姜黃素的抗氧化功能及其在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

付江文，張海波，歐陽(yáng)紅兵，黎力之，廖曉鵬，關(guān)瑋琨*，郭冬生*

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，江西宜春 336000；2.江西省創(chuàng)欣藥業(yè)集團(tuán)有限公司，江西宜春 336000）

姜黃素主要來(lái)源于姜黃根莖，由芳香環(huán)、-二酮、烯烴連接體和甲氧基酚基團(tuán)構(gòu)成，在改善動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)、提高機(jī)體抗氧化、增強(qiáng)機(jī)體免疫等方面有重要作用。動(dòng)物攝入姜黃素后可抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NOX）表達(dá)，增強(qiáng)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）、超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）等活性，降低丙二醛（MDA）和活性氧（ROS）含量，提高抗氧化功能，緩解氧化應(yīng)激。姜黃素還介導(dǎo)Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（Keap1）-核因子E2 相關(guān)因子2（Nrf2）/抗氧化反應(yīng)元件（ARE）通路，上調(diào)，下調(diào)，激活Nrf2/ARE 信號(hào)通路，促進(jìn)血紅素氧合酶-1（HO-1）和醌氧化還原酶-1（NQO1）生成，清除體內(nèi)過(guò)多自由基和ROS，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化功能。因此，本文主要闡述了姜黃素通過(guò)NOX 途徑和Keap1-Nrf2/ARE 通路調(diào)節(jié)動(dòng)物抗氧化作用的機(jī)制及其畜禽養(yǎng)殖中的研究進(jìn)展，以期為姜黃素的進(jìn)一步合理開發(fā)利用提供理論參考。

1 姜黃素概述

1.1 姜黃素結(jié)構(gòu) 姜黃素以不飽和脂肪族及芳香族基團(tuán)為主鏈，由2 個(gè)相鄰甲基化的酚以及1 個(gè)-二酮組成，含有多個(gè)雙鍵、酚羥基和羰基等活性基團(tuán)（如,-不飽和碳基），可促進(jìn)自由基清除，提高機(jī)體抗氧化。此外，姜黃素主要以酮和烯醇2 種互變異構(gòu)形式分別決定其抗氧化性和促氧化性，極性和酸性條件下以酮形式存在，促進(jìn)抗氧化；非極性和堿性條件下以烯醇形式存在，發(fā)揮促氧化作用。

1.2 姜黃素的益生作用 在優(yōu)化動(dòng)物腸道壞境方面，姜黃素可調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，改善腸黏膜組織形態(tài)和通透性，改善腸道屏障功能。研究發(fā)現(xiàn)，以200 mg/kg 姜黃素飼喂大鼠56 d 后，可顯著降低志賀氏菌、擬桿菌和變形桿菌豐度，提高乳酸桿菌和疣微菌科豐度，調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)腸道屏障功能。飼糧添加400 mg/kg 姜黃素飼喂宮內(nèi)發(fā)育遲緩（IUGR）斷奶仔豬后，腸道隱窩深度顯著降低，十二指腸、空腸、回腸絨毛高度以及絨毛高度/隱窩深度比率顯著升高，可改善腸上皮黏膜形態(tài)，促進(jìn)IUGR 仔豬腸道發(fā)育。在免疫調(diào)節(jié)方面，姜黃素可抑制促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，提高免疫因子含量，緩解炎癥反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，以20 mg/kg 姜黃素注射治療過(guò)敏性哮喘大鼠7 d，可顯著降低促炎因子白介素（IL）-4、IL-5 和腫瘤壞死因子-（TNF-）水平，促進(jìn)水通道蛋白表達(dá)，下調(diào)熱休克蛋白70 表達(dá)水平。以100 mg/kg 姜黃素注射治療免疫性重癥肌無(wú)力大鼠45 d 后，可顯著抑制T 細(xì)胞刺激因子（CD80 和CD86）與組織相容性復(fù)合物II 類分子表達(dá)，降低IL-17、干擾素-和TNF-等促炎細(xì)胞因子濃度，提高抗炎細(xì)胞因子IL-10濃度，增加自然殺傷細(xì)胞和自然殺傷T 細(xì)胞數(shù)量，改善肌無(wú)力。在調(diào)節(jié)動(dòng)物糖脂代謝方面，姜黃素可促進(jìn)脂肪組織產(chǎn)生脂聯(lián)素，緩解胰島細(xì)胞衰竭，提高胰島素生成，增加動(dòng)物對(duì)胰島素敏感性，調(diào)節(jié)糖脂代謝。研究表明，以400 mg/kg 姜黃素飼喂鉛中毒大鼠模型28 d，可降低血清總膽固醇和甘油三酯含量，顯著增加血清總蛋白、白蛋白和球蛋白含量，降低堿性磷酸酶活性，提高肝CAT 活性，減少M(fèi)DA 含量。以每千克體重注射5 mL（3 mg/mL）姜黃素飼喂鏈菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠21 d，可促進(jìn)胰島素和胰島素受體基因表達(dá)，顯著提高胰島素水平，顯著降低血糖濃度。姜黃素還具有提高抗氧化酶活性和清除自由基能力，緩解機(jī)體氧化應(yīng)激。研究發(fā)現(xiàn)，以20 mg/kg 姜黃素飼喂溴酸鉀誘導(dǎo)的腎損傷大鼠28 d，可顯著提高SOD、CAT 和GPX 活性，顯著降低腺苷脫氨酶和精氨酸酶活性，減少M(fèi)DA含量，提高機(jī)體抗氧化能力。以30 μmol/L 姜黃素處理奶牛乳腺上皮細(xì)胞3 h 后，可促進(jìn)表達(dá)，顯著增加HO-1 和NQO1 蛋白含量，提高SOD 和GPX 活性，降低ROS 和MDA 濃度，緩解氧化應(yīng)激。

2 姜黃素抗氧化作用機(jī)制

2.1 姜黃素通過(guò)NOX 途徑緩解氧化應(yīng)激 吞噬細(xì)胞靜息狀態(tài)下，NOX 是位于細(xì)胞膜上一種休眠酶，由細(xì)胞膜上的p22phox 和gp91phox 以及細(xì)胞質(zhì)中的p47phox、p40phox、p67phox 和GTP 結(jié)合蛋白（Rac）6 種亞基構(gòu)成。吞噬細(xì)胞受到外界刺激時(shí)，會(huì)調(diào)節(jié)p47phox、p40phox、p67phox 和Rac 轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，與p22phox 和gp91phox 結(jié)合，形成NOX 活性酶，產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激。10 μg/mL 姜黃素可減少大鼠小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，抑制iNOS 活性和p67phox 向細(xì)胞質(zhì)膜轉(zhuǎn)移，降低NOX 含量，緩解氧化損傷，抑制前少突膠質(zhì)細(xì)胞凋亡。以75 mg/kg 姜黃素飼喂慢性腎病大鼠49 d，可抑制NOX 亞基p67phox 和p22phox 表達(dá)，增加GPX 活性，降低MDA 和ROS 水平，減輕氧化應(yīng)激。以100 mg/kg 姜黃素飼喂大鼠 42 d 后，可抑制p47phox 表達(dá)，降低NOX 活性，降低ROS 含量。以上研究表明，姜黃素可抑制p22phox、p47phox 和p67phox 等細(xì)胞亞基成分表達(dá)，從細(xì)胞層面上抑制NOX 活性，減少ROS。

在分子層面上，NOX1、NOX2、NOX4 可在肝星狀細(xì)胞（HSC）中表達(dá)，催化煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）依賴性小分子氧化物還原，產(chǎn)生超氧化物并轉(zhuǎn)化為次生代謝物過(guò)氧化氫和次氯酸，促進(jìn)氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)HSC 纖維化。以100 mg/kg 姜黃素治療膽管結(jié)扎纖維化大鼠28 d 后，可抑制mRNA 轉(zhuǎn)錄，降低NOX1 蛋白表達(dá)，增加氨基酸游離硫醇量，減少蛋白質(zhì)碳化，提高CAT 和SOD 酶活性，降低肝氧化應(yīng)激，減輕肝損傷。以10 mg/kg 姜黃素治療熱吸入損傷大鼠能抑制NOX2 細(xì)胞質(zhì)成分跨膜易位，降低ROS，上調(diào)Akt/mTOR 信號(hào)通路傳導(dǎo)，緩解熱誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。以200 mg/kg 姜黃素治療肝纖維化大鼠42 d，可顯著降低mRNA 和蛋白表達(dá)，減少血清ROS，抑制肝纖維化。綜上所述，姜黃素可降低NOX 亞基組成成分表達(dá)，抑制NOX 家族中各NADPH 氧化酶的激活，減少ROS 產(chǎn)生，緩解氧化應(yīng)激，促進(jìn)動(dòng)物健康。

2.2 姜黃素調(diào)節(jié)Keap1-Nrf2/ARE 通路提高動(dòng)物抗氧化功能 Nrf2 是機(jī)體氧化應(yīng)激感受器，Keap1 激活后可促進(jìn)其與Nrf2 結(jié)合，抑制Nrf2 與ARE 結(jié)合，降低下游抗氧化酶HO-1 和NQO1 表達(dá)。姜黃素中具有2 個(gè)親電,-不飽和碳基，可與Keap1 中Cys151 反應(yīng)硫原子共價(jià)結(jié)合，使泛素連接酶E3 中骨架蛋白Cullin3 去甲基化，降低環(huán)合蛋白1-E3 泛素連接酶活性，抑制Nrf2泛素化降解，促進(jìn)Nrf2/ARE 結(jié)合。以30 mg/kg姜黃素處理肝癌小鼠14 d 后發(fā)現(xiàn)，Keap1 表達(dá)下降82.76%，Nrf2 含量增加12.1 倍，啟動(dòng)Nrf2/ARE 通路，促進(jìn)抗氧化酶基因表達(dá)。Nrf2 是HO-1 的上游調(diào)節(jié)劑，HO-1 蛋白可清除自由基，降低ROS，抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，緩解氧化應(yīng)激。研究發(fā)現(xiàn)，添加1.0%體重比的姜黃素治療鏈脲菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠21 d 后，可穩(wěn)定轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞質(zhì)Nrf2 進(jìn)入細(xì)胞核，與巨噬細(xì)胞活化因子結(jié)合形成二聚體，促進(jìn)Nrf2 與ARE 結(jié)合，上調(diào)抗氧化基因表達(dá)，增加HO-1、SOD 和GPX 蛋白含量，清除自由基，降低ROS 和血糖水平。在順鉑誘導(dǎo)的膀胱功能障礙大鼠日糧中添加1.0% 體重比的姜黃素5 d 后，可顯著提高Nrf2 和HO-1 蛋白表達(dá)，抑制大鼠膀胱細(xì)胞凋亡；然而，敲除大鼠基因后，飼喂等量姜黃素對(duì)膀胱細(xì)胞凋亡無(wú)改善作用。以上研究表明，姜黃素可通過(guò)提高Nrf2 水平，促進(jìn)HO-1 蛋白表達(dá)，緩解機(jī)體氧化應(yīng)激，改善機(jī)體細(xì)胞停滯。同時(shí)，激活Nrf2/HO-1 還可下調(diào)機(jī)體相關(guān)促炎因子表達(dá)。不同濃度姜黃素處理小鼠巨噬細(xì)胞系RAW264.7 細(xì)胞24 h，可增加Nrf2/HO-1水平，下調(diào)和等促炎因子表達(dá)，抑制氧化應(yīng)激，緩解炎癥，且核Nrf2 轉(zhuǎn)錄和HO-1 表達(dá)水平與姜黃素濃度和作用時(shí)間呈正比。

NQO1 作為一種細(xì)胞質(zhì)黃素蛋白，位于Nrf2/ARE通路下游，可抑制ROS 產(chǎn)生，清除自由基，在提高動(dòng)物抗氧化能力方面發(fā)揮直接作用。以100 mg/kg 姜黃素治療道爾頓淋巴瘤+二甲基亞砜小鼠中，Nrf2 表達(dá)和NQO1 活性分別上調(diào)127%、134%，表明姜黃素可通過(guò)促進(jìn)Nrf2 表達(dá)，提高NQO1 活性，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化。日糧中添加50 mg/kg 姜黃素飼喂高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗小鼠10 d 后，肌肉和肝組織中Keap1水平顯著降低，Nrf2 和NQO1 水平顯著增加，抑制MDA 產(chǎn)生，顯著提高還原型谷胱甘肽/ 氧化型谷胱甘肽比值。研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加200 mg/kg 姜黃素治療IUGR 仔豬骨骼肌氧化應(yīng)激，可顯著上調(diào)和的mRNA 表達(dá)，增加NQO1 蛋白含量，降低MDA 和碳化蛋白含量。綜上所述，姜黃素可通過(guò)改善Nrf2 核易位的方式調(diào)控Keap1-Nrf2/ARE 信號(hào)通路，促進(jìn)Nrf2 與ARE 結(jié)合，增加HO-1 和NQO1 含量，清除自由基，提高動(dòng)物抗氧化能力。

3 姜黃素在動(dòng)物養(yǎng)殖中的應(yīng)用

姜黃素可增強(qiáng)機(jī)體多種抗氧化酶活性，提高機(jī)體抗氧化。在家畜生產(chǎn)中，以200 mg/kg 姜黃素飼喂斷奶仔豬14 d 后，可提高SOD、CAT 和GPX 活性，降低MDA 含量，抑制腸黏膜形態(tài)萎縮和線粒體腫脹，減輕腸道應(yīng)激損傷。日糧中添加200 mg/kg 姜黃素飼喂IUGR 斷奶仔豬后，可顯著促進(jìn)空腸黏膜和谷氨酸半胱氨酸連接酶催化亞基mRNA 表達(dá)，抑制半胱氨酸蛋白酶3 和B 淋巴細(xì)胞瘤-2基因相關(guān)蛋白mRNA 表達(dá)，GPX 活性提高22.17%，減輕空腸氧化損傷。在家禽方面，飼用姜黃素后，家禽體內(nèi)抗氧化酶活性增強(qiáng)，產(chǎn)蛋率增加，同時(shí)可提高蛋品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，以150 mg/kg 姜黃素飼喂母雞42 d，GPX 和CAT 活性顯著升高，MDA 含量降低，雞蛋產(chǎn)量增加11.58%，蛋殼厚度提高23.22%，蛋殼強(qiáng)度提高76.40%。同時(shí)，姜黃素還可抑制反芻動(dòng)物炎性細(xì)胞因子表達(dá)，提高免疫蛋白含量，增強(qiáng)機(jī)體免疫力。研究發(fā)現(xiàn)，以30 μmol/L 姜黃素處理奶牛子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞24 h，促炎細(xì)胞因子和表達(dá)顯著下調(diào)，抑制子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞中前列腺素E2 產(chǎn)生，改善奶牛子宮內(nèi)膜炎癥。以900 mg/d 姜黃素飼喂每只湖羊35 d，可增加血清游離脂肪酸和GPX 含量，抑制半胱氨酸蛋白酶3 基因表達(dá)，上調(diào)血漿IgA、IgM 和IgG 濃度，提高機(jī)體免疫水平。另外，姜黃素還可調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道微生物結(jié)構(gòu)，抑制有害微生物生長(zhǎng)，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收，提高飼料轉(zhuǎn)化率，改善生產(chǎn)性能。飼糧中添加200 mg/kg 姜黃素飼喂1 日齡肉雞42 d 后，大腸桿菌和沙氏桿菌含量分別降低20.49%和39.33%，乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量顯著增加，SOD、GPX 和溶菌酶活性顯著上調(diào)，耗料增重比降低，顯著提高日增重。在水產(chǎn)方面，飼糧中姜黃素以3%的劑量飼喂金頭鯛魚150 d，酸發(fā)酵細(xì)菌、弧菌和有害大腸桿菌數(shù)量顯著降低，血紅蛋白水平顯著增加。以240 mg/kg 姜黃素飼喂草魚60 d，腸道胰蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性均顯著上升，腸軀體指數(shù)、腸重和腸蛋白含量顯著增加，飼料轉(zhuǎn)化率提高10.34%。目前，姜黃素在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用多集中于提高機(jī)體抗氧化能力、增強(qiáng)免疫力、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收效率等方面，但姜黃素能否提高反芻動(dòng)物肉、乳品質(zhì)還有待深入探究。

4 小結(jié)與展望

姜黃素具有提高機(jī)體抗氧化酶活性、清除ROS、降低炎性細(xì)胞因子分泌的作用。姜黃素可通過(guò)抑制基因表達(dá)，提高CAT、SOD 和GPX 酶等活性，清除自由基，降低ROS，緩解機(jī)體氧化應(yīng)激；姜黃素還可抑制Keap1 和Nrf2 的結(jié)合，促進(jìn)Nrf2 核轉(zhuǎn)運(yùn)，上調(diào)Nrf2/ARE 通路，增加HO-1 和NQO1 含量，誘導(dǎo)多種抗氧化酶基因表達(dá)，緩解氧化應(yīng)激和減少促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，提高機(jī)體抗氧化。目前，姜黃素作為優(yōu)質(zhì)飼料添加劑已應(yīng)用于動(dòng)物生產(chǎn)，可促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高動(dòng)物抗氧化能力、免疫力與生產(chǎn)性能。但關(guān)于姜黃素的研究多側(cè)重于姜黃素在抗炎抗菌抗氧化等方面的藥理作用，而對(duì)于姜黃素類衍生物在動(dòng)物體中作用機(jī)制研究較少；針對(duì)姜黃素吸收率低和溶解性差，在姜黃素的提取、代謝和生物利用度改善方面還需進(jìn)一步深入探索。隨著姜黃素及其衍生物的研究深入，姜黃素在改善動(dòng)物機(jī)體健康及動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)飼料方面將得到更加廣泛應(yīng)用。