植物提取物飼料添加劑的活性成分和功能

■丁宏標(biāo) 陶正國 崔海濱 曾胡龍 陳小兵

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京100081)

飼料營養(yǎng)是動物生命現(xiàn)象與生命活動的能量和物質(zhì)來源。除了營養(yǎng)需要標(biāo)準(zhǔn)列出的能量、蛋白、氨基酸、維生素、鈣、磷、微量元素等主要營養(yǎng)素以外，動物還需要額外的其他營養(yǎng)素，包括構(gòu)成肉蛋奶魚色香味的風(fēng)味物質(zhì)化學(xué)成分、生物活性營養(yǎng)物質(zhì)、功能性營養(yǎng)素等。這些營養(yǎng)素對動物的生命功能、活力和產(chǎn)品品質(zhì)十分重要，不可缺少。植物提取物飼料添加劑可以提供這些相關(guān)的營養(yǎng)素物質(zhì)。

1 肉蛋奶魚與色澤相關(guān)的營養(yǎng)素

類胡蘿卜素是天然色素，賦予水果和蔬菜明亮的外觀。在其π電子構(gòu)型系統(tǒng)中，類胡蘿卜素因分子內(nèi)化學(xué)鍵的排列不同表現(xiàn)為黃色、橙色和紅色。類胡蘿卜素通過與葉綠素的作用參與光合作用，并作為自由基清除劑保護(hù)植物細(xì)胞。類胡蘿卜素主要在藍(lán)藻、光合細(xì)菌、藻類、真菌、酵母和植物中合成。動物通過吃這些含色素生物來獲取類胡蘿卜素。目前已知的七百多種類胡蘿卜素中的大部分存在于高等植物的葉、花和果實中。460種常見于人類飲食中，20種常見于血液和組織中。其中只有α-類胡蘿卜素和β-類胡蘿卜素、β-隱黃素、葉黃素、番茄紅素和玉米黃質(zhì)可檢測到大量存在。

類胡蘿卜素是重要的天然色素著色劑，按其結(jié)構(gòu)分為兩種，由C 和H 組成的為胡蘿卜素類，由C、H 和O 組成的為葉黃素類。天然色素不僅是實現(xiàn)均衡營養(yǎng)所必需的物質(zhì)，同時還有助于人們預(yù)防疾病、延年益壽，提升身體素質(zhì)和生活質(zhì)量。

1.1 β-胡蘿卜素

β-胡蘿卜素是橘黃色脂溶性化合物，是自然界中最普遍存在也是最穩(wěn)定的天然色素。β-胡蘿卜素由4 個異戊二烯雙鍵首尾相連而成，屬四萜類化合物，在分子的兩端各有1 個β-紫蘿酮環(huán)，中心斷裂可產(chǎn)生2 個維生素A 分子，有多個雙鍵且雙鍵之間共軛。胡蘿卜素與維生素A 的吸收機(jī)理不同。維生素A 為主動吸收，ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，吸收速率比胡蘿卜素快7～30倍。胡蘿卜素的吸收為物理擴(kuò)散性，吸收量與攝入量多少相關(guān)。游離脂肪酸可促進(jìn)胡蘿卜素的吸收。

β-胡蘿卜素是維生素A前體，除了具備維生素A的作用外，還能消除動物體內(nèi)有毒的氧自由基，提高動物自身免疫力，促進(jìn)動物生長，提高生產(chǎn)性能，特別對改善畜禽的繁殖性能有明顯的效果。氧化應(yīng)激是導(dǎo)致精子損傷的重要原因。在精子損傷患畜中，DNA片段化程度較高，同時血清中β-胡蘿卜素和維生素A含量顯著降低。β-胡蘿卜素可以消除玉米赤霉烯酮ZAE對雄性小鼠的傷害，有抗氧化和抗炎作用。β-胡蘿卜素通過抑制雄激素受體活性并激活親電反應(yīng)/抗氧化反應(yīng)元件（electrophile-responsive/antioxidant-responsive elements，EpRE/ARE）系統(tǒng)途徑，誘導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)第二階段酶的表達(dá)。

1.2 葉黃素和番茄紅素

葉黃素(lutein)是自然界廣泛存在的含紫蘿酮環(huán)的二羥基類胡蘿卜素,也是人和動物眼視網(wǎng)膜黃斑色素主要組成部分。葉黃素、玉米黃質(zhì)和中玉米黃質(zhì)增強(qiáng)視覺功能，對提高視覺的對比敏感度特別有效。并具有效預(yù)防及輔助治療老年性黃斑退化病和白內(nèi)障等眼疾,可以作為重要的營養(yǎng)補(bǔ)充劑。

葉黃素（L）、玉米黃質(zhì)（Z）和中玉米黃質(zhì)（MZ）采食后選擇性地沉積在視網(wǎng)膜的中央凹區(qū)，構(gòu)成黃斑色素（MP），位于富含脂質(zhì)的感光器外層與視網(wǎng)膜前層之間，易受輻射能氧化。MP 以其顏色吸收400～520 nm 的高能量短波長（藍(lán)色）光，以兩種重要方式保護(hù)中央視網(wǎng)膜：①L、Z 和MZ 有效地淬滅不穩(wěn)定氧物質(zhì)；②MP作為有效的光濾器，保護(hù)中央凹區(qū)不受損害性的短波長光。葉黃素和玉米黃質(zhì)提高視覺系統(tǒng)的神經(jīng)效率，提高視覺處理速度、暗適應(yīng)速度并增強(qiáng)對比敏感度，改善視力。

葉黃素是性能優(yōu)良的抗氧化劑，保護(hù)眼睛免受光損傷和各種視網(wǎng)膜病變，具有優(yōu)良的消除自由基、預(yù)防白內(nèi)障、動脈硬化、增強(qiáng)免疫力、阻斷脂肪氧化、改善色香味、提高畜產(chǎn)品品質(zhì)等功效，并可預(yù)防癌變發(fā)生、延緩癌癥發(fā)展等發(fā)揮重要作用。因此是一種優(yōu)良的天然健康營養(yǎng)多功能的食品和飼料添加劑。

常用飼料原料中天然葉黃素含量較少，且變異很大。直接從果蔬中提取，成本十分昂貴，因此國內(nèi)外一般用葉黃素含量較高的萬壽菊花(又名金盞草或金盞花)中提取精制生產(chǎn)葉黃素。萬壽菊花中含有豐富的葉黃素，其主要包括兩部分：黃體素（含量90%以上）和玉米黃質(zhì)（含量10%以下），它們均是類胡蘿卜素系的脂肪系葉黃素，分子式為C40H56O2。添加天然色素可以改良家禽產(chǎn)品的品相。

萬壽菊花早期主要種植國是美國和墨西哥。我國自20 世紀(jì)90 年代在山東、四川開始種植，后來擴(kuò)大到在山東、四川、新疆、甘肅、山西、黑龍江、云南、吉林等省種植?，F(xiàn)在我國在萬壽菊花的種植、加工的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界第一大國，以萬壽菊花為原料提取的葉黃素樹脂達(dá)到6 000 t/年，占全球年總產(chǎn)量的2/3。

番茄紅素存在于紅色水果和蔬菜中特別是番茄中，番茄可提供食物中番茄紅素總量的80%～90%。番茄紅素也可以由海生鹽古菌（屬于鹽古菌科）生產(chǎn)。蔬菜的品種和成熟度不同其番茄紅素含量水平存在較大差異，成熟階段的環(huán)境溫度也會改變番茄中的番茄紅素含量。與其他季節(jié)相比，夏季收獲的蔬菜番茄紅素含量減少31%，原因是番茄生長的最佳溫度為16～26°C，環(huán)境溫度超過35°C 時番茄中的番茄紅素轉(zhuǎn)化為β-胡蘿卜素。土壤質(zhì)量也有重大影響，使用有效微生物的土壤調(diào)節(jié)劑可使番茄紅素含量提高36%。

紅番茄果實中自然產(chǎn)生的番茄紅素總含量的94%～96%以穩(wěn)定的反式分子存在，吸收較差。熱處理可以誘導(dǎo)其分子異構(gòu)化為順式結(jié)構(gòu)，特別是5-順式，這增加其生物利用度。高溫也導(dǎo)致細(xì)胞基質(zhì)降解，釋放番茄紅素為脂溶性成分。熱加工可在不降低抗氧化能力的情況下提高溶解性和吸收能力。加工過的番茄，如番茄醬、湯、果汁和番茄醬，含有最高含量的番茄紅素。一項分析前列腺切除術(shù)患者（n=33）血液番茄紅素含量的研究表明，食用番茄湯、調(diào)味汁或果汁可使血漿番茄紅素濃度分別增加66%（0.68～1.13 μmol/l）、71%（0.48～0.82 μmol/l）和59%（0.49～0.78 μmol/l）。在含鈣產(chǎn)品存在的情況下，不應(yīng)服用番茄紅素，含鈣產(chǎn)品可降低其生物利用度84%，可能是由于鈣在消化過程中改變包裹番茄紅素的膠束的電荷。富含金納米粒子的納米乳液可提高番茄紅素的體外生物利用度。使用低聚（-）-表沒食子酸兒茶素-3-O-沒食子酸納米粒，能防止番茄紅素降解。在使用納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)作為載體的情況下，增加番茄紅素口服吸收的效率。體外腸道通透性研究證實，其通透性增加了4倍。

番茄紅素混合物含有40%～50%的順式（主要是5-順式、9-順式、13-順式和15-順式），占總血中類胡蘿卜素的21%～43%，因此是人血漿中最主要的類胡蘿卜素。由于其親脂性性質(zhì)，番茄紅素和其他類胡蘿卜素存在于血清的低密度和極低密度脂蛋白組分中。在美國，番茄紅素的日攝入量為3.7～16.2 mg/d。歐洲人口中番茄紅素攝入量最高地區(qū)為地中海飲食的希臘（163.6 g/d）和西班牙南部（97.6 g/d），歐洲消費(fèi)量最小的是荷蘭（15.7 g/d）、法國（22.0 g/d）和瑞典（31.9 g/d），使這些國家的居民需要補(bǔ)充番茄紅素。

有研究分析了細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑、細(xì)胞毒性、活性氧和抗壞血酸亞鐵的變化，證實了番茄紅素通過其抗氧化特性影響牛精子生成。番茄紅素能增加精子運(yùn)動參數(shù)、線粒體活性和抗氧化特性，有效濃度范圍為1 mM和2 mM。番茄紅素可通過增加精子數(shù)量、活力和睪酮水平來預(yù)防ZAE引起的損害。對44名患者的研究表明，在12周內(nèi)每天補(bǔ)充30 mg番茄紅素可增加精子的運(yùn)動能力，而維生素C、維生素E和谷胱甘肽不影響精液參數(shù)。通過改變mek和nfkb信號通路，番茄紅素促進(jìn)骨代謝的合成代謝，抑制破骨細(xì)胞生成，刺激成骨細(xì)胞生成。

2 與香味和風(fēng)味相關(guān)的營養(yǎng)素

生肉的香味很淡，主要在蒸煮炒煎和焙烤時產(chǎn)生濃郁肉香味。當(dāng)加熱至140～165°C時，肉內(nèi)氨基酸和還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生褐變和肉香味，目前有幾百種肉香味成分被鑒定出來，主要包括內(nèi)酯化合物、吡嗪化合物、呋喃化合物和硫化物，氨基酸的種類決定了產(chǎn)生的肉香味。美拉德反應(yīng)賦予每種肉類非常獨(dú)特的香味化合物，而脂肪組織賦予肉制品特有風(fēng)味。

青草和飼料的花草香氣會保留一些在肉中。青綠飼料具有營養(yǎng)豐富、適口性好、營養(yǎng)均衡等優(yōu)點(diǎn)，含有豐富的維生素、胡蘿卜素、氨基酸、礦物元素等。青綠飼料種類豐富、來源廣，合理飼喂能起到良好的飼養(yǎng)效果。開花的紫花苜蓿、三葉草、牧草、蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物的副產(chǎn)品蘿卜葉、白菜葉、甜菜葉、西藍(lán)花莖葉、南瓜藤、紅薯藤等，讓放牧牛羊肉帶著天然花香，吸引蜜蜂到鮮牛肉上采蜜。深紅色的牛肉富含血色素，細(xì)嫩可口。

3 生物活性營養(yǎng)素

藥用植物及中藥材副產(chǎn)物中含有的生物堿、有機(jī)酸、揮發(fā)性芳香油類（精油）等多種化學(xué)活性物質(zhì)，具有生理和藥理活性。用作飼料添加劑的品種有辣素、牛至油、香芹酚、百里香酚、肉桂醛、植物精油、絲蘭提取物、大豆異黃酮、杜仲葉提取物等，具有誘食、抑菌、消除消化道炎癥、防止腹瀉、替代抗生素、促進(jìn)生長的功效。

辣椒的活性成分辣素具有促進(jìn)食欲、產(chǎn)生愉悅感、增強(qiáng)胃動力、刺激消化酶分泌、修復(fù)改善胃腸黏膜、抑菌、增強(qiáng)抗壓能力和抗應(yīng)激能力的功效，是一種新型高效飼料添加劑。

新鮮飼料原料中含有的易于利用的營養(yǎng)素，價值很高。如高能化合物ATP、GTP等，簡單還原糖、儲存糖原、氨基酸、小肽、維生素、卟啉、輔酶、植物來源的酶類、代謝中產(chǎn)物等易于吸收，直接進(jìn)入動物的合成代謝，對動物的生命活力和生長發(fā)育有良好作用，營養(yǎng)價值高。天然植物提取物通過作用于腸壁內(nèi)分泌細(xì)胞，改變SGLT1 和GLUT2 調(diào)控的腸壁細(xì)胞營養(yǎng)和血流量供應(yīng)，調(diào)節(jié)葡萄糖吸收。現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，規(guī)?；N植豆科牧草制備青干草，糧改飼種植飼用玉米和飼用大麥制備青貯整株玉米、青貯大麥，青貯臘穗期全株大麥纖維細(xì)口感好，供應(yīng)牛羊生豬母豬作為粗飼料，可以改善動物生產(chǎn)性能和產(chǎn)品質(zhì)量。

絲蘭提取物飼料添加劑含有三個主要的有效成份：皂苷、多糖和多酚。皂苷具有表面活性劑的特性，多糖具有結(jié)合氨氣等有害氣體的能力，多酚具有抗炎癥和抗氧化的作用。

皂苷具有表面活性，降低表面張力，刺激細(xì)胞免疫反應(yīng)，促進(jìn)抗體生成。多糖成分與氨氣有非常強(qiáng)的親和力，可以結(jié)合抑制氨的有害作用，并將其轉(zhuǎn)化為無害的氮化物為機(jī)體利用。維持腸道的酸堿平衡，有利于腸道菌群的穩(wěn)定和消化酶發(fā)揮作用。

多酚的抗氧化作用主要表現(xiàn)在：直接清除活性氧自由基，抑制脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，整合金屬離子，激活細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)。多酚能抵消自由基，保護(hù)身體細(xì)胞和組織免受損害。多酚還可以延長機(jī)體內(nèi)其它抗氧化劑（如維生素E、維生素C）的作用時間。多酚可以抑制炎癥因子（iNOS）的表達(dá)，抑制血小板的凝集，降低炎癥反應(yīng)。

4 基因營養(yǎng)

2011年，“自然”雜志在線推薦介紹了南京大學(xué)張晨宇教授團(tuán)隊的論文。他們的研究展示了一項令人驚訝的發(fā)現(xiàn)——植物的微小核糖核酸（microRNA）可以通過日常食物攝取的方式進(jìn)入人體血液和組織器官。并且，一旦進(jìn)入體內(nèi)，它們將通過調(diào)控人體內(nèi)靶基因表達(dá)的方式影響人體的生理功能，進(jìn)而發(fā)揮生物學(xué)作用，這揭示了非編碼小RNA 可以跨物種、跨代際穩(wěn)定存在，并在不同物種間、代際間跨界調(diào)控基因表達(dá)。

這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被多次重復(fù)驗證，證實存在跨界調(diào)控，食物中的microRNA能被哺乳動物的腸道吸收，表明人類及動物還存在microRNA 營養(yǎng)。食物來源的microRNA 影響人和動物的營養(yǎng)健康，中藥及植物提取物的功效因子與其含有的microRNA相關(guān)。目前張晨宇的自然論文已經(jīng)有2 萬余次引用且大部分引用是正面的。孟山都公司已經(jīng)投入1.2億美元來研究這些microRNA對人體的影響。

miRNAs 是生物體內(nèi)自然存在的一類長度約為22 nt 的小分子非編碼RNA，能夠通過與靶基因mRNA 3'UTR 不完全互補(bǔ)配對，降解靶基因mRNA或抑制其翻譯，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)，進(jìn)而廣泛參與調(diào)控機(jī)體生長、發(fā)育、疾病等生物學(xué)過程。骨骼肌約占人畜體重的40%～60%，是動物體正常生長發(fā)育必不可少的組成部分。miRNAs 通過靶向骨骼肌發(fā)育、再生與疾病過程的關(guān)鍵因子，調(diào)控骨骼肌的生長發(fā)育和健康。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域miRNAs已成為肌肉相關(guān)疾病的檢測標(biāo)志物和靶向診療藥物。在畜禽miRNAs 與肌肉發(fā)育及肉品質(zhì)相關(guān)。miRNAs 參與調(diào)控豬胚胎期肌細(xì)胞發(fā)育、胚后期肌肉生長和肌肉質(zhì)形狀形成，促進(jìn)豬前體脂肪細(xì)胞分化，減少脂質(zhì)沉積，調(diào)控豬的免疫應(yīng)答及抗病力。

植物提取物抗氧化劑通過調(diào)節(jié)胞嘧啶C5 位的DNA 甲基化來影響基因表達(dá)。當(dāng)位于一個基因的啟動子區(qū)域的CpG 島甲基化時，該基因的表達(dá)減少。血液中植物抗氧化劑含量與CpG 島甲基化呈負(fù)相關(guān)。2～3 μM 的抗氧化劑可改變DNA 甲基化，從而改變?nèi)橄侔┖头前┘?xì)胞系的基因表達(dá)。植物抗氧化劑可以降低DNA 損傷中的最常見的8-oxo-dg 氧化損傷，并顯著降低尿中8-羥基-2’-脫氧鳥苷（8-oxo-dg）。對鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷大鼠的研究表明，用番茄紅素處理的動物與對照組相比，其DNA 中的8-oxo-dg 水平降低了70%。番茄紅素也可以通過調(diào)節(jié)mRNA 水平發(fā)揮表觀遺傳作用。用番茄紅素治療PC3 前列腺癌細(xì)胞可降低Akt2 的表達(dá)，增加mir-let-7f-1 的表達(dá)。表明mir-let-7f-1參與番茄紅素的抗癌作用，并通過下調(diào)Akt2 在抑制前列腺癌發(fā)展中發(fā)揮重要作用。最近的一項調(diào)查研究表明番茄紅素降低全因死亡率18%，癌癥死亡率54%。

對其基因作用機(jī)理的分析發(fā)現(xiàn)，個體的基因分型表明，群體中含有16 個基因中28 個單核苷酸多態(tài)性的組合特征的個體對類胡蘿卜素的反應(yīng)更好。薈萃分析顯示，編碼膽固醇膜轉(zhuǎn)運(yùn)體的清除劑受體b1（scarb1）基因，狹縫同源3 基因（slip3），和編碼氧化還原酶的dhrs2 基因，與血清番茄紅素的濃度相關(guān)。血清番茄紅素還與4 號染色體上位于編碼p53 結(jié)合蛋白setd7基因的內(nèi)含子區(qū)的變異體RS7680948有關(guān)聯(lián)。

番茄紅素通過改變編碼參與機(jī)體代謝平衡的酶的基因表達(dá)來影響肥胖。脂聯(lián)素的mRNA 水平升高，脂聯(lián)素在脂類和碳水化合物代謝中起著重要作用。變化也影響了參與脂肪細(xì)胞分化調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子foxo1 和sirtuin 1，sirtuin 1 是一種尼古丁腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙?；?，在熱量限制、預(yù)防衰老相關(guān)疾病和維持代謝平衡中發(fā)揮作用。番茄紅素可降低肉雞血漿甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇濃度，通過摻入低密度脂蛋白而延遲銅相關(guān)的低密度脂蛋白C 氧化。大鼠試驗表明番茄紅素劑量依賴性地降低肝臟組織中甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇，同時增加高密度脂蛋白膽固醇（HDL-Cholesterol）水平。番茄紅素顯著降低血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）和天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）水平，降低谷胱甘肽抗氧化酶、和超氧化物歧化酶的水平。降低血漿膽固醇濃度、低密度脂蛋白膽固醇水平、及肝酶（ALT、AST 和堿性磷酸酶）活性水平。番茄紅素通過抑制高脂飲食小鼠體內(nèi)的STAT3/SREBP-1C 介導(dǎo)的脂質(zhì)積累，表現(xiàn)為高密度脂蛋白增加，胰島素敏感性提高。

5 應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

國內(nèi)開發(fā)植物提取物飼料添加劑有一定困難，主要是生產(chǎn)和應(yīng)用成本較高。晨光生物是主要研制和生產(chǎn)天然色素、天然精油、天然營養(yǎng)及藥用提取物、油脂和蛋白等的生產(chǎn)企業(yè)，部分產(chǎn)品用作飼料添加劑。廣州立達(dá)爾是飼用色素的主要生產(chǎn)商，主要生產(chǎn)天然葉黃素、玉米黃質(zhì)、辣椒堿、蝦青素等。天然牛至油添加劑為荷蘭羅帕法姆公司的諾必達(dá)，還有十多家生產(chǎn)商多數(shù)為化工合成。

Vieira 等提出了一種基于吐溫20 水溶液的高效單步工藝，從褐藻物種馬尾藻中提取回收類胡蘿卜素，并進(jìn)行了工藝優(yōu)化，使提取率達(dá)到(2.78±0.4)mg類胡蘿卜素每克干物質(zhì)，較傳統(tǒng)方法提取效率提高了38%。

2011 年，我國植提物出口額為11.3 億美元，包括中藥提取物。近年中國植物提取物出口前景較好，據(jù)預(yù)計2018 年中國植物提取物行業(yè)市場規(guī)模達(dá)249 億元，到2022 年可望突破341 億元，但是其中植物提取物飼料添加劑的產(chǎn)銷規(guī)模不大。

植物來源的這些色香味營養(yǎng)素，化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多在動物體內(nèi)不能夠合成，或者合成量小，主要依靠從飼料中攝取。新鮮的青綠飼料，是這些營養(yǎng)素最好的來源。但是現(xiàn)代集約化養(yǎng)殖工藝，不飼喂青綠飼料，養(yǎng)殖動物主要飼喂玉米豆粕為主的全價配合日糧，但是不能夠充分提供這些微量營養(yǎng)素，因此畜產(chǎn)品色香味減弱，食品營養(yǎng)價值降低。糧改飼增加飼草供應(yīng)，有望改善這一情況，增加優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品供給。