β-胡蘿卜素的生物學(xué)作用及其機理

李 超 賈炳玉 高 民 宋利文 胡紅蓮

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院動物營養(yǎng)與飼料研究所，呼和浩特 010031)

β-胡蘿卜素是人類飲食和組織中含量最豐富的維生素A原類胡蘿卜素。β-胡蘿卜素及其代謝產(chǎn)物是組織代謝中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)信號因子，在包括人類在內(nèi)的哺乳動物中發(fā)揮了許多有益功能。盡管β-胡蘿卜素被認為是維生素A的一種安全形式，但由于其高度受控的腸吸收機制，至少在特定情況下其有害作用是由于攝入量不當引起的。本文概述了β-胡蘿卜素的代謝情況，明確區(qū)分了其可能對動物健康產(chǎn)生的有益或有害影響，從而為不同動物的β-胡蘿卜素可攝入的適宜劑量提供理論依據(jù)。

1 β-胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)和特性

自然界中類胡蘿卜素(carotenoids)種類繁多，根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可分為胡蘿卜素和葉黃素[1]。胡蘿卜素(如β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素和β-隱黃質(zhì))是分子的一端或兩端為線性或具有環(huán)狀烴的非氧化類胡蘿卜素，葉黃素(如玉米黃質(zhì)、內(nèi)消旋玉米黃質(zhì)、蝦青素和角黃素)是胡蘿卜素的氧化衍生物[2]。在胡蘿卜中發(fā)現(xiàn)了β-胡蘿卜素，同時發(fā)現(xiàn)了其3種異構(gòu)體(α、β、γ)，其中β-胡蘿卜素活性最強，且在自然界中普遍存在[3]。

β-胡蘿卜素和維生素A之間的聯(lián)系是由Von Euler等[4]確立，并進一步證明結(jié)晶胡蘿卜素具有維生素A活性；Moore[5]進一步研究表明β-胡蘿卜素可在大鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A。根據(jù)類胡蘿卜素本身是否具有維生素A前體作用，將其分為維生素A原和非維生素A原。維生素A原及其在酶切和非酶裂解后的代謝物(類維生素A)能產(chǎn)生維生素A，β-胡蘿卜素是自然界中含量最豐富的維生素A前體[6]。β-胡蘿卜素是含有40個碳原子、分子結(jié)構(gòu)兩端有15個共軛雙鍵和2個β-紫羅蘭酮環(huán)的短直鏈分子，這種結(jié)構(gòu)特性使β-胡蘿卜素本質(zhì)上具有高疏水性和非極性。在動物體內(nèi)，與非極性類胡蘿卜素相比，極性類胡蘿卜素似乎更容易被吸收[7]?？偟膩碚f，類胡蘿卜素都具有高度疏水性特性。

2 β-胡蘿卜素在動物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運、代謝和沉積

2.1 β-胡蘿卜素在動物腸道內(nèi)的吸收

β-胡蘿卜素在消化道內(nèi)的動力學(xué)參數(shù)大多來源于非反芻動物的研究結(jié)果。由于動物體內(nèi)的β-胡蘿卜素是與脂質(zhì)一起運輸?shù)?，因此其在小腸中的轉(zhuǎn)運和吸收受飼糧中油脂種類和含量的影響非常大。β-胡蘿卜素的非極性特性決定了其在轉(zhuǎn)運過程中位于消化道微粒核中，從乳狀液中轉(zhuǎn)移到乳糜微粒中的效率為12%～18%[8]。當β-胡蘿卜素攝入量較高或者油脂攝入量較低時，β-胡蘿卜素在小腸中由乳狀液轉(zhuǎn)運到乳糜微粒的過程是限速的。小腸主要負責(zé)吸收脂質(zhì)、脂溶性維生素及β-胡蘿卜素，以及隨后將其遞送至外周組織。研究表明，即使人腸道大量表達的β-胡蘿卜素 15,15′加氧酶(CMOⅠ或BCMO1或BCO1)，在腸道中也不會將攝入的β-胡蘿卜素完全腸轉(zhuǎn)化為維生素A，實際攝入的β-胡蘿卜素中17%～45%以完整的未切割形式釋放到外周循環(huán)中[9]。研究顯示，CMOⅠ基因中多種多態(tài)性相關(guān)的CMOⅠ可變酶可能是導(dǎo)致某些個體分解β-胡蘿卜素效率較低的原因[10]。研究也表明，小鼠和其他嚙齒類動物的腸道能更高效地攝取β-胡蘿卜素，只有在超生理量攝入時，才可以在其循環(huán)中檢測到該維生素A原類胡蘿卜素[11]。其他動物模型如蒙古沙鼠、家蠶和反芻動物小牛等也可吸收完整形式的β-胡蘿卜素，并且維生素A前體物在血清和組織中的分布與人體類似。目前，對反芻動物吸收和轉(zhuǎn)運β-胡蘿卜素的機制還不是很清楚，但是反芻動物可作為研究類胡蘿卜素轉(zhuǎn)運的良好模型。由于反芻動物瘤胃微生物對脂肪在進入十二指腸前有修改和重新合成作用，因此比非反芻動物要復(fù)雜的多，葉黃素在瘤胃尚未發(fā)育的小牛血清中的出現(xiàn)要比β-胡蘿卜素早[12]。

2.2 β-胡蘿卜素在動物血清中的轉(zhuǎn)運

目前已確定，由于β-胡蘿卜素(包括其他類胡蘿卜素)的高親脂性和非極性，其轉(zhuǎn)運與循環(huán)中的各種脂蛋白密切相關(guān)，其可能進入各種脂蛋白顆粒如乳糜微粒及其殘留物[極低密度脂蛋白(VLDL)、中間密度脂蛋白(IDL)和低密度脂蛋白(LDL)]的疏水核心以及其他脂質(zhì)如膽固醇酯和視黃酯中[13]，這些脂蛋白促進β-胡蘿卜素從腸屏障轉(zhuǎn)移到身體的各種組織以及其跨組織轉(zhuǎn)運。不同動物轉(zhuǎn)運β-胡蘿卜素的脂蛋白種類不同，研究表明高密度脂蛋白(HDL)是牛血液循環(huán)中β-胡蘿卜素的主要載體物質(zhì)[14]。

總體而言，盡管不同脂蛋白轉(zhuǎn)運不同維生素A原類胡蘿卜素的順序在物種上有顯著差異，但β-胡蘿卜素可以與循環(huán)中的各種脂蛋白結(jié)合運輸。研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素可以不同程度地進入所有類型的脂蛋白中，其中HDL約占82%，LDL占12%，VLDL占0.3%[15]。大鼠體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，血清中的β-胡蘿卜素大多結(jié)合到體積較大的VLDL和LDL上[16]。裴凌鵬[17]研究發(fā)現(xiàn)，動物體內(nèi)大部分類胡蘿卜素如β-隱黃質(zhì)主要分布于LDL和HDL；而大約53%的黃體素和玉米黃質(zhì)與HDL結(jié)合，31%存在于LDL，約16%與VLDL結(jié)合，β-胡蘿卜素的去向和最終代謝在很大程度上取決于β-胡蘿卜素和脂蛋白的親和力。Gugger等[18]體外研究β-胡蘿卜素在細胞內(nèi)細胞器間的轉(zhuǎn)運機制，發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運不受細胞質(zhì)中轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控，而可能受囊泡轉(zhuǎn)運或膜結(jié)合蛋白等的調(diào)控。

2.3 β-胡蘿卜素在動物體內(nèi)的代謝

維生素A前體物分解后形成的視黃醛可以通過視黃醛脫氫酶的氧化作用生成全反式視黃酸，而全反式視黃酸為維生素A的生物活性形式。視黃酸不僅是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，還可作為特定核受體、視黃酸受體(RAR)或類視黃醇X受體(RXR)的配體發(fā)揮作用，形成同源或異源二聚體以調(diào)節(jié)數(shù)百個靶基因的轉(zhuǎn)錄[19]。當組織中視黃酸的產(chǎn)量超過一定限度時，屬于細胞色素P450家族的轉(zhuǎn)錄失活酶可對其進行氧化降解以產(chǎn)生更多極性化合物，如4 羥基或4 氧維甲酸[20](圖1)。

如圖1所示，CMOⅠ在β-胡蘿卜素的15,15′雙鍵上對稱氧化裂解產(chǎn)生2個分子的視黃醛；視黃醛可以通過醛脫氫酶(ALDH1)或視黃醛脫氫酶(RALDH)氧化成視黃酸；通過細胞色素P450 26家族酶(Cyp26)進一步將視黃酸氧化為更具極性的化合物，包括被認為是轉(zhuǎn)錄失活的4 氧維甲酸?；蛘?，來自中鏈脫氫酶/還原酶(MDR)家族的不同形式的醇脫氫酶(ADH)和來自短鏈脫氫酶/還原酶(SDR)家族的各種視黃醇脫氫酶(RDH)可將視黃醛還原為視黃醇，也可以通過視黃醇酰基轉(zhuǎn)移酶(LRAT)將視黃醇進一步酯化成視黃酯。另外，阿樸胡蘿卜素醛類可以由β-胡蘿卜素產(chǎn)生；9′,10′雙鍵的切割由β-胡蘿卜素 9′,10′加氧酶2(CMOⅡ或BCMO2或BCO2)催化并產(chǎn)生了β-apo-10′-胡蘿卜素醛和β-紫羅蘭酮，在其他雙鍵處的不對稱切割可以非酶促發(fā)生或可以被酶催化。圖1中列舉了由β-胡蘿卜素的不對稱切割產(chǎn)生的一些潛在的阿樸胡蘿卜素，虛線箭頭表示阿樸胡蘿卜素可最終轉(zhuǎn)化為一個視黃醛分子，這種轉(zhuǎn)換的機制尚未完全闡明。

CMOⅠ：β-胡蘿卜素 15,15′加氧酶 β-carotene-15,15′-oxygenase；CMOⅡ：β-胡蘿卜素 9′,10′加氧酶 β-carotene-9′,10′-oxygenase；ADH：醇脫氫酶 alcohol dehydrogenase；RDH：視黃醇脫氫酶 retinol dehydrogenases；REH：視黃醇酯化酶 retinol esterification；LRAT：視黃醇酰基轉(zhuǎn)移酶 retinol acyltransferase；ALDH1：醛脫氫酶1 aldehyde dehydrogenase 1；RALDH：視黃醛脫氫酶 retinoic aldehyde dehydrogenase；Cyp26：細胞色素P450 26家族酶 cytochrome P450 26 family enzyme。
圖1β-胡蘿卜素的代謝
Fig.1 Metabolism of β-carotene[2]

在人和小鼠中，β-胡蘿卜素裂解酶如CMOⅠ和CMOⅡ在各種成體組織中表達，包括肝和脂肪以及發(fā)育中的組織如胎盤、卵黃囊和胚胎等[21]。這些酶可以將β-胡蘿卜素原位生物轉(zhuǎn)化為維生素A，這表明β-胡蘿卜素可以作為體內(nèi)各個部位的類維生素A的本地來源。CMOⅠ是具有強底物特異性的胞質(zhì)酶，僅與類胡蘿卜素(具有至少1個未取代的β-紫羅蘭酮環(huán))相互作用，是在成體組織中切割β-胡蘿卜素生成維生素A的主要酶[22]。體外研究發(fā)現(xiàn)，通過CMOⅠ裂解β-胡蘿卜素形成的視黃醛和視黃酸可能通過調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARγ)和視黃酸受體(RAR)信號通路影響脂肪細胞中的脂質(zhì)代謝[23]。然而，CMOⅠ是否以類似的方式影響各種組織中的脂質(zhì)代謝，以及這種作用是否與其分解β-胡蘿卜素的能力無關(guān)仍然不清楚。β-胡蘿卜素也可以被CMOⅡ不對稱切割以產(chǎn)生β-紫羅蘭酮環(huán)和阿樸胡蘿卜素，最終轉(zhuǎn)化為1個分子的視黃醛[2]，但轉(zhuǎn)化的機制尚未完全闡明。

2.4 β-胡蘿卜素在動物體內(nèi)的沉積

在動物體內(nèi)，β-胡蘿卜素大多貯存于肝臟，少量沉積于脂肪組織、腎上腺和皮膚[16]。各種動物組織中β-胡蘿卜素的分布和貯存位置差異很大。Shapiro等[24]給大鼠補飼β-胡蘿卜素后，在肝臟中檢測出β-胡蘿卜素，脂肪組織中則沒有檢測出β-胡蘿卜素，推斷β-胡蘿卜素并不是簡單的儲存于脂肪中，可能存在一種β-胡蘿卜素結(jié)合蛋白，由于這種蛋白質(zhì)的疏脂性降低了β-胡蘿卜素在脂肪中的沉積。研究也發(fā)現(xiàn)，三黃雞體內(nèi)β-胡蘿卜素主要沉積于小腸和肝臟[25]，但種母雞腹脂中檢測出的類胡蘿卜素含量高于肝臟中含量，這可能是由于處于不同生長階段的動物體內(nèi)類胡蘿卜素的分布不同。在生長發(fā)育期，類胡蘿卜素主要分布于肝臟、脂肪組織、血液、皮膚及羽毛中，性成熟之后則逐漸轉(zhuǎn)移到生殖器官中[26]。不同類胡蘿卜素在不同種類動物體內(nèi)的分布也顯著不同，β-胡蘿卜素在綿羊和山羊肝臟中含量較高，而葉黃素則在脂肪組織和血清中含量較高；在牛血清和脂肪組織中β-胡蘿卜素的含量占主導(dǎo)地位，而且其脂肪組織中葉黃素含量也較高，但β-胡蘿卜素在肝臟中則含量較低[27]。

3 β-胡蘿卜素的生物學(xué)功能

3.1 β-胡蘿卜素對動物生產(chǎn)性能的影響

研究發(fā)現(xiàn)，奶牛飼糧中添加β-胡蘿卜素可以提高牛奶品質(zhì)和產(chǎn)量。熱應(yīng)激奶牛每天補充400 mg β-胡蘿卜素牛奶產(chǎn)量增加了11%，補充300 mg β-胡蘿卜素牛奶產(chǎn)量增加了6.4%，添加β-胡蘿卜素對奶牛的產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)都有提高作用[28]。何文娟[29]在中國荷斯坦奶牛飼糧中添加β-胡蘿卜素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在維生素A充足的情況下添加β-胡蘿卜素對奶牛泌乳前期的產(chǎn)奶量、乳成分以及乳中體細胞數(shù)均無顯著影響，但產(chǎn)后3個月產(chǎn)奶量有不同程度提高。夏耘等[30]在澳洲荷斯坦奶牛飼糧中添加90 mg/d β-胡蘿卜素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加后第20天產(chǎn)奶量比對照組顯著提高了11.03%，第40天產(chǎn)奶量比對照組顯著提高了13.83%，添加β-胡蘿卜素組的乳脂含量顯著提高。孫勝祥[31]給每頭奶牛飼糧中每天添加900 mg β-胡蘿卜素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)奶牛產(chǎn)奶量提高幅度最大，并能在一定時期內(nèi)維持較高的泌乳水平，乳脂、乳蛋白、乳中干物質(zhì)含量都有顯著提高。武洪久等[32]發(fā)現(xiàn)，中國荷斯坦奶牛飼糧中添加不同濃度β-胡蘿卜素后，產(chǎn)奶量、乳脂率、乳蛋白率顯著高于對照組。Oliveira等[33]給奶牛每天添加1.2 g β-胡蘿卜素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳蛋白含量從2.90%提高到2.96%，乳脂乳蛋白比大于1.5的比率從22.6%降低到6.5%。馬吉鋒等[34]在奶?；A(chǔ)飼糧中分別添加100、200和300 mg/d β-胡蘿卜素后其產(chǎn)奶量比對照組分別提高了3.53%、9.06%和13.39 %。

β-胡蘿卜素的著色作用對肉牛的肉品質(zhì)有影響。沉積于脂肪組織中的β-胡蘿卜素易使體脂肪變黃而降低牛肉的等級，因此肉牛育肥后期應(yīng)減少飼糧中β-胡蘿卜素的用量[35]。研究也表明飼喂低劑量維生素A和胡蘿卜素有利于牛肉大理石花紋的形成[12]。

3.2 β-胡蘿卜素對動物免疫功能的影響

β-胡蘿卜素可提高動物機體的體液免疫、細胞免疫和非特異性免疫功能，增強抗病力，飼糧中添加β-胡蘿卜素可使血清溶菌酶活性增加。Chew等[36]發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素可刺激動物機體淋巴細胞的增殖，并增強細胞介導(dǎo)的體液免疫應(yīng)答，對免疫反應(yīng)起到了積極的影響。何文娟[29]在中國荷斯坦奶牛飼糧中添加β-胡蘿卜素，發(fā)現(xiàn)降低了產(chǎn)后前3個月胎衣不下、子宮炎和乳房炎的發(fā)病率。Cucco等[37]研究發(fā)現(xiàn)，給禽類補充β-胡蘿卜素能促進生長，提高機體免疫力。馬思慧等[38]在小鼠飼糧中添加β-胡蘿卜素，發(fā)現(xiàn)可緩解由環(huán)磷酰胺引起的免疫抑制作用，也可通過提高免疫抑制小鼠體內(nèi)細胞因子和免疫球蛋白含量來增強小鼠的免疫功能。馬吉峰等[34]研究表明，添加β-胡蘿卜素組的牛奶中體細胞數(shù)均低于對照組，分別比對照組降低了18.54%、35.27%和46.10%。Nishijima等[39]給日本黑牛喂食干胡蘿卜，發(fā)現(xiàn)可提高β-胡蘿卜素缺乏牛初乳中IgA和IgG濃度。產(chǎn)犢前最后1周血清視黃醇濃度增加到100 ng/mL時，泌乳早期乳房炎發(fā)病率減少了60%[40]，然而血清β-胡蘿卜素濃度與胎衣不下或乳腺炎無關(guān)。大量的試驗結(jié)果都證明添加β-胡蘿卜素對動物免疫功能的發(fā)揮起積極作用。

3.3 β-胡蘿卜素對動物繁殖性能的影響

飼糧β-胡蘿卜素可能與繁殖性能有關(guān)，反芻動物卵巢尤其是黃體中β-胡蘿卜素濃度較高。研究表明，缺乏β-胡蘿卜素可能導(dǎo)致奶牛排卵延遲、黃體功能不全、卵巢囊腫的發(fā)病率增加[41]。目前，國內(nèi)外學(xué)者就調(diào)整奶牛飼糧營養(yǎng)以改善生育率進行了大量研究。奶牛飼糧中補充β-胡蘿卜素對繁殖性能的益處可能與β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A有關(guān)，特別是在子宮和卵巢中[42]。血清β-胡蘿卜素濃度與黃體細胞分泌孕激素有關(guān)，產(chǎn)后第一波期排卵的母牛，產(chǎn)前3周血清β-胡蘿卜素平均濃度高于不排卵牛；圍產(chǎn)前期添加β-胡蘿卜素(500或2 000 mg/d)，產(chǎn)后第一波期排卵牛數(shù)量顯著增加[43]。產(chǎn)后120 d熱應(yīng)激牛補充400 mg β-胡蘿卜素超過90 d，妊娠率有所提高[28]。美國和德國研究人員發(fā)現(xiàn)補充β-胡蘿卜素可縮短初情日齡，提高懷孕率，促進子宮修復(fù)和排卵，降低卵巢囊腫發(fā)病率和早期胚胎死亡。β-胡蘿卜素在繁殖上的重要作用在日本已被廣泛研究，發(fā)現(xiàn)卵巢囊腫奶牛血清胡蘿卜素濃度[(11±2) μg/dL]比健康牛顯著降低[(33±4) μg/dL]；血清β-胡蘿卜素濃度與日本黑牛超數(shù)排卵的胚胎質(zhì)量相關(guān)，當血清β-胡蘿卜素濃度高于200 μg/dL時，黃體和總可回收胚胎數(shù)量有增加趨勢，并顯著提高正?？梢浦才咛サ臄?shù)量[44]。給其他動物添加β-胡蘿卜素也可以提高繁殖力，研究發(fā)現(xiàn)，補充維生素A(4 000 IU/kg)和β-胡蘿卜素(100 mg/kg)可增加小母豬腎上腺和黃體中β-胡蘿卜素含量[45]。β-胡蘿卜素還可增強瘤胃功能，在體外條件下添加β-胡蘿卜素，瘤胃細菌生長和纖維素消化能力顯著提高[46]。

4 小 結(jié)

研究表明，β-胡蘿卜素不僅以維生素A的前體物發(fā)揮作用，同時還作為抗氧化劑、抗癌劑等在機體中發(fā)揮作用，對動物的生產(chǎn)性能提高、繁殖性能增強、免疫功能提高都有不同程度的作用。同時關(guān)于動物β-胡蘿卜素補充量的研究也逐年增多，但還不足以得出最佳的補充策略，仍需更多的研究來確定動物在不同生產(chǎn)階段的β-胡蘿卜素需要量。關(guān)于類胡蘿卜素與維生素A之間的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)運、沉積和代謝也有了相對深入的研究，但對于β-胡蘿卜素的抗氧化、抗癌等生物學(xué)作用還有待深入發(fā)掘。