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

l’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.

When added to feed, astaxanthin is deposited in the egg yolk after consumption by poultry, which deepens the color. Astaxanthin is a non-vitamin A Acarotenoid that cannot be converted into vitamin A in animals. However, astaxanthin is a chain-breaking antioxidant with extremely strong antioxidant properties. Animal experiments have shown that astaxanthin can remove NO2, sulfides, and disulfides, and can also reduce lipid peroxidation and effectively inhibit lipid peroxidation caused by free radicals. In addition, astaxanthin also has strong physiological effects such as inhibiting tumorigenesis and enhancing immune function. Therefore, it has broad application prospects in food additives, aquaculture, cosmetics, health products and the pharmaceutical industry. With the rapid development De lahigh-end aquaculture, there has been a huge market demand for astaxanthin since the mid-1980s, and it has been increasing rapidly in recent years.

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 (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.

At present, since the content De laastaxanthin from biological sources is not high enough, chemically synthesized astaxanthin still has a certain competitive advantage. F. Hoffmann-La Roche of Switzerland has completed the synthesis of all-trans astaxanthin and has been approved for use as a feed additive for salmon [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

Among the many astaxanthin-producing algae, Haematococcus pluvialis is an important astaxanthin-producing bacterium and was once considered a microalga with great prospects for commercial astaxanthin production. This algae can both carry out autotrophy and heterotrophy. During cultivation, if there is a lack of nitrogen sources, astaxanthin will accumulate in the algae.

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

Two strains of bacteria are known to produce astaxanthin: Mycobacterium lacticola, which produces astaxanthin only on hydrocarbon media and does not produce astaxanthin on nutrient agar; and another strain, Bevibacterium brevis 103, which grows in petroleum and has a biomass of 3 g/L at the end of fermentation, with only 0.03 mg/g of pigment. Considering the disadvantages of hydrocarbon fermentation and its low yield, as well as the availability of Pichia pastoris, the future biotechnological application of the above two bacteria seems unlikely.

(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

Now people have focused on breeding mutant strains with excessive astaxanthin synthesis....... 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 sur la production d’astaxanthine a été étudié à l’aide de la levure NCHU-FS501, on a constaté que lorsque la concentration massique de glucose a atteint 35 g/L, la production d’astaxanthine a 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].

Mexican scholars used the juice of yucca as the sole carbon source, and when the mass concentration of reducing sugar was 22.5 g/L, the asProduction de taxanthinereached 6.170 mg/L, which was 2.5 times higher than that using YN ° de cataloguemedium [9] [traduction]. It is worth mentioning that when tomato juice is added, the precursor substances that may contain astaxanthin will increase the pigment content. Domestic scholars have optimized the shaking bottle conditions for astaxanthin production by Haematococcus pluvialis, and the highest astaxanthin yield obtained was 11.63 mg/L (1770 μg/(g dry cell)) [10] [traduction]. Overall, there has been no breakthrough in simply optimizing the fermentation medium to increase the astaxanthin content.

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

Astaxanthin is currently being widely developed and applied in the production of foods, medicines, cosmetics and animal feed. Although astaxanthin is a carotenoid, some of its biological effects are much stronger than those of other carotenoids. Astaxanthin is fat-soluble, has a bright color and strong antioxidant properties. In foods, it not only colors, but also effectively preserves, preventing discoloration, off-flavors and spoilage.

Astaxanthin-containing red oil can be used to marinate vegetables, seaweed and fruit, as well as to color drinks, noodles and condiments. Patents have also been reported. Astaxanthin has stronger photoprotective effects than β-carotene, and there are patents for cosmetics containing astaxanthin abroad. The pharmaceutical and food industries use the antioxidant, anti-inflammatory and immune-promoting effects of astaxanthin to prevent oxidative tissue damage and formulate health foods. At the same time, because astaxanthin has a bright color and can non-specifically bind to actin, adding it to aquaculture feed can improve the skin and muscle color of farmed fish and increase their disease resistance. In addition, astaxanthin plays an important role in the growth and reproduction of fish. It can be used as a hormone to promote the fertilization of fish eggs, reduce the mortality rate of developing embryos, promote individual growth, increase maturity and fertility. Astaxanthin can also be used as a nutrient to promote the growth of poultry and increase egg production.

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.

Référence:

[1] Bon J A, cuirs T D,Jayaswal R k. Isolement de l’astaxanthine sur - Production de Mutants de Pha "" ia Rhodozyma[J].  La biotechnologie Letters, 1997,19(2):1O9 ~ 112.

[2] Fang T J,chiou T y Culture en lots et production d’astaxanthine par un Mutant de la levure pha "" ia RhodozymaNcHu - Fs5O1[J]. Revue de presseof Industrial Microbiology,1996(16):175 ~ 181.

[3] Nelis H J,De Leenheer A p. Sources microbiennes de caroténoïdes de porc - Les mentalités utilisées dans les aliments et les aliments pour animaux [J]. Journal  De appliqué Bactériology, 1991,7O:181 ~ 191.

[4] [traduction] Andrewes  A  G,phaff H  J,starr  M  p.  caroténoïdes of   Pha "" ia Rhodozyma,a rouge - pigmenté La fermentation Levure [J].  Phytochem - ministry,1976(15):1 OO3 à 1 OO7.

[5] calo p, velázquez J B,sieiro c,Blanco p,et al. Analyse de l’astax-anthine et d’autres caroténoïdes de plusieurs Mutants de Aïe, aïe, aïeRhodozyma[J]. J Agric. Food chem,1995,43:1 396 ~ 1 399.

[6] chan H y,Ho k p. Croissance et Production de caroténoïdes par pH - stat Cultures de phaia Rhodozyma[J]. Biotechnologies. Lett,1999,21(11): 953 ~ 958.

[7] kusdiyantini E,Gaudin p,Goma G,et al. La croissance Cinétique et comme - taxanthin production  of  Pha "" ia Rhodozyma  Sur le glycérol comme source de carbone pendant Lot de Fermentation[J].  Biotechnologies.  Lett,1998,2O (1O):929 ~ 934.

[8] ramírez J, muñez M L,valdivia R. Augmentation de la production d’astaxanthine par un Mutant de phaia Rhodozyma cultivé sur le jus de datte de yucca Fil- lifera[J]. J. : J. : J. : Ind. Microbiol. Biotechnol,2000,24(3):187 ~ 19O.

[9] Xu Xueming, Jin Zhengyu, Liu Danghui et al. Procédé à boulets pour la production d’astaxanthine par Haematococcus pluvialis [J]. Journal of Wuxi University of Light Industry, 2000, 19(3): 230-235.

[10] Okagbue R N,Lewis M J. Utilisation de jus résiduel de luzerne comme substrat pour la propagation de la levure rouge phaia Rhodozyma[J]. 1. La cour de justice Microbiol. Biotechnol,1984,2O:33 ~ 39.

[11] Harrd N F. Formation d’astaxanthine par la levure pha "ia Rhodozymaon mélasse [J]. Biotechnology Letters,1988,1O(9):6O9 ~ 614.

[12] parajo J c,santos c, vazquez M. Optimisation de la production de caroténoïdes par phaia  Rhodozyma  cellules cultivé Sur xylose[J].  Process Biochemistry,1998,33(2):181 ~ 187.

[13] Nishi Akiko,ohbuchi kazuhiko,Hamachi Masaaki et al. élevage D’une souche constitutive de streptomyces Rochei PHA - 34 Qui produit l’enzyme lytique pour phaia Rhodozyma Et Extraction D’astaxanthine à l’aide de l’enzyme [J]. Seibutsu kogaku kaishi,1999, 77(2):60 ~ 65.