大蒜素的生物學功能及其在反芻動物生產(chǎn)中的應用研究進展

朱 雯 劉天偉 孫昕旸 張子軍

(安徽農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，合肥 230000)

抗生素的弊端在動物生產(chǎn)中日益顯著，尋找有效、綠色的抗生素替代物以成為必然趨勢。植物及其提取物有天然的抗菌、促生長作用且無殘留、無抗藥性、無毒副作用，日漸成為研究的熱點。大蒜素(allicin)是大蒜中的一種防御分子，因其具有提高動物生長性能，殺菌抑菌和抵抗氧化應激等多種生物活性引了起研究學者的關(guān)注。本文綜述了大蒜素的生物學功能及其在反芻動物中的作用效果，旨在為進一步研究大蒜素在反芻動物上的應用提供理論參考依據(jù)。

1 大蒜素的定義及其理化性質(zhì)

大蒜素化學名為二烯丙基硫代亞磺酸鹽，分子式為C6H10S3，相對分子質(zhì)量為178.33。大蒜素純品具有大蒜異味，狀態(tài)為無色油狀，比重1.112(20 ℃)，折射率1.561，無旋光性，易溶于苯、乙醇、醚等有機溶劑，稍溶于水，在堿性和熱環(huán)境下不穩(wěn)定，在酸性環(huán)境下較穩(wěn)定[1-2]。新鮮大蒜中含有大蒜素的前體物質(zhì)——蒜氨酸(alciin)，即S-烯丙莖-L-半胱胺酸亞砜，而不含有大蒜素。當大蒜經(jīng)切片或搗碎等物理因素影響時，分布在不同部位或不同細胞中的蒜氨酸和蒜酶相結(jié)合生成大蒜素[3]。大蒜素可由水蒸氣蒸餾法、浸出法、超臨界二氧化碳萃取法等直接從大蒜中獲得；也可經(jīng)由二烯丙基二硫醚進一步氧化反應化學合成而得[4]。大蒜素具有不穩(wěn)定性，即使在常溫環(huán)境中也容易分解,其分解產(chǎn)物的生物活性較其自身低[5]。

2 大蒜素的生物學功能

2.1 抑菌殺菌

大蒜素具有廣譜的抗菌特性[6-7]，對多種革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有抗菌活性，如金黃色葡萄桿菌和沙門氏菌等[8-9]。此外，大蒜素還具有抗真菌性(如白色念珠菌)、抗寄生蟲以及抗病毒的活性[10]。大蒜素會導致菌體細胞壁和細胞膜不可逆的超微結(jié)構(gòu)變化，破壞細胞膜的完整性，導致細胞內(nèi)容物外流最終實現(xiàn)殺菌活性[11-12]。研究表明，大蒜素還具有高度脂溶性，很容易穿過細胞膜系統(tǒng)[13]。大蒜素滲透到細胞和細胞器內(nèi)，與含巰基的蛋白質(zhì)(包括各種酶)和氨基酸反應[14]。DNA促旋酶是原核生物必不可少的酶之一，是臨床上抗生素的重要靶標。大蒜素在體外通過抑制DNA促旋酶活性進而抑制細菌DNA的復制[15]。β-半乳糖苷酶是細菌、酵母、真核細胞生理代謝過程中的關(guān)鍵酶，使用大蒜素處理β-半乳糖苷酶會使其活性降低[11]。大蒜素可以通過促進白念球菌菌絲生長負向調(diào)控基因磷酸二酯酶2(PDE2)的表達，抑制白念球菌菌絲生長正向調(diào)控基因念珠菌菌絲壁蛋白1(HWP1)、凝集素樣黏附素1(ALS1)和增強菌絲生長基因1(EFG1)的表達，進而抑制白念球菌菌絲的生長，降低白念球菌的毒性[16]。

除此之外大蒜素還可以抑制菌體蛋白質(zhì)的合成[17]，抑制真菌孢子[18]和被膜的形成[19]。大蒜素可抑制蛋白質(zhì)功能是因為大蒜素與蛋白質(zhì)中的巰基發(fā)生反應形成二硫鍵，進而導致蛋白解折疊，破壞了蛋白質(zhì)正常的結(jié)構(gòu)[20]。值得注意的是，一些不含巰基的酶也被大蒜素抑制，而一些含巰基的酶則不能，這說明大蒜素與蛋白質(zhì)反應的決定因素不是巰基而是蛋白質(zhì)內(nèi)的微環(huán)境[21]。大蒜素對蛋白質(zhì)合成的影響如圖1所示。圖1-A所示，正常條件下蛋白質(zhì)的合成。翻譯后蛋白質(zhì)折疊成其最終結(jié)構(gòu)。圖1-B所示，易于攻擊的半胱氨酸殘基(紅色表示)通過二硫鍵交換反應與大蒜素反應。在空間上受阻的半胱氨酸殘基(以藍色表示)不會與大蒜素反應。圖1-C所示，空間上受阻的半胱氨酸殘基在蛋白質(zhì)合成早期會成為大蒜素攻擊的潛在靶標。結(jié)果會導致蛋白質(zhì)翻譯失敗，功能降低甚至沒有功能。雖然大蒜素的抑菌機制尚未充分闡明，但是大蒜素通過攻擊菌體細胞生存不可或缺的原始材料和抑制基礎代謝，使得細菌不能通過突變或代謝適應來克服大蒜素帶來的損傷[22]。

2.2 抗氧化

雖然大蒜素在化學水平上是氧化劑，但在生理水平上，低劑量的大蒜素可充當抗氧化劑[23]。大蒜素可減少細胞中氧自由基(ROS)含量[24-25]，從而可以減少ROS大量堆積對細胞DNA和蛋白質(zhì)的損傷[26]，保護了線粒體膜的通透性和膜電位，進而保護細胞免于凋亡[27]。ROS是絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)有效的激活劑[28]。而大蒜素可以通過抑制p38絲裂原活化蛋白激酶(p38-MAPK)通路的激活來減輕ROS誘導的氧化應激和細胞線粒體凋亡[29]。叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O1(FOXO1)是抗氧化應激、代謝調(diào)節(jié)以及細胞增殖和凋亡等生物過程的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[30]。在抵抗鉛氧化應激誘導小鼠骨質(zhì)流失的研究中，發(fā)現(xiàn)大蒜素組FOXO1的活性提高，抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、過氧化氫酶(CAT)的活性增強，而丙二醛(MDA)和ROS含量則降低[31-32]，小鼠的抗氧化應激功能得到提高。核因子E2相關(guān)因子2(NF-E2-related factor 2，Nrf2)是一種細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)許多抗氧化酶和解毒因子基因的表達[33]。大蒜素可以通過提高轉(zhuǎn)錄因子Nrf2表達來誘導血紅素氧合酶-1(HO-1)和谷氨酸-半胱氨酸連接酶修飾物(GCLM)亞單位等抗氧化酶的表達，從而保護細胞免受氧化應激。此外大蒜素可以通過顯著抑制一氧化氮合酶(iNOS)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)、氧化酶-4(NOX-4)的表達來保護機體免受氧化應激損傷[34]。

-SH：巰基 sulfydryl；translated mRNA：被翻譯的mRNA；elongating amino acid chain：正在延伸的氨基酸鏈；folding to final shape：折疊成最終形狀；translating ribosome：翻譯中的核糖體；folded protein已折疊完成的蛋白質(zhì)；allicin：大蒜素；disulfide exchange reaction：二硫鍵交換反應；thioallylated protein：硫酰化蛋白；break off：崩解；misfold：錯誤折疊。圖1 大蒜素對蛋白質(zhì)合成的影響Fig.1 Effects of allicin on protein synthesis[23]

2.3 抗炎

核因子-κB(NF-κB)和MAPK參與細胞的各種生理反應和病理反應的調(diào)控，包括凋亡、炎性損傷和應激[35]，核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NLRP3)是激活炎癥的關(guān)鍵媒介[36]。大蒜素可以通過抑制炎性誘導因子如丙烯酰胺和氧化應激等對MAPK/NF-κB/NLRP3信號通路的激活，來減少炎性因子白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-18(IL-18)、白細胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子(TNF)-α的釋放，進而減輕炎癥反應，此外大蒜素還可以通過抑制關(guān)鍵酶的磷酸化來抑制MAPK和NF-κB信號通路[37-38]。大蒜素除了通過影響通路來抑制炎癥因子的表達外，還可以通過控制細胞自噬蛋白的表達，防止細胞過度自噬，以及抑制中性粒細胞黏附于內(nèi)皮細胞來抑制和改善炎癥[39-40]。由此可見，大蒜素除具有殺菌抑菌、抗氧化的功能，還具有抗炎活性。

2.4 改善機體健康

在動物機體中，氧化應激和炎癥反應不是孤立的病理生理過程，而是存在緊密聯(lián)系的聯(lián)動鏈，且多出現(xiàn)疊加效應[41]。氧化應激會加重炎癥反應，炎癥因子同時也會促進氧化應激的發(fā)生，因此會出現(xiàn)“氧化應激-炎癥反應-免疫失衡”的聯(lián)動反應，對動物健康帶來較大危害[42]。當轉(zhuǎn)錄因子Nrf2被激活會抑制氧化應激和炎癥反應[43]。研究表明大蒜素可以激活核因子Nrf2，促進抗氧化酶基因表達，抵抗機體氧化應激[34]，抑制脂多糖介導的炎癥反應[39]。由此可見，大蒜素可有效抑制“氧化應激-炎癥反應-免疫失衡”的聯(lián)動反應，改善機體健康。

3 大蒜素在反芻動物上的飼用效果

3.1 提高反芻動物生產(chǎn)性能

提高動物生產(chǎn)性能是畜牧生產(chǎn)與科研工作的重要目標之一。金萍等[44]在荷斯坦奶牛的飼糧中分別添加30、80、120 mg/kg的大蒜素，3個試驗組產(chǎn)奶量均增加，乳脂率分別提高0.089%、0.151%、0.050%。大蒜素添加量為80 mg/kg最佳，過多時會造成乳氣味劣化。劉敏等[45]添加大蒜素干粉飼喂荷斯坦奶牛，結(jié)果表明試驗組非脂固形物和乳蛋白含量相比對照組顯著提高。胡永杰[46]把大蒜素添加到秦川牛的飼糧中，結(jié)果顯示與對照組相比，大蒜素組日增重提高13.6%，飼料轉(zhuǎn)化率提高1%，利潤提高14.7%。井明艷等[47]在綿羊的飼糧中分別添加濃度為25%的大蒜素1.6、1.2、0.8 g/(只·d)，結(jié)果表明大蒜素的投放量在1.3～1.5 g/(只·d)增重明顯。趙健康等[48]在湖羊的精料中添加2 g/(只·d)大蒜素，顯著提高了湖羊的日增重，增重利潤較對照組提高了21.2元，經(jīng)濟效益提高了14.7%，同時腹瀉率較對照組降低了26.7%。以上研究表明添加適量的大蒜素或含有大蒜素的副產(chǎn)品可以提高反芻動物的生產(chǎn)性能。大蒜素促進動物采食及其具有的生物學功能來改善動物的免疫功能是其提高反芻動物生產(chǎn)性能的關(guān)鍵因素[45,48]。

3.2 提高動物營養(yǎng)物質(zhì)消化率

消化代謝是反映反芻動物營養(yǎng)物質(zhì)消化情況的重要指標。Ma等[49]在杜泊×細尾寒羊雜交F1母羊的飼糧中添加2 g/(只·d)大蒜素，發(fā)現(xiàn)大蒜素可有效提高母羊的有機物、氮、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的表觀消化率。秦龍等[50]在綿羊的基礎飼糧中添加300 mg/kg的大蒜素，結(jié)果表明，大蒜素可以提高瘤胃內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的表觀消化率和可消化氮含量。Zhong等[51]在感染了胃腸線蟲的羔羊基礎飼糧中添加50 g/kg的大蒜粉，結(jié)果顯示大蒜粉組的羔羊干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)消化率較對照組有所提高，同時大蒜粉還降低了羔羊糞便中線蟲蟲卵的數(shù)量。以上研究表明，在反芻動物的飼糧中添加適量的大蒜素有助于提高飼糧消化率。大蒜素提高飼糧消化率主要有以下幾個原因：1)由于大蒜素氣味可以提高消化液的分泌，增強腸胃蠕動。2)大蒜素可以促進多種消化酶的分泌[52-53]。3)大蒜素抑制甲烷菌和原蟲的生長，使得更多的能量供給其他細菌，如纖維素分解菌，來達到提高反芻動物飼糧消化率的目的[49]。

3.3 改善瘤胃發(fā)酵

瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)可為機體提供70%～80%的能量，合成微生物蛋白占小腸吸收總蛋白量的50%～80%[54]。在反芻動物體外試驗中，Busquet等[55]研究報道，添加不同量的大蒜素對總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)含量均無顯著影響，當大蒜素的添加量為300 mg/L時，pH顯著升高；為3 000 mg/L時，丙酸含量顯著增加，支鏈脂肪酸含量降低。Cardozo等[56]在研究天然植物提取物對瘤胃蛋白質(zhì)降解和發(fā)酵特性影響的試驗中添加含有0.7%大蒜素的大蒜提取物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TVFA含量未受影響，而氨含量顯著降低。Busquet等[57]研究表明，添加300和3 000 mg/kg大蒜油，降低乙酸的含量，增加了丙酸和丁酸含量，降低了TVFA含量。

反芻動物在體研究發(fā)現(xiàn)，大蒜素添加量為0.2、0.4 g/(只·d)時，顯著提高肉牛瘤胃TVFA和丙酸含量，降低乙丙比[58]。秦龍等[50]研究報道，飼糧中添加300 mg/kg的大蒜素，提高綿羊瘤胃氨態(tài)氮和VFA含量，增加了菌體蛋白產(chǎn)量，促進了瘤胃發(fā)酵。Zhong等[51]在感染了胃腸線蟲的羔羊基礎飼糧中添加50 g/kg的大蒜粉，結(jié)果顯示添加大蒜粉增加了瘤胃液中VFA含量，降低了乙酸/丙酸值。VFA的在瘤胃中增多會導致pH降低[59]。然而劉敏等[60]在綿羊上的研究結(jié)果表明大蒜干粉提高了瘤胃pH。楊坤等[61]在綿羊的基礎飼糧中添加30 mg/kg的大蒜素，也發(fā)現(xiàn)大蒜素會提高瘤胃pH的結(jié)論。以上不同結(jié)果可能是由于添加劑量和飼養(yǎng)環(huán)境不同所致，有待進一步研究探討。另外，楊坤等[61]的試驗還發(fā)現(xiàn)大蒜素組在氨態(tài)氮和菌體蛋白的含量上較對照組有所提高，可能是由于大蒜素具有抑制和殺死甲烷菌的生物活性，從而使更多的碳源用于微生物蛋白的合成。

綜上所述，大蒜素影響瘤胃發(fā)酵效果不盡相同，并且體外與在體研究結(jié)果迥異。因此，大蒜素對瘤胃發(fā)酵的影響仍需進一步深入探究。

3.4 降低甲烷產(chǎn)量

甲烷是大氣重要的溫室氣體。據(jù)科學家估計，2030年甲烷排放量在總溫室氣體排放量的占比將達到50%，成為首要的溫室氣體[62]。反芻動物每年甲烷排放量為1.6千兆t二氧化碳當量至2.7千兆t二氧化碳當量，占全球總排放量的3%～5%[63]。瘤胃中甲烷的產(chǎn)生代表著飼糧能量的大量損失，損失達到2%～12%，具體取決于飼糧的類型[64]。因此降低甲烷排放對環(huán)境的保護和提高反芻動物飼糧轉(zhuǎn)化率等方面有重要意義。

體外研究發(fā)現(xiàn)，在分別添加300 mg/L大蒜素、二烯丙基二硫化物(DAD)、烯丙硫醇(ALM)作為甲烷抑制劑的試驗中，甲烷排放量分別降低了73.6%、68.5%、19.5%，其中大蒜素作為甲烷抑制劑的效果最佳[55]。薛艷鋒等[65]以4期牧草為底物在體外模擬瘤胃發(fā)酵試驗，結(jié)果表明大蒜素的添加量為1.5%和2.0%時甲烷產(chǎn)量顯著降低。Patra等[66]在體外模擬瘤胃發(fā)酵試驗中添加0.25、0.50、1.00 g/L的大蒜油，甲烷產(chǎn)量隨其添加量增加而線性下降；當添加量為1.0 g/L時甲烷產(chǎn)量降低了87%，同時各組添加量都使瘤胃中古細菌和原蟲數(shù)量降低。

在體研究同樣發(fā)現(xiàn)，大蒜素添加量為2.0 g/(只·d)時可以顯著降低杜泊羊×小尾寒羊雜交F1代6.38%的甲烷排放量[67]。Ma等[49]在杜泊×細尾寒羊雜交F1母羊的飼糧中添加2 g/(只·d)大蒜素，結(jié)果表明大蒜素有效地降低了母羊的甲烷日排放量0.16 L/kg。楊坤等[61]在綿羊的基礎飼糧中添加30 mg/kg的大蒜素，與對照組相比，大蒜素組綿羊瘤胃氨態(tài)氮和菌體蛋白的含量有所提高，甲烷產(chǎn)量顯著降低，降低幅度最大為38.28%。以上研究表明，大蒜素對反芻動物甲烷排放量有顯著的抑制作用，主要由于大蒜素降低了瘤胃中甲烷菌和原蟲的數(shù)量。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，由天然植物提取的大蒜素是綠色飼料添加劑，可以提高反芻動物生產(chǎn)性能、飼料轉(zhuǎn)化率，同時還能通過抑制甲烷菌活性來降低甲烷產(chǎn)量。但是其作用機理尚未充分闡明，亟需探討最終為大蒜素在反芻動物生產(chǎn)的研究與應用提供理論支持，實現(xiàn)反芻動物的高效健康養(yǎng)殖。同時，為了使大蒜素更好地在畜牧生產(chǎn)中推廣應用，如何提高大蒜素的穩(wěn)定性也是亟需解決問題。另外，植物提取的大蒜素除含有主要成分大蒜素外還會附帶大蒜中含有的其他營養(yǎng)活性成分，不同提取方法得到的附帶營養(yǎng)活性成分是否相同以及不同提取方法得到的大蒜素生物活性是否有差異？有待進一步研究討論。