stringtranslate.com

Астаксантин

Астаксантин / æ s t ə ˈ z æ n θ ɪ n / — кето- каротиноид в группе химических соединений, известных как каротиноны или терпены . [ 3 ] [4] [5] Астаксантин — это метаболит зеаксантина и кантаксантина , содержащий как гидроксильные, так и кетоновые функциональные группы. [3]

Это жирорастворимый пигмент с красными красящими свойствами, которые возникают из-за удлиненной цепи сопряженных (чередующихся двойных и одинарных) двойных связей в центре соединения. [3] Наличие гидроксильных функциональных групп и гидрофобных углеводородов делает молекулу амфифильной. [6]

Астаксантин вырабатывается естественным образом в пресноводных микроводорослях Haematococcus pluvialis , дрожжевых грибах Xanthophyllomyces dendrorhous (также известных как Phaffia rhodozyma ) и бактериях Paracoccus carotinifaciens . [7] [ 8] Когда водоросли испытывают стресс из-за недостатка питательных веществ, повышенной солености или чрезмерного солнечного света, они вырабатывают астаксантин. [9] Животные, которые питаются водорослями, такие как лосось , красная форель, красный морской лещ , фламинго и ракообразные (креветки, криль, крабы, омары и раки), впоследствии отражают красно-оранжевую пигментацию астаксантина. [3] [10]

Астаксантин используется в качестве пищевой добавки для потребления человеком, животными и аквакультурой . [3] Астаксантин из водорослей, синтетических и бактериальных источников, как правило, признан безопасным в Соединенных Штатах. [11] Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило астаксантин в качестве пищевого красителя (или красящей добавки) для специального использования в кормах для животных и рыб. [3] [12] Европейская комиссия рассматривает его как пищевой краситель с номером E161j. [13] Европейское управление по безопасности пищевых продуктов установило допустимую суточную дозу в размере 0,2 мг на кг веса тела по состоянию на 2019 год. [14] В качестве пищевой красящей добавки астаксантин и диметилдисукцинат астаксантина ограничены для использования только в кормах для лососевых рыб. [15]

Природные источники

Панцирь и более мелкие части тканей тела Pandalus borealis (арктической креветки) окрашены в красный цвет астаксантином и используются и продаются как извлекаемый источник астаксантина.
Киста Haematococcus pluvialis, заполненная астаксантином (красная)
Криль также используется как источник астаксантина.

Астаксантин присутствует в большинстве водных организмов красного цвета. [10] Содержание варьируется от вида к виду, а также от особи к особи, поскольку оно сильно зависит от диеты и условий жизни. [16] Астаксантин и другие химически родственные аста-каротиноиды также были обнаружены в ряде видов лишайников Арктической зоны. [ необходима цитата ]

Основными природными источниками промышленного производства астаксантина являются следующие: [10]

Концентрации астаксантина в природе составляют приблизительно: [ необходима ссылка ]

Водоросли являются основным природным источником астаксантина в водной пищевой цепи . Микроводоросль Haematococcus pluvialis содержит высокие уровни астаксантина (около 3,8% от сухого веса) и является основным промышленным источником природного астаксантина. [17]

В моллюсках астаксантин почти исключительно сконцентрирован в раковинах, и лишь небольшое его количество содержится в самой плоти, и большая его часть становится видимой только во время приготовления, поскольку пигмент отделяется от денатурированных белков, которые в противном случае связывают его. Астаксантин извлекается из Euphausia superba (антарктический криль) и из отходов переработки креветок. [18]

Биосинтез

Биосинтез астаксантина начинается с трех молекул изопентенилпирофосфата (IPP) и одной молекулы диметилаллилпирофосфата (DMAPP), которые объединяются IPP-изомеразой и преобразуются в геранилгеранилпирофосфат (GGPP) с помощью GGPP-синтазы. Затем две молекулы GGPP соединяются фитоенсинтазой с образованием фитоена. Затем фитоендесатураза создает четыре двойные связи в фитоене с образованием ликопена. Затем ликопенциклаза сначала образует γ-каротин, а затем β-каротин. Из β-каротина гидролазы (синие) и кетолазы (зеленые) образуют несколько промежуточных молекул, пока не получается конечная молекула — астаксантин.
Биосинтез астаксантина начинается с трех молекул изопентенилпирофосфата (IPP) и одной молекулы диметилаллилпирофосфата (DMAPP), которые объединяются IPP-изомеразой и преобразуются в геранилгеранилпирофосфат (GGPP) с помощью GGPP-синтазы. Затем две молекулы GGPP соединяются фитоенсинтазой с образованием фитоена. Затем фитоендесатураза создает четыре двойные связи в фитоене с образованием ликопена. Затем ликопенциклаза сначала образует γ-каротин, а затем β-каротин. Из β-каротина гидролазы (синие) и кетолазы (зеленые) образуют несколько промежуточных молекул, пока не получается конечная молекула — астаксантин.

Биосинтез астаксантина начинается с трех молекул изопентенилпирофосфата (IPP) и одной молекулы диметилаллилпирофосфата (DMAPP), которые объединяются IPP-изомеразой и преобразуются в геранилгеранилпирофосфат (GGPP) с помощью GGPP-синтазы. Затем две молекулы GGPP соединяются фитоенсинтазой с образованием фитоена. Затем фитоендесатураза создает четыре двойные связи в молекуле фитоена с образованием ликопена. После десатурации ликопенциклаза сначала образует γ-каротин, преобразуя один из ψ-ациклических концов ликопена в β-кольцо, а затем преобразует другой с образованием β-каротина. Из β-каротина гидролазы (синие) отвечают за включение двух 3-гидроксигрупп, а кетолазы (зеленые) за добавление двух 4-кетогрупп, образуя несколько промежуточных молекул, пока не будет получена конечная молекула — астаксантин. [19]

Синтетические источники

Структура астаксантина путем синтеза была описана в 1975 году. [20] Почти весь коммерчески доступный астаксантин для аквакультуры производится синтетическим путем, годовой объем рынка в 2019 году составил около 1 миллиарда долларов. [21]

Эффективный синтез из изофорона , цис -3-метил-2-пентен-4-ин-1-ола и симметричного C10 - диальдегида был обнаружен и используется в промышленном производстве. Он объединяет эти химикаты вместе с этинилированием и затем реакцией Виттига . [22] Два эквивалента надлежащего илида в сочетании с надлежащим диальдегидом в растворителе метанола, этанола или их смеси дают астаксантин с выходом до 88%. [23]

Синтез астаксантина по реакции Виттига

Метаболическая инженерия

Стоимость извлечения астаксантина, высокая рыночная цена и отсутствие эффективных систем производства ферментации в сочетании со сложностями химического синтеза препятствуют его коммерческому развитию. Метаболическая инженерия бактерий ( Escherichia coli ) позволяет эффективно производить астаксантин из бета-каротина через зеаксантин или кантаксантин . [3] [24] [25] [26]

Структура

Стереоизомеры

В дополнение к структурным изомерным конфигурациям, астаксантин также содержит два хиральных центра в 3- и 3′ - положениях, что приводит к трем уникальным стереоизомерам (3R,3 ′ R и 3R,3'S мезо и 3S,3'S). Хотя все три стереоизомера присутствуют в природе, относительное распределение значительно варьируется от одного организма к другому. [27] Синтетический астаксантин содержит смесь всех трех стереоизомеров в пропорциях приблизительно 1:2:1. [28]

Этерификация

Астаксантин существует в двух основных формах: неэтерифицированной (дрожжевой, синтетической) или этерифицированной (водорослевой) с жирнокислотными фрагментами различной длины, состав которых зависит от исходного организма, а также условий роста. Астаксантин, скармливаемый лососю для усиления окраски мяса, находится в неэтерифицированной форме [29]. Большинство доказательств подтверждают деэтерификацию жирных кислот из молекулы астаксантина в кишечнике до или одновременно с абсорбцией, что приводит к циркуляции и отложению в тканях неэтерифицированного астаксантина. Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) опубликовало научное заключение о похожем каротиноиде ксантофилла , лютеине, заявив, что «после прохождения через желудочно-кишечный тракт и/или поглощения эфиры лютеина гидролизуются, снова образуя свободный лютеин». [30] Хотя можно предположить, что неэтерифицированный астаксантин будет более биодоступным, чем этерифицированный астаксантин, из-за дополнительных ферментативных стадий в кишечнике, необходимых для гидролиза компонентов жирных кислот, несколько исследований показывают, что биодоступность больше зависит от формулы, чем от конфигурации. [31] [32]

Использует

Астаксантин используется в качестве пищевой добавки и кормовой добавки в качестве пищевого красителя для лосося, крабов, креветок, кур и производства яиц. [3] [17]

Для морепродуктов и животных

Сегодня синтетический астаксантин в основном используется в качестве добавки к корму для животных для придания окраски, включая выращенный на ферме лосось и желтки куриных яиц. [3] [33] Синтетические каротиноидные пигменты желтого, красного или оранжевого цвета составляют около 15–25% от стоимости производства коммерческого корма для лосося. [34] В 21 веке большая часть коммерческого астаксантина для аквакультуры производится синтетическим путем. [35]

Коллективные иски были поданы против некоторых крупных сетей продуктовых магазинов за то, что они не маркировали обработанный астаксантином лосось как «с добавлением цвета». [36] Сети быстро отреагировали, маркируя весь такой лосось как «с добавлением цвета». Судебное разбирательство продолжалось с иском о возмещении ущерба, но судья Сиэтла отклонил дело, постановив, что обеспечение соблюдения применимых законов о продуктах питания является прерогативой правительства, а не отдельных лиц. [37]

Пищевая добавка

Основным применением астаксантина для человека является его использование в качестве пищевой добавки , и оно все еще находится на стадии предварительных исследований. [3] В 2020 году Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов сообщило, что потребление 8 мг астаксантина в день из пищевых добавок является безопасным для взрослых. [38]

Роль в пищевой цепи

Омары, креветки и некоторые крабы краснеют при приготовлении, потому что астаксантин, который был связан с белком в панцире, освобождается, когда белок денатурирует и раскручивается. Освобожденный пигмент, таким образом, может поглощать свет и производить красный цвет. [3] [39]

Правила

В апреле 2009 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило астаксантин в качестве добавки для корма для рыб только в качестве компонента стабилизированной смеси цветных добавок. Смеси цветных добавок для корма для рыб, изготовленные с астаксантином, могут содержать только те разбавители, которые подходят. [12] Цветные добавки астаксантин, ультрамариновый синий , кантаксантин , синтетический оксид железа , сушеная мука из водорослей, мука и экстракт бархатцев и масло эндосперма кукурузы одобрены для специального использования в кормах для животных. [40] Мука из водорослей Haematococcus (21 CFR 73.185) и дрожжи Phaffia (21 CFR 73.355) для использования в кормах для рыб для окрашивания лососевых были добавлены в 2000 году. [41] [42] [43] В Европейском союзе пищевые добавки, содержащие астаксантин, полученные из источников, которые не имеют истории использования в качестве источника пищи в Европе, подпадают под действие законодательства о новых продуктах питания, EC (№) 258/97. С 1997 года было пять новых пищевых заявлений, касающихся продуктов, которые содержат астаксантин, извлеченный из этих новых источников. В каждом случае эти заявления были упрощенными или существенными эквивалентными заявлениями, поскольку астаксантин признан пищевым компонентом в рационе ЕС. [44] [45] [46] [47]

Ссылки

  1. ^ SciFinder Web (дата обращения: 28 сентября 2010 г.). Астаксантин (472-61-7) Название
  2. ^ abc SciFinder Web (дата обращения: 28 сентября 2010 г.). Астаксантин (472-61-7) Экспериментальные свойства.
  3. ^ abcdefghijk "Астаксантин". PubChem, Национальная медицинская библиотека США. 3 мая 2024 г. Получено 10 мая 2024 г.
  4. ^ Margalith PZ (1999). «Производство кетокаротиноидов микроводорослями». Прикладная микробиология и биотехнология . 51 (4): 431–8. doi :10.1007/s002530051413. PMID  10341427. S2CID  123858.
  5. ^ Чой С, Ку С (2005). «Эффективные синтезы кето-каротиноидов кантаксантина, астаксантина и астацена». Журнал органической химии . 70 (8): 3328–31. doi :10.1021/jo050101l. PMID  15823009.
  6. ^ Ахирвар А (3 августа 2021 г.). «Свет модулирует транскриптомную динамику, повышая накопление астаксантина в Haematococcus: обзор». Bioresource Technology . 340 : 125707. doi : 10.1016/j.biortech.2021.125707. PMID  34371336. Получено 15 ноября 2023 г.
  7. ^ "Phaffia rhodozyma MW Mill., Yoney. & Soneda - Запись имен" . www.speciesfungorum.org . Вид Фунгорум . Проверено 9 сентября 2022 г.
  8. ^ Tsubokura A, Yoneda H, Mizuta H (1 января 1999 г.). "Paracoccus carotinifaciens sp. nov., новая аэробная грамотрицательная астаксантин-продуцирующая бактерия". International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology . 49 (1): 277–282. doi :10.1099/00207713-49-1-277. ISSN  1466-5026. PMID  10028273.
  9. ^ Aizpuru A, González-Sánchez A (20 июля 2024 г.). «Традиционные и новые тенденции стратегий повышения содержания пигментов в микроводорослях». World Journal of Microbiology and Biotechnology . 40 (9): 272. doi :10.1007/s11274-024-04070-3. ISSN  1573-0972. PMC 11271434. PMID 39030303  . 
  10. ^ abc Routray W, Dave D, Cheema SK, Ramakrishnan VV, Pohling J (июнь 2019 г.). «Подход биопереработки и экологически чистая экстракция для устойчивого производства астаксантина из морских отходов». Критические обзоры в области биотехнологии . 39 (4): 469–488. doi :10.1080/07388551.2019.1573798. PMID  30939937.
  11. ^ Астаксантин получает полный статус GRAS. Nutraingredients-usa.com. Получено 25 апреля 2013 г.
  12. ^ ab «Краткое описание красящих добавок для использования в Соединенных Штатах в пищевых продуктах, лекарствах, косметике и медицинских приборах». Управление по контролю за продуктами и лекарствами . 4 марта 2022 г.См. Примечание 1.
  13. ^ E-номера: E100- E200 Пищевые красители. Food-Info.net. Получено 25 апреля 2013 г.
  14. ^ Безопасность и эффективность астаксантин-диметилдисукцината (Carophyll Stay-Pink 10%-CWS) для лососевых, ракообразных и других рыб. Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов. Получено 24 августа 2020 г.
  15. ^ Сводка по красящим добавкам для использования в Соединенных Штатах в пищевых продуктах, лекарствах, косметике и медицинских приборах. Fda.gov. Получено 16 января 2019 г.
  16. ^ Абд Эль-Гани МН, Хамди СА, Эльбаз РМ, Алуфи АС, Эль Сайед РР, Гонаим ГМ и др. (24 мая 2023 г.). «Разработка микробиологического процесса для улучшенного извлечения астаксантина из отходов экзоскелета краба». Ферментация . 9 (6): 505. doi : 10.3390/fermentation9060505 . ISSN  2311-5637.
  17. ^ ab Ambati RR, Phang SM, Ravi S, Aswathanarayana RG (январь 2014 г.). «Астаксантин: источники, извлечение, стабильность, биологическая активность и его коммерческое применение — обзор». Marine Drugs . 12 (1): 128–52. doi : 10.3390/md12010128 . PMC 3917265 . PMID  24402174. 
  18. ↑ Катевас, Дмитрий Склабос (6 октября 2003 г.). Криль. aquafeed.com
  19. ^ Barredo J, García-Estrada C, Kosalkova K, Barreiro C (30 июля 2017 г.). «Биосинтез астаксантина как основного каротиноида в гетеробазидиомицетовых дрожжах Xanthophyllomyces dendrorhous». Journal of Fungi . 3 (3): 44. doi : 10.3390/jof3030044 . ISSN  2309-608X. PMC 5715937 . PMID  29371561. 
  20. ^ Cooper RD, Davis JB, Leftwick AP, Price C, Weedon B (1975). «Каротиноиды и родственные соединения. XXXII. Синтез астаксантина, хоениксантина, гидроксиэхиненона и соответствующих диосфенолов». J. Chem. Soc. Perkin Trans . 1 (21): 2195–2204. doi :10.1039/p19750002195.
  21. ^ Elbahnaswy S, Elshopakey GE (февраль 2024 г.). «Последний прогресс в практическом применении потенциального каротиноида астаксантина в аквакультурной промышленности: обзор». Fish Physiology and Biochemistry . 50 (1): 97–126. doi :10.1007/s10695-022-01167-0. PMC 10927823 . PMID  36607534. 
  22. ^ Словарь промышленных химикатов Эшфорда, 3-е издание, 2011 г., стр. 984, ISBN 095226742X . 
  23. ^ Краузе, Вольфганг; Генрих, Клаус; Пауст, Иоахим; и др. Приготовление астаксантина. DE 19509955. 9, 18 марта 1995 г.
  24. ^ Scaife MA, Burja AM, Wright PC (2009). «Характеристика генов β-каротинкетолазы и гидроксилазы цианобактерий в Escherichia coli и их применение для биосинтеза астаксантина». Биотехнология и биоинженерия . 103 (5): 944–955. doi :10.1002/bit.22330. PMID  19365869. S2CID  10425589.
  25. ^ Scaife MA, Ma, CA, Ninlayarn, T, Wright, PC, Armenta, RE (22 мая 2012 г.). «Сравнительный анализ генов β-каротингидроксилазы для биосинтеза астаксантина». Journal of Natural Products . 75 (6): 1117–24. doi :10.1021/np300136t. PMID  22616944.
  26. ^ Lemuth K, Steuer, K, Albermann, C (26 апреля 2011 г.). «Инженерия штамма Escherichia coli без плазмиды для улучшения биосинтеза астаксантина in vivo». Microbial Cell Factories . 10 : 29. doi : 10.1186/1475-2859-10-29 . PMC 3111352. PMID  21521516 . 
  27. ^ Бьеркенг Б (1997). «Хроматографический анализ синтезированного астаксантина — удобный инструмент для эколога и судебного химика?». The Progressive Fish-Culturist . 59 (2): 129–140. doi :10.1577/1548-8640(1997)059<0129:caosaa>2.3.co;2. ISSN  0033-0779.
  28. ^ Stachowiak B, Szulc P (2 мая 2021 г.). «Астаксантин для пищевой промышленности». Molecules . 26 (9): 2666. doi : 10.3390/molecules26092666 . PMC 8125449 . PMID  34063189. Примечательно, что синтезированный в природе астаксантин встречается в транс-форме (3S, 3S), тогда как синтетический астаксантин представляет собой смесь двух оптических изомеров и мезо-формы в соотношении 1:2:1 (3R, 30R), (3R, 30S) и (3S, 30S). 
  29. ^ Rüfer CE, Moeseneder J, Briviba K, Rechkemmer G, Bub A (2008). «Биодоступность стереоизомеров астаксантина из дикого (Oncorhynchus spp.) и выращенного в аквакультуре (Salmo salar) лосося у здоровых мужчин: рандомизированное двойное слепое исследование». The British Journal of Nutrition . 99 (5): 1048–54. doi : 10.1017/s0007114507845521 . ISSN  0007-1145. PMID  17967218.
  30. ^ "Научное мнение о переоценке препаратов лютеина, отличных от лютеина с высокими концентрациями общих омыленных каротиноидов на уровне не менее 80%". Журнал EFSA . 9 (5): 2144. 2011. doi :10.2903/j.efsa.2011.2144. ISSN  1831-4732.
  31. ^ Ландрум Дж., Боун Р., Мендес В., Валенсиага А., Бабино Д. (2012). «Сравнение пищевых добавок с диацетатом лютеина и лютеином: пилотное исследование воздействия на сыворотку и макулярный пигмент». Акта Биохимика Полоника . 59 (1): 167–9. дои : 10.18388/abp.2012_2198 . ISSN  0001-527X. ПМИД  22428144.
  32. ^ Norkus EP, Norkus KL, Dharmarajan TS, Schierle J, Schalch W (2010). «Отклик сывороточного лютеина больше от свободного лютеина, чем от этерифицированного лютеина в течение 4 недель приема добавок у здоровых взрослых». Журнал Американского колледжа питания . 29 (6): 575–85. doi :10.1080/07315724.2010.10719896. ISSN  0731-5724. PMID  21677121. S2CID  5787962.
  33. ^ Shah MM, Liang Y, Cheng JJ, Daroch M (2016). «Астаксантин-продуцирующая зеленая микроводоросль Haematococcus pluvialis: от одиночной клетки до высокоценных коммерческих продуктов». Frontiers in Plant Science . 7 : 531. doi : 10.3389/fpls.2016.00531 . PMC 4848535. PMID  27200009 . 
  34. ^ Министерство рыболовства и океанов Канады – Вопросы аквакультуры. pac.dfo-mpo.gc.ca.
  35. ^ Хуан Ф. Мартин, Эдуардо Гудинья и Хосе Л. Барредо (20 февраля 2008 г.). «Преобразование β-каротина в астаксантин: два отдельных фермента или бифункциональный белок гидроксилаза-кетолазы?». Microbial Cell Factories . 7 : 3. doi : 10.1186/1475-2859-7-3 . PMC 2288588. PMID  18289382. 
  36. ^ «Дела о лососе, выращенном на фермах: частный иск о нарушении закона штата Калифорния не регулируется Законом о FDC». 2008. Получено 3 марта 2024 г.
  37. ^ "Пигменты в аквакультуре лосося: как вырастить лосося цвета лосося". Архивировано из оригинала 13 октября 2007 г. Получено 18 июля 2009 г.
  38. ^ Терк Д., Кнутсен Х.К., Кастенмиллер Дж., де Хено С., Хирш-Эрнст К.И., Кирни Дж. и др. (2020). «Безопасность астаксантина при его использовании в качестве нового продукта в пищевых добавках». Журнал EFSA . 18 (2): 4. doi :10.2903/j.efsa.2020.5993. ПМЦ 7448075 . ПМИД  32874213. 
  39. ^ Бегум С. и др. (2015). «О происхождении и изменении цветов в панцире лобстера». Физическая химия Химическая физика . 17 (26): 16723–16732. Bibcode : 2015PCCP...1716723B. doi : 10.1039/C4CP06124A . PMID  25797168.
  40. ^ См. 21 CFR 73.35, 73.50, 73.75, 73.200, 73.275, 73.295, 73.315 соответственно.
  41. ^ Свод федеральных правил, раздел 21 § 73.35. Решение FDA по астаксантину. Accessdata.fda.gov. Получено 25 апреля 2013 г.
  42. ^ Свод федеральных правил, раздел 21 § 73.185. Решение FDA по муке из водорослей Haematococcus. Accessdata.fda.gov. Получено 25 апреля 2013 г.
  43. ^ Список статуса пищевых добавок. fda.gov
  44. ^ Экстракт астаксантина. acnfp.food.gov.uk
  45. ^ Экстракт астаксантина: Cyanotech Corporation. acnfp.gov.uk
  46. ^ Экстракт астаксантина: Algatechnologies (1998) Ltd. acnfp.gov.uk
  47. ^ Экстракт астаксантина: Parry Nutraceuticals. acnfp.gov.uk