Astaxanthin là một carotenoid tan trong dầu (liposoluble), mang màu đỏ cam đặc trưng, thường được sinh tổng hợp như một chất chuyển hóa thứ cấp ở vi tảo, vi khuẩn và nấm men. Màu sắc đặc trưng của cá hồi, tôm, cua hay cá hồng phần lớn đến từ việc tích lũy Astaxanthin trong chuỗi thức ăn. Trong tự nhiên, vi tảo Haematococcus pluvialis là nguồn tự nhiên được khai thác phổ biến nhất để sản xuất Astaxanthin phục vụ công nghiệp.
Về bản chất, Astaxanthin thuộc nhóm xanthophyll – một phân nhóm của carotenoid có chứa nguyên tử oxy. Sự hiện diện của các nhóm chức chứa oxy trong cấu trúc giúp Astaxanthin không chỉ mang sắc tố đỏ cam đặc trưng, mà còn sở hữu những đặc điểm hóa học và sinh học khác biệt so với các carotenoid quen thuộc như β-carotene, lutein hay zeaxanthin.
Trong cấu trúc phân tử, phần trung tâm của Astaxanthin là chuỗi polyene chứa 13 liên kết đôi liên hợp – cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng mà mắt người có thể nhìn thấy (vùng khả kiến), tạo nên màu đỏ cam đặc trưng trong các loài cá hồi, giáp xác. Đáng chú ý, hệ liên hợp dài hơn so với β-carotene (11 liên kết) giúp Astaxanthin hấp thụ năng lượng hiệu quả hơn từ các gốc oxy phản ứng như oxy nguyên tử (singlet oxygen) – một trong những tác nhân oxy hóa phổ biến nhất trong cơ thể.
Tác động từ môi trường ô nhiễm, tia UV và căng thẳng kéo dài khiến làn da dễ rơi vào trạng thái tổn thương kéo dài, trong khi khả năng phục hồi da nội sinh có thể bị chậm trễ hoặc quá tải. Là mô đầu tiên tiếp xúc với các yếu tố oxy hóa, làn da cần được hỗ trợ thêm bằng các hợp chất có khả năng bảo vệ và trung hòa gốc tự do. Đây cũng là lý do vì sao Astaxanthin ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chăm sóc da khoa học.
Khác với các chất chống oxy hóa quen thuộc như vitamin C (tan trong nước) hay vitamin E (tan trong dầu), Astaxanthin sở hữu cấu trúc gồm 13 liên kết đôi liên hợp cùng hai nhóm chức phân cực (hydroxyl và carbonyl), cho phép hoạt động hiệu quả trong cả môi trường ưa nước lẫn ưa dầu.
Cấu trúc này giúp Astaxanthin có thể chèn xuyên vào lớp lipid kép của màng tế bào, từ đó trung hòa các gốc tự do không chỉ tại bề mặt mà còn sâu bên trong lõi màng – nơi stress oxy hóa thường khởi phát và lan rộng. Điều này góp phần ổn định cấu trúc màng, giảm peroxy hóa lipid màng – chính là một trong những dấu hiệu tổn thương sớm nhất của tế bào.
Một trong những cơ chế then chốt giúp Astaxanthin thể hiện hiệu quả vượt trội là khả năng hoạt động như một chất chống oxy hóa ngắt chuỗi (chain-breaking antioxidant). Khi các gốc peroxyl (ROO•) – sản phẩm trung gian của quá trình oxy hóa lipid – tấn công liên tục vào các acid béo không bão hòa trong màng tế bào, Astaxanthin có thể:
(1) Trung hòa nhiều loại gốc tự do, bao gồm gốc oxy, nitơ, sulfur và carbon – nhờ khả năng nhận hoặc cho electron, hoặc tạo liên kết cộng hóa trị bất hoạt với gốc tự do.
(2) Hấp thu electron tự do (“abstracting”), chặn đứng chuỗi phản ứng oxy hóa;
(3) Dẫn truyền electron hoặc năng lượng điện tử ra ngoài màng, tương tác với các chất chống oxy hóa khác như vitamin C nằm ngoài tế bào tạo nên một “hệ thống tiếp đất sinh học” giúp hạn chế tổn thương lan rộng. làm giảm tác động oxy hóa nội màng;