β-胡蘿卜素的生物學功能及在動物生產中的應用

吉瑩利 劉碧凡 楊 婷 趙玉蓉

（湖南農業大學動物科學技術學院，湖南畜禽安全生產協同創新中心，湖南長沙 410128）

β-胡蘿卜素是自然界中較為豐富的類胡蘿卜素之一， 作為一種最穩定的天然色素， 其廣泛存在于天然時令蔬菜和水果中， 如胡蘿卜、 菠菜、西蘭花、 番茄、 芒果、 木鰲果等。 不同蔬菜和水果其β-胡蘿卜素含量不盡相同， 大體上是顏色越深其含量越豐富。 自19 世紀30 年代Wackenroder 首次從胡蘿卜中提取出β-胡蘿卜素以來，發現其具有較強的抗氧化、 促進細胞增殖和分化、 調控細胞間信號傳導、 影響基因的表達、 增強免疫以及抗炎、 抗癌、 防治心血管疾病、 延緩衰老等作用。 β-胡蘿卜素作為維生素A 較為安全的一種前體形式； 不同動物對于其代謝存在差異性， 有研究證明不同動物腸道和其他組織存在特定載體蛋白， 嚴格調控β-胡蘿卜素的吸收和積累， 對于不同物種的代謝途徑仍需探究。 近年來隨著對β-胡蘿卜素研究的不斷深入， 全球β-胡蘿卜素的需求量越來越高， 目前β-胡蘿卜素已在世界上52 個國家和地區被批準作為所有動物的飼料添加劑使用。 本文主要就β-胡蘿卜的代謝途徑及生物學活性及其應用進行綜述， 以期為β-胡蘿卜開發利用和動物的健康養殖提供參考。

1 β-胡蘿卜素的理化性質

β-胡蘿卜素（分子式C40H56） 是一種橘紅色至暗紅色的有光澤的斜方六面體、 板狀微晶體或結晶性粉末， 具有輕微的異味， 熔點為176～184℃， 不溶于水、 丙二醇和甘油， 微溶于乙醇、甲醇和乙醚， 易溶于氯仿、 己烷、 二硫化碳、 丙酮、 苯， 遇光和熱不穩定， 較易被氧化。 β-胡蘿卜素的化學結構是由四個異戊二烯雙鍵相連而成， 主要有全反式、 9-順式、 13-順式和15-順式4 種結構式。 在順式結構中， 由于雙鍵附近的氫原子之間或氫原子與甲基基團之間會存在較大的空間位阻， 因此造成順式結構不穩定， 所以天然β-胡蘿卜素主要以全反式結構（圖1） 存在。

2 β-胡蘿卜素的代謝途徑

人與動物通過飲食攝入β-胡蘿卜素經咀嚼進入腸道， 在腸道酶作用下β-胡蘿卜素從食物中釋放出來， 主要在小腸與酯類物質經過乳化形成乳糜微粒， 通過被動擴散被小腸黏膜細胞吸收。 機體對食物中β-胡蘿卜素的吸收差別很大，主要取決于食物中β-胡蘿卜素含量、 脂質類型、其他胡蘿卜素和維生素A 因素以及動物物種等。

β-胡蘿卜素作為一種高親脂性非極性分子，主要以蛋白質復合物的形式存在， 動物小腸黏膜上皮細胞對食物中β-胡蘿卜素的吸收步驟是：（1） 在胃中的胃蛋白酶和其他消化酶的作用下，β-胡蘿卜素從蛋白質復合物中釋放出來； （2）釋放出的β-胡蘿卜素在十二指腸與其他脂類物質在膽汁的乳化作用下形成乳糜微粒； 乳糜微粒進入到小腸， 隨后被小腸黏膜上皮細胞吸收；（3） 含β-胡蘿卜素乳糜微粒進入小腸黏膜上皮細胞后主要有三個去處， 其一是β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素-15， 15-單加氧酶（β， β-Carotene 15， 15-monooxygenase， BCOⅠ） 和β-胡蘿卜素-9， 10-雙加氧酶 （β， β-carotene 9， 10-dioxygenase， BCOⅡ） 作用下轉化成維生素A，其二是β-胡蘿卜素隨更新的黏膜上皮細胞重新進入腸道， 之后排出體外； 其三是β-胡蘿卜素經門靜脈或淋巴進入血液循環并進一步運送到肝臟和其他靶組織， 其中部分β-胡蘿卜素可以在肝臟內被轉化為維生素A、 被貯存或參與機體的其他生物學功能。

3 β-胡蘿卜素生物學功能及其應用

研究證明許多類胡蘿卜素具有維生素A 活性， 其中β-胡蘿卜素活性最高， 因而成為動物機體維生素A 的重要來源。 早在20 世紀30 年代Steenkbock 就發現β-胡蘿卜素可能具有維生素A活性。 Moore 經過試驗證明β-胡蘿卜素可以在動物體內轉化為維生素A， 發揮維生素A 的作用。β-胡蘿卜素轉化為維生素A 有兩個途徑： （1）中心裂解（對稱裂解）： β-胡蘿卜素在BCOⅠ的作用下產生兩分子維生素A； （2） 偏心裂解（非對稱裂解）： β-胡蘿卜素在BCOⅡ的作用下產生一份子維生素A。 研究表明， 動物機體并不能夠直接合成維生素A， 只能從食物中攝入維生素A 和維生素A 源； 在機體缺乏維生素A 時，BCO 含量與活性增加， 能將儲存在肝臟中β-胡蘿卜素轉化為維生素A； 當體內維生素A 增加到需要量時， 此轉化立即停止， 不會造成維生素A的過量積累。 即， 動物具有一定通過調控BCO的活性的能力來維持體內維生素A 的動態平衡。

機體在正常條件下處于氧化和抗氧化平衡狀態， 這種平衡的基礎是由抗氧化防御體系所維持， 其分為酶體系和非酶體系， 酶體系包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、 過氧化氫酶（catalase， CAT）、 谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase， GSH-Px） 等， 非酶體系包括還原型谷胱甘肽（glutathione， GSH）、 維生素C、 維生素E 以及一些天然抗氧化劑等。 體內的活性氧（reactive oxygen species， ROS） 是細胞正常代謝而形成的副產物， 低水平ROS 作為一類信號分子在機體內的許多信號傳遞途徑中起著至關重要的作用； 但在機體受到不良刺激時，ROS 產生增多， 機體的抗氧化防御體系不能及時清除， 這種平衡被打破， 進而對機體產生損傷。

ROS 主要有超氧陰離子（O2-）、 過氧化氫（H2O2）、 羥自由基（OH-）、 臭氧（O3） 和單線態氧（1O2）。 β-胡蘿卜素含有多烯烴特殊分子結構， 因此其擁有較強的自由基捕獲能力， 能夠清除ROS， 明顯改善機體的抗氧化狀態。 研究數據顯示1 分子的β-胡蘿卜素可以抑制1000 個1O2。目前， β-胡蘿卜素與ROS 反應主要通過3 種途徑， 其一是電子轉移機制， 其二是氫原子轉移機制， 其三是自由基加成反應。 有學者研究發現，β-胡蘿卜素能通過激活核因子E2 相關因子2（NF-E2-related factor 2， Nrf2） - Kelch 樣環氧氯丙烷相關蛋白-1 （Kelch-like ECH-associated protein 1， Keap1） -抗氧化反應元件 （antioxidant response element， ARE） 信號通路上調抗氧化酶基因的表達， 從而增強機體抗氧化酶清除自由基的能力。 Szczubia 通過給妊娠母豬后期肌肉注射β-胡蘿卜素， 發現母豬血液紅細胞的GSHPx、 CAT、 SOD 的水平顯著升高。 Salem 給小鼠補充β-胡蘿卜素， 發現GSH-Px 的水平顯著提高， 丙二醛（malondialdehyde， MDA） 的含量顯著降低。 研究發現， 在奶牛和肉牛日糧中添加適量的β-胡蘿卜素能夠顯著提高血清中GSH-Px、CAT 和SOD 的水平， 同時顯著降低MDA 的含量。 Akcakaya 等用過氧化H2O2對K562 細胞進行氧化應激試驗， 發現β-胡蘿卜素與H2O2同時處理或后處理對細胞的氧化損傷沒有改善作用， 但β-胡蘿卜素的前處理則顯著改善H2O2對細胞的氧化損傷。

β-胡蘿卜素通過提高機體的細胞免疫、 體液免疫及非特異性免疫反應， 而增強對某些疾病的抵抗力， 改善動物健康。 張曉音等研究結果表明，β-胡蘿卜素能顯著提高脂多糖（lipopolysaccharide， LPS） 刺激的巨噬細胞RAW264.7 的細胞活力。 Ma 等經過試驗發現小鼠飼喂環磷酰胺（cyclophosphamide， CTX） 后補飼β-胡蘿卜素能夠改善CTX 引起的免疫抑制小鼠免疫器官的損傷、提高小鼠血清中細胞因子和免疫球蛋白的含量。吉昱斌等研究表明， 在1 日齡海蘭褐雛雞日糧中添加不同劑量的β-胡蘿卜素能顯著提高雛雞血液中免疫球蛋白A （IgA） 的含量。 同時Lo 等發現β-胡蘿卜素通過調節粒-巨噬細胞集落刺激因子(granulocytemacrophage-colony stimulating factor，GM-CSF)、 白細胞介素-6 (interleukin-6， IL-16)和基質金屬蛋白酶-9 (matrix metalloprotein，MMP-9) 的分泌， 進而提高機體的免疫能力。Maho 等通過給日本黑牛飼喂β-胡蘿卜素發現，β-胡蘿卜素能夠顯著提高初乳中免疫球蛋白G（IgG） 含量。 劉海燕等在21 日齡海蘭褐雛雞日糧中添加不同劑量的β-胡蘿卜素， 發現β-胡蘿卜素顯著改善雛雞的免疫器官指數。 李雁強發現妊娠母豬的基礎日糧中添加β-胡蘿卜素， 能夠提高新生仔豬的免疫能力， 增加仔豬的健仔率與斷奶重， 顯著降低仔豬從出生至斷奶期間的死亡率。

在動物體內β-胡蘿卜素可以保護子宮、 卵巢及活性生殖細胞免受氧化反應的破壞， 從而保護生殖系統重要的細胞器， 進而增強動物的繁殖能力， 提高生產性能。 β-胡蘿卜素還能夠刺激孕酮的產生， 并與雌激素、 黃體素的合成有關并提高其活性。

相關文獻報道， 生產實踐中在奶牛的日糧中添加β-胡蘿卜素后， 奶牛產后胎衣不下的發病減少15%， 乳腺炎發病率下降17%， 奶牛產后90 d 內受胎率提高14%。 馬吉鋒等研究發現，奶牛基礎日糧中添加100、 200、 300mg/kg β-胡蘿卜素， 相比未添加的對照組， β-胡蘿卜素可以改善奶牛繁殖性能， 降低牛奶中的體細胞數。 李梓妍在奶牛日糧中添加不同劑量β-胡蘿卜素（0、 200、 400mg/頭·d）， 結果表明， 奶牛產后添加400mg/頭·dβ-胡蘿卜素可以顯著減少配種次數， 縮短奶牛產后首次發情時間和首次配種時間， 減少空懷天數， 提高情期受胎率， 顯著降低產后繁殖疾病的發生； 在日糧中添加β-胡蘿卜素有升高血清中孕酮的趨勢， 促卵泡素和雌激素的含量顯著升高。 劉銳鋼等也研究表明， 懷孕后期母豬日糧中添加微囊化β-胡蘿卜素顯著增加母豬血清中雌二醇和孕酮含量。 其可能機制是β-胡蘿卜素作為一種抗氧化劑在保護卵泡細胞及子宮內膜類固醇激素的生成起著重要作用。Arellano-Rodriguez 等研究發現短期補充β-胡蘿卜素可以提高山羊排卵率， 同時增強黃體組織的合成和分泌孕酮。

β-胡蘿卜素分子中特殊的共軛雙鍵結構通過吸光性能決定其自身顏色， 同時其也具有良好的著色性能。 張慧等發現在肉雞飼料中添加β-胡蘿卜素能提高肉雞的肉色和雞腿脛部的著色力。李俊營等研究表明， 玉米-豆粕型日糧中添加β-胡蘿卜素能夠顯著改善蛋黃的色澤。 黎雄等也同樣發現， 產蛋高峰期母雞日糧中添加β-胡蘿卜素顯著提高蛋黃顏色， 改善雞蛋品質。 另外， β-胡蘿卜素對脂肪代謝具有明顯的調節作用。 Jin等研究表明， β-胡蘿卜素能通過抑制脂肪合成和增強脂肪水解來抑制肉牛脂肪沉積。 也有研究者證明給育肥期肉牛飼喂過多β-胡蘿卜素明顯提高其肉色黃度而降低了牛肉的等級， 因而處于育肥期的肉牛因補給適量的β-胡蘿卜素。 袁德智等通過試驗證實了添加研究表明， 肥育豬基礎日糧中添加30 mg/kg 的β-胡蘿卜素可以改善宰后豬肉pH 值及肉色， 減少劣質肉產生。 其機制可能是β-胡蘿卜素降低了細胞膜的脂類氧化， 減少了細胞內液的滲出。 靳青等在肉牛基礎日糧中添加0、 600、 1 200、 1 800mg/d 的β-胡蘿卜素， 發現日糧添加β-胡蘿卜素可極顯著提高肉牛肝臟β -胡蘿卜素水平， 屠宰率和凈肉率隨添加量增高顯著升高。 武洪久等和夏耘研究均表明， 奶牛日糧中添β-胡蘿卜素可以顯著提高奶品質。

Li 等研究表明， β-胡蘿卜素可通過抑制巨噬細胞中的核因子κB （nuclear factor κ-B， NFκB）、 Janus 激酶2 （JAK2） / 信號傳導及轉錄激活蛋白（signal transducer and activator of transcription， STAT3） 和c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase， JNK） /p38 絲裂原活化的蛋 白 激 酶 （mitogen-activated protein kinase，MAPK） 信號通路來減輕LPS 誘導的炎癥。 Cho等發現β-胡蘿卜素通過抑制促炎性脂肪因子單核細胞趨化蛋白-1 (monocyte chemoattractant protein， MCP-1) 和調節活化T 細胞表達和分泌，以及增強脂肪細胞中的脂聯素來抑制氧化應激誘導的炎癥。 β-胡蘿卜素預處理仔豬空腸上皮細胞（IPEC-J2） 能夠降低LPS 誘導的IPEC-J2 炎癥損傷。 研究表明， β-胡蘿卜素能夠抑制促炎細胞因子基因的表達和介導， 通過抑制NF-κB 的抑制蛋白（inhibitor of NF-κB， IκB） 的降解進而抑制NF-κB 活化而抑制LPS 誘導的炎癥反應。 β-胡蘿卜素能夠減輕斷奶對仔豬的腸道炎癥損傷、促進斷奶仔豬生長、 改善腸道形態。 其可能機制是β-胡蘿卜素通過下調炎癥相關信號通路蛋白NF-κB 的水平來緩解仔豬的腸道炎癥損傷。 β-胡蘿卜素除了能夠通過抑制NF-κB 通路， 也能通過抑制激活子蛋白-1 （activator protein-1，AP-1） 和MAPKs 信號通路來緩解炎癥。 研究發現β-胡蘿卜素通過抑制促炎因子和調節正常T細胞表達和分泌， 同時抑制轉錄因子的激活， 因而緩解預防炎癥以及炎癥并發癥。

研究發現， β-胡蘿卜素可以增強細胞間隙的連接通訊， 減少外界應激對腸道的損傷， 從而抑制或降低疾病的發生。 研究表明， β-胡蘿卜素預處理能顯著增強LPS 應激的IPEC-J2 細胞活力和跨膜電阻抗值， 緩解高劑量二甲基亞硝胺引起的急性期反應納米二氧化鈦誘導的小鼠睪丸生殖細胞損傷， 顯著增高海蘭褐后備期蛋雞十二指腸和空腸絨毛高度， 同時β-胡蘿卜素對于癌細胞是一種細胞凋亡劑， 并且對正常細胞沒有負面影響。 Park 等發現β-胡蘿卜素能夠誘導胃癌細胞凋亡。 周彤等研究發現β-胡蘿卜素能夠減輕阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征所導致學習記憶能力受損， 并推測其機制是抑制caspase-3、 磷酸化-tau（p-tau） 蛋白表達密切相關。

4 小結

綜上所述， β-胡蘿卜素的研究已有近200 年的歷史， 其在動物生產中β-胡蘿卜素發揮著不可忽視的作用， 為畜牧業的綠色高效、 健康發展奠定了一定的基礎。 一方面， 天然β-胡蘿卜素（多種異構體共存） 較為昂貴， 化學合成的β-胡蘿卜素（全反式） 在特定的條件下對機體有一定毒副作用； 并且食品、 化妝品、 醫藥等行業對天然β-胡蘿卜的大量需求， 使得其在畜牧業中的廣泛應用受到一定的阻礙， 因此對β-胡蘿卜素異構體的工業化生產需要進一步探索。 另一方面， 由于不同動物對β-胡蘿卜素的代謝吸收存在差異， 動物生產中適宜添加量和某些具體的生物學功能作用及其代謝機制尚不完全明確， 仍需進一步深入探究。

參考文獻（略）