槲皮素的营养生理功能及其饲用化前景

夏莹莹 邹田德 李 硕 游金明

(江西农业大学，江西省动物营养重点实验室，江西省优质安全畜禽生产产教融合重点创新中心，南昌 330045)

饲用抗生素对动物生长和养殖效率的改善作用明显，但长期使用抗生素导致的畜产品质量安全和环境污染问题已成为制约畜牧业和饲料工业可持续发展的关键因素。近年来，黄酮类化合物因其广泛的生物学活性和药理学作用成为了动物营养研究者们的重点关注的对象。黄酮类化合物包括黄酮、黄酮醇及各种其他化合物，而黄酮类化合物又是多酚的一个主要类别[1]。在植物和大多数植物性食品中，黄酮类化合物大多以糖苷或者苷元的形式存在。其中，槲皮素(quercetin)作为自然界中常见的黄酮醇，广泛存在于各种蔬果、谷物以及一些中草药中[2]，且主要以苷元的形式存在于植物中。小肠、肾脏、大肠和肝脏等器官均参与槲皮素的新陈代谢，另外，在血浆中也发现了游离的槲皮素。目前，槲皮素作为营养补充剂和食物添加剂，在治疗各种疾病方面已经发挥了重要作用。本文将综述槲皮素的结构、理化性质和生理功能及其在养殖生产中的初步应用，旨在为其饲用化研究提供科学依据。

1 槲皮素及其理化性质

槲皮素又称栎精，属于多酚黄酮醇类化合物，化学名为3,3’,4’,5,7-五羟基黄酮，槲皮素的化学结构如图1所示。其结构特征为：A、B环为芳香族结构，而C环则为杂环结构，由于C环结构的多样性，可以形成黄酮类化合物多种亚类，如黄酮、异黄酮、黄烷酮、黄酮醇和花青素等[3]。槲皮素广泛分布于植物中，且大部分以糖苷衍生物的形式存在。尽管槲皮素中存在4个酚羟基，但槲皮素平面型的分子结构导致其溶解性差，在溶剂中不易被分散，几乎不溶于水，化学降解性差，特别是在碱性环境中，从而导致槲皮素在动物体内较低的生物利用度[4]。近年来，许多研究发现，对槲皮素进行合理的结构修饰，可以改善其溶解性，得到生物利用度较高的化合物，或者运用聚合物纳米颗粒技术将药物运输到靶向位点以充分发挥其生物学活性[5-6]。

图1 槲皮素的化学结构

2 槲皮素的营养生理功能

2.1 抗氧化功能

黄酮类化合物作为一类植物多酚，广泛存在于多种天然植物的根、茎、叶中，其最显著的生物学功能是抗氧化。槲皮素是人类和动物摄入最多的黄酮类化合物之一。槲皮素中A、C环形成的氢键与B环相互作用，形成共轭体系，使得B环与A、C环几乎共平面，因此槲皮素相比于其他游离的黄酮类化合物具有更强的抗氧化能力[7]。槲皮素是一种强抗氧化剂，能有效螯合过渡金属离子以及清除自由基[8]。活性氧(ROS)是机体发生氧化应激时的主要信号分子，在病理情况下，ROS的过量积累会导致细胞毒性引发凋亡，而谷胱甘肽(GSH)具有整合解毒功能，能有效清除过量的ROS，是机体最重要的抗氧化剂之一。槲皮素通过调控GSH水平提高机体的抗氧化能力。体内一旦产生ROS，超氧化物歧化酶(SOD)会迅速捕获氧气并将其转化为过氧化氢(H2O2)，SOD进一步催化H2O2分解为无毒的水(H2O)，GSH作为氢供体参与其中。谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)特异性地催化GSH和H2O2反应，生成氧化谷胱甘肽二硫化物(GSSG)和H2O，从而减少过氧化物的生成，维持机体的正常功能。经多项动物和细胞试验研究发现，槲皮素会参与诱导机体合成GSH[9-10]。通过对代谢综合征(MS)大鼠饲喂添加白藜芦醇和槲皮素的混合饲粮，探究白藜芦醇和槲皮素对MS大鼠模型氧化应激的影响，发现白藜芦醇和槲皮素混合液促进了抗氧化酶(过氧化氢酶、SOD等)的表达以及增强了GSH循环，可以改善MS大鼠脂肪肝中存在的氧化应激作用[11]。乙酰胆碱酯酶(AChE)与槲皮素的抗氧化活性相关，槲皮素苯环上的羟基(-OH)基团能与酶活性部位的重要氨基酸残基相结合，从而发挥抗氧化作用[12]。以锰处理的大鼠为研究对象发现，槲皮素通过减轻锰诱导的抗氧化酶活性下降、AChE活性增强、H2O2生成和脂质过氧化水平升高，有效预防锰中毒[13]。槲皮素参与调节体内多种信号转导途径，通过激活、抑制、上调或下调多种信号分子，改善机体的抗氧化状态，从而修复脊髓损伤、动脉粥样硬化等疾病。比如在治疗大鼠慢性前列腺炎模型中，槲皮素能够显著降低促炎细胞因子[白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-2(IL-2)、白细胞介素-6(IL-6)等]的表达，抑制丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB(NF-κB)的磷酸化[14]。槲皮素对促进细胞抗氧化防御系统的稳定、维持氧化平衡有着重要作用。ROS能促进MAPK途径、核因子相关因子2(Nrf2)介导的相关抗氧化反应元件(ARE)以及NF-κB基因的激活[15-16]，槲皮素通过调控ROS介导的单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)、MAPK等信号通路[17]，减轻氧化损伤带来的危害。

2.2 抗炎及调节免疫系统功能

炎症是一类由不同种类的细胞和细胞因子参与其中并受多种信号通路调节的复杂反应。槲皮素主要作用于白细胞并通过细胞信号通路中的蛋白激酶和磷酸酶来改善炎症以及影响机体免疫。槲皮素是一种有效的抗炎物质，具有很强的抗炎能力[18]。机体最常见的内毒素之一是脂多糖(LPS)，可在体内通过多种细胞信号途径激活巨噬细胞、内皮细胞、上皮细胞等，刺激细胞产生和释放炎性因子及细胞因子，引起炎症反应。经多项体内外试验发现，槲皮素直接或间接作用于LPS，抑制LPS诱导产生巨噬细胞肿瘤坏死因子-α(TNF-α)[19]，从而抑制机体炎症。在小胶质细胞中的研究结果显示，槲皮素刺激可引起前列腺素和一氧化氮(NO)释放增加，使诱导型一氧化氮合成酶(iNOS)的mRNA和蛋白水平升高，抑制LPS诱导的细胞炎症反应，而不产生任何细胞毒性作用[5]。对RAW264.7细胞的研究显示，槲皮素通过抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)-p85酪氨酸磷酸化以及Toll样受体4(TLR4)/髓样分化因子88(MyD88)/PI3K复合物的形成，来抑制LPS诱导的炎症，从而限制细胞下游信号通路的激活[20]。同时，Cui等[21]报道槲皮素可显著降低LPS诱导的RAW264.7细胞iNOS源性NO的生成，而不影响其活性，并呈剂量依赖方式抑制LPS诱导的巨噬细胞黏附和迁移，同时抑制LPS诱导的磷酸化黏着斑激酶(p-FAK)、磷酸化桩蛋白(p-Pax)、黏着斑激酶(FAK)和桩蛋白(Pax)的表达。此外，研究发现槲皮素可以下调或抑制多种炎症途径和分子，它可以抑制TNF-α直接激活细胞外信号相关激酶和NF-κB 等这类诱导炎症基因表达和蛋白分泌的相关因子。研究表明，槲皮素通过增强过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)活性，从而拮抗NF-κB 或激活蛋白-1(AP-1)转录激活炎症基因，间接预防炎症，这些因素均共同阻断了TNF-α介导的炎性级联反应，从而降低机体炎症。试验发现，巴西有机蜂胶中含有的槲皮素能够抑制NF-κB 激活和TNF-α释放，通过降低NF-κB 的活化率，从而减少TNF-α的释放，进而导致中性粒细胞的迁移[22]。中性粒细胞作为白细胞中占比最大的细胞，对人类先天免疫极其重要，其功能是调节先天宿主对细菌感染的反应。这一结果表明，槲皮素可作为治疗机体炎症和自身免疫性疾病的重要靶点。槲皮素靶向细胞内许多信号激酶和磷酸酶，从而影响免疫和炎症。然而，也有试验发现槲皮素对树突状细胞功能有免疫抑制作用[23]，因此，槲皮素作为潜在的消炎治疗剂对于细胞内具体的作用靶点仍需要进一步的研究。

2.3 抗菌功能

在对槲皮素中药成分研究的试验结果中显示，槲皮素发挥了极其明显的抑菌作用[24]。槲皮素具有广泛的抑菌潜力，对于抑制禽类易感细菌的生长、预防和治疗动物疾病具有重大意义。许多体外研究均证明，槲皮素对多种细菌存在显著的抑制作用，如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞杆菌等，其中对金黄色葡萄球菌的抑菌效果最好，并且对革兰氏阴性菌的抗菌作用显著强于革兰氏阳性菌[25]。Nani等[22]研究发现，槲皮素对白色念珠菌有抑制作用，并且在抗真菌剂量下对甜瓜夜蛾幼虫有显著的低毒作用。在幽门螺杆菌感染小鼠胃黏膜的试验模型中，幽门腔内的细菌比幽门体部的细菌多，证明了槲皮素在胃体黏膜和幽门腔黏膜中能引起细菌密度的显著降低[26]，首次表明槲皮素除了具有体外抗菌作用外，也具有明显的体内抗菌作用。同时，有研究表明，槲皮素的抗菌力似乎与其减少细菌群感效应的相关基因表达和抑制细菌生物膜的形成有关[27]。

2.4 抗肥胖功能

肥胖逐渐成为全球性的流行疾病，经国内外多项动物试验研究表明，槲皮素作为一种黄酮类化合物具有降脂减肥的功效。槲皮素可以抑制饮食中能量的吸收、调节机体脂肪代谢、抑制甘油三酯的沉积等作用，在动物体内外试验中均表现出显著的降脂效果[28-30]。肥胖是由于未分化的前脂肪细胞形成新的脂肪细胞，导致脂肪细胞体积增加，数量增多，最终导致细胞肥大[31]，因此调节脂肪细胞大小和数量能有效地预防和治疗肥胖。槲皮素能够影响脂肪组织的生长，可以通过抑制高脂诱导的白色脂肪组织扩张、上调能量消耗、调节线粒体生物发生以及脂肪酸氧化的功能和完整性来改善高脂诱导的肥胖和胰岛素抵抗[30]。根据槲皮素对3T3-L1前脂肪细胞生长的研究显示，槲皮素对脂肪细胞生长抑制率(71.5%)非常高，这种作用可能是源于其抗氧化功能，在试验中槲皮素表现出很强的抗氧化特性以及消除ROS的能力[32]。槲皮素通过调节前脂肪细胞分化相关的转录因子和脂肪生成相关酶，抑制前脂肪细胞分化为脂肪细胞。乙酰辅酶A羧化酶(ACC)在脂肪酸代谢过程中起着重要作用，槲皮素通过激活AMPK途径，特异性上调磷酸化AMPK水平使得ACC失活，从而导致脂肪酸合成减少而脂肪酸氧化增加，抑制前脂肪细胞生成脂肪细胞[33]。同时，槲皮素被证明能够显著降低在脂肪形成末期高表达的脂肪酸合成代谢基因的mRNA表达水平[34]。5-羟色胺(5-HT)在调节机体能量平衡和脂肪代谢方面起着重要作用。用槲皮素处理促进了线虫ADF神经元5-HT的合成，从而促进了线虫的脂解和脂肪酸β氧化[35]，因此可通过促进中枢5-HT信号转导来减少生物有机体的脂肪储存。此外，还有研究表明槲皮素显著降低了与肥胖相关疾病的患病风险，如心脏病、糖尿病和高血压[36-37]等。然而，迄今为止，槲皮素对改善肥胖的直接作用尚不清楚，它对肥胖的健康作用似乎与其预防肥胖所引起的并发症有关，例如降低心血管疾病方面的风险。

2.5 其他功能

槲皮素作为最常被研究的膳食黄酮之一，除了以上功能外，还具有抗癌、心脏保护、降压、抗血栓、抗纤维化等功能。在多项研究中表明，通过食用蔬菜和水果摄入多酚类物质可以潜在地影响内皮细胞功能来降低心血管疾病的风险，其中所含的槲皮素通过调节氧化酶和抗氧化酶相关基因表达来预防氧化应激，有助于预防中风、高血压、心力衰竭和缺血性心脏病[38]。槲皮素可诱导乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌细胞的凋亡，通过NF-κB 途径抑制癌细胞增殖和细胞周期阻滞，从而降低肺癌、膀胱癌、结肠癌等的核苷二磷酸激酶β活性，有效预防癌症[39]。对于这些功能可以在畜禽生产应用中进行深入研究。

3 槲皮素在畜禽生产中的应用

槲皮素是天然含量最丰富、生物学活性最高的黄酮类化合物之一。据报道，槲皮素对动物肠道、改善肉质、缓解应激等方面具备有益作用。它是动物饲粮中最常见的黄酮类化合物之一，由于其酚类化学结构的作用，表现出相当大的清除自由基活性。经过大量试验研究发现，黄酮类物质能够提高机体的抗病能力，促进畜禽的生长。

3.1 在猪生产中的应用

众所周知，猪在公路运输中经常受到噪音、禁食、拥挤和温度变化等影响，引起猪的应激与肠道屏障功能受损。运输应激对胃肠道的影响非常深远，而槲皮素能缓解运输应激对肠道的损伤。Zou等[40]通过试验研究了添加槲皮素对运输应激状态下猪肠道完整性、肠道ROS水平和肠道炎症的影响，研究观察到槲皮素对肠道完整性有保护作用。特别是在肥育猪饲粮中添加25 mg/kg槲皮素显著提高了小肠绒毛高度及闭锁蛋白(Occludin)和闭锁小带蛋白-1(ZO-1)的mRNA水平[40]。槲皮素还可以降低血清LPS、ROS和丙二醛含量，降低血清TNF-α、白细胞介素-1(IL-1)、IL-6和单核细胞趋化蛋白-1β含量。因此，槲皮素能够改善肥育猪的猪肉品质以及提高抗病力。Zhang等[41]研究发现，槲皮素对猪瘟病毒的复制有很强的抑制作用。然而也有研究发现，槲皮素虽然不会影响颗粒细胞的生长，但会抑制孕酮的产生，并以剂量相关的方式改变雌二醇17β的产生[42]。因此，槲皮素可能对卵巢生理产生负面影响，目前还需进一步的试验来验证槲皮素的有利作用。

3.2 在家禽生产中的应用

槲皮素可以改善家禽的生长性能、肌肉品质以及增强免疫力。在肉鸡饲粮中添加槲皮素(200 mg/kg)，可通过MAPK/Nrf2信号通路缓解LPS诱导的肉鸡肠道氧化应激，可显著减轻LPS诱导的十二指肠、空肠和回肠绒毛高度下降，并降低这些区域的隐窝深度[43]。Sohaib等[44]评估了饲粮中添加槲皮素(300 mg/kg)对肉鸡的影响，结果显示槲皮素改善了肉鸡生长性能，提高了脂肪在肉中抗氧化的稳定性，从而显著提升肉鸡的抗氧化能力。据报道，在饲粮中添加500～1 000 mg/kg槲皮素可显著提升肉鸡的胸肉质量和抗氧化潜力[45]。Yang等[46]在肉鸡饲粮中添加槲皮素(0.06%)后显著增加TNF-α、肿瘤坏死因子受体超家族成员-1β(TNFRSF-1β)、NF-κB p65亚单位(NF-κBp65)和干扰素-γ(IFN-γ)mRNA的表达水平，降低NF-κB抑制因子α的表达水平，从而通过肿瘤坏死因子(TNF)激活的NF-κB信号通路改善肉鸡的免疫功能。Liu等[47-48]研究发现，添加槲皮素均可改善蛋鸡的生长性能和鸡蛋质量，提高产蛋率，同时降低料蛋比和蛋黄胆固醇含量。而Iskender等[49]在饲粮中添加500 mg/kg槲皮素时没有发现蛋鸡生长性能的差异。因此，对于槲皮素在家禽生产中的合理添加量还需要进一步的研究。Ghaniei等[50]研究发现，槲皮素可以保护雄鸡精液免受脂质过氧化和亚硝化H2O2介导的损伤。恩诺沙星常在家禽养殖中应用治疗细菌性疾病，研究发现，槲皮素能通过与鸡异源受体(CXR)相互作用诱导组织中P-糖蛋白的表达，从而限制恩诺沙星在肉鸡的肠道吸收和肝脏/肾脏清除[51]，降低口服恩诺沙星的生物利用度，以避免恩诺沙星与其他类似抗菌剂合用时发生药物-饲料相互作用，降低药用价值，这一结果可进一步推广到指导槲皮素的合理使用中。

3.3 在反刍动物生产中的应用

槲皮素具有保护肝脏和减少肝脏脂质堆积的能力，可以有效减少脂肪肝的产生。Kehrli等[52]试验发现，槲皮素对奶牛健康有积极的影响，特别是在泌乳早期的应激阶段，可以缓解奶牛的脂肪肝和酮症酸中毒等代谢紊乱。补充槲皮素可显著降低母牛产后血浆转氨酶和谷氨酸脱氢酶的活性[53]，表明槲皮素可以减轻母牛肝脏损伤，但槲皮素对肝脏的直接作用以及对奶牛生长性能的影响仍有待调查。槲皮素作为一种抗氧化剂，可以替代半胱胺促成山羊卵母细胞的体外成熟[54]。槲皮素和芦丁分别通过十二指肠瘘或口服给药，对奶牛肝脏健康产生有益影响，还能通过其抗菌特性减少瘤胃甲烷的产生[55]。然而，也有研究表明槲皮素会对反刍动物产生一些负面影响，比如对于牛瘤胃发酵具有潜在的抑菌效果[56]，可能会影响瘤胃微生物发酵。

4 小结与展望

黄酮类化合物是植物次生代谢产物，具有多种药理学作用。槲皮素是大多数植物中含量最丰富的黄酮类化合物，也是黄酮类化合物中所占比例最大的。槲皮素具有抗病毒、抗菌、抗炎等多种促健康的功能，在体内、体外试验中均取得了良好的效果。槲皮素的优势已经体现在食品、药物等不同领域，但是在畜牧业领域对槲皮素的研究道较少。因此，还需要探索槲皮素在动物机体中的合理添加量及其潜在作用机理，为槲皮素作为一类功能性添加剂在养殖生产中应用提供新的理论依据。