番茄紅素的生理功能及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展

左兆云

（山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院動物科技系，山東濰坊 261061）

番茄紅素（Lycopene）是一種天然類胡蘿卜素，主要存在于成熟的番茄、西瓜、番石榴、玫瑰果、木瓜和葡萄柚等果實中[1]。此外，海洋嗜鹽古菌也可產(chǎn)生番茄紅素[2]。人體自身不能合成番茄紅素，其攝入量的85%來源于番茄和以番茄為基礎(chǔ)的產(chǎn)品[3]。在過去幾十年中，關(guān)于番茄紅素的功能研究主要集中在抗氧化、降脂、抗炎、抗腫瘤等方面[4-7]。隨著人們的食品安全意識逐漸增強，一些天然的植物提取物成為無抗養(yǎng)殖背景下的研究熱點。番茄紅素在改善動物健康和提升動物產(chǎn)品品質(zhì)等方面具備優(yōu)勢，使其成為一種頗具潛力的天然植物添加劑[8-9]。但現(xiàn)階段番茄紅素在不同種類動物養(yǎng)殖中的添加量及作用效果并不一致，且作用機理尚不明確，因此推廣應(yīng)用程度不高。對此，本文綜述了番茄紅素的理化特性、安全性、生物學(xué)功能及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展，以期為番茄紅素的進(jìn)一步研究和利用提供參考。

1 番茄紅素的理化特性及安全性

1.1 理化性質(zhì) 番茄紅素是一種脂溶性的類胡蘿卜素，屬于異戊二烯類不飽和烯烴化合物，有11 個共軛雙鍵和2 個非共軛雙鍵，分子式為C40H56，相對分子質(zhì)量為536.85，熔點為172～175℃，粉末狀為深紅色，可溶于氯仿、己烷、苯、二硫化碳、丙酮、石油醚和石油，不溶于水、乙醇和甲醇，對光、氧、高溫、酸、催化劑和金屬離子敏感[10]。在所有類胡蘿卜素中，番茄紅素的不飽和度最高，在天然果蔬中主要是全反式構(gòu)型存在，而在加熱和光照影響下易被氧化降解和發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)[11]。

1.2 番茄紅素的安全性 番茄紅素在全世界范圍內(nèi)都有很長的安全食用歷史。Perucatti 等[12]研究表明，飲食中含有豐富的番茄紅素不產(chǎn)生任何誘變活性，對兔的淋巴細(xì)胞沒有毒性。番茄紅素對小鼠的急性毒性較低，口服和腹腔注射3 g/kg 體重的番茄紅素對小鼠沒有任何影響[13]，而且亞慢性和慢性安全性研究也沒有觀察到明顯的全身毒性[14]。因此，番茄紅素被認(rèn)為是一種安全無毒的物質(zhì)。

2 番茄紅素的生理功能

2.1 抗氧化功能 氧化應(yīng)激被認(rèn)為是導(dǎo)致多種疾病的主要因素之一，番茄紅素可通過抗氧化，緩解氧化應(yīng)激損傷，進(jìn)而改善動物機體健康狀況。

2.1.1 直接清除自由基 番茄紅素有11 個共軛雙鍵，對氧和自由基具有極強的反應(yīng)性[15]。番茄紅素是各種常見類胡蘿卜素中最有效的抗氧化劑[16]，其清除單線態(tài)氧的速率常數(shù)是β-胡蘿卜素的2 倍[17]。此外，番茄紅素可在體外和細(xì)胞內(nèi)清除過氧亞硝酸鹽[18-19]。Mortensen 等[20]研究表明，番茄紅素有清除二氧化氮和硫酰及硫酰自由基的能力。據(jù)Galano 等[21]報道，在非極性環(huán)境時，番茄紅素清除過氧化氫自由基的效率高于胡蘿卜素。

2.1.2 提高抗氧化系統(tǒng)的活性 番茄紅素可通過調(diào)節(jié)抗氧化酶的產(chǎn)生間接作用于自由基，使機體免受氧化損傷。研究表明，在2 型糖尿病大鼠模型中，番茄紅素顯著提高大鼠超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和過氧化氫酶（CAT）活性[22-23]。李莉[24]探究番茄紅素對大鼠食管癌的干預(yù)效果，發(fā)現(xiàn)番茄紅素干預(yù)后，大鼠血清中GSH-Px、SOD 酶活力顯著增加，而丙二醛（MDA）水平降低，改善了食管癌大鼠的氧化應(yīng)激狀態(tài)。此外，番茄紅素可提高機體非酶類抗氧化劑含量。在家兔飼糧中添加番茄紅素能顯著增加血液維生素A 和維生素E 的含量，而氧化劑水平顯著降低[25]。Sahin 等[26]在高溫應(yīng)激鵪鶉日糧中補充番茄紅素，發(fā)現(xiàn)血清中的維生素A、維生素C 和維生素E 的含量升高，可緩解鵪鶉熱應(yīng)激造成的氧化應(yīng)激，并且降低鵪鶉對抗氧化劑的消耗。

目前，番茄紅素降低生物體氧化應(yīng)激損傷的機制主要是通過體內(nèi)研究來闡明的。核因子紅細(xì)胞系-2 相關(guān)因子2（Nrf2）是抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子，可以保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激[27]。Nrf2 介導(dǎo)一系列藥物代謝和細(xì)胞保護(hù)酶的表達(dá)，如血紅素氧化酶-1（HO-1）、NAD（P）H:醌氧化還原酶1（NQO-1）、SOD 和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）等，以增強對內(nèi)源性和外源性氧化劑（如活性氧）的清除和解毒作用[28]。研究表明，番茄紅素顯著激活了大鼠海馬區(qū)抗氧化酶HO-1和NQO-1的mRNA 表達(dá)，可通過激活Nrf2 信號通路來降低氧化損傷[29]。同樣，Zhao 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，番茄紅素通過介導(dǎo)Nrf2 信號通路，增加抗氧化能力，進(jìn)而抑制鄰苯二甲酸（2-乙基己基酯）誘導(dǎo)的小鼠間質(zhì)細(xì)胞損傷氧化應(yīng)激。綜上可知，番茄紅素可直接清除或抑制自由基，也可以作為誘導(dǎo)劑，激活抗氧化信號通路，提高機體抗氧化系統(tǒng)活性，通過多種機制發(fā)揮抗氧化功能，緩解氧化應(yīng)激損傷，保障動物健康。

2.2 降脂功能 番茄紅素能夠調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，降低血脂水平。在高脂飲食大鼠模型中，添加番茄紅素顯著降低了血清和腦的總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）和氧化型低密度脂蛋白（Ox-LDL）水平[31]。同樣，番茄紅素可降低糖尿病大鼠的血清TC、TG、LDL-C 和肝臟TC 和TG 含量[22]。體外研究證明，番茄紅素通過與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A（HMG-CoA）還原酶的疏水性部分結(jié)合，競爭性地抑制HMG-CoA 還原酶活性[32]，從而減少膽固醇的合成。此外，F(xiàn)enni 等[33]研究表明，番茄紅素能降低食源性肥胖小鼠固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白（SREBP-1c）和脂肪酸合成酶（FASN）的基因表達(dá)，上調(diào)3 種脂肪酸氧化相關(guān)基因的表達(dá)。因此，番茄紅素的降脂功能可能與抑制膽固醇合成的限速酶活性以及增強脂肪酸β氧化的作用相關(guān)。

2.3 抗炎功能 番茄紅素具有抗炎功能，能改善非酒精性脂肪肝小鼠的肝臟炎癥[34]，降低前列腺癌細(xì)胞的炎癥因子水平[35]。Yang 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，番茄紅素顯著降低了人骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中的基質(zhì)金屬蛋白酶-13（MMP-13）、血清白介素6（IL-6）和腫瘤壞死因子α（TNF-α）的表達(dá)，起到保護(hù)作用，其機制可能是通過激活Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1（Keap1）-Nrf2信號通路。同樣，Sun 等[37]研究表明，在H2O2誘導(dǎo)的牛乳腺上皮細(xì)胞中，番茄紅素降低了TNF-α、IL-6和IL-1β的表達(dá)，其機制可能是通過滅活核因子-κB（NFκB）信號通路進(jìn)而降低促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。另有研究報道，番茄紅素顯著增加了黃曲霉毒素B1（AFB1）暴露小鼠的血清IL-2、干擾素γ（IFN-γ）和TNF-α含量以及脾臟IL-2、IFN-γ和TNF-α的mRNA 表達(dá)，能通過抑制氧化應(yīng)激和線粒體介導(dǎo)的小鼠脾臟細(xì)胞凋亡來減輕AFB1誘導(dǎo)的免疫抑制[38]。綜上所述，番茄紅素主要是通過阻止NF-κB 信號通路激活，限制IL、TNF-α等炎性介質(zhì)的形成，起到抑制炎癥反應(yīng)的作用。

2.4 抗癌功能 已有研究表明，番茄紅素與降低前列腺癌、乳腺癌、胃癌、肺癌、結(jié)腸癌等癌癥的風(fēng)險有關(guān)[39]。番茄紅素對大鼠食管黏膜組織癌變有抑制作用，可通過上調(diào)大鼠食管組織中過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（Caspase-3）蛋白表達(dá)，下調(diào)NF-κB、環(huán)氧合酶-2（COX-2）蛋白表達(dá)來抑制食管癌的發(fā)生，其中中劑量番茄紅素干預(yù)組（25 mg/kg 體重）對食管癌的抑制效果最佳[24]。此外，在煙草致癌物（NNK）誘發(fā)的雪貂肺癌模型中發(fā)現(xiàn)，番茄紅素可通過抑制肺α7 煙堿型乙酰膽堿受體及其下游蛋白表達(dá)來防止肺癌細(xì)胞增殖[40]。盡管目前關(guān)于番茄紅素抗癌的研究很有前景，但普遍缺乏臨床方面作用機制的研究，仍需要科研工作者更加深入的探索。

2.5 抑制骨質(zhì)疏松 研究表明，中國女性血清中番茄紅素水平越高，其骨礦物質(zhì)的密度就會越高[41]。在細(xì)胞水平上，番茄紅素已被證明可以抑制破骨細(xì)胞的分化，并刺激成骨細(xì)胞的增殖和分化[42]。其機制可能是番茄紅素對破骨細(xì)胞形成過程中的絲裂原細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（MEK）和蛋白激酶C（PKC）通路以及對成骨細(xì)胞形成過程中MEK 和NF-κB 的直接影響[43]。

3 番茄紅素在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 番茄紅素在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用 番茄紅素有提高家禽生產(chǎn)性能、改善蛋品質(zhì)、減輕熱應(yīng)激損害、提高繁殖性能的作用。Sun 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，種母雞飼糧中添加40 mg/kg 番茄紅素可以顯著提高肉仔雞的初生重和抗氧化能力。蛋雞飼糧中添加番茄紅素（10、20 mg/kg）可增加肝臟和蛋黃中番茄紅素含量，同時降低血清和保存4 周的雞蛋MDA 含量[45]。研究表明，飼糧中添加200 mg/kg 番茄紅素可降低蛋雞血清TC 和TG 含量，以及肝臟、蛋黃、胸肌的膽固醇含量[46]。Sahin 等[26]在高溫應(yīng)激（34℃）鵪鶉日糧中分別添加50、100、200 mg/kg 的番茄紅素，發(fā)現(xiàn)可以提高熱應(yīng)激鵪鶉的飼料轉(zhuǎn)化率和胴體重。隨后Sahin 等[47]研究表明，飼糧中添加番茄紅素（200、400 mg/kg）可以緩解肉雞的高溫?zé)釕?yīng)激癥狀，原因是番茄紅素提高了肌肉中Nrf2基因的表達(dá)以及血清中抗氧化酶（SOD、GSH-Px）活性。Najafi 等[48]研究表明，番茄紅素可提高凍融公雞精子總運動能力、細(xì)胞的膜完整性和線粒體活性，以及人工授精的受精蛋孵化率。目前，番茄紅素在家禽飼料中的添加劑量從幾十毫克到幾百毫克不等，且試驗群體較小，因此在大群體中的最優(yōu)添加劑量還需要進(jìn)一步研究。

3.2 番茄紅素在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用 飼糧中添加番茄紅素可改善夏季高溫環(huán)境下巴美肉羊的生長發(fā)育和肉質(zhì)[49]。Xu 等[50]研究表明，湖羊飼糧中分別添加200 mg/kg 和400 mg/kg 番茄紅素能增加貯藏期羊肉的顏色穩(wěn)定性和抗氧化物質(zhì)（維生素A 和維生素E）含量，并且降低了脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化程度，其中200 mg/kg 番茄紅素添加組的效果較好。此外，番茄紅素可顯著提高精液解凍后公牛精子的線粒體活性[51]，也可提高體外培養(yǎng)的牛胚胎質(zhì)量[52]。Ren 等[53]研究表明，在低溫保存絨山羊精液中加入1.0 mg/mL 番茄紅素，明顯提高解凍后精子活力、頂體完整性、粒線體活性以及山羊精子的抗氧化酶活性，而4.0 mg/mL 的番茄紅素組對精子生理特性并無改善。Tvrdá 等[54]研究表明，在抗壞血酸亞鐵誘導(dǎo)牛精子氧化應(yīng)激損傷模型中加入番茄紅素（0.25、0.50、1.00、2.00 mmol/L），能提高精子活性，顯著抑制精子懸浮液中MDA 的增加，其中最有效的番茄紅素濃度是1.00、2.00 mmol/L。其機制可能是番茄紅素易通過生物膜并迅速進(jìn)入細(xì)胞，在細(xì)胞膜和脂蛋白的氧化損傷保護(hù)中起重要作用。以上結(jié)果表明，番茄紅素具有提高反芻動物生產(chǎn)性能、改善貯藏期羊肉品質(zhì)、提高種畜精子質(zhì)量的作用，為達(dá)到最佳應(yīng)用效果，在應(yīng)用過程中要注意添加劑量。

3.3 番茄紅素在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 番茄紅素在豬生產(chǎn)中的報道很少。王捷[55]研究表明，在豬精子冷凍稀釋液中添加一定濃度的番茄紅素可以顯著提高解凍后精子質(zhì)量，最適宜添加水平為2.0 μmol/L。研究表明，豬飼糧中添加20 mg/kg 番茄紅素可以降低新鮮豬肉的MDA含量[56]。在育肥豬飼糧中添加番茄紅素（12.5、25.0、37.5、50.0 mg/kg）能夠降低貯藏期間（0、24、48、72 h）豬肉的MDA 含量，其中番茄紅素添加量為50.0 mg/kg時效果最佳[57]。其機制可能是通過增加肉中番茄紅素含量，進(jìn)而提高豬肉的氧化穩(wěn)定性。此外，Correia 等[58]研究發(fā)現(xiàn)在乳豬飼料中添加5%番茄渣也可提高肌肉和肝臟中α-生育酚的含量以及豬肉品質(zhì)。

3.4 番茄紅素在水產(chǎn)動物中的應(yīng)用 番茄紅素具有改善水產(chǎn)動物生產(chǎn)性能、減輕氧化應(yīng)激損傷的作用。在高脂飼料中添加0.2%番茄紅素可提高虹鱒魚的飼料轉(zhuǎn)化效率、蛋白質(zhì)效率比和抗氧化功能，其效果優(yōu)于抗氧化劑乙氧基喹啉[59]。研究表明，番茄紅素能夠減輕馬拉硫磷對鯉魚[60]以及克百威對非洲鯰魚[61]的毒性作用，作用機制可能是番茄紅素通過清除自由基進(jìn)而降低了機體MDA 含量并提高了抗氧化酶活性。這些研究結(jié)果為番茄紅素減輕藥物對水產(chǎn)動物的損害提供了理論依據(jù)。但也有研究表明，番茄紅素能降低黃金鱸魚的肝臟SOD、CAT 和GSH-Px 活性，其機制可能是由于番茄紅素能夠有效清除自由基并防止氧化應(yīng)激的發(fā)生，因此對內(nèi)源性抗氧化酶的刺激較少[62]。

3.5 番茄紅素在兔生產(chǎn)中的應(yīng)用 番茄紅素具有提高肉兔抗氧化能力、改善肉品質(zhì)、降低膽固醇的作用。Lorenz 等[63]用高膽固醇日糧連續(xù)4 周飼喂新西蘭白兔，同時補充番茄紅素（5 mg/kg 體重），結(jié)果顯示，兔血漿番茄紅素水平顯著提高，而且血清中TC 和LDL-C濃度降低了近50%。研究表明，兔飼糧中添加5 mg/kg番茄紅素可提高兔肉中視黃醇、α-生育酚水平，同時降低兔肉膽固醇含量以及冷藏3 d 后的兔肉硫代巴比妥酸反應(yīng)物（TBARS）含量[64-65]。另外，飼糧中添加番茄紅素能降低肉兔血漿TBARS 含量，增加維生素A 和α-生育酚含量[65]。其機制可能是由于番茄紅素能減少自由基的產(chǎn)生并增加抗氧化酶的活性。

4 小 結(jié)

綜上所述，番茄紅素具有重要的生理功能，能夠改善動物的生產(chǎn)性能、降低血脂、提高機體抗氧化能力和繁殖性能，目前在動物生產(chǎn)中的研究日益增多。在反芻動物、家禽、肉兔等動物生產(chǎn)中，番茄紅素展現(xiàn)出了提升動物產(chǎn)品品質(zhì)的潛能，這為健康畜產(chǎn)品的研發(fā)工作提供了依據(jù)。因此，番茄紅素作為一種飼料添加劑具有廣闊的應(yīng)用前景。我國是番茄生產(chǎn)大國，深度開發(fā)番茄紅素的功能，不僅有利于養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展，也利于農(nóng)產(chǎn)品的深加工，但現(xiàn)階段番茄紅素在動物生產(chǎn)中的適宜添加水平和機制研究仍有欠缺，推廣應(yīng)用程度不高。因此，在“無抗養(yǎng)殖”的大趨勢下，迫切需要進(jìn)一步研究番茄紅素在各種動物的適宜添加量、作用效果及調(diào)節(jié)機制，為番茄紅素在畜牧生產(chǎn)中更好地應(yīng)用提供理論依據(jù)。