แอสตาแซนธินธรรมชาติกับสังเคราะห์ ผลิตอย่างไร?

แอสตาแซนธินธรรมชาติสร้างโดยสิ่งมีชีวิต เช่น สาหร่ายสีเขียวขนาดเล็ก Haematococcus pluvialis ซึ่งสะสมแอสตาแซนธินเมื่อเลี้ยงในสภาวะเครียด ยีสต์สีแดง Phaffia rhodozyma (หรือ Xanthophyllomyces dendrorhous) และแบคทีเรียบางชนิด ส่วนแอสตาแซนธินสังเคราะห์สร้างขึ้นจากสารเคมีตั้งต้นขนาดเล็ก โดยวิธีดั้งเดิมคือปฏิกิริยาที่เรียกว่าปฏิกิริยาวิททิก โมเลกุลพื้นฐานเป็นชนิดเดียวกันคือ C40H52O4 สิ่งที่ต่างกันคือวิธีผลิต ส่วนผสมของรูปร่างโมเลกุล (สาหร่ายสร้างรูป (3S,3'S) ยีสต์สร้างรูป (3R,3'R) และการสังเคราะห์ได้ส่วนผสมของสามรูปในอัตรา 1:2:1) และการที่แอสตาแซนธินอยู่ในรูปอิสระหรือจับกับกรดไขมัน

สรุปสั้น ๆ:

• จากสาหร่าย: เลี้ยง Haematococcus ให้เป็นสีเขียว ทำให้เครียดจนกลายเป็นสีแดง แล้วเก็บเซลล์ ทำให้แห้ง ทำให้เซลล์แตก และสกัด
• จากยีสต์และแบคทีเรีย: เพาะเลี้ยงเชื้อ ยีสต์ Phaffia สร้างรูป (3R,3'R) ที่ไม่ได้จับกับกรดไขมัน
• แบบสังเคราะห์: เชื่อมหน่วยโครงสร้างคาร์บอน 15 และ 10 อะตอมเข้าด้วยกัน ได้ส่วนผสมของสามรูปร่าง

บทความนี้เปรียบเทียบเฉพาะวิธีผลิตและความต่างของโมเลกุลเท่านั้น ส่วนเรื่องแอสตาแซนธินคืออะไรและมาจากไหนในธรรมชาติ อ่านได้ที่ แอสตาแซนธินคืออะไร มาจากไหน มีในอาหารอะไร?

แอสตาแซนธิน "ธรรมชาติ" และ "สังเคราะห์" หมายถึงอะไร?

โมเลกุลเดียวกัน แต่ผลิตต่างวิธี

แอสตาแซนธินเป็นแคโรทีนอยด์สีแดง มีสูตรเคมี C40H52O4 และมวลโมเลกุลราว 596.8 ตามข้อมูลของ PubChem ฐานข้อมูลสารเคมีของห้องสมุดการแพทย์แห่งชาติสหรัฐฯ คำว่า "ธรรมชาติ" ในที่นี้หมายถึงสร้างโดยสิ่งมีชีวิตแล้วนำมาสกัด ส่วน "สังเคราะห์" หมายถึงสร้างจากโมเลกุลขนาดเล็กด้วยปฏิกิริยาเคมี

แต่ละแบบมาจากไหน

บทความทบทวนของ Ambati และคณะ ปี 2014 ระบุว่าแอสตาแซนธินเชิงพาณิชย์มาจากยีสต์ Phaffia สาหร่าย Haematococcus และการสังเคราะห์ทางเคมีเป็นหลัก

แอสตาแซนธินจากสาหร่าย Haematococcus ผลิตอย่างไร?

Haematococcus pluvialis สะสมแอสตาแซนธินเฉพาะเมื่ออยู่ในสภาวะเครียด การผลิตจึงแบ่งเป็นสองระยะ

สองระยะ: สีเขียว แล้วสีแดง

บทความทบทวนของ Shah และคณะ ปี 2016 จากมหาวิทยาลัยปักกิ่ง อธิบายว่าระยะแรกคือ "ระยะสีเขียว" ซึ่งเลี้ยงสาหร่ายในสภาวะที่เหมาะสม เช่น แสงน้อยและมีไนโตรเจนเพียงพอ จนเซลล์หนาแน่น ระยะที่สองคือ "ระยะสีแดง" ซึ่งให้เซลล์อยู่ในสภาวะเครียด เช่น แสงจัดและขาดไนโตรเจน บทความทบทวนของ Stachowiak และ Szulc ปี 2021 จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ชีวภาพพอซนาน โปแลนด์ ระบุสิ่งกระตุ้นอื่นอีก เช่น การขาดฟอสฟอรัสและความเค็มสูง และระบุว่าเซลล์จะกลายเป็นเซลล์พักตัวผนังหนา (ซีสต์) ที่เก็บสารสีไว้ภายใน

บ่อเปิด หรือถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบปิด

สาหร่ายเลี้ยงได้ทั้งในบ่อเปิดแบบรางวน (raceway pond) และในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสง (photobioreactor) แบบปิด เช่น แบบท่อ แบบคอลัมน์ฟองอากาศ และแบบแอร์ลิฟต์ (Shah และคณะ) Stachowiak และ Szulc ระบุว่าบ่อเปิดเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของสาหร่าย แบคทีเรีย และเชื้อราชนิดอื่น จึงต้องใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่

งานวิจัยในประเทศไทย

นักวิจัยจากจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยได้ศึกษากระบวนการนี้ งานวิจัยปี 2007 เลี้ยงเซลล์ Haematococcus ระยะสีเขียวในถังปฏิกรณ์แบบแอร์ลิฟต์ และพบว่าเซลล์เติบโตได้ดีกว่าในถังแบบคอลัมน์ฟองอากาศภายใต้สภาวะเดียวกัน และเมื่อเลี้ยงแบบกึ่งต่อเนื่องสามารถเก็บเกี่ยวได้ทุกสี่วัน ต่อมา งานวิจัยปี 2015 กระตุ้นระยะสีแดงในถังปฏิกรณ์แบบแอร์ลิฟต์แผ่นแบนขนาด 17 ถึง 90 ลิตร ในอาคาร แอสตาแซนธินสูงถึงร้อยละ 5.34 ของน้ำหนักเซลล์ ส่วนกลางแจ้งได้ผลต่ำกว่าเล็กน้อยเพราะแสงแดดจัดยับยั้งเซลล์ และผลดีที่สุดกลางแจ้งคือร้อยละ 4.47 จากถังที่คลุมด้วยตาข่ายพรางแสงหนึ่งชั้น

จากเซลล์สีแดงถึงสารสกัด

Stachowiak และ Szulc อธิบายว่าการสกัดด้วยคาร์บอนไดออกไซด์วิกฤติยิ่งยวดไม่ต้องกำจัดตัวทำละลายภายหลัง เพราะคาร์บอนไดออกไซด์กลับเป็นแก๊สที่อุณหภูมิและความดันปกติ

แอสตาแซนธินจากยีสต์และแบคทีเรียผลิตอย่างไร?

ยีสต์ Phaffia

Stachowiak และ Szulc อธิบายว่า Xanthophyllomyces dendrorhous (Phaffia rhodozyma) เป็นยีสต์สีแดงที่สร้างแอสตาแซนธินซึ่งไม่ได้จับกับกรดไขมัน ส่วนใหญ่อยู่ในรูป (3R,3'R) และเก็บไว้ในหยดไขมันภายในเซลล์ สายพันธุ์ธรรมชาติมีแอสตาแซนธินเพียงร้อยละ 0.01 ถึง 0.03 ของน้ำหนักแห้ง การผลิตระดับอุตสาหกรรมจึงใช้สายพันธุ์ที่สร้างได้มากกว่า 5 ถึง 10 เท่า ซึ่งได้มาจากวิธีต่าง ๆ เช่น การชักนำให้กลายพันธุ์ งานวิจัยของมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ประยุกต์อันฮัลท์ เยอรมนี ปี 2007 ยืนยันว่ายีสต์ชนิดนี้สร้างแอสตาแซนธินรูป R,R เป็นหลัก ขณะที่สาหร่ายสีเขียว Scenedesmus สร้างรูป S,S เป็นหลัก

แบคทีเรีย

Ambati และคณะระบุแบคทีเรีย Paracoccus carotinifaciens ว่ามีแอสตาแซนธินร้อยละ 2.2 ของน้ำหนักแห้ง Stachowiak และ Szulc ระบุแบคทีเรียอื่นที่สร้างแอสตาแซนธินได้อีกหลายชนิด เช่น Brevibacterium และ Agrobacterium aurantiacum

แอสตาแซนธินสังเคราะห์ผลิตอย่างไร?

ปฏิกิริยาวิททิก

Stachowiak และ Szulc อธิบายว่าวิธีที่เก่าที่สุดคือปฏิกิริยาวิททิก ซึ่งเชื่อมหน่วยโครงสร้างคาร์บอน 15 อะตอม (เกลือฟอสโฟเนียม) สองหน่วยเข้ากับหน่วยกลางคาร์บอน 10 อะตอมที่สมมาตร (ไดอัลดีไฮด์) ได้เป็นโมเลกุลแอสตาแซนธินที่มีคาร์บอน 40 อะตอม Shah และคณะก็อธิบายปฏิกิริยาเดียวกันระหว่างเกลือแอสตา-C15-ไตรแอริลฟอสโฟเนียมกับ C10-ไดอัลดีไฮด์

วิธีอื่น

บทความทบทวนของ Stachowiak ระบุวิธีอื่นอีก ได้แก่ การเติมหมู่ไฮดรอกซิลให้แคนทาแซนธิน (แคโรทีนอยด์ที่ใกล้เคียงกัน) การสังเคราะห์แบบ C10 + C10 + C10 และการเปลี่ยนลูทีนที่สกัดจากดอกดาวเรืองให้เป็นแอสตาแซนธิน

แอสตาแซนธินสังเคราะห์ใช้ทำอะไร?

Stachowiak และ Szulc รายงานว่าแอสตาแซนธินสังเคราะห์ครองตลาดอาหารสัตว์มากกว่าร้อยละ 95 ในเดือนพฤษภาคม 1995 US FDA อนุญาตให้ใช้แอสตาแซนธินสังเคราะห์เป็นสารให้สีในอาหารสัตว์และอาหารปลา และในสหภาพยุโรปขึ้นทะเบียนเป็นสารเติมแต่งในอาหารสำหรับปลาแซลมอน ปลาเทราต์ สัตว์มีเปลือก และปลาสวยงาม สารนี้ทำให้ปลาและกุ้งที่เลี้ยงมีสีชมพูถึงแดง ดังที่อธิบายไว้ใน อาหารอะไรมีแอสตาแซนธิน และมีมากแค่ไหน?

โมเลกุลต่างกันทางเคมีอย่างไร?

โมเลกุลเดียวกันที่มีสามรูปร่าง

แอสตาแซนธินมีคาร์บอนสองอะตอมที่ตำแหน่ง 3 และ 3' ซึ่งแต่ละอะตอมมีหมู่ไฮดรอกซิล และชี้ได้สองทาง Stachowiak และ Szulc อธิบายว่าจึงเกิดไอโซเมอร์เชิงโครงแบบได้สามแบบ คือ (3R,3'R) กับ (3S,3'S) ซึ่งเป็นภาพสะท้อนในกระจกของกันและกัน และรูปมีโซ (3R,3'S) ทั้งสามแบบพบได้ในธรรมชาติ โดยมีสัดส่วนต่างกันตามแหล่งที่มา

แถวของสาหร่ายและยีสต์มาจากตารางใน Stachowiak และ Szulc (2021) แถวของแบบสังเคราะห์แสดงอัตรา 1:2:1 ของ (3R,3'R) (3R,3'S) และ (3S,3'S) ที่ทั้ง Stachowiak และ Szulc และ Shah และคณะรายงาน โดยเขียนเป็นสัดส่วน

อิสระ หรือจับกับกรดไขมัน

วงแหวนปลายแต่ละด้านของแอสตาแซนธินมีหมู่ไฮดรอกซิลที่จับกับกรดไขมันได้ จับกรดไขมันหนึ่งโมเลกุลเรียกว่าโมโนเอสเทอร์ จับสองโมเลกุลเรียกว่าไดเอสเทอร์ Shah และคณะรายงานว่าเซลล์ Haematococcus ที่เป็นสีแดงเต็มที่มีโมโนเอสเทอร์ราวร้อยละ 70 ไดเอสเทอร์ราวร้อยละ 25 และแอสตาแซนธินอิสระเพียงราวร้อยละ 5 โดยมักเป็นเอสเทอร์ของกรดปาล์มิติก กรดโอเลอิก หรือกรดลิโนเลอิก

รูปตรงและรูปงอ (ทรานส์และซิส)

นอกจากสามรูปร่างข้างต้น สายยาวตรงกลางโมเลกุลยังอาจเป็นรูปตรง (all-trans) หรืองอที่พันธะคู่หนึ่งตำแหน่ง (รูปซิส เช่น 13-cis) งานวิจัยของมหาวิทยาลัยมหาสมุทรแห่งประเทศจีน ปี 2015 พบว่าเมื่อให้ความร้อนกับกุ้ง รูป all-trans ลดลงและรูป 13-cis เพิ่มขึ้น การปรุงอาหารจึงเปลี่ยนรูปของโมเลกุลได้ด้วย

นักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่าแอสตาแซนธินมาจากแหล่งไหน?

เพราะแต่ละแหล่งมีส่วนผสมของรูปร่างเป็นของตัวเอง ส่วนผสมนี้จึงใช้เหมือนลายนิ้วมือได้

วิธีของ FDA สำหรับปลาแซลมอน

ใน บทความปี 1997 นักวิทยาศาสตร์ของ US FDA อธิบายวิธีโครมาโทกราฟีของเหลวที่แยกรูปร่างต่าง ๆ ของแอสตาแซนธิน รูปแบบของรูปร่างในแซลมอนแอตแลนติกและแซลมอนแปซิฟิกจากธรรมชาติคล้ายกัน แต่ต่างอย่างมีนัยสำคัญจากแซลมอนเลี้ยงที่กินแอสตาแซนธินสังเคราะห์ ผู้เขียนระบุว่าวิธีนี้ยังใช้ระบุแอสตาแซนธินจากยีสต์ Phaffia และสาหร่าย Haematococcus ได้ด้วย

ตรวจซ้ำด้วยกรดไขมัน

งานวิจัยในสหรัฐฯ ปี 2009 เปรียบเทียบการตรวจกรดไขมันที่ง่ายกว่ากับวิธีแยกรูปร่างแอสตาแซนธินของ FDA ในตัวอย่างแซลมอน 30 ตัวอย่าง และพบว่าทั้งสองวิธีให้ผลตรงกันร้อยละ 100 ในการแยกปลาเลี้ยงออกจากปลาธรรมชาติ

แอสตาแซนธินมีขีดจำกัดความปลอดภัยไหม?

แอสตาแซนธินไม่ใช่สารอาหารที่มีค่าอ้างอิงสารอาหารต่อวันสำหรับคนไทย (Thai RDIs) จึงไม่มีปริมาณที่แนะนำต่อวันของไทย

ค่า ADI ของ EFSA

สำนักงานความปลอดภัยด้านอาหารแห่งสหภาพยุโรป (EFSA) อธิบายว่าคณะผู้เชี่ยวชาญด้านสารเติมแต่งในอาหารสัตว์ของ EFSA กำหนดปริมาณที่รับได้ในแต่ละวัน (ADI) ไว้ที่ 0.2 มิลลิกรัมต่อน้ำหนักตัว 1 กิโลกรัมในปี 2019 ระหว่างการประเมินแอสตาแซนธินรูปที่ใช้เป็นสารเติมแต่งในอาหารสัตว์ (แอสตาแซนธินไดเมทิลไดซักซิเนต) และในปี 2020 คณะผู้เชี่ยวชาญด้านโภชนาการใช้ค่า ADI เดียวกันนี้ในการประเมินแอสตาแซนธินจากสาหร่าย Haematococcus โดยนับรวมแอสตาแซนธินจากปลา สัตว์มีเปลือก และผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร

เมื่อไรควรปรึกษาแพทย์หรือเภสัชกร?

ผู้ที่ตั้งครรภ์หรือให้นมบุตร ผู้ที่ใช้ยาประจำ และผู้ที่แพ้ปลาหรือสัตว์มีเปลือก ควรปรึกษาแพทย์หรือเภสัชกรก่อนรับประทานผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร

ทั้งนี้ ผลิตภัณฑ์เสริมอาหารไม่มีผลในการป้องกันหรือรักษาโรค