番茄红素的功能及其在动物生产中的应用

方 洲，窦文丽，孙奕烁，宝 华，马燕芬，

（1.宁夏大学农学院/宁夏回族自治区反刍动物分子细胞育种重点实验室，宁夏 银川 750021；2.内蒙古自治区农牧业科学院动物营养与饲料研究所，内蒙古 呼和浩特 010031）

番茄红素是β-胡萝卜素的非环异构体，是植物所含的一种天然色素， 主要存在于茄科植物番茄的成熟果实中，使番茄及其制品呈红色。番茄红素在所有类胡萝卜素中抗氧化活性最强。 番茄红素在控制退化性疾病方面非常有效， 可以预防心血管疾病、前列腺癌、消化道癌、皮肤癌，降低罹患胰腺癌、 子宫癌的风险， 并阻止有害胆固醇的形成。Blum 等［1］研究发现，番茄红素可通过降低脂质合成和下调清道夫受体活性和表达， 减少氧化修饰低密度脂蛋白诱导的泡沫细胞的形成。 番茄红素具有较强的抗氧化以及抗炎能力，例如，饲粮中添加番茄红素能通过蛋白激酶B/信号途径显著提高鹌鹑肝脏中NFE2L2 和HMOX-1 基因的表达水平［2］。 笔者综述了番茄红素的抗氧化、抗炎、抗癌、降血糖和抗心血管疾病作用机制，以及对动物生产、健康和产品品质的影响，以期为番茄红素在动物生产中的应用提供参考。

1 番茄红素的作用机制

1.1 抗氧化作用

番茄红素是一种抗氧化剂， 可以通过抑制过氧化氢、二氧化氮和羟基自由基等的生成，从而发挥抗氧化作用，进而保护DNA、蛋白质和脂质免受氧化损伤。 关于番茄红素发挥抗氧化作用的机制研究发现， 在氟诱导的小鼠细胞氧化应激反应中， 番茄红素联合VE 可通过降低丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路中的应激活化蛋白激酶 （c-Jun N-terminal kinase，JNK） 和细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK） 的磷酸化水平，下调半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）基因（Casp-3）、半胱氨酸蛋白酶-9（caspase-9）基因（Casp-9）和Bax 基因等促凋亡基因的表达水平， 降低氟中毒引起的细胞聚集性和毒性， 提高抗氧化酶谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和凋亡抑制基因-B 淋巴细胞瘤-2 （B-cell lymphoma-2，Bcl-2）基因（Bcl-2）的表达水平，进而减轻氟中毒诱导的氧化应激［3］。 在克百威引起的小鼠细胞氧化应激和生化应激反应中， 添加番茄红素18 mg/（kg·BW）可显著提高细胞白蛋白、蛋白质和脂质含量，提高血清乙酰胆碱酯酶、过氧化氢酶（catalase，CAT）、SOD 和谷胱甘肽（glutathione，GSH）活性，显著降低克百威引起的氧化应激和生化应激［4］。在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的氧化应激反应中， 番茄红素可通过提高SOD 和GPX 活性，下调血浆炎性因子水平和炎症介质表达，改善LPS 诱导的氧化应激［5］。 每天采食50 mg/（kg·BW）的番茄红素可改善认知缺陷CD-1 雄性小鼠的D-半乳糖活性和小鼠海马区的组织病理学损伤，恢复脑源性神经营养因子 （brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的数量，显著提高D-半乳糖处理小鼠血清中核因子E2 相关因子2（nuclear factor-E2-related factor 2，Nrf2）通路下游的抗氧化酶血红素氧化酶-1 （heme oxygenase-1，HO-1）和磷酸酰胺腺嘌呤二核苷酸醌氧化还原酶-1（NADPH quinineoxidoreductase -1，NQO -1） 的mRNA 表达， 显著降低肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α） 和白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）的mRNA 表达。 番茄红素还可通过激活Nrf2 或通过易位失活核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）减少神经元的氧化损伤［6］。此外， 番茄红素还能缓解β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）诱导的氧化应激，抑制线粒体介导的细胞凋亡，机制是番茄红素抑制细胞色素C（cytochrome C，Cyt C）的释放和caspase-3 的活化，促进线粒体膜通透性转换孔的打开， 有效恢复神经元中的ATP 数量，增强线粒体活性，防止DNA 损伤并提高线粒体转录因子A （mitochondrial transcription factor A，MTFA）的水平［7］。

在氧化应激诱导的急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）中，添加番茄红素（50 mg/kg）可显著降低Wistar 大鼠血清髓过氧化物酶（peroxidase，POD）、α-淀粉酶、脂肪酶活性以及TNF-α 和一氧化氮（nitric oxide，NO）水平，下调诱导型一氧化氮合 酶（nitric oxide synthase，iNOS）基 因（iNOS）表达，增强胰腺GSH 活性，显著改善AP［3］。番茄红素可显著降低结肠炎大鼠血清中丙二醛（malondialdehyde，MDA）、总唾液酸、DNA 片段浓度，提高抗氧化酶活性，预防结肠炎的发生［8］。 番茄红素对肾脏也具有抗氧化作用。 番茄红素和迷迭香酸共同作用， 可显著降低庆大霉素诱导的肾毒性大鼠血尿素氮、血清肌酐、MDA、自噬标记蛋白、促凋亡蛋白Bax 和iNOS 水平，显著提高SOD、GSH、GPX活性和抗凋亡蛋白Bcl-2 的表达水平， 缓解肾脏氧化应激［9］。 另一项研究表明，番茄红素作为抗氧化剂可通过抑制肝细胞核因子-1α（hepatocyte nuclear factor-1α，HNF-1α），降低低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）受体的亲和力和固醇调节元件结合蛋白-2 （sterol regulatory element binding protein-2，SREBP-2）的表达量，下调前蛋白转化酶枯草杆菌蛋白酶（proprotein convertase subtilisin/kexin type，PCSK） 的表达率， 降低载脂蛋白CⅡ（apolipoprotein CⅡ，APO CⅡ） 与脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，LPL）结合能力，调节总谷胱甘肽（total glutathione，tGSH）和CAT 浓度，抑制蛋白质羰基化，进而抑制氧化应激诱导的肝毒性。番茄红素还可通过显著降低MDA 水平、GPX 活性以及Thr231/Ser235、Ser262 和Ser396 磷酸化水平，进而显著改善P301L 转基因小鼠的认知缺陷［4］。

1.2 抗炎及抗癌作用

炎症是机体某一部位对组织损伤的局部反应，其特征是出现肿胀、发热和疼痛等。 增加抗炎成分的摄入量可预防非传染性疾病的发生。 番茄红素已被证明具有抗炎功效。在急性炎症期间，免疫细胞通过多种途径清除病原体； 在持续或反复的炎症反应中， 免疫细胞通过分泌细胞因子以损害巨噬细胞的功能而发挥抗炎作用。 许多非传染性疾病，包括心脏病、神经性疾病和Ⅱ型糖尿病等的发生和发展进程与炎症有关或受炎症影响。 当机体处于平衡状态时， 炎症的功能是消除引起细胞损伤的原发因素， 处理损伤和炎症引起的坏死细胞和受损组织，并启动组织修复功能。急性炎症是所有高等脊椎动物的关键生存机制之一， 如果急性炎症得不到解决，可能导致慢性炎症，而慢性炎症不是机体自我修复过程的一部分， 并可能引发一个破坏性的过程， 受损组织会将促炎细胞因子和其他生物炎症介质释放到机体循环中， 将基于组织的低度炎症转化为全身炎症。此外，自身免疫性疾病和长期暴露于刺激物也可能导致全身炎症。 尽管炎症反应过程取决于初始刺激的确切性质及其在体内的位置，例如，细菌病原体触发Toll样受体（toll-like receptors，TLR）和病毒感染触发Ⅰ型干扰素，它们都有一个共同的促炎机制，细胞表面模式受体 （pattern recognition receptor，PRR）识别有害刺激， 激活炎症信号通路， 释放炎症标志物，招募炎症细胞。 炎症激活细胞内信号通路，随后激活炎症介质的产生。 炎症刺激物主要包括微生物产物和细胞因子， 如IL-1β、 白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）和TNF-α，通过与TLR、IL-1β 受体（interleukin-6 receptor，IL-1R）、IL-6 受体（interleukin-6 receptor，IL-6R）和TNF 受体的相互作用介导炎症。 这种受体激活触发重要的细胞内信号通路， 包括MAPK、NF-κB、Nrf2、Janus 激酶（janus kinase，JAK）、 信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT）通路。 番茄红素已被证明可抑制炎症信号通路NF-κB 和应激蛋白-1（stress protein-1，SP1）的结合能力， 并降低SK-Hep-1 细胞中胰岛素样生长因子-1 受体 （insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-1R） 的表达和细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）浓度。番茄红素能抑制高脂饮食诱导的小鼠肥胖、炎症反应和相关代谢紊乱，其机制是番茄红素通过降低作为NF-κB 途径调节剂的p65 和IκB 的磷酸化，使NF-κB 信号通路失活，这种作用可视为番茄红素的抗炎作用［10］。

在结直肠癌细胞中也可以观察到番茄红素通过失活NF-κB 信号通路发挥抗炎功效。 番茄红素通过抑制NF-κB 和JNK 的激活， 抑制促炎因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和环氧化酶（cyclooxygenase，COX）和iNOS 的表达［11］。 食用番茄或番茄红素与大肠癌和直肠癌的发病率呈剂量依赖性负相关，其机制主要是番茄红素通过抑制结肠癌细胞的增殖而发挥抗肠癌作用。有研究用12 μmol/L 番茄红素处理结直肠癌细胞后， 发现晚期凋亡或坏死的结直肠癌细胞比例高于早期凋亡的结直肠癌细胞， 同时发现番茄红素显著降低了IL-1β、TNF-a等多种促炎介质的表达和促炎酶COX-2 的活性［12］。研究发现，番茄红素在结肠癌发生过程中具有良好的抗炎作用［13］，如采食300 μg/d 的番茄红素可减弱诱导性结肠炎大鼠体内的炎症反应和炎症标志物活性， 其机制主要是番茄红素的摄入降低了MAPK 信号通路下游基因的表达， 从而降低了结直肠癌的发病风险［14］。 目前关于番茄红素对不同疾病，如前列腺癌和膀胱癌、心血管风险和代谢综合征等的影响有大量系统性的综述， 这些对番茄红素抗炎能力的综述有部分不足， 番茄红素来源的品种间差异和番茄红素的不同含量是否对抗炎能力存在影响未作明确说明。 对于体内研究而言，不仅有必要关注番茄红素的摄入量，还需要实际测量血浆或血清中循环的番茄红素浓度，以了解番茄红素对机体健康的影响。 关于番茄红素在免疫系统调节中的作用还需试验研究。

1.3 降血糖作用

2 型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM）的发病率随着生活水平的提高和饮食习惯的改变逐渐升高。目前，蔬菜和功能性食品的某些特定成分已被证明对T2DM 具有良好的治疗效果，因此，饮食干预可能是预防和治疗T2DM 的重要策略。 在糖尿病患者中， 高脂饮食和链脲佐菌素导致胰岛素功能障碍和分泌能力下降，致使糖脂代谢受损，脂质代谢紊乱和体内胰腺损伤导致脂质过氧化和自由基产生，增加晚期糖基化终产物的形成，从而损害各种器官［15-16］。 上述过程均有氧化低密度脂蛋白 （oxidized low density lipoprotein，Ox-LDL）参与，说明Ox-LDL 可加速T2DM 的发生。 番茄红素在糖尿病中的有益作用与其较强的抗氧化能力有关， 番茄红素通过降低Ox-LDL 诱导的氧化应激减轻内皮功能障碍。同时，番茄红素的摄入还能降低T2DM 患者体内葡萄糖水平、提高胰岛素水平，并且改善胰岛素功能障碍， 降低T2DM 对机体的有害影响，改善肝脏脂肪变性［15-18］。 综上所述，血浆番茄红素水平与T2DM 的发病率呈负相关，番茄红素被认为具有潜在的抗糖尿病作用。

1.4 抗心血管疾病作用

心血管疾病（cardiovascular and cerebrovascular diseases，CVD）按照病因可分为先天性CVD 和后天性CVD。 先天性CVD 包括心室中隔缺损、主动脉狭窄等，可能与遗传相关；后天性CVD 包括慢性瓣膜疾病、扩张性心肌病等。CVD 是动物生长性能和生产性能下降、 淘汰率上升的主要原因之一。 流行病学研究发现，与西欧和美国相比，地中海国家的CVD 死亡率较低，可能与地中海地区的饮食文化有关， 该地区居民饮食中包含大量水果和蔬菜。地中海地区的饮食中多有番茄的出现，这促使许多研究人员开始找寻番茄红素与CVD 的联系。流行病学研究提供了重要的证据，支持番茄红素在预防CVD 中的直接且有效的作用。

最近研究表明，番茄红素摄入量与心肌梗死、心绞痛和冠状动脉功能不全的发生率之间存在负相关［19-20］。 许多研究人员报告高血压、心肌梗死、中风和动脉粥样硬化患者血浆中番茄红素水平较低。 关于服用番茄红素如何影响心血管疾病的研究中， 多个重复性试验强调了摄入番茄红素可使冠状动脉内皮型iNOS 活性和NO 水平正常化，胆固醇生物合成甲羟戊酸途径抑制，内皮功能改善。而在不同的CVD 动物模型中，摄入番茄红素可减轻炎症损伤，改善脂蛋白谱及其转换的能力［21-23］。番茄红素治疗后可使胆固醇含量降低， 颈动脉内膜中层厚度和血浆氧化损伤性标志物减少， 高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）上调，同时餐后氧化应激也得到明显缓解。 以上研究均提示了番茄红素在心血管疾病中的干预作用。然而，在现代医学中，番茄红素对CVD 是否有影响仍然是一个有争议的话题， 需要进一步精心设计临床研究。

2 番茄红素在动物生产中的应用

2.1 番茄红素对动物健康的影响

动物体内的自由基处于不断产生与清除的动态平衡之中。在当前集约化的畜牧生产中，自由基在畜禽养殖应激、快速生长、高繁殖率和密集代谢条件下大量形成， 导致动物体内过量的自由基无法被清除，使动物产生氧化应激，造成机体产生慢性损伤，降低动物对疾病的抵抗能力。番茄红素能使单线态分子氧失活的发现具有极为重要的意义， 使番茄红素在健康和疾病中的作用日益受到关注， 同时为抗氧化剂在日粮中的添加应用有积极作用。胡敏予［24］研究发现，番茄红素能阻止胆固醇的生物合成， 增加高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-C）水平，同时对修饰LDL 诱导泡沫细胞的形成有积极作用。 该研究说明机体摄入一定的抗氧化剂可降低活泼自由基浓度， 通过降低自由基连锁反应中扩展阶段的效率控制自由基的生成， 或者通过抑制自由基引发剂的产生而起作用。因此，抗氧化剂对维持机体正常生命活动、保持机体健康起着重要作用。当前通过在饲料中添加抗氧化剂改善动物健康已成为一种重要的营养调控方式。

在猪上的研究显示，β-胡萝卜素可显著提高趋化因子（C-C 基序）配体25［chemokine（C-C motif）ligand 25，CCL25］基因（CCL25）相对表达量，促进仔猪上皮细胞分泌抗体， 降低促炎细胞因子表达，提高仔猪机体免疫力和抗氧化、抗炎能力［25］。β-胡萝卜素可以增加妊娠后期母猪粪便中β-胡萝卜素含量， 同时提高血清免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IGA） 浓度和初乳IgM、IgA 和IgG等免疫球蛋白浓度，增强母猪免疫功能［26］，改善出生仔猪窝重和个体重［27］。 β-胡萝卜素可显著降低断奶仔猪肠道MDA 水平， 增强GSH-Px 和SOD活性，呈剂量依赖性抑制JNK 和p38MRK 的磷酸化水平，说明β-胡萝卜素能够缓解断奶仔猪肠道细胞内质网应激反应及凋亡，发挥抗炎作用，降低断奶应激损伤［28］。

综合多个研究发现， 番茄红素可以提高禽类的采食量、饲料转化效率以及胴体重，可增加禽类血清中的VC、VE 和VA 的含量，降低血清、内脏中的半胱氨酸和MDA 含量，同时提高HDL 含量。Sahin 等［29］研究证明，采食不同剂量的番茄红素补充剂（50、100、200 mg/kg 日粮）可提高热应激（34 ℃） 条件下日本鹅的活体重和饲料转化率，并提高机体内的抗氧化酶活性［28-35］。 番茄红素还可能在禽类的抗氧化防御系统中发挥重要作用。Sevcikova 等［35］研究表明，补充番茄红素可缓解高温胁迫下日本鹌鹑的氧化应激并提高抗氧化能力。蛋鸡在采食含番茄红素的日粮后，番茄红素不仅对蛋鸡的免疫系统发挥积极作用， 还会存储在蛋黄中对人体发挥有益作用［36］。此外，番茄红素还可改善鸡的脂质代谢和脂质分布［37］。 饲粮中添加番茄红素能通过蛋白激酶B （protein kinase B，PKB） 信号途径显著提高鹌鹑肝脏中NFE2L2 和HMOX-1 基因的表达，提高抗氧化能力，减少疾病发生［38］。 β-胡萝卜素还可显著提高21 日龄和42日龄海兰褐雏鸡血清中IgA 含量［30］。

在反刍动物上的研究也发现， 番茄红素可改善高精料饲养肉羊的生产性能， 提高羊肉中多不饱和脂肪酸的含量及背最长肌的抗氧化特性。 饲粮中添加番茄红素还可以提升肉羊的生长发育、生产性能，改善羊肉风味及肉品质，机制可能是通过调节肉羊的内分泌而缓解了饲养过程中产生的氧化应激，改善了甲状腺功能，从而提高了动物的食欲［29］。 在绵羊饲料中加入含13 g/kg 番茄红素的番茄渣， 可通过诱导参与氧化防御的基因转录活性平衡绵羊体内的氧化应激［39］。

综上所述， 在动物饲料中添加番茄红素可提高畜禽免疫机能、增强抵抗力、预防疾病、增加病畜抗应激的能力，降低畜禽淘汰率，有效减少疾病带来的经济损失。

2.2 番茄红素对动物产品品质的影响

肉用畜禽生产能力提高的同时， 可能会伴随肉品质的降低。 氧化应激会显著改变肉的适口性和营养特性，影响肌肉组织发育，降低肌肉系水力和剪切力，增加滴水损失和pH 值，提高乳酸、磷、胆固醇含量，降低肌内脂肪、游离脂肪酸、肌肉蛋白和脂肪含量， 使脂质和胆固醇易发生氧化并产生异味。 在畜禽饲料中添加番茄红素不仅可以增强动物抗应激能力， 还可以有效提高肌肉的抗氧化能力，从而改善动物的肉品质。

Agarwal 等［40］比较了母鸡日粮和子代雏鸡日粮中添加番茄红素对雏鸡孵化后前4 周机体状况的影响， 发现采食番茄红素的母鸡所产雏鸡肝脏中类胡萝卜素的浓度是对照组母鸡所产雏鸡的29 倍，并一直保持到孵化后第7 天，且发现番茄红素是所有类胡萝卜素中抗氧化活性最高的一种［40-41］。 采食富含番茄红素的饲料可显著改善日本鹌鹑肉［33］和蛋［34-35］的特性和质量。 β-胡萝卜素可以提高蛋鸡的产蛋率和平均蛋重， 改善蛋黄色泽［42］，并显著提升海兰褐雏鸡早期的日增重和胫长，并改善胸腺、脾脏、法氏囊指数［43］。 研究发现，利用β-胡萝卜素作为抗氧化剂能够提高卵母细胞质量甚至改善卵巢功能，推测β-胡萝卜素可提高动物繁殖性能［4］。

在反刍动物上的研究发现，β-胡萝卜素可提高奶牛产奶量和泌乳效率，并提高乳中总固形物、乳蛋白和乳糖含量［44］。 β-胡萝卜素可以提高肉牛屠宰率和净肉率［45］，改善肉样颜色饱和度，还能通过抑制脂肪合成和促进脂肪水解从而抑制肉牛背部脂肪沉积［46］。将番茄红素添加到羊肉中，发现含有番茄红素产品的羊肉显示出更高的储存稳定性、良好的味道、更理想的颜色和更多促进人体健康的作用［47］。 Bloukas 等［41］将天然来源的番茄红素添加到多种肉类中， 发现番茄红素能有效抑制肌肉脂肪氧化，提高肌肉系水力，减少肌肉滴水损失，稳定肉色，可使肉产品的风味及肉色明显改善。

综上分析， 在动物饲粮中添加番茄红素可以显著改善畜禽肉品质及风味， 提高畜产品的抗氧化能力，同时提高畜产品的营养价值。

3 小结与展望

番茄红素具有抗氧化、抗炎、抗癌和抗糖尿病的潜力，同时可预防多种心脏、肝脏、骨骼、皮肤以及神经和生殖系统疾病。 随着研究水平和技术的提高， 番茄红素在动物生产中的研究和应用也逐渐增多。 番茄红素不仅可提高动物生产性能和健康状况，还可改善肉质、提高畜产品品质，但其作用机制并未完全阐明，未来还需要进一步研究，尤其是对基因表达和信号通路的研究。此外，这种功能性食品补充剂的有效剂量还需要进一步研究，在动物生产中的应用也需要进一步探索。