De quoi est faite l’astaxanthine?

Résumé: cet article présente que l’astaxanthine est non seulement un pigment antioxydant rose, mais a également des fonctions biologiques importantes et peut être largement utilisé dans les industries alimentaires, pharmaceutiques et chimiques. Les sources de l’astaxanthine, en particulier l’élevage de Schizochytrium producteur d’astaxanthine, le processus et l’extraction du pigment, et d’autres progrès de la recherche au pays et à l’étranger ces dernières années sont discutés.

1 Introduction

Astaxanthine,3,3' dihydroxy-4,4' -dione-bêta, bêta ' -carotène, est un céto-carotène de couleur rose, liposoluble, insoluble dans l’eau et soluble dans les solvants organiques tels que le chloroforme, l’acétone, le benzène et le disulfure de carbone. Il est largement présent dans le monde vivant, en particulier chez les animaux aquatiques comme les crevettes, les crabes, les poissons et dans les plumes des oiseaux, où il joue un rôle dans la coloration. Il peut réguler le dépôt de pigments et est différent de la progestérone.

Une fois ajoutée à l’alimentation, l’astaxanthine est déposée dans le jaune d’œuf après consommation par la volaille, ce qui en approfondit la couleur. L’astaxanthine est un caroténoïde non-vitamine a qui ne peut pas être converti en vitamine a chez les animaux. Cependant, l’astaxanthine est un antioxydant de rupture de chaîne avec des propriétés antioxydantes extrêmement fortes. Des expériences animales ont montré que l’astaxanthine peut éliminer le NO2, les sulfures et les disulfures, et peut également réduire la peroxydation lipidique et inhiber efficacement la peroxydation lipidique causée par les radicaux libres. En outre, l’astaxanthine a également de forts effets physiologiques tels que l’inhibition de la tumorigénèse et l’amélioration de la fonction immunitaire. Par conséquent, il a de larges perspectives d’application dans les additifs alimentaires, l’aquaculture, les cosmétiques, les produits de santé et l’industrie pharmaceutique. Avec le développement rapide de l’aquaculture haut de gamme, il y a eu une énorme demande du marché pour l’astaxanthine depuis le milieu des années 1980, et elle a augmenté rapidement au cours des dernières années.

2 Sources d’astaxanthine

2.1 synthèse chimique

L’astaxanthine est un point final de synthèse des caroténoïdes, et la transformation du β-carotène en astaxanthine nécessite l’ajout de deux groupes de cétone et d’un groupe hydroxyle. La synthèse chimique artificielle est relativement difficile et la plus grande partie est structurée en cis. La FDA A(Food and Drug Administration) des États-Unis approuve uniquement la trans-astaxanthine comme additif pour l’aquaculture. Par conséquent, la trans-astaxanthine synthétisée artificiellement est chère (actuellement environ 2 000 USD/kg sur le marché international) [1], ce qui limite son utilisation répandue.

A l’heure actuelle, la teneur en astaxanthine d’origine biologique n’étant pas assez élevée, l’astaxanthine synthétisée chimiquement présente encore un certain avantage concurrentiel. F. Hoffmann-La Roche, de Suisse, a terminé la synthèse de l’astaxanthine all-trans et a été approuvé comme additif alimentaire pour le saumon [2].

Cependant, certains microorganismes contenant de l’astaxanthine présentent les avantages d’une croissance rapide, de cycles de fermentation courts et du fait que la protéine monocellulaire extraite de l’astaxanthine peut être utilisée comme appât et additifs alimentaires. Avec la montée des aliments entièrement naturels dans le monde entier, elle deviendra progressivement le centre des recherches actuelles.

2.2 sources biologiques

En revanche, l’astaxanthine extraite des organismes vivants est essentiellement de la configuration trans, sûre à utiliser et respectueuse de l’environnement, et a de larges perspectives de développement. Les sources biologiques actuelles d’astaxanthine sont principalement: l’extraction des déchets de l’industrie de transformation des produits aquatiques et la production par fermentation microbienne.

2.2.1 Extraction de l’astaxanthine à partir des déchets de l’industrie de la transformation des produits aquatiques

Actuellement, l’industrie étrangère de transformation de l’écrevisse produit chaque année 10 millions de tonnes de déchets de crustacés aquatiques. Le système d’extraction utilisant des agents de polymérisation peut être utilisé pour extraire l’astaxanthine, les esters d’astaxanthine et le pigment rouge de crevette de ces déchets, avec un rendement allant jusqu’à 153 μg/(g de déchets). Selon les analyses, l’astaxanthine représente plus de 90% des caroténoïdes extraits. Récemment, l’industrie norvégienne de la pêche marine a adopté la technologie d’ensilage des déchets. Après ensilage, le taux de récupération a augmenté de 10%, et la pureté de l’astaxanthine a également été considérablement améliorée.

En raison de la faible teneur en astaxanthine dans les déchets de produits aquatiques, le coût d’extraction est élevé et, en raison des ressources limitées, cette méthode ne convient pas comme source à grande échelle d’astaxanthine et a peu de potentiel de développement. Cependant, comme aucune meilleure méthode n’a encore été trouvée, cette méthode existe encore à l’étranger.

2.2.2 production de fermentation microbienne

La distribution de l’astaxanthine dans le monde microbien est quelque peu semblable à celle de la canthaxanthine. Des études ont révélé que les microorganismes qui produisent l’astaxanthine comprennent un genre de champignons du phylum Basidiomycota (le genre Phaffia), deux espèces de bactéries qui assimilent les hydrocarbures, et de nombreuses algues vertes qui poussent dans des environnements déficients en azote [3].

(1) cultiver des algues pour produire de l’astaxanthine

Parmi les nombreuses algues productrices d’astaxanthine,Haematococcus pluvialis est une bactérie importante productrice d’astaxanthineEt était autrefois considéré comme une microalgue avec de grandes perspectives pour la production commerciale d’astaxanthine. Cette algue peut réaliser à la fois l’autotrophée et l’hétérotrophée. Pendant la culture, en cas de manque de sources d’azote, l’astaxanthine s’accumule dans les algues.

À l’heure actuelle, la teneur en astaxanthine dans le corps d’haematococcus pluvialis de haute qualité étrangère peut atteindre 0,2% à 2%, représentant généralement plus de 90% du total des caroténoïdes. De plus, Chlorococcum sP. 1 et 2.présente les avantages d’une résistance à haute température, d’un pH Hextrême, d’un taux de croissance rapide et d’une culture facile en plein air, et est considérée comme une algue ayant un grand potentiel pour la production d’astaxanthine à grande échelle [3]. Cependant, le cycle autotrophique des algues est long, le site de production est limité dans une certaine mesure en raison du besoin de lumière, et il est difficile de briser la paroi cellulaire des algues pour libérer de l’astaxanthine. Par conséquent, il est également plus difficile de réaliser une production à grande échelle.

(2) utilisation de bactéries pour produire de l’astaxanthine

Deux souches de bactéries sont connues pour produire de l’astaxanthine: Mycobacterium lacticola, qui produit de l’astaxanthine uniquement sur des milieux hydrocarbonés et ne produit pas d’astaxanthine sur de l’agar nutritif; Et une autre souche, Bevibacterium brevis 103, qui croît dans le pétrole et a une biomasse de 3 g/L en fin de fermentation, avec seulement 0,03 mg/g de pigment. Compte tenu des inconvénients de la fermentation des hydrocarbures et de son faible rendement, ainsi que de la disponibilité de Pichia pastoris, l’application biotechnologique future de ces deux bactéries semble peu probable.

(3) utilisation de Pichia pastoris pour produire de l’astaxanthine

En 1976, Andreweset Phaff ont découvert l’astaxanthine dans Pichia pastoris, qui a attiré beaucoup d’attention. Depuis lors, de nombreuses entreprises de biotechnologie ont fait des efforts considérables dans la recherche de la levure de Phaffia et ont fait quelques progrès [4].

3 progrès de la recherche dans la production d’astaxanthine à l’aide de levure de Phaffia

La levure de Phaffia a été isolée en 1970 à partir des exsudates d’arbres à feuilles caduques dans les montagnes de l’alaska et d’hokkaido, au Japon [4]. Plus tard, il a été identifié comme un nouveau genre des basidiomycètes et nommé genre Phaffia [3]. La levure de Phaffia semble être assez spéciale parmi les levures des basidiomycètes, principalement parce qu’elle peut fermenter les sucres et contient de l’astaxanthine, qui diffère de l’aérobiose stricte des autres levures rouges, et le pigment est principalement le β-carotène ou carotène monocyclique. L’astaxanthine a été découverte dans la levure Haematococcus peu après sa découverte, et des recherches ont commencé sur la faisabilité de son utilisation comme additif alimentaire dans les aliments pour poissons et volailles et son effet sur la formation de pigments des organismes, avec de bons résultats. Au cours des 20 années de recherche qui ont suivi, les efforts de recherche se sont concentrés sur les trois domaines suivants: (2) optimisation du processus de fermentation; Et (3) extraction d’astaxanthine des cellules.

3.1 élevage de souches d’astaxanthine à haut rendement

Maintenant, les gens se sont concentrés sur l’élevage de souches mutantes avec une synthèse excessive d’astaxanthine. Ces dernières années, les chercheurs du pays et de l’étranger ont fait des progrès dans ce domaine. Par exemple, la teneur en astaxanthine de la souche mutante obtenue de Rhodotorula glutinis a été augmentée de 232%, atteignant 1500 mg/(kg de cellules souches) [5]. Une souche mutante d’haematococcus pluvialis NRRLY-17269, JB2, A été triée à l’aide d’un milieu liquide de déchets d’alcool, et le rendement de (2 010 + 170) mg de caroténoïdes pour 1 kg de cellules sèches A été obtenu dans un essai de fermenteur de 5 L [1]. En outre, des recherches ont été menées sur la construction de bactéries de génie génétique de l’astaxanthine à haut rendement utilisant la technologie de recombinaison de l’adn, et des progrès ont été réalisés dans le système de transformation de Pichia pastoris, les enzymes clés dans la biosynthèse de la voie de l’astaxanthine et les gènes codant ces enzymes.

3.2 evolution de la recherche dans le processus de production

3.2.1 contrôle des conditions optimales de fermentation

Le rendement d’astaxanthine est lié aux conditions de culture en plus de la souche. En utilisant la levure UCD67-210 comme souche expérimentale, plusieurs paramètres importants influant sur la fermentation ont été étudiés, tels que le pH, la température, le type et la concentration de la source de carbone, l’oxygène dissous et la lumière. Les paramètres optimaux de fermentation ont été obtenus: pH 5. 0; La température 20 ~ 22 ℃; Source optimale de carbone, cellobiose; La concentration massique de sucre dépassant 1,5% réduira la teneur en astaxanthine par unité de poids des cellules; Toutefois, en raison de l’augmentation de la biomasse, la teneur en astaxanthine par volume unitaire continuera d’augmenter; Oxygène dissous 3,6 ~ 108 mmoL/(L · h); La lumière a peu d’effet sur l’astaxanthine [3].

En examinant le contrôle en ligne du pH en culture continue de Pichia pastoris, on a constaté que le pH de la solution de glucose ajoutée (5,02) était plus élevé que celui du milieu de culture (5,00), et que la croissance de Pichia pastoris était relativement lente (0,055 h-1). Cependant, lorsque le pH du sucre ajouté était contrôlé à 4,98, le taux de croissance atteignait 0. 095 h-1. Il a également été constaté que l’intervalle entre les additions de sucre a un effet significatif sur la croissance de la levure [7].

Lorsque l’effet de la concentration massique de glucose surProduction d’astaxanthineA été étudié à l’aide de la levure NCHU-FS501, il a été constaté que lorsque la concentration massique de glucose atteint 35 g/L, la production d’astaxanthine atteint 16. 33 mg/L; Lorsque la concentration massique de glucose atteint ou dépasse 45 g/L, la formation d’astaxanthine est inhibée [2]. Récemment, des chercheurs français ont utilisé le glycérol comme source de carbone pour cultiver la levure PR190, augmentant la production d’astaxanthine de 0,78 mg/(g de cellules souches) à 0,97 mg/(g de cellules souches). On a également constaté que le rendement le plus élevé en astaxanthine était atteint lorsque le taux de croissance de la levure était de 0,075 h-1; Après 168 h de fermentation, le rendement en astaxanthine pourrait atteindre 33,7 mg/L (1800 μg/(g de cellule sèche)) [8].

Les chercheurs mexicains ont utilisé le jus de yucca comme seule source de carbone, et lorsque la concentration en masse de sucre réducteur était de 22,5 g/L, la production d’astaxanthine a atteint 6,170 mg/L, ce qui était 2,5 fois plus élevé que celui utilisant le milieu YN ° de catalogue[9] [traduction]. Il convient de mentionner que lorsque du jus de tomate est ajouté, les substances précurseurs qui peuvent contenir de l’astaxanthine augmenteront la teneur en pigments. Des chercheurs canadiens ont optimisé les conditions d’agitation de la bouteille pour la production d’astaxanthine par Haematococcus pluvialis, et le rendement d’astaxanthine le plus élevé obtenu était de 11,63 mg/L (1770 μg/(g de cellule sèche)) [10] [traduction]. Dans l’ensemble, il n’y a pas eu de percée en optimisant simplement le milieu de fermentation pour augmenter la teneur en astaxanthine.

3.2. 2 réduire les coûts de fermentation

En plus du faible rendement d’astaxanthine, un autre facteur qui affecte négativement l’application commerciale de la levure est le coût relativement élevé du milieu nécessaire à la croissance de la levure (levure à base d’azote avec sucre ajouté). Certains déchets alimentaires bon marché, comme les résidus de luzerne, peuvent effectivement favoriser la prolifération de la levure, mais en même temps inhiber la formation d’astaxanthine. Cette inhibition est due à la présence de saponines.

Une souche mutante JB2 de la levure Pichia pastoris NRRLY-17269 A été triée à l’aide de déchets d’amidon et d’alcool et cultivée dans des distillateurs.#39; S grains pour produire 1330-1750 mg/kg de matière sèche de caroténoïdes, ce qui a considérablement réduit le coût du milieu de culture [1]. Il a également été rapporté que l’utilisation de la mélasse comme matière première de fermentation bon marché au lieu du glucose comme source de carbone pour cultiver la Phaffia peut augmenter la production d’astaxanthine d’environ 3 fois pour atteindre 15. 3 mg/L [12]. En outre, le xylose peut être obtenu en grandes quantités par hydrolyse du bois ou des déchets solides industriels et agricoles, et constitue également une source de carbone peu coûteuse. Certains chercheurs ont utilisé le xylose comme source de carbone et, après optimisation du procédé, le rendement en astaxanthine était de 5,2 mg/L [13].

3.3 Extraction de l’astaxanthine

À l’heure actuelle, l’astaxanthine est principalement extraite en cassant d’abord la paroi cellulaire en utilisant diverses méthodes, puis en extrayant avec un solvant organique. Des études ont montré que le taux d’extraction est plus faible lorsque l’éthanol est utilisé que lorsque le diméthyl sulfoxide (DMso) est utilisé [5]. Les chercheurs nationaux ont également obtenu de bons résultats en traitant les cellules avec de la chaleur acide puis en extrayant avec de l’acétone. Récemment, des chercheurs japonais ont sélectionné une souche de Streptomyces rochei DB-34 qui produit une lyase constitutive hautement active. Cette enzyme présente une activité dans l’hydrolyse du β-1,6-glucane, et il a également été constaté que l’ajout de cette enzyme aux stades ultérieures de la culture de Pichia pastoris peut extraire efficacement l’astaxanthine [14].

Lorsqu’elle est utilisée comme additif alimentaire, la levure doit être décomposée afin que l’astaxanthine puisse se déposer dans le poisson ou le jaune d’œuf. Pour rendre le pigment plus facilement disponible, la pré-autolyse dans de l’eau distillée ou un tampon d’acide citrique est une méthode prometteuse, ou les parois cellulaires dures peuvent être dégradées à l’aide d’une enzyme sécrétée par Bacillus circulans. Avant d’ajouter Bacillus circulans, la levure doit être calmée et le pH ajusté. Il est donc plus commode de cultiver les deux micro-organismes ensemble. Un autre avantage est que le bouillon de culture sans cellules peut être réutilisé. Parce qu’il soutient toujours la croissance de la levure après que certains nutriments ont été enlevés pour la fermentation, et il contient certaines enzymes lytiques qui modifient la paroi cellulaire. Un procédé de filtrage et de recyclage du bouillon de fermentation mixte A été proposé, dans le but de répondre aux exigences environnementales dans la production à grande échelle. Malheureusement, la fermentation mixte inhibe dans une certaine mesure la production d’astaxanthine [3].

4 perspectives de développement et d’application

L’astaxanthine est actuellement largement développée et appliquée dans la production d’aliments, de médicaments, de cosmétiques et d’aliments pour animaux. Bien que l’astaxanthine soit un caroténoïde, certains de ses effets biologiques sont beaucoup plus forts que ceux des autres caroténoïdes. L’astaxanthine est liposoluble, a une couleur vive et de fortes propriétés antioxydantes. Dans les aliments, non seulement il colore, mais aussi préserve efficacement, empêchant la décoloration, les mauvaises saveurs et la détérioration.

L’huile rouge contenant de l’astaxanthine peut être utilisée pour mariner les légumes, les algues et les fruits, ainsi que pour colorer les boissons, les nouilles et les condiments. Des brevets ont également été signalés. L’astaxanthine a des effets photoprotecteurs plus forts que le β-carotène, et il existe des brevets pour les cosmétiques contenant de l’astaxanthine à l’étranger. Les industries pharmaceutiques et alimentaires utilisent les effets antioxydants, anti-inflammatoires et immunitaires de l’astaxanthine pour prévenir les dommages aux tissus oxydatifs et formuler des aliments de santé. En même temps, comme l’astaxanthine a une couleur vive et peut se lier de façon non spécifique à l’actine, son addition à l’alimentation d’aquaculture peut améliorer la couleur de la peau et des muscles des poissons d’élevage et augmenter leur résistance aux maladies. En outre, l’astaxanthine joue un rôle important dans la croissance et la reproduction des poissons. Il peut être utilisé comme une hormone pour favoriser la fécondation des œufs de poisson, réduire le taux de mortalité des embryons en développement, favoriser la croissance individuelle, augmenter la maturité et la fertilité. L’astaxanthine peut également être utilisée comme nutriment pour favoriser la croissance de la volaille et augmenter la production d’œufs.

Il ne fait aucun doute que l’astaxanthine a des fonctions physiologiques puissantes et est largement utilisé. Au cours des dernières années, la demande d’astaxanthine a augmenté tant au pays qu’à l’étranger. En plus d’extraire l’astaxanthine des déchets de l’industrie de transformation des produits aquatiques, l’astaxanthine est également produite par fermentation industrielle utilisant des microorganismes tels que la levure et les algues. Cependant, par rapport à d’autres produits fermentés matures, la production industrielle d’astaxanthine utilisant des microorganismes est encore très en retard. Les principaux problèmes demeurent le faible rendement et le coût élevé de la fermentation. Par conséquent, le développement et l’application ultérieures de l’astaxanthine bénéficieront du dépistage des souches à haut rendement, de l’amélioration des procédés de fermentation et de l’introduction en temps opportun de techniques de modification génétique pour augmenter les rendements et réduire les coûts.

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