姜黃素生物學功能及其在豬生產中應用的研究進展

薛惠琴,涂尾龍,2*

(1上海市農業科學院畜牧獸醫研究所,上海 201106;2上海種豬工程技術研究中心,上海 201302)

姜黃素(Curcumin)是一種天然化合物,是從姜科、天南星科中的一些植物(如姜黃、郁金等)根莖中提取的一種二酮類化合物[1]。姜黃素原產南亞熱帶地區,最初出現在印度次大陸,又稱印度藏紅花、咖喱粉[2],13世紀被引入歐洲[3],15世紀作為香料引入歐美大陸[4],1815年,姜黃素首次從姜黃中提純出來[5]。近年來,姜黃素作為一種保健和藥用的功能物質[6-7],逐漸被人們熟知。姜黃素用途廣泛,尤其在抗炎和抗氧化功效方面,被國內外學者關注。姜黃素是聯合國糧農組織食品法典委員會(FAO∕WHO-1995)批準的食品添加劑,美國食品和藥品管理局(FDA)認證的安全食品添加劑,我國頒布的《食品添加劑使用標準》(GB 2760—2011)允許使用的食品添加劑,其作為食品添加劑的安全性毋庸置疑。姜黃素不僅作為天然色素廣泛應用于食品添加劑中,用于加工罐頭、醬鹵制品等,還因其具有較好的殺菌抗炎、抗氧化等性能,應用于動物飼料行業[8]。

但是,姜黃素作為飼料添加劑應用于動物健康養殖中,由于成本等問題,飼料加工企業及養殖企業認可度不高,其在中國推廣應用比較滯后。隨著中國經濟迅速發展,人們對畜產品的品質要求越來越高,對畜禽飼料添加劑的安全性要求也就越來越高。我國農業農村部頒布了194號公告,自2020年1月1日起“退出除中藥外的所有促生長類藥物飼料添加劑品種”,動物飼料全面“禁抗”。姜黃素作為中草藥添加劑應用于動物健康飼養中,由于其天然的綠色、環保,又具有一定的功能性,其研究開始被重視。因此,筆者介紹姜黃素的生理生化特性、免疫特性、抗氧化等多方面生物學功能,闡述其在豬生產中的應用進展,并對后續研究進行展望。

1 姜黃素分子結構及理化特性

1.1 姜黃素分子結構

姜黃素分子C21H20O6,為對稱分子,1910年,姜黃素的結構被描述為雙阿魏酰甲烷[9],其化學結構為α,β-不飽和-β-二酮基,苯環上有芬羥基和甲氧基[10],分子結構如圖1,相對分子質量為368.37。

圖1 姜黃素的化學結構Fig.1 Chemical structure of curcumin

1.2 姜黃素理化特性

姜黃素為橙黃色結晶粉末,不溶解于水,但溶于冰醋酸、乙醇、丙二醛和堿性溶液,味稍苦,熔點為183℃。姜黃素化學反應性非常強[11],在堿性時為紅褐色,中性或酸性時為黃色。當姜黃素溶于溶液時,以酚類形式存在,能夠清除自由基。姜黃素吸光值為415—420 nm,高溫或強光下容易分解,產生醛類及烷類物質[12]。

2 姜黃素生物學功能

2.1 姜黃素的抗菌消炎作用

大多數慢性疾病(如關節炎、胃炎、胰腺炎等)都是機體炎癥調節平衡遭到破壞引起的,炎癥的進一步加深會引起組織損傷甚至壞死。姜黃素含有活性成分,能夠抑制炎癥因子如腫瘤壞死因子(TNF-α、INFγ)、白細胞介素(IL)、干擾素(γ)等和轉錄因子(AP-1),介導炎癥相關的信號通路(NF-κB),以此起到治療的作用。Shishodia[13]研究表明,姜黃素通過抑制P38 MAPK信號通路中的核因子活性,表現其抗菌消炎的作用,能增強機體免疫調節功能,減少機體發生炎癥,進一步研究發現其靶點在于生長因子、轉錄及炎性因子。Julie等[14]研究表明,姜黃素能夠通過上調IL-10的表達,下調COX-2,誘導iNOS酶的表達來達到抗菌消炎的效果。Ghosh等[15]研究發現,在構造急性腎損傷小鼠模型時,經姜黃素處理后,小鼠腎臟NF-κB表達下降,TNF-α因子的分泌受到抑制,小鼠炎癥的減輕降低了其腎臟損傷程度。上述研究表明,姜黃素能夠抑制相關酶的活性,并通過阻止其代謝反應來抑制炎癥因子,抑制如胃炎、胰腺炎等慢性炎癥。Antony等[16]用姜黃素飼喂肉雞后,檢測其對雞血常規指標的影響發現,姜黃素提高了肉雞血液中的白細胞(WBC)計數和紅細胞(RBC)計數,分析原因可能是姜黃素含有生物活性功能。用姜黃素處理雞組織黏膜淋巴T細胞和B細胞時,發現其能調節淋巴T細胞和淋巴B細胞介導的免疫功能[17-18]。South等[19]用40 g∕kg劑量的姜黃素飼喂小鼠5周后,小鼠血清中的免疫球蛋白IgG含量顯著提高,小鼠免疫力提高,抗病能力增強。姜黃素不僅能提高機體免疫能力,還能直接殺死肺炎、腦膜炎等引起人類疾病的細菌,如革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、腸球菌等)和革蘭氏陰性菌[20]。采用姜黃素抑制大腸桿菌,發現其能夠上調細菌中凋亡樣蛋白RecA的表達,從而誘導大腸桿菌活性氧(ROS)積聚以及鈣離子內流[21]。姜黃素對病毒甚至黃曲霉毒素有一定的抑制率。Jeong等[22]研究出血敗血癥病毒(VHSV)時發現,姜黃素可以在VHSV早期感染中,通過下調HSC71,抑制病毒進入時重組F-actin∕G-actin的比例,抑制VHSV的進一步加深感染。Yarru等[23]通過在含黃曲霉毒素的雞飼料添加姜黃素,發現一定劑量的姜黃素可以顯著降低黃曲霉毒素給肉雞帶來的毒性。

姜黃素通過其自身的生物活性,能夠直接殺滅相關細菌,通過抑制炎癥因子或抑制相關信號通路,來提高機體免疫力,達到抗菌消炎的作用。

2.2 姜黃素的抗氧化作用

生物有機體衰老或疾病的生理過程,往往與機體自身體內過量的自由基有較大的相關性,而姜黃素能夠提高抗氧化酶活性,改善氧化應激,發揮抗氧化作用。正常情況下,機體本身的抗氧化系統能清除自由基,但當機體處于應激狀態下,會產生大量的自由基,抗氧化系統能力不足以清除時,這些自由基就會攻擊細胞,給組織帶來氧化損傷[24]。姜黃素有一個β-二酮和兩個鄰甲基化的酚,這種獨特的化學結構可以阻斷自由基的反應,甲氧基更進一步加強抗氧化能力,從而提高機體抗氧化作用[25]。Ammon等[26]通過姜黃素對自由基作用的研究發現,姜黃素可以清除巨噬細胞中的自由基,保護血紅蛋白和脂質不被氧化,其抗氧化能力和維生素C、維生素E相當。姜黃素除了能清除機體過量的自由基以及抗氧化特性,還能增強如谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶的活性,增強機體的抗氧化能力[27]。Ruan等[28]通過飼喂姜黃素對仔豬腸道影響研究的結果發現,姜黃素可提高仔豬大腸等腸道內的CAT、HO-1、Nrf2和SOD1等相關基因的表達量,從而提高仔豬腸道內的SOD、GSH-PX的活性,進而提高仔豬腸道的抗氧化能力。姜黃素還被證明是一種能夠清除活性氧(ROS)、同時誘導抗氧化劑的雙功能抗氧化劑,可防止脂質和蛋白質被氧化,激活SOD和GSH-PX活性,降低MDA含量[29-30]。Luo等[31]考察姜黃素對小鼠骨骼肌的影響,研究表明姜黃素能顯著提高Nrf2的活性,降低丙二醛(MDA)含量,以此緩解骨骼肌肉的氧化應激。Waseem等[32]對氧化損傷大鼠模型的研究發現,姜黃素能夠顯著提高大鼠線粒體內的SOD活性,降低MDA含量,大鼠的氧化損傷程度有所減輕。Perker等[33]研究表明,姜黃素借助自身分子結構的特點,可抑制過氧化氫、羥自由基和脂質過氧化,減少過氧化對成纖維細胞帶來的氧化損傷。另外,還有研究發現姜黃素能夠通過抑制氧化還原轉錄因子,來激活過氧化物酶體增殖激活受體γ(PPAR-γ)蛋白,或者降低過氧化物酶體增殖激活受體(PPAR)的活性,緩解機體氧化應激反應[34-35]。我國學者也對姜黃素抗氧化作用做了大量研究,結果表明姜黃素利用自身分子結構,與機體相關的信號轉導分子互相識別,通過調控相關信號通路,增強相關酶的活性,降低自由基含量或調控相關基因的表達,改善氧化應激,發揮抗氧化作用。

姜黃素有獨特的多酚分子結構,能夠進入細胞膜與細胞內自由基結合,生產穩定的酚類化合物,從而達到清除細胞內的活性氧、抑制細胞內自由基活性介導的過氧化損傷,同時提高細胞內的SOD、T-AOC、GSH-PX等活性,提高細胞的抗氧化能力。

2.3 姜黃素的護肝保肝作用

姜黃素護肝保肝作用主要是通過調節機體血脂代謝、調控相關脂質氧化信號通路,降低機體過量自由基,降低機體血清中總膽固醇(TC)、甘油三酯(TG)以及低密度脂蛋白中膽固醇(LDL-C),提高高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)。Yang等[36]通過檢測飼喂了含姜黃素日糧的小鼠血清發現,小鼠血清中的TG和TC含量顯著降低。姜黃素不僅能降低TG和TC,還能降低LDL-C和提高HDL-C,達到保肝護肝作用。Manzoni等[37]通過姜黃素對大鼠血脂的影響研究發現,姜黃可以顯著降低大鼠體內的TG,增加血清中HDL-C的含量,防止大鼠肝臟脂肪化。另外,姜黃素還能通過抑制ROS等自由基的水平,降低MDA含量,抑制脂質氧化。Lee等[38]研究表明,在構建人工誘導小鼠損傷模型時發現,姜黃素能夠通過抑制肝臟中的ROS表達水平,調節內質網應激改變其折疊狀態,恢復小鼠的肝臟功能。Reddy等[39]通過對鐵誘導大鼠肝受損試驗研究表明,通過飼喂了日糧中添加30 mg∕kg的姜黃10 d后,大鼠肝臟損傷顯著降低,其原因是姜黃素能夠降低大鼠的脂質氧化。姜黃素激活抗氧化酶Nrf2的活性,降低了促炎因子的相關基因表達,降低MDA和ROS含量,恢復肝臟抗氧化能力[40]。姜黃素還能夠降低機體血糖,通過調控肝臟活性酶通路,來提高脂肪的消耗,抑制肝臟脂質沉積形成脂肪肝。Niu等[41]研究表明,豬飼喂了添加姜黃素的日糧30 d后,降低了血清中血糖(Glu),并通過調節機體胰島素信號通路降低胰島素抵抗指數(HOMAIR),減輕肝臟脂質沉積。Kobori等[42]研究表明,姜黃素通過降低小鼠肝臟內兩種酶(甘油三磷酸酰基轉移酶1和甘油三酸酯酶)的表達量,來抑制二酰基甘油的表達,從而保護肝臟受損。Tranchida等[43]研究發現,姜黃素可以調控膽堿的代謝,提高脂肪的消耗,減少肝臟周圍的脂肪,達到預防脂肪肝的功效。Luo等[31]研究發現,姜黃素在調控信號通路上,抑制Kelch樣環丙烷相關蛋白Keap1,同時也激活了Nrf2的活性,降低機體因過量的自由基氧化帶給肝臟的損傷。Tokac等[44-45]通過姜黃素對大鼠肝臟TNF-α表達水平的影響表明,姜黃素能夠顯著降低大鼠肝臟TNF-α水平,減少膽汁淤積給大鼠肝臟帶來的損傷。機體肝臟受損表現在肝功能相關指標上,體現為血清中的生化指標,如谷丙轉氨酶(ALT)、堿性磷酸酶(ALP)、GLU、TG、HDL-C、LDL-C等等。這些指標的異常,主要是由于機體自由基過量,或者脂質代謝過剩,造成脂肪沉積,引起肝臟損傷。

姜黃素通過調控脂質氧化相關信號通路,激活類似Nrf2活性,抑制如ROS等自由基的表達水平,降低MDA的含量,抑制脂質代謝和氧化,達到保肝護肝的效果。

2.4 姜黃素的抗腫瘤作用

腫瘤是機體細胞在致瘤因子作用下,局部組織細胞失去控制無限增殖,形成新的呈占位性突起的組織,且不同于正常細胞的生物代謝。姜黃素能夠通過調控相關蛋白的表達,或者抑制蛋白、mRNA的表達,從而抑制腫瘤細胞的無限增殖,達到抗腫瘤作用。另外,姜黃素的分子作用靶點較多,20世紀末就開始了其抗腫瘤作用的研究[46]。He等[47]通過體外試驗研究發現,姜黃素能夠抑制NF-κB核因子、血管內皮生長因子(VEGF)、缺口受體1(Notch1)的轉錄和蛋白水平,從而抑制腫瘤細胞無限增殖,控制其生長。內皮舒張因子(NO)是腫瘤的啟動因子,同時還參加腫瘤轉化、促進等階段,能夠刺激VEGF表達影響腫瘤的發展。姜黃素能夠顯著抑制NO,同時還抑制多種腫瘤壞死因子,對治療腫瘤及其引起的相關疾病有顯著效果[48]。Li等[49]研究表明,姜黃素還能通過調控miRNA-130a和RNA-491表達,來抑制Wnt∕β-catenin信號通路,控制腫瘤細胞無限增殖。姜黃素能夠抑制多種腫瘤細胞增殖,如肺癌、肝癌、腸癌、乳腺癌、胰腺癌等,通過抑制腫瘤壞死因子活性,產生抗腫瘤作用。Zhou等[50]在研究姜黃素的抗肺癌作用時發現,姜黃素能夠通過機體自身細胞的自噬,抑制腫瘤細胞活性,促進肺癌細胞的凋亡,達到抗肺癌的效果。Chuang等[51]在大鼠肝腫瘤試驗中發現,姜黃素能夠顯著抑制肝臟致癌蛋白P53和P21的表達,并選擇性降低P34和細胞周期蛋白E的表達,但對細胞周期蛋白D無效。Li等[52]在裸鼠胰腺癌模型中研究發現,姜黃素能夠抑制VEGF、IL-8以及CD31等,抑制血管腫瘤的形成,顯著抑制胰腺腫瘤細胞的增殖,具有一定的抗胰腺腫瘤作用。Poma等[53]在研究姜黃素對乳腺癌作用時發現,姜黃素能夠調控雌激素和非雌激素受體信號通路,抑制ROS等相關酶的活性,降低VEGF的表達,減少乳腺腫瘤血管形成,誘導乳腺腫瘤細胞凋亡。

姜黃素抗腫瘤的作用機制為:1)抑制相關腫瘤壞死因子,降低腫瘤組織形成;2)調控腫瘤相關基因表達,促使腫瘤細胞凋亡;3)抑制腫瘤相關酶活性,或調控抗腫瘤相關酶的活性,顯著改善腫瘤治療效果。

3 姜黃素在豬生產中的應用

姜黃素在豬生產中的應用目的主要有:替抗、促生長和改善肉質。替抗發生在我國飼料全面禁抗生素后,姜黃素開始廣泛應用,發揮其抗菌消炎的功能;促生長主要是利用姜黃素抗應激、保護腸道黏膜的功能;改善肉質主要是利用姜黃素抗氧化、保肝護肝等功能。當然,還有其他方面的功能在豬生產中發揮作用,但其最終目的就是提高豬生產中的經濟效益。Xun等[54]在研究仔豬斷奶時發現,與喹烯酮相比,姜黃素能顯著提高斷奶仔豬腸道黏膜屏障完整性,顯著改善腸道菌群,提高仔豬免疫力,姜黃素完全能夠替代喹烯酮作為飼料添加劑。Fu等[55]研究表明,姜黃素通過與相關病毒特異性酶、RNA聚合酶、病毒外殼蛋白結合,抑制病毒復制,減輕對細胞的感染和損傷,緩解生豬的病毒感染癥狀。Ilsley等[56]研究發現,斷奶仔豬飼喂添加姜黃素日糧后,仔豬腹瀉率和死亡率下降,斷奶仔豬生長速度顯著提高,說明姜黃素能夠提高仔豬機體免疫力。Gan等[57]的研究表明,姜黃素通過調節TLR4的信號通路,抑制炎癥因子,保護仔豬腸道菌群,提高仔豬免疫力。Wei等[58]研究發現,在出欄前21 d飼喂姜黃素,出欄運輸時,能顯著降低血清皮質醇,下調cNOS的表達,抑制cNOS酶的活性,從而提高豬運輸的抗應激能力。姜黃素不僅能抗菌消炎,增強豬對細菌和病毒的抵抗力,還能夠緩解各種應激對豬造成的損傷。在改善豬肉質應用這方面,姜黃素能改善豬血液生理生化指標,降低豬飼養過程中肝臟等內臟器官的損傷,提高豬的健康狀態,降低豬應激產生的PSE肉和DFD肉等,改善豬肉的品質。Lu等[59]研究發現,豬飼喂了添加姜黃素的日糧后,通過甲基化修飾mRNA,緩解了LPS引起的仔豬肝臟損傷和內分泌代謝紊亂。豬機體內MDA含量如果過大,其脂質氧化就越厲害,其肉質就越差。Huang等[60]研究表明,姜黃素能夠通過抑制花生四烯酸的代謝,降低機體內不飽和脂肪酸的氧化分解。機體內的不飽和脂肪酸和豬肉品質有著較大的相關性,姜黃素能夠通過抑制機體內自由基的水平,緩解機體內不飽和脂肪酸的氧化分解程度,從而改善豬肉肉質。另外,豬肉中含有大量的脂肪,脂肪如果發生氧化,豬肉品質就會直線下降,豬肉肉色和風味改變,人體食用后健康將受到影響。姜黃素中還含有大量的微量元素,如鈣、鋅、硒等,這些都能改善豬肉的不飽和脂肪酸、嫩度、肌內脂肪等指標,從而改變豬肉的品質。我國有部分學者也開展了姜黃素在生產中應用的研究,大多聚焦在抗生素替代產品中的研究,對改善豬肉品質的研究較少,而且結論不一致,可能是和試驗目的、試驗豬的品種以及環境有關,或者和研究者的姜黃素來源有關。

4 展望

隨著社會經濟水平不斷的發展,人們對生活品質要求越來越高,因此,對肉品質要求不僅要安全,還要營養豐富、味道鮮美。據國家統計局《中華人民共和國2021年國民經濟和社會發展公報》數據顯示,2021年我國全年豬肉產量5 296萬t,較2020年增長28.8%。豬肉的安全和品質關乎我國民生,隨著我國全面飼料禁抗的實施,替抗產品顯得尤為重要,消費者對安全、天然、無害的產品要求越來越高。姜黃素是從植物中提取的純天然物質,而且已經作為飼料添加劑應用于動物生產,尤其是豬生產中。但目前國內大部分關于姜黃素的研究側重于對動物疾病治療方面,這可能與動物產生直接經濟效益相關,動物生產者更加注重抗菌抗炎產品,導致該方面的研究需求較多。姜黃素在禽類飼養方面的研究較多,國內主要關注姜黃素對肉雞品質的影響,但對于姜黃素的抗氧化作用,如促進仔豬生產、增強仔豬免疫力等機理研究還不深入,需要進一步加大探索。姜黃素抗氧化、營養物質改善畜禽肉品質方面的研究較少,尤其是豬肉方面更少,僅有少量研究者對姜黃素改變豬肉pH值、肉色和大理石紋進行過研究。隨著姜黃素的廣泛應用,姜黃素在動物生產中將發揮越來越重要的作用,尤其是豬生產中,不僅涉及改善動物機體健康,還會涉及動物飼養營養、代謝和生物利用等方面。