全雪容,唐佳希,田鳳云,彭天舒,田科雄
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南省畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南長(zhǎng)沙 410128)
黃芪為多年生草本植物,是一種應(yīng)用歷史悠久的中草藥,具有免疫調(diào)節(jié)作用。黃芪多糖(Astragalus Polysacharin,APS)是從黃芪的莖或干根中提取的一種具有生物活性的水溶性雜多糖,成分復(fù)雜多樣,其高分子碳水化合物主要通過(guò)各單體多糖之間的α型糖苷鍵連接[1]。APS 的提取方法主要有水提取、微波提取、酶提取、堿水提取等,并且提取方法不同所獲得的多糖含量略有差異。陳玉霞等[2]用微波提取法APS 所得多糖的含量為31.25%。我國(guó)于20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始研究多糖,由于我國(guó)中草藥資源豐富和中醫(yī)理論較系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì),多糖的研究發(fā)展迅速,各種多糖的生物活性不斷被挖掘。APS 具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗氧化、抗炎、調(diào)節(jié)腸道健康等多種作用[3]。APS 作為飼料添加劑,因其低毒、無(wú)殘留、無(wú)耐受性等優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖,用以促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、提高成活率、增強(qiáng)抗病力、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)[3-4]。同時(shí)在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域,APS 對(duì)于各種疾病預(yù)防和治療、藥物的研究也發(fā)揮了重要作用。近些年,APS 在畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)中的研究進(jìn)展較慢,有關(guān)其生理功能發(fā)揮機(jī)制也尚不清晰。本文主要綜述了APS 的生理功能及其可能的作用機(jī)制、在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展,以期為APS 的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。
APS 是從黃芪中提取的重要活性成分,棕黃色粉末,味道微甜,具有吸水性,相對(duì)分子量為80~160 ku[5]。APS 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,種類(lèi)多,主要是葡聚糖發(fā)揮活性作用,化學(xué)特征為(1 →4)連接的葡聚糖主鏈,每10 個(gè)殘基有1 個(gè)(1 →6)連接的分支,其中多糖主要由葡萄糖、半乳糖、果糖和阿拉伯糖等組成[6]。
圖1 APS 的化學(xué)結(jié)構(gòu)[6]
2.1 免疫調(diào)節(jié)作用 APS 主要通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫器官來(lái)促進(jìn)免疫細(xì)胞的增殖、刺激免疫細(xì)胞因子的釋放,影響免疫信號(hào)的傳導(dǎo),從而增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能。孫波等[7]研究表明,APS 可以顯著提高肉雞脾臟、法氏囊、胸腺指數(shù)。APS 可增強(qiáng)動(dòng)物免疫器官指數(shù),其機(jī)制可能與APS 可增加B 淋巴細(xì)胞、T 淋巴細(xì)胞的增殖和分化,調(diào)節(jié)T 淋巴細(xì)胞亞群的平衡、激活自然殺傷細(xì)胞和巨噬細(xì)胞活性有關(guān)。研究表明,APS 可激活T 細(xì)胞[8]。小鼠注射200 mg/kg APS 可顯著提高外周血T 淋巴細(xì)胞、CD4+、CD8+細(xì)胞的百分比和CD4+/CD8+比值[9]。體內(nèi)試驗(yàn)表明,APS 通過(guò)對(duì)巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié),增強(qiáng)自然殺傷細(xì)胞活性,殺滅腫瘤細(xì)胞[10]。此外,Li 等[11]研究發(fā)現(xiàn),APS 可促進(jìn)脾細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素2(IL2),誘導(dǎo)干擾素(IFN),促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖,增加巨噬細(xì)胞吞噬作用。Wang 等[12]研究了APS 對(duì)脂多糖感染Caco-2 細(xì)胞炎癥反應(yīng)的影響,結(jié)果顯示,APS 可顯著下調(diào)脂多糖感染Caco-2 細(xì)胞腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細(xì)胞介素1β(IL-1β)和白細(xì)胞介素8(IL8)的表達(dá)。因此,APS 通過(guò)誘導(dǎo)免疫細(xì)胞分泌IL2 等細(xì)胞因子,促進(jìn)淋巴細(xì)胞等免疫細(xì)胞分化、成熟,進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)體免疫力。其調(diào)控機(jī)制可能是APS 通過(guò)刺激Toll 樣受體4(TLR4)-髓樣分化因子88(My D88)依賴(lài)性信號(hào)通路中的TNF受體相關(guān)因子,誘導(dǎo)IκB-α的降解,進(jìn)而活化核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)[13]。NF-κB 途徑是作為免疫和腫瘤發(fā)生之間的重要分子連接。研究表明,APS 可增加小鼠單核巨噬細(xì)胞的TLR4/NF-kB 信號(hào)通路的表達(dá)[14]。Wang等[3]研究發(fā)現(xiàn),在斷奶仔豬日糧中添加APS 后,仔豬的免疫力升高,其原因是TLR4-myd88 信號(hào)通路被誘導(dǎo)激活。另外,APS 可在體外激活p38/ 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞因子的產(chǎn)生[15]。APS 還可通過(guò)調(diào)節(jié)磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶(PI3K/AKT)磷酸化,激活PI3K/AKT 信號(hào)通路,此信號(hào)通路與細(xì)胞代謝、生長(zhǎng)、遷移和增殖相關(guān)[16]。
綜上,APS 通過(guò)促進(jìn)機(jī)體的特異性和非特異性免疫,活化免疫細(xì)胞,刺激免疫細(xì)胞因子釋放,誘導(dǎo)TLR4/NF-kB、p38/MAPK 等信號(hào)通路的表達(dá),從而增強(qiáng)機(jī)體的免疫力。
2.2 抗氧化作用 動(dòng)物在新陳代謝過(guò)程中,機(jī)體會(huì)產(chǎn)生一系列的活性氧(ROS),這些ROS 以羥基自由基、超氧陰離子和過(guò)氧化氫的形式存在動(dòng)物體內(nèi)。當(dāng)機(jī)體遭遇到應(yīng)激等不良情況時(shí),就會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的ROS、羥基等強(qiáng)氧化自由基,體內(nèi)自由基的增加會(huì)造成組織和細(xì)胞損傷,導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化。研究發(fā)現(xiàn),APS 能夠清除羥基自由基和降低過(guò)氧化氫的活性,并在體外有效地螯合鐵離子,改善氧化應(yīng)激,防止氧化損傷[17]。體外試驗(yàn)表明,APS 可清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基、2,2' 氨基-二銨鹽(ABTS)自由基、超氧陰離子,可作為一種有效的抗氧化劑[18]。此外,APS 還可以通過(guò)提高機(jī)體多種抗氧化酶活性,從而提高抗氧化能力。研究表明,APS 可增加機(jī)體超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過(guò)氧化酶(GSH-Px)活性,阻斷丙二醛(MDA)的產(chǎn)生,降低ROS 的產(chǎn)生[19]。鄭嫩珠等[20]研究發(fā)現(xiàn),APS 能顯著提高70 日齡番鴨肌肉總抗氧化能力(T-AOC)、SOD、GSH-Px 活性,顯著降低肌肉MDA 活性。其機(jī)制可能與APS 調(diào)節(jié)核因子 E2 相關(guān)因子 2(Nrf2)和抗氧化反應(yīng)元件(ARE)的轉(zhuǎn)錄有關(guān)。研究表明,正常情況下,細(xì)胞抑制蛋白Keap1 將Nrf2 隔離在細(xì)胞質(zhì)中,當(dāng)細(xì)胞受到氧化應(yīng)激時(shí),Nrf2從中釋放出來(lái),然后與Maf 或Jun 元件結(jié)合,在細(xì)胞核中形成異二聚體,異二聚體與ARE 結(jié)合,促進(jìn)許多II期解毒酶和抗氧化酶的基因表達(dá),包括血紅素氧合酶1(HO-1)和醌氧化還原酶1(NQO1),從而提高細(xì)胞清除ROS 的能力[21]。Simona 等[22]在過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激模型中發(fā)現(xiàn),黃芪提取物可減少ROS 的釋放,激活Nrf2 的表達(dá);APS 提取物可誘導(dǎo)HO-1、NQO1 表達(dá),降低環(huán)氧化酶-2(COX-2)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)的含量,減少ROS 的釋放[22]。由上可知,APS 的抗氧化作用主要體現(xiàn)在:一方面,清除機(jī)體的自由基和降低過(guò)氧化反應(yīng),緩解氧化損傷;另一方面,通過(guò)激活Nrf2-ARE 信號(hào)通路,增加機(jī)體抗氧化酶水平,從而改善抗氧化性能。
2.3 維持腸道健康作用 研究報(bào)道,腸道健康可從腸道物理屏障、生物屏障、化學(xué)屏障和黏膜免疫屏障皆處于平衡狀態(tài)作為判定指標(biāo)[23]。一方面,APS 可以調(diào)節(jié)宿主胃腸道內(nèi)菌群的微生態(tài)平衡,發(fā)揮益生作用。研究表明,APS 通過(guò)顯著增加肉雞腸道有益菌乳酸桿菌、雙歧桿菌的數(shù)量來(lái)降低有害菌大腸桿菌、沙門(mén)桿菌的數(shù)量,從而有效調(diào)節(jié)肉雞腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)[7]。其可能機(jī)制是APS 內(nèi)的大分子可以與大腸桿菌等有害菌爭(zhēng)占腸壁內(nèi)的定植位點(diǎn),抑制致病菌的吸附和繁殖,從而使有益菌得到增殖[24]。此外,APS 通過(guò)降低腸道pH 為腸道有益菌增殖提供有利環(huán)境,從而抑制有害菌[25]。Che等[26]研究表明,APS 通過(guò)降低腸道酸度,促進(jìn)乳酸、短鏈脂肪酸和某些促生長(zhǎng)因子等多種生物活性物質(zhì)的產(chǎn)生,來(lái)促進(jìn)消化酶的產(chǎn)生,從而保護(hù)腸道發(fā)育,促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)。另一方面,APS 通過(guò)改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育,增加腸道微生物多樣性,來(lái)提高腸道的免疫力,維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。Yang 等[27]研究表明,在斷奶仔豬日糧添加APS,使仔豬腸道乙酸、異丁酸和丁酸含量顯著提高,腸道微生物種群和多樣性水平升高,隱窩深度降低、絨毛高度和隱窩深度的比值升高,從而促進(jìn)斷奶仔豬的腸道健康發(fā)育。此外,Wang 等[28]研究發(fā)現(xiàn),APS可改善感染脂多糖肉雞的空腸絨毛高度,增加空腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞數(shù)量。緊密連接是維持腸道黏膜上皮的機(jī)械屏障和滲透性的重要結(jié)構(gòu),APS 還可以通過(guò)提高腸道Occludin 和Claudin 緊密連接蛋白的表達(dá)來(lái)維持腸屏障功能[13]。同樣,Wang 等[29]研究也發(fā)現(xiàn),APS 可顯著增加Occludin 和Claudin 的表達(dá)。
綜上,一方面,APS 通過(guò)調(diào)控腸道內(nèi)有益菌生長(zhǎng)所需的環(huán)境,從而維持了腸道微生態(tài)平衡,保護(hù)腸道形態(tài)的正常發(fā)育;另一方面,通過(guò)保護(hù)腸道上皮細(xì)胞和黏膜細(xì)胞,降低腸道屏障,進(jìn)而促進(jìn)腸道健康。
2.4 抑菌抗病毒 研究表明,APS 對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的菌株均有抑制作用[30]。Li 等[31]在1日齡雌雞日糧中添加200 mg/kg 的APS 進(jìn)行42 d 飼養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雌雞回腸和盲腸中大腸桿菌的數(shù)量分別減少4%和6%。李瑜等[32]研究表明,當(dāng)APS 濃度為0.02 mg/mL時(shí),對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌最好,且pH為6 時(shí)抑菌效果強(qiáng),其原因可能是在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿環(huán)境下,APS 結(jié)構(gòu)容易變化,從而導(dǎo)致失去抑菌作用。在體外抗菌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),APS 可抑制并殺滅奶牛乳腺炎的主要病原菌大腸桿菌、鏈球菌以及金黃色葡萄菌,并且對(duì)大腸桿菌抑制效果最明顯[30]。其原因可能是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的肽聚糖層較薄,容易遭到APS 破壞,導(dǎo)致細(xì)胞膜破損,最終死亡[33]。APS 對(duì)許多病毒亦具有抑制作用,研究表明,APS 通過(guò)促進(jìn)雛雞早期體液免疫應(yīng)答,從而增強(qiáng)細(xì)胞免疫,減少H9N2禽流感病毒(AIV)的復(fù)制[34]。體外試驗(yàn)表明,APS 可抑制豬圓環(huán)病毒2型(PCV2)的復(fù)制,其原因主要是由于APS 能降低PCV2 體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)和激活NF-κB 的信號(hào)通路[35]。因此,APS 主要通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功來(lái)抑制病毒的復(fù)制過(guò)程。綜上,APS 對(duì)多種細(xì)菌和病毒均有抑制作用,這也為養(yǎng)殖生產(chǎn)中疾病的預(yù)防提供了參考。
3.1 APS 在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 研究表明,飼料中添加APS 對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)具有明顯促進(jìn)作用,究其原因可能是APS 具有免疫調(diào)節(jié)能力、促進(jìn)腸道健康等作用。Yuan等[13]在斷奶仔豬日糧添加800 mg/kg 的APS 可顯著提高仔豬的平均日增重、降低耗料增重比、提高免疫球蛋白A(IgA)的表達(dá),改善仔豬抗氧化性能。Yin 等[36]研究結(jié)果顯示,0.1% APS 組仔豬平均日增重較對(duì)照組和抗生素組分別顯著提高11%和4.4%,耗料增重比分別降低5.6%和8.4%,回腸消化率和氨基酸血清濃度增加,從而調(diào)節(jié)仔豬氨基酸代謝和腸道微生物的酸代謝,改善消化和吸收功能,促進(jìn)生長(zhǎng)。駱先虎等[37]研究表明,APS 能促進(jìn)仔豬對(duì)粗蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率,提高機(jī)體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率,降低仔豬腹瀉率。其改善腹瀉的原因可能是APS 通過(guò)降低仔豬腸道pH,使腸道有益菌數(shù)量顯著增殖,降低大腸桿菌等有害菌數(shù)量,通過(guò)改善仔豬腸道內(nèi)環(huán)境,有效降低腹瀉率[25]。隋明靜[38]研究表明,APS 可促進(jìn)仔豬腸道消化液分泌,通過(guò)改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu),從而擴(kuò)大腸道的吸收面積,提高機(jī)體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,加快仔豬的生長(zhǎng)速度。Tan 等[39]在妊娠母豬預(yù)期分娩前1 周日糧中添加APS,分娩后檢測(cè)初乳中免疫細(xì)胞因子,結(jié)果顯示,APS 可顯著提高初乳中免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)表達(dá),且豬瘟病毒抗體阻斷率也明顯提升。此外,母豬飼糧中添加APS 可提高產(chǎn)仔性能和仔豬成活率,改善泌乳量和乳品質(zhì)[40]。侯曉礁等[41]研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,在妊娠母豬飼料中添加300 mg/kg 的APS 后,母豬生產(chǎn)仔豬數(shù)量較高,仔豬死胎率、畸形率、弱仔率等較低。因此,APS 可通過(guò)增強(qiáng)機(jī)體免疫、提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率、改善腸道內(nèi)環(huán)境,從而提高豬的飼料利用率、產(chǎn)仔性能,降低腹瀉率,促進(jìn)生長(zhǎng)。
3.2 APS 在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用 APS 已被證實(shí)對(duì)肉雞生長(zhǎng)性能具有提高作用[24,42-43]。APS 主要通過(guò)提高消化酶活性、改善腸道健康、增強(qiáng)免疫功能等方面提高肉雞生長(zhǎng)性能。Wu 等[42]研究表明,APS 可提高肉雞腸道消化酶活性,增強(qiáng)血清免疫功能水平。APS 可調(diào)控脂多糖誘導(dǎo)的肉雞機(jī)體免疫應(yīng)激,通過(guò)抑制蛋白質(zhì)重分配,從而提高肉雞的蛋白質(zhì)代謝,改善免疫應(yīng)激狀態(tài),緩解肉雞的生長(zhǎng)抑制[44]。肉品質(zhì)方面,孫波等[45]研究表明,APS 可不同程度地提高肉雞屠宰率、胸肌率等屠宰性能和肌肉的pH、滴水損失等肉品質(zhì)指標(biāo)。此外,APS 可有效降低肉雞的腹瀉率,究其原因是APS 抑制了大腸桿菌病、沙門(mén)菌病與綠膿桿菌病等細(xì)菌繁殖[46]。APS在蛋雞上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在提高生產(chǎn)性能和改善蛋品質(zhì)方面。
官麗輝等[47]研究結(jié)果顯示,APS 可提高產(chǎn)蛋后期蛋雞產(chǎn)蛋率,降低耗料增重比,提高促卵泡激素(FSH)、促黃體生成素(LH)等生殖激素水平。APS 可以有效改善產(chǎn)蛋后期蛋雞卵巢功能,促進(jìn)其卵泡發(fā)育與排卵,提高產(chǎn)蛋性能。APS 還可調(diào)節(jié)蛋雞血脂。楊秋霞等[48]研究結(jié)果顯示,在蛋雞日糧中添加APS 可顯著降低蛋雞血清膽固醇(TC)、甘油三酯(TG)和蛋黃中TG等脂質(zhì)指數(shù),APS 通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)體脂質(zhì)代謝水平,改善雞蛋品質(zhì)。在蛋品質(zhì)方面,王翠菊等[19]研究也指出,APS 可以改善蛋黃顏色,提升蛋殼的厚度和哈氏單位,可能是APS 具有強(qiáng)抗氧化作用,可有效保護(hù)葉黃素氧化,起到促進(jìn)色素堆積、調(diào)節(jié)蛋黃色澤的作用。在水禽方面,APS 主要集中在鴨生產(chǎn)上的研究。趙文文等[49]研究結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,APS 組耗料增重比降低12.97%,平均日增重和平均采食量分別提高了6.85%、0.70%;各免疫球蛋白和免疫細(xì)胞因子均得到不同程度提高,回腸隱窩深度降低了48.29%,有效提高了腸道菌群豐度。李桂芹等[50]研究顯示,APS 可緩解免疫應(yīng)激導(dǎo)致的肉鴨免疫器官指數(shù)和應(yīng)激激素降低,由此提高機(jī)體抵抗力,促進(jìn)生長(zhǎng)。鄭嫩珠等[20]研究表明,添加APS 可提高番鴨肌肉pH、降低滴水損失和剪切力,從而提高肌肉持水力,改善肉品質(zhì),原因在于APS 增強(qiáng)了肌肉中的抗氧化酶活性,保證了肌肉的品質(zhì)。綜上表明,APS 對(duì)家禽的生產(chǎn)性能、產(chǎn)品品質(zhì)、腸道健康、機(jī)體免疫等均有提升作用。
3.3 APS 在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用 APS 對(duì)牛、羊等反芻動(dòng)物具有促生長(zhǎng)、調(diào)控能量代謝、緩解應(yīng)激、增強(qiáng)免疫等作用[51-52]。劉延鑫等[51]研究發(fā)現(xiàn),APS 通過(guò)降低應(yīng)激肉牛抗氧化指標(biāo)的升高,可有效緩解運(yùn)輸導(dǎo)致的肉牛應(yīng)激反應(yīng),使肉?;謴?fù)正常生理狀態(tài),降低發(fā)病率。王義翠等[53]研究表明,與對(duì)照組相比,在斷奶犢牛日糧中添加5 g/ 頭的APS 可顯著提高平均日增重,采食量提高了8.40%,耗料增重比、發(fā)病率分別降低了5.7%、66.6%,機(jī)體SOD、GSH-Px 等抗氧化酶活性也顯著提高。一方面,APS 可通過(guò)增強(qiáng)反芻動(dòng)物抗氧化能力,提升其抗應(yīng)激水平,改善其生長(zhǎng)。另外,APS 可提高反芻動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)物質(zhì)消化率,降低腹瀉率,也是其促進(jìn)生長(zhǎng)的機(jī)制之一[54]。也有研究報(bào)道,APS 對(duì)奶牛乳房炎有一定的預(yù)防作用,主要是通過(guò)抑制金黃色葡萄球菌、無(wú)乳鏈球菌、大腸菌群屬等奶牛乳房炎致病菌,降低牛乳中的體細(xì)胞數(shù)和改善乳腺上皮細(xì)胞炎癥來(lái)實(shí)現(xiàn)[55]。因此,通過(guò)添加APS 后可以提高反芻動(dòng)物生產(chǎn)性能,緩解應(yīng)激反應(yīng),提高免疫力,促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)。
綜上所述,APS 具有增強(qiáng)動(dòng)物免疫力、促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、維持腸道健康發(fā)育、提高抗應(yīng)激能力等作用。同時(shí),因其具有高效、低毒、無(wú)殘留等優(yōu)良特性,逐漸被作為一種新型綠色添加劑應(yīng)用在家畜、家禽和反芻動(dòng)物生產(chǎn)中,并取得良好的效果。值得指出的是,在當(dāng)前畜禽生產(chǎn)中禁止使用飼用抗生素的大環(huán)境下,APS 能否成為一種替抗產(chǎn)品需要開(kāi)展更廣泛研究。目前APS 的提取工藝效率低,在不同畜禽生產(chǎn)中添加劑量差異較大及與其他飼料添加劑的互相關(guān)系尚不明確,需進(jìn)一步深入研究。