虾青素化学合成研究进展

背景及概述

虾青素（C40H52O4）是一种酮式类胡萝卜素，化学名为3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，化学结构：四个异戊二烯通过共轭双键连接，两端连接两个异戊二烯组成的六元环。虾青素有三种旋光异构体，三种旋光异构体的区别在于全反式虾青素的立体异构体中，消旋虾青素的抗氧化活性最低，右旋虾青素清除自由基能力最强，而左旋虾青素对于脂质过氧化的抑制作用和免疫活性较强。虾青素除了具有抗氧化活性外，还具有抗癌、抗炎、抗糖尿病等多种功效。此外，虾青素是唯一可以穿透血脑和血视网膜屏障并对中枢神经系统和脑功能有积极作用的类胡萝卜素。因此，虾青素被广泛应用于食品、医疗保健、化妆品及饲料添加剂中。

天然虾青素主要存在于海洋环境中，以游离态和酯化态等形式存在。游离态虾青素不稳定，易被氧化。虾青素由于末端环状结构中羟基的存在，易与脂肪酸结合形成虾青素酯而稳定存在。雨生红球藻（Haematococcuspluvialis）中约95%的虾青素分子被脂肪酸酯化并存储在富含三酰甘油的胞质脂质体中。酯化态虾青素根据其结合的脂肪酸不同分为虾青素单酯和虾青素二酯。H.pluvialis可积累高达4%的虾青素（按干重计），HOLTIN等[6]发现在强光照胁迫下积累的虾青素的95%被脂肪酸酯化。虽然目前尚不清楚生物体内虾青素和脂肪酸的相互作用机理，但在H.pluvialis中观察到了虾青素和脂肪酸生物合成的化学计量关系。

制备

目前国内外制备虾青素的方法主要可以分为两类：化学合成法和生物合成法。化学合成的虾青素为三种结构的混合物左旋：消旋：右旋（1：2：1），化学合成虾青素主要作为工业染料，但在食品、医药领域不被允许使用。生物合成的虾青素允许在食品、医药领域使用。自然界中某些微藻、真菌、细菌和特定种类的植物具有合成虾青素的能力。合成的左旋虾青素占虾青素总量的90%以上。

化学合成虾青素分为全合成法和半合成法。虾青素全合成法以化工原料为原材料，通过化学合成反应来获得虾青素。半合成法是利用角黄质、叶黄素和玉米黄质等类胡萝卜素作为原料来制备虾青素的方法[1]。

1虾青素化学全合成法

国内外对于虾青素的化学全合成路线都展开了一系列的研究。国外霍夫曼罗氏公司与巴斯夫公司是化学合成虾青素的两家主要企业，两家公司利用化学合成法生产虾青素的合成路线相似，采用C9＋C6→C15，2C15＋C10→C40路线。霍夫曼罗氏公司以6-氧代异佛尔酮为原料[1]，首先利用丙酮与甲醛在弱碱条件下发生羟醛缩合失水生成α-β不饱和丁烯酮，再与乙炔发生1,2-亲核加成生成六碳炔叔醇，并在硫酸作用下重排，保护产物的羟基使其与6-氧代异佛尔酮发生反应，最后在强碱作用下发生双边的Wittig反应合成虾青素。巴斯夫公司合成路线中合成中间的体六碳炔叔醇并不先经过酸化重排，而是将羟基进行保护后与6-氧代异佛尔酮发生一系列转化，在转化的过程中进行重排，最终得到目标产物虾青素。国内合成虾青素路线则与国外合成路线不同，采用C13＋C2→C15，2C15＋C10→C40的合成路线来制备虾青素。他以α-紫罗兰酮为原料，经过间氯过氧苯甲酸处理，经过一系列的中间转化过程后，在氢溴酸作用下酸化重排，再与三苯基膦作用生成十五碳三苯基季鏻盐，最后进行双向Wittig反应生成虾青素。合成路线的独特之处在于采用一种新的方法合成关键中间体C15化合物，该方法的起始原料易得、反应的选择性高、总收率高。Witting反应是虾青素的全合成路线特征反应。此类合成路线具有工艺简单，成本低的优点。虽然霍夫曼罗氏公司与巴斯夫公司这两条路线工艺流程很复杂，生产过程较长、中间过程的控制难度较大、要求严格，但其合成成本低、价格便宜，且已经实现工业化生产，是市场上虾青素供应的最主要工业化来源（图1）。

图1 虾青素合成路线图

2虾青素化学半合成法

半合成法是利用角黄质、叶黄素和玉米黄质等类胡萝卜素作为原料来制备虾青素的方法。经典的方法是以叶黄素为起始原料，叶黄素在碱的催化下发生异构化反应生成玉米黄质。以1，2-丙二醇为溶剂，氢氧化钾作为催化剂，在110℃下反应168h，玉米黄质在碘和溴酸钠的作用下直接氧化为虾青素。以角黄素为原料时则经过碱化、硅醚化、环氧化、水解4个过程合成虾青素，具有合成快捷、收率高（约产率60%）的特点。由于角黄素的成本高，且生产过程中有一定的危险性，目前难以达到大规模工业化生产。与全合成法相比，半合成法合成的虾青素生物活性高，但产率低，实现规模化生产困难。

结语与展望

虾青素具有极强的抗氧化性能，随着市场对虾青素关注与需求的提升，虾青素在食品营养强化剂、医疗保健、饲料等方面具有很大的应用价值和发展空间。化学合成、生物合成的虾青素在不同领域具有不同的应用空间。化学合成虾青素成本低、价格便宜，已经实现了工业化生产，是市场上虾青素供应的最主要的工业化来源。随着生物合成虾青素的兴起，各国对化学合成的虾青素管理愈来愈严格，美国食品与药物管理局（FDA）禁止化学合成的虾青素进入食品、保健品等市场。生物合成的天然虾青素具有更高的生物活性，且来源更安全，满足市场需要，尤其是供人类消费的天然色素，成为研究热点。这一市场需求也使得生物合成虾青素的关注度日益增加。但是当前的天然虾青素的产量低导致价格高，不能满足普遍的市场需求。针对市场对虾青素需求的日益增长的问题，通过合成生物学、代谢工程、发酵工程等手段精确调控植物或微生物虾青素的生物合成，是来实现天然虾青素的大规模工业生产的有效途径。

参考文献

[1] HOLTIN K, KUEHNLE M, REHBEIN J, et al. Determination of astaxanthin and astaxanthin esters in the microalgae by LC-(APCI)MS and characterization of predominant carotenoid isomers by N Haematococcus pluvialis MR spectroscopy[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry，2009，395（6）：1613-1622