直接从雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）中回收游离虾青素：通过双功能深共晶溶剂在一步法中实现提取与转化

《Journal of Biotechnology》：Direct Recovery of Free Astaxanthin from Haematococcus pluvialis: Bifunctional Deep Eutectic Solvent-Mediated Extraction and Conversion in a Single-Step

　　

陈淑苗|沈泽涛|文丽娇|韩英仪|曹学丽

北京食品营养与人类健康高级创新中心，北京科技商务大学，中国北京100048

摘要

在本研究中，设计了一系列深度共晶溶剂（DESs），使用二胺作为氢键受体（HBAs），酚类衍生物作为氢键供体（HBDs）。由1,3-丙二胺和间甲酚组成的DES被证明是从Haematococcus pluvialis中回收虾青素的最有效体系。这种双功能DES能够实现虾青素酯的一步提取和转化。通过1H NMR对DES的结构进行了表征，计算化学进一步确认了DES内的OH?N氢键。量子化学计算阐明了转化机制，表明DES催化了虾青素酯中的酯键断裂，生成了游离的虾青素。此外，通过优化细胞破坏和提取过程，提高了回收效率，在最佳条件下（摩尔比3:1，提取时间2.1小时，物料与液体比1:110克/毫升）实现了35.8 ± 0.13毫克的产率。总体而言，这种策略为直接从Haematococcus pluvialis中生产游离虾青素提供了一种高效、环保的方法。

引言

虾青素是一种具有优异抗氧化特性的酮类胡萝卜素（Matsuno和Miki，1990年；Yamashita，2015年），在工业上有广泛的应用：作为食品着色剂/营养增强剂（Dang等人，2024年）、营养保健品成分（Bj?rklund等人，2022年）、抗衰老化妆品成分（Dutta等人，2023年）以及水产饲料添加剂（Yuan等人，2011年；Yao等人，2023年；Pei等人，2025年）。虽然化学合成占据了95%的市场份额（Zhang等人，2020年），但合成虾青素的抗氧化活性较弱，存在潜在的副产品风险，且不适合直接人类食用。因此，天然虾青素更受青睐，并已获得欧盟委员会的批准（Khoo等人，2019年）。Haematococcus pluvialis是一种绿藻，属于绿藻门，被认为是最有效的天然虾青素来源，在压力条件下能积累大量虾青素（Boussiba，2000年；Rao等人，2010年；Mularczyk等人，2020年）。然而，Haematococcus pluvialis中的虾青素主要以酯的形式存在（60%为单酯，35%为双酯），仅有5%为游离虾青素（主要是全反式3S,3’S异构体）（Peng等人，2008年），而游离虾青素的抗氧化活性更高（Kobayashi和Sakamoto，1999年；Jaime等人，2010年）。

已经有多种技术用于从Haematococcus pluvialis中提取虾青素，如有机溶剂提取（Sarada等人，2006年）、基于油的溶剂提取（Kang和Sim，2008年；Dong等人，2014年）、微波辅助提取（Zou等人，2013年）、超临界流体提取（Salatti-Dorado等人，2019年）、超分子溶剂提取（Salatti-Dorado等人，2019年）、超临界CO₂提取（Cheng等人，2018年；Molino等人，2018年）以及磁辅助提取（Zielińska-Dawidziak等人，2012年；Khoo等人，2019年）。然而，虾青素对光、热、pH变化和氧化应激非常敏感，这导致提取过程中的稳定性较差（Fan等人，2021年）。这在平衡高提取效率和良好的结构完整性方面提出了一个关键挑战。尽管通过优化提取参数和开发新的提取方法可以提高虾青素的产率和纯度，但这些策略仍不足以完全解决与稳定性相关的问题并满足不断增长的市场需求。

近年来，人们对环保溶剂作为传统溶剂的可持续替代品越来越感兴趣（Chandra Roy等人，2021年；Pitacco等人，2022年）。深度共晶溶剂（DES）是一类新型的环保共晶体系，通过氢键供体（HBDs）和氢键受体（HBAs）在精确摩尔比下的氢键相互作用形成（Abbott等人，2003年；Han等人，2024年）。DESs通过其组分和摩尔比的设计表现出优异的生物相容性和可调性，适用于生物催化、生物转化和生物活性化合物的提取，同时还能提高效率和分析物的稳定性（Satlewal等人，2018年；Wen等人，2024年）。DESs能够提高化合物的稳定性和抗氧化活性，为天然生物活性物质的回收提供了巨大潜力（Durand等人，2017年；El Achkar等人，2021年）。这些独特性质使得DESs特别适合解决酯化生物活性物质的提取和转化过程中的瓶颈问题。

DESs凭借其可调的结构、生物相容性和温和的反应条件，最近成为集成提取和催化转化天然产物的多功能介质。传统策略依赖于耗时且不可持续的多步骤过程（Yuan和Chen，2000年；Sun等人，2014年）。相比之下，DESs同时作为提取剂和催化介质，通过酯键断裂实现游离生物活性形式的一步释放。这种集成策略避免了中间产物的分离，降低了操作复杂性，并提高了过程的可持续性和产品的稳定性。例如，四丁基铵氯化物-乙二醇DES被用于从Polygonum cuspidatum中同时提取和转化多丹宁为白藜芦醇（Sun等人，2021年）；苄基三乙基铵氯化物-草酸二水合物被开发用于一步提取和水解克罗辛为克罗塞汀（Wen等人，2024年）；聚乙烯醇-草酸DES被用于木质纤维素的同时分级和转化（Liu等人，2025年）。迄今为止，DES介导的耦合提取和水解已成功应用于各种含有酯的植物化学物质和微藻代谢物，展示了它们在绿色高效生产高价值游离生物活性化合物方面的多功能性（Tesli等人，2022年；Wei等人，2023年；Huang等人，2025年；Pastor等人，2026年）。然而，关于将此类集成策略应用于从Haematococcus pluvialis中转化虾青素酯的研究仍然较少。因此，本研究提供了这一研究方向的补充探索。

在本研究中，设计并筛选了一系列基于二胺和酚类衍生物的DESs，作为从Haematococcus pluvialis中一步提取和转化虾青素酯为游离虾青素的双功能溶剂。系统优化了与细胞破坏、提取和转化相关的关键参数，以实现高效、快速地回收高纯度和稳定性的游离虾青素。此外，还全面阐明了同时提取-转化过程的机制。

部分摘录

化学品和试剂

Haematococcus pluvialis产品购自山东圣佳德生物技术有限公司，并避光储存。全反式虾青素标准品（95%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。盐酸（HCl，A.R.）购自北京现代东方精细化工技术有限公司。甲醇（99.5%）和乙醇（99.5%）购自天津富辰化学试剂有限公司。

虾青素和虾青素酯的同时分析

如2.2节所述，开发了一种HPLC分析方法用于同时分析虾青素和虾青素酯。在评估不同的提取-转化系统之前，首先确定了目标化合物的色谱特性。图2A显示了甲醇中的全反式虾青素标准品的色谱图，图2B展示了通过甲醇辅助方法从Haematococcus pluvialis中提取的虾青素酯的色谱图

结论

本研究开发了一种新型DES，使用碱性胺作为HBAs和酚类化合物作为HBDs，用于从Haematococcus pluvialis中一步提取和转化虾青素酯为游离虾青素。1,3-丙二胺:间甲酚组成的DES表现最佳，在优化条件下（DES摩尔比3:1，提取时间2.1小时，物料与液体比1:110克/毫升）获得了最高35.8（± 0.13）毫克的游离虾青素产率，实现了高效和快速的提取

CRediT作者贡献声明

陈淑苗：方法学研究、数据管理。曹学丽：写作——审稿与编辑、监督、资金获取。韩英仪：写作——初稿撰写、软件使用、实验研究。文丽娇：方法学研究、概念构思。沈泽涛：方法学研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢北京自然科学基金和北京市教育委员会对本工作的财政支持（KZ202010011017）。