类胡萝卜素在饲料中的应用研究进展

陈银岳 ， 孙 叶 ，2， 赵国琦 *

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009；2.扬州循天岭生物科技有限公司，江苏扬州 225009）

类胡萝卜素是脂溶性的多烯烃类物质，一般由8个异戊二烯单位组成，呈现黄色、橙红色或者红色（李福枝等，2007）。根据其化学结构的不同，类胡萝卜素主要分为胡萝卜素（不含氧）和叶黄素（含氧）。与叶绿素等光合色素不同，类胡萝卜素在植物组织中分布广泛。目前已经发现且明确结构的类胡萝卜素有600多种，其中少数呈现游离态形式，大多数类胡萝卜素与糖相结合，但在动物体内常与蛋白质相结合，形成类胡萝卜素蛋白（张岩岩和陈玉超，2009）。

大多数类胡萝卜素可作为维生素A的前体物，但抗氧化作用优于维生素A（Cheryl等，1997），另外，类胡萝卜素的抗氧化能力是维生素E的数倍至数十倍，能有效地阻断细胞内的自由基反应，具有防治慢性病的功效 （徐泽枫等，2009）。除了抗氧化能力，在很多动物试验中已经证明类胡萝卜素具有抗癌功效（Krinsky，1993）。动物自身不能合成类胡萝卜素，需要通过摄食来获取，又因为类胡萝卜素是脂溶性的，脂肪会参与到类胡萝卜素的运输过程中（赵红霞等，2002），所以类胡萝卜素体内吸收机制较为复杂。将类胡萝卜素应用在动物饲料中，除了发挥其抗氧化抗癌的功效外，最直接的作用是着色功能（周凡和邵庆物，2007）。本文就类胡萝卜素在饲料中的应用研究作一综述。

1 类胡萝卜素的生产工艺

1.1 人工化学合成 人工合成的类胡萝卜素效价高，稳定性好，而且成本低廉。合成原理大致可以归纳为以下步骤：选择前体→按照目标类胡萝卜素的结构选择中间部分和末端基团→选择最佳的连接方式和连接反应类型→选择合成中间体末端基团→合成目标产物中间部分→合成目标类胡萝卜素末端基团（李福枝等，2007）。

人工合成的类胡萝卜素，其分子结构可以达到与天然类胡萝卜素无任何差别，而且物理性质和化学性质也与天然类胡萝卜素相同，但唯独在生理功能上，化工合成产品由于纯度上的差别而不及天然类胡萝卜素。天然产物中含有较多的同分异构体，在机体内呈现协同作用，从而表现出特定的生理功能（惠伯棣，2005）。

1.2 有机溶剂萃取 类胡萝卜素的脂溶性较强，易溶于有机溶剂，因此只要破坏植物或微生物的细胞结构，类胡萝卜素就可以释放出来溶于有机溶剂中，所以，在有机溶剂萃取的基础上发展了超声辅助提取、微波辅助提取以及酶处理提取。

超声辅助提取主要是利用超声波的机械作用和空化作用来破碎植物细胞，使有机溶剂得以与细胞内的脂溶性类胡萝卜素接触，从而达到提取类胡萝卜素的目的 （Dong等，2013；张志宁和张玮，2013）。微波辅助提取原理与超声相似，主要是利用微波引起植物细胞内部分子的剧烈振动，从而破坏细胞壁，使得胞内物质溶于有机溶剂，实现类胡萝卜素的提取，如柑橘皮、茶叶中叶黄素的提取（李健颖和邓宁，2004）。但是微波辅助提取只能使用较小功率处理较短时间，功率过大，微波处理时间过长会引起提取液温度升高而破坏类胡萝卜素。酶处理法提取类胡萝卜素是利用纤维素酶或果胶酶处理植物组织，使植物组织细胞壁出现孔隙，由此可以用有机溶剂提取得到类胡萝卜素，如酶法提取番茄红素的研究 （刘毅和袁月华，2013；李淑梅等，2008）。

1.3 超临界流体萃取 超临界流体是一种处于临界温度和临界压力以上的，性状介于气体和液体之间的特殊流体，并且兼有液体和气体的许多优点（陈耀彬等，2010）。许多物质都可以溶于超临界流体之中，因此超临界流体被广泛应用于天然物质的提取和分离。当前研究的超临界流体有很多种，主要包括二氧化碳、甲苯、水、甲醇、乙烷、乙烯丙酮、丙烷以及氨等，其中最常用的萃取剂为CO2，称为超临界 CO2（SC-CO2）（张荔等，2009）。使用超临界流体萃取法提取天然类胡萝卜素，温度和压力是两个需要慎重考虑的因素，其次是使用丙酮或乙醇等夹带剂，这些都有助于提高植物类胡萝卜素的提取效率（吴月婵等，2011）。

1.4 微生物发酵 利用微生物发酵工艺可生产多种类胡萝卜素，包括β-胡萝卜素、虾青素、番茄红素和玉米黄质、角黄质等，其中β-胡萝卜素的微生物发酵技术已经非常成熟（赵婷等，2010）。微生物发酵生产类胡萝卜素具有生物活性高、生产周期短等优点，因此引起了国内外研究人员的广泛关注。生产类胡萝卜素的微生物主要为霉菌类（三孢布拉氏霉）、酵母菌（红酵母）、光合细菌和杜氏藻等，这几类微生物发酵生产类胡萝卜素的产量顺序依次是：三孢布拉氏霉＞红酵母＞杜氏藻＞光合细菌，并且霉菌发酵生产类胡萝卜素的研究已经达到中试和产业化阶段（张闯等，2011）。

2 类胡萝卜素的生理功能

2.1 作为维生素A原 脂溶性的维生素A只存在于动物体内。比较维生素A和类胡萝卜素的分子结构不难发现，两个维生素A分子相连可以形成一个完整的类胡萝卜素分子，所以类胡萝卜素可以作为维生素A原在动物体内用于合成维生素A。Anthony（1985）发现了类胡萝卜素与维生素A的关系，指出，当机体缺乏β-胡萝卜素时维生素A也会缺乏，轻者引起夜盲，损害上皮组织细胞生长，皮肤会变得干燥、起痂并发生皱纹；重者角膜上皮脱落，变厚以及角质化，角膜透明度降低，并发生溃疡，最后晶体脱落导致失明。维生素A对维持正常视觉、上皮细胞完整、动物繁殖、基因调节以及免疫功能都有重要作用 （何生虎等，2005），因此，β-胡萝卜素作为机体内维生素A原，对机体健康同样是必不可少的。

2.2 抗癌功能 Zhang等（2011）研究指出，β-胡萝卜素、虾青素、辣椒红素以及胭脂素在过氧化酶增殖因子活化受体（PPARγ）抑制白血病K562细胞增殖和生长的过程中起到了一定的作用，可以诱导细胞凋亡，干扰细胞周期，并表现出剂量和时间上的相关性。虾、蟹的外骨骼中含有虾青素，Rezakhani等（2014）用70%乙醇水溶液提取蟹壳粉，将提取液用于乳腺癌细胞（MCF7）的培养，结果表明，蟹壳提取物能增加细胞凋亡率，减少NO的产生以抑制乳腺癌细胞的增殖。任丹丹等（2011）用石油醚∶丙酮（1∶1）溶液提取了菹草类胡萝卜素并灌胃肝癌肿瘤种植小鼠，低、中、高三个浓度的试验组抑瘤率分别达到了37.4%、50.7%和52.3%，表明菹草类胡萝卜素对肝癌H22瘤细胞有较强的杀伤作用。

2.3 抗氧化功能 Alessandra等（2014）用无水乙醇提取番石榴果实的果皮和果肉，通过检测发现，提取液中除了酚类物质还有全反式叶黄素、全反式环氧玉米黄质以及全反式β-胡萝卜素等类胡萝卜素成分，提取物能有效清除活性氧（ROS）和活性氮（RNS），并且果肉提取物的活性氧（ROS）和活性氮 （RNS）的清除能力高于果皮提取物。Juliana等（2014）报道了叶黄素与机体中抗氧化基因表达的关系，通过叶黄素灌胃小鼠试验，采集小鼠肝脏样本，检测了其中与抗氧化、活性氧代谢相关基因以及氧转运蛋白的表达情况。试验结果表明，叶黄素具有清除活性物质，诱导相关基因表达出更好的抗氧化活性的能力，而且能显著改善机体的氧气运输情况。孙志英等（2007）用不同剂量β-胡萝卜素灌胃小鼠后检测了小鼠血清和肝脏中超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）和过氧化氢酶（CAT）的含量，结果发现，中等剂量组三种酶的含量最高，高剂量组反而较低，这说明β-胡萝卜素并不是服用越多越好，高剂量的β-胡萝卜素反而会损害机体的抗氧化作用。

2.4 提高免疫功能 试验证明，β-胡萝卜素可以通过提高免疫抑制小鼠的免疫器官指数、免疫细胞因子和免疫球蛋白含量来增强小鼠免疫功能，并且通过脾脏组织形态学变化分析表明，β-胡萝卜素可以明显防止免疫抑制剂引起的脾脏缩小、结构杂乱、白髓减少、红髓增多、淋巴细胞减少、细胞染色质固缩等病态情况，提高了机体免疫功能（马思慧等，2014）。

3 类胡萝卜素在动物生产中的应用

3.1 在水产动物上的应用 类胡萝卜素在水产动物中广泛分布，主要储藏在鱼类的皮肤、肌肉以及鱼鳍等部位（周凡邵庆均，2007）。给水产动物饲料中添加类胡萝卜素，可起到维持机体健康，提高经济效益的作用。在大黄鱼饲料中添加不同剂量的虾青素和叶黄素，大黄鱼生长效率和饲料效率并没有显著变化，但随着试验周期的延续，鱼体的颜色发生了显著变化，饲喂叶黄素的大黄鱼体背部和腹部的黄色比饲喂虾青素的更深 （Yi等，2014）。

Kazim等（2014）研究了番茄红素对高密度养殖虹鳟鱼的影响，结果表明，在高密度饲养条件下，饲喂添加番茄红素的日粮可以提高虹鳟鱼的体增重并且降低料重比，另外，番茄红素可以显著提高虹鳟鱼肝脏中SOD、GSH-Px和CAT等抗氧化酶的活性，还可以提高肉品质。Minh等（2014）以含不同来源和含量的类胡萝卜素日粮饲喂比目鱼，8周后发现体增重和日采食量与对照组相比无差异；试验组鱼体的背肌、表皮以及全身的总类胡萝卜素含量高于对照组；鱼体表的明亮度（L*）和泛黄度（b*）与日粮类胡萝卜素来源和含量无相关性，但试验组鱼体表泛红度（a*）显著高于对照组。Sannasi等（2014）通过给鲤鱼饲喂含有类胡萝卜素的日粮研究了日粮类胡萝卜素对鲤鱼免疫和抗病菌作用的影响，结果发现，饲喂含有类胡萝卜素的日粮 （50、100 mg/kg）可以使死亡率控制在10%，并且能在较短时间内显著提高机体内溶菌酶的活性，有利于杀灭病原菌，提高免疫力。Sowmya和Sachindra（2014）利用虾壳分离出的虾青素和虾青素酯饲喂鲤鱼。结果表明，饲喂添加了虾青素和虾青素酯的日粮后，鲤鱼组织中总抗氧化值（TAS）、CAT和SOD活性比对照组高，并且可以有效保护组织免受氨的损伤，防止组织中脂质的过氧化反应。王吉桥等（2013）在用添加β-胡萝卜素和虾青素的饲料饲喂刺参的试验中发现，β-胡萝卜素和虾青素都表现出较好的总抗氧化能力，并且虾青素的抗氧化能力高于β-胡萝卜素。

综上所述，类胡萝卜素作为水产饲料添加剂，虽然不能很好地提高水产动物的生长效率和饲料效率，但其所具有的色素沉淀、抗氧化以及抗病害的作用却对水产养殖业具有重要意义。

3.2 在禽类上的应用 类胡萝卜素在家禽生产中最主要的用途是作为色素沉积在动物体内，这可以在很大程度上提高家禽产品的色泽，提高禽类产品的价值。作为色素沉积的同时，类胡萝卜素的抗氧化和提高免疫作用也发挥着功效。马少君（2012）将提取的橘皮类胡萝卜素添加到蛋鸭饲料中，研究橘皮类胡萝卜素提取物对蛋鸭产蛋情况以及鸭肝脏中抗氧化酶活性的影响，结果显示，类胡萝卜素并不能显著改变蛋鸭的产蛋率、蛋重和蛋黄质量，但可以显著改善蛋黄的色泽，包括红色度和黄色度，罗氏比色扇值（RCF）值也得到了提高。另外，类胡萝卜素提高了蛋鸭肝脏中SOD和CAT的活性，还可降低丙二醛的含量，保护肝脏。曾东慧（2013）给蛋鸡饲料中添加了甜橙和温州蜜柑果皮类胡萝卜素提取物，结果发现，两种类胡萝卜素都能显著提高鸡蛋蛋黄的RCF值，并且增大红色度值，减小明亮度值，还可以提高类胡萝卜素在蛋黄中的沉积水平。

李庆德（2009）通过研究发现，给种母鸡饲料中添加类胡萝卜素可以显著提高蛋黄中总类胡萝卜素的含量，用罗氏比色扇检测试验组蛋黄颜色，数值显著高于对照组，颜色更为鲜亮。又对雏鸡的抗氧化情况进行考察，发现母鸡日粮中添加类胡萝卜素，特别是番茄红素和叶黄素，可以防止雏鸡肝脏中脂质的过氧化。Skˇrivan和Englmaierová（2014）研究了放牧和圈养方式对母鸡所下鸡蛋中类胡萝卜素沉积的影响，放牧组摄入的牧草含有较多的叶黄素、玉米黄质、β-胡萝卜素、α-生育酚以及视黄醇等，对照组摄入的小麦中类胡萝卜素含量较少。结果显示，在蛋产量、蛋重以及母鸡的体增重方面，放牧组和圈养组无显著差异；放牧组鸡蛋的蛋黄比例显著高于对照组，在蛋黄颜色方面，放牧组蛋黄的明亮度和红色度显著高于对照组，而黄色度无差异；在类胡萝卜素沉积方面，放牧组蛋黄的多种类胡萝卜素沉积量均显著高于对照组。Gao等（2013）探讨了叶黄素对母鸡抗氧化性能和脂质过氧化的影响，结果表明，饲喂叶黄素的母鸡在第三、四周时血清SOD水平显著高于对照组，血清和肝脏的总抗氧化能力显著高于对照组；饲喂叶黄素含量为40 mg/kg的饲料的母鸡在第三周血清和空肠黏膜丙二醛含量显著高于对照组，但肝脏丙二醛含量无显著差异。

综上所述，类胡萝卜素应用于禽类饲料中，可以提高禽类机体的抗氧化性能，维持了禽类健康；改善禽蛋蛋黄的色泽，提高了产品品质，有利于提高经济效益。

3.3 在其他动物上的应用 类胡萝卜素除了在水产和禽类饲料中应用外，在其他大型哺乳动物上也有较多应用。Condron等（2014）给肉牛饲喂添加合成β-胡萝卜素的饲粮以考察类胡萝卜素对其血清维生素A、生长性能以及屠宰性能的影响，结果发现，按照NRC标准添加β-胡萝卜素（SβC1x）不会改变动物血液中类胡萝卜素和维生素A的含量；提高类胡萝卜素的饲喂量可以显著提高血浆棕榈酸视黄酯和所有同分异构类胡萝卜素的含量，但不会影响动物的体增重和采食量；SβC1x组背最长肌的明亮度、红色度以及黄色度与对照组无差异，但增加类胡萝卜素含量后，三个值反而都有所下降。屠宰后，SβC1x组肌肉的大理石花纹和脂肪厚度与对照组相比也无显著差异。给犊牛牛奶中添加部分含有β-胡萝卜素、角黄素等类胡萝卜素的红酵母菌后，血液、肝脏、肾脏等几乎所有的组织器官中β-胡萝卜素的含量都显著高于对照组（Chikako等，2014）。 de Oliveira 等（2012）给羔羊更换了高水平类胡萝卜素日粮后发现，更换日粮15 d后，羔羊皮下脂肪的反射吸收光谱特性和黄色度都发生了变化，并且黄色度随着类胡萝卜素的摄入量的增加呈线性增长；肾脏周围脂肪的反射光谱特性也在15 d时发生了明显改变。Álvarez等（2014）给伊比利亚猪饲喂类胡萝卜素含量不同的饲料 （高含量组和低含量组），探讨不同含量类胡萝卜素日粮对伊比利亚猪的维生素A水平和颜色参数的影响，结果显示，两组的血浆和脂肪中维生素A的含量相同，高含量组脂肪的红色度和黄色度参数高于低含量组，但明亮度显著低于低含量组。

综上所述，饲料中类胡萝卜素可以很好地改变哺乳动物脂肪色泽，各脏器中类胡萝卜素沉积量也有所增加。

4 小结

类胡萝卜素在饲料中的应用正在由向饲料中添加类胡萝卜素制剂转变为寻找天然高含量类胡萝卜素的饲料来饲喂动物，如苜蓿草、野菊花等，这样可以避免工业合成类胡萝卜素所带来的化学残留，危害牲畜健康。类胡萝卜素在机体内吸收和代谢的机制还在进一步研究之中，相信在不久的将来，类胡萝卜素能更好地应用于畜牧生产中。

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