植物提取物飼料添加劑的活性成分和功能

■丁宏標 陶正國 崔海濱 曾胡龍 陳小兵

(中國農業科學院飼料研究所，北京100081)

飼料營養是動物生命現象與生命活動的能量和物質來源。除了營養需要標準列出的能量、蛋白、氨基酸、維生素、鈣、磷、微量元素等主要營養素以外，動物還需要額外的其他營養素，包括構成肉蛋奶魚色香味的風味物質化學成分、生物活性營養物質、功能性營養素等。這些營養素對動物的生命功能、活力和產品品質十分重要，不可缺少。植物提取物飼料添加劑可以提供這些相關的營養素物質。

1 肉蛋奶魚與色澤相關的營養素

類胡蘿卜素是天然色素，賦予水果和蔬菜明亮的外觀。在其π電子構型系統中，類胡蘿卜素因分子內化學鍵的排列不同表現為黃色、橙色和紅色。類胡蘿卜素通過與葉綠素的作用參與光合作用，并作為自由基清除劑保護植物細胞。類胡蘿卜素主要在藍藻、光合細菌、藻類、真菌、酵母和植物中合成。動物通過吃這些含色素生物來獲取類胡蘿卜素。目前已知的七百多種類胡蘿卜素中的大部分存在于高等植物的葉、花和果實中。460種常見于人類飲食中，20種常見于血液和組織中。其中只有α-類胡蘿卜素和β-類胡蘿卜素、β-隱黃素、葉黃素、番茄紅素和玉米黃質可檢測到大量存在。

類胡蘿卜素是重要的天然色素著色劑，按其結構分為兩種，由C 和H 組成的為胡蘿卜素類，由C、H 和O 組成的為葉黃素類。天然色素不僅是實現均衡營養所必需的物質，同時還有助于人們預防疾病、延年益壽，提升身體素質和生活質量。

1.1 β-胡蘿卜素

β-胡蘿卜素是橘黃色脂溶性化合物，是自然界中最普遍存在也是最穩定的天然色素。β-胡蘿卜素由4 個異戊二烯雙鍵首尾相連而成，屬四萜類化合物，在分子的兩端各有1 個β-紫蘿酮環，中心斷裂可產生2 個維生素A 分子，有多個雙鍵且雙鍵之間共軛。胡蘿卜素與維生素A 的吸收機理不同。維生素A 為主動吸收，ABC 轉運蛋白協助跨膜轉運，吸收速率比胡蘿卜素快7～30倍。胡蘿卜素的吸收為物理擴散性，吸收量與攝入量多少相關。游離脂肪酸可促進胡蘿卜素的吸收。

β-胡蘿卜素是維生素A前體，除了具備維生素A的作用外，還能消除動物體內有毒的氧自由基，提高動物自身免疫力，促進動物生長，提高生產性能，特別對改善畜禽的繁殖性能有明顯的效果。氧化應激是導致精子損傷的重要原因。在精子損傷患畜中，DNA片段化程度較高，同時血清中β-胡蘿卜素和維生素A含量顯著降低。β-胡蘿卜素可以消除玉米赤霉烯酮ZAE對雄性小鼠的傷害，有抗氧化和抗炎作用。β-胡蘿卜素通過抑制雄激素受體活性并激活親電反應/抗氧化反應元件（electrophile-responsive/antioxidant-responsive elements，EpRE/ARE）系統途徑，誘導級聯反應第二階段酶的表達。

1.2 葉黃素和番茄紅素

葉黃素(lutein)是自然界廣泛存在的含紫蘿酮環的二羥基類胡蘿卜素,也是人和動物眼視網膜黃斑色素主要組成部分。葉黃素、玉米黃質和中玉米黃質增強視覺功能，對提高視覺的對比敏感度特別有效。并具有效預防及輔助治療老年性黃斑退化病和白內障等眼疾,可以作為重要的營養補充劑。

葉黃素（L）、玉米黃質（Z）和中玉米黃質（MZ）采食后選擇性地沉積在視網膜的中央凹區，構成黃斑色素（MP），位于富含脂質的感光器外層與視網膜前層之間，易受輻射能氧化。MP 以其顏色吸收400～520 nm 的高能量短波長（藍色）光，以兩種重要方式保護中央視網膜：①L、Z 和MZ 有效地淬滅不穩定氧物質；②MP作為有效的光濾器，保護中央凹區不受損害性的短波長光。葉黃素和玉米黃質提高視覺系統的神經效率，提高視覺處理速度、暗適應速度并增強對比敏感度，改善視力。

葉黃素是性能優良的抗氧化劑，保護眼睛免受光損傷和各種視網膜病變，具有優良的消除自由基、預防白內障、動脈硬化、增強免疫力、阻斷脂肪氧化、改善色香味、提高畜產品品質等功效，并可預防癌變發生、延緩癌癥發展等發揮重要作用。因此是一種優良的天然健康營養多功能的食品和飼料添加劑。

常用飼料原料中天然葉黃素含量較少，且變異很大。直接從果蔬中提取，成本十分昂貴，因此國內外一般用葉黃素含量較高的萬壽菊花(又名金盞草或金盞花)中提取精制生產葉黃素。萬壽菊花中含有豐富的葉黃素，其主要包括兩部分：黃體素（含量90%以上）和玉米黃質（含量10%以下），它們均是類胡蘿卜素系的脂肪系葉黃素，分子式為C40H56O2。添加天然色素可以改良家禽產品的品相。

萬壽菊花早期主要種植國是美國和墨西哥。我國自20 世紀90 年代在山東、四川開始種植，后來擴大到在山東、四川、新疆、甘肅、山西、黑龍江、云南、吉林等省種植。現在我國在萬壽菊花的種植、加工的產業已經成為世界第一大國，以萬壽菊花為原料提取的葉黃素樹脂達到6 000 t/年，占全球年總產量的2/3。

番茄紅素存在于紅色水果和蔬菜中特別是番茄中，番茄可提供食物中番茄紅素總量的80%～90%。番茄紅素也可以由海生鹽古菌（屬于鹽古菌科）生產。蔬菜的品種和成熟度不同其番茄紅素含量水平存在較大差異，成熟階段的環境溫度也會改變番茄中的番茄紅素含量。與其他季節相比，夏季收獲的蔬菜番茄紅素含量減少31%，原因是番茄生長的最佳溫度為16～26°C，環境溫度超過35°C 時番茄中的番茄紅素轉化為β-胡蘿卜素。土壤質量也有重大影響，使用有效微生物的土壤調節劑可使番茄紅素含量提高36%。

紅番茄果實中自然產生的番茄紅素總含量的94%～96%以穩定的反式分子存在，吸收較差。熱處理可以誘導其分子異構化為順式結構，特別是5-順式，這增加其生物利用度。高溫也導致細胞基質降解，釋放番茄紅素為脂溶性成分。熱加工可在不降低抗氧化能力的情況下提高溶解性和吸收能力。加工過的番茄，如番茄醬、湯、果汁和番茄醬，含有最高含量的番茄紅素。一項分析前列腺切除術患者（n=33）血液番茄紅素含量的研究表明，食用番茄湯、調味汁或果汁可使血漿番茄紅素濃度分別增加66%（0.68～1.13 μmol/l）、71%（0.48～0.82 μmol/l）和59%（0.49～0.78 μmol/l）。在含鈣產品存在的情況下，不應服用番茄紅素，含鈣產品可降低其生物利用度84%，可能是由于鈣在消化過程中改變包裹番茄紅素的膠束的電荷。富含金納米粒子的納米乳液可提高番茄紅素的體外生物利用度。使用低聚（-）-表沒食子酸兒茶素-3-O-沒食子酸納米粒，能防止番茄紅素降解。在使用納米結構脂質作為載體的情況下，增加番茄紅素口服吸收的效率。體外腸道通透性研究證實，其通透性增加了4倍。

番茄紅素混合物含有40%～50%的順式（主要是5-順式、9-順式、13-順式和15-順式），占總血中類胡蘿卜素的21%～43%，因此是人血漿中最主要的類胡蘿卜素。由于其親脂性性質，番茄紅素和其他類胡蘿卜素存在于血清的低密度和極低密度脂蛋白組分中。在美國，番茄紅素的日攝入量為3.7～16.2 mg/d。歐洲人口中番茄紅素攝入量最高地區為地中海飲食的希臘（163.6 g/d）和西班牙南部（97.6 g/d），歐洲消費量最小的是荷蘭（15.7 g/d）、法國（22.0 g/d）和瑞典（31.9 g/d），使這些國家的居民需要補充番茄紅素。

有研究分析了細胞內抗氧化劑、細胞毒性、活性氧和抗壞血酸亞鐵的變化，證實了番茄紅素通過其抗氧化特性影響牛精子生成。番茄紅素能增加精子運動參數、線粒體活性和抗氧化特性，有效濃度范圍為1 mM和2 mM。番茄紅素可通過增加精子數量、活力和睪酮水平來預防ZAE引起的損害。對44名患者的研究表明，在12周內每天補充30 mg番茄紅素可增加精子的運動能力，而維生素C、維生素E和谷胱甘肽不影響精液參數。通過改變mek和nfkb信號通路，番茄紅素促進骨代謝的合成代謝，抑制破骨細胞生成，刺激成骨細胞生成。

2 與香味和風味相關的營養素

生肉的香味很淡，主要在蒸煮炒煎和焙烤時產生濃郁肉香味。當加熱至140～165°C時，肉內氨基酸和還原糖發生美拉德反應，產生褐變和肉香味，目前有幾百種肉香味成分被鑒定出來，主要包括內酯化合物、吡嗪化合物、呋喃化合物和硫化物，氨基酸的種類決定了產生的肉香味。美拉德反應賦予每種肉類非常獨特的香味化合物，而脂肪組織賦予肉制品特有風味。

青草和飼料的花草香氣會保留一些在肉中。青綠飼料具有營養豐富、適口性好、營養均衡等優點，含有豐富的維生素、胡蘿卜素、氨基酸、礦物元素等。青綠飼料種類豐富、來源廣，合理飼喂能起到良好的飼養效果。開花的紫花苜蓿、三葉草、牧草、蔬菜和經濟作物的副產品蘿卜葉、白菜葉、甜菜葉、西藍花莖葉、南瓜藤、紅薯藤等，讓放牧牛羊肉帶著天然花香，吸引蜜蜂到鮮牛肉上采蜜。深紅色的牛肉富含血色素，細嫩可口。

3 生物活性營養素

藥用植物及中藥材副產物中含有的生物堿、有機酸、揮發性芳香油類（精油）等多種化學活性物質，具有生理和藥理活性。用作飼料添加劑的品種有辣素、牛至油、香芹酚、百里香酚、肉桂醛、植物精油、絲蘭提取物、大豆異黃酮、杜仲葉提取物等，具有誘食、抑菌、消除消化道炎癥、防止腹瀉、替代抗生素、促進生長的功效。

辣椒的活性成分辣素具有促進食欲、產生愉悅感、增強胃動力、刺激消化酶分泌、修復改善胃腸黏膜、抑菌、增強抗壓能力和抗應激能力的功效，是一種新型高效飼料添加劑。

新鮮飼料原料中含有的易于利用的營養素，價值很高。如高能化合物ATP、GTP等，簡單還原糖、儲存糖原、氨基酸、小肽、維生素、卟啉、輔酶、植物來源的酶類、代謝中產物等易于吸收，直接進入動物的合成代謝，對動物的生命活力和生長發育有良好作用，營養價值高。天然植物提取物通過作用于腸壁內分泌細胞，改變SGLT1 和GLUT2 調控的腸壁細胞營養和血流量供應，調節葡萄糖吸收。現代畜牧業的發展發現，規模化種植豆科牧草制備青干草，糧改飼種植飼用玉米和飼用大麥制備青貯整株玉米、青貯大麥，青貯臘穗期全株大麥纖維細口感好，供應牛羊生豬母豬作為粗飼料，可以改善動物生產性能和產品質量。

絲蘭提取物飼料添加劑含有三個主要的有效成份：皂苷、多糖和多酚。皂苷具有表面活性劑的特性，多糖具有結合氨氣等有害氣體的能力，多酚具有抗炎癥和抗氧化的作用。

皂苷具有表面活性，降低表面張力，刺激細胞免疫反應，促進抗體生成。多糖成分與氨氣有非常強的親和力，可以結合抑制氨的有害作用，并將其轉化為無害的氮化物為機體利用。維持腸道的酸堿平衡，有利于腸道菌群的穩定和消化酶發揮作用。

多酚的抗氧化作用主要表現在：直接清除活性氧自由基，抑制脂質過氧化反應，整合金屬離子，激活細胞內抗氧化防御系統。多酚能抵消自由基，保護身體細胞和組織免受損害。多酚還可以延長機體內其它抗氧化劑（如維生素E、維生素C）的作用時間。多酚可以抑制炎癥因子（iNOS）的表達，抑制血小板的凝集，降低炎癥反應。

4 基因營養

2011年，“自然”雜志在線推薦介紹了南京大學張晨宇教授團隊的論文。他們的研究展示了一項令人驚訝的發現——植物的微小核糖核酸（microRNA）可以通過日常食物攝取的方式進入人體血液和組織器官。并且，一旦進入體內，它們將通過調控人體內靶基因表達的方式影響人體的生理功能，進而發揮生物學作用，這揭示了非編碼小RNA 可以跨物種、跨代際穩定存在，并在不同物種間、代際間跨界調控基因表達。

這一發現已經被多次重復驗證，證實存在跨界調控，食物中的microRNA能被哺乳動物的腸道吸收，表明人類及動物還存在microRNA 營養。食物來源的microRNA 影響人和動物的營養健康，中藥及植物提取物的功效因子與其含有的microRNA相關。目前張晨宇的自然論文已經有2 萬余次引用且大部分引用是正面的。孟山都公司已經投入1.2億美元來研究這些microRNA對人體的影響。

miRNAs 是生物體內自然存在的一類長度約為22 nt 的小分子非編碼RNA，能夠通過與靶基因mRNA 3'UTR 不完全互補配對，降解靶基因mRNA或抑制其翻譯，在轉錄后水平調控基因的表達，進而廣泛參與調控機體生長、發育、疾病等生物學過程。骨骼肌約占人畜體重的40%～60%，是動物體正常生長發育必不可少的組成部分。miRNAs 通過靶向骨骼肌發育、再生與疾病過程的關鍵因子，調控骨骼肌的生長發育和健康。在醫學領域miRNAs已成為肌肉相關疾病的檢測標志物和靶向診療藥物。在畜禽miRNAs 與肌肉發育及肉品質相關。miRNAs 參與調控豬胚胎期肌細胞發育、胚后期肌肉生長和肌肉質形狀形成，促進豬前體脂肪細胞分化，減少脂質沉積，調控豬的免疫應答及抗病力。

植物提取物抗氧化劑通過調節胞嘧啶C5 位的DNA 甲基化來影響基因表達。當位于一個基因的啟動子區域的CpG 島甲基化時，該基因的表達減少。血液中植物抗氧化劑含量與CpG 島甲基化呈負相關。2～3 μM 的抗氧化劑可改變DNA 甲基化，從而改變乳腺癌和非癌細胞系的基因表達。植物抗氧化劑可以降低DNA 損傷中的最常見的8-oxo-dg 氧化損傷，并顯著降低尿中8-羥基-2’-脫氧鳥苷（8-oxo-dg）。對鐵誘導的氧化應激損傷大鼠的研究表明，用番茄紅素處理的動物與對照組相比，其DNA 中的8-oxo-dg 水平降低了70%。番茄紅素也可以通過調節mRNA 水平發揮表觀遺傳作用。用番茄紅素治療PC3 前列腺癌細胞可降低Akt2 的表達，增加mir-let-7f-1 的表達。表明mir-let-7f-1參與番茄紅素的抗癌作用，并通過下調Akt2 在抑制前列腺癌發展中發揮重要作用。最近的一項調查研究表明番茄紅素降低全因死亡率18%，癌癥死亡率54%。

對其基因作用機理的分析發現，個體的基因分型表明，群體中含有16 個基因中28 個單核苷酸多態性的組合特征的個體對類胡蘿卜素的反應更好。薈萃分析顯示，編碼膽固醇膜轉運體的清除劑受體b1（scarb1）基因，狹縫同源3 基因（slip3），和編碼氧化還原酶的dhrs2 基因，與血清番茄紅素的濃度相關。血清番茄紅素還與4 號染色體上位于編碼p53 結合蛋白setd7基因的內含子區的變異體RS7680948有關聯。

番茄紅素通過改變編碼參與機體代謝平衡的酶的基因表達來影響肥胖。脂聯素的mRNA 水平升高，脂聯素在脂類和碳水化合物代謝中起著重要作用。變化也影響了參與脂肪細胞分化調節的轉錄因子foxo1 和sirtuin 1，sirtuin 1 是一種尼古丁腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙酰基酶，在熱量限制、預防衰老相關疾病和維持代謝平衡中發揮作用。番茄紅素可降低肉雞血漿甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇濃度，通過摻入低密度脂蛋白而延遲銅相關的低密度脂蛋白C 氧化。大鼠試驗表明番茄紅素劑量依賴性地降低肝臟組織中甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇，同時增加高密度脂蛋白膽固醇（HDL-Cholesterol）水平。番茄紅素顯著降低血清丙氨酸氨基轉移酶（ALT）和天門冬氨酸氨基轉移酶（AST）水平，降低谷胱甘肽抗氧化酶、和超氧化物歧化酶的水平。降低血漿膽固醇濃度、低密度脂蛋白膽固醇水平、及肝酶（ALT、AST 和堿性磷酸酶）活性水平。番茄紅素通過抑制高脂飲食小鼠體內的STAT3/SREBP-1C 介導的脂質積累，表現為高密度脂蛋白增加，胰島素敏感性提高。

5 應用現狀及前景

國內開發植物提取物飼料添加劑有一定困難，主要是生產和應用成本較高。晨光生物是主要研制和生產天然色素、天然精油、天然營養及藥用提取物、油脂和蛋白等的生產企業，部分產品用作飼料添加劑。廣州立達爾是飼用色素的主要生產商，主要生產天然葉黃素、玉米黃質、辣椒堿、蝦青素等。天然牛至油添加劑為荷蘭羅帕法姆公司的諾必達，還有十多家生產商多數為化工合成。

Vieira 等提出了一種基于吐溫20 水溶液的高效單步工藝，從褐藻物種馬尾藻中提取回收類胡蘿卜素，并進行了工藝優化，使提取率達到(2.78±0.4)mg類胡蘿卜素每克干物質，較傳統方法提取效率提高了38%。

2011 年，我國植提物出口額為11.3 億美元，包括中藥提取物。近年中國植物提取物出口前景較好，據預計2018 年中國植物提取物行業市場規模達249 億元，到2022 年可望突破341 億元，但是其中植物提取物飼料添加劑的產銷規模不大。

植物來源的這些色香味營養素，化學結構復雜，很多在動物體內不能夠合成，或者合成量小，主要依靠從飼料中攝取。新鮮的青綠飼料，是這些營養素最好的來源。但是現代集約化養殖工藝，不飼喂青綠飼料，養殖動物主要飼喂玉米豆粕為主的全價配合日糧，但是不能夠充分提供這些微量營養素，因此畜產品色香味減弱，食品營養價值降低。糧改飼增加飼草供應，有望改善這一情況，增加優質產品供給。