虾青素是存在于动物、植物、藻类等生物体中的一种抗氧化型类胡萝卜素，也是类胡萝卜素代谢的最终产物，化学名为3,3'-二羟基-4,4'-二酮基-β-胡萝卜素，分子式为C40H52O4[1]。目前市场上将虾青素作为水产养殖动物饵料添加剂，也有将虾青素制成虾青素产品——晶青素，对改善虹鳟鱼体色具有较好的效果[2]。虾青素在生物体内还可以发挥抗氧化能力，以天然虾青素效果更好[3]。合成生物学、酶工程和代谢工程提高了虾青素的生物合成[4]，为虾青素的广泛应用奠定了一定基础。虾青素在水产动物生产应用中，可以促进经济动物的着色、生长，增强其抗逆性等。因此，本文针对虾青素的生理功能论述其在水产动物饵料中的应用价值，为虾青素合理地应用于水产动物养殖中提供参考。1虾青素的合成1.1虾青素的生物合成虾青素的生物合成，即提取自动物、藻类和微生物体内[5]，尤其是虾[6]、蟹[7-8]、鱼类以及鸟类的羽毛或利用酵母培养生产天然虾青素[9]。天然虾青素主要来自水产品加工废弃物、红发夫酵母和雨生红球藻等。在使用法夫酵母生物合成虾青素的研究中发现，法夫酵母体内生物合成的类胡萝卜素是虾青素，其生产主要集中于酵母生产的对数期及后期[10]。虽然利用法夫酵母进行虾青素的生物合成是可行的，但运用该方法进行大规模的虾青素合成，还需进一步改善菌种、培养基、培养条件等生产需求[11]。1.2虾青素的化学合成由于天然虾青素产量较低，难以够满足商业需求，需要通过化学合成虾青素，在一定程度上提高了竞争优势[12]。目前，超过90%的虾青素是由罗氏和巴斯夫公司化学合成，罗氏公司与巴斯夫公司均为利用C9和C6合成子合成C15等一系列化学反应合成虾青素[13]。另一种化学合成虾青素的方法则是利用角黄素、叶黄素和玉米黄质等类胡萝卜素为原料合成虾青素。最常用的是以叶黄素为原料，在碱的催化下变成玉米黄质，以1,2-丙二醇作为反应溶剂，氢氧化钾为催化剂，110 ℃下反应168 h，使玉米黄质在碘和溴酸钠的作用下氧化为虾青素[14]。虾青素除了可以通过天然提取和化学合成而获得，还可利用细菌、原生动物及一些农作物体内的β-胡萝卜素作为前体物质，采用转基因技术将控制合成虾青素的酶转入到其他农作物中，但此方法仅用于试验研究[15]。2虾青素在生物体内的分布存在于不同动物种属及同种动物不同组织器官中的虾青素，其分布和存在形式各不相同，且不同形式虾青素的含量在其生长发育过程中并非恒定不变。虾青素在对虾卵巢发育至成熟可分为小生长期、大生长期和成熟期[16]。通过检测上述3个阶段的虾青素在肌肉、消化腺、卵巢及其他组织器官中的含量变化，发现只有成熟的卵巢是以游离虾青素为主，其他部位主要是酯化虾青素；而且在卵巢发育过程中二酯和单酯虾青素含量仅有轻微变化，游离虾青素含量急剧增加，说明虾青素对卵和幼体的生长发育具有重要作用[17]。有研究发现，雨生红球藻沉积的虾青素呈现为全反式3S, 3'S构型，常与C16、C18或C20脂肪酸酯形成虾青素酯，构成稳定结构。在该结构中，多数主要为虾青素单酯，占比75%，虾青素二酯约20%，游离虾青素仅有5%[18]。根据对雨生红球藻中虾青素积累条件的研究，当硝酸钠含量0.15 g/L、醋酸钠含量1.5 g/L、氯化钠含量0.1%时为雨生红球藻积累虾青素的最佳条件，也是其胁迫的最佳条件。延长胁迫时间，叶绿素含量随之降低，导致虾青素不断积累[19]。虾青素在植物体内存在，夏侧金盏花中具有较高含量的虾青素，可以通过有机溶剂萃取的方式提取粗提物，再将粗提物进行分离、提纯等过程，所得到的虾青素含量占干花重的0.513%[20]。3虾青素的代谢虾青素是一种酮基式类胡萝卜素，β-胡萝卜素酮化酶基因bkt是其合成的关键酶基因之一[21]。经研究，虾青素在微生物中以β-胡萝卜素为底物，在β-胡萝卜素羟化酶和β-胡萝卜素酮化酶作用下，最终氧化形成虾青素[22]。在以金鱼为对象的研究中，玉米黄质通过氧化易代谢为虾青素，角黄素则不太明显[23]。生物体内虾青素的代谢过程分为两个阶段，即β-胡萝卜素的合成以及β-胡萝卜素氧化和羟基化形成虾青素[24]。代谢途径不仅受生物种类差异的影响，也会因环境的改变而变化。虾青素的代谢途径也可发生于植物体内，将编码雨生红球藻β-胡萝卜素酮基酶CrtO基因中的cDNA导入烟草植株，使烟草植株积累的虾青素由黄色转变为具有重要经济价值的红色虾青素[25]。4虾青素的生理功能虾青素的生理功能主要表现在以下几方面：虾青素对自由基和单线态氧等活性氧物质有很强的清除和淬灭作用，活性类型与维生素E相似，且活性高于维生素E。虾青素对凡纳滨对虾的生长、存活和环境抗逆性等均具有积极的影响。在一定范围内，凡纳滨对虾存活率随着膳食中虾青素水平的升高而提升，但虾青素水平高于正常范围则会降低凡纳滨对虾的存活率，200 mg/kg是临界水平。但在生长性能方面，不同虾青素水平间差异不显著。虾青素可以提高虾对环境胁迫的耐受力，尤其在低氧条件下可作为细胞内氧供应的来源，进而提高虾的存活率[26]。饵料中添加90 mg/kg虾青素时可显著提高成体雌蟹头胸甲、肝胰腺以及卵巢中的类胡萝卜素含量，改善色泽和抗氧化能力[27]。Hansen等[28]发现，在鳕鱼饵料中补充虾青素可以提高卵子的受精成活率和幼鱼存活率。鲤鱼的饲喂试验结果也表明，饵料中较高水平的虾青素可改善亲鱼的性腺指数，促进营养物质生成[29]。5虾青素在水产动物饵料中的应用价值水生生物体内含有多种色素，可能是消费者选择的重要特征。类胡萝卜素是水生生物中存在的主要色素种类，不仅在着色方面发挥重要作用，在动物的生长、繁殖方面也具有一定的作用[30]。虾青素也是其中一种色素，因其独特的抗氧化性，可将虾青素作为一种饵料添加剂饲喂水产动物[31]，使水产动物获得足够且均衡的营养元素以提高水产动物的抗病力，提高动物的存活率，并通过代谢过程改变身体着色。5.1良好的着色剂虾青素作为一种功能性色素，具有极强的色素沉积能力，对甲壳类动物、观赏鱼类等具有很好的着色作用，缺乏虾青素会使动物呈现不正常的体色，影响其经济价值，降低养殖效益。为提高水产动物的观赏价值，学者们在饵料中添加虾青素改善其固有体色，使其接近商业标准颜色[32]。在对比天然虾青素与合成虾青素对两种不同品种背脊白虾的影响时，饵料中添加虾青素可以显著提高野生与新品种背脊白虾体色中的红色和黄色色素含量[33]。研究发现，在大鳞副泥鳅的饵料中添加150 mg/kg虾青素能够提高其终末体重、平均增重率及特定生长率，提高大鳞副泥鳅皮肤组织中类胡萝卜素含量，降低黑色素含量[34]。虾青素具有脂溶性，水产养殖动物对其吸收利用程度明显优于其他类胡萝卜素。于孝东等[35]研究表明，分别向试验动物饲喂含有角黄素和虾青素饵料时，少量虾青素能够达到与角黄素相同的着色效果。研究发现，在饵料中添加30~60 mg/kg的虾青素可以促进三疣梭子蟹个体着色，提高其食用营养价值与经济价值[26]。有研究发现，当天然虾青素添加量为150 mg/kg时，棘颊雀鲷红度值显著高于其他各组；结果表明，在饵料中添加天然虾青素可改善棘颊雀鲷的体色[36]。5.2提高免疫功能作为非营养性饵料添加剂，虾青素能够提高溶菌酶、补体的活性和非特异性免疫反应中一些细胞因子的毒性[37]。虾青素在防治鱼、虾、蟹的疾病方面具有显著作用，可提高养殖动物的免疫力、成活率，是影响水产养殖动物正常生长和健康养殖、提高存活率及繁殖率的重要因素[38]。Chen等[39]探究亚洲鲈饵料中虾青素的添加对溶藻弧菌的抗病性，结果表明，在感染溶藻弧菌各个阶段的亚洲鲈饵料中添加虾青素可显著改善感染后的血液生化指标，改善免疫防御机制。在高脂饵料中添加虾青素对鲳鲹幼鱼的抗炎症的影响试验中，饵料中添加500 mg/kg虾青素可降低肝脏脂质积累，提高鲳鲹幼鱼的抗氧化性、抗炎症能力等免疫力，降低高脂饵料对卵形鲳鲹幼鱼免疫系统的不利影响[40]。在以鲫鱼为研究对象的试验中，饵料中添加400 mg/kg虾青素为最佳剂量，可以作为鲫鱼的膳食补充剂，提高机体免疫力[41]。在饵料中添加80~320 mg/kg虾青素可以促进河豚生长，提高机体非特异性反应和抗氧化能力。在虾青素对微囊藻毒素MC-LR胁迫下克氏原螯虾免疫力的影响的相关试验中，胁迫试验组添加虾青素可提高克氏原螯虾肝脏中超氧化物歧化酶的活力，增强免疫功能[42]；且由于虾青素的抗氧化性可缓解MC-LR诱导的氧化应激，使克氏原螯虾的免疫活性提高[43]。随着养殖模式向集约化发展，水产动物摄入的营养物质不足，最终导致疾病发生[44]。2007年，有学者在对白化的中华绒螯蟹进行病理切片观察时发现，此种白化现象并非生物性疾病，而是由营养不良与运输途中缺氧造成[45]。饲养中华绒螯蟹幼体过程中，探究饵料中添加虾青素和角黄素对幼蟹的影响，结果显示，饵料添加50 mg/kg虾青素＋50 mg/kg角黄素能够显著提高中华绒螯蟹幼蟹肝胰脏总抗氧化能力与超氧化物歧化酶的活性，多方面提高抗氧化性，提高机体的免疫功能[46]。因此，在水产动物饵料中添加适量的虾青素能够帮助提升体内的抗病力与抗氧化能力。虾青素的强抗氧化性也为鱼虾的保存和运输提供了极大的便利，减少鱼虾因缺氧而造成的损失，保证经济效益。有研究表明，虾青素可以增强小鼠预防肠道黏膜损伤的能力，为保持肠黏膜屏障提供新的保护措施，对于虾青素维持机体免疫功能具有重要意义[47]。5.3提高生产性能虾青素具有超强的抗氧化性，无论是天然虾青素还是合成虾青素应用于水产动物饵料中均可提高水产动物的生产性能，提高经济效益以及观赏价值。近年来，已有关于虾青素在水产动物饵料中的应用及其提高其存活率、改善体色、改善其生产性能等应用价值方面的研究[48]。研究表明，饵料中添加合成虾青素90 mg/kg可以显著提高成体雌蟹头胸甲、肝胰腺以及卵巢中的类胡萝卜素总量、色泽和抗氧化能力[49]。鲤鱼的饲喂试验结果表明，饵料中较高水平的虾青素可以改善亲鱼的性腺指数，促进营养物质的生成。席峰[50]研究发现，当试验组虾青素的添加量为100和150 mg/kg时，大黄鱼受精率明显高于试验组50 mg/kg。研究表明，天然虾青素添加量为50~150 mg/kg时，对棘颊雀鲷的生长性能有促进作用。因此，在水产动物饵料中添加适宜量的虾青素可显著提高自身的生产性能。6结论虾青素是类胡萝卜素中一种具有超强抗氧化性的色素，多种水产生物本身无法合成虾青素，需在饵料中添加适量的虾青素满足机体的代谢过程，可提高生产性能，改善机体免疫功能，改变动物机体内色素的代谢途径，使其更好地着色，提升水产生物的经济及观赏价值。目前，虾青素不仅广泛应用于水产生物饵料中，还可作为一种饲料添加剂应用于畜禽饲料，有效提高畜牧与水产养殖行业的经济效益。