¿Qué es la astaxantina?
1 Introducción
La astaxantina, 3,3'-dihidroxi-4,4'-dicetonil-beta, betacaroteno, es un cetocarotenoides de color rosado, liposoluble, insoluble en agua y fácilmente soluble en disolventes orgánicos como cloroformo, acetona, benceno y disulfuro de carbono. Se encuentra ampliamente en el mundo biológico, especialmente en las plumas de animales acuáticos como camarones, cangrejos, peces y aves, donde desempeña un papel colorante. Regula la deposición de pigmentos, a diferencia de la progesterona. La astaxantina se agrega al alimento y se deposita en la yema del huevo después de que el ave la ingiere, lo que puede intensificar el color. La astaxantina es un carotenoide que no es una fuente de vitamina A y no puede convertirse en vitamina A en el cuerpo animal. Sin embargo, la astaxantina es un antioxidante de cadena rota con una capacidad antioxidante extremadamente fuerte. Los experimentos con animales muestran que la astaxantina puede eliminar NO2, sulfuro y disulfuro, reducir la peroxidación lipídica e inhibir eficazmente la peroxidación lipídica causada por los radicales libres. Además, la astaxantina también tiene fuertes efectos fisiológicos, 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 acuicultura de alta gama, 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, para convertirse de brtacaroteno a astaxantina necesita agregar 2 grupos cetonas. y grupos hidroxilo. La síntesis química artificial es relativamente difícil y la mayoría de ellas tienen estructuras de tipo J. La FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos) de EE. UU. solo aprueba la estructura trans de la astaxantina para su uso como aditivo en 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, dado que el contenido de astaxantina de origen biológico no es lo suficientemente alto, la astaxantina sintetizada químicamente todavía tiene ciertas ventajas competitivas. SuizaF. Hoffmann-latoche ha completado la síntesis de astaxantina totalmente trans y ha sido aprobada como aditivo alimentario para salmón. Aun así, algunos microorganismos que contienen astaxantina tienen las ventajas de una tasa de crecimiento rápida, un ciclo de fermentación corto y la proteína unicelular de las bacterias después de la extracción de astaxantina se puede utilizar como pienso y aditivos para piensos con el aumento de los alimentos totalmente naturales. En todo el mundo, poco a poco se convertirá en el foco de la investigación actual.
2.2 Fuentes biológicas
En comparación, la mayor parte de la astaxantina extraída de organismos vivos tiene una estructura trans, que es segura de usar y respetuosa con el medio ambiente, y tiene amplias perspectivas de desarrollo. Las fuentes biológicas actuales de astaxantina son principalmente: la extracción de residuos de la industria procesadora de productos acuáticos y la producción por fermentación microbiana.
2.2.1 Extracción de astaxantina de los desechos de la industria procesadora de productos acuáticos
Actualmente, la industria extranjera procesadora de cangrejos de río produce 10 millones de toneladas de productos acuáticos de crustáceos cada año. Desechos, la extracción del agente de polimerización El sistema se puede utilizar para extraer astaxantina, éster de astaxantina y astaxantina, y el rendimiento puede alcanzar 153 ug (g de residuos). Según los análisis, la astaxantina representa más del 90% de los carotenoides extraídos. Recientemente, la industria pesquera marina noruega ha adoptado la tecnología de tratamiento de residuos en ensilaje. Después del tratamiento del ensilaje, la tasa de recuperación ha aumentado en un 10% y la pureza de la astaxantina también ha mejorado considerablemente.
Debido al bajo contenido de astaxantina en los residuos de productos acuáticos y al alto coste de extracción, y debido a las limitaciones de recursos, este método no es adecuado como fuente de astaxantina a gran escala y tiene poco potencial de desarrollo. Sin embargo, como todavía no se ha encontrado ningún método mejor, este método todavía existe en el extranjero.
2.2.2 Producción de fermentación microbiana
La distribución de la astaxantina en el mundo microbiano es algo similar a la de la cantaxantina. El estudio encontró que los microorganismos que pueden producir astaxantina incluyen: un género de hongo Basidiomycetes (Phivia), dos 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 bacteria productora de astaxantina muy importante. Alguna vez se consideró un tipo de microalga con gran Perspectivas para la producción comercial de astaxantina. Las algas pueden ser tanto autótrofas como heterótrofas. Durante el proceso de cultivo, si falta la fuente de nitrógeno, la astaxantina se acumulará en las algas. En la actualidad, el contenido de astaxantina en Haematococcus pluvialis de calidad extranjera es tan alto como 0,2% -2%, que generalmente representa más del 90% del total de carotenoides. Además, Chlorooccum sp. Con 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 prometedora para la producción a gran escala de astaxantina. Sin embargo, el período autótrofo de las algas es largo, el sitio de producción está limitado hasta cierto punto debido a la necesidad de luz y es difícil para las algas atravesar la pared y liberar astaxantina. Por tanto, la producción en masa también es difícil.
(2) Utilice bacterias para producir astaxantina
Hay dos cepas conocidas de bacterias que pueden producir astaxantina: Mycobacterium lacticola, que solo crece en medios de hidrocarburos. La astaxantina se produce en agar nutritivo. pero no en agar nutritivo. Otra cepa, Bevibacterium 103, crece en petróleo. Al final de la fermentación, la biomasa es de 3 g/L y el contenido de pigmento es de sólo 0,03 mg/L. Considerando las desventajas de la fermentación de hidrocarburos y sus menores rendimientos y la disponibilidad de Phaffia saccharomyces, la futura aplicación biotecnológica de las dos bacterias mencionadas parece imposible
.
(3) Producción de astaxantina utilizando levadura Phaffia
En 1976, An&ewes, Phaff y otros descubrieron astaxantina en la levadura Phaffia, lo que despertó gran interés. Desde entonces, muchas empresas de biotecnología han realizado esfuerzos considerables en la investigación de la levadura Phaffia y han logrado ciertos avances.
3 Avances de la investigación en la producción de astaxantina utilizando la levadura de Pophov
La levadura de Pophov fue aislada en 1970 a partir de exudados de árboles de hoja caduca en las montañas de Alaska, EE. UU., y Hokkaido, Japón. . Más tarde fue identificado como un nuevo género de Basidiomycetes y nombrado Phaffia. La levadura de Phoebe es bastante especial entre las levaduras de los basidiomicetos, principalmente porque puede fermentar azúcares y contiene astaxantina, que se diferencia de la naturaleza estrictamente aeróbica de otras levaduras rojas. El pigmento es principalmente betacaroteno o caroteno monocíclico. Poco después de que se descubriera la astaxantina en la levadura Phaffia, se empezó a estudiar la viabilidad de utilizarla como aditivo alimentario para peces y aves y su efecto sobre la formación de pigmentos biológicos, y se lograron 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 las cepas bacterianas; (2) optimización del proceso de fermentación (3) extracción de astaxantina intracelular;
3.1 Mejoramiento de cepas con alta producción de astaxantina
Ahora la gente ha centrado su atención en el mejoramiento de cepas mutantes que sobresintetizan astaxantina. En los últimos años, los académicos nacionales y extranjeros han logrado ciertos avances en este sentido. Por ejemplo, el contenido de astaxantina de la cepa mutante de Phaffia rhodozyma obtenida aumentó en un 232%, alcanzando 1.500 nv/(kg de células madre). La cepa mutante JB2 de levadura Phophyas NRRLY-17269 se analizó utilizando el medio líquido de desecho de alcohol. En la prueba del fermentador de 5 litros, la producción de carotenoides fue de (2 01170) mg por 1 kg de células madre. Además, se han llevado a cabo 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 la levadura Phaffia, enzimas clave en la ruta biosintética de la astaxantina y codificación de enzimas. genes.
3.2 Avances en la investigación de tecnologías de producción
3.2.1 Control de las condiciones óptimas de fermentación
Además de estar relacionada con especies bacterianas, la producción de astaxantina está relacionada, también relacionado con las condiciones culturales. 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 la concentración de la fuente de carbono, el oxígeno disuelto y la luz.
Los parámetros óptimos para la fermentación son: valor de pH 5,0; temperatura 20-22°C; fuente óptima de carbono; sin embargo, una concentración de masa de azúcar superior al 1,5% reducirá el contenido de astaxantina por unidad de peso de células; , el contenido de astaxantina por unidad de volumen también aumentará; el oxígeno disuelto es de 3,6 ~ 108 rmnol/(L.h); Al estudiar el control en línea del valor del pH del cultivo continuo de levadura de Pophov, se encontró que el valor del pH de la solución de glucosa agregada (5,02) era mayor que el valor del pH del medio de cultivo (5,00). El crecimiento es relativamente lento (0,055 h-1); cuando el valor del pH del azúcar añadido se controla en 4,98, la tasa de crecimiento alcanza 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 másica de glucosa en la producción de astaxantina, se encontró que cuando la concentración másica de glucosa alcanzó 35 g/L, la producción de astaxantina alcanzó 16,33 mg/L cuando la concentración másica de glucosa alcanzó o; superado A 45 g/L, se inhibe la formación de astaxantina [plan. Recientemente, académicos franceses utilizaron glicerol como fuente de carbono para cultivar la levadura Phaffia PRl90, que aumentó la producción de astaxantina de 0,78 mg/(g de células madre) a 0,97 mg/(g de células madre). Se concluyó que cuando la tasa de crecimiento de la levadura es de 0,075 h-1, el rendimiento de astaxantina es máximo después de 168 h de fermentación, el rendimiento de astaxantina puede alcanzar 33,7 mg/L (1 800 t,g/(g de células madre; ) ). Los estudiosos mexicanos utilizaron el jugo de yuca como única fuente de carbono cuando la concentración de masa de azúcar reductor fue de 22,5e/I, la producción de astaxantina alcanzó 6,170 mg/L, que fue 2,5 veces mayor que la obtenida con el medio de cultivo YM. Cabe mencionar que al agregar jugo de tomate, este puede contener precursores de astaxantina, lo que aumentará el contenido de pigmento. Los académicos nacionales han optimizado las condiciones del matraz agitado para la producción de astaxantina mediante la levadura Phaffia, y el mayor rendimiento de astaxantina logrado fue de 11,63 mg/L (1 770 ug/(g de células madre)). En términos generales, no ha habido grandes avances en la mejora del contenido de astaxantina únicamente mediante la optimización de los medios de cultivo de fermentación.
3.2.2 Reducir los costes de fermentación
Además del bajo rendimiento de astaxantina, otro factor desfavorable que afecta la aplicación comercial de la levadura Phaffia es el cultivo necesario para el crecimiento de la levadura Phaffia. El costo de la base es relativamente alto (medio base de nitrógeno de levadura más azúcar). Algunos desechos baratos del procesamiento de alimentos, como los residuos de alfalfa, pueden promover eficazmente la proliferación de levaduras, pero al mismo tiempo inhiben la formación de astaxantina. Esta inhibición se debe a la presencia de saponinas. La cepa mutante JB2 de levadura Phaffia NRRLY-17269 se analizó utilizando almidón y alcohol líquido residual, 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 se informa que la melaza, como materia prima de fermentación barata, puede reemplazar la glucosa como fuente de carbono para cultivar levadura Pophora, que puede aumentar la producción de astaxantina aproximadamente 3 veces, alcanzando 15,3 mg/L. Además, la xilosa se puede obtener en grandes cantidades mediante la hidrólisis de la madera o de residuos sólidos industriales y agrícolas, y también es una fuente de carbono barata. Algunos estudiosos utilizaron xilosa como fuente de carbono y obtuvieron un rendimiento de astaxantina de 5,2 mg/L después de la optimización del proceso.
3.3 Extracción de astaxantina
En la actualidad, la extracción de astaxantina utiliza principalmente varios métodos para romper la pared primero y luego extraerla con disolventes orgánicos. Los estudios han demostrado que la tasa de extracción con etanol es menor que con dimetilsulfóxido (DMSO). 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 creado una cepa de Streptomyces rochei DB-34 que puede producir una liasa constitutiva altamente activa. Esta enzima exhibe la actividad de hidrolizar el beta-1,'6-glucano. También se descubrió que al agregar esta enzima más tarde. La etapa del cultivo de levadura Phaffia puede extraer eficazmente astaxantina.
Cuando la levadura Phaffia se utiliza como aditivo alimentario, primero debe descomponerse para que la astaxantina pueda depositarse en el pescado o en las yemas de huevo. Para facilitar la liberación del pigmento, la autohidrólisis previa en agua destilada o tampón de ácido cítrico es un enfoque prometedor, o se pueden usar enzimas secretadas por Bacil-Jmcirculans para escindir enzimáticamente la resistente pared celular. Antes de añadir Bacillus, es necesario inactivar la levadura mediante calor y luego ajustar su valor de pH.
Por tanto, un método más conveniente es mezclar y cultivar estos dos microorganismos. Otra ventaja de esto es que se puede reutilizar el medio de cultivo libre de células. Porque después de que se usan algunos nutrientes en la fermentación, aún puede favorecer el crecimiento de la levadura Phaffia y contiene ciertas enzimas líticas que pueden modificar la pared celular. Se ha propuesto un esquema de proceso para filtrar y reciclar caldo de cultivo de fermentación mixta, con el objetivo de cumplir con los requisitos de protección ambiental en 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 desarrollado y utilizado ampliamente en la producción de alimentos, medicinas, cosméticos y piensos. Aunque la astaxantina es un carotenoide, algunos de sus efectos biológicos son mucho más fuertes que los de otros carotenoides. La astaxantina es liposoluble, tiene un color brillante y fuertes propiedades antioxidantes. En los alimentos, no sólo puede dar color, sino también preservar eficazmente la frescura y prevenir la decoloración, el sabor y el deterioro. El aceite rojo que contiene astaxantina se puede utilizar para encurtir verduras, algas marinas y frutas, y también para colorear bebidas, fideos y condimentos. También existen informes de patentes. La astaxantina tiene un efecto antifotosensitivo más fuerte que el betacaroteno, y existen patentes de cosméticos que contienen astaxantina en el extranjero. Las industrias farmacéutica y alimentaria utilizan los efectos antioxidantes, antiinflamatorios y promotores del sistema inmunológico de la astaxantina como fármaco para prevenir el daño oxidativo de los tejidos y formular alimentos saludables. Al mismo tiempo, debido a que la astaxantina tiene un color brillante y puede unirse de manera no específica a la actina, agregarla 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 tasa de mortalidad del desarrollo embrionario, promover el crecimiento individual y aumentar la velocidad de madurez y la fecundidad. La astaxantina también se puede utilizar como hormona. Los nutrientes promueven el crecimiento y aumentan la producción de huevos en las aves. No hay duda de que la astaxantina tiene potentes funciones fisiológicas y se utiliza ampliamente. En los últimos años, la demanda de astaxantina en el país y en el extranjero también ha ido en aumento. Además de extraer astaxantina de los desechos de la industria procesadora de productos acuáticos, la astaxantina se produce mediante fermentación industrial de levaduras, algas y otros microorganismos, lo que tiene un ciclo de producción corto y amplias perspectivas. Sin embargo, en comparación con otros productos de fermentación maduros, la escala de producción industrial de astaxantina utilizando microorganismos está muy por detrás. Los principales problemas siguen siendo el bajo rendimiento y el alto coste 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 contribuirán a un mayor desarrollo y aplicación de la astaxantina.