白藜蘆醇的生物學(xué)功能及其在反芻動物上的應(yīng)用研究

張相倫， 劉曉牧， 譚秀文， 劉桂芬， 萬發(fā)春

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，山東省畜禽疫病防治與繁育重點實驗室，山東省肉牛生產(chǎn)性能測定中心，山東省畜禽健康養(yǎng)殖工程技術(shù)中心，濟南 250100)

隨著畜禽養(yǎng)殖中抗生素使用帶來的藥物殘留、細(xì)菌耐藥性等問題備受關(guān)注，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出在2020年實現(xiàn)飼料全面禁抗。研發(fā)抗生素替代品對于促進畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。天然植物提取物具有安全、無殘留、不易產(chǎn)生耐藥性等特點，是理想的抗生素替代品。白藜蘆醇是一種非黃酮類多酚化合物，主要存在于葡萄、虎杖、花生、桑葚等植物或其果實中，它是植物受到生物或非生物脅迫時產(chǎn)生的一種植物抗毒素[1]，具有廣泛的生物學(xué)活性，如抗氧化、抗炎、抗菌等。目前，白藜蘆醇在畜禽生產(chǎn)中已有部分報道，但多集中在單胃動物方面，在反芻動物方面還相對較少。本文綜述了白黎蘆醇的生物學(xué)功能及其在反芻動物上的研究現(xiàn)狀，并對白藜蘆醇在反芻動物上的后續(xù)研究及推廣應(yīng)用做出了展望。

1 白藜蘆醇的理化性質(zhì)

白藜蘆醇又名芪三酚，化學(xué)名為3,4,5-三羥基-1,2-二苯乙烯，分子式為C14H12O3，易溶于甲醇、乙醇等有機溶劑，較難溶解于水。白藜蘆醇有游離態(tài)和糖苷兩種存在形式，同時具有順式和反式2種異構(gòu)體，反式異構(gòu)體較順式異構(gòu)體的穩(wěn)定性更高[1]。通常，植物中白藜蘆醇的存在形式以反式異構(gòu)體為主，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 反式白藜蘆醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2 白藜蘆醇的生物學(xué)功能

2.1 抗氧化功能

由白藜蘆醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)可見，白藜蘆醇含有3個酚羥基，且以對位羥基的活性最強，具有較強的捕捉和清除自由基的能力。Iacopini等[2]研究了白藜蘆醇體外清除自由基的特性，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇對過氧硝基鹽陰離子(ONNO-)和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH·)兩種自由基均具有較強的清除率。白藜蘆醇的衍生物同樣也具有較強的清除自由基能力[3]。在組織細(xì)胞內(nèi)，自由基是正常代謝過程中產(chǎn)生的物質(zhì)，包括活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)兩類。通常，機體抗氧化系統(tǒng)維持自由基的水平處于平穩(wěn)狀態(tài)，但當(dāng)有外界刺激(如應(yīng)激等)時，自由基就會大量產(chǎn)生，造成氧化損傷，嚴(yán)重者導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,影響正常生理功能。Yun等[4]研究表明，白藜蘆醇可以激活沉默調(diào)節(jié)蛋白1/叉頭蛋白O3(SIRT1/FOXO3)，降低高糖導(dǎo)致的人單核細(xì)胞氧化水平的升高。Jin等[5]報道，白藜蘆醇通過激活磷脂酰肌醇-3-羥激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶/絲裂原激活的蛋白激酶(ERK/MAPK)信號通路上調(diào)核因子2相關(guān)因子2(NRF2)的表達，提高抗氧化功能，緩解過氧化氫誘導(dǎo)的奶牛乳腺上皮細(xì)胞氧化損傷。動物水平下，Tamaki等[6]報道，白藜蘆醇通過調(diào)節(jié)SIRT1/腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)和NRF2抗氧化信號通路，降低牙周炎模型大鼠的氧化損傷水平。由此可見，白藜蘆醇除具有直接清除自由基的作用外，在細(xì)胞或機體水平下還可參與信號通路的調(diào)節(jié)作用，發(fā)揮抗氧化調(diào)節(jié)功能，SIRT1和NRF2可能是其調(diào)控的主要靶點。

2.2 抗炎功能

動物易在不可控應(yīng)激因素作用下發(fā)生炎癥反應(yīng)，給機體造成不同程度的危害[7-8]。炎癥反應(yīng)伴隨著炎性因子(如白介素IL、腫瘤壞死因子TNF-α等)釋放量的升高和炎癥信號通路的激活[9]。緩解機體炎性反應(yīng)、降低炎癥水平對于提高動物機體免疫力，保障動物健康至關(guān)重要。Zhou等[10]發(fā)現(xiàn)，在兔急性咽炎模型中，白藜蘆醇可降低TNF-α、IL-6水平和巨噬細(xì)胞炎癥蛋白2、環(huán)氧合酶2活性，抑制Toll樣受體4和髓樣分化因子88表達，降低核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)的磷酸化水平，緩解炎性反應(yīng)。崔勇和與沈先敏[11]報道，白藜蘆醇可降低炎性因子IL-6、IL-1β、TNF-α的水平，抑制炎性通路，降低脂多糖誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)。何丹等[12]研究表明，LPS處理人胚腎細(xì)胞，導(dǎo)致半胱天冬酶1(Caspase-1)、TNF-α、IL-1β含量升高，白藜蘆醇可減緩上述不良反應(yīng)，緩解炎性衰老。由此可見，白藜蘆醇可有效降低外界脅迫下細(xì)胞或機體炎癥因子水平，對炎癥信號通路基因及蛋白表達具有理想調(diào)控效果。

2.3 抗菌功能

白藜蘆醇的抗菌功能也是其研究熱點之一，但相對于其抗氧化、抗炎等方面的研究，抗菌方面的研究還較少。Chan[13]報道，白藜蘆醇對金黃色葡萄球菌、糞腸球菌和綠膿桿菌具有抑菌效果，對須毛癬菌、短發(fā)毛癬菌、紅色毛癬菌等5種皮膚癬菌具有抑制生長的作用，抑菌濃度為25～50 μg/mL。李永軍等[14]研究了白藜蘆醇對甲氧西林敏感的、耐甲氧西林的和凝固酶陰性葡萄球菌的抑菌效果，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇對所有金黃色葡萄球菌均具有良好的抑菌作用，最小抑菌濃度在0.256～0.512 mg/mL之間。蘇軍華等[15]研究表明，白藜蘆醇對糞腸球菌和屎腸球菌生長均具有抑制作用，最小抑菌濃度為0.256～0.512 mg/mL。Hwang等[16]報道，隨著白藜蘆醇濃度的升高，大腸桿菌的生長抑制率顯著升高，最小抑菌濃度為456 μg/mL，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇通過抑制分裂蛋白(FtsZ)蛋白表達和Z環(huán)形成實現(xiàn)抑菌。白藜蘆醇的抗菌機制主要有以下幾個方面:一是干擾細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，損傷細(xì)胞膜，影響菌體正常周期；二是減弱細(xì)菌的黏附能力，抑制毒性因子產(chǎn)生；三是干擾細(xì)菌信號傳導(dǎo)，影響細(xì)菌正常生長[17-18]。但是，白藜蘆醇對反芻動物瘤胃微生物的影響研究還較少，鑒于瘤胃微生物組成復(fù)雜，白藜蘆醇是否對其產(chǎn)生影響及產(chǎn)生何種影響，需開展系統(tǒng)研究。

2.4 脂類代謝調(diào)節(jié)功能

Ajmo等[19]報道，白藜蘆醇能夠降低肝臟中脂肪的合成，提高脂肪酸的氧化速率，預(yù)防小鼠酒精性脂肪肝的發(fā)生，SIRT1-AMPK信號通路發(fā)揮重要作用。Ahn等[20]研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可以降低動脈粥樣硬化大鼠模型的血脂水平和脂肪肝發(fā)病率，調(diào)節(jié)肝臟中脂質(zhì)代謝相關(guān)基因表達。從細(xì)胞水平上看，Rayalam等[21]發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇能誘導(dǎo)3T3-L1脂肪細(xì)胞的凋亡，抑制脂肪的形成，過氧化物酶體增殖物激活受體γ、脂肪代謝相關(guān)基因均參與調(diào)控作用。Bai等[22]在豬前體脂肪細(xì)胞上研究表明，白藜蘆醇能夠顯著抑制前體脂肪細(xì)胞的增殖和分化，SIRT1基因在其中發(fā)揮重要作用。Chen等[23]報道，白藜蘆醇降低線粒體膜電位和激活Caspase-3誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞凋亡，分析發(fā)現(xiàn)AMPK的磷酸化水平顯著提高，AKT磷酸化水平降低。可見，白藜蘆醇可有效促進脂肪細(xì)胞的凋亡或抑制前體脂肪細(xì)胞的增殖和分化，進而減少體內(nèi)脂肪的合成，SIRT1和AMPK是其主要調(diào)控作用點。

3 白藜蘆醇在反芻動物上的應(yīng)用研究

3.1 對生產(chǎn)性能及營養(yǎng)物質(zhì)利用率的影響

目前，白藜蘆醇在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用評價主要集中在單胃動物方面，并證實其可提高應(yīng)激狀態(tài)下動物的生產(chǎn)性能[24]，但不能改善正常飼養(yǎng)條件下的生產(chǎn)性能[25-26]。反芻動物方面，Ma等[27]發(fā)現(xiàn)，杜寒羊每日供給0.25 g/頭白藜蘆醇對干物質(zhì)采食量無顯著影響，但可顯著提高有機物、氮和纖維的表觀消化率。張衛(wèi)兵[28]以荷斯坦母犢牛為研究對象，發(fā)現(xiàn)飼料中添加4 mg/kg體重的白藜蘆醇能顯著提高0～2月齡犢牛采食量，增加哺乳期犢牛的胸圍和十字部高，但對營養(yǎng)物質(zhì)消化率無顯著影響；持續(xù)飼喂至6月齡可從數(shù)值上提高體重，但未達顯著水平。上述報道表明，在反芻動物日糧中添加適宜水平的白藜蘆醇可在一定程度上改善生產(chǎn)性能,提高養(yǎng)分利用率，但由于現(xiàn)有報道數(shù)量少，部分結(jié)果仍存在矛盾，需開展深入研究。

3.2 對瘤胃發(fā)酵及氣體代謝的影響

瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸是反芻動物機體能量的主要來源，主要以淀粉或纖維為底物，由瘤胃微生物酶解或代謝產(chǎn)生。在瘤胃發(fā)酵過程中，產(chǎn)生甲烷是能量損失的重要途徑之一，并且與環(huán)境溫室效應(yīng)密切相關(guān)。Becker和van Wikselaar[29]利用非泌乳期奶牛瘤胃液進行體外試驗，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可顯著降低甲烷產(chǎn)量、揮發(fā)性脂肪酸含量，分析原因可能與白藜蘆醇抑制細(xì)菌的生長、降低瘤胃發(fā)酵速度有關(guān)。體內(nèi)試驗中，Ma等[27]報道，杜寒羊每日供給0.25 g白藜蘆醇顯著降低甲烷產(chǎn)量，不影響瘤胃pH值、氨態(tài)氮和總揮發(fā)性脂肪酸的含量，但降低了乙酸/丙酸值，分析發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇組產(chǎn)甲烷菌和原生動物均顯著減少。Chen等[30]在杜寒羊上的研究也發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可降低瘤胃甲烷產(chǎn)量和二氧化碳排放量，提高代謝能水平。張衛(wèi)兵等[31]在哺乳期犢牛上的研究發(fā)現(xiàn)，添加4 mg/kg體重的白藜蘆醇對瘤胃pH值、氨態(tài)氮和總揮發(fā)性脂肪酸含量均無顯著影響，但提高了乙酸/丙酸值。上述報道表明，在反芻動物日糧中添加白藜蘆醇可降低甲烷產(chǎn)量，減少產(chǎn)甲烷菌和原蟲的數(shù)量，有利于環(huán)境減排。但從報道中也發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇降低瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸含量或?qū)е缕浣M成比例發(fā)生變化，說明白藜蘆醇可能對瘤胃纖維素分解相關(guān)微生物的生長產(chǎn)生抑制或改變瘤胃發(fā)酵類型，具體機制尚不明確。

3.3 對胴體品質(zhì)及肌肉品質(zhì)的影響

生產(chǎn)高品質(zhì)畜產(chǎn)品一直是畜禽養(yǎng)殖的重要目標(biāo)，機體內(nèi)脂肪的過度沉積往往導(dǎo)致胴體品質(zhì)下降。在單胃動物方面，研究發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可降低內(nèi)臟脂肪沉積，調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的表達[32]，并對肌肉色澤、系水力有改善效果[25,33]。但在反芻動物生產(chǎn)上尚未見報道。本實驗室從細(xì)胞角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇通過激活SIRT1/AMPK信號通路，調(diào)控下游FOXO1，促進魯西黃牛皮下脂肪細(xì)胞凋亡[34]。同樣，在魯西黃牛肌間脂肪細(xì)胞上也得出了上述類似的結(jié)果[35]。但值得注意的是，皮下脂肪細(xì)胞凋亡敏感度約2倍高于肌間脂肪細(xì)胞,說明不同脂肪組織對白藜蘆醇的敏感度不一樣，推測適宜水平白藜蘆醇可能在降低肉牛皮下脂肪沉積的同時，不影響肌內(nèi)脂肪的沉積，這對于調(diào)控脂肪的定向沉積、提高胴體品質(zhì)具有重要意義，但具體應(yīng)用效果及機理需進一步研究。

4 小結(jié)與展望

綠色、功能性飼料添加劑的研發(fā)一直是動物營養(yǎng)研究的熱點，白藜蘆醇是一種天然植物提取物，具有較高的生物學(xué)活性。近年來，白藜蘆醇在動物營養(yǎng)研究領(lǐng)域已引起重視，但在反芻動物方面的研究還十分欠缺，尚無充足數(shù)據(jù)可參考，限制了其推廣應(yīng)用。后續(xù)研究要圍繞白藜蘆醇的飼用安全性、瘤胃內(nèi)環(huán)境、調(diào)控脂肪沉積機理和經(jīng)濟效益評價等方面開展系統(tǒng)探討，以期為反芻動物新型飼料添加劑的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。