植物多酚在家禽領域應用研究進展

畢睿晨,劉相澤,胡澤瓊,楊美雪,喬嘉寧,黃 嘉,郭芳申,孔令華,王 忠*

(1.中國農業大學動物科技學院 動物營養學國家重點實驗室,北京 100193;2.滕州合易食品有限公司,棗莊 277500)

植物多酚是植物特有的次級代謝產物,由共同特征為一個或多個酚羥基的8 000多種化合物組成,幾乎存在于植物的各個部位(如根、葉、花、果實和種子)。水果、蔬菜、豆類、堅果、中草藥、可可和茶葉中的多酚含量最豐富[1-2]。植物多酚的提取方法主要有溶劑提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、生物酶解提取法和超臨界CO2萃取法[3]。根據苯環的數量和對化合物的親和能力不同可以將植物多酚分為黃酮類、非黃酮類和單寧類[4];根據來源不同又可以將植物多酚分為谷物多酚、茶多酚、蘋果多酚、葡萄多酚、柑橘多酚、石榴多酚、香蕉皮多酚、核桃多酚、橄欖多酚、肉桂多酚和大豆異黃酮等。

大量研究發現:植物多酚具有促生長、調節脂代謝和糖代謝、抗氧化、免疫調節、抗炎、抵抗病原微生物、抗應激、抗過敏、抗肥胖、預防心血管病和糖尿病以及抗癌等潛在的益生作用[5-6],人類醫學上已將其用于預防和治療肥胖、糖尿病、癌癥、關節炎、心血管疾病和神經認知性疾病等。

隨著世界各國畜禽養殖業禁用抗生素,畜禽養殖也出現了生產性能下降、腸道疾病發生率和死亡率增加等問題。在禁抗時代,尋找安全、有效和低成本的抗生素替代物以改善畜禽健康和提高畜禽生產效率,已成為動物科學亟待研究和解決的重要課題。鑒于植物多酚的多種生物學功能,本文重點綜述了植物多酚在家禽領域的研究進展并分析了影響其作用效果的因素。

1 植物多酚對家禽生產性能及產品品質的影響

1.1 調控生產性能

表1總結了植物多酚對家禽生產性能的影響。產蛋后期蛋雞日糧添加厚樸酚(100～300 mg·kg-1),可顯著提高產蛋率。適宜劑量的姜黃素、茶多酚、葡多酚、厚樸酚、鞣花酸、紅茱萸提取物、單寧和單寧酸可通過提高體增重、影響采食量改善家禽飼料轉化效率和控制死亡率改善生產性能。多酚對生產性能的影響受到多酚的來源、添加的劑量、家禽品種、日齡和飼養環境條件等因素影響,并存在很大差異。添加高劑量的植物多酚會使飼糧氣味強烈進而造成采食量下降或體重下降且不利于改善料肉比。

1.2 改善產品產量和品質

提高肉雞屠宰性能、增加胸肌或腿肌產量、改善雞肉品質、提高雞肉中營養物質含量、降低腹脂率和延長雞肉貨架期等是家禽科學家和肉雞養殖者追求的目標之一。有研究發現,肉雞日糧添加葡多酚、茶多酚、姜黃素、白藜蘆醇、槲皮素等具有提高肉雞屠宰性能和產肉量,改善雞肉品質、增強雞肉抗氧化能力、防止雞肉脂質氧化、延緩異味產生時間,并提高產品顏色的穩定性[23-24]。植物多酚還可以改變雞肉營養成分組成,肉雞日糧添加亞麻籽油和槲皮素可改變雞肉ω-6/ω-3多不飽和脂肪酸的比例,提高雞肉ω-3多不飽和脂肪酸含量,改善肉品質[23](表2)。

蛋雞飼料添加植物多酚也可改善雞蛋品質。產蛋中后期蛋雞日糧添加厚樸酚可顯著提高雞蛋蛋白高度和哈氏單位[16]。蛋雞飼料添加茶多酚或姜黃素可通過增強輸卵管膨大部和子宮部黏膜屏障完整性,促進輸卵管黏膜蛋白合成和分泌,或提高卵清蛋白(OVA)相關Y蛋白表達而降低OVA相關X蛋白含量,顯著降低β-卵黏蛋白ovomucin的降解,顯著提高雞蛋濃蛋白的含量、蛋白高度和哈氏單位以及雞蛋抗氧化能力,延長雞蛋的保存期[29-32]。另外,Wang等[33]報道了日糧添加130 mg·kg-1表沒食子兒茶素(epigallocatechin,EGC)可通過調節蛋雞輸卵管p38MAPK-Nrf2/HO-1信號通路,影響輸卵管黏膜抗氧化能力和增殖凋亡指數,減輕重金屬釩中毒誘發的蛋雞蛋殼色素下降和抗氧化功能受損。上述研究表明,植物多酚可能通過激活機體抗氧化相關通路改善家禽產品品質。

此外,腳墊損傷(feet pad disease,FPD)以足底表面壞死性病變為特征,已成為危害肉雞健康并降低肉雞生產力的一種常見疾病。有研究表明:糞便黏度增加使凋落物濕度和質量增加,進而增加了FPD的發生頻率和嚴重程度[34],導致全身性細菌感染[35]。日糧添加2 000 mg·kg-1單寧酸可降低肉雞FPD的發生率和嚴重程度,但不影響雞的生長性能和腸道食糜黏度[36];添加700和2 000 mg·kg-1富含單寧的甜板栗木提取物可提高雞糞便干物質含量[37]。上述結果表明,添加單寧和單寧酸可以減少FPD的發生頻率和嚴重程度,減少細菌感染、提高產品品質[36]。

2 植物多酚調控家禽脂代謝

研究發現,家禽日糧添加適宜劑量的橄欖葉(富含黃酮類多酚)可以改善家禽脂質代謝和膽固醇代謝,降低血液和肝中甘油三酯含量,防止脂質過氧化,抑制肝的脂肪變性、抑制肝組織炎癥,已被用于改善蛋雞肝組織健康和產品品質[38]。在肉雞飼糧中添加2 000 mg·kg-1姜黃素可顯著降低肉雞血漿低密度脂蛋白膽固醇以及血漿和肝中甘油三酯含量,并影響與脂肪生成和分解相關基因的表達進而減少腹脂沉積[8]。植物多酚提高脂類分解代謝的原因可能是通過上調與脂肪運輸及分解代謝相關的CPT-1A、?；o酶A氧化酶 1 (ACOX1)、肝組織PPAR-γ,腹部脂肪中的脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)及骨骼肌中的脂蛋白脂肪酶(LPL)等基因表達有關[39]。植物多酚還可以通過影響腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)調節脂代謝。在雄性ROSS308肉雞日糧中添加80和160 mg·kg-1綠茶多酚可以顯著降低肝脂質和腹脂含量,并可以提高AMPKα和乙酰輔酶a羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACACA)水平改變肝脂質代謝酶活性和表達水平。因此,植物多酚調節脂質代謝、降低機體甘油三酯和膽固醇等的作用,為其在蛋雞脂肪肝等代謝性疾病預防和治療中的應用提供了前景。

表1 植物多酚對家禽生產性能的調控作用Table 1 Regulatory effects of plant polyphenols on poultry production performance

表2 植物多酚對家禽產品品質和產量的改善作用Table 2 Improvement of quality and yield of poultry products by plant polyphenols

3 植物多酚緩解家禽氧化應激

植物多酚可以解毒活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)自由基;提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)等抗氧化酶活性并中和自由基[40]。表3總結了植物多酚對家禽氧化應激的影響。日糧添加姜黃素(50～200 mg·kg-1)通過增加GPx、谷胱甘肽(glutathione,GSH)水平;提高SOD、谷胱甘肽巰基轉移酶(flutathione S-transferase,GST)活性;激活NF-E2相關因子2 (NF-E2-related factor 2,Nrf2)改善肉雞線粒體抗氧化能力[41-42]或降低血清和肌肉中丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量發揮抗氧化和抗熱應激作用[43]。當姜黃素添加劑量為200～800 mg·kg-1時,可以通過增強櫻桃谷肉鴨空腸黏膜抗氧化酶活性以及SOD1、GPX1、CAT、HO-1和Nrf2的基因表達提高其抗氧化能力[44]。日糧添加茶多酚可通過提高血清總抗氧化能力(Total antioxidant capacity,T-AOC)和CAT活性,改善北京鴨抗氧化能力[44]。

白藜蘆醇(200～400 mg·kg-1)可通過降低血漿MDA含量和空腸黏膜蛋白質羰基產物PC、提高肝、脾或腸道CAT、GPx、SOD活性,提高肝或脾中Nrf2和熱休克蛋白(Heat Shock Proteins,HSPs)基因和蛋白表達量等緩解高溫等誘發肉雞的氧化應激和腸道炎癥[45-47]。此外,一項白藜蘆醇緩解H2O2對鴨腸上皮細胞(IDECs)氧化應激的體外研究表明,白藜蘆醇能通過PI3K/AKT和P38 MAPK信號通路緩解氧化應激[48]。槲皮素還可激活肉雞Nrf2-ARE途徑,增強抗氧化酶GSH、SOD和CAT的活性,發揮抵抗LPS應激作用[45]。

表3 植物多酚對家禽氧化應激的緩解作用Table 3 Mitigating effects of plant polyphenols on oxidative stress in poultry

4 植物多酚對家禽腸道健康的影響

腸道是消化、吸收營養物質的主要器官,也是機體最大的免疫器官[51]。大量研究發現,植物多酚通過影響腸道形態、腸道黏膜物理屏障、黏膜免疫屏障和腸道微生物菌群組成影響家禽腸道健康。

4.1 影響腸道黏膜形態

小腸絨毛是直接吸收營養素的部位,小腸絨毛的高度和寬度直接影響動物吸收營養物質的能力[52]。隱窩深度反映上皮細胞更新率,隱窩深度增加證明上皮細胞更新減慢,影響成熟上皮細胞對營養物質的吸收[52]。表4匯總了植物多酚對家禽腸道形態結構和黏膜發育的影響,日糧添加橙皮素、葡多酚、綠原酸、白蘆藜醇等,有改善腸道形態結構、促進腸道細胞更新等作用。特別是在熱應激狀態下,白藜蘆醇對腸道形態結構和黏膜屏障的改善作用更明顯。但有些研究發現,某些植物多酚對腸道形態結構、腸道黏液素分泌和腸道上皮細胞的更新無明顯影響,如蘋果多酚和葡多酚,可能與多酚來源以及添加劑量有關。

4.2 影響腸道上皮細胞緊密連接

腸道上皮細胞通過調節細胞旁通透性的細胞連接復合體緊密結合在一起,對物理屏障的完整性起重要作用[51]。在天府蛋種雞日糧中添加400 mg·kg-1槲皮素和200 mg·kg-1VE,可以顯著提高老齡蛋種雞腸道緊密連接蛋白Occludin、Claudin-1和ZO-1的表達[58]。在25周齡羅曼灰蛋雞日糧中添加600 mg·kg-1白藜蘆醇可以上調Occludin、Claudin-1和Mucin-1的表達,但是對ZO-1和Mucin-2基因表達的影響較小[59]。付晶等[60]的試驗表明,在乳鴿飼糧中添加不同劑量(100、200、400 mg·kg-1)的茶多酚可以提高十二指腸Occludin、ZO-1和Claudin-3 mRNA表達量,并降低Claudin-2表達。腸道緊密連接蛋白表達水平越高,腸道上皮細胞連接越緊密,更易抵抗病原微生物的入侵和定植。添加單寧和大豆異黃酮也可以使文昌雞十二指腸和回腸緊密連接蛋白(Occludin、Claudin-1、ZO-1)mRNA表達提高[61]。這些研究表明,適宜劑量的植物多酚對家禽的腸道黏膜屏障完整性有保護作用。

表4 植物多酚對家禽腸道形態和黏膜發育的影響Table 4 Effects of plant polyphenols on intestinal morphology and mucosal development in poultry

4.3 影響腸道微生物菌群組成和功能

腸道微生物在家禽的腸道發育、飼料消化吸收、免疫和健康中起著關鍵作用。研究發現,多數日糧多酚被大腸微生物轉化成阿魏酸、咖啡酸等小分子酚類化合物,這些小分子化合物可直接影響腸道健康和腸道微生物組成,如提高腸道菌群α-多樣性,促進腸道有益菌屬,如艾克曼菌(Akkermansia)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、Blautia屬、乳桿菌屬(Lactobacillus)、擬桿菌屬(Bacteroides)、普雷沃菌屬(Prevotella)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、Dorea屬、腸球菌屬(Enterococcus)和Lachnoclostridium等相對豐度的增加,抑制腸道潛在有害菌(如腸桿菌科變形菌門、大腸桿菌、沙門菌、幽門螺旋桿菌、金黃色葡萄球菌和李斯特桿菌等)的入侵和定植,這可能是多酚發揮抗菌、抗炎或抗氧化作用,維護腸道屏障的機制之一[62-65]。然而也有研究表明,一些植物多酚對腸道有益菌如乳酸菌群、雙歧桿菌等存在抑制作用(表5)。

在家禽上的研究發現:植物多酚具有“益生元樣效應”,明顯影響家禽腸道微生物區系[72]。多數植物多酚可促進家禽腸道乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬[64-65]和某些降解多糖的有益擬桿菌屬的生長,并抑制腸道病原菌的生長以及毒力基因的表達等。

表5 腸道菌群-多酚互作及其對腸道的影響Table 5 Intestinal flora-polyphenol interactions and their effects on the intestinal tract

白藜蘆醇、槲皮素、葡多酚、茶多酚、藍莓多酚、石榴多酚和一些酚酸能降低腸道中的病原微生物的數量(表6)。上述研究表明植物多酚對家禽腸道微生物菌群的調節作用可能是通過其抗菌效應和益生元樣效應實現的。

表6 植物多酚對家禽腸道微生物菌群組成和功能的調節作用Table 6 Modulatory effects of plant polyphenols on the composition and function of intestinal microflora in chickens

5 植物多酚免疫調節作用

畜禽研究發現,多酚可通過提高機體免疫球蛋白總量來增強宿主體液免疫功能[75];提高嗜酸性粒細胞吞噬活性[76];影響腸道黏膜免疫[77];提高腸道杯狀細胞數量[55];影響脾的免疫功能[73]。植物多酚的劑量與其免疫調節作用有密切關系。Ramah等[78]報道高劑量的單寧酸(30 000 mg·kg-1)可通過降低肉雞胸腺、脾、盲腸淋巴結等的CD4+、CD8+、CD4+CD8+和 γδ+ T細胞數量和脾組織細胞因子mRNA表達量等對免疫系統起抑制作用,而日糧添加低劑量單寧酸(500 mg·kg-1)可顯著提高肉雞脾組織CD4+CD8+亞群和γδ+T細胞比例、盲腸淋巴結CD4+CD8+亞群和盲腸扁桃體B細胞數量以及IFN-γmRNA表達量對免疫系統表現出積極調控作用;此外,Lee等[79]研究發現,添加板栗單寧通過顯著提高盲腸白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)和白細胞介素-10(interleukin-10,IL-10)的表達量促進腸道健康并提高飼料轉化效率;板栗單寧還可以通過影響JAK-STAT信號通路調節宿主免疫反應[80]。張海軍等[81]研究發現,葡多酚對肉仔雞的免疫器官發育無顯著影響,但適宜劑量(7.5 mg·kg-1)葡多酚有增加肉仔雞外周血中CD3+、CD8+、αβ和γδT細胞數量的潛力,高劑量(>15 mg·kg-1)卻降低了各類淋巴細胞數量。這些研究說明:植物多酚的免疫調節作用呈現劑量依賴性效應,即適宜劑量的植物多酚對細胞免疫功能可能有改善作用,而高劑量的植物多酚可能抑制細胞免疫反應。

6 植物多酚控制病原微生物感染

家禽生產過程中常伴隨著細菌(如沙門菌、致病性大腸桿菌、產氣莢膜梭菌、彎曲桿菌等)、病毒(如禽流感病毒(AIV)、新城疫病毒(NDV)、傳染性支氣管炎病毒(IBV)、傳染性法氏囊病毒(IBDV)、鴨登布蘇病毒(DTMUV)和鴨乙型肝炎病毒(DHBV)等)、支原體(如敗血性支原體MG和滑液囊支原體MS)和寄生蟲(如球蟲、絳蟲、組織滴蟲等)感染引起的疾病。這些細菌、病毒和寄生蟲常誘發家禽出現臨床型和亞臨床病理表現。家禽亞臨床病例常無明顯癥狀和無典型內臟器官病理變化,僅表現生產性能緩慢下降、飼料消化吸收率下降和飼料轉化率降低[82]等,常被飼養者忽視?？共《舅?、抗生素分別在預防和治療家禽亞臨床型病毒病、細菌性疾病中發揮了重要作用。然而隨著抗生素在飼料添加劑中的禁用,畜禽腸道內病原微生物載量增加,畜禽面臨的應激威脅增加。研究發現,有些植物多酚可用于控制家禽某些病原微生物誘發的亞臨床病例。

6.1 控制病原菌感染

多項體外研究表明,茶多酚和EGCG[83]可以增加細菌內膜的通透性,抑制細菌ATP合成酶、DNA旋轉酶、二氫葉酸還原酶、過氧化氫酶等的表達,干擾細胞膜電位使細胞代謝紊亂,而達到抑菌效果[84]。對香豆酸可以通過破壞細菌細胞膜并結合細菌基因組DNA表現出雙重殺菌活性[85]。EGCG和白藜蘆醇在體外可通過抑制禽致病性大腸桿菌(APEC)生物膜形成、根除生物膜和抑制細菌的運動表現其抗菌活性[86-87]。單寧、槲皮素和綠原酸等[88]可通過螯合鐵離子、結合氫或酶的非特異性反應發揮抑菌作用[89]。在雞肝癌細胞中添加蔓越莓果渣可以通過抑制腸炎沙門菌的黏附、侵襲和誘導細胞抗氧化基因的表達保護細胞免受細胞損傷[90]。此外,單寧與一些短、中鏈脂肪酸(C4～C20)協同作用可增強體外抗大腸桿菌、沙門菌、產氣莢膜梭菌及彎曲桿菌的能力[91-92]。

單寧可通過抗生物膜形成和抗運動抑制大腸桿菌生長[93];通過抗群體感應和抗毒力因子抑制沙門菌生長[94];通過結合彎曲桿菌細胞內蛋白質和酶抑制彎曲桿菌生長[95];通過破壞產氣莢膜梭菌細胞膜穩定結構抑制產氣莢膜梭菌生長。

有體內試驗表明,家禽日糧中添加多種植物多酚可以發揮抗菌和緩解腸道炎癥的作用。肉雞日糧添加鞣花酸(EA)可通過降低機體溶菌酶活性、調節腸道微生物菌群,減輕因產氣莢膜梭菌誘發的腸道壞死性腸炎[15],添加板栗單寧也可以減少由產氣莢膜梭菌感染導致腸道病變的肉雞數量[21]。在受腸炎沙門菌感染的1日齡Cobb500肉雞日糧中添加0.3%和0.5%的紅葉山茱萸提取物可以發揮與抗生素相同的抑菌效果[96]。

6.2 控制病毒感染

在犬腎細胞(MDCK)為模型的研究中發現EGCG、兒茶素沒食子酸酯(ECG)可有效抑制甲型流感病毒和乙型流感病毒(IVB)的復制;同時發現,EGCG比ECG、EGC有更強的抑制禽流感病毒神經氨酸酶NA和病毒基因組RNA合成的作用[97-98]。體內抗DHBV研究發現,白茶提取物(活性成分主要為茶多酚)對DHBV的抑制率最高可達73.7%,與抗病毒化藥拉米夫定對照組接近。DHBV感染的雛鴨模型口服綠原酸后,鴨乙肝病毒血癥顯著減輕,且效果優于陽性對照組拉米夫定,特別是停用綠原酸后3 d,抗病毒化藥拉米夫定處理組HBV的DNA水平有明顯反彈,而綠原酸處理組仍有持續抑制作用[99]。Zhu等[100]在日糧添加300～600 mg·kg-1的EGCG可通過調節I型干擾素表達抑制DTMUV的感染,降低病毒體外載量和減輕病毒誘發的機體組織炎癥損傷。Abaidullah等[101]使用高濃度綠原酸(400 mg·kg-1)通過降低炎癥因子水平和增加免疫球蛋白含量發揮明顯的抗傳染性支氣管炎病毒(IBV)的作用。Li等[102]用215 μg綠原酸對每枚胚蛋處理后接種IBDV,觀察到明顯的抗病毒作用。Lee等[103]給雞補充綠茶副產品,發現其抗禽流感病毒亞型H9N2的效果呈明顯劑量依賴性。

6.3 控制球蟲感染

球蟲病是一種由艾美耳蟲科原生動物引起的最普遍和最有害的家禽腸道寄生蟲病之一[104]。茶多酚通過抑制未孢子化的卵囊成熟、直接殺滅孢子化卵囊以及提高機體免疫能力發揮抗球蟲作用[105]。在AA肉雞日糧中添加1%綠茶粉可以顯著減少10日齡時柔嫩艾美耳球蟲的卵囊數[106]。在黃羽肉雞日糧中添加茶多酚通過提高乳酸菌、雙歧桿菌豐度,降低血清內毒素含量,改善腸道形態,恢復由柔嫩艾美耳球蟲感染造成的生產性能下降[107]。此外,單寧也可以控制球蟲感染。日糧添加適宜劑量的單寧可通過調控腸道微生物和黏膜免疫反應來控制雞球蟲感染,或通過增強腸道抗氧化能力減輕感染柔嫩艾美耳球蟲雞的臨床癥狀[49]。在雄性Cobb 500肉雞日糧中添加500 mg·kg-1五倍子單寧酸可以使排泄物中球蟲卵囊總數減少并降低感染艾美耳球蟲的肉雞腸道病變評分[108]。然而,將單寧酸劑量增加到10 000 mg·kg-1時會使已經接種球蟲疫苗后感染球蟲的雞排泄物中球蟲卵囊的總數增加,這可能是由于高劑量單寧抑制了抗球蟲疫苗的活性和免疫系統的發育[109]。

7 小 結

本論文綜述了常見植物多酚在家禽科學研究和生產領域應用進展,并分析了影響植物多酚作用效果的因素,為家禽領域植物多酚的研究、開發、推廣和科學應用提供理論參考。