槲皮素的營養(yǎng)生理功能及其飼用化前景

夏瑩瑩 鄒田德 李 碩 游金明

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西省動物營養(yǎng)重點實驗室，江西省優(yōu)質(zhì)安全畜禽生產(chǎn)產(chǎn)教融合重點創(chuàng)新中心，南昌 330045)

飼用抗生素對動物生長和養(yǎng)殖效率的改善作用明顯，但長期使用抗生素導(dǎo)致的畜產(chǎn)品質(zhì)量安全和環(huán)境污染問題已成為制約畜牧業(yè)和飼料工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。近年來，黃酮類化合物因其廣泛的生物學(xué)活性和藥理學(xué)作用成為了動物營養(yǎng)研究者們的重點關(guān)注的對象。黃酮類化合物包括黃酮、黃酮醇及各種其他化合物，而黃酮類化合物又是多酚的一個主要類別[1]。在植物和大多數(shù)植物性食品中，黃酮類化合物大多以糖苷或者苷元的形式存在。其中，槲皮素(quercetin)作為自然界中常見的黃酮醇，廣泛存在于各種蔬果、谷物以及一些中草藥中[2]，且主要以苷元的形式存在于植物中。小腸、腎臟、大腸和肝臟等器官均參與槲皮素的新陳代謝，另外，在血漿中也發(fā)現(xiàn)了游離的槲皮素。目前，槲皮素作為營養(yǎng)補(bǔ)充劑和食物添加劑，在治療各種疾病方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。本文將綜述槲皮素的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生理功能及其在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的初步應(yīng)用，旨在為其飼用化研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 槲皮素及其理化性質(zhì)

槲皮素又稱櫟精，屬于多酚黃酮醇類化合物，化學(xué)名為3,3’,4’,5,7-五羥基黃酮，槲皮素的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特征為：A、B環(huán)為芳香族結(jié)構(gòu)，而C環(huán)則為雜環(huán)結(jié)構(gòu)，由于C環(huán)結(jié)構(gòu)的多樣性，可以形成黃酮類化合物多種亞類，如黃酮、異黃酮、黃烷酮、黃酮醇和花青素等[3]。槲皮素廣泛分布于植物中，且大部分以糖苷衍生物的形式存在。盡管槲皮素中存在4個酚羥基，但槲皮素平面型的分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其溶解性差，在溶劑中不易被分散，幾乎不溶于水，化學(xué)降解性差，特別是在堿性環(huán)境中，從而導(dǎo)致槲皮素在動物體內(nèi)較低的生物利用度[4]。近年來，許多研究發(fā)現(xiàn)，對槲皮素進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)修飾，可以改善其溶解性，得到生物利用度較高的化合物，或者運(yùn)用聚合物納米顆粒技術(shù)將藥物運(yùn)輸?shù)桨邢蛭稽c以充分發(fā)揮其生物學(xué)活性[5-6]。

圖1 槲皮素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2 槲皮素的營養(yǎng)生理功能

2.1 抗氧化功能

黃酮類化合物作為一類植物多酚，廣泛存在于多種天然植物的根、莖、葉中，其最顯著的生物學(xué)功能是抗氧化。槲皮素是人類和動物攝入最多的黃酮類化合物之一。槲皮素中A、C環(huán)形成的氫鍵與B環(huán)相互作用，形成共軛體系，使得B環(huán)與A、C環(huán)幾乎共平面，因此槲皮素相比于其他游離的黃酮類化合物具有更強(qiáng)的抗氧化能力[7]。槲皮素是一種強(qiáng)抗氧化劑，能有效螯合過渡金屬離子以及清除自由基[8]。活性氧(ROS)是機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激時的主要信號分子，在病理情況下，ROS的過量積累會導(dǎo)致細(xì)胞毒性引發(fā)凋亡，而谷胱甘肽(GSH)具有整合解毒功能，能有效清除過量的ROS，是機(jī)體最重要的抗氧化劑之一。槲皮素通過調(diào)控GSH水平提高機(jī)體的抗氧化能力。體內(nèi)一旦產(chǎn)生ROS，超氧化物歧化酶(SOD)會迅速捕獲氧氣并將其轉(zhuǎn)化為過氧化氫(H2O2)，SOD進(jìn)一步催化H2O2分解為無毒的水(H2O)，GSH作為氫供體參與其中。谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)特異性地催化GSH和H2O2反應(yīng)，生成氧化谷胱甘肽二硫化物(GSSG)和H2O，從而減少過氧化物的生成，維持機(jī)體的正常功能。經(jīng)多項動物和細(xì)胞試驗研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素會參與誘導(dǎo)機(jī)體合成GSH[9-10]。通過對代謝綜合征(MS)大鼠飼喂添加白藜蘆醇和槲皮素的混合飼糧，探究白藜蘆醇和槲皮素對MS大鼠模型氧化應(yīng)激的影響，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇和槲皮素混合液促進(jìn)了抗氧化酶(過氧化氫酶、SOD等)的表達(dá)以及增強(qiáng)了GSH循環(huán)，可以改善MS大鼠脂肪肝中存在的氧化應(yīng)激作用[11]。乙酰膽堿酯酶(AChE)與槲皮素的抗氧化活性相關(guān)，槲皮素苯環(huán)上的羥基(-OH)基團(tuán)能與酶活性部位的重要氨基酸殘基相結(jié)合，從而發(fā)揮抗氧化作用[12]。以錳處理的大鼠為研究對象發(fā)現(xiàn)，槲皮素通過減輕錳誘導(dǎo)的抗氧化酶活性下降、AChE活性增強(qiáng)、H2O2生成和脂質(zhì)過氧化水平升高，有效預(yù)防錳中毒[13]。槲皮素參與調(diào)節(jié)體內(nèi)多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，通過激活、抑制、上調(diào)或下調(diào)多種信號分子，改善機(jī)體的抗氧化狀態(tài)，從而修復(fù)脊髓損傷、動脈粥樣硬化等疾病。比如在治療大鼠慢性前列腺炎模型中，槲皮素能夠顯著降低促炎細(xì)胞因子[白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-2(IL-2)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)等]的表達(dá)，抑制絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB(NF-κB)的磷酸化[14]。槲皮素對促進(jìn)細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)的穩(wěn)定、維持氧化平衡有著重要作用。ROS能促進(jìn)MAPK途徑、核因子相關(guān)因子2(Nrf2)介導(dǎo)的相關(guān)抗氧化反應(yīng)元件(ARE)以及NF-κB基因的激活[15-16]，槲皮素通過調(diào)控ROS介導(dǎo)的單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)、MAPK等信號通路[17]，減輕氧化損傷帶來的危害。

2.2 抗炎及調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)功能

炎癥是一類由不同種類的細(xì)胞和細(xì)胞因子參與其中并受多種信號通路調(diào)節(jié)的復(fù)雜反應(yīng)。槲皮素主要作用于白細(xì)胞并通過細(xì)胞信號通路中的蛋白激酶和磷酸酶來改善炎癥以及影響機(jī)體免疫。槲皮素是一種有效的抗炎物質(zhì)，具有很強(qiáng)的抗炎能力[18]。機(jī)體最常見的內(nèi)毒素之一是脂多糖(LPS)，可在體內(nèi)通過多種細(xì)胞信號途徑激活巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞等，刺激細(xì)胞產(chǎn)生和釋放炎性因子及細(xì)胞因子，引起炎癥反應(yīng)。經(jīng)多項體內(nèi)外試驗發(fā)現(xiàn)，槲皮素直接或間接作用于LPS，抑制LPS誘導(dǎo)產(chǎn)生巨噬細(xì)胞腫瘤壞死因子-α(TNF-α)[19]，從而抑制機(jī)體炎癥。在小膠質(zhì)細(xì)胞中的研究結(jié)果顯示，槲皮素刺激可引起前列腺素和一氧化氮(NO)釋放增加，使誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(iNOS)的mRNA和蛋白水平升高，抑制LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞炎癥反應(yīng)，而不產(chǎn)生任何細(xì)胞毒性作用[5]。對RAW264.7細(xì)胞的研究顯示，槲皮素通過抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)-p85酪氨酸磷酸化以及Toll樣受體4(TLR4)/髓樣分化因子88(MyD88)/PI3K復(fù)合物的形成，來抑制LPS誘導(dǎo)的炎癥，從而限制細(xì)胞下游信號通路的激活[20]。同時，Cui等[21]報道槲皮素可顯著降低LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞iNOS源性NO的生成，而不影響其活性，并呈劑量依賴方式抑制LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞黏附和遷移，同時抑制LPS誘導(dǎo)的磷酸化黏著斑激酶(p-FAK)、磷酸化樁蛋白(p-Pax)、黏著斑激酶(FAK)和樁蛋白(Pax)的表達(dá)。此外，研究發(fā)現(xiàn)槲皮素可以下調(diào)或抑制多種炎癥途徑和分子，它可以抑制TNF-α直接激活細(xì)胞外信號相關(guān)激酶和NF-κB 等這類誘導(dǎo)炎癥基因表達(dá)和蛋白分泌的相關(guān)因子。研究表明，槲皮素通過增強(qiáng)過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)活性，從而拮抗NF-κB 或激活蛋白-1(AP-1)轉(zhuǎn)錄激活炎癥基因，間接預(yù)防炎癥，這些因素均共同阻斷了TNF-α介導(dǎo)的炎性級聯(lián)反應(yīng)，從而降低機(jī)體炎癥。試驗發(fā)現(xiàn)，巴西有機(jī)蜂膠中含有的槲皮素能夠抑制NF-κB 激活和TNF-α釋放，通過降低NF-κB 的活化率，從而減少TNF-α的釋放，進(jìn)而導(dǎo)致中性粒細(xì)胞的遷移[22]。中性粒細(xì)胞作為白細(xì)胞中占比最大的細(xì)胞，對人類先天免疫極其重要，其功能是調(diào)節(jié)先天宿主對細(xì)菌感染的反應(yīng)。這一結(jié)果表明，槲皮素可作為治療機(jī)體炎癥和自身免疫性疾病的重要靶點。槲皮素靶向細(xì)胞內(nèi)許多信號激酶和磷酸酶，從而影響免疫和炎癥。然而，也有試驗發(fā)現(xiàn)槲皮素對樹突狀細(xì)胞功能有免疫抑制作用[23]，因此，槲皮素作為潛在的消炎治療劑對于細(xì)胞內(nèi)具體的作用靶點仍需要進(jìn)一步的研究。

2.3 抗菌功能

在對槲皮素中藥成分研究的試驗結(jié)果中顯示，槲皮素發(fā)揮了極其明顯的抑菌作用[24]。槲皮素具有廣泛的抑菌潛力，對于抑制禽類易感細(xì)菌的生長、預(yù)防和治療動物疾病具有重大意義。許多體外研究均證明，槲皮素對多種細(xì)菌存在顯著的抑制作用，如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞桿菌等，其中對金黃色葡萄球菌的抑菌效果最好，并且對革蘭氏陰性菌的抗菌作用顯著強(qiáng)于革蘭氏陽性菌[25]。Nani等[22]研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素對白色念珠菌有抑制作用，并且在抗真菌劑量下對甜瓜夜蛾幼蟲有顯著的低毒作用。在幽門螺桿菌感染小鼠胃黏膜的試驗?zāi)Ｐ椭校拈T腔內(nèi)的細(xì)菌比幽門體部的細(xì)菌多，證明了槲皮素在胃體黏膜和幽門腔黏膜中能引起細(xì)菌密度的顯著降低[26]，首次表明槲皮素除了具有體外抗菌作用外，也具有明顯的體內(nèi)抗菌作用。同時，有研究表明，槲皮素的抗菌力似乎與其減少細(xì)菌群感效應(yīng)的相關(guān)基因表達(dá)和抑制細(xì)菌生物膜的形成有關(guān)[27]。

2.4 抗肥胖功能

肥胖逐漸成為全球性的流行疾病，經(jīng)國內(nèi)外多項動物試驗研究表明，槲皮素作為一種黃酮類化合物具有降脂減肥的功效。槲皮素可以抑制飲食中能量的吸收、調(diào)節(jié)機(jī)體脂肪代謝、抑制甘油三酯的沉積等作用，在動物體內(nèi)外試驗中均表現(xiàn)出顯著的降脂效果[28-30]。肥胖是由于未分化的前脂肪細(xì)胞形成新的脂肪細(xì)胞，導(dǎo)致脂肪細(xì)胞體積增加，數(shù)量增多，最終導(dǎo)致細(xì)胞肥大[31]，因此調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞大小和數(shù)量能有效地預(yù)防和治療肥胖。槲皮素能夠影響脂肪組織的生長，可以通過抑制高脂誘導(dǎo)的白色脂肪組織擴(kuò)張、上調(diào)能量消耗、調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生以及脂肪酸氧化的功能和完整性來改善高脂誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗[30]。根據(jù)槲皮素對3T3-L1前脂肪細(xì)胞生長的研究顯示，槲皮素對脂肪細(xì)胞生長抑制率(71.5%)非常高，這種作用可能是源于其抗氧化功能，在試驗中槲皮素表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗氧化特性以及消除ROS的能力[32]。槲皮素通過調(diào)節(jié)前脂肪細(xì)胞分化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和脂肪生成相關(guān)酶，抑制前脂肪細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞。乙酰輔酶A羧化酶(ACC)在脂肪酸代謝過程中起著重要作用，槲皮素通過激活A(yù)MPK途徑，特異性上調(diào)磷酸化AMPK水平使得ACC失活，從而導(dǎo)致脂肪酸合成減少而脂肪酸氧化增加，抑制前脂肪細(xì)胞生成脂肪細(xì)胞[33]。同時，槲皮素被證明能夠顯著降低在脂肪形成末期高表達(dá)的脂肪酸合成代謝基因的mRNA表達(dá)水平[34]。5-羥色胺(5-HT)在調(diào)節(jié)機(jī)體能量平衡和脂肪代謝方面起著重要作用。用槲皮素處理促進(jìn)了線蟲ADF神經(jīng)元5-HT的合成，從而促進(jìn)了線蟲的脂解和脂肪酸β氧化[35]，因此可通過促進(jìn)中樞5-HT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來減少生物有機(jī)體的脂肪儲存。此外，還有研究表明槲皮素顯著降低了與肥胖相關(guān)疾病的患病風(fēng)險，如心臟病、糖尿病和高血壓[36-37]等。然而，迄今為止，槲皮素對改善肥胖的直接作用尚不清楚，它對肥胖的健康作用似乎與其預(yù)防肥胖所引起的并發(fā)癥有關(guān)，例如降低心血管疾病方面的風(fēng)險。

2.5 其他功能

槲皮素作為最常被研究的膳食黃酮之一，除了以上功能外，還具有抗癌、心臟保護(hù)、降壓、抗血栓、抗纖維化等功能。在多項研究中表明，通過食用蔬菜和水果攝入多酚類物質(zhì)可以潛在地影響內(nèi)皮細(xì)胞功能來降低心血管疾病的風(fēng)險，其中所含的槲皮素通過調(diào)節(jié)氧化酶和抗氧化酶相關(guān)基因表達(dá)來預(yù)防氧化應(yīng)激，有助于預(yù)防中風(fēng)、高血壓、心力衰竭和缺血性心臟病[38]。槲皮素可誘導(dǎo)乳腺癌、結(jié)直腸癌、前列腺癌細(xì)胞的凋亡，通過NF-κB 途徑抑制癌細(xì)胞增殖和細(xì)胞周期阻滯，從而降低肺癌、膀胱癌、結(jié)腸癌等的核苷二磷酸激酶β活性，有效預(yù)防癌癥[39]。對于這些功能可以在畜禽生產(chǎn)應(yīng)用中進(jìn)行深入研究。

3 槲皮素在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

槲皮素是天然含量最豐富、生物學(xué)活性最高的黃酮類化合物之一。據(jù)報道，槲皮素對動物腸道、改善肉質(zhì)、緩解應(yīng)激等方面具備有益作用。它是動物飼糧中最常見的黃酮類化合物之一，由于其酚類化學(xué)結(jié)構(gòu)的作用，表現(xiàn)出相當(dāng)大的清除自由基活性。經(jīng)過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類物質(zhì)能夠提高機(jī)體的抗病能力，促進(jìn)畜禽的生長。

3.1 在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

眾所周知，豬在公路運(yùn)輸中經(jīng)常受到噪音、禁食、擁擠和溫度變化等影響，引起豬的應(yīng)激與腸道屏障功能受損。運(yùn)輸應(yīng)激對胃腸道的影響非常深遠(yuǎn)，而槲皮素能緩解運(yùn)輸應(yīng)激對腸道的損傷。Zou等[40]通過試驗研究了添加槲皮素對運(yùn)輸應(yīng)激狀態(tài)下豬腸道完整性、腸道ROS水平和腸道炎癥的影響，研究觀察到槲皮素對腸道完整性有保護(hù)作用。特別是在肥育豬飼糧中添加25 mg/kg槲皮素顯著提高了小腸絨毛高度及閉鎖蛋白(Occludin)和閉鎖小帶蛋白-1(ZO-1)的mRNA水平[40]。槲皮素還可以降低血清LPS、ROS和丙二醛含量，降低血清TNF-α、白細(xì)胞介素-1(IL-1)、IL-6和單核細(xì)胞趨化蛋白-1β含量。因此，槲皮素能夠改善肥育豬的豬肉品質(zhì)以及提高抗病力。Zhang等[41]研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素對豬瘟病毒的復(fù)制有很強(qiáng)的抑制作用。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素雖然不會影響顆粒細(xì)胞的生長，但會抑制孕酮的產(chǎn)生，并以劑量相關(guān)的方式改變雌二醇17β的產(chǎn)生[42]。因此，槲皮素可能對卵巢生理產(chǎn)生負(fù)面影響，目前還需進(jìn)一步的試驗來驗證槲皮素的有利作用。

3.2 在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

槲皮素可以改善家禽的生長性能、肌肉品質(zhì)以及增強(qiáng)免疫力。在肉雞飼糧中添加槲皮素(200 mg/kg)，可通過MAPK/Nrf2信號通路緩解LPS誘導(dǎo)的肉雞腸道氧化應(yīng)激，可顯著減輕LPS誘導(dǎo)的十二指腸、空腸和回腸絨毛高度下降，并降低這些區(qū)域的隱窩深度[43]。Sohaib等[44]評估了飼糧中添加槲皮素(300 mg/kg)對肉雞的影響，結(jié)果顯示槲皮素改善了肉雞生長性能，提高了脂肪在肉中抗氧化的穩(wěn)定性，從而顯著提升肉雞的抗氧化能力。據(jù)報道，在飼糧中添加500～1 000 mg/kg槲皮素可顯著提升肉雞的胸肉質(zhì)量和抗氧化潛力[45]。Yang等[46]在肉雞飼糧中添加槲皮素(0.06%)后顯著增加TNF-α、腫瘤壞死因子受體超家族成員-1β(TNFRSF-1β)、NF-κB p65亞單位(NF-κBp65)和干擾素-γ(IFN-γ)mRNA的表達(dá)水平，降低NF-κB抑制因子α的表達(dá)水平，從而通過腫瘤壞死因子(TNF)激活的NF-κB信號通路改善肉雞的免疫功能。Liu等[47-48]研究發(fā)現(xiàn)，添加槲皮素均可改善蛋雞的生長性能和雞蛋質(zhì)量，提高產(chǎn)蛋率，同時降低料蛋比和蛋黃膽固醇含量。而Iskender等[49]在飼糧中添加500 mg/kg槲皮素時沒有發(fā)現(xiàn)蛋雞生長性能的差異。因此，對于槲皮素在家禽生產(chǎn)中的合理添加量還需要進(jìn)一步的研究。Ghaniei等[50]研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素可以保護(hù)雄雞精液免受脂質(zhì)過氧化和亞硝化H2O2介導(dǎo)的損傷。恩諾沙星常在家禽養(yǎng)殖中應(yīng)用治療細(xì)菌性疾病，研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素能通過與雞異源受體(CXR)相互作用誘導(dǎo)組織中P-糖蛋白的表達(dá)，從而限制恩諾沙星在肉雞的腸道吸收和肝臟/腎臟清除[51]，降低口服恩諾沙星的生物利用度，以避免恩諾沙星與其他類似抗菌劑合用時發(fā)生藥物-飼料相互作用，降低藥用價值，這一結(jié)果可進(jìn)一步推廣到指導(dǎo)槲皮素的合理使用中。

3.3 在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

槲皮素具有保護(hù)肝臟和減少肝臟脂質(zhì)堆積的能力，可以有效減少脂肪肝的產(chǎn)生。Kehrli等[52]試驗發(fā)現(xiàn)，槲皮素對奶牛健康有積極的影響，特別是在泌乳早期的應(yīng)激階段，可以緩解奶牛的脂肪肝和酮癥酸中毒等代謝紊亂。補(bǔ)充槲皮素可顯著降低母牛產(chǎn)后血漿轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸脫氫酶的活性[53]，表明槲皮素可以減輕母牛肝臟損傷，但槲皮素對肝臟的直接作用以及對奶牛生長性能的影響仍有待調(diào)查。槲皮素作為一種抗氧化劑，可以替代半胱胺促成山羊卵母細(xì)胞的體外成熟[54]。槲皮素和蘆丁分別通過十二指腸瘺或口服給藥，對奶牛肝臟健康產(chǎn)生有益影響，還能通過其抗菌特性減少瘤胃甲烷的產(chǎn)生[55]。然而，也有研究表明槲皮素會對反芻動物產(chǎn)生一些負(fù)面影響，比如對于牛瘤胃發(fā)酵具有潛在的抑菌效果[56]，可能會影響瘤胃微生物發(fā)酵。

4 小結(jié)與展望

黃酮類化合物是植物次生代謝產(chǎn)物，具有多種藥理學(xué)作用。槲皮素是大多數(shù)植物中含量最豐富的黃酮類化合物，也是黃酮類化合物中所占比例最大的。槲皮素具有抗病毒、抗菌、抗炎等多種促健康的功能，在體內(nèi)、體外試驗中均取得了良好的效果。槲皮素的優(yōu)勢已經(jīng)體現(xiàn)在食品、藥物等不同領(lǐng)域，但是在畜牧業(yè)領(lǐng)域?qū)﹂纹に氐难芯康垒^少。因此，還需要探索槲皮素在動物機(jī)體中的合理添加量及其潛在作用機(jī)理，為槲皮素作為一類功能性添加劑在養(yǎng)殖生產(chǎn)中應(yīng)用提供新的理論依據(jù)。