植物提取物饲料添加剂的活性成分和功能

■丁宏标 陶正国 崔海滨 曾胡龙 陈小兵

(中国农业科学院饲料研究所，北京100081)

饲料营养是动物生命现象与生命活动的能量和物质来源。除了营养需要标准列出的能量、蛋白、氨基酸、维生素、钙、磷、微量元素等主要营养素以外，动物还需要额外的其他营养素，包括构成肉蛋奶鱼色香味的风味物质化学成分、生物活性营养物质、功能性营养素等。这些营养素对动物的生命功能、活力和产品品质十分重要，不可缺少。植物提取物饲料添加剂可以提供这些相关的营养素物质。

1 肉蛋奶鱼与色泽相关的营养素

类胡萝卜素是天然色素，赋予水果和蔬菜明亮的外观。在其π电子构型系统中，类胡萝卜素因分子内化学键的排列不同表现为黄色、橙色和红色。类胡萝卜素通过与叶绿素的作用参与光合作用，并作为自由基清除剂保护植物细胞。类胡萝卜素主要在蓝藻、光合细菌、藻类、真菌、酵母和植物中合成。动物通过吃这些含色素生物来获取类胡萝卜素。目前已知的七百多种类胡萝卜素中的大部分存在于高等植物的叶、花和果实中。460种常见于人类饮食中，20种常见于血液和组织中。其中只有α-类胡萝卜素和β-类胡萝卜素、β-隐黄素、叶黄素、番茄红素和玉米黄质可检测到大量存在。

类胡萝卜素是重要的天然色素着色剂，按其结构分为两种，由C 和H 组成的为胡萝卜素类，由C、H 和O 组成的为叶黄素类。天然色素不仅是实现均衡营养所必需的物质，同时还有助于人们预防疾病、延年益寿，提升身体素质和生活质量。

1.1 β-胡萝卜素

β-胡萝卜素是橘黄色脂溶性化合物，是自然界中最普遍存在也是最稳定的天然色素。β-胡萝卜素由4 个异戊二烯双键首尾相连而成，属四萜类化合物，在分子的两端各有1 个β-紫萝酮环，中心断裂可产生2 个维生素A 分子，有多个双键且双键之间共轭。胡萝卜素与维生素A 的吸收机理不同。维生素A 为主动吸收，ABC 转运蛋白协助跨膜转运，吸收速率比胡萝卜素快7～30倍。胡萝卜素的吸收为物理扩散性，吸收量与摄入量多少相关。游离脂肪酸可促进胡萝卜素的吸收。

β-胡萝卜素是维生素A前体，除了具备维生素A的作用外，还能消除动物体内有毒的氧自由基，提高动物自身免疫力，促进动物生长，提高生产性能，特别对改善畜禽的繁殖性能有明显的效果。氧化应激是导致精子损伤的重要原因。在精子损伤患畜中，DNA片段化程度较高，同时血清中β-胡萝卜素和维生素A含量显著降低。β-胡萝卜素可以消除玉米赤霉烯酮ZAE对雄性小鼠的伤害，有抗氧化和抗炎作用。β-胡萝卜素通过抑制雄激素受体活性并激活亲电反应/抗氧化反应元件（electrophile-responsive/antioxidant-responsive elements，EpRE/ARE）系统途径，诱导级联反应第二阶段酶的表达。

1.2 叶黄素和番茄红素

叶黄素(lutein)是自然界广泛存在的含紫萝酮环的二羟基类胡萝卜素,也是人和动物眼视网膜黄斑色素主要组成部分。叶黄素、玉米黄质和中玉米黄质增强视觉功能，对提高视觉的对比敏感度特别有效。并具有效预防及辅助治疗老年性黄斑退化病和白内障等眼疾,可以作为重要的营养补充剂。

叶黄素（L）、玉米黄质（Z）和中玉米黄质（MZ）采食后选择性地沉积在视网膜的中央凹区，构成黄斑色素（MP），位于富含脂质的感光器外层与视网膜前层之间，易受辐射能氧化。MP 以其颜色吸收400～520 nm 的高能量短波长（蓝色）光，以两种重要方式保护中央视网膜：①L、Z 和MZ 有效地淬灭不稳定氧物质；②MP作为有效的光滤器，保护中央凹区不受损害性的短波长光。叶黄素和玉米黄质提高视觉系统的神经效率，提高视觉处理速度、暗适应速度并增强对比敏感度，改善视力。

叶黄素是性能优良的抗氧化剂，保护眼睛免受光损伤和各种视网膜病变，具有优良的消除自由基、预防白内障、动脉硬化、增强免疫力、阻断脂肪氧化、改善色香味、提高畜产品品质等功效，并可预防癌变发生、延缓癌症发展等发挥重要作用。因此是一种优良的天然健康营养多功能的食品和饲料添加剂。

常用饲料原料中天然叶黄素含量较少，且变异很大。直接从果蔬中提取，成本十分昂贵，因此国内外一般用叶黄素含量较高的万寿菊花(又名金盏草或金盏花)中提取精制生产叶黄素。万寿菊花中含有丰富的叶黄素，其主要包括两部分：黄体素（含量90%以上）和玉米黄质（含量10%以下），它们均是类胡萝卜素系的脂肪系叶黄素，分子式为C40H56O2。添加天然色素可以改良家禽产品的品相。

万寿菊花早期主要种植国是美国和墨西哥。我国自20 世纪90 年代在山东、四川开始种植，后来扩大到在山东、四川、新疆、甘肃、山西、黑龙江、云南、吉林等省种植。现在我国在万寿菊花的种植、加工的产业已经成为世界第一大国，以万寿菊花为原料提取的叶黄素树脂达到6 000 t/年，占全球年总产量的2/3。

番茄红素存在于红色水果和蔬菜中特别是番茄中，番茄可提供食物中番茄红素总量的80%～90%。番茄红素也可以由海生盐古菌（属于盐古菌科）生产。蔬菜的品种和成熟度不同其番茄红素含量水平存在较大差异，成熟阶段的环境温度也会改变番茄中的番茄红素含量。与其他季节相比，夏季收获的蔬菜番茄红素含量减少31%，原因是番茄生长的最佳温度为16～26°C，环境温度超过35°C 时番茄中的番茄红素转化为β-胡萝卜素。土壤质量也有重大影响，使用有效微生物的土壤调节剂可使番茄红素含量提高36%。

红番茄果实中自然产生的番茄红素总含量的94%～96%以稳定的反式分子存在，吸收较差。热处理可以诱导其分子异构化为顺式结构，特别是5-顺式，这增加其生物利用度。高温也导致细胞基质降解，释放番茄红素为脂溶性成分。热加工可在不降低抗氧化能力的情况下提高溶解性和吸收能力。加工过的番茄，如番茄酱、汤、果汁和番茄酱，含有最高含量的番茄红素。一项分析前列腺切除术患者（n=33）血液番茄红素含量的研究表明，食用番茄汤、调味汁或果汁可使血浆番茄红素浓度分别增加66%（0.68～1.13 μmol/l）、71%（0.48～0.82 μmol/l）和59%（0.49～0.78 μmol/l）。在含钙产品存在的情况下，不应服用番茄红素，含钙产品可降低其生物利用度84%，可能是由于钙在消化过程中改变包裹番茄红素的胶束的电荷。富含金纳米粒子的纳米乳液可提高番茄红素的体外生物利用度。使用低聚（-）-表没食子酸儿茶素-3-O-没食子酸纳米粒，能防止番茄红素降解。在使用纳米结构脂质作为载体的情况下，增加番茄红素口服吸收的效率。体外肠道通透性研究证实，其通透性增加了4倍。

番茄红素混合物含有40%～50%的顺式（主要是5-顺式、9-顺式、13-顺式和15-顺式），占总血中类胡萝卜素的21%～43%，因此是人血浆中最主要的类胡萝卜素。由于其亲脂性性质，番茄红素和其他类胡萝卜素存在于血清的低密度和极低密度脂蛋白组分中。在美国，番茄红素的日摄入量为3.7～16.2 mg/d。欧洲人口中番茄红素摄入量最高地区为地中海饮食的希腊（163.6 g/d）和西班牙南部（97.6 g/d），欧洲消费量最小的是荷兰（15.7 g/d）、法国（22.0 g/d）和瑞典（31.9 g/d），使这些国家的居民需要补充番茄红素。

有研究分析了细胞内抗氧化剂、细胞毒性、活性氧和抗坏血酸亚铁的变化，证实了番茄红素通过其抗氧化特性影响牛精子生成。番茄红素能增加精子运动参数、线粒体活性和抗氧化特性，有效浓度范围为1 mM和2 mM。番茄红素可通过增加精子数量、活力和睾酮水平来预防ZAE引起的损害。对44名患者的研究表明，在12周内每天补充30 mg番茄红素可增加精子的运动能力，而维生素C、维生素E和谷胱甘肽不影响精液参数。通过改变mek和nfkb信号通路，番茄红素促进骨代谢的合成代谢，抑制破骨细胞生成，刺激成骨细胞生成。

2 与香味和风味相关的营养素

生肉的香味很淡，主要在蒸煮炒煎和焙烤时产生浓郁肉香味。当加热至140～165°C时，肉内氨基酸和还原糖发生美拉德反应，产生褐变和肉香味，目前有几百种肉香味成分被鉴定出来，主要包括内酯化合物、吡嗪化合物、呋喃化合物和硫化物，氨基酸的种类决定了产生的肉香味。美拉德反应赋予每种肉类非常独特的香味化合物，而脂肪组织赋予肉制品特有风味。

青草和饲料的花草香气会保留一些在肉中。青绿饲料具有营养丰富、适口性好、营养均衡等优点，含有丰富的维生素、胡萝卜素、氨基酸、矿物元素等。青绿饲料种类丰富、来源广，合理饲喂能起到良好的饲养效果。开花的紫花苜蓿、三叶草、牧草、蔬菜和经济作物的副产品萝卜叶、白菜叶、甜菜叶、西蓝花茎叶、南瓜藤、红薯藤等，让放牧牛羊肉带着天然花香，吸引蜜蜂到鲜牛肉上采蜜。深红色的牛肉富含血色素，细嫩可口。

3 生物活性营养素

药用植物及中药材副产物中含有的生物碱、有机酸、挥发性芳香油类（精油）等多种化学活性物质，具有生理和药理活性。用作饲料添加剂的品种有辣素、牛至油、香芹酚、百里香酚、肉桂醛、植物精油、丝兰提取物、大豆异黄酮、杜仲叶提取物等，具有诱食、抑菌、消除消化道炎症、防止腹泻、替代抗生素、促进生长的功效。

辣椒的活性成分辣素具有促进食欲、产生愉悦感、增强胃动力、刺激消化酶分泌、修复改善胃肠黏膜、抑菌、增强抗压能力和抗应激能力的功效，是一种新型高效饲料添加剂。

新鲜饲料原料中含有的易于利用的营养素，价值很高。如高能化合物ATP、GTP等，简单还原糖、储存糖原、氨基酸、小肽、维生素、卟啉、辅酶、植物来源的酶类、代谢中产物等易于吸收，直接进入动物的合成代谢，对动物的生命活力和生长发育有良好作用，营养价值高。天然植物提取物通过作用于肠壁内分泌细胞，改变SGLT1 和GLUT2 调控的肠壁细胞营养和血流量供应，调节葡萄糖吸收。现代畜牧业的发展发现，规模化种植豆科牧草制备青干草，粮改饲种植饲用玉米和饲用大麦制备青贮整株玉米、青贮大麦，青贮腊穗期全株大麦纤维细口感好，供应牛羊生猪母猪作为粗饲料，可以改善动物生产性能和产品质量。

丝兰提取物饲料添加剂含有三个主要的有效成份：皂苷、多糖和多酚。皂苷具有表面活性剂的特性，多糖具有结合氨气等有害气体的能力，多酚具有抗炎症和抗氧化的作用。

皂苷具有表面活性，降低表面张力，刺激细胞免疫反应，促进抗体生成。多糖成分与氨气有非常强的亲和力，可以结合抑制氨的有害作用，并将其转化为无害的氮化物为机体利用。维持肠道的酸碱平衡，有利于肠道菌群的稳定和消化酶发挥作用。

多酚的抗氧化作用主要表现在：直接清除活性氧自由基，抑制脂质过氧化反应，整合金属离子，激活细胞内抗氧化防御系统。多酚能抵消自由基，保护身体细胞和组织免受损害。多酚还可以延长机体内其它抗氧化剂（如维生素E、维生素C）的作用时间。多酚可以抑制炎症因子（iNOS）的表达，抑制血小板的凝集，降低炎症反应。

4 基因营养

2011年，“自然”杂志在线推荐介绍了南京大学张晨宇教授团队的论文。他们的研究展示了一项令人惊讶的发现——植物的微小核糖核酸（microRNA）可以通过日常食物摄取的方式进入人体血液和组织器官。并且，一旦进入体内，它们将通过调控人体内靶基因表达的方式影响人体的生理功能，进而发挥生物学作用，这揭示了非编码小RNA 可以跨物种、跨代际稳定存在，并在不同物种间、代际间跨界调控基因表达。

这一发现已经被多次重复验证，证实存在跨界调控，食物中的microRNA能被哺乳动物的肠道吸收，表明人类及动物还存在microRNA 营养。食物来源的microRNA 影响人和动物的营养健康，中药及植物提取物的功效因子与其含有的microRNA相关。目前张晨宇的自然论文已经有2 万余次引用且大部分引用是正面的。孟山都公司已经投入1.2亿美元来研究这些microRNA对人体的影响。

miRNAs 是生物体内自然存在的一类长度约为22 nt 的小分子非编码RNA，能够通过与靶基因mRNA 3'UTR 不完全互补配对，降解靶基因mRNA或抑制其翻译，在转录后水平调控基因的表达，进而广泛参与调控机体生长、发育、疾病等生物学过程。骨骼肌约占人畜体重的40%～60%，是动物体正常生长发育必不可少的组成部分。miRNAs 通过靶向骨骼肌发育、再生与疾病过程的关键因子，调控骨骼肌的生长发育和健康。在医学领域miRNAs已成为肌肉相关疾病的检测标志物和靶向诊疗药物。在畜禽miRNAs 与肌肉发育及肉品质相关。miRNAs 参与调控猪胚胎期肌细胞发育、胚后期肌肉生长和肌肉质形状形成，促进猪前体脂肪细胞分化，减少脂质沉积，调控猪的免疫应答及抗病力。

植物提取物抗氧化剂通过调节胞嘧啶C5 位的DNA 甲基化来影响基因表达。当位于一个基因的启动子区域的CpG 岛甲基化时，该基因的表达减少。血液中植物抗氧化剂含量与CpG 岛甲基化呈负相关。2～3 μM 的抗氧化剂可改变DNA 甲基化，从而改变乳腺癌和非癌细胞系的基因表达。植物抗氧化剂可以降低DNA 损伤中的最常见的8-oxo-dg 氧化损伤，并显著降低尿中8-羟基-2’-脱氧鸟苷（8-oxo-dg）。对铁诱导的氧化应激损伤大鼠的研究表明，用番茄红素处理的动物与对照组相比，其DNA 中的8-oxo-dg 水平降低了70%。番茄红素也可以通过调节mRNA 水平发挥表观遗传作用。用番茄红素治疗PC3 前列腺癌细胞可降低Akt2 的表达，增加mir-let-7f-1 的表达。表明mir-let-7f-1参与番茄红素的抗癌作用，并通过下调Akt2 在抑制前列腺癌发展中发挥重要作用。最近的一项调查研究表明番茄红素降低全因死亡率18%，癌症死亡率54%。

对其基因作用机理的分析发现，个体的基因分型表明，群体中含有16 个基因中28 个单核苷酸多态性的组合特征的个体对类胡萝卜素的反应更好。荟萃分析显示，编码胆固醇膜转运体的清除剂受体b1（scarb1）基因，狭缝同源3 基因（slip3），和编码氧化还原酶的dhrs2 基因，与血清番茄红素的浓度相关。血清番茄红素还与4 号染色体上位于编码p53 结合蛋白setd7基因的内含子区的变异体RS7680948有关联。

番茄红素通过改变编码参与机体代谢平衡的酶的基因表达来影响肥胖。脂联素的mRNA 水平升高，脂联素在脂类和碳水化合物代谢中起着重要作用。变化也影响了参与脂肪细胞分化调节的转录因子foxo1 和sirtuin 1，sirtuin 1 是一种尼古丁腺嘌呤二核苷酸依赖性脱乙酰基酶，在热量限制、预防衰老相关疾病和维持代谢平衡中发挥作用。番茄红素可降低肉鸡血浆甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇浓度，通过掺入低密度脂蛋白而延迟铜相关的低密度脂蛋白C 氧化。大鼠试验表明番茄红素剂量依赖性地降低肝脏组织中甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇，同时增加高密度脂蛋白胆固醇（HDL-Cholesterol）水平。番茄红素显著降低血清丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天门冬氨酸氨基转移酶（AST）水平，降低谷胱甘肽抗氧化酶、和超氧化物歧化酶的水平。降低血浆胆固醇浓度、低密度脂蛋白胆固醇水平、及肝酶（ALT、AST 和碱性磷酸酶）活性水平。番茄红素通过抑制高脂饮食小鼠体内的STAT3/SREBP-1C 介导的脂质积累，表现为高密度脂蛋白增加，胰岛素敏感性提高。

5 应用现状及前景

国内开发植物提取物饲料添加剂有一定困难，主要是生产和应用成本较高。晨光生物是主要研制和生产天然色素、天然精油、天然营养及药用提取物、油脂和蛋白等的生产企业，部分产品用作饲料添加剂。广州立达尔是饲用色素的主要生产商，主要生产天然叶黄素、玉米黄质、辣椒碱、虾青素等。天然牛至油添加剂为荷兰罗帕法姆公司的诺必达，还有十多家生产商多数为化工合成。

Vieira 等提出了一种基于吐温20 水溶液的高效单步工艺，从褐藻物种马尾藻中提取回收类胡萝卜素，并进行了工艺优化，使提取率达到(2.78±0.4)mg类胡萝卜素每克干物质，较传统方法提取效率提高了38%。

2011 年，我国植提物出口额为11.3 亿美元，包括中药提取物。近年中国植物提取物出口前景较好，据预计2018 年中国植物提取物行业市场规模达249 亿元，到2022 年可望突破341 亿元，但是其中植物提取物饲料添加剂的产销规模不大。

植物来源的这些色香味营养素，化学结构复杂，很多在动物体内不能够合成，或者合成量小，主要依靠从饲料中摄取。新鲜的青绿饲料，是这些营养素最好的来源。但是现代集约化养殖工艺，不饲喂青绿饲料，养殖动物主要饲喂玉米豆粕为主的全价配合日粮，但是不能够充分提供这些微量营养素，因此畜产品色香味减弱，食品营养价值降低。粮改饲增加饲草供应，有望改善这一情况，增加优质产品供给。