Как извлечь астаксантин из отходов переработки ракообразных?

 Его биологическая активность в основном заключается в профилактике атеросклероза, противораковой активности, укреплении иммунитета, поддержании здоровья центральной нервной системы и т.д. Он может использоваться как высокоуровневый продукт питания и здравоохранения для человека, фармацевтический продукт и кормовая добавка для водных продуктов, скота и птицы, а аквакультура, в частности, всегда была крупнейшим рынком для астаксантина. Астаксантин имеет розовый цвет, нерастворим в воде, липофилен, растворим в органических растворителях, таких как ацетон, хлороформ, петролейный эфир, этанол и т.д. Он широко распространен в живых организмах, особенно в водных животных, таких как креветки, крабы и рыба. Важно изучить экономически целесообразные методы извлечения астаксантина для комплексного использования отходов переработки ракообразных[1-2] .

 

1 Метод экстракции астаксантина

Экстракция и извлечение астаксантина из отходов переработки ракообразных является одним из основных способов производства астаксантина, об этом отечественные и международные имеют долгую историю исследований, в настоящее время используется в астаксантина экстракции основных четырех методов: щелочной экстракции, маслорастворимый метод, органические растворители и сверхкритический метод экстракции CO2 жидкости

 

1.1 Щелочная экстракция

Щелочной метод экстракции в основном основан на принципе депротеинизации щелочью, большая часть астаксантина в отходах переработки ракообразных связана с белками, в виде пигмент-связывающих белков, когда отходы кипятят с горячей щелочью, белки в них растворяются и астаксантин, связанный с белками, также растворяется, таким образом, достигается цель извлечения астаксантина.

Впервые этот метод был описан в патенте Микалсена: панцири креветок помещали в кипящий щелочной раствор для растворения астаксантина, затем астаксантин осаждали кислотой или охлаждали для отделения астаксантина [3]. Аналогичным образом Динг Чунмей и др. сначала вымачивали панцири омаров в 1 ммоль/л HCl в течение 24 ч, затем подвергали их рефлюксу с 2 ммоль/л NaOH в течение 10 ч. После фильтрации фильтрата доводили pH раствора до 2 с помощью кислоты для анализа осадков [4]. Затем осадок отфильтровывали, чтобы получить экстракт, богатый астаксантином [4]. Процесс щелочной экстракции требует большого количества кислоты и щелочи, а загрязнение сточных вод при переработке также является трудноразрешимой проблемой. Поэтому в последние годы было проведено мало исследований по щелочной экстракции.

 

1.2 Маслорастворимый метод

Астаксантин обладает хорошей растворимостью в жирах, что используется в методе солюбилизации масла. Жиры и масла, используемые в этом методе, в основном представляют собой пищевые масла, наиболее распространенным из которых является масло соевых бобов, а также рыбий жир, такой как жир щуки, сельди, печени трески и т.д.

Чен и Майерс и др., извлекавшие астаксантин из раков, пришли к выводу, что не было существенной разницы в эффективности экстракции при соотношении масла и сырья от 1 : 10 до 1 : 1, но эффективность стала снижаться при увеличении соотношения до 1 : 1 [5], тогда как Спинелл и Махнлм, использовавшие масло соевых бобов для обработки панцирей красного краба, пришли к выводу, что соотношение масла и сырья 1 : 9 является оптимальным, а трехступенчатый метод противоточной экстракции более эффективен [6]. Спинелл и Махнлм пришли к выводу, что оптимальным является соотношение масла 1:9, а трехступенчатая противоточная экстракция более эффективна [6].

 

Омара и др. обнаружили, что соевое масло было значительно эффективнее, чем рыбий жир и сельдевый жир в том же процессе [7] Шахиди и др. исследовали масло печени трески в качестве экстрагента и обнаружили, что извлечение астаксантина достигало 74% при экстрагировании при 60C в течение 0,5 ч при соотношении масла и корма 2:1 (В/В) [8].

Температура экстракции масла обычно высокая, обычно в диапазоне 60~90°C. Высокая температура экстракции влияет на стабильность астаксантина.   Более высокие температуры во время экстракции влияют на стабильность астаксантина, а пигментированное масло нелегко концентрировать после экстракции, и концентрация продукта невелика, что ограничивает сферу применения.

 

1.3 Метод органических растворителей

Органические растворители являются эффективным реагентом для экстракции астаксантина, как правило, после экстракции растворитель может быть испарен, так что концентрация астаксантина, чтобы получить большую концентрацию астаксантина масло, в то время как растворитель также может быть восстановлен для переработки Общие растворители являются ацетон, этанол, этиловый эфир, петролейный эфир, хлороформ, н-гексан и т.д. Различные растворители имеют различные эффекты экстракции в исследовании обнаружили, что ацетон имеет лучший эффект экстракции в то время как этанол является худшим и от поглощения экстракции жидкости Из спектра поглощения экстракта, различные экстрагенты экстрагировали  Органический растворитель экстракции могут быть извлечены путем выщелачивания и рефлюкс экстракции методы, но данные сообщается больше в основном выщелачивания метод.

 

Альварес и др. исследовали экстракцию астаксантина из сублимированных отходов креветочных панцирей ацетоном, выход может достигать 129,5 мг/г панциря [9]; Мики и др. описали экстракцию астаксантина из чешуйчатой креветочной муки гексаном; Мейерс и др. исследовали, что петролейный эфир: ацетон : вода в соотношении 15 : 75 : 10 смешанной экстракции растворителем эффект лучше [6] Однако, такие как ацетон и другие органические растворители, низкая температура кипения, летучие и токсичные, есть проблемы безопасности и здоровья в процессе. Однако, такие органические растворители, как ацетон, низкая температура кипения, легко летучие и имеют определенную степень токсичности, есть проблемы безопасности и здоровья в процессе обработки в практическом применении определенных ограничений.

 

В настоящее время считается, что этанол является безопасным экстрагентом. Дин Чуньмэй и др. описали процесс экстракции астаксантина этанолом: сначала панцири креветок замачивали в соляной кислоте на 24 ч. После фильтрации фильтрат замачивали в 95% этаноле и экстрагированную жидкость перегоняли для получения концентрированного сырого экстракта астаксантина[4] Также Сьонг Хангуо и др. использовали этанол в качестве растворителя, оптимальными условиями экстракции были концентрация этанола 95% и температура 70 °C в течение 0,5 ч. В это время сырой экстракт мог содержать до 4,92% экстрагированного астаксантина[10] . В этом случае содержание астаксантина в сыром экстракте составляло до 4,92%[10] . Селия и др. сообщили об использовании для экстракции астаксантина карбонатных соединений, имеющих структуру R1CO2R2, где R1 - H или алкил, R2 - алкил, а R1, R2 могут быть одинаковыми, и извлекли 392 мг астаксантина из 2,13 кг панцирей креветок с помощью этилацетата[11] .

 

1.4 Метод сверхкритической экстракции CO2

Сверхкритическая флюидная экстракция (СКФЭ) - это разработанная в последние годы технология, которая привлекает все большее внимание благодаря таким преимуществам, как высокая чистота, низкий остаток растворителя, отсутствие побочных токсичных эффектов экстрагированных продуктов и т.д. В патенте Tsunco et al. сообщается, что при использовании сверхкритического CO2 было получено 13,4 г экстракта (концентрация астаксантина 8,331%) из 6 кг панцирей антарктических чешуйчатых креветок [12]; Koichi et al. сообщают аналогичные результаты и получают высокую концентрацию пигментов методом сверхкритического противоточного рефлюкса [13]. Koichi et al. сообщили о схожих результатах и получили высокую концентрацию пигмента методом сверхкритического противоточного рефлюкса [13]. Felix et al. обнаружили, что этанол является хорошим экстрагентом для сверхкритической CO2-экстракции, а оптимальные условия работы составляют 34 МПа и 45 °C с помощью анализа поверхности отклика [14]. Шарест обнаружил, что степень извлечения астаксантина из панцирей омаров достигает 207,6 мг/кг при давлении 31,8 МПа и температуре 60 [15]. Технология сверхкритической экстракции позволяет получать высококачественные продукты, но из-за больших первоначальных инвестиций в оборудование, требований к технологии производства, в настоящее время использование в крупномасштабном промышленном производстве все еще представляет определенные трудности

 

2 Процессы, повышающие эффективность извлечения астаксантина

Сообщается, что астаксантин в креветочных панцирях находится в различных состояниях связи, например, с белками, кальцием, хитином и т.д. Поэтому степень связи влияет на извлечение астаксантина, особенно на пигментацию креветочных панцирей. Было установлено, что даже самые эффективные растворители очень трудно растворяют астаксантин, а также размер частиц креветочных панцирей, окислительно-восстановительная реакция среды и так далее влияют на конечное извлечение астаксантина. Изучение этих условий крайне необходимо.

 

2.1 Физическая обработка

Панцири креветок часто механически измельчают перед экстракцией, чтобы увеличить площадь контакта между растворителем и панцирями для повышения эффективности экстракции Чэнь и другие технологии работы с панцирями креветок и другими отходами могут не только повысить степень извлечения астаксантина. Было обнаружено, что при изменении размера частиц с 5 мм до 2 мм степень извлечения увеличилась на 40%[5] Распространенными методами измельчения являются тканевое пюре, измельчение, двухшнековая экструзия, ультразвуковые волны и т.д. Поскольку процесс измельчения и экструзии является механическим, легко возникает высокая температура на месте, что очень неблагоприятно для температуры астаксантина, и очень легко вызвать потерю астаксантина при окислении. Поэтому сырье обычно сначала охлаждают или замораживают перед обработкой.

Ультразвук действует в основном за счет образования и разрушения мелких пузырьков в растворителе, генерируя ударные волны, тем самым эффективно разрушая ткани креветочного панциря за короткий промежуток времени для достижения цели эффективного извлечения астаксантина. В целом, интенсивность ультразвука и время его действия прямо пропорциональны эффективности экстракции [16].

 

2.2 Закисление

Некоторые пигменты на панцирях креветок прочно связаны с карбонатом кальция, поэтому извлечь эту часть астаксантина можно только путем удаления кальция и декальцинации панцирей для уменьшения связывания астаксантина с кальцием, что повышает степень извлечения астаксантина. Для удаления накипи можно использовать различные кислоты, но неорганические кислоты очень коррозийны, и если их добавить слишком много, то потом будет трудно их утилизировать. Рекомендуется использовать органические кислоты, такие как муравьиная, уксусная и пропионовая, которые широко применяются. Норвежская рыбная промышленность сообщила о повышении урожайности примерно на 10 % после обработки силоса [2].

 

2.3 Температура экстракции и антиоксиданты

Температура экстракции очень важна для эффективности экстракции, скорость экстракции увеличивается, но в то же время увеличивается скорость окисления астаксантина, что является противоречивым процессом. Это противоречивый процесс. Было установлено, что наиболее быстрая потеря окисления происходит, когда температура достигает около 70℃ или выше, поэтому температуру выше 70℃ следует избегать как можно больше во время процесса, и время обработки должно быть сокращено как можно больше, и добавление антиоксидантов в процессе будет играть очень хорошую роль в защите астаксантина, и обычно используемые антиоксиданты являются BHA, BHT, этоксихин, и VE, и т.д. Чен и др. добавил этоксихин в экстракции астаксантина из горячего масла, и обнаружили, что восстановление астаксантина значительно увеличилось с добавлением этоксихина. Чен добавил этоксихин в экстракцию астаксантина из горячего масла и обнаружил, что восстановление астаксантина значительно увеличилось после добавления этоксихина, причем восстановление увеличивалось с увеличением дозы антиоксиданта в определенном диапазоне [5]. Чанху Сюэ и др. обнаружили, что VE может ингибировать окисление астаксантина в процессе экстракции, причем эффект был еще более выраженным с увеличением температуры экстракции [17].

 

Вакуумирование и промывка азотом могут быть использованы для защиты астаксантина, что может изолировать астаксантин от кислорода и уменьшить окисление, тем самым улучшая скорость восстановления Чен и др. обнаружили, что вакуумирование может немного увеличить скорость восстановления астаксантина, что может быть в основном из-за снижения окисления. Кроме того, астаксантин очень неустойчив на солнечном свете, и процесс должен быть защищен от света, что также было описано в исследовании Чена и др. Кроме того, астаксантин очень нестабилен под воздействием солнечного света, и при обработке его следует защищать от света, что также было описано в исследовании Chen et al.

 

2.4 Прикладная биотехнология

Биотехнология в настоящее время является широко используемой технологией, использование биотехнологии обработки креветочных панцирей и других отходов может не только улучшить скорость восстановления астаксантина, но и восстановление белков, чтобы уменьшить загрязнение, вызванное химической де-протеинизацией, охрана окружающей среды и высокая эффективность.

 

2.4.1 Применение ферментов  

В отношении астаксантина, связанного с белками в отходах креветок и крабов, было проведено множество исследований по использованию протеаз для гидролиза белков креветок, чтобы разрушить связывание пигмента с белками и повысить степень извлечения пигмента.  Обычно используются такие ферменты, как некоторые грибковые протеазы, бактериальные протеазы, папаин и т.д. В патентах Цунео и Коичи протеазы применялись для обработки отходов антарктических чешуйчатых креветок с целью повышения скорости извлечения в последующем процессе сверхкритической экстракции[11-12]. Кано и др. добавили очищенный трипсин трески к отходам креветок при 4℃, 0,5моль/л раствора ЭДТА и рН7,7. Восстановление астаксантина увеличилось с 35% до примерно 75% после 50 ч реакции[18] . Ким и др. обрабатывали отходы антарктической чешуйчатой креветки в аналогичных условиях, и восстановление астаксантина достигло 74%. Ту-Я и др. гидролизовали панцири омаров бычьим трипсином, и гидролизат был высушен в вакууме, чтобы получить порошкообразный продукт с содержанием астаксантина 295 мг/кг[19] . Чен и др. использовали Milezyme 8X для предварительной обработки креветочных отходов и увеличили скорость высвобождения астаксантина на 58 %[4] . Гильдберг и Гарсия и др. исследовали фермент алькалазу отдельно.

 

Помимо протеаз, другие ферменты также эффективны при экстракции астаксантина, а Нильсен и др. в своих патентах сообщили, что липазы (например, липаза и фосфолипаза) могут способствовать экстракции астаксантина[20]. Некоторые исследователи считают, что α-амилаза и целлюлаза могут разъединить связывание хитина и астаксантина, что может быть полезно для экстракции пигмента, но результаты Чена и др. противоречат результатам их исследований, что может быть связано с реакцией α-амилазы при высокой температуре 70%, что приводит к окислению астаксантина[4]. Однако Чен и др. показали противоположный результат, который может быть связан с окислением астаксантина α-амилазой при высокой температуре 70°C.[4] Различные ферменты часто синергичны друг с другом, и выбор подходящих ферментов может быть синергичным в определенной степени.     Армента и др. сравнили эффект смеси ферментов с эффектом одного фермента и обнаружили, что извлечение астаксантина из смеси четырех коммерчески доступных ферментов было значительно выше, чем из одного фермента[21] .

 

2.4.2 Микробная ферментация  

Отходы ракообразных богаты белком и могут быть использованы в качестве питательной среды для микроорганизмов. Зарубежные исследования показали, что использование ферментации молочнокислых бактерий для предварительной обработки сырья будет играть хорошую роль в стабилизации астаксантина Armenta et al. обнаружили, что скорость восстановления астаксантина была увеличена примерно на 30% в креветочных отходах, ферментированных в полутвердой среде, по сравнению с неферментированной средой. Эффект ферментации молочнокислых бактерий может быть в основном в трех аспектах: (1) производство молочной кислоты приводит к увеличению ионов водорода в системе, что усиливает восстановительные свойства системы и препятствует окислению астаксантина; (2) декальцинация кислоты облегчает окисление астаксантина с помощью кислоты; (3) декальцинация кислоты облегчает окисление астаксантина с помощью кислоты. (1) производство молочной кислоты увеличивает количество ионов водорода в системе, что повышает восстанавливаемость системы и препятствует окислению астаксантина; (2) декальцинация кислоты способствует диссоциации астаксантина от кальция; (3) производство различных ферментов (в основном протеаз) лактобациллами в процессе ферментации способствует гидролизу белков и, таким образом, улучшает скорость извлечения астаксантина [21-22]. Из вышеизложенного видно, что молочнокислое брожение на самом деле является идеальным сочетанием различных методов для улучшения извлечения астаксантина с различных точек зрения, но, судя по имеющимся данным, обычно наблюдается длительное время брожения и медленное производство кислоты, а исследования все еще находятся на экспериментальной стадии, и все еще существует необходимость в дальнейших исследованиях микробного брожения для достижения реальной промышленной реализации.

 

3 Перспектива

С развитием китайской аквакультуры в последние годы, китайская индустрия переработки аквакультуры также быстро растет, масштаб переработки ракообразных становится все больше и больше, так что отходы переработки являются относительно концентрированными и свежесть сырья становится все выше и выше, так что комплексное использование отходов возможно В настоящее время, мы в основном используем эти отходы для производства хитина, а белки сбрасываются в виде сточных вод после щелочной обработки, что приводит к загрязнению окружающей среды и потери белка и астаксантина и других важных ресурсов. Поэтому, сочетая вышеуказанные характеристики различных процессов извлечения астаксантина, исследования по производству хитина, а также восстановление белков и астаксантина и подходит для промышленного производства комплексного использования технологических маршрутов, то есть производство богатых астаксантином креветочных белковых экстрактов, что позволит улучшить комплексное использование технического уровня и экономической выгоды, будет иметь широкую перспективу.

 

Ссылки.

[1] Вэй Дун, Янь Сяоцзюнь - Супер антиоксидантная активность натурального астаксантина и его применение [J] - Китайские морские препараты, 2001(4): 45-50

[2] Shi Anhui, Xiao Haijie - Современный прогресс исследований астаксантина в стране и за рубежом[J]. Прогресс в биоинженерии, 1999, 19(1): 29-31

[3] Микалсен. Процедура получения астаксантина и родственных каротиноидов, эфиров астаксантина, хитина, белков и мяса из растений, водорослей, бактерий, криля, креветок и других раков и ракообразных [П]. Способ получения астаксантина и родственных каротиноидов, эфиров астаксантина, хитина, белков и мяса из растений, водорослей, бактерий, криля, креветок и других раков и ракообразных[P].  PCT-International-Patent-Application, WO90/05765AL, NO885150, 1988-11-18

[4] DING Chunmei, TAO Tingxian, WU Zhichuan - Комплексное использование панцирей омаров (I) Извлечение красного пигмента из панцирей креветок и его свойства[J] - Chemistry World, 1995(8): 444-445 434

[5] Chen Huei-mei , Meyers S P. Извлечение пигмента астаксантина из отходов раков с использованием процесса получения соевого масла[J]. J Food Sci, 1982, 47:892-897

[6] Zhu Yifeng.  Технология извлечения каротиноидов из ракообразных в качестве красителей для рыбных кормов[J].  Вестник морских озер и болот, 2000(2): 21-27

[7] Omara-Alwala T R , Chen Hui-mei Yoshihito Ito , et al. Carotenoid pigment and fatty acid analyses of crawfish oil extracts [J]. J Agric Food Chem, 1985, 33:260-263

[8] ShadihiF, Synowiecki J. Isolation and characterization of nutrients and value-added products from snow crab (Chinoecetes opilip) and shrimp ( Pandalus borealis) при переработке отходов[J].   J Agric Food Chem, 1991, 39:1527-1532

[9] Alvarez G, Pedro I, Contreras V, et al. Методы извлечения и идентификации пигментов из остатков антарктического криля [J].  Contrib Cient Tecnol (Spanish), 1990, 20(89): 5-8

[10] Xiong H G, Tan J, Zhang X B. Рециклинг пигментов и белков в производстве хитина [J].   Переработка пигментов и белков в производстве хитина [J].  Загрязнение окружающей среды и профилактика, 2002 , 24(1) : 59-61

[11] Селия Джованни. Экстракция астаксантина [П].  Eur Pat Appl, EP: 77583 A2, 1983-04-27

[12] Tsuneo T, Yoko S, Koichi T, et al. Извлечение красителя из криля [P]. Jpn Kokai Tokkyo Koho JP: 04057853 A2, 1992-02-25

[13] Koichi T, Kayoko M, Toshifumi T, et al. Экстракция и разделение красителей астаксантина из панциря криля [P]. Jpn Kokai Tokkyo Koho JP: 06200179 A2, 1994-06-19

[14] Felix V L, Higuera C I, Goycoolea V F. Сверхкритическая экстракция CO2/этанолом астаксантина из отходов панциря синего краба (Callinectes sapidus)[J].  J Food Process Eng, 2001, 24(2):101-112

[15] Charest D J, Balaban M O, Marshall M R, et al. Экстракция астаксантина из раковых панцирей сверхкритическим CO2 с этанолом в качестве растворителя[J].   J Aquatic Food Product Tech, 2001, 10(3):79-93

[16] Huang Jian , Liu Jianguo . Анализ и определение каротиноидов[J].   Журнал Циндаоского института химического машиностроения, 2001, 22(3): 223-227

[17] Xue Changhu, Li Samarium, Xu Damei, et al.  Исследование экстракции астаксантина из головы креветки[J].  Chinese Marine Drugs, 1993 4: 39-42, 25

[18] Cano-lopez A, Simpson B K, Haard N F. Экстракция хрящевого белка из отходов креветочного производства с помощью трипсина из атлантической трески [J].  J Food Sci, 1987, 52(2):503-504, 506

[19] Tu Y, Simpson B K, Ramaswamy H. Carotenoproteins from lobster waste as a potential feed supplement for cultured salmonids [J].Food Biotech, 1991, 5( 2):87-93

[20] Нильсен Пер Мунк. Методы обработки материала ракообразных [П].  PCT Int Appl: WO 2002000908 A2, 2002-01-03

[21] Armenta L R, Guerrero L I, Huerta S. Извлечение астаксантина из отходов креветок путем молочной ферментации и ферментативного гидролиза каротинопротеинового комплекса[J]. J Food Chem, 2002, 67(3):1002-1006

[22] Cremades O, Ponce E, Corpas R, et al. Переработка раков (Procambarus clarkia) для получения каротинопротеинов и хитина[J].  J Agric Food Chem, 2001, 49: 5468-5472

 

Как извлечь астаксантин из дрожжей Red Fife?

 Астаксантин, также известный как астаксантин, представляет собой кетокаротиноид, окисленный из β-каротина, с молекулярной формулой C40H52O4 и химическим названием 3,3′-дигидрокси-4,4′-дикето-β′-каротин. β′-каротин растворим в жирах [1] и может быть растворим в большинстве органических реагентов, таких как ацетон, хлороформ, этанол и большинство эфиров [2], но нерастворим в воде. Он нерастворим в воде и имеет темно-красный цвет. Астаксантин обладает сильными антиоксидантными, противовоспалительными, противораковыми, антивозрастными, иммуноукрепляющими и красящими свойствами и имеет широкий спектр применения в пищевой, фармацевтической, кормовой и косметической промышленности [3].

 

Астаксантин производится в основном химическим и биологическим путем. Существует две основные конформации химически полученного астаксантина: 3S,3′R и 3R,3′S, и две конформации биологически полученного астаксантина: 3R,3′R, выделенный из дрожжей Saccharomyces cerevisiae (рис. 1), и 3S,3′S, выделенный из красной водоросли Rhodococcus pyrenoidus (рис. 5).

 

По данным GVR, около 95% астаксантина на рынке синтезируется химическим путем [6], однако химический синтез астаксантина занимает много времени, сложен и приводит к образованию большого количества побочных продуктов [7], поэтому люди предпочитают использовать натуральный синтетический астаксантин [8]. В последние годы рыночная стоимость натурального астаксантина растет, и мировой рынок астаксантина оценивается в 2,83 млрд долларов США к 2024 году [6].

 

Биосинтезированный астаксантин в основном получают из Rhodococcus rainieri [9] и Saccharomyces cerevisiae [10]. Из-за суровых условий произрастания, жестких требований к освещенности территории выращивания и высоких требований к качеству воды для культивирования Rhodococcus aureus в Китае подходят только Юньнань и Шаньдун, что приводит к тому, что общий объем производства астаксантина из Rhodococcus aureus невысок, а загрязнение окружающей среды является серьезным [11]. В последние годы популярным микроорганизмом для производства астаксантина стали дрожжи красной фифы. Дрожжи Red Fife - это дрожжи природного происхождения, продуцирующие астаксантин, похожие на Saccharomyces cerevisiae, которые способны к различным мутациям и генетической модификации, а также способны к высокоплотной ферментации для получения большого количества астаксантина природного происхождения, что делает их перспективным микроорганизмом для производства астаксантина [12]. Процесс производства астаксантина показан на рис. 2, однако процесс экстракции астаксантина из дрожжей Red Fife является важным фактором, ограничивающим его востребованность на рынке. В связи с этим в данной статье описывается ход процесса разрушения стенок и экстракции астаксантина из Saccharomyces cerevisiae с целью создания справочной информации для последующих исследований по экстракции астаксантина из Saccharomyces cerevisiae.

 

1 Разведение дрожжей Red Fife

Клеточная стенка Saccharomyces cerevisiae толще, чем у Saccharomyces cerevisiae, а астаксантин находится в клеточной мембране, поэтому для извлечения астаксантина необходимо сначала разрушить клеточную стенку. Обычно для разрушения клеточной стенки используются физические, химические, биологические и комбинированные методы.

 

1.1 Физическое разрушение

Физический метод разрушения стенок в основном заключается в механической вибрации или трении для разрушения клеточной стенки дрожжей красной фифы, этот метод прост и легко реализуем, имеет низкую стоимость, но в процессе разрушения стенок может выделяться большое количество тепла, что приводит к медленной деградации астаксантина, поэтому необходимо охлаждение в процессе разрушения стенок. Гогате и другие [13] использовали 3 моль/л молочной кислоты в качестве среды, этанол в качестве экстракционного растворителя, и разрушали стенки в течение 15 мин при условии ультразвуковой мощности 80 Вт, рабочий цикл 60%. GOGATE и др. [13] использовали 3 моль/л молочной кислоты в качестве среды и этанол в качестве экстракционного растворителя, и экстрагированный астаксантин был разбит при ультразвуковой мощности 80 Вт и рабочем цикле 60% в течение 15 мин, а степень извлечения астаксантина достигла 90%. Низкочастотный резонанс (НЧР) - это новый и экологичный метод физического разрушения, и некоторые исследователи обнаружили, что степень разрушения составляет 99,9% при резонансной частоте 35 Гц и времени резонанса 75 минут [15]. Кроме того, срезание стеклянных шариков также является экологичным и эффективным методом разрушения стенок. Чен и др. [16] использовали стеклянные шарики с размером частиц 1 мм для измельчения красных дрожжей Fife и обнаружили, что степень извлечения астаксантина составила 65 % при соотношении жидкости и материала 20:1 (L:g), дозировке стеклянных шариков 200 г/л (стеклянные шарики:ферментационный бульон) и времени измельчения 6 ч. Результаты этого исследования приведены в таблице ниже.

 

1.2 Химическая разбивка

Химическое разрушение - это химическая деградация активного вещества в клеточной стенке S. rosenbergii, обнажающая клеточную мембрану S. rosenbergii для облегчения извлечения астаксантина. Основными методами химического разрушения являются диметилсульфоксид, кислота и щелочь. Диметилсульфоксид токсичен и обычно используется в качестве лабораторного метода экстракции, но не для последующей экстракции. Кислотное разрушение стенок обычно используется для разрушения красных клеток дрожжей Fife для извлечения группы ДНК, но этот метод обычно проводится при высокой температуре, которая склонна к деградации астаксантина, а кислота в этом методе повреждает структуру астаксантина, и последующий процесс деацидификации довольно сложный, поэтому он не подходит для последующей экстракции астаксантина.

 

SILVA et al. [17] использовали диметилсульфоксид для разрушения стенок дрожжей красной фифы, соотношение сухого веса дрожжей красной фифы и диметилсульфоксида 1:40 (г:мл), температура нагрева 55 ℃, время вихревого движения 1 мин, степень извлечения астаксантина составила всего 28,4%. Lu Baoju et al. [18] извлекли астаксантин с помощью высокотемпературного кислотного метода мокрого нагрева при давлении насыщенного пара 0,1 МПа (121 ℃), концентрации соляной кислоты 0,5 моль/л, соотношении жидкости и сырья 30:1 (л:г), времени отбивания стенок 2 мин, степень извлечения составила 84,8% ± 3,2%. JIANG et al. [19] использовали соляную кислоту для обработки ферментированных дрожжевых клеток и получили 253,1 мг/л астаксантина. DA FONSECA et al. [20] использовали щелочные реагенты, такие как Na2CO3, для разрушения стенок дрожжей красной фифы, но обнаружили, что эффект был очень незначительным.

 

1.3 Биобрекчинг

Биологическое разрушение стенок - это в основном ферментативный метод, который является мягким и не наносит вреда человеку и окружающей среде, но все еще существует проблема выбора фермента и его переработки. Некоторые исследователи использовали лизин, произведенный Bacillus circulans A1.383-2, для разрушения стенки дрожжей красной фифы, и степень извлечения астаксантина достигла 98 % за 16,5 ч при температуре гидролиза 37 ℃, pH 5 и добавлении 33 мл лизина (1 603,8 Ед/г сухих дрожжей)[21] . Харит и другие [22] использовали акселеразу (Accellerase 1500) и глюканазу (Glucanex) для экстракции астаксантина и обнаружили, что скорость экстракции глюканазы была выше, чем у акселеразы. Затем они использовали центральный комбинированный дизайн для оптимизации условий разрушения стенок декстраназой и, наконец, обнаружили, что декстраназа при температуре 30,9 ℃, рН 4,5, степень извлечения астаксантина достигает 94%.

 

В целом, каждый метод дробления красных дрожжей имеет свои преимущества и недостатки, и существуют различия в местах, где он может быть использован. При дроблении красных дрожжей важно учитывать стоимость и эффективность, а также выбирать метод, который подходит для последующей промышленности. Физическое разрушение отвечает требованиям устойчивости и низкой стоимости и может лучше соответствовать требованиям промышленного массового разрушения, которое, как предполагается, станет будущим направлением промышленного извлечения астаксантина. Различные методы разрушения стенок и их состояние показаны в таблице 1.

 

2 Экстракция астаксантина из дрожжей красной фифы

Существует две основные категории методов экстракции астаксантина: (1) твердожидкостная экстракция астаксантина с использованием летучих органических реагентов; (2) экстракция с использованием новых зеленых реагентов или новых методов.

 

2.1 Экстракция обычными реагентами ЛОС

Распространенным методом экстракции астаксантина является метод органических растворителей, т.е. экстракция астаксантина с помощью обычных летучих органических реагентов. Обычные летучие органические растворители обычно представляют собой полярные реагенты, такие как метанол, этанол, ацетон, диметилсульфоксид и т.д., иногда могут использоваться и неполярные реагенты, такие как гексан. ZHANG et al. [23] использовали ацетон в качестве растворителя и твердожидкостную экстракцию для извлечения астаксантина из дрожжей красной фифы, и количество извлеченного астаксантина достигло 14,7 мг/л после встряхивания в течение 30 минут при 5 ℃. BATGHARE et al. [24] предсказали количество астаксантина, извлеченного из диметилсульфоксида:ацетона (1:2) с помощью метода UNIFAC, и проверили количество извлеченного астаксантина в условиях дрожжей красной фифы с помощью экспериментов. Количество астаксантина, извлеченного из дрожжей красной фифы в этих условиях, составило 1,57 г/л, что соответствовало прогнозу.

 

Некоторые ученые [25] использовали для экстракции астаксантина композитную систему ацетона и метанола, и количество экстрагированного астаксантина составило 4,70 мг/г. ZHANG et al. [26] встряхивали композитную ферментационную систему ацетона (ацетон ∶ ферментационный бульон =1:1) в течение 1 мин, и количество экстрагированного в этих условиях астаксантина составило 19,465 мг/л. Однако эти полярные или неполярные реагенты, используемые для экстракции астаксантина, могут нанести определенный ущерб здоровью человека, а неправильная утилизация может также загрязнить окружающую среду. Однако эти полярные или неполярные реагенты, используемые в процессе экстракции астаксантина, могут нанести определенный вред здоровью человека, а неправильное обращение с ними также загрязняет окружающую среду. Поэтому необходимо строго придерживаться лабораторных требований и правил во время процесса, а после использования проводить дальнейшее удаление, чтобы гарантировать, что продукт астаксантина соответствует требованиям для использования в пищевых продуктах или лекарствах.

 

2.2 Новая зеленая экстракция растворителем

В последние годы для экстракции астаксантина используются биорастворители и "зеленые" растворители с низким уровнем воздействия на окружающую среду и человека. Ионные жидкости являются новыми зелеными растворителями с низким содержанием или нетоксичными компонентами, которые не вредят окружающей среде и человеческому организму. MUSSAGY et al. [27] использовали различные холиновые ионные жидкости для экстракции астаксантина из дрожжей красной фифы и обнаружили, что холина каприлат является наиболее мощной ионной жидкостью для экстракции. Холин октаноат:вода = 1:1 (v/v), температура экстракции 45 ℃ и время экстракции 60 минут привели к степени извлечения астаксантина 85%. MUSSAGY et al. [28] проверили смесь растворителей (этанол:лауриновая кислота) с сильной способностью извлечения астаксантина с помощью модели COSMO-AC, и антиоксидантная способность астаксантина, извлеченного из этой смеси растворителей, была выше, чем у традиционного астаксантина дрожжей красной фифы. Антиоксидантная способность астаксантина, выделенного из этой смеси растворителей, была выше, чем у традиционного астаксантина дрожжей красной фифы. Использование каприлового/капринового триглицерида (GTCC) в качестве экстрагента позволило извлечь 539,4 мг/л астаксантина и успешно получить готовый продукт астаксантин-каприловый/каприновый триглицерид [29].

 

В дополнение к традиционным растворителям сверхкритические флюиды предлагают новый подход к экстракции астаксантина из дрожжей красной фифы. Сверхкритические жидкости не являются ни жидкостями, ни газами, но обладают хорошей текучестью и управляемостью, а также свойствами, которых нет у традиционных растворителей. Харит и др. [22] использовали комбинацию сверхкритического CO2 и этанола в качестве биостойкого растворителя для извлечения астаксантина, и степень извлечения астаксантина составила 22 % при 76,8 ℃, 360 бар и 18 % v/v этанола.

 

В последние годы разрабатывается все больше методов экстракции астаксантина из дрожжей красной фифы. Экстракция растворителями (полярными и неполярными) больше подходит для быстрого извлечения в лабораторных условиях из-за простоты использования. Использование "зеленых" растворителей или их комбинации с другими вспомогательными методами в большей степени соответствует концепции устойчивого развития, отвечает национальным требованиям безвредности для организма человека и окружающей среды и подходит для широкомасштабного продвижения. В настоящее время не существует единого метода извлечения астаксантина из дрожжей Red Fife, и в зависимости от требований используются различные методы. Соответствующие методы экстракции и их статус показаны в таблице 2.

 

3 Перспектива

По сравнению с химически синтезированным астаксантином, натуральный астаксантин более биосовместим и лучше выполняет свои антиоксидантные, противовоспалительные, антивозрастные и противораковые функции. Себестоимость производства натурального астаксантина высока, а процесс дробления клеток и извлечения астаксантина еще не отработан, поэтому цена продукта остается высокой.

 

В последние годы появление новых методов разрушения стенок подтолкнуло прогресс в исследовании натурального астаксантина для пищевых и медицинских целей, который может достичь высокой скорости разрушения стенок без использования летучих органических реагентов для обеспечения экологичности и нетоксичности процесса разрушения клеточных стенок. По сравнению с двумя другими методами, физическое разрушение клеточной стенки - это простой, легкий и недорогой процесс, который является будущим направлением разрушения клеточной стенки. С появлением новых зеленых растворителей процесс экстракции натуральных продуктов также достиг определенного прогресса, и способствовал развитию процесса зеленой экстракции астаксантина из дрожжей Red Fife, а использование новых зеленых растворителей соответствует требованиям зеленой химии, а также направлению будущего развития.

 

В настоящее время процесс дробления и экстракции натурального астаксантина из красных дрожжей все еще нестабилен, и мы должны продолжать наши усилия, чтобы преодолеть узкие места в процессе разрушения клеточной стенки красных дрожжей и экстракции астаксантина, чтобы способствовать развитию всей промышленности по производству астаксантина из красных дрожжей.

 

Ссылки:

[1] MUSSAGY C U,PEREIRA J F B,DUFOSSÉ L,et al.Advances and trends in biotechnological production of natural astaxanthin by Phaffia rhodozymayeast[J]. Crit Rev Food Sci Nutr, 2023, 63(13):1862-1876.

[2] MISAWA N,SATOMI Y,KONDO K,et al.Structure and functional analysis of a marine bacterial carotenoid biosynthesis gene cluster and astaxanthin biosynthetic pathway proposed at the genetic level[J].J Bacteriol,1995,177(22:65-65-65) предложенного на генном уровне[J].J Bacteriol, 1995, 177(22):6575-6584.

[3] NISHIDA Y,NAWAZ A,HECHT K,et al.Astaxanthin as a novel mitochondrial regulator:a new aspect of carotenoids,beyond antioxidants[J]. 2021,14(1):107

[4] Yao Kangfei , Zhang Ruilian , Liu Xiaojuan , et al. Исследование антилипидной перекисной активности астаксантина с различными стереоконформациями [J]. Chinese Journal of Food, 2018, 18(10):86-94.

[5] Meng Aung . Получение, стабильность и функциональность кристаллов астаксантина из Rhodococcus rainieri

Исследования [D]. Цзинань : Цзинаньский университет, 2020.

[6] MUSSAGY C U,REMONATTO D,PAULA A V,et al.Selective recovery and purification of carotenoids and fatty acids from Rhodotorula glutinis using Смеси биорастворителей[J].Separation and Purification Technology, 2021, 266:118548.

[7] GONG Z K, WANG H L, TANG J L, et al.Coordinated expression of astaxanthin biosynthesis genes for improved astaxanthin production in Escherichia coli[. J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2020, 68(50): 14917-14927.

[8] GVR.Astaxanthin market size, share & trends analysis report by product (oil, softgel, liquid), by source (natural, synthetic), by application (aquaculture & animal feed, nutraceuticals), by region, and segment forecasts, 2024-2030[R].San Francisco:Grand View Research,2323. (аквакультура и корма для животных, нутрицевтики), по регионам, и прогнозы по сегментам, 2024-2030[R].Сан-Франциско:Grand View Research,2023.

[9] DEBNATH T, BANDYOPADHYAY T K, VANITHAK, et.al. Astaxanthin from microalgae: a review on structure, biosynthesis, production strategies and Применение[J].Food Res Int, 2024(176):113841.

[10] NAGAL S, RAJA A, ADIN S N, et al. Скрининг и разработка обогащенных β-каротином клеток Phaffia rhodozyma с помощью инженерии культурной среды[J]. Microbiology,2023,92:36-46.

[11] MUHAMMAD G,ALAMA,XIONG WL,et al.Microalgae biomass production:an overview of dynamic operational methods[J].Microalgae Biotechnology for Food, Health and High Value Products, 2020, 169:415-432.

[12] LIBKIND D,MOLINÉ M,COLABELLA F.Isolation and selection of new astaxanthin-producing strains of Phaffia rhodozyma[J].Methods Mol Biol, 2018,. 1852:297-310.

[13] GOGATE P R,NADAR S G.Ultrasound-assisted intensification of extraction of astaxanthin from Phaffia rhodozyma[J].Indian Chemical Engineer, 2015,57(3/4):240-255.

[14] HASAN M, AZHAR M, NANGIA H, et al. Влияние гомогенизации под высоким давлением, ультразвука и сверхкритического флюида на экстракцию свободного астаксантина из клеток Phaffia rhodozyma, обработанных β-глюканазой[J]. из клеток Phaffia rhodozyma, обработанных β-глюканазой[J].Prep Biochem Biotechnol, 2016, 46(2):116-122.

[15] STEFANYSHYN O,HUNCHAK A,STARCHEVSKY V,et al. Разрушение дрожжевых клеток xanthophyllomyces dendrorhous (Phaffia rhodozyma) с помощью вибрации резонансным низкочастотным кавитатором[J].Химия и химическая технология, 2023, 17(1):188-194.

[16] CHEN L, WANG J L, NI H, et al. Disruption of Phaffia rhodozyma cells and preparation of microencapsulated astaxanthin with high water solubility[J]. Food Sci Biotechnol, 2018, 28(1):111-120.

[17] SILVA P G P, JÚNIOR D P, DE MEDEIROS BURKERT J F, et al. Экстракция каротиноидов из биомассы Phaffia rhodozyma: стратегии переработки и экономическая оценка энергии[J].Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2023, 40:93-102.

[18] LU Baoju , XIAO Anfeng , LI Lijun , et al. Экстракция внутриклеточного астаксантина из дрожжей Fife с помощью высокотемпературного, влажно-теплового и кислотного разрушения [J]. Журнал биоинженерии, 2008(7):1285-1292.

[19] JIANG G L, ZHOU L Y, WANG Y T, et al. Astaxanthin from Jerusalem artichoke: production by fed-batch fermentation using Phaffia rhodozyma and применение в косметике[J].Process Biochemistry, 2017, 63:16-25.

[20] DA FONSECA R A S, RAFAEL R, KALIL S J, et al. Различные методы разрушения клеток для извлечения астаксантина из Phaffia rhodozyma [J].

Африканский журнал биотехнологии, 2011, 10(7):1165-1171.

[21] JIAN H L,SONG G J.Study on hydrolysis of yeast-wall with lytic enzyme for extraction of astaxanthin from Phaffia rhodozyma[J]. Прикладная механика и материалы, 2014, 651/653:297-300.

[22] HARITH Z T, DE ANDRADE LIMA M, CHARALAMPOPOULOS D, et al.

al.Оптимизированное производство и экстракция астаксантина из дрожжей Xanthophyllomyces dendrorhous[J].Микроорганизмы, 2020, 8(3):430.

[23] ZHANG J,LI Q R,LIU J H,et al.Astaxanthin overproduction and proteomic analysis of Phaffia rhodozyma under the oxidative stress induced by TiO2[J]. Bioresour Technol,2020,311:123525.

[24] BATGHARE A H, PATI S, ROY K, et al. Mechanistic investigations in ultrasound-assisted extraction of astaxanthin from Phaffia rhodozyma MTCC 7536[J ].Bioresource Technology Reports, 2018, 4:166-173.

[25] GUAN X Y, ZHANG J, XU N, et al. Optimisation of culture medium and scale-up production of astaxanthin using corn steep liquor as substrate by response surface methodology [J]. методом поверхности отклика[J].Prep Biochem Biotechnol, 2023, 53(4):443-453.

[26] ZHANG C, ZHAO X H, YAO M J, et al. Высокоплотное культивирование Phaffia rhodozyma SFAS-TZ08 в соке сладкого картофеля для производства астаксантина[J]. Электронный журнал биотехнологии, 2023, 61:1-8.

[27] MUSSAGY C U,FARIAS F O,BILA N M,et al.Восстановление β-каротина и астаксантина из биомассы Phaffia rhodozyma с помощью водных растворов ионных жидкостей на основе холиния[J].Separation Technology, 2022, 290:852. на основе ионных жидкостей[J].Separation and Purification Technology, 2022, 290:120852.

[28] MUSSAGY C U, FARIAS F O, SANTOS-EBINUMA V C, et al. Устойчивая платформа one-pot для зеленого восстановления каротиноидов из дрожжей Phaffia rhodozyma и их использования в качестве натуральных добавок в рецептуре мыла[J].Environmental Technology & Innovation, 2023, 29:103029.

[29] CHENG X Y,XIONG Y J,YANG M M,et al.Preparation of astaxanthin mask from Phaffia rhodozyma and its evaluation[J].Separation and Purification Technology,2019,290:195-202.