唇形科植物提取物對單胃動物的抗氧化作用及其機制

史東輝 陳俊鋒 馬學會 許云賀 王佳麗

(1.遼寧醫學院畜牧獸醫學院，錦州 121001;2.美瑞泰科/美瑞康生物科技有限公司，廣州 510080;

3.河北農業大學中獸醫學院，保定 071001)

動物機體在代謝過程中不斷產生自由基。自由基在機體維持正常生理功能上扮演著重要角色，如白細胞產生自由基對機體具有防御作用，參與細胞正常凋亡［1－2］，調控細胞內的信息傳遞等［3］。正常情況下，動物機體內自由基生成量較小，但動物在患病、應激或特殊生理條件下，機體內會產生大量的自由基，而由自由基引發的連鎖反應也是倍受關注的焦點。自由基與機體內的脂質、DNA等進行反應對動物產生氧化損傷，會導致動物疾病的發生、免疫力減弱、生產力下降、產品質量降低等。

自由基又稱游離基，是含有1個或多個不成對電子的原子團而獨立存在的化學物質，具有強烈的氧化能力。自由基主要有活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)2類。其中ROS所占比例較高，包括超氧陰離子(O2－或HO2)、氫氧自由基(OH·)、過氧化物自由基(ROO·)、過氧化氫(H2O2)、單線態分子氧(1O2)。嗜中性白細胞受到細菌或病毒的刺激時，經由輔酶NAD(P)H產生超氧化物;OH·主要是H2O2經亞鐵離子催化產生的，產生細胞毒性;ROO·會導致脂肪過氧化反應。自由基作用于脂質發生過氧化反應，對生物膜具有強烈的破壞作用，產生有毒的丙二醛(malondialdehyde，MDA)，MDA能引起突變，具有致癌的危險［4］。自由基攻擊氨基酸的側鏈，會引起生命大分子蛋白質和核酸的交聯聚合，具有細胞毒性［5］，導致細胞結構改變和功能破壞。OH·能破壞DNA的結構，造成DNA鏈的斷裂，導致DNA永久性的損傷［6－7］，動物機體可能因無法正常修復而致使DNA產生突變，這也是導致細胞癌化的關鍵因素［1，6］。

1 機體對自由基的防御機制

動物機體對不同來源的自由基有一系列的防御機制，如預防性機制、修復機制、物理性防御機制和抗氧化劑防御機制等。抗氧化劑通過抑制或減緩自由基的生成來達到修復機體的目的，對氧化損傷有重要的作用。

動物體內自由基清除體系包括酶類和非酶類體系。其中酶類抗氧化劑又稱為內源性抗氧化劑，是動物體消除自由基最重要的機制之一，主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH－Px)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POX)等;非酶類抗氧化劑包括維生素抗氧化劑(維生素C、維生素E、β－胡蘿卜素等)、微量元素抗氧化劑(Se、Zn、Fe、Cu 等)、谷胱甘肽(GSH)、天然植物有效成分等。目前發現有3種不同形式的 SOD，即 CuZn－SOD、Mn－SOD 和 Fe－SOD。它們的主要功能是清除超氧化物自由基，在細胞的過氧化體中，酶反應所產生的H2O2可被CAT清除，在線粒體及胞漿中所產生的H2O2常靠GSH－Px來清除。維生素E的主要作用是防止脂類過氧化，使在脂類過氧化過程中起連鎖反應關鍵作用的ROO·轉變為化學性質較不活潑的ROOH，從而使脂類過氧化的鏈式反應中斷，從而起到終止脂類過氧化的作用，還可淬滅1O2，或與1O2發生反應，從而有效清除1O2。抗氧化劑抗氧化作用的本質不是這些物質具有抗氧化作用，而是其具有把能量代謝產生的電子傳遞給ROS的作用，實際上是發揮電子傳遞的作用。在這些反應中，酶抗氧化系統發揮的是促進傳遞速度的作用，非酶抗氧化系統發揮的是底物作用，從電子傳遞的角度，這2種系統發揮了同樣的作用。

內源性抗氧化劑 SOD、GSH－Px、CAT先將自由基代謝為毒性較低的H2O2，再代謝成無毒的H2O。具體反應式如下:

上述反應中SOD需要與Cu2+、Zn2+或Mn2+結合才能發揮作用;CAT需要Fe3+或Mn2+催化反應的進行;麩氨基硫過氧化酶(GPx)需要Se催化［8］。雖然抗氧化酶由于胃酸的破壞很難由口服方式獲取，但動物可從飼料中獲取這些抗氧化酶的輔助因子，從而提高抗氧化酶的抗氧化功效。

2 唇形科植物提取物的抗氧化作用及作用機制

動物和人類的病原體對抗生素的抗藥性不斷增強，一些抗生素在飼料中被限制或禁止使用。為了保障動物健康，保證食品安全，達到更好的生長效果，越來越多的植物提取物、中草藥植物被用作飼料添加劑。植物提取物、中草藥植物在動物養殖中的作用可能表現為促進采食量、促進分泌消化液、刺激免疫、抗菌、抗球蟲、驅蟲、抗病毒、抗炎等，尤其還有抗氧化作用。

動物機體自身可產生或從飼料中獲取SOD、CAT等內源性抗氧化劑和植物提取物、維生素、微量元素等外源性抗氧化劑。唇形科植物如止痢草、百里香、迷迭香、丁香、肉桂等植物提取物有較強的抗氧化性，被廣泛用作飼料添加劑。

2.1 唇形科植物提取物的抗氧化作用

2.1.1 唇形科植物提取物體外抗氧化作用

用酸敗試驗或微粒過氧化作用試驗可以檢測植物提取物的抗氧化活性，酸敗試驗中用抗氧化因子(AF)值來表示抗氧化能力，AF值越高表明抗氧化能力越強。圖1以豬油作為載體，對迷迭香提取物、橄欖油及橄欖葉提取物以及不同的茶葉樣本的抗氧化能力進行了酸敗試驗。

與其他植物提取物相比，迷迭香提取物顯示出最強的抗氧化能力。Scheeder等［9］檢測了不同的中草藥作為抗氧化劑的效率。與迷迭香相比，只有大黃有類似抗氧化因子的活性。橄欖油中酚類可作為有效的非生育酚類(維生素E)抗氧化劑。在體外試驗的研究已經證明了其抗氧化能力、清除自由基的能力、對生物膜的抗氧化作用和抑制低密度脂蛋白氧化的作用［10－12］。百里香和止痢草也有顯著的抗氧化作用，并能降低脂肪的自動氧化［13］。百里香的精油的抗氧化能力與二丁基羥基甲苯(BHT)相當，止痢草香精油對豬油的抗氧化能力與丁基羥基茴香醚(BHA)相當［14］。也有學者試驗表明止痢草精油抗氧化能力低于BHT和α－生育酚，但高于抗壞血酸(圖2)。

研究發現，與薄荷、檸檬精油相比，止痢草提取物抑制亞油酸過氧化能力最高，而清除自由基的能力則相似［15］。定量分析抗氧化物含量與抗氧化能力之間的關系比較困難，這是因為抗氧化物含量和他們之間或與其他植物成分間的協同作用也會影響抗氧化能力［16］。

圖1 用Rancimat系統檢測迷迭香及其提取物、橄欖油及橄欖葉提取物以及不同的茶葉樣本的抗氧化能力Fig.1 Antioxidant capacity of the rosemary and it’s extract(Oxyless U)，olive oil andolive leaf extract as well as different tea samples measured with the Rancimat system

圖2 止痢草精油、BHT、α－生育酚和抗壞血酸的抗氧化能力Fig.2 Antioxidant capacity of the oregano essential oil，BHT，α－tocopherol and ascorbic acid

Milos等［17］通過比較豬油儲藏中的過氧化值變化，系統評估了一系列物質，包括止痢草的揮發性糖苷、止痢草精油、純百里香酚、百里醌和α－生育酚的抗氧化性能。發現止痢草精油和其糖苷配基比α－生育酚更能抑制氫過氧化物的形成。另一方面，純的百里香酚和百里醌對抑制氫化氧化物的形成比α－生育酚所起的效果要弱。這說明止痢草精油中的其他次要成分在抗氧化能力方面發揮著重要的協同作用［18］。

Economou等［13］通過在保存于75℃的豬油中加入止痢草、白鮮、麝香草、馬郁蘭、留蘭香(荷蘭薄荷)、薰衣草、紫蘇對其抗氧化能力進行研究，發現止痢草提取物對豬油抗氧化作用最為有效，其次分別為麝香草、馬郁蘭和薰衣草。甲基異丙基苯－2，3－二醇［19］以及麝香草中發現的百里香酚和香芹酚［20－22］，都顯示出強烈的抗氧化特性。Farag等［23］探討了抗氧化能力和植物提取物飼料添加劑化學組成之間的關系。百里香酚的高度抗氧化能力是由于其苯酚羥基基團的存在，其可作為脂肪氧化第一步產生的過氧化物基團的氫供體，因此延緩氫過氧化物的形成。

迷迭香和鼠尾草具有較好的抗氧化能力，Inatani等［24］從迷迭香干葉的正己烷提取物中分離得到3種酚系二萜化合物:迷迭香酚、表迷迭香酚和異迷迭香酚。它們對豬油和亞油酸都有很強的抗氧化能力，尤其對豬油的抗氧化能力是BHA和BHT的4倍。生姜中的姜油酮、6－姜油醇、6－姜油酚均具有較強的抗氧化能力［25－26］。Nakatani等［27］還從胡椒的三氯甲烷提取物中得到5種酚系酰胺，它們均是無色、無味的化合物，抗氧化能力優于α－生育酚。

2.1.2 唇形科植物提取物體內抗氧化作用

MDA含量反映氧自由基介導的脂質過氧化程度［28］。Slavomir等［29］試驗研究了在肉仔雞飼糧中添加止痢草提取物對雞的生長性能和雞肉氧化穩定性的影響。試驗檢測了在－21℃條件下貯存了0、3、6及12個月后的雞胸肉和腿肉中MDA的含量，結果表明，止痢草提取物能更有效地延緩脂質氧化，而不受貯藏時間的影響。雞肉組織中MDA含量較低的原因可能是止痢草中不同的抗氧化成分進入了循環系統，分布并在組織中存留，表現出抗氧化能力。Roofchaee等［30］試驗表明飼糧中添加止痢草提取物能提高肉雞血清抗氧化能力。有學者認為止痢草、百里香和迷迭香提取物可以提高雞肉和雞蛋的氧化穩定性［13，19，31－32］。Botsoglou等［31］報道止痢草植物提取物飼料添加劑對于肌肉和腹脂具有抗氧化特性，提示植物提取物飼料添加劑中保護性的抗氧化成分結合在細胞膜中。有學者進一步發現抗氧化作用存在劑量依賴關系［31－33］。止痢草精油可以抑制氧化過程，其抗氧化作用隨濃度的增加而增加，研究表明百里香酚和香芹酚是止痢草精油中主要的抗氧化成分［34］。

Farag等［23］試驗表明，添加植物提取物比添加維生素E更能減少蛋黃中的過氧化物含量。植物提取物能減少血漿中油脂總量及蛋黃中油脂總量，這可能阻礙產生的氧化物進入蛋黃，延緩自由基生成，從而降低蛋黃中MDA含量。Botsoglou等［31］評估了飼糧添加百里香對超過60 d冷藏期的雞蛋的氧化穩定性的影響，發現蛋雞飼糧中添加3%的百里香，能降低蛋黃MDA含量，并不隨儲存時間而改變。Gerber等［35］給豬投喂干燥的鼠尾草，結果顯示隨著飼料中鼠尾草的添加量從0.6%增加到1.2%，豬油的TBARS(thiobarbituric acid test，廣泛用于評估食品中脂肪的氧化程度)會有顯著的下降。與此相反，酸敗試驗卻顯示并無顯著影響。Lopez－Bote等［32］也報告，在添加迷迭香油樹脂和鼠尾草油樹脂投喂時，并沒有發現其對豬肉抗氧化的作用。然而，給肉雞喂食同樣的植物提取物(500 mg/kg)，TBARS指標顯示與空白對照組相比能改善其紅肉(腿肉)和白肉(胸肉)的抗氧化能力，而且膽固醇氧化產物更低［32］。該油樹脂雖然不能與生育酚醋酸酯(200 mg/kg)一樣有效，但可以推斷至少部分所攝入的抗氧化物質會仍然分別留在肌肉中，并仍然能發揮活性作用。

史東輝等［36］研究了止痢草提取物對斷奶仔豬的抗氧化作用，表明止痢草提取物提高了血清總抗氧化能力(T－AOC)和 SOD、GSH－Px、CAT 活性。同時降低了脂質過氧化產物MDA含量。

Youdim 等［37－38］發現，麝香草屬精油及其主要成分百里香酚可有效的清除自由基，從而影響體內的抗氧化防御系統，比如SOD、GSH－Px和維生素E。麝香油中起主要抗氧化作用的是百里香酚和甲基異丙基苯－2，3－二醇。除了香芹酚和百里香酚之外，其他酚類(咖啡酸、對聚傘花素－2，3－二醇及一些雙酚和類黃酮)化合物也有抗氧化能力，其中有些酚類化合物的抗氧化能力比α－生育酚的抗氧化能力還要高［39－41］。

家禽體內試驗研究揭示了植物提取物飼料添加劑的抗氧化特性［31－32］。研究表明，止痢草中的生物活性成分百里香酚具有較高抗氧化活性的原因是苯環上存在的羥基為脂肪氧化中第一步產生的自由基提供氫供體，阻礙了羥基過氧物的形成［23］。

2.2 唇形科植物提取物抗氧化作用的主要機制

唇形科植物提取物中的抗氧化物活性成分主要是酚類化合物和L－抗壞血酸和類胡蘿卜素［15］。百里香的精油中含有百里香酚和香芹酚等抗氧化成分。陸占國等［14］從百里香分離得到6種黃酮類物質及5種聯苯化合物，如對傘花－9－基－β－D－葡萄糖苷、5－β－D－葡萄糖苷百里氫醌、和2－β－D－葡萄糖苷百里氫醌等，發現了3種黃酮類化合物和2種聯苯化合物。止痢草香精油含有30種以上的活性化合物，酚含量很高的化學成分主要是百里香酚、香芹酚，此外還有γ－萜品烯、ρ－異丙基甲苯、α－萜品烯、反式丁香烯［33］、迷迭香酸，特別是酚酸 C6－C1－COOH 和 C6－C3－COOH 等［42］，其中百里香酚和香芹酚的活性最強，γ－萜品烯和ρ－異丙基甲苯是生物合成百里香酚和香芹酚的前體物，此外百里醌和其他的糖苷類化合物也是潛在的抗氧化劑［17，43］。

酚類化合物可分為親脂基團，α－生育酚和親水基團，包括簡單酚類、酚酸、花青素、類黃酮和單寧，被認為是具有抗氧化功能的重要成分。這些分子的苯環上均含有豐富的羥基，對自由基有很強的捕捉作用，是極好的氫或電子供體。由于形成的酚類游離基中間體的共振非定域作用和沒有適合分子氧進攻的位置，因而比較穩定，不會引發新的游離基或者由于鏈反應而被迅速氧化，所以是很好的抗氧化劑［44］。鄰位和對位羥基酚類化合物、甲氧基酚類化合物抗氧化作用比簡單酚類化合物更有效［45］。Ruberto 等［46］研究表明，主要酚和烯丙保護基中可利用氫原子的存在是阻止主要氧化過程的屏障。

大部分唇形科植物次生代謝產物醛、酮、酸，屬于異戊二烯衍生物、黃酮和硫代葡萄糖甙，這些活性成分具有生理活性［47－48］和抗氧化特性［49］。但研究表明在二次氧化過程中化合物的分子生物學分析更為困難［46］。

2.2.1 直接淬滅自由基

唇形科植物提取物通過提供活性基團，當動物機體在氧化還原反應中生成過量的自由基時，作為供氫體與自由基反應，使之形成相應的離子或分子，通過抑制自由基產生和淬滅自由基發揮抗氧化作用，阻斷自由基的鏈式反應;也可以單電子轉移的方式直接清除O2－、羥基和1O2等。對動物機體內脂質過氧化產生明顯的抑制作用從而保護機體免遭自由基的損傷。如α－生育酚受自由基攻擊后失去氫原子，但可藉由共振使其穩定，成為沒有活性的維生素E自由基。維生素E自由基可被維生素C或GSH還原成維生素E，中斷自由基的連鎖反應。從而阻止磷脂膜過氧化，避免了生物膜受損［50－51］。

電子傳遞鏈中電子傳遞障礙和電子漏失，特別是呼吸鏈上的電子漏失是細胞ROS的最根本來源［52］。多酚的酚羥基中的鄰位酚羥基極易被氧化，與自由基進行抽氫反應生成穩定的半醌自由基，從而阻斷自由基鏈的傳鏈過程，阻斷了自由基鏈，起到抗氧化作用，通過抗氧化劑的還原作用直接給出電子而從而具有清除自由基的能力。

2.2.2 與脂類、蛋白質、維生素等螯合

植物提取物中的生物活性物質能防止脂肪酸尤其是不飽和脂肪酸被氧化，從而阻止脂質過氧化物進一步分解產生醛類，避免了MDA與一些蛋白質、核酸、腦磷脂、酶反應而產生的分子間交聯聚合，保護生物膜結構，保障其流動性、通透性、離子轉運及屏障功能，限制過氧化物啟動子H2O2、叔－丁基過氧化氫等進入細胞內重要分子免受氧化損傷，緩解由于ROS增加導致的堿基破壞缺失或DNA鏈斷裂、突變、無法修復和造成的細胞死亡，防止ROS生成和生物膜損傷之間形成的惡性循環，降低DNA氧化損傷和突變的發生。

蛋白質的氧化產物羰基蛋白是由ROS介導的重要的蛋白質氧化標志物，羰基還原酶水平的升高可使具有細胞毒性的羰基被還原而解毒［53］。植物提取物中有效活性成分抑制ROS產生或使其轉變為無活性衍生物的酶和非酶性抗氧化劑，抵消H2O2的形成，降低了H2O2轉變成毒性更強的OH·而導致的細胞內生物大分子的損傷，降低細胞內氧化性蛋白質的水平。

2.2.3 調節機體內氧化酶活性

對自由基生成的氧化酶，如黃嘌呤氧化酶系、脂氧化酶和環氧化酶等有抑制作用，同時誘導機體器官或細胞提高抗氧化酶如 CAT、SOD、GSH－Px等的活性，改變生物膜的流動性，抑制膜脂質的過氧化反應，生物膜脂質降解，從而防止產生過量的自由基，保持生物膜的通透性，防止動物機體細胞及組織的壞死，起到抑制脂質過氧化作用。2.2.4 與金屬離子絡合

唇形科植物提取物的活性成分通過與促氧化中的過渡金屬離子螯合發揮抗氧化作用，酚類化合物的鄰酚羥基可與金屬離子如Fe2+、Cu2+螯合，阻止金屬離子對ROS等自由基(O－2等)的生成和鏈式反應的催化作用抑制自由基產生，從而間接起到抗氧化作用。

2.3 影響唇形科植物提取物抗氧化活性的因素

2.3.1 飼養管理與環境

植物提取物、中草藥植物的活性在動物生產中的應用效果會有不同。一般來說，在環境衛生較差［54］、飼養管理不善、生產性能低、動物健康狀況不佳的情況下會發揮更大的作用。

2.3.2 生物活性成分的來源和加工方法

植物提取物和中草藥本身的活性往往并不總是恒定的，這可能與植物次生代謝產物天然成分的多樣性有關。品種［55］和生長環境的不同、收割時間和成熟度的差異、儲存方法的不同和存儲時間的長短、被污染情況(如重金屬)、提取方法、以及可能的協同或拮抗作用、抗營養因子或微生物污染等，這些因素都會大大影響活體試驗的結果。舉例來說，從不同的地區來源和處理方式(曬干的藥草和精油)或從不同的供應商得到的迷迭香、止痢草和鼠尾草，在抗氧化能力方面會表現出顯著差異。

2.3.3 生物活性成分的作用方式

不同的抗氧化劑的活性不同，這取決于其極性和溶解度，而且也與發揮活性的場所有關。一些抗氧化劑是用于在貯藏過程中保護飼料中的營養成分。有的主要在消化道發揮作用，有助于保護敏感成分不被氧化，從而可以被機體吸收。在中間代謝過程中，抗氧化劑也發揮很多作用，如減少機體老化或保護消化道黏膜的完整。在養殖動物中，抗氧化劑能直接影響產品的最終質量。

3 小結

動物生產中的氧化應激不可忽視，關于氧化應激在畜牧生產中的危害應給予充分重視。今后可從以下方面進行深入研究:動物營養與自由基的基礎研究;自由基產生的誘導因素;動物生產中自由基的產生和穩衡規律;從細胞及分子水平研究自由基對動物機體損傷、生產性能和產品品質的影響。關于植物次生代謝產物對動物的肌肉和脂肪組織抗氧化作用的研究成果較少，應進一步研究植物次生代謝產物在飼料和動物機體內的作用機制、吸收和代謝的生物學效率、及其在動物組織中存留帶來的影響。

綠色、安全、高效的植物飼料添加劑對動物福利、生長性能、營養和能量利用方面有積極作用，中草藥和植物含有許多不同的抗氧化劑，在保護消化道和機體代謝中營養成分的氧化，以及保護最終產品的氧化變質等方面都具有很高的應用潛力。因此在新型高效抗氧化劑的開發及其作用機理研究方面還有更多的工作要做。

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