Astaxanthin là dẫn xuất 3,3’ – dihydroxy 4,4’ – diketo của , ’ – caroten, cĩ cơng thức phân tử C40H52O4 (M = 596).
Cơng thức cấu tạo như sau:
Tính chất vật lý:
- Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc: Astaxanthin hấp thụ rất mạnh bức xạ trong vùng 470 – 510 nm (cực đại hấp thụ thay đổi tuỳ theo dung mơi sử dụng; hệ số tắt phân tử khoảng 105), tạo nên màu đỏ cam rất đẹp.
Đặc tính hấp thụ ánh sáng của astaxanthin cĩ thể bị thay đổi khi astaxanthin ở trạng thái liên kết với các phân tử khác. Chẳng hạn, trong tơm, cua… astaxant hin thường liên kết với các phân tử protein tạo thành phức carotenoprotein (tức crusta cyanin) cĩ max = 628 nm, tạo nên màu xanh đặc trưng cho các lồi thuỷ sản sống. Dưới tác dụng của nhiệt, liên kết trên bị phá huỷ và giải phĩng trở lại astaxanthin t ự do cĩ màu đỏ cam.
- Tính tan: Astaxanthin là một chất ít phân cực nên kém tan trong nước, dễ tan trong các dung mơi hữu cơ cĩ độ phân cực thấp hay trung bình như pyridin, acetone, metanol, petroleum ether…
Tính chất hĩa học
Do phân tử chứa chuỗi polyen với các nhĩm keto, hydroxyl gắn với vịng đầu mạch nên astaxanthin rất nhạy cảm với các tác nhân oxy hố, acid và base.
- Sự oxy hố: Astaxanthin ở dạng tự do rất dễ bị oxy hố bởi các tác nhân electrophil như oxy phân tử, oxy nguyên tử, hay các gốc tự do (ví dụ: gốc hydroxyl, gốc peroxid…). Tuy nhiên, ở dạng liên kết với protein hay ở dạng este r hố thì nĩ bền hơn.
Hoạt tính chống oxy hố của astaxanthin trong cơ thể được giải thích bằng khả năng bắt giữ các gốc tự do tạo thành gốc cacbon trung tâm bền vững nhờ hiệu ứng cộng hưởng:
ROO + AST = ROO - AST
(AST: ký hiệu phân tử astaxanthin; ROO : gốc peroxid)
- Phản ứng với acid: Astaxanthin phản ứng với các acid yếu theo một cân bằng thuận nghịch, tạo ra một phức hợp của các dạng cấu trúc (II) và (III) (hình 1.18), gây ra sự dịch chuyển cực đại hấp thụ của nĩ về phía sĩng dài, khi trung hồ bằng các base yếu (như dioxan) cấu trúc phân tử astaxanthin lại được phục hồi. Tuy nhiên, khi phản ứng với các acid mạnh (như HCl, H2SO4…) cĩ thể xảy ra sự phân huỷ chuỗi polyen của astaxanthin, làm nhạt màu đỏ cam.
Hình 1.18: Sự thay đổi cấu trúc phân tử astaxanthin khi tương tác với acid - Phản ứng với base: Trong mơi trường kiềm, khi cĩ mặt khơng khí astaxanthin bị oxy hố nhanh chĩng thành astacene cĩ màu đỏ sẫm.
Hình 1.19: Astacene
- Phản ứng khử: Khi xử lý bằng các tác nhân như NaBH4/EtOH, các nhĩm keto trong phân tử astaxanthin sẽ chuyển thành nhĩm hydroxyl, tạo thành crustaxanthin do đĩ làm dịch chuyển cực đại hấp thụ của astaxanthin khoảng 20 – 30nm về phía sĩng ngắn.
Chức năng sinh học của astaxanthin
Đối với người và động vật cĩ vú:
- Astaxanthin là một chất chống oxy hố rất hiệu quả, cĩ khả năng bảo vệ phospholipid của màng tế bào khỏi sự oxy hố. Khả năng chống oxy hố của astaxanthin lớn hơn - caroten ít nhất 10 lần và lớn hơn vitamin E từ 80 – 550 lần.
- Astaxanthin giúp ngăn ngừa một số bệnh ung thư như: Ung thư bàng quang, ung thư vịm họng, ung thư kết tràng.
- Astaxanthin cĩ tác dụng tốt trong việc bảo vệ võng mạc khỏi bị oxy hố, cải thiện những tổn thương ở võng mạc và bảo vệ các tế bào tiếp nhận ánh sáng khỏi bị thối hố. Đồng thời astaxanthin rất hữu hiệu trong việc giúp đề phịng và chữa trị những tổn thương tế bào thần kinh như bệnh Alzheimer, bệnh Parkinson và những tổn thương tuỷ sống…
- Astaxanthin cĩ khả năng ngăn ngừa sự oxy hố LD P – low density lipoprotein tức là lipoprotein cĩ trọng lượng riêng thấp, do đĩ cĩ khả năng ngăn ngừa bệnh xơ cứng động mạch, chứng tắc nghẽn động mạch vành…
- Astaxanthin cịn cĩ chức năng bảo vệ chống tác hại của tia tử ngoại nhờ cĩ khả năng bắt giữ các gốc tự do hình thành do sự quang hố. Ngồi ra nĩ cũng hữu hiệu trong việc phịng ngừa và điều trị các chứng nhiễm khuẩn Helicobacter trong hệ tiêu hố của động vật cĩ vú.
Đặc biệt đối với người và động vật cĩ vú, astaxanthin khơng cĩ hoạt tính của một tiền vitamin A, vì vậy khơng cĩ nguy cơ ngộ độc do tích luỹ quá nhiều astaxanthin. Thực vậy, những thử nghiệm trên chuột cho thấy khơng cĩ một tác dụng nguy hại nào khi sử dụng liều 400 ppm astaxanthin trong 41 ngày. Đối với người liều sử dụng an tồn cĩ thể đến 14,4 mg/ngày trong vịng 2 tuần.
Đối với các lồi động vật thuỷ sản:
- Astaxanthin cũng cĩ một vai trị rất quan trọng trong việc bảo vệ tế bào chống sự oxy hố, chống tác hại của tia tử ngoại, tăng cường sức đề kháng, giúp tăng khả năng tăng trưởng và khả năng sống sĩt của các loài thuỷ sản.
- Astaxanthin cịn tạo nên màu sắc đặc trưng cho một số loài thuỷ sản như tơm, cua, cá hồi… Màu sắc chính là dấu hiệu của sự thành thục, nĩ tạo nên sức hấp dẫn giới tính và do đĩ cĩ tác dụng tăng cường năng suất sinh sản ở các l oài thuỷ sản này.
Ứng dụng của astaxanthin
Gần đây, astaxanthin mới bắt đầu được quan tâm ứng dụng trong một số lĩnh vực sau đây:
- Astaxanthin được xem là một vitamin thiết yếu cho cá hồi và các lồi giáp xác được dùng làm chất phụ gia trong thức ăn nuơi cá hồi và tơm, nhằm tạo màu đỏ cam hấp dẫn người tiêu dùng. Astaxanthin giúp tăng khả năng sinh sản, tỷ lệ sống sĩt của trứng, tốc độ sinh trưởng của cá hồi, tốc độ phát triển của tơm và ấu trùng. Đồng thời astaxanthin gĩp phần tăng cường màu sắc cho cá cảnh …
- Astaxanthin được dùng làm phụ gia trong chế biến thức ăn gia súc, gia cầm, làm tăng màu vàng cam cho lịng đỏ trứng, tăng tỷ lệ nở con và giảm khả năng nhiễm khuẫn Salmonella…
- Astaxanthin là thành phần quan trọng của nhiều loại thực phẩm như: Thuốc
điều trị chứng viêm ruột, viêm dạ dày do nhiễm khuẩn Helicobacter sp.
- Astaxanthin là thành phần của một số chế phẩm vitamin được tung ra thị trường vài năm gần đây nhằm bổ sung cho chế độ dinh dưỡng hàng ngày của con người.
Các nguồn astaxanthin trong tự nhiên
Vỏ các loài giáp xác thuỷ sản
Trong các lồi giáp xác thuỷ sản, astaxanthin chủ yếu tập trung ở phần vỏ ngoài chiếm 58-87% tổng hàm lượng carotenoid. Nĩ thường vẫn tồn tại ở dạng tự do, dạng mono- hay di–ester với các acid béo khơng no mạch dài hoặc dưới dạng phức carotenoprotein của dạng đồng phân quang học (3 S, 3’S). Hàm lượng astaxanthin trong vỏ tơm, cua thay đổi đáng kể tuỳ theo loài (từ 10 – 140 mg/kg trọng lượng ướt). Như vậy, vỏ tơm và cua chính là một nguồn astaxanthin tự nhi ên đáng kể.
Nấm men Phaffia rhodozyma
Phaffia rhodozyma là một loài nấm men duy nhất được biết hiện nay cĩ khả
rhodozyma tự nhiên khá thấp, khơng thích hợp cho mục đích thương mại. Hiện nay bằng kỹ thuật biến đổi gen đã tạo ra được những chủng Phaffia rhodozyma cĩ hàm lượng astaxanthin khá lớn (300 – 2000 mg/kg trọng lượng khơ) để sử dụng trong cơng nghiệp sản xuất astaxanthin.
Vi tảo Haematococcus pluvialis
Vi tảo nước ngọt Haematococcus pluvialis là một loài tảo lục đơn bào, được xem là sinh vật cĩ khả năng tích luỹ một hàm lượng astaxanthin lớn nhất trong tự nhiên (10 – 30 g/kg sinh khối khơ, tức gấp 1000 – 3000 lần trong thịt cá hồi).
Haematococcus pluvialis chủ yếu chứa mono – ester của astaxanthin với các acid béo C16:0; C18:1 và C18:2…, trong đĩ astaxanthin tồn tại ở dạng đồng phân quang học (3S, 3’S), tức là dạng tơm cá… dễ hấp thụ.