아스타잔틴이란 무엇인가요?

1 소개

아스타잔틴, 3,3'-디하이드록시-4,4'-디케토닐-베타, 베타-카로틴은 케토카로티노이드이며 분홍색을 띠고 지용성입니다. 물에는 녹지 않으며 클로로포름, 아세톤, 벤젠, 이황화탄소와 같은 유기용매에는 쉽게 용해됩니다. 이는 생물학적 세계, 특히 새우, 게, 물고기 및 새와 같은 수생 동물의 깃털에 광범위하게 존재하며 착색 역할을 합니다. 프로게스테론과 달리 색소 침착을 조절합니다. 아스타잔틴은 사료에 첨가되어 가금류가 먹은 후 달걀 노른자에 침전되어 색이 깊어질 수 있습니다. 아스타잔틴은 비타민 A의 공급원이 아니며 동물 체내에서 비타민 A로 전환될 수 없는 카로티노이드입니다. 그러나 아스타잔틴은 사슬이 끊어진 항산화제이며 매우 강력한 항산화 능력을 가지고 있습니다. 동물 실험에 따르면 아스타잔틴은 NO2, 황화물 및 이황화물을 제거하고 지질 과산화를 감소시키며 활성산소로 인한 지질 과산화를 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 나타났습니다. 또한 아스타잔틴은 종양 발생 억제, 면역 기능 강화 등 강력한 생리적 효과도 갖고 있다. 따라서 식품 첨가물, 양식업, 화장품, 건강 제품 및 제약 산업에 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다. 고급 양식업의 급속한 발전과 함께 1980년대 중반부터 아스타잔틴에 대한 시장 수요가 엄청났고 최근 몇 년간 급격한 증가세를 보였습니다.

2 아스타잔틴의 공급원

2.1 화학적 합성

아스타잔틴은 카로티노이드 합성의 종점이며, brta-carotene에서 Astaxanthin으로 전환되면 2개의 케톤 그룹을 추가해야 합니다. 및 하이드록실 그룹. 인공적인 화학합성은 상대적으로 어렵고, 대부분 J형 구조를 가지고 있다. 미국 FDA(식품의약국)는 양식업의 첨가제로 사용하기 위해 아스타잔틴의 트랜스 구조만을 승인했습니다. 따라서 합성 트랜스아스타잔틴은 가격이 비싸기 때문에(현재 국제 시장 가격은 약 US$2,000/kg) 폭넓은 적용이 제한됩니다. 현재 생물학적 원천의 아스타잔틴 함량이 충분히 높지 않기 때문에 화학적으로 합성된 아스타잔틴은 여전히 ​​일정한 경쟁 우위를 가지고 있습니다. 스위스F. 호프만라토체는 올트랜스 아스타잔틴 합성을 완료해 연어사료첨가제로 승인받았다. 그럼에도 불구하고 일부 아스타잔틴 함유 미생물은 빠른 성장 속도, 짧은 발효 주기 등의 장점을 가지고 있으며, 아스타잔틴 추출 후 박테리아의 단세포 단백질은 사료 및 사료 첨가제로 사용될 수 있습니다. 점차적으로 현재 연구의 초점이 될 것입니다.

2.2 생물학적 공급원

이에 비해 생물체에서 추출한 아스타잔틴은 대부분 트랜스 구조를 갖고 있어 사용이 안전하고 환경 친화적이며 개발 전망이 넓습니다. 현재 아스타잔틴의 생물학적 공급원은 주로 수산물 가공 산업의 폐기물에서 추출하고 미생물 발효를 통해 생산하는 것입니다.

2.2.1 수산물 가공산업 폐기물로부터 아스타잔틴 추출

현재 해외 가재 가공산업에서는 매년 1,000만톤의 갑각류 수산물을 생산하고 있다. 폐기물, 중합제 추출 시스템을 사용하여 아스타잔틴, 아스타잔틴 에스테르 및 아스타잔틴을 추출할 수 있으며 생산량은 153ug(g 폐기물)에 도달할 수 있습니다. 분석에 따르면 아스타잔틴은 추출된 카로티노이드의 90% 이상을 차지합니다. 최근 노르웨이 해양수산업계에서는 폐기물 사일리지 처리 기술을 도입해 사일리지 처리 후 회수율이 10% 증가했고, 아스타잔틴의 순도도 크게 향상됐다.

수산물 폐기물 중 아스타잔틴 함량이 낮고 추출 비용이 높으며 자원의 한계로 인해 이 방법은 대규모 아스타잔틴 공급원으로 적합하지 않으며 개발 가능성도 거의 없습니다. 그러나 아직까지 더 좋은 방법이 발견되지 않아 해외에는 아직도 이 방법이 존재하고 있다.

2.2.2 미생물 발효 생산

미생물 세계에서 아스타잔틴의 분포는 칸타잔틴의 분포와 다소 유사합니다. 이 연구에서는 아스타잔틴을 생산할 수 있는 미생물에는 곰팡이 담자균류(Phivia) 속, 탄화수소를 동화시키는 두 가지 박테리아, 질소가 부족한 환경에서 많은 녹조류가 포함된다는 사실이 밝혀졌습니다.

(1) 아스타잔틴을 생산하는 조류 배양

아스타잔틴을 생산할 수 있는 많은 조류 중에서 Haematococcus pluvialis는 매우 중요한 아스타잔틴 생산균으로 한때 아스타잔틴을 생산하는 박테리아는 미세조류의 일종으로 여겨졌었습니다. 아스타잔틴의 상업적 생산 가능성. 조류는 독립 영양 및 종속 영양이 될 수 있습니다. 재배 과정에서 질소원이 부족하면 아스타잔틴이 조류에 축적됩니다. 현재 해외 우수 Haematococcus pluvialis의 아스타잔틴 함량은 0.2%~2%로 높으며 일반적으로 전체 카로티노이드의 90% 이상을 차지합니다. 또한, Chlorooccum sp. 높은 내열성, 극한의 pH 값, 빠른 성장 속도 및 옥외 재배 용이성 등의 장점으로 인해 아스타잔틴의 대규모 생산에 유망한 조류로 간주됩니다. 그러나 조류의 독립영양주기가 길고, 빛의 필요성으로 인해 생산 장소가 어느 정도 제한되어 있으며, 조류가 벽을 뚫고 아스타잔틴을 방출하는 것이 어렵습니다. 따라서 대량생산도 어렵다.

(2) 아스타잔틴을 생산하기 위해 박테리아를 사용

아스타잔틴을 생산할 수 있는 박테리아에는 두 가지 종의 알려진 박테리아가 있습니다. 탄화수소 매체에서만 자라는 Mycobacterium lacticola 아스타잔틴은 영양 한천에서 생산됩니다. 그러나 영양 한천에서는 그렇지 않습니다. 또 다른 균주인 Bevibacterium 103은 발효가 끝날 때 바이오매스가 3g/L이고 색소 함량이 0.03mg/L에 불과합니다. 탄화수소 발효의 단점과 낮은 생산량, Phaffia saccharomyces의 가용성을 고려할 때 위 두 박테리아의 향후 생명공학적 적용은 불가능해 보입니다

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(3) Phaffia 효모를 이용한 아스타잔틴 생산

1976년 A&ewes, Phaff 등이 Phaffia 효모에서 아스타잔틴을 발견하여 큰 관심을 불러일으켰습니다. 그 이후로 많은 생명공학 회사들은 Phaffia 효모 연구에 상당한 노력을 기울여 일정한 진전을 이루었습니다.

3 포포프 효모를 이용한 아스타잔틴 생산 연구 진행

포포프 효모는 1970년 미국 알래스카 산과 일본 홋카이도의 낙엽수 삼출물에서 분리되었습니다. . 나중에 이것은 담자균류(Basidiomycetes)의 새로운 속으로 확인되어 파피아(Phaffia)로 명명되었습니다. Phaffia 효모는 Basidiomycetes의 효모 중에서 매우 특별합니다. 주로 설탕을 발효할 수 있고 아스타잔틴을 함유하고 있는데, 이는 다른 적색 효모의 엄격한 호기성 특성과 다릅니다. 색소는 주로 베타카로틴 또는 단환식 카로틴입니다. Phaffia 효모에서 아스타잔틴이 발견된 직후, 사람들은 이를 어류 및 가금류 사료의 사료 첨가제로 사용할 수 있는 타당성과 생물학적 색소 형성에 미치는 영향을 연구하기 시작했으며 좋은 결과를 얻었습니다. 이후 20년간의 연구에서 사람들의 연구 노력은 주로 다음 세 가지 측면에 집중되었습니다: (1) 박테리아 균주의 개선, (2) 발효 과정의 최적화, (3) 세포 내 아스타잔틴 추출.

3.1 아스타잔틴 생산량이 높은 균주의 육종

이제 사람들은 아스타잔틴을 과합성하는 돌연변이 균주의 육종에 관심을 집중하고 있다. 최근 몇 년 동안 국내외 학자들은 이와 관련하여 일정한 진전을 이루었습니다. 예를 들어, 얻은 Phaffia rhodozyma 돌연변이 균주의 아스타잔틴 함량은 232% 증가하여 1,500 nv/(kg 줄기 세포)에 도달했습니다. Phophyas 효모 NRRLY-17269의 돌연변이 균주 JB2를 알코올 폐액 배지를 사용하여 스크리닝했는데, 5L 발효조 테스트에서 카로티노이드의 생산량은 줄기세포 1kg당 (2,01170)mg이었습니다. 또한, 아스타잔틴 생산량이 높은 유전자 조작 박테리아를 구축하기 위한 DNA 재조합 기술의 적용에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 생합성 아스타잔틴 경로의 핵심 효소인 Phaffia 효모의 형질전환 시스템 및 효소 코딩에 일정한 진전이 있었습니다. 유전자.

3.2 생산 기술 연구의 진전

3.2.1 최적의 발효 조건 제어

박테리아 종과 관련된 것 외에도 아스타잔틴 생산은 문화 조건과 관련이 있습니다. Phaffia 효모 UCD67-210을 실험 균주로 사용하여 pH 값, 온도, 탄소원의 유형 및 농도, 용존 산소 및 빛과 같은 발효에 영향을 미치는 몇 가지 중요한 매개변수를 연구했습니다.

발효를 위한 최적의 매개변수는 다음과 같습니다: pH 값 5.0, 온도 20-22°C, 최적의 탄소원, 셀로비오스. 1.5%를 초과하는 당 질량 농도는 세포 단위 중량당 아스타잔틴 함량을 감소시킵니다. , 단위 부피당 아스타잔틴 함량도 증가합니다. 용존 산소는 3.6~108 rmnol/(L.h)입니다. 빛은 아스타잔틴에 거의 영향을 미치지 않습니다. 포포프 효모의 연속 배양 pH 값에 대한 온라인 제어를 연구한 결과, 첨가된 포도당 용액의 pH 값(5.02)이 배양 배지의 pH 값(5.00)보다 높은 것으로 나타났습니다. 성장은 상대적으로 느리며(0.055h-1), 첨가된 설탕의 pH 값을 4.98로 제어하면 성장 속도가 0.095h-1에 도달합니다. 또한 설탕을 첨가하는 시간 간격이 효모의 성장에 중요한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. Phaffia 효모 NCHU-FS501을 사용하여 아스타잔틴 생산에 대한 포도당 질량 농도의 영향을 연구한 결과, 포도당 질량 농도가 35g/L에 도달하면 아스타잔틴 생산량이 포도당 질량 농도에 도달하거나 16.33mg/L에 도달하는 것으로 나타났습니다. 45g/L 초과에서는 아스타잔틴 생성이 억제됩니다[계획. 최근 프랑스 학자들은 Phaffia 효모 PR190을 배양하기 위해 글리세롤을 탄소원으로 사용했는데, 이는 아스타잔틴 생산량을 0.78mg/(g 줄기세포)에서 0.97mg/(g 줄기세포)로 증가시켰습니다. 효모의 성장률이 0.075h-1일 때 아스타잔틴의 수율이 가장 높으며, 168시간의 발효 후에 아스타잔틴의 수율은 33.7mg/L(1,800t,g/(g 줄기 세포)에 도달할 수 있습니다. ) ). 멕시코 학자들은 유카 대추 즙을 유일한 탄소원으로 사용했는데, 환원당 질량 농도가 22.5e/I일 때 아스타잔틴 생산량은 6.170mg/L에 달했는데, 이는 YM 배양 배지를 사용한 것보다 2.5배 더 높았습니다. 토마토 주스를 첨가하면 아스타잔틴 전구체가 함유되어 색소 함량이 증가할 수 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 국내 학자들은 Phaffia 효모에 의한 아스타잔틴 생산을 위한 쉐이크 플라스크 조건을 최적화했으며, 달성된 최고 아스타잔틴 수율은 11.63mg/L(1,770ug/(g 줄기세포))이었습니다. 일반적으로 발효배지의 최적화만으로는 아스타잔틴 함량을 높이는 획기적인 진전이 이루어지지 않았습니다.

3.2.2 발효 비용 절감

아스타잔틴의 낮은 수율 외에도 Phaffia 효모의 상업적 적용에 영향을 미치는 또 다른 불리한 요인은 Phaffia 효모의 성장에 필요한 배양입니다. 기본 비용은 상대적으로 높습니다(효모 질소 기본 배지 + 설탕). 알팔파 잔류물과 같은 일부 값싼 식품 가공 폐기물은 효모 증식을 효과적으로 촉진할 수 있지만 동시에 아스타잔틴의 형성을 억제합니다. 이러한 억제는 사포닌의 존재 때문입니다. 파피아 효모 NRRLY-17269의 변이주 JB2를 전분과 알코올 폐액을 이용하여 스크리닝하였고, 카로티노이드 1 330-1 750 mg/(kg 건조물)을 증류기 곡물에 배양하여 배양배지 비용을 대폭 절감하였다. 또한 값싼 발효원료인 당밀은 탄소원인 포도당을 대체하여 포포라 효모를 배양할 수 있으며, 이는 아스타잔틴 생산량을 약 3배 증가시켜 15.3mg/L에 도달할 수 있는 것으로 보고되었다. 또한, 자일로스는 목재나 산업 및 농업 고형 폐기물의 가수분해를 통해 대량으로 얻을 수 있으며 값싼 탄소원이기도 하다. 일부 학자들은 자일로스를 탄소원으로 사용하고 공정 최적화 후 5.2mg/L의 아스타잔틴 수율을 얻었습니다.

3.3 아스타잔틴 추출

현재 아스타잔틴 추출은 다양한 방법을 주로 사용하여 먼저 벽을 부수고 유기용매로 추출한다. 연구에 따르면 에탄올을 사용한 추출 속도는 디메틸 설폭사이드(DMSO)를 사용한 추출 속도보다 낮습니다. 국내 학자들은 산성열을 이용해 세포를 처리한 뒤 아세톤으로 추출하는데 결과도 좋다. 최근 일본 학자들은 활성이 높은 구성적 분해효소를 생산할 수 있는 Streptomyces rochei DB-34 균주를 육종했는데, 이 효소는 나중에 이 효소를 첨가하는 것도 발견되었습니다. Phaffia 효모 배양 단계에서는 아스타잔틴을 효과적으로 추출할 수 있습니다.

파피아 효모를 사료 첨가제로 사용할 경우 먼저 분해하여 아스타잔틴이 생선이나 달걀 노른자에 침착될 수 있도록 해야 합니다. 색소의 방출을 촉진하기 위해 증류수 또는 구연산 완충액에서의 사전 자가가수분해가 유망한 접근법이거나 Bacil-Jmcirculans에 의해 분비된 효소를 사용하여 단단한 세포벽을 효소적으로 절단할 수 있습니다. 바실러스를 첨가하기 전에 효모를 열로 비활성화시킨 후 pH 값을 조정해야 합니다.

따라서 이들 두 미생물을 혼합하여 배양하는 것이 보다 편리한 방법이며, 이의 또 다른 장점은 무세포 배양액을 재사용할 수 있다는 점이다. 일부 영양소가 발효에 사용된 후에도 여전히 Phaffia 효모의 성장을 지원할 수 있고 세포벽을 변형할 수 있는 특정 용해 효소를 포함하고 있기 때문입니다. 대규모 생산에서 환경 보호 요구 사항을 충족하는 것을 목표로 혼합 발효 배양액을 여과하고 재활용하는 공정 계획이 제안되었습니다. 불행히도, 혼합 발효는 아스타잔틴 생산을 어느 정도 억제합니다.

4 개발 및 응용 전망

아스타잔틴은 식품, 의약품, 화장품, 사료 생산에 널리 개발되어 사용되고 있습니다. 아스타잔틴은 카로티노이드이지만 일부 생물학적 효과는 다른 카로티노이드보다 훨씬 강력합니다. 아스타잔틴은 지용성이며 밝은 색상과 강력한 항산화 특성을 가지고 있습니다. 식품에 있어서 색을 낼 수 있을 뿐만 아니라 신선도를 효과적으로 보존하고 변색, 맛, 변질을 방지합니다. 아스타잔틴이 함유된 레드 오일은 야채, 다시마, 과일을 절이는 데 사용할 수 있으며 음료, 국수 및 조미료의 착색에도 사용할 수 있습니다. 아스타잔틴은 베타카로틴보다 항광감작 효과가 더 강해 해외에서도 아스타잔틴을 함유한 화장품 특허가 있다. 제약 및 식품산업에서는 아스타잔틴의 항산화, 항염, 면역증진 효과를 약물로 활용하여 산화조직 손상을 예방하고 건강식품을 제조하고 있습니다. 동시에, 아스타잔틴은 밝은 색상을 가지며 액틴과 비특이적으로 결합할 수 있기 때문에 이를 수생사료에 첨가하면 양식 어류의 피부와 근육 색을 개선하고 어류의 질병 저항성을 높일 수 있습니다. 또한, 아스타잔틴은 어류의 성장과 번식에 중요한 역할을 하며, 어류 알의 수정을 촉진하고, 배아 발달 시 사망률을 감소시키며, 개체의 성장을 촉진하고, 성숙 속도와 번식력을 높이는 호르몬으로도 사용될 수 있습니다. 호르몬으로 사용되는 영양소는 가금류의 성장을 촉진하고 계란 생산량을 증가시킵니다. 아스타잔틴이 강력한 생리학적 기능을 가지고 있어 널리 사용되고 있다는 것은 의심할 여지가 없습니다. 최근에는 국내외에서 아스타잔틴에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 수산물 가공산업의 폐기물에서 아스타잔틴을 추출하는 것 외에도 효모, 조류 및 기타 미생물의 산업적 발효를 통해 아스타잔틴을 생산하는데, 이는 생산 주기가 짧고 전망이 넓습니다. 그러나 다른 성숙한 발효제품에 비해 미생물을 이용한 아스타잔틴의 산업적 생산 규모는 여전히 뒤떨어져 있으며, 여전히 낮은 수율과 높은 발효 비용이 주요 문제이다. 따라서 생산량을 늘리고 비용을 절감하기 위해 고수율 균주를 선별하고, 발효 공정을 개선하며, 유전자 개량 기술을 적시에 도입하여 생산량을 늘리고 비용을 절감하는 것은 아스타잔틴의 추가 개발 및 응용에 도움이 될 것입니다.