β-胡蘿卜素的主要生理功能及其在畜禽中的應(yīng)用研究進展

袁旭鵬，王文歡，張文曄，賀建華

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410128；2.湖南鑫廣安農(nóng)牧股份有限公司，湖南長沙 410129；3.北京中農(nóng)弘科生物技術(shù)有限公司，北京 100226；4.陜西石羊農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，陜西西安 710021）

自2019 年7 月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部194 號公告頒布至今，無抗飼料技術(shù)方案的研發(fā)和應(yīng)用主要集中在替抗產(chǎn)品的開發(fā)、飼料配方原料及營養(yǎng)水平結(jié)構(gòu)調(diào)整、功能性飼料添加劑配合方案使用等方面。β-胡蘿卜素（β-carotene）作為著色劑和維生素類功能性飼料添加劑，具有較強的抗氧化能力，能夠通過清除體內(nèi)自由基降低脂質(zhì)氧化物的產(chǎn)生，其具有促進動物機體健康生長、降低飼養(yǎng)成本及提高動物產(chǎn)品價值等作用[1]。本文綜述了β-胡蘿卜素的理化特性及來源、在動物體內(nèi)的吸收代謝、主要生理功能及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用進展，為β-胡蘿卜素在現(xiàn)代健康養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 β-胡蘿卜素的理化特性

β-胡蘿卜素是一種橘黃色脂溶性化合物，作為視黃酸生成的關(guān)鍵前體物質(zhì)，是體內(nèi)脂肪儲備的重要調(diào)節(jié)劑。β-胡蘿卜素產(chǎn)品多為紅色、棕紅色、紫色的晶體或結(jié)晶粉末形式，不溶于水，微溶于乙醇和乙醚，易溶于氯仿苯等有機溶劑，熔點176～180℃，易被熱、光和氧降解。

β-胡蘿卜素的分子式為C40H56，分子量約為537，含有15 個共軛不飽和雙鍵，兩端含有β-紫羅蘭酮環(huán)（圖1）。自然界中常見的β-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)為全反式、9-順式、13-順式和15-順式等，其中全反式β-胡蘿卜素易于被動物吸收利用[2]。

圖1 β-胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu)式

2 β-胡蘿卜素來源

β-胡蘿卜素主要是天然和化學(xué)合成獲得，天然來源β-胡蘿卜素主要從植物、微生物、藻類中提取和酵母菌等微生物合成，化學(xué)合成一般是以β-紫羅蘭酮為起始原料合成的，目前的β-胡蘿卜素商品90%以上是化學(xué)合成來源[3]?；瘜W(xué)合成β-胡蘿卜素產(chǎn)品時使用溶劑及副產(chǎn)品會影響人類安全，而天然來源β-胡蘿卜素產(chǎn)品有更好的醫(yī)療、營養(yǎng)效果。但在不同來源的β-胡蘿卜素產(chǎn)品的毒性研究中尚未發(fā)現(xiàn)安全性問題[4]。由于β-胡蘿卜素展現(xiàn)的強大營養(yǎng)、醫(yī)療生物活性，人們逐漸重視天然來源產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究，主要集中在鹽藻提取、生物合成領(lǐng)域。微生物發(fā)酵法是近年來較為熱門的β-胡蘿卜素生物合成技術(shù)，主要應(yīng)用三孢布拉氏霉菌[5]和紅法夫酵母[6]等基因工程菌，但是目前尚未實現(xiàn)工業(yè)化。

在我國飼料添加劑目錄中明確β-胡蘿卜素作為維生素及類維生素類飼料添加劑產(chǎn)品，并且制定了關(guān)于天然發(fā)酵和化學(xué)合成的β-胡蘿卜素飼料添加劑國家標準《GB/T 19370-2003》和《GB 7300.901-2019》，其中明確要求了化學(xué)合成來源β-胡蘿卜素作為著色劑產(chǎn)品使用。

3 β-胡蘿卜素在機體內(nèi)的吸收代謝

3.1β-胡蘿卜素在機體內(nèi)的吸收 在自然界中，β-胡蘿卜素廣泛分布于綠葉蔬菜、黃色和橙色蔬菜以及橙色果實中，細菌和動物體中也有儲存，但是動物和人自身不能合成，必須由外界攝取。在動物體內(nèi)，腸道是β-胡蘿卜素消化吸收的主要器官，肝臟和脾臟是最主要的儲存器官。β-胡蘿卜素主要在小腸近端和中端被吸收轉(zhuǎn)化[7]。β-胡蘿卜素以完整形式存在于乳糜微粒中被動物小腸吸收，并分配到身體的其他器官，其在腸道內(nèi)的吸收效果受腸膽鹽濃度及乳糜微粒顆粒大小等因素影響[8]。

3.2β-胡蘿卜素在機體內(nèi)的代謝β-胡蘿卜素吸收后的代謝主要有2 種[9]（圖2），分別是轉(zhuǎn)化為維生素A 和分解產(chǎn)生視黃醇或者視黃酸。β-胡蘿卜素在15,15'-加氧酶和視黃醛還原酶的作用轉(zhuǎn)化為維生素A，發(fā)揮維生素A 的營養(yǎng)作用。其中，β-胡蘿卜素15,15'-加氧酶（β-carotene 15,15' -monooxygenase，BCMO1）和β-胡蘿卜素9',10' -雙加氧脫氫酶（β-carotene 9',10' -dioxygenase，BCDO2）是成體組織中切割β-胡蘿卜素生成維生素A 的主要酶。在BCMO1 作用下，β-胡蘿卜素的15,15' 雙鍵對稱氧化裂解產(chǎn)生2 分子的視黃醛，視黃醛可以通過醛脫氫酶或視黃醛脫氫酶的作用生成反式視黃酸，而反式視黃酸是維生素A 的生物活性形式。BCDO2 則可以催化β-胡蘿卜素，通過非中心裂解方式裂解成10'-阿樸胡蘿卜醛和β-紫羅酮，其中10' -阿樸胡蘿卜醛可轉(zhuǎn)化為1 分子視黃醛。Turner 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素經(jīng)小腸上皮細胞被吸收后，在BCMO1 作用生成視黃醛，在肝臟中通過視黃醛還原酶可逆的轉(zhuǎn)化為視黃醇并進行儲存，在肝臟中儲存的視黃醇水解后，同視黃醇結(jié)合蛋白發(fā)生復(fù)合后向靶細胞運輸。未被吸收的β-胡蘿卜素則通過糞便排出。

4 β-胡蘿卜素的主要生理功能

圖2 β-胡蘿卜素的代謝

4.1 合成維生素Aβ-胡蘿卜素的多個不穩(wěn)定共軛雙鍵結(jié)構(gòu)在高溫、氧氣以及光照的環(huán)境中容易被氧化分解和異構(gòu)化，可生成植物激素、香氣物質(zhì)、維生素A 等多種降解產(chǎn)物。1930 年，Moore[11]通過對缺乏維生素A的大鼠補飼β-胡蘿卜素可顯著提高體內(nèi)維生素A 水平，證實β-胡蘿卜素是維生素A 前體物質(zhì)。在人和小鼠中，β-胡蘿卜素代謝酶BCMO1和BCDO2在機體各組織中表達，包括肝臟、脂肪以及胎盤和胚胎等[12]，這表明β-胡蘿卜素可在體內(nèi)各個部位作為維生素A 的來源。

4.2 抗氧化功能β-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)含有多個共軛多烯雙鍵，清除自由基能力和抗氧化活性較強，能夠減少細胞內(nèi)脂質(zhì)氧化物產(chǎn)生，緩解氧化應(yīng)激帶來的不良影響[13]。張相倫等[14]發(fā)現(xiàn)，肉牛血清中β-胡蘿卜素、血清抗氧化性能均與日糧β-胡蘿卜素添加量呈正相關(guān)，而血清維生素A 含量與日糧β-胡蘿卜素添加量和血清抗氧化性能指標均無顯著相關(guān)性，說明β-胡蘿卜素可能直接對肉牛血清抗氧化性發(fā)揮作用，而不是其分解代謝的產(chǎn)物維生素A。

目前分析β-胡蘿卜素的可能抗氧化機制：①雙鍵結(jié)構(gòu)與自由基的結(jié)合，通過氫原子轉(zhuǎn)移、自由基加成、電子轉(zhuǎn)移等機制[15]，發(fā)揮清除自由基作用。②β-胡蘿卜素核外電子排布同番茄紅素類似，可能因為電子交換能量轉(zhuǎn)移，發(fā)揮猝滅單線態(tài)氧作用[16]。③β-胡蘿卜素可通過改變谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶等抗氧化酶的活性、抑制NADPH 氧化酶亞基的表達和提高抗氧化酶的表達/活性[17]，進而推動抗氧化進程。周彤等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在間歇性缺氧誘導(dǎo)大鼠認知能力損傷模型中，飼喂β-胡蘿卜素可通過清除活性氧自由基（Reactive Oxygen Species，ROS），降低神經(jīng)元細胞凋亡，恢復(fù)大鼠認知能力。β-胡蘿卜素可提高肝臟和血清中谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GSH-Px）活性[19]。進一步深入研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素可通過上調(diào)Nrf2mRNA 表達量，增加抗氧化酶的mRNA 表達，調(diào)節(jié)超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）活性，降低丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量，維持機體氧化還原平衡[20-21]。

4.3 抗炎功能β-胡蘿卜素主要通過激活體內(nèi)MAPK和NF-κB 等信號通路，調(diào)節(jié)細胞因子的表達，進而發(fā)揮其抗炎功能。喬冬等[22]將β-胡蘿卜素以灌胃和腹腔注射2 種方式作用于小鼠，發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素能夠促進炎癥細胞因子的產(chǎn)生，不同途徑對細胞因子的作用強度有所不同，并推測β-胡蘿卜素對機體的免疫調(diào)節(jié)機制可能與NF-κB、JAK-STAT 等信號途徑有關(guān)。Li 等[23]研究了β-胡蘿卜素對脂多糖誘導(dǎo)的RAW264.7 細胞和腹腔巨噬細胞JAK2/STAT3、MAPK 和NF-κB 信號通路激活的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素顯著抑制脂多糖誘導(dǎo)的IL-1β、IL-6 和TNF-α釋放及其MRNA 表達，脂多糖誘導(dǎo)的JAK2/STAT3、IκB/NF-κBP65、JNK/p38 MAPK 信號激活被β-胡蘿卜素以劑量依賴性方式顯著減弱。這表明β-胡蘿卜素可以通過調(diào)控巨噬細胞內(nèi)NF-κB、JAK2/STAT3 和JNK/p38 MAPK 信號通路，來減輕脂多糖誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。在斷奶仔豬內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激研究上同樣發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素以劑量依賴方式阻止IRE1-JNK/p38 MAPK 信號通路激活，進而提高機體免疫能力，降低炎癥反應(yīng)[24]。

4.4 免疫調(diào)節(jié)功能β-胡蘿卜素可在機體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A，參與免疫系統(tǒng)發(fā)育，提高機體免疫力[25-26]，還可通過調(diào)節(jié)基因表達和免疫反應(yīng)，促進B 淋巴細胞和T淋巴細胞的增殖以及巨噬細胞和細胞因子的產(chǎn)生，直接發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能[27]。Ishida 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在日本黑牛日糧中添加500 mg/dβ-胡蘿卜素可以提高初乳中IgG1 濃度和血漿β-胡蘿卜濃度。Akkara 等[29]發(fā)現(xiàn)，對溴苯誘導(dǎo)雄性Wistar 大鼠肝中毒模型中，提前灌服10 mg/kg BW 的β-胡蘿卜素進行預(yù)處理，可顯著緩解肝腎損傷和炎癥因子表達。

4.5 其他功能β-胡蘿卜素還有促進色素沉積、改善肉品質(zhì)、提高繁殖性能和影響腸道微生物等作用[30]。β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素可以促進色素在水產(chǎn)動物[31]、雞蛋黃[32]中沉積，提升產(chǎn)品品質(zhì)和價格。Lopez 等[16]發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素可促進GnRH 的表達和釋放，刺激促黃體生成素（LH）、促卵泡激素（FSH）等生殖激素分泌，提高卵泡質(zhì)量，提高繁殖能力。Henriquez 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，高類胡蘿卜素玉米可在不改變胴體瘦肉率的前提下，增加肌內(nèi)脂肪，改善豬肉品質(zhì)。Yuan 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，母豬日糧補飼β-胡蘿卜素可顯著增加腸道厚壁菌門豐度，增加有益菌群數(shù)量。

5 β-胡蘿卜素在畜禽養(yǎng)殖中的研究進展

隨著β-胡蘿卜素在動物生產(chǎn)中的研究不斷深入（表1），其已在世界上52 個國家和地區(qū)被批準作為飼料添加劑使用。

5.1β-胡蘿卜素在生豬養(yǎng)殖中的應(yīng)用β-胡蘿卜素可緩解仔豬斷奶應(yīng)激，增強免疫力，促進仔豬生長。吳旻[35]發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素可能通過調(diào)控TLR4/MyD88/NF-kb信號通路，降低脂多糖誘導(dǎo)的IPEC-J2 細胞炎癥損傷；在28 日齡斷奶仔豬日糧中添加200 mg/kgβ-胡蘿卜素可顯著提高CCL25、IgA SC基因相對表達量，促進仔豬上皮細胞分泌抗體，降低促炎細胞因子表達，提高生長性能。在洪盼[36]的研究中發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素可顯著降低斷奶仔豬腸道MDA 水平，增強GSH-Px 和SOD活性，呈劑量依賴性抑制磷酸化JNK、p38MRK 等蛋白表達水平，說明β-胡蘿卜素能夠緩解斷奶仔豬腸道細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)及凋亡，發(fā)揮抗炎作用，降低斷奶應(yīng)激損傷。張曉音等[37]研究結(jié)果表明，在母豬妊娠后期飼料中添加β-胡蘿卜素可以增加糞便中β-胡蘿卜素含量，同時可提高血清和乳汁中IgA 濃度，從而增強母豬的免疫功能。

Yu 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，利用β-胡蘿卜素作為抗氧化劑能夠提高卵母細胞質(zhì)量甚至提高卵巢功能，從而推測β-胡蘿卜素可提高動物繁殖性能。這種推測在Chen 等[39]的研究中得到驗證，在母豬日糧中添加β-胡蘿卜素可以顯著提高初乳IgM、IgA 和IgG 等免疫球蛋白濃度，改善出生仔豬窩重和個體重。Kostoglou 等[40]比較了在母豬不同妊娠階段的飼料中添加400 mg/kgβ-胡蘿卜素，或是分3 次給母豬注射200 mg/kgβ-胡蘿卜素的效果，發(fā)現(xiàn)注射組和β-胡蘿卜素組都提高了仔豬斷奶重。在Yuan 等[34]的研究中，在妊娠90 d 到分娩階段的母豬日糧中添加30 mg/kg 和90 mg/kgβ-胡蘿卜素，窩產(chǎn)仔數(shù)和仔豬初生重等繁殖性能沒有顯著提高，但呈現(xiàn)相同的改善趨勢。

另外，β-胡蘿卜素對豬肉品質(zhì)也會產(chǎn)生一定影響。袁德智等[41]研究結(jié)果表明，在肥育豬日糧中添加β-胡蘿卜素和碳酸氫鈉可減少豬肉滴水損失，延長豬肉的貨架期，并分析其作用機制可能是β-胡蘿卜素的抗氧化作用降低了細胞膜的脂類氧化，維持了細胞的完整性，從而減少了細胞內(nèi)液的滲出。

5.2β-胡蘿卜素在家禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用 在家禽養(yǎng)殖中，β-胡蘿卜素被廣泛應(yīng)用于改善家禽肉、蛋產(chǎn)品的色澤，提高家禽產(chǎn)品價值。李俊營等[42]發(fā)現(xiàn)，在蛋雞日糧中添加適量β-胡蘿卜素可以提高產(chǎn)蛋率和平均蛋重，以及改善蛋黃色澤，其中添加劑量為150 mg/kg 時效果最好。研究發(fā)現(xiàn)，在散養(yǎng)和圈養(yǎng)方式下蛋雞的生長和產(chǎn)蛋性能無顯著差異，但散養(yǎng)組蛋黃比例顯著高于圈養(yǎng)組[43]，這可能與散養(yǎng)條件下β-胡蘿卜素吸收利用較好有關(guān)。Khan 等[44]發(fā)現(xiàn)，飼糧中β-胡蘿卜素在禽蛋黃中沉積量很少，一般只有0.16%～0.66%。Kristina 等[45]的研究結(jié)果表明，雜交玉米中的β-胡蘿卜素只有8.85%沉積到雞蛋黃中。

β-胡蘿卜素可以促進幼禽免疫器官發(fā)育和生長。劉海艷等[46]研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加β-胡蘿卜素可顯著提升早期海蘭褐雛雞的日增重和脛長，并改善胸腺指數(shù)、脾臟指數(shù)和法氏囊指數(shù)。吉昱斌等[47]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在飼喂第21 天和42 天，β-胡蘿卜素和胡蘿卜渣組均顯著提高了海蘭褐雛雞血清中IgA 含量。

另有研究表明，β-胡蘿卜素在家禽養(yǎng)殖中對皮膚、雞蛋有促進色素沉積作用，但其本身沉積量不多，同時有預(yù)防雞肉、雞蛋變質(zhì)的功效，還可通過增加抗體，提高免疫力[48]。

5.3β-胡蘿卜素在反芻動物養(yǎng)殖中的應(yīng)用β-胡蘿卜素受到光和熱等刺激后易發(fā)生結(jié)構(gòu)破裂，穩(wěn)定性較差，因此限制了其在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用[49]。盡管如此，也有大量的科學(xué)研究表明，β-胡蘿卜素對反芻動物的生產(chǎn)性能仍具有積極影響。陳利青[50]研究發(fā)現(xiàn)，日糧添加不同水平的β-胡蘿卜素可以提高奶牛產(chǎn)奶量和泌乳效率，并提高乳中總固形物、乳蛋白和乳糖含量。β-胡蘿卜素在改善反芻動物肉品質(zhì)方面也具有積極作用。靳青等[51]研究發(fā)現(xiàn)，日糧中補充β-胡蘿卜素可以提高肉牛屠宰率和凈肉率。畢宇霖等[52]研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼料中β-胡蘿卜素添加水平的提高，肉牛的肉色亮度有線性降低的趨勢，改善了肉樣顏色飽和度。Jin 等[53]發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素在肉牛日糧中能通過抑制脂肪合成和促進脂肪水解作用來抑制肉牛背部脂肪沉積。

日糧中添加β-胡蘿卜素可以提高反芻動物配種率和受胎率，促進繁殖性能。李梓妍等[54]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛產(chǎn)后日糧中添加β-胡蘿卜素有縮短奶牛產(chǎn)后首次發(fā)情時間和配種時間，提高發(fā)情期受胎率的趨勢，并可減少配種次數(shù)，降低乳房炎的發(fā)病率，且400 mg/頭的添加效果優(yōu)于200 mg/ 頭。Kawashima 等[55]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛預(yù)期產(chǎn)犢前21 d 到分娩前，每天口服2 000 mgβ-胡蘿卜素的奶牛，產(chǎn)后21 d 出現(xiàn)活性黃體的數(shù)量顯著高于對照組，表明β-胡蘿卜素供應(yīng)可能支持奶牛早期泌乳期黃體活動的發(fā)生。李秋鳳等[56]研究表明，β-胡蘿卜素可顯著提高高溫環(huán)境下荷斯坦公牛的鮮精活力。Eriani 等[57]在亞齊沼澤水牛新鮮精液冷凍前加入不同水平的β-胡蘿卜素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加0.625%（w/v）β-胡蘿卜素后，細胞活力、頂體完整性和質(zhì)膜完整性最高，用0.625%β-胡蘿卜素處理水牛精液進行人工授精的妊娠率為50%。

表1 近10 年來β-胡蘿卜素在畜禽生產(chǎn)中的研究

6 小 結(jié)

β-胡蘿卜素在動物的營養(yǎng)、免疫和機體健康等方面發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能。近年來各類營養(yǎng)物質(zhì)的生物合成技術(shù)、天然提取技術(shù)不斷獲得重大進展，隨著動物養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，綠色養(yǎng)殖需求逐漸擴大，開發(fā)安全、高效的功能性飼料添加劑將成為當(dāng)代飼料行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，β-胡蘿卜素在動物體內(nèi)的某些具體生物功能、對腸道健康影響以及相關(guān)作用機制尚未完全明確，有待進一步研究，而β-胡蘿卜素以及富含β-胡蘿卜素的飼料原料及其預(yù)混劑等產(chǎn)品，在我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)中也將會有著廣闊的應(yīng)用前景。