水飞蓟的生物学功能及其在畜牧业中的应用研究进展

韦良开 白心亮 李 瑞 印遇龙

(1.中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室，畜禽养殖污染控制与资源化技术国家工程实验室，动物营养生理与代谢过程湖南省重点实验室，中国科学院亚热带农业生态研究所，长沙 410125;2.南宁大北农饲料科技有限责任公司，南宁 530105；3.内蒙古昶辉生物科技股份有限公司，通辽 028400)

水飞蓟是一种高1.0～1.5 m的1或2年生菊科草本植物，原产于地中海、亚洲和北非地区的山区，在世界各地均有种植，于1972年引入我国并开始大范围推广种植[1]。水飞蓟主要含有黄酮类化合物、萜类化合物、脂肪酸类化合物[2]。其中，黄酮类化合物主要以水飞蓟素(70%～80%)为主，水飞蓟素主要由以下5类黄酮木脂素组成：水飞蓟宾(水飞蓟宾A和B)、异水飞蓟宾(异水飞蓟宾A和B)、水飞蓟汀、水飞蓟亭和水飞蓟宁，它们占果实干重的1.5%～3.0%[3]。此外，水飞蓟还含有其他黄酮类化合物，如紫杉叶素、槲皮素、二氢槲皮素等[4]。水飞蓟素的剩余部分(20%～30%)由5,7-二羟基色酮、脱氢松柏醇、不挥发性油(60%亚油酸、30%油酸、9%棕榈酸)、生育酚、甾醇(菜油甾醇、豆甾醇和谷甾醇)、糖(阿拉伯糖、鼠李糖、木糖和葡萄糖)和蛋白质组成[5]。水飞蓟中天然产物的提取方法众多，主要有水代法、溶剂浸提法、水蒸气蒸馏法、同时蒸馏萃取法、分子蒸馏技术、压榨法、超临界流体萃取法等[6]。水飞蓟素的抗炎特性和抗氧化活性已被世人所知，2 000多年以来它一直被应用于治疗肝脏、肾脏、脾脏等疾病，具有调节免疫、清除自由基、保护肝脏、抗肿瘤、抗氧化等生物学效应[7-10]。在畜牧业的应用研究中，水飞蓟具有促进机体生长、提高免疫力、调节脂肪代谢等多种生物学功能[11-13]。本文综述了国内外近年来关于水飞蓟生物学功能及其在畜牧业中的应用研究进展，以期为水飞蓟进一步的研究和开发提供参考。

1 水飞蓟的生物学功能

1.1 保护肝脏作用

肝脏是负责机体内消化代谢的主要器官，能将体内外物质如药物、毒物以及代谢产物有生物转化作用，发挥解毒功效。水飞蓟素作为治疗肝炎、肝硬化、肝损伤等肝脏疾病的药物之一，应用广泛。水飞蓟素发挥保护肝脏机制主要通过以下3点：1)清除体内自由基[1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)]，提高机体组织中谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)活性，从而增强机体抗氧化能力；2)通过调节细胞膜的通透性和稳定性，达到保护细胞膜效果；3)调控细胞核、细胞周期的表达，促进肝细胞的修复和再生[14-16]。González等[17]研究肝脏保护剂对乙酰氨基酚和四氯化碳(CCl4)诱导损伤的体外评估时发现，水飞蓟素能显著降低体内DPPH的含量，缓解乙酰氨基酚和CCl4诱导的组织损伤。Wu等[18]研究水飞蓟素对肝脏部分切除手术的影响时发现，水飞蓟素能增加手术后肝脏的细胞周期，增强蛋白质生成和mRNA表达，提升肝细胞生长因子(HGF)、转化生长因子-β1(TGF-β1)的表达，从而促进肝脏再生。李爱云[19]研究水飞蓟油对脂肪肝干预时发现，水飞蓟油能显著降低小鼠肝脏中丙二醛(MDA)含量，显著提高肝脏中SOD活性。

1.2 抗氧化作用

氧自由基反应与脂质过氧化反应在机体的新陈代谢中具有重要作用，正常情况下它们处于动态平衡当中，维持机体的生理生化与免疫反应。氧化应激是指动物机体内部活性氧(ROS)与抗活性氧形成的不平衡。ROS是细胞中产生的信号分子，是正常细胞氧化还原反应的副产物，包括超氧化物(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(·OH)和脂质过氧自由基(LOO·)等；此外，还包括活性氮，如一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、亚硝基阴离子(NO-)等[20-21]。这些活性物质可以通过与细胞成分结合来改变脂质和蛋白质的功能，从而改变细胞膜的生物特性，导致膜结合受体或酶失活，损害正常的细胞功能[22]。抗氧化剂是抑制氧化应激链式反应并保护细胞成分免受损伤的物质，它分为酶促抗氧化剂和非酶抗氧化剂。酶促抗氧化剂包括SOD、GSH-Px、谷胱甘肽还原酶(GR)和过氧化氢酶(CAT)。非酶抗氧化剂根据其来源可分为外源性抗氧化剂和内源性抗氧化剂，内源性抗氧化剂包括谷胱甘肽(GSH)、尿酸、白蛋白，也称为主抗氧化剂；而外源性抗氧化剂包括类胡萝卜素、抗坏血酸、α-生育酚和类黄酮等。这些抗氧化剂防止细胞的脂质、蛋白质和DNA受到ROS的破坏。水飞蓟素的抗氧化作用主要包括以下6点：1)清除DPPH和螯合金属促进剂，如铁和铜；2)防止ROS形成酶，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAPDH)氧化酶；3)激活抗氧化酶和抑制脂质过氧化；4)调节细胞膜渗透性和增加稳定性；5)通过刺激RNA聚合酶增加核糖体蛋白合成；6)通过激活核因子E2相关因子2(Nrf2)和抑制核因子-κB(NF-κB)调节信号传导[23-26]。胡思琪等[27]研究发现，水飞蓟宾能显著降低酒精性脂肪肝大鼠的肝脏中细胞色素P450家族成员2E1(CYP2E1)蛋白和MDA的含量，显著提高肝脏中GSH-Px活性。荣家闵等[28]在研究水飞蓟宾对H2O2诱导人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)损伤的保护作用及机制时发现，SH-SY5Y经过水飞蓟宾的处理后，细胞存活率极显著提高，细胞凋亡率显著降低，细胞内ROS含量降低，半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9(Caspase-9)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)蛋白的表达水平降低，从而减轻H2O2对SH-SY5Y的损伤。

1.3 抗炎作用

水飞蓟素也具有一定的抗炎作用，其发挥抗炎作用主要通过以下几点：1)抑制NF-κB、Nrf2、蛋白激酶B(Akt)等信号通路，降低促炎因子的表达，促进抗炎因子的表达，从而发挥抗炎作用。2)应激情况下能激活相关基因，生成热休克蛋白、抗衰老酶、硫氧还蛋白等保护分子。3)通过破坏细菌细胞壁，抑制细胞蛋白的表达，降低病菌引起的炎症[29-31]。Tan等[32]研究表明，在小鼠肾脏缺血再灌注损伤模型中，水飞蓟素能显著降低肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)等炎症性因子含量，水飞蓟素还能显著降低细胞凋亡数量，从而缓解肾脏损伤。Zhang等[33]在研究水飞蓟宾通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)/沉默调节蛋白2(SIRT2)途径抑制非酒精性脂肪肝小鼠NOD样受体家族蛋白3(NLRP3)炎症小体组装时发现，水飞蓟宾可降低肌醇需要酶-1α(IRE-1α)和真核翻译起始因子2α(eIF2α)的磷酸化、硫氧还蛋白相互作用和切割的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)的表达以及IL-1β的释放；此外，水飞蓟宾抑制钙网蛋白和外膜转位酶20(Tom20)的接近，阻止NLRP3炎症小体复合物的组装，抑制乙酰化微管蛋白在核周区的积聚，从而抑制非酒精性脂肪肝发生。罗颂等[34]在研究水飞蓟宾通过调控腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)活性抑制游离脂肪酸诱导的肝细胞炎症因子分泌时发现，水飞蓟宾能降低游离脂肪酸诱导的HePG2细胞中IL-1β和TNF-α的mRNA和蛋白的表达，促进磷酸化腺苷酸激活蛋白激酶(p-AMPK)的表达，抑制炎症因子的分泌。

1.4 调控脂质代谢作用

水飞蓟以不同的方式影响脂质代谢。水飞蓟素能抑制羟甲基戊二酸单酰辅酶A(HMG-CoA)还原酶的表达，从而减少磷脂、甘油三酯(TG)、胆固醇(CHOL)的合成。同时，水飞蓟素还能通过刺激不同信号通路发挥其积极作用，减少脂肪沉积。李爱云[19]研究发现，小鼠采食添加水飞蓟油的饲粮后，血清中CHOL含量及谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)活性显著降低，肝脏中TG、CHOL、高密度脂蛋白-胆固醇(HDL-C)、低密度脂蛋白-胆固醇(LDL-C)含量也显著降低。Chang等[35]研究水飞蓟素通过诱导胰高血糖素样肽1和沉默调节蛋白1(SIRT1)来防止高脂肪饮食诱发的代谢损伤时发现，饲粮中添加400 mg/kg水飞蓟素对高脂肪饮食诱导的大鼠血清中TG、CHOL、HDL-C、LDL-C含量有显著降低作用，体脂比例也显著降低；在肝脏组织切片中，饲粮添加400 mg/kg水飞蓟素组大鼠的肝脏油积聚量显著低于不添加水飞蓟素组。Sahin等[7]研究表明，小鼠饲粮中添加100、200 mg/kg水飞蓟素，血清中ALT、AST活性及葡萄糖、CHOL、TG、HDL-C、LDL-C含量显著降低，在肝脏组织切片中没有观察到脂肪变化，其组织结构正常。这个研究结果与Bagci等[36]、高华武等[37]研究结果相类似。研究表明，水飞蓟素调控脂质代谢主要通过影响过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)、肝脏X受体(LXR)、胆固醇调节元件结合蛋白(SREBPs)等信号通路，抑制脂肪酸合酶(FAS)、硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)等脂质合成基因的表达，降低过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)、CCAAT增强子结合蛋白α(C/EBPα)、脂肪酸结合蛋白4(FABP4)等的表达，降低血清、组织中TG、CHOL、HDL-C含量，减少脂质在机体组织的累积[38]。

2 水飞蓟在畜牧业中的应用

2.1 水飞蓟在猪生产中的应用

水飞蓟富含生物碱、类固醇、脂肪酸等多种活性成分，在养猪生产中具有保护肝脏、抗氧化应激、抗炎、促生长等作用。Jiang等[39]研究过渡期和泌乳期补充水飞蓟素对母猪繁殖性能、乳成分和血液参数的影响时发现，在妊娠108 d的母猪饲粮中添加40 g/d的水飞蓟素，仔猪平均日增重(ADG)和断奶重均高于未添加水飞蓟素的对照组；泌乳期母猪血清中CAT、GSH-Px活性显著升高，血清中TNF-α、IL-1β含量显著降低；血清中催乳素含量、母乳中蛋白质含量显著提高。Farmer等[40]研究了水飞蓟素对妊娠母猪血清中催乳素含量、乳腺发育和氧化应激的影响，结果发现，妊娠母猪饲粮中添加8 g/d的水飞蓟素能显著提高血清中催乳素含量，降低母猪肝脏中蛋白质羰基含量。Grela等[41]在研究饲粮中添加水飞蓟籽对猪生长性能、胴体性状、脂肪酸组成以及肌肉、背脂和肝脏CHOL含量的影响时发现，与未添加水飞蓟的对照组相比，饲粮中添加6%水飞蓟组的ADG显著提高，料重比(F/G)、背脂含量、血清CHOL含量显著降低；在肉质方面，饲粮中添加6%水飞蓟组的肉色的红度和黄度明显更饱和，组织中多不饱和脂肪酸(PUFA)含量显著提高，剪切力、硬度、咀嚼性显著降低。以上研究结果表明，水飞蓟素可以通过提高血清中催乳素的含量来促进母猪产奶，通过减少自由基产生和减少脂质过氧化缓解氧化应激，提高饲料转化率和促进蛋白质代谢，进而改善仔猪的生长性能。

2.2 水飞蓟在家禽养殖业中的应用

抗应激是家禽养殖需考虑的问题之一，各种应激都会对家禽养殖造成经济损失。水飞蓟对抗应激、调节免疫、促生长方面都具有良好的作用。Zarei等[42]在研究水飞蓟提取物对高温环境下肉鸡生长性能、免疫功能及血液电解质平衡的影响时发现，与对照组相比，饲粮中添加100 mg/kg水飞蓟提取物雏鸡的平均日采食量(ADFI)、ADG和最终体重最高，料重比最低；在第28天和第42天，法氏囊、胸腺和脾脏的相对重量显著增加，鸡传染性法氏囊病(IBD)抗体效价显著增加。Jahanian等[43]在研究饲粮中添加水飞蓟素对黄曲霉毒素攻毒肉鸡的生长性能、肠道形态和回肠细菌数量的影响时发现，饲粮中添加1 000 mg/kg的水飞蓟素能显著提高肉鸡的ADFI和ADG，改善因黄曲霉毒素攻毒影响的饲料转化率，降低肠道中大肠杆菌、沙门氏菌、克雷伯氏菌和总阴性细菌的数量，降低隐窝深度和杯状细胞数量，增加绒毛高度和宽度、绒毛高度/隐窝深度和表观绒毛吸收面积。Nik等[44]在研究水飞蓟对肉仔鸡血液化学成分、血脂和免疫应答的影响时发现，饲粮中添加0.2 g/kg水飞蓟能显著降低肉鸡血清CHOL含量，血清ALT、AST活性也有一定程度地降低。Radko等[45]研究表明，饲粮中添加水飞蓟素不仅不影响球虫的治疗效果，还能显著降低拉沙里菌素在鸡肌肉组织中的残留。Ahmad等[46]在研究水飞蓟对自然夏季应激肉鸡生长性能、氧化应激和免疫应答的影响时发现，与对照组相比，饲粮中添加15 g/kg水飞蓟的肉鸡ADG和ADFI以及抗新城疫的抗体滴度显著升高，血清MDA含量显著降低。这与Abou等[47]研究结果相一致。以上研究结果表明，水飞蓟可在夏季高温条件下防止脂质过氧化，缓解氧化应激，抑制致病菌生长，提高机体免疫性能，提高鸡只生长性能，但是具体的调控机制还需要在这一领域进行进一步的研究。

2.3 水飞蓟在水产养殖业中的应用

水飞蓟对水产动物的生长具有一定的促进作用，主要通过调控肠道健康与消化吸收、脂肪沉积、促进机体免疫等方面进行。Wang等[48]研究水飞蓟素对大菱鲆生长性能、抗氧化能力和免疫应答的影响时发现，采食饲料中添加100 mg/kg水飞蓟素的大菱鲆最终体重、增重率(WGR)、特定生长率(SGR)显著提高，机体GSH-Px、SOD、溶菌酶、胰蛋白酶活性也显著提高，GSH-Px、SOD和过氧化还原酶6(PRDX6)的mRNA表达水平显著提高，白细胞介素-8(IL-8)、TNF-α的mRNA表达水平显著降低；在添加更高剂量的水飞蓟素时观察到血清MDA含量显著降低，肠道绒毛高度和肠细胞数量也有所提高。Xiao等[9]研究了饲料中添加水飞蓟素对草鱼生长性能、脂肪代谢和健康状况的影响，结果表明，饲料中添加100 mg/kg水飞蓟素能显著提高草鱼的SGR、增重、蛋白质利用率，显著降低饲料转化率；同时，血清中TG、MDA和总胆红素含量以及内脏指数(VSI)也显著降低；且上调了肝脏组织中羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMGCR)和胆固醇7α羟化酶(CYP7A1)基因的表达。Wei等[49]在研究饲料中添加水飞蓟素对草鱼幼鱼生长性能和肠道功能的影响时发现，饲料中添加60 mg/kg水飞蓟素能显著提高草鱼幼鱼的最终体重、WGR、SGR、采食量、饲料效率(FE)、肠长(IL)、肠长度指数(ILI)、肠重(IW)；显著改善鱼的肠道组织病理症状，如水肿、毛细血管出血、杯状细胞增生、上皮细胞坏死等；脂多糖mRNA表达水平显著降低；随着水飞蓟素剂量的升高观察到心肌肌酸激酶和心肌肌动蛋白激酶mRNA表达水平下调。Owatari等[50]研究发现，饲料中添加1 g/kg水飞蓟素对罗非鱼生长性能没有显著影响，这可能与鱼的种类、饲喂环境、添加剂量等有关。上述研究结果表明，水飞蓟素能增强鱼类肠道健康，降低肠黏膜通透性，改善肠道物理屏障，促进生长性能；并通过下调促炎性因子的表达、上调抗炎性的表达来增强机体免疫机能。

3 小 结

我国2020年7月1日起已全面禁止在畜禽饲料中添加饲用抗生素，且伴随新冠疫情的全球爆发，冲击着饲料原料供应链，造成饲料原料价格节节攀升。所以，寻找新型、价优的抗生素替代物以及新型饲料原料已经刻不容缓。水飞蓟是新型、绿色、高效的中草药植物，在国内外都有大量的种植，无论在医学研究还是养殖业中都具有相当大的发展空间。水飞蓟适应性强、生存率高、效益性好，且畜牧养殖业的全面禁抗更为其推广应用打下了良好的基础。但是，水飞蓟在畜牧业大范围的推广应用还是存在一些问题。首先，在畜禽养殖业中，水飞蓟在改善生长性能的研究上，对其具体的作用机理尚未完全了解清楚，需要对其内部化学成分进行生物活性研究，建立水飞蓟的质量控制与评价体系。其次，由于药用植物的活性成分与功能的复杂性，水飞蓟的提取工艺仍存在着提取率低、成本高、分离效果差等问题，其生产提取工艺仍然需要改进。因此，水飞蓟在未来的研究方向将主要集中于其作用机理、效果以及提取工艺的改进上。