¿Qué es la esencia de camarón?
La astaxantina, 3,3'-dihidroxi-4,4'-diona-β, β-caroteno, es un cetocarotenoide de color rosado. Liposoluble, insoluble en agua, soluble en cloroformo. acetona, benceno, disulfuro de carbono y otros disolventes orgánicos. Se encuentra ampliamente en el mundo biológico, especialmente en las plumas de animales acuáticos como camarones, cangrejos, peces y aves, y desempeña un papel en el desarrollo del color. Regula la deposición de pigmentos, a diferencia de la luteína. La astaxantina se agrega al alimento y se deposita en la yema del huevo de las aves después del consumo, lo que puede intensificar el color. La astaxantina es un carotenoide, no una fuente de vitamina A, y no se puede convertir en vitamina A en el cuerpo animal. Sin embargo, la astaxantina es un antioxidante de cadena rota con una fuerte capacidad antioxidante. Los experimentos con animales muestran que la astaxantina puede eliminar NO2, sulfuro y disulfuro, reducir la peroxidación de lípidos e inhibir eficazmente la peroxidación de lípidos causada por los radicales libres. Además, la astaxantina también tiene poderosas funciones fisiológicas, como inhibir la aparición de tumores y mejorar la función inmune. Por tanto, tiene amplias perspectivas de aplicación en aditivos alimentarios, acuicultura, cosmética, productos sanitarios e industrias farmacéuticas. Con el rápido desarrollo de la industria acuícola de alto nivel, ha habido una enorme demanda de astaxantina en el mercado desde mediados de la década de 1980, y ha habido un fuerte aumento en los últimos años.
2 Fuente de astaxantina
2.1 Síntesis química
La astaxantina es el punto final de la síntesis de carotenoides y requiere la adición de dos grupos cetona y grupos hidroxilo. -caroteno a astaxantina. La síntesis química artificial es difícil y la mayoría de ellos tienen estructuras en forma de J. La Administración de Medicamentos y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) sólo aprueba la transastaxantina como aditivo para la acuicultura. Por lo tanto, la transastaxantina sintética es cara (el precio actual en el mercado internacional es de unos 2.000 dólares EE.UU./kg), lo que limita su amplia aplicación. En la actualidad, la astaxantina sintetizada químicamente todavía tiene una cierta ventaja competitiva porque el contenido de astaxantina de fuentes biológicas no es lo suficientemente alto. F. Hoffmann-Latoche de Suiza completó el camarón verde totalmente trans.
La síntesis de vitamina A está aprobada como aditivo alimentario para salmón. No obstante, algunos microorganismos que contienen astaxantina tienen las ventajas de una tasa de crecimiento rápida y un ciclo de fermentación corto. La proteína unicelular extraída de la astaxantina se puede utilizar como cebo y aditivo alimentario. Con el auge de los alimentos totalmente naturales en el mundo, estos se convertirán gradualmente en el foco de la investigación actual.
2.2 Fuentes biológicas
Por el contrario, la astaxantina extraída de organismos es principalmente transestructura, cuyo uso es seguro y respetuoso con el medio ambiente y tiene amplias perspectivas de desarrollo. En la actualidad, la fuente biológica de astaxantina se extrae principalmente de los desechos de la industria de procesamiento de productos acuáticos y se produce mediante fermentación microbiana.
2.2.1 Extracción de astaxantina de los desechos de la industria de procesamiento de productos acuáticos
Actualmente, la industria extranjera de procesamiento de cangrejos de río produce más de 6,5438 millones de toneladas de desechos de productos acuáticos de crustáceos cada año. De él se pueden extraer astaxantina, éster de astaxantina y astaxantina mediante un sistema de extracción con agente de polimerización, con un rendimiento de hasta 654,38+053 ug (g de residuo). Según los análisis, la astaxantina representa más del 90% de los carotenoides extraídos. Recientemente, las pesquerías marinas noruegas han adoptado tecnología de ensilaje para tratar los desechos. Después del tratamiento del ensilaje, la tasa de recuperación aumentó en un 65438 ± 00% y la pureza de la astaxantina también mejoró considerablemente.
Debido al bajo contenido de astaxantina en los desechos acuáticos, el alto costo de extracción y las limitaciones de recursos, este método no es adecuado como fuente de astaxantina a gran escala y tiene poco potencial de desarrollo. Pero como aún no se ha encontrado un método mejor, este método todavía existe en el extranjero.
2.2.2 Producción de fermentación microbiana
La distribución de astaxantina en la comunidad microbiana es algo similar a la de la cantaxantina. Los microorganismos que producen astaxantina incluyen: un género de hongos llamado Phaffia, dos cepas de bacterias que asimilan hidrocarburos y muchas algas verdes en ambientes deficientes en nitrógeno.
(1) Cultivar algas para producir astaxantina
Entre muchas algas que pueden producir astaxantina, Haematococcus pluvialis es una importante bacteria productora de astaxantina. Las microalgas alguna vez se consideraron un candidato prometedor para la producción comercial. de astaxantina. Estas algas no sólo pueden llevar a cabo vida autótrofa, sino que también pueden llevar a cabo vida heterótrofa. Durante el proceso de cultivo, si falta una fuente de nitrógeno, la astaxantina se acumulará en las algas. En la actualidad, el contenido de astaxantina en el Haematococcus pluvialis fino extraño llega al 0,2% -2%, y generalmente representa más del 90% del total de carotenoides. Además, Clorella. Tiene las ventajas de resistencia a altas temperaturas, valor de pH extremo, tasa de crecimiento rápida y fácil cultivo al aire libre. Se considera un alga con potencial para producir astaxantina a gran escala. Sin embargo, el período autótrofo de las algas es largo y el sitio de producción está sujeto a ciertas restricciones debido a la necesidad de luz. Es difícil para las algas atravesar la pared y liberar astaxantina. Por eso es difícil llevar a cabo la producción en masa.
(2) Utilice bacterias para producir astaxantina
Hay dos cepas conocidas de bacterias que pueden producir astaxantina: Mycobacterium lactis, que solo produce astaxantina en medios de hidrocarburos, no produjo astaxantina en agar nutritivo; otra cepa, Bevibacterium 103, creció en aceite. Al final de la fermentación, la biomasa fue de 3 g/l y el contenido de pigmento fue de sólo 0,03 mg/g. Teniendo en cuenta las desventajas de la fermentación de hidrocarburos, su bajo rendimiento y la disponibilidad de levadura, parece que los dos anteriores Las bacterias son de gran importancia en biotecnología. Las perspectivas de aplicación son amplias.
Esto es imposible.
(3) Utilice levadura Phaffia para producir astaxantina.
En 1976, Ann & Ewe y Fife descubrieron la astaxantina en Phaffia rhodozyma, lo que atrajo gran atención. Desde entonces, muchas empresas de biotecnología han realizado esfuerzos considerables en la investigación de Phaffia rhodozyma y han logrado algunos avances.
3 Salieron a la luz los avances de la investigación sobre la producción de astaxantina por Phaffia rhodozyma.
Phaffia rhodozyma fue aislada en 1970 a partir de exudados de árboles de hoja caduca en las montañas de Alaska y Hokkaido, Japón. Más tarde fue identificado como un nuevo género de Basidiomycetes y nombrado Phaffia. Phaffia rhodozyma es muy especial entre los basidiomicetos, principalmente porque puede fermentar azúcares y contiene astaxantina, que se diferencia de otras levaduras rojas que son estrictamente aeróbicas. El pigmento es principalmente β-caroteno o caroteno monocíclico. Poco después del descubrimiento de la astaxantina en Phaffia rhodozyma, se empezó a estudiar la viabilidad del uso de astaxantina como aditivo alimentario en piensos para peces y aves y su efecto sobre la formación de biopigmentos, y se obtuvieron buenos resultados. En los siguientes 20 años de investigación, los esfuerzos de investigación de las personas se centraron principalmente en los siguientes tres aspectos: (1) mejora de la cepa; (2) optimización del proceso de fermentación (3) extracción de astaxantina en las células;
3.1 Mejoramiento de cepas productoras de astaxantina
Ahora la gente ha centrado su atención en el mejoramiento de cepas productoras de astaxantina. En los últimos años, los académicos nacionales y extranjeros han logrado grandes avances en este campo.
Se han logrado algunos avances. Por ejemplo, el contenido de astaxantina del mutante Phaffia rhodozyma obtenido aumentó en un 23,2%, alcanzando 65.438+0,500 NV/(kg de células madre). La cepa mutante JB2 de levadura Phaffia NRRLY-17269 se seleccionó utilizando un medio de alcohol residual. En el experimento del tanque de fermentación de 5 litros, la producción de carotenoides fue (201170) mg/1 kg de células madre. Además, se han realizado investigaciones sobre el uso de tecnología de ADN recombinante para construir bacterias genéticamente modificadas con alta producción de astaxantina, y se han logrado ciertos avances en el sistema de transformación de Phaffia rhodozyma, enzimas clave para la biosíntesis de astaxantina y genes codificadores de enzimas.
3.2 Avances de la investigación en tecnología de producción
3.2.1 Control óptimo de las condiciones de fermentación
La producción de astaxantina no sólo está relacionada con las cepas, sino también con las condiciones de cultivo. . Utilizando la levadura Phaffia UCD67-210 como cepa experimental, se estudiaron varios parámetros importantes que afectan la fermentación, como el valor del pH, la temperatura, el tipo y concentración de la fuente de carbono, el oxígeno disuelto y la luz. Los parámetros óptimos de fermentación son: pH 5,0 y temperatura de 20-22 °C; la fuente óptima de carbono, la celobiosa y la concentración de azúcar superiores al 1,5 % reducirán el contenido de astaxantina por unidad de peso de las células; sin embargo, debido al aumento de la biomasa, el volumen unitario del contenido de astaxantina aumentará; el oxígeno disuelto 3,6 ~ 108 RM nol/(l. h); En el estudio de cultivo continuo
Al controlar el valor de pH de la levadura Phaffia en línea, se encontró que el valor de pH de la solución de glucosa (5,02) era mayor que el valor de pH del medio de cultivo (5,00) , y el crecimiento de la levadura Phaffia fue relativamente lento (0,055 h-1). Cuando el valor del pH del azúcar se controló en 4,98, la tasa de crecimiento alcanzó 0,095 h-1. También se descubrió que el intervalo de tiempo entre la adición de azúcar tiene un impacto importante en el crecimiento de la levadura. Cuando se utilizó la levadura Phaffia NCHU-FS501 para estudiar el efecto de la concentración de glucosa en la producción de astaxantina, se encontró que cuando la concentración de glucosa alcanzó 35 g/L, la producción de astaxantina alcanzó 16,33 mg/L cuando la concentración másica de glucosa alcanzó o superó 45; g/L , se inhibe la formación de astaxantina. Recientemente, académicos franceses utilizaron glicerol como fuente de carbono para cultivar la levadura Phaffia PRl90, aumentando la producción de astaxantina a partir de 0,78 mg/(g de células madre).
Hasta 0,97 mg/(g de células madre). Los resultados mostraron que la producción de astaxantina fue mayor cuando la tasa de crecimiento de la levadura fue de 0,075 h-1. Después de 168 horas de fermentación, la producción de astaxantina puede alcanzar 33,7 mg/L (1.800 t, g/(g de células madre)). Sin embargo, los estudiosos mexicanos utilizaron el jugo de los dátiles de yuca como única fuente de carbono. Cuando la concentración de azúcar reductor fue de 22,5 E/I, la producción de astaxantina alcanzó 6,1,70 mg/L, que fue 2,5 veces mayor que la del medio YM. Cabe mencionar que al agregar jugo de tomate, este puede contener el precursor de la astaxantina, lo que aumentará el contenido de pigmento. Los estudiosos nacionales han optimizado las condiciones del matraz agitado para la producción de astaxantina por Phaffia rhodozyma, y la producción máxima de astaxantina es de 11,63 mg/L (1,770 ug/(g de células madre)). En general, no existe ningún avance en la mejora del contenido de astaxantina simplemente optimizando el medio de fermentación.
3.2.2 Reducir los costes de fermentación
Además del bajo rendimiento de astaxantina, otro factor negativo que afecta a la aplicación comercial de Phaffia rhodozyma es el cultivo necesario para el crecimiento de Phaffia rhodozyma. El costo base es relativamente alto (agregar azúcar al medio a base de nitrógeno de levadura). Algunos desechos baratos del procesamiento de alimentos, como la pulpa de alfalfa, pueden promover eficazmente la proliferación de levaduras, pero al mismo tiempo inhiben la formación de astaxantina debido a la presencia de saponinas. Se seleccionó la cepa mutante JB2 de levadura Phaffia NRRLY-17269 a partir de líquido residual de almidón y alcohol, y se cultivó carotenoide 1 330-1 750 mg/(kg de materia seca) en granos de destilería, lo que redujo en gran medida el costo del medio de cultivo.
También hay informes de que la melaza se utiliza como materia prima de fermentación barata, reemplazando a la glucosa como fuente de carbono. El cultivo de Phaffia rhodozyma puede aumentar la producción de astaxantina aproximadamente tres veces a 15,3 mg/L. Además, se puede obtener xilosa en grandes cantidades. hidrolizar madera o residuos sólidos industriales y agrícolas, que además es una fuente barata de carbono. 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.
3.3 Extracción de astaxantina
En la actualidad, la astaxantina se extrae principalmente mediante diversos métodos y luego se extrae con disolventes orgánicos. Los resultados mostraron que la eficiencia de extracción del etanol fue menor que la del dimetilsulfóxido. Los estudiosos nacionales utilizan calor ácido para tratar las células y luego las extraen con acetona, y los resultados también son buenos. Recientemente, los estudiosos japoneses han cultivado una cepa de Streptomyces rochei DB-34, que puede producir una liasa constitutiva altamente activa, y esta enzima exhibe la actividad de hidrolizar el β-1,6-glucano. También se descubrió que la adición de esta enzima en una etapa posterior del cultivo de levadura Phaffia puede extraer eficazmente la astaxantina.
Cuando se utiliza Phaffia rhodozyma como aditivo alimentario, la astaxantina sólo puede depositarse en el pescado o en la yema de huevo después de atravesar la pared. Para liberar el pigmento más fácilmente, la autohidrólisis previa en agua destilada o tampón de ácido cítrico es un enfoque prometedor, o la resistente pared celular puede hidrolizarse mediante enzimas secretadas por las bacterias anulares en forma de bastón. Antes de agregar Bacillus, es necesario calentar Phaffia rhodozyma para inactivarla y luego ajustar su valor de pH. Por tanto, es más conveniente mezclar los dos microorganismos. Otra ventaja es que se puede reutilizar el medio de cultivo libre de células. Porque aún puede favorecer el crecimiento de la levadura Phaffia después de utilizar algunos nutrientes en la fermentación y contiene una cierta cantidad de enzimas líticas para modificar la pared celular. Se propuso un plan de proceso para la filtración y recuperación del caldo de fermentación mixta para cumplir con los requisitos de protección ambiental de la producción a gran escala. Desafortunadamente, la fermentación mixta inhibe hasta cierto punto la producción de astaxantina.
4 Perspectivas de desarrollo y aplicación
La astaxantina se ha utilizado ampliamente en la producción de alimentos, medicinas, cosméticos y piensos. Aunque la astaxantina es un carotenoide, algunas de sus funciones biológicas son mucho más potentes que las de otros carotenoides. La astaxantina es liposoluble, de colores brillantes y tiene una fuerte capacidad antioxidante. En los alimentos, no sólo puede dar color, sino también preservar eficazmente la frescura y prevenir la decoloración, el sabor y el deterioro. Los agentes de aceite rojo que contienen astaxantina no sólo se pueden utilizar para encurtir verduras, algas marinas y frutas, sino que también se pueden utilizar para colorear bebidas, fideos y condimentos, y existen informes de patentes. La astaxantina tiene un efecto antifotosensibilidad más fuerte que el β-caroteno, y existen patentes de cosméticos que contienen astaxantina en el extranjero. Las industrias farmacéutica y alimentaria explotan los efectos antioxidantes, antiinflamatorios y estimulantes del sistema inmunológico de la astaxantina como fármaco para prevenir el daño oxidativo de los tejidos y preparar alimentos saludables. Al mismo tiempo, la astaxantina tiene colores brillantes y puede unirse de forma no específica a la actina. Agregar astaxantina a los alimentos acuáticos puede mejorar el color de la piel y los músculos de los peces de piscifactoría y aumentar la resistencia de los peces a las enfermedades. Además, la astaxantina juega un papel importante en el crecimiento y la reproducción de los peces. Puede usarse como hormona para promover la fertilización de los huevos de los peces, reducir la mortalidad del desarrollo embrionario, promover el crecimiento individual, aumentar la tasa de madurez y la fecundidad, y también puede ser. Se utiliza como nutriente para promover el crecimiento de las aves de corral. No hay duda de que la astaxantina tiene potentes funciones fisiológicas y se utiliza ampliamente. En los últimos años, la demanda de astaxantina ha ido aumentando en el país y en el extranjero. Además de extraer astaxantina de los desechos de la industria procesadora de productos acuáticos, la fermentación industrial de astaxantina utilizando levaduras, algas y otros microorganismos tiene un ciclo de producción corto y amplias perspectivas. Sin embargo, en comparación con otros productos de fermentación maduros, la escala de producción industrial microbiana de astaxantina está muy por detrás y los principales problemas siguen siendo el bajo rendimiento y el alto costo de fermentación. Por lo tanto, la detección de cepas de alto rendimiento, la mejora del proceso de fermentación y la introducción oportuna de tecnología de mejora genética para aumentar la producción y reducir los costos ayudarán a un mayor desarrollo y aplicación de la astaxantina.