木質(zhì)素的生物學(xué)功能及其在畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

余 建 余可佳 蔣桂韜 范志勇*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省畜牧獸醫(yī)研究所，長(zhǎng)沙 410131)

木質(zhì)素幾乎存在于所有植物之中，為植物細(xì)胞壁三大組成成分之一，全球年產(chǎn)量?jī)H次于纖維素，是地球上第二大生物可再生酚類(lèi)聚合物[1]。然而，僅就從木材和造紙工業(yè)中獲得的木質(zhì)素卻不到2%被充分利用，其余大部分都用作低級(jí)燃料被焚燒或直接被丟棄[2]。雖然多酚物質(zhì)在畜牧領(lǐng)域被廣泛研究，但木質(zhì)素卻一直被認(rèn)為是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化，也難被腸道微生物發(fā)酵。然而，有研究顯示木質(zhì)素富含多種低分子質(zhì)量酚類(lèi)單體，發(fā)揮益生元的作用，并且可以被腸道菌群代謝，形成對(duì)動(dòng)物體健康至關(guān)重要的哺乳動(dòng)物木脂素，從而在畜禽生產(chǎn)上有著替代抗生素的可能性[3-4]。因此，本文就木質(zhì)素的理化性質(zhì)、生物學(xué)功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述，旨在為其開(kāi)發(fā)成為畜禽新型飼料添加劑提供理論參考。

1 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

1.1 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征

木質(zhì)素主要由C、H、O 3種元素組成，但其結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，無(wú)固定分子式[5]。目前研究顯示，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)模型中存在著3種不同苯基丙烷單體，分別為香豆醇(p-coumaryl alcohol，H)、松柏醇(coniferyl alcohol，G)和芥子醇(sinapyl alcohol，S)[6](圖1)。木質(zhì)素各單體之間通過(guò)醚鍵(β-o-4、α-o-4、4-o-5)和C—C鍵(β-1、β-2、β-5、β-β、β-6、5-5)相連，而β-o-4連接方式占1/2左右[7-8]。同時(shí)，木質(zhì)素含有多種活性官能團(tuán)，其中以酚羥基活性最強(qiáng)，其次為羰基、羧基、甲氧基與甲基[9]。圖2為木質(zhì)素部分結(jié)構(gòu)。

圖1 木質(zhì)素主要單體結(jié)構(gòu)

1.2 木質(zhì)素的來(lái)源

除苔蘚及菌類(lèi)外，木質(zhì)素幾乎存在于所有植物細(xì)胞壁中，與纖維素和半纖維素以醚鍵、糖苷鍵和酯鍵等共價(jià)鍵的形式彼此連接[11]。不同植物木質(zhì)素結(jié)構(gòu)因各單體所占比例不同而存在差異。以松柏醇為主聚合而成的G型木質(zhì)素，大多存在于裸子、蕨類(lèi)植物；以松柏醇和芥子醇為主聚合而成的G-S型木質(zhì)素，主要存在于雙子葉植物；單子葉植物則主要是香豆醇、松柏醇和芥子醇聚合成的G-S-H型木質(zhì)素[12]。表1列舉了木質(zhì)素來(lái)源及含量。

圖2 木質(zhì)素部分結(jié)構(gòu)

表1 木質(zhì)素來(lái)源及含量

1.3 木質(zhì)素的理化性質(zhì)

木質(zhì)素本身是一種白色或近無(wú)色的球形顆粒，但從植物中分離得到的木質(zhì)素顏色一般呈灰黃至灰褐色。木質(zhì)素的相對(duì)密度為1.35～1.50 g/cm3，熱值約26.0 J/g[24]，因其存在著大量羥基而有著很強(qiáng)的氫鍵作用，導(dǎo)致木質(zhì)素很難與任何溶劑相溶合[25]。同時(shí)研究顯示，木質(zhì)素?zé)o特定熔點(diǎn)，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度差異也較大(89.9～174 ℃)[26]。

木質(zhì)素的化學(xué)性質(zhì)與其活性官能團(tuán)緊密相關(guān)。芳香基、酚羥基、甲氧基、醇羥基和羰基等重要活性基團(tuán)，可使木質(zhì)素發(fā)生氧化、還原、環(huán)氧化、水解、酯化、磺化和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，且其中的酚羥基還能引發(fā)自由基反應(yīng)[27]。

2 木質(zhì)素的生物學(xué)功能

2.1 抑菌作用

酚類(lèi)化合物一直被用作食品防腐劑，其抑菌作用已被充分證實(shí)[28]，而木質(zhì)素存在11種不同酚類(lèi)單體結(jié)構(gòu)[29]，含有大量酚羥基和甲氧基等含氧抑菌官能團(tuán)，同時(shí)其側(cè)鏈α碳與β碳之間的雙鍵結(jié)構(gòu)以及γ碳上的甲基也能顯著增強(qiáng)其抑菌效果[30]。雖然對(duì)于木質(zhì)素抑菌機(jī)制尚未得出明確論斷，但Jung等[31]提出，木質(zhì)素中的多酚結(jié)構(gòu)可以破壞磷脂雙分子結(jié)構(gòu)使細(xì)菌裂解，并釋放細(xì)胞內(nèi)容物。除此之外，Domínguez-Robles等[32]進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在所測(cè)試材料中，含有軟木硫酸鹽木質(zhì)素的復(fù)合材料與常見(jiàn)醫(yī)用抗菌材料聚合物聚丁二酸丁二醇酯相比，抗金黃色葡萄球菌黏附能力達(dá)到90%。由此推測(cè)，木質(zhì)素的另一種抑菌方式可能是阻止細(xì)菌黏附。

目前對(duì)于木質(zhì)素的體外研究表明，從甘蔗渣、棉花秸稈與油棕空果串等中提取出的木質(zhì)素可不同程度地抑制表皮葡萄球菌[33]、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙氏桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)繁殖[34]。針對(duì)木質(zhì)素在體內(nèi)的研究還鮮有報(bào)道，但從以往研究顯示，松木木質(zhì)素具有抑制小鼠體內(nèi)大腸桿菌和假單胞菌的特性[35]；純木質(zhì)素增加了肉雞盲腸乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量，而降低了盲腸大腸桿菌總菌數(shù)[36]。與此同時(shí)，木質(zhì)素對(duì)真菌如酵母菌、白色念珠菌和皮膚毛孢子菌以及霉菌如黑曲霉菌同樣具有一定抑制作用[37-38]。表2總結(jié)了木質(zhì)素的抗菌活性。

表2 木質(zhì)素的抗菌活性

2.2 抗氧化作用

研究表明，木質(zhì)素具有驚人的高抗氧化活性，其抗氧化活性甚至能與商用抗氧化劑(愈創(chuàng)木酚、丁羥甲苯和阿魏酸)媲美[49]。Latif等[50]與Dong等[45]通過(guò)試驗(yàn)分別證實(shí)，從油棕櫚葉和玉米秸稈中提取的木質(zhì)素對(duì)Fe3+還原能力比香草醛更強(qiáng)，并且氧自由基吸收能力顯著高于維生素C。木質(zhì)素所顯現(xiàn)出的抗氧化功能主要與其結(jié)構(gòu)中的酚羥基、鄰甲氧基、側(cè)鏈羰基和羥基等特殊官能團(tuán)有關(guān)，而這些官能團(tuán)的抗氧化活性由強(qiáng)至弱依次為酚羥基>甲氧基>側(cè)鏈羥基>側(cè)鏈羰基[51]。這些含氧官能團(tuán)與烷氧自由基發(fā)生脫氫反應(yīng)以此終止氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。如木質(zhì)素中的酚羥基(ArO-H)以氫轉(zhuǎn)移和單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)清除自由基(R·)，可歸結(jié)為ArO-H+R·→ArO·+R-H[52]。這與研究顯示的木質(zhì)素抗氧化能力與總酚羥基含量呈正相關(guān)而與其分子質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)結(jié)果[53]相一致。

Lu等[54]研究報(bào)道，堿木質(zhì)素能分別以混合型非競(jìng)爭(zhēng)方式和劑量依賴(lài)性方式抑制參與超氧陰離子自由基產(chǎn)生的黃嘌呤氧化酶活性和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性；并且該試驗(yàn)還提出木質(zhì)素的抗氧化功能可用于解釋膳食纖維能降低結(jié)腸癌發(fā)生的觀點(diǎn)。這一觀點(diǎn)在Ko?íkov等[55]試驗(yàn)中得到證實(shí)，其體外研究顯示，改性后的云杉木質(zhì)素(15.2%羥基和6.5%酚羥基)和山毛櫸木質(zhì)素(13.7%甲氧基和4.57%酚羥基)可以顯著減少人結(jié)腸癌CaCo-2細(xì)胞內(nèi)由過(guò)氧化氫(H2O2)誘導(dǎo)的DNA鏈斷裂；隨后的體內(nèi)研究還表明，在雄性大鼠對(duì)照組飼糧中添加8%用二惡烷/水提取的山毛櫸木質(zhì)素飼喂21 d后，可顯著增強(qiáng)大鼠肝細(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力。表3總結(jié)了木質(zhì)素的抗氧化活性。

表3 木質(zhì)素的抗氧化活性

2.3 調(diào)節(jié)血糖作用

有研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素通過(guò)延緩腸道葡萄糖吸收[62]、促進(jìn)胰島素釋放以及增加胰島B細(xì)胞數(shù)[63]等方式治療高血糖癥呈現(xiàn)出巨大潛力。

葡萄糖苷酶參與動(dòng)物機(jī)體糖代謝，其中β-葡萄糖苷酶具有水解淀粉和纖維素以及糖苷的脫糖基化功能，而α-葡萄糖苷酶則主要促進(jìn)腸道對(duì)淀粉糊精、多糖及蔗糖的分解和吸收。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，常對(duì)α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶進(jìn)行可逆性抑制，從而延緩腸道碳水化合物吸收，降低2型糖尿病患者餐后血糖水平，以此維持患者正常血糖[64]。Berlin等[65]證實(shí)，乙醇有機(jī)溶劑溶解木質(zhì)素和酶殘木質(zhì)素均對(duì)β-葡萄糖苷酶表現(xiàn)出顯著抑制作用。與此同時(shí)，Chen等[66]試驗(yàn)研究報(bào)道，木質(zhì)素以競(jìng)爭(zhēng)性方式抑制α-葡萄糖苷酶，其抑制機(jī)理為木質(zhì)素通過(guò)疏水作用和氫鍵與α-葡萄糖苷酶結(jié)合，形成1∶1復(fù)合物，由此改變?cè)撁竷?nèi)色氨酸殘基結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致α-螺旋含量減少。其次，Barapatre等[58]體外試驗(yàn)，首次證明了經(jīng)化學(xué)修飾后的木質(zhì)素與葡萄糖之間的親水基團(tuán)能以氫鍵形式結(jié)合成木質(zhì)素-葡萄糖復(fù)合物，以此降低葡萄糖運(yùn)動(dòng)；該試驗(yàn)還指出木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的-OH與α-淀粉酶中的-NH、-OH以及-COOH等氫受體基在疏水作用力和氫鍵驅(qū)動(dòng)下能形成木質(zhì)素-α-淀粉酶絡(luò)合物而抑制該酶活性。除此之外，Hasegawa等[67]對(duì)木質(zhì)素磺酸的試驗(yàn)研究揭示，木質(zhì)素磺酸以可逆的非競(jìng)爭(zhēng)形式與α-葡萄糖苷酶形成復(fù)合物，降低α-葡萄糖苷酶的活性，并且在相同飲食情況下，添加5%木質(zhì)素磺酸能顯著增加大鼠糞便含糖量，提示木質(zhì)素對(duì)腸道葡萄糖吸收的抑制作用。Xie等[68]用分子動(dòng)力學(xué)初步澄清了芭蕉芋木質(zhì)素對(duì)α-D-葡萄糖苷酶的抑制機(jī)制；該試驗(yàn)指出α-D-葡萄糖苷酶上存在著1個(gè)與木質(zhì)素結(jié)合的單一位點(diǎn)，此結(jié)合位點(diǎn)與常用于治療2型糖尿病的阿卡波糖截然不同，并且驅(qū)動(dòng)木質(zhì)素與α-D-葡萄糖苷酶結(jié)合的作用力主要是氫鍵、疏水力以及范德華力。木質(zhì)素對(duì)α-D-葡萄糖苷酶的抑制效果要強(qiáng)于阿卡波糖，其米氏常數(shù)(Km值)和抑制常數(shù)(Ki值)分別約為0.53和0.98 μmol/L。

2.4 抗炎作用

炎癥是機(jī)體應(yīng)對(duì)傷害性刺激的一種防御反應(yīng)，但當(dāng)促炎反應(yīng)與抗炎反應(yīng)失衡卻會(huì)引起病理性炎癥反應(yīng)，對(duì)機(jī)體造成二次傷害。木質(zhì)素因富含多種酚類(lèi)單體而具有抗炎作用，有被用于治療和預(yù)防多種炎癥相關(guān)疾病的可能性。有研究報(bào)道，水溶性木質(zhì)素(water-soluble lignin，WSL)能激活紅系衍生的核因子2相關(guān)因子2(Nrf2)信號(hào)通路，正向調(diào)控血紅素氧合酶1的轉(zhuǎn)錄，從而降低胃腸道炎癥和氧化應(yīng)激的風(fēng)險(xiǎn)；不僅如此，WSL還能抑制核因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路下游炎癥因子的表達(dá)，降低小鼠單核巨噬細(xì)胞白血病細(xì)胞和結(jié)腸炎小鼠體內(nèi)白細(xì)胞介素-6(IL-6)及腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等促炎因子的表達(dá)水平，從而實(shí)現(xiàn)抗炎作用[69]。Saluja等[70]發(fā)現(xiàn)，用10～50 μmol/L的新型低分子質(zhì)量木質(zhì)素能顯著抑制人肺癌細(xì)胞(Calu-3)中NF-κB螢光素酶活性，并能減少TNF-α誘導(dǎo)的Calu-3細(xì)胞白細(xì)胞介素-8(IL-8)釋放量。Matsuhisa等[71]證明木質(zhì)素磺酸能抑制由TNF-α和IFN-γ在Caco-2細(xì)胞中誘導(dǎo)的NF-κB p65從胞漿向細(xì)胞核移位，從而減弱NF-κB活化；同時(shí)，木質(zhì)素磺酸還可降低由TNF-α和IFN-γ誘導(dǎo)的Caco-2細(xì)胞中促炎因子IL-1β和IL-6的表達(dá)水平。以上結(jié)果與De Melo等[72]及Do Nascimento Santos等[73]所評(píng)估的木質(zhì)素抗炎作用結(jié)果相一致。

除此之外，木質(zhì)素與哺乳動(dòng)物木脂素結(jié)構(gòu)存在相似性，富含松脂醇和落葉松樹(shù)脂醇結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素可經(jīng)腸道菌群代謝為腸內(nèi)酯(enterolactone，ENL)[4]，而ENL能增加超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶的表達(dá)并降低促炎因子的釋放，從而發(fā)揮抗氧化和抗炎作用[74]。

3 木質(zhì)素在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

現(xiàn)階段木質(zhì)素在動(dòng)物體內(nèi)的功效仍飽受爭(zhēng)議，從營(yíng)養(yǎng)學(xué)角度分析，木質(zhì)素猶如一把“雙刃劍”。一方面，木質(zhì)素可作為抗?fàn)I養(yǎng)因子，對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)性能無(wú)積極效應(yīng)[75]；另一方面，富含多種低分子質(zhì)量酚類(lèi)單體的木質(zhì)素，卻表現(xiàn)出益生元效應(yīng)[3]，對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能和腸道健康有一定積極作用[76-78](表4)。不僅如此，研究表明，從甘蔗中提取出的Ligmed-A(含90%木質(zhì)素)還能有效治療動(dòng)物腹瀉[79]。

從動(dòng)物試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素作用效果與其來(lái)源、形式、添加濃度以及動(dòng)物種類(lèi)緊密相關(guān)，但木質(zhì)素表現(xiàn)出的抗菌、抗炎及抗氧化等生物學(xué)功能，在如今集約化養(yǎng)殖與畜禽替抗研究熱潮中，卻值得再度關(guān)注。除此之外，其維持血糖穩(wěn)定功能在母豬生產(chǎn)上也值得深入研究。母豬在妊娠過(guò)程中，機(jī)體激素分泌、免疫應(yīng)答及生理代謝發(fā)生改變，圍產(chǎn)期易發(fā)生胰島素抵抗，而過(guò)度的胰島素抵抗能誘發(fā)妊娠期糖尿病[80]。木質(zhì)素具有延緩腸道葡萄糖吸收，促進(jìn)胰島素分泌，因此可能對(duì)維持妊娠母豬餐后血糖的穩(wěn)定，降低母豬胰島素抵抗有著潛在作用價(jià)值，加之木質(zhì)素能清除R·，抑制氧化酶活性，由此提高動(dòng)物機(jī)體抗氧化能力，因而對(duì)緩解氧化應(yīng)激對(duì)畜禽機(jī)體造成的損傷也有巨大幫助。

表4 木質(zhì)素在畜禽生產(chǎn)中的部分應(yīng)用研究

4 小 結(jié)

綜上所述，木質(zhì)素作為植物飼用功能成分，其獨(dú)特的理化特性，對(duì)畜禽生長(zhǎng)與健康表現(xiàn)出的良好潛力，是一種值得研究人員和生產(chǎn)者強(qiáng)烈關(guān)注的新型綠色添加劑。今后，除了就木質(zhì)素在畜禽飼糧中的添加水平、組合方式及影響因素開(kāi)展系統(tǒng)研究外，針對(duì)木質(zhì)素中的結(jié)構(gòu)單體與其功能之間的聯(lián)系機(jī)制深入探討，進(jìn)而為揭示木質(zhì)素改善腸道健康與機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)的作用機(jī)理，指導(dǎo)其在畜禽飼糧中的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，也具有十分突出的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。