虾壳是虾加工过程中不可食用的部分，通常被视为低价值副产品，但实际上是虾青素（Asta）的一个有前景的来源（Gulzar等人，2020年）。虾青素是一种含氧类胡萝卜素，其特征是在一个长共轭双键的两端各有一个含氧的离子酮环（Yao等人，2021年）。由于其卓越的单线态氧（1O2）淬灭和自由基清除能力，它被视为一种典型的天然抗氧化剂。虾青素的抗氧化能力远超维生素E、茶多酚和辅酶Q10。值得注意的是，在体外条件下，其1O2淬灭效率大约是α-生育酚的550倍（Shimidzu等人，1996年；Zhao等人，2019年）。此外，虾青素还具有神经保护、心脏保护、抗炎和肝脏保护作用，以及抗衰老效果和增强免疫系统功能的能力（Alghazwi等人，2019年；Farruggia等人，2018年；Krestinina等人，2020年；Zhang等人，2017年）。因此，虾青素作为一种膳食补充剂，有望保护生物系统免受氧化应激的损害。
虾青素包含多种几何异构体，其中全反式、9-顺式和13-顺式虾青素是主要形式（Euglert & Vecchi，1980年）。一般来说，不同虾青素异构体在理化性质和生物活性上可能存在差异（Liu等人，2016年）。许多研究探讨了全反式虾青素及其混合物的商业来源，主要集中在它们的体外抗氧化活性上（Deng等人，2025年；Dose等人，2016年）。此外，也有报道指出虾青素几何异构体在体内也具有抗氧化能力（Liu等人，2018年）。然而，这些异构体在自由基清除能力和1O2淬灭效率方面的差异，以及它们之间的结构-活性关系仍不清楚。密度泛函理论（DFT）为分子结构、电子性质和反应能量提供了详细的解释，并得到了关于抗氧化相关现象的理论研究的支持（Tang等人，2025年）。DFT通过计算电离势、电子亲和力和分子轨道，使得抗氧化活性的系统评估成为可能。该方法在分子水平上的计算中非常有效，尤其是对于小分子系统（Shaker等人，2024年）。这为预测虾青素几何异构体的抗氧化差异机制提供了一种可行的方法。
先前的研究表明，虾青素可以调节Keap1-Nrf2信号通路（Zhang等人，2024年）。Keap1-Nrf2通路是体内氧化应激最重要的调节因子之一（Meng等人，2018年）。Keap1在机体对抗氧化应激中起关键作用，并作为Nrf2的负调节因子（Ouyang等人，2025年）。当抗氧化剂与Keap1上的Nrf2结合位点结合时，这种相互作用会增加自由Nrf2的水平，从而促进抗氧化酶的表达并发挥抗氧化作用（Sun等人，2025年；Wang等人，2022年）。虾青素上调Nrf2的表达并促进其向细胞核的转位，进而增强下游Nrf2靶基因的表达（Kanwugu & Glukhareva，2023年）。然而，参与虾青素几何异构体与Keap1 Nrf2结合口袋结合的具体氨基酸残基尚未确定。此外，这些异构体之间的立体电子互补性差异可能导致与关键氨基酸的相互作用模式不同，从而可能调节它们调节Nrf2信号通路的能力（Sun等人，2023年）。阐明虾青素几何异构体在Keap1-Nrf2信号通路中的具体结合位点对于理解其异构体特异性的抗氧化机制至关重要。
目前，在分子水平上，虾青素几何异构体之间抗氧化能力差异的机制基础仍不明确。虾青素几何异构体淬灭1O2的差异机制尚未阐明。因此，在本研究中，通过超高效液相色谱（UPLC）和半制备高效液相色谱（HPLC）成功区分和分离了三种虾青素几何异构体（全反式、9-顺式和13-顺式虾青素）。进一步的体外理化实验研究了这三种异构体的自由基清除和1O2淬灭能力，并阐明了它们在抗氧化活性上的差异。此外，还利用基于DFT的量子化学计算分析了这三种异构体之间的前沿分子轨道指数变化。分子对接模拟也用于明确它们与关键氨基酸的结合差异。通过建立和分析“结构-活性-机制”相关模型，本研究为虾青素的高效利用和抗氧化剂的合理设计提供了理论基础，同时为研究类胡萝卜素相关抗氧化系统建立了坚实的机制框架。分子层面的证据为开发先进的抗氧化制剂提供了战略指导。
