多酚在仔豬鐵供給失衡方面的研究進展

丁浩軒 趙 陽 洪作鵬 馮 杰

(浙江大學飼料科學研究所，浙江省動物營養重點實驗室，杭州310058)

鐵是動物生長發育必不可少的微量元素，其在能量代謝、氧氣運輸、電子傳遞等多方面發揮了重要的功能。仔豬因母乳供鐵不足、消化酶活性弱、鐵代謝蛋白表達低等多方面的因素容易患缺鐵性貧血[1]。雖然缺鐵并非造成氧化應激的直接原因，但是氧化應激是許多長期缺鐵條件下的共同特征[2]。合適劑量補充鐵可以預防仔豬缺鐵性貧血，并提高仔豬的生長性能。在哺乳仔豬飼養中，往往在仔豬出生后第3天肌肉注射200 mg右旋糖酐鐵，這雖然能有效避免仔豬貧血，但高劑量注射補鐵會造成仔豬的氧化損傷[3]。此外，在斷奶仔豬飼糧中按照NRC(2012)[4]設定了外源補鐵的標準，但飼糧中的外源補充鐵并未考慮到飼料本底中的鐵(例如礦物質飼料和動物性蛋白質飼料的鐵含量高達1 178和1 030 mg/kg[5])，這不僅僅會威脅動物的健康，而且加大了環保壓力[6]。鐵在動物體內會通過哈伯-韋斯(Haber-Weiss)和芬頓(Fenton)反應產生過量的活性氧自由基，進而攻擊脂質、蛋白質、核酸等成分，誘導細胞發生凋亡、壞死及鐵死亡[7]。多酚類化合物通常來源于植物性食物且具有多個酚羥基，具有良好的抗氧化活性特點。例如，研究發現單寧酸(一種水溶性天然多酚)可以參與活性氧的清除，進而降低鐵過載引起的損傷[8]。盡管已經認識到了多酚類化合物能夠發揮強抗氧化活性，但其在鐵缺乏與鐵過載領域報道較少。本文就鐵代謝紊亂引起仔豬損傷原因與影響、多酚在機體中的代謝、多酚干預鐵代謝紊亂中的機制、多酚在鐵代謝紊亂中的應用進行綜述。

1 鐵供給失衡引起仔豬損傷的原因與影響

1.1 仔豬鐵缺乏的原因與影響

哺乳仔豬鐵攝入的主要來源是母乳和土壤。然而，在現代化規模養殖場的仔豬很難從土壤中獲得鐵。母乳成為了哺乳仔豬獲取鐵的唯一來源，但每日從母乳中獲取的鐵少于1 mg，難以滿足仔豬7～16 mg的需求[9]。此外，斷奶仔豬消化酶活性低，胃酸分泌能力不足，鐵轉運相關蛋白表達低，因此飼糧中的鐵很難在仔豬生長發育初期充分吸收[1,10]。仔豬體內的鐵耗竭后，會出現虛弱疲勞、食欲低下、體重減輕等不利癥狀。鐵缺乏的不良反應往往也會伴隨著氧化應激。鐵與氧化應激有著復雜的關系，一方面，鐵是很多抗氧化酶必不可少的催化結構電子傳遞載體；另一方面，鐵也可以通過芬頓反應刺激機體氧化應激。在治療仔豬鐵缺乏癥時，補充合適劑量的鐵是比較便利的措施。但是，干預鐵缺乏后產生的氧化應激和急劇補鐵帶來的不利反應也尤為關鍵。多酚在緩解鐵缺乏帶來的氧化損傷方面存在廣闊的應用前景。

1.2 仔豬鐵過載的原因與影響

哺乳仔豬往往在仔豬出生后第3天肌肉注射200 mg右旋糖酐鐵進行補充鐵。但也有報道指出單次肌肉注射高劑量補鐵會造成哺乳仔豬的氧化損傷，因而研究人員更推薦稍低劑量2次注射補鐵[3]。但飼糧中的外源補充鐵并未考慮到飼料本底中的鐵，長期飼用高鐵飼糧可能會對斷奶仔豬造成潛在損傷[5]。游離鐵及其介導產生的活性氧是很多鐵過載相關疾病的重要成因。鐵介導的活性氧通過細胞凋亡、壞死、自噬及鐵死亡多種細胞死亡途徑導致機體發生病理學變化[7,11]。過量鐵會對仔豬健康生長造成多方面的影響。Li等[12]報道指出高鐵飼喂仔豬的十二指腸黏膜腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1和白細胞介素-6表達相比于對照組顯著上調。Ji等[13]研究發現過量鐵會導致仔豬海馬體中嘌呤和嘧啶代謝發生協調變化，暗示神經元受損。Espinoza等[14]揭示了高鐵飼糧會促進仔豬中的Ⅱ型糖尿病的發展，并可以誘導炎癥。盡管鐵誘導細胞死亡及器官病理學變化的關系很復雜，但其通常會涉及活性氧的參與。因此，具有強抗氧化性的多酚是緩解仔豬鐵過載相關癥狀的有效方案之一。

2 多酚在機體中的代謝

2.1 多酚的來源

多酚通常是指含有酚羥基結構的化合物，且大多數多酚來源于植物的次生代謝產物。中國傳統中草藥例如杜仲、黃芪、荷葉等均富含多酚類化合物，其作為飼料添加劑也展現了促進生長、抵抗氧化、增強免疫等多方面的功能[15]。

2.2 多酚的結構與分類

多酚根據苯酚環和連環結構分為黃酮類化合物和非黃酮類化合物。黃酮類化合物具有2個苯環共享2個碳氧合雜環的特征結構，并依據雜環類型細分為黃酮、黃酮醇、異黃酮、黃烷三醇、黃烷酮和花青素類[16]。非黃酮類化合物則細分為酚酸、木脂素和類胡蘿卜素[17]。

2.3 多酚在仔豬中的吸收與代謝

多酚在仔豬中發揮功效不僅僅取決于其本身的活性，而且與生物利用度有很大關聯。天然植物中的多酚很難被仔豬腸道消化利用，因為仔豬腸道內缺乏能水解以酯、糖苷或聚合物形式多酚的消化酶[18]。此外，經過水解后的多酚(例如糖苷配基、單糖和二糖苷)受限于位于腸細胞表面多酚轉運蛋白的耗能轉運速率[16]。因此，只有不到5%水解后的多酚能被仔豬腸道吸收[17]。吸收進入機體的水解多酚需要先經過肝臟甲基化、葡萄糖醛酸化、硫酸化的排毒途徑轉化為親水性共軛代謝產物才能部分進入血液[19]。膽汁中的共軛代謝產物和腸道中未被吸收的多酚會在結腸中通過菌群的發酵等多種生物途徑生成多種代謝產物[20]。結腸中的多酚代謝物一部分可被結合到腸上皮細胞吸收和肝臟代謝后進入循環系統，另一部分會以益生元的形式調控結腸微生物群的組成并通過糞便排泄[21]。

多酚對仔豬健康展現了諸多益處，例如增進食欲、平衡菌群、削弱應激、免疫調節等多方面的功能。但在仔豬試驗中觀察到的有利益處并不能簡單歸結于多酚本身，因為吸收進入機體的是多酚代謝產物。此外，吸收進入血液的多酚代謝產物通常小于1 μmol/L，難以直接激活抗氧化系統和清除自由基[16]。因此，在認識到多酚提高機體抗氧化能力的基礎上，人們可能也需要關注到多酚在鐵供給失衡中獨特的特征。

3 多酚干預鐵供給失衡中的機制

3.1 金屬螯合特性

金屬螯合特性是多酚的一種生物學特性，多酚中的羥基結構被取代后可以增強金屬的配位，形成的金屬-多酚復合物穩定性較好[22]。同時，因為金屬離子通常會參與生成自由基相關的氧化反應，多酚的螯合特性可以緩解機體的氧化應激[23]。在細胞試驗中，研究發現多酚會螯合細胞中的銅、鋅、鐵等金屬離子，進而調節細胞微量元素的代謝穩態[24]。

金屬螯合特性是多酚干預鐵代謝紊亂相關疾病的關鍵特性。醫學領域許多疾病和鐵代謝紊亂具有關聯性，例如酒精性肝炎、帕金森氏病和缺鐵性貧血等[25-26]。多酚具有的金屬螯合特性在鐵代謝紊亂相關疾病展現出了廣闊的應用前景。槲皮素是一種黃酮醇類多酚，其具有對抗自由基防止機體過氧化的功能。Horniblow等[27]報道了將槲皮素作為外源性鐵螯合劑降低過量的胞內鐵用干預癌細胞生長的新治療措施。表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)是綠茶的主要多酚成分，具有抗菌消炎、抗氧化、抗腫瘤等多種功能。在很多神經退行性疾病中，鐵的積累引起的超氧化物、羥自由基和一氧化氮常是神經毒性的觸發條件。EGCG不僅僅具有自由基的清除能力，而且可以與游離鐵高效螯合減輕大腦中鐵超負荷[28]。多酚類化合物在鐵超過負荷情況下會與鐵蛋白競爭性結合鐵，并清除胞內鐵造成鐵的外排[29]。因此，多酚類化合物清除游離鐵的能力很大程度上取決于鐵外排的速率超過鐵吸收的速率。在今后，多酚類化合物作為一種具有出色金屬螯合能力的植物提取物，其可以作為主要、替代或輔助鐵代謝相關疾病的治療方案。

3.2 鐵代謝基因調控

多酚類化合物并非只能用于鐵過載引起的相關疾病，其在鐵缺乏引起的疾病中也具有應用前景。鐵調素是降解腸道鐵轉運蛋白的調節劑，其可以靶向負反饋調節機體鐵吸收。Mu等[30]報道了楊梅素處理細胞可通過減少SMAD1/5/8磷酸化來降低鐵調素抗菌肽(HAMP) mRNA水平和啟動子活性，并在小鼠上觀察到了肝鐵調素表達降低，脾鐵水平降低和血清鐵水平升高。這表明楊梅素可以抑制鐵調素表達，進而提供了一種治療鐵缺乏癥相關疾病的新療法。金雀異黃素是一種具有抗氧化和抗炎特性的類黃酮。與楊梅素類似，金雀異黃素通過信號轉導與轉錄激活因子3(STAT3)和SMAD4依賴性過程增加斑馬魚和人肝細胞中HAMP啟動子的活性，進而調控鐵調素的表達[31]。這暗示金雀異黃素的抗炎特性一部分來自于對鐵調素調控的能力。另一種有效的類黃酮抗氧化劑姜黃素，除調節氧化還原狀態外，也可以參與鐵代謝的調控。Niu等[32]報道了姜黃素可以通過激活肝臟鐵反應性元件結合蛋白和轉鐵蛋白受體，并下調肝鐵蛋白和鐵調素來調控小鼠的缺鐵性貧血。多酚類化合物對鐵代謝基因的調控功能也會是未來鐵代謝紊亂相關疾病的重要研究熱點。

3.3 抗氧化體系激活

當機體長期處于應激狀態下，內源性抗氧化酶難以徹底清除自由基。植物來源的多酚是良好的外源性抗氧化劑，其可以參與機體抗氧化體系的激活，進而加強抗氧化酶活性。抗氧化體系受到了轉錄因子——核因子E2相關因子2(Nrf2)的調控，Nrf2與抗氧化反應元件結合后可以激活抗氧化酶的合成[33]。EGCG可以激活Nrf2進而上調抗氧化酶和抗炎相關基因[2]，因此其幫助處于鐵過載狀態的機體恢復平衡的氧化還原狀態。葡萄籽提取物富含花青素、兒茶素、沒食子酸等多酚類化合物。葡萄籽提取物可以通過增強抗氧化劑(谷胱甘肽過氧化酶、超氧化物歧化酶、總抗氧化能力)的活性，進而預防鐵帶來的氧化損傷[34]。此外，多酚激活機體的抗氧化體系會在一定程度上下調絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、核轉錄因子-κB(NF-κB)等炎癥通路，進而緩解鐵供給失衡導致的炎癥反應[35]。

3.4 自由基清除與激活能力

活性氧在正常細胞新陳代謝的副產物，其可以參與信號轉導、酪氨酸激酶活化、免疫調控等多種生命活動[36]。當內源性抗氧化系統無法抵御活性氧，過量活性氧的外源清除途徑顯得尤其關鍵。Rossi等[37]報道了花生皮酚提取物(主要成分為槲皮素)可以清除正常上皮細胞，大鼠回腸細胞，猴腎細胞或人外周血單核細胞中的過氧化物陰離子。Tate等[38]發現巴拉圭茶(主要成分為茶多酚)在人視網膜色素上皮細胞中可以減少活性氧含量和DNA斷裂。水產品由于富含蛋白質與脂肪酸容易腐敗變質，而多酚可以抑制營養物質氧化，限制微生物的生長，進而延長水產品的保質期[39]。有趣的是，部分多酚類化合物并非依賴于清除活性氧發揮生物活性，在特定條件下(高濃度、高pH、氧化還原活性過渡金屬)也可以激活機體活性氧進而增強機體對外源應激的抵抗效果[40]。例如，咖啡酸、阿魏酸和芹菜素等可通過氮氧化合物在細胞內激活活性氧而發揮促氧化劑作用[41]。在了解多酚類化合物所具有的抗氧化和促氧化的基礎上，人們會對多酚類化合物在鐵代謝紊亂相關疾病中發揮的生物活性有更全面的認識。

4 多酚干預仔豬鐵供給失衡的應用

多酚類化合物具有金屬螯合特性、鐵代謝調節及氧化調節功能，因此多酚類化合物在仔豬鐵供給失衡相關方面有著廣闊的應用前景。Lee等[42]采用單寧酸(1 000 mg/kg)飼喂斷奶仔豬后評估其對鐵狀態的變化，研究發現單寧酸對仔豬血漿鐵有負面影響。這是由于單寧酸具有鐵結合的親和力進而導致血液學狀況受損。因此，人們可能也要警惕斷奶仔豬飼糧中過量添加多酚類功能性添加劑對仔豬鐵狀態的干擾。單寧酸限制鐵轉運在鐵超載的仔豬中可能有一定的應用前景。仔豬常會因感染腸毒素性大腸桿菌發生腹瀉。紅茶提取物(0.8%)抗腹瀉的原因是酚類化合物(例如沒食子酸)具有與鐵結合的能力，從而使腸毒素性大腸桿菌無法獲得鐵，由此保護仔豬健康生長[43]。豬肉中的血紅蛋白是保證肉色的重要指標之一，血紅蛋白中的二價鐵離子(Fe2+)轉化為三價鐵離子(Fe3+)會喪失攜氧能力并將肉色從紅色變為棕色。Dong等[44]報道了1.6 mg/L茶多酚處理豬肉后可以使豬肉在pH 7.4和25 ℃下儲存72 h后，仍然保持鮮紅肉色。同樣，?zalp等[45]模擬了葡萄渣多酚(2%)對肉質的影響，研究發現多酚可以抑制自由基與血紅蛋白的接觸，從而減緩肉質的氧化進程。

多酚類化合物在鐵供給失衡中的應用并非只能局限于鐵元素，多酚具有的強金屬螯合能力可以合理外推至高電荷密度的陽離子，例如銅、鋅、錳、鋁等[16]。對于畜禽微量元素代謝紊亂而言，通過多酚對相關代謝疾病進行調控和治療將會是一條有效途徑。目前往往只是認識到了多酚的強抗氧化性，缺乏多酚在微量元素相互關系的探討。對于多酚和微量元素的互作，多酚和微量元素對腸道菌群的調控，多酚和微量元素的新型復合物等方面依然是研究的熱點。

5 小 結

在飼糧中補充微量元素需要充分認識到精準營養的重要性，并綜合考慮畜禽微量元素的配比、飼料本底微量元素、仔豬生長需要量等多方面因素，進而為仔豬提供科學合理的微量元素供應。多酚化合物具有金屬螯合特性、鐵代謝調節、抗氧化體系激活及自由基清除與激活能力等特性，其在畜禽微量元素供給失衡方面展現出了廣闊的應用前景。展望未來，多酚類化合物不僅可以作為畜禽的新型飼料添加劑，而且可以為畜禽微量元素供給失衡提供一條綠色解決方案。