducifolios en las montañas de Alaska y Hokkaido, Japón [4]. Más tarde fue identificado como un nuevo género de Basidiomycetes y nombrado como el género Phaffia [3]. La levadura Phaffia parece ser bastante especial entre las levlevaduras de los basidiomicetos, principalmente porque puede fermentar azúcares y contiene astaxantina, que es diferente de la aerobioestricta de otras levaduras rojas, y el pigmento es principalmente − -caroteno o carotenmonocíclico. La astaxantina fue descubierta en la levadura Haematococcus poco después de su descubrimiento, y se inició la investigación sobre la viabilidad de su uso como aditivo alimentario en la alimentación de peces y aves de corral y su efecto en la formación de pigmentos de los organismos, con buenos resultados. En los siguientes 20 años de investigación, los esfuerzos de investigación se han centrado en las tres áreas siguientes: (1) mejora de la cepa; (2) optimización del proceso de fermentación; Y (3) astaxantina extracción de células.

3.1 cría de cepas de astaxantina de alto rendimiento

Ahora la gente se ha centrado en la cría de cepas mutantes con excesiva síntesis de astaxantina. En los últimos años, los académicos en el país y en el extranjero han hecho algunos progresos en esta área. Por ejemplo, el contenido de astaxantina de la cepa mutante obtenida de Rhodotorula glutinis se incrementó en 232%, alcanzando 1500 mg/ kg de células madre [5]. Se analizó una cepa mutante de Haematococcus pluvialis NRRLY-17269, JB2, utilizando un medio líquido de residuos de alcohol, y se obtuvo el rendimiento de (2.010 + 170) mg de carotenoides por 1 kg de células secas en un fermentde 5 L [1]. Además, se han llevado a cabo investigaciones sobre la construcción de bacterias de ingeniería del gen astaxantina de alto rendimiento utilizando tecnología de recombinación de ADN, y se ha avanzado en el sistema de transformación de Pichia pastoris, las enzimas clave en la biosíntesis de la vía de astaxantina y los genes que codifican estas enzimas.

3.2 avances de la investigación en el proceso de producción

3.2.1 Control de las condiciones óptimas de fermentación

El rendimiento de astaxantina está relacionado con las condiciones de cultivo además de la cepa. Utilizando la levadura UCD67-210 como cepa experimental, se estudiaron varios parámetros importantes que afectan la fermentación, tales como pH, temperatura, tipo y concentración de la fuente de carbono, oxígeno disuelto y luz. Se obtuvieron los parámetros óptipara la fermentación: pH 5. 0; Temperatura 20 ~ 22 ℃; Fuente óptima de carbono, cellobiosis; Concentración de masa de azúcar superior a 1,5% reducirá el contenido de astaxantina por unidad de peso de las células; Sin embargo, debido al aumento de la biomasa, el contenido de astaxantina por unidad de volumen seguirá aumentando; Oxígeno disuelto 3,6 ~ 108 mmoL/(L · h); La luz tiene poco efecto sobre la astaxantina [3].

Al estudiar el control en línea del pH durante el cultivo continuo de Pichia pastoris, se encontró que el pH de la solución de glucosa añadi(5,02) era mayor que el del medio de cultivo (5,00), y el crecimiento de Pichia pastoris era relativamente lento (0,055 H-1). Sin embargo, cuando el pH del azúcar agregado fue controlado a 4,98, la tasa de crecimiento alcanzó 0. 095 H-1. También se encontró que el intervalo entre las adiciones de azúcar tiene un efecto significativo en el crecimiento de la levadura [7].

Cuando el efecto de la concentración de masa de glucosa enProducción de astaxantinaSe estudió utilizando la levadura NCHU-FS501, se encontró que cuando la concentración de masa de glucosa alcanzó 35 g/L, la producción de astaxantina alcanzó 16. 33 mg/L; Cuando la concentración másica de glucosa alcanza o supera los 45 g/L, se inhila la formación de astaxantina [2]. Recientemente, los académicos franceses utilizaron glicercomo una fuente de carbono para cultivar la levadura PR190, aumentando la producción de astaxantina de 0,78 mg/(g de células madre) a 0,97 mg/(g de células madre). También se encontró que el mayor rendimiento de astaxantina se alcanzó cuando la tasa de crecimiento de la levadura fue de 0.075 H-1; Después de 168 h de fermentación, el rendimiento de astaxantina pudo alcanzar 33.7 mg/L (1800 μg/(g de célula seca)) [8].

Los académicos mexicanos utilizaron el jugo de yuca como la única fuente de carbono, y cuando la concentración másica de azúcar reducera 22.5 g/L, la producción de astaxantina alcanzaba 6.170 mg/L, que era 2.5 veces mayor que la de YMmedium [9]. Vale la pena mencionar que cuando se agrega jugo de tomate, las sustancias precurque pueden contener astaxantina aumentarán el contenido de pigmento. Los eruditos domésticos han optimilas condiciones del frasco agitpara la producción de astaxantina por Haematococcus pluvialis, y el mayor rendimiento de astaxantina obtenido fue de 11.63 mg/L (1770 μg/(g de célula seca)) [10]. En general, no ha habido ningún avance en la simple optimización del medio de fermentación para aumentar el contenido de astaxantina.

3.2. 2 reducir los costes de fermentación

Además del bajo rendimiento de astaxantina, otro factor que afecta negativamente a la aplicación comercial de la levadura es el costo relativamente alto del medio requerido para el crecimiento de la levadura (levadura nitrobase medio con azúcar añadido). Algunos residuos de procesamiento de alimentos baratos, como el residuo de alfalfa, pueden promover eficazmente la proliferación de la levadura, pero al mismo tiempo inhila la formación de astaxantina. Esta inhibición se debe a la presencia de saponinas.

Una cepa mujb2 de la levadura Pichia pastoris NRRLY-17269 fue examinada usando almidón y alcohol líquido de residuos, y cultivada en distill's para producir 1.330-1.750 mg/kg de materia seca de carotenoides, lo que redujo en gran medida el costo del medio de cultivo [1]. También se ha informado que el uso de melaza como una materia prima de fermentación barata en lugar de glucosa como una fuente de carbono para cultivar Phaffia puede aumentar la producción de astaxantina por cerca de 3 veces a 15. 3 mg/L [12]. Además, la xilosa se puede obtener en grandes cantidades hidrolizando madera o residuos sólidos industriales y agrícolas, y también es una fuente de carbono barata. Algunos estudiosos utilizaron xilosa como fuente de carbono, y después de la optimización del proceso, el rendimiento de astaxantina fue de 5,2 mg/L [13].

3.3 extracción de astaxantina

En la actualidad, la astaxantina se extrae principalmente rompiprimero la pared celular usando varios métodos y luego extrayendo con un solvente orgánico. Los estudios han demostrado que la tasa de extracción es menor cuando se utiliza etanol que cuando se utiliza dimetilsulfóxido (DMso) [5]. Los estudiosos domésticos también han logrado buenos resultados al tratar las células con calor ácido y luego extracon acetona. Recientemente, los académicos japoneses han seleccionado una cepa de Streptomyces rochei DB-34 que produce una liasa constitutiva altamente activa. Esta enzima exhibe actividad en la hidrólisis de -1,6-glucan, y también se ha encontrado que la adición de esta enzima en las últimas etapas del cultivo de Pichia pastoris puede extraer eficazmente astaxantina [14].

Cuando se utiliza como aditivo alimentario, la levadura se debe descomponer para que la astaxantina se puede depositar en el pescado o yema de huevo. Para hacer el pigmento más fácilmente disponible, la pre-autólisis en agua destilo o un tampón de ácido cítrico es un método prometedor, o las paredes celulares duras se pueden romper usando una enzima secretada por Bacillus circulans. Antes de añadir Bacillus circulans, la levadura tiene que ser asesinado con calor y el pH ajustado. Por lo tanto, es más conveniente cultivar los dos microorganismos juntos. Otra ventaja de esto es que el caldo de cultivo libre de células puede ser reutilizado. Porque todavía soporta el crecimiento de la levadura después de que algunos nutrientes han sido removidos para la fermentación, y contiene ciertas enzimas líticas que modifican la pared celular. Se ha propuesto un sistema de proceso para filtrar y reciclar el caldo de fermentación mixta, con el objetivo de cumplir los requisitos medioambientales en la producción A gran escala. Desafortunadamente, la fermentación mixta inhihasta cierto punto la producción de astaxantina [3].

4 perspectivas de desarrollo y aplicación

Astaxantina está siendo ampliamente desarrollado y aplicado en la producción de alimentos, medicamentos, cosméticos y piensos para animales. Aunque la astaxantina es un carotenoide, algunos de sus efectos biológicos son mucho más fuertes que los de otros carotenoides. Astaxantina es soluble en grasa, tiene un color brillante y fuertes propiedades antioxidantes. En los alimentos, no sólo los colores, sino que también conserva con eficacia, la prevención de la decoloración, mal sabor y deterioro.

El aceite rojo que contiene astaxantina se puede utilizar para marinverduras, algas marinas y frutas, así como para colorear bebidas, fideos y condimentos. También se han reportado patentes. La astaxantina tiene efectos fotoprotectores más fuertes que el beta-caroten, y existen patentes para cosméticos que contienen astaxantina en el extranjero. Las industrias farmacéutica y alimentaria utilizan el antioxidante, anti-inflamatorio e inmunológico efectos de promoción de astaxantina para prevenir el daño al tejido oxidativo y formular alimentos saludables. Al mismo tiempo, debido a que la astaxantina tiene un color brillante y puede unirse no específicamente a la actina, su adición a los piensos de acuicultura puede mejorar el color de la piel y el músculo de los peces de pisciy aumentar su resistencia a las enfermedades. Además, astaxantina juega un papel importante en el crecimiento y la reproducción de los peces. Se puede utilizar como una hormona para promover la fertilización de huevos de pescado, reducir la tasa de mortalidad de los embriones en desarrollo, promover el crecimiento individual, aumentar la madurez y la fertilidad. Astaxantina también se puede utilizar como un nutriente para promover el crecimiento de las aves de corral y aumentar la producción de huevos.

No hay duda de que astaxantina tiene poderosas funciones fisiológicas y es ampliamente utilizado. En los últimos años, la demanda de astaxantina ha estado aumentando tanto a nivel nacional como en el extranjero. Además de extraer astaxantina de los residuos de la industria de procesamiento de productos acuáticos, astaxantina también se produce por fermentación industrial utilizando microorganismos como la levadura y las algas. Sin embargo, en comparación con otros productos fermentados maduros, la escala de producción industrial de astaxantina utilizando microorganismos está todavía muy por detrás. Los principales problemas siguen siendo el bajo rendimiento y el alto coste de fermentación. Por lo tanto, el mayor desarrollo y aplicación de astaxantina se beneficiará de la detección de cepas de alto rendimiento, la mejora de los procesos de fermentación, y la introducción oportuna de técnicas de modificación genética para aumentar los rendimientos y reducir los costos.

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