虾青素(Astaxanthin, 3, 3’-二羟基-4,4' -二酮基-β,β'胡萝卜素)是一种类胡萝卜素,不溶于水,易溶于二甲基亚砜、丙酮、氯仿等溶剂,分子式为C40H52O4,分子结构如图1,其结构具有高度的对称性。虾青素分子有很长的共轭双键等,有羟基和在共轭双键链末端的不饱和酮,其中羟基和酮基构成羟基酮,这一结构特点使其具有较活泼的电子效应,能提供电子或吸引自由基的未配对电子,极易起抗氧化作用,生成半虾红素和虾红素。研究表明, 虾青素与胡萝卜素及维生素E等相比,虾青素具有更强的生物活性,是属于人体安全的物质。虾青素的抗氧化活性比β胡萝卜素高约10倍,比维生素E高约500倍,虾青素已被认为是”超级维生素E”。

图1 虾青素的化学结构图

图2 雨生红球藻细胞

1.1虾青素的来源

虾青素广泛存在于生物体中,特别是虾、蟹、鱼和鸟类的羽毛。目前生产虾青素的方法主要包括化学合成法和提取法。中化学合成产品市场占有率约为95%,由于虾青素的羟基空间位置存在差异,具有左旋、内消旋、右旋三种异构型态。化学合成虾青素为左旋(占25%)、消旋(占50%)、右旋(占25%)的混合物，抗氧化活性为天然虾青素的一半。

天然提取法主要有三种来源,分别为甲壳类动物、藻类和酵母菌。甲壳类来源产量低、纯度差、成本高, 尚未形成生产规模;酵母菌来源技术要求高,生产工艺复杂;藻类来源其中雨生红球藻(如图2)是所有已知的虾青素合成生物体中积累量最高的物种,可以积累占其千重1%-3%以上,是提取虾青素的理想来源。

1.2虾青素的提取方法

1.2.1溶剂浸提法

溶剂浸提法是目前最为常见的虾青素提取方法。该方法是将预处理后的原料浸泡在合适的溶剂中,振荡提取,使得细胞内容物转移到溶剂中。常见的有机溶剂有乙醇、丙酮、石油醚、正己烷和乙醚等。Sangeetha RK以虾废料为原料,丙醇、己烷、异丙醇三种溶剂混合浸提法提取虾青素,得到虾青素提取物浓度为252μg/g。学者Sachindra将混合溶剂浸提和单一溶剂浸提进行了对比试验,结果表明,其他条件相同的情况下,采用混合溶剂(异丙酮:己烷=1: 1)时，虾青素提取效率最高。溶剂浸提法提取温度较低,适宜虾青素的提取,但提取时间较长,溶剂应选择低毒性。

1.2.2油溶提取法

虾青素属于脂溶性类胡萝卜素可以用油溶的方式进行提取,常见的溶剂有大豆油、葵花油、花生油、棕榈油等。使用油溶提取法,有着很高的安全性并且整个过程污染少,不过一般需要较高的提取温度而高温会影响虾青素的稳定性,且油的沸点很高,这会导致提取后期与虾青素较难分离,因此应用范围比较局限。

1.2.3超临界CO2萃取法

超临界流体萃取(SCFE)是一种高新技术, 该技术是利用临界流体的特殊性质，在高温高压的条件下接触待分离的样品,根据样品的特征,调节整个系统的温度和压力,萃取出所需要的物质。通过超临界CO2萃取技术从虾头废弃物中提取虾油,最佳萃取参数为萃取温度39.93*C,萃取压力403.95 bar, CO2流量1.16L/min,虾青素纯度可达到796.3μg/g。超临界萃取无污染，无溶剂残留,与溶剂提取相结合可以提高虾青素的提取率。但是该方法对设备与技术的要求比较高,目前难以应用于工业化大规模提取。

1.2.4其他方法

虾青素的提取方法还包括微波法、碱液提取法、超高压提取法、酶法、酸法提取、低温研磨萃取法、超声波法等7。本文主要讨论溶剂浸提法。

1.3虾青素的提取工艺

在虾青素提取过程中,从雨生红球藻细胞中萃取虾青素是通过有机溶剂经细胞壁进入细胞,使色素溶解于有机溶剂中,从而通过扩散作用进入溶液,这是一种固-液萃取的过程。由于，雨生红球藻的细胞壁很厚且存在胶质,阻碍了提取溶剂向细胞内渗透,加大了虾青素的提取难度。因此, 在提取虾青素前要对雨生红球藻进行破壁处理,破壁效果的好坏直接影响到虾青素提取的多少。

1.4对虾青素得率与含量的影响因素

1.4.1破壁方法对虾青素得率与含量的影响

目前藻类常用的破壁方法主要有:机械法、酶法、化学法。酶法破壁增加了后续分离的难度;化学法研究时间长,方法比较系统,破壁效果也不错,但其过程中用了有机溶剂,不但成本高,工艺复杂,且不够环保,不能达到食品生产的绿色标。在这三种方法中,机械法对原料营养成分的损失较少。机械法有:匀浆法、冻融温差法、超声波法、直接研磨法和低温研磨法等。

1.4.2原料状态对虾青素得率与含量的影响

原料状态的选择会影响虾青素的提取速率。烘干后的干藻粉和新鲜藻膏在提取时细胞所处的环境不同,因此提取虾青素的效果也不同。虾青素不溶于水,用新鲜藻膏来提取虾青素有水分的存在下,会影响破壁的效果和虾青素的提取效率,同时加入有机溶剂亲水性差,不容易进入细胞,所以提取率不高。而烘干后的干藻粉,细胞处在无水的条件下加入有机提取剂,则细胞容易破壁,虾青素容易溶入有机溶剂中,因此，提取率较高,提取效果好。且新鲜的藻膏不宜储存、易污染,虾青素易氧化,而干藻粉则相对易保存和运输。

1.4.3提取溶剂对虾青素得率与含量的影响

雨生红球藻中的虾青素易溶于正己烷等弱极性和非极性溶剂。提取虾青素常用的低沸点有机溶剂主要有乙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷及其混合溶液。其中,二氯甲烷和丙酮毒性较大,后续处理复杂,稍有残留就会出现安全问题。所以，选择乙醇、乙酸乙酯、正己烷作为提取溶剂,在相同条件下提取已破壁的雨生红球藻,结果如图3 (左)所示。

图3不同溶剂下虾青素的得率和含量（左）不同提取时间下虾青素的得率和含量(右）

图3(左)可知,虾青素含量与得率大小均表现为乙酸乙酯>正2烷>乙醇,分析可知正己烷极性较小,有利于藻粉中虾青素的溶出,但雨生红球藻具有较厚的多糖细胞壁,又很难渗透到藻粉中未破壁细胞内,降低了虾青素的得率;乙醇极性大不利于虾青素的溶出,提取时夹带了大量水溶性多糖,后续处理麻烦;不同于以上两种溶剂,乙酸乙酯兼备了利于虾青素的溶出和利于渗透藻细胞壁的优势,在得到较高虾青素得率的同时,提高了浸膏中虾青素的含量。

1.4.4提取时间对虾青素得率与强的影响

以乙酸乙酯为提取溶剂,其他相同条件下，对比不同提取时间对提取虾青素的影响。结果如图3(右)所示。由图3(右)可知,虾青素的得率与含量在提取时间135 min后变化缓慢, 180min时达到最高,随后后降低。刚开始提取时,由于混合不均匀、提取不充分,虾青素得率和含量都较低。随着提取时间加长,虾青素得率和含量都不断增大。但提取时间过长,虾青素浓度趋于稳定,部分虾青素在较高温度下长时间暴露氧化降解。时间越长, 能耗越大,综合考虑采用135 min下提取。

1.4.5料液比对虾青素得率与含量的影响

以乙酸乙酯为提取溶剂,提取时间为135 min,其他相同条件下,对比料液比对提取虾青素的影响。结果如图4 (左)所示。图4(左)可知,虾青素的得率在料液比为1:10后增长缓慢,而虾青素的含量随着料液比的增大而降低。在料液比小于1:10时，溶剂不足,与藻粉接触不充分,此时随着溶剂的增加,虾青素的得率显著提高而含趋于稳定;在料液比大于1:10时,溶剂过量,此时随着溶剂的增加，溶解了大量多糖藻细胞壁,虾青素的含量降低而得率趋于稳定。料液比越大,浓缩时间越长,能耗越大后续处理越复杂。综合考虑采用料液比为1:10下提取。

图4 不同料液比下虾青素的得率和含量（左）铜提取温度下虾青素的得率和含量（右）

1.4.6提取温度对虾青素得率与量的影响

以乙酸乙酯为提取溶剂,提取时间为135 min,料液比为1:10,其他相同条件下，对比不同提取温度对提取虾青素的影响。结果如图4(右)所示。图4(右)可知,在温度低于45℃时,分子间的热运动较慢,溶剂对虾青素的溶解度较低随着温度升高,虾青素得率升高;温度高于45℃后部分虾青素氧化降解,虾青素得率反而降低。油膏中虾青素的含量低于45℃时,变化不大:温度超过45℃后,含量显著降低。在温度为45℃时，虾青素的得率和含量达到最高,所以,采用45°C提取较为理想。

综上实验,可得最佳提取虾青素的工艺是:以烘干后的干藻粉作为原料,机械法破壁,乙酸乙酯作为提取溶剂,料液比为1:10,在45℃下提取180 min,效果较理想。

2.1紫外辐射对人体皮肤的影响简介

紫外线(UV)主要分为3个波段:短波紫外线UVC (230-275nm)、中波紫外线UVB (275-320 nm)、和长波紫外线UVA (320-400nm)。由于大气层对UV具有一定程度的阻挡作用,入射到地球表面的UV辐射波长主要为280-400 nm,即UVA和UVB。入射到地球表面UV中,绝大部分是UVA,约占95%左右;而UVB只占5%左右。虽然UVA的能 量约是UVB的1/1000,但却是导致皮肤遭受外界氧化应激的主要因素之一。UVA对皮肤的穿透能力远超过UVB,90%的UVB会被皮肤的角质层阻挡住,对皮肤的损伤主要集中在表皮层和真皮浅层。而超过50%的UVA能够穿透至皮肤真皮层甚至皮下组织,从而对表皮和真皮层起作用,进而引|起皮肤的光老化和其他的疾病,甚至可能诱发皮肤癌。皮肤细胞中的发色基团吸收UVA后会产生活性氧(ROS) ,从而使得DNA键断裂和碱基的氧化反应,间接导致DNA的氧化损伤,有一定程度的致突变性和致癌性.UVA辐照产生大量的活性氧(ROS) ,来引起细胞内的脂质与蛋白质氧化损伤。同时还刺激和活化蛋白激酶信号通路,增加基质金属蛋白酶(NMP)的基因转录,进而降解胶原蛋白，最终引起老化相关改变。

2.2虾青素在化妆品中的应用

虾青素是自由基、活性氧和活性氮的强力清除剂，能够显著减弱ROS和NMP对真皮层胶原蛋白、弹力蛋白的破坏。同时,皮肤自身的修复机制能够重建损伤的胶原蛋白，保证皮肤正常代谢。因此虾青素起抗氧化、抗皱作用。同时由于虾青素有其独特的分子结构,其物质的吸收峰值就是470 nm左右,跟UVA波长(380-420nm)相近,因此微量的虾青素就可以吸收大量的UVA,可作为防晒剂。但是,虾青素的抗氧化、抗皱的作用比较突出,所以市场上的化妆品主要以虾青素的抗氧化、抗皱功效为宣称。虾青素强大的抗氧化性,全球很多化妆品品牌添加了天然虾青素作为其超强抗氧化剂的成分。

以雨生红球藻为原料提取虾青素,比较理想的提取条件是以烘干后的雨生红球藻粉作为原料,机械法破壁,乙酸乙酯作为提取溶剂,料液比为1 : 10,在45℃下提取180 min。虾青素具有强大的抗氧化、抗皱作用,在各大化妆品牌中都有应用,主要宣称抗氧化、抗皱效果。但是由于虾青素强大的抗氧化性,其本身不稳定,容易氧化变色。其次, 雨生红球藻提取虾青素的成本仍然较高,这也是限制虾青素的应用的重要因素之一。相信随着技术的发展,这些问题可以得到进一步的解决。