吉瑩利 劉碧凡 楊 婷 趙玉蓉

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410128）

β-胡蘿卜素是自然界中較為豐富的類胡蘿卜素之一， 作為一種最穩(wěn)定的天然色素， 其廣泛存在于天然時(shí)令蔬菜和水果中， 如胡蘿卜、 菠菜、西蘭花、 番茄、 芒果、 木鰲果等。 不同蔬菜和水果其β-胡蘿卜素含量不盡相同， 大體上是顏色越深其含量越豐富。 自19 世紀(jì)30 年代Wackenroder 首次從胡蘿卜中提取出β-胡蘿卜素以來(lái)，發(fā)現(xiàn)其具有較強(qiáng)的抗氧化、 促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化、 調(diào)控細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)、 影響基因的表達(dá)、 增強(qiáng)免疫以及抗炎、 抗癌、 防治心血管疾病、 延緩衰老等作用。 β-胡蘿卜素作為維生素A 較為安全的一種前體形式； 不同動(dòng)物對(duì)于其代謝存在差異性， 有研究證明不同動(dòng)物腸道和其他組織存在特定載體蛋白， 嚴(yán)格調(diào)控β-胡蘿卜素的吸收和積累， 對(duì)于不同物種的代謝途徑仍需探究。 近年來(lái)隨著對(duì)β-胡蘿卜素研究的不斷深入， 全球β-胡蘿卜素的需求量越來(lái)越高， 目前β-胡蘿卜素已在世界上52 個(gè)國(guó)家和地區(qū)被批準(zhǔn)作為所有動(dòng)物的飼料添加劑使用。 本文主要就β-胡蘿卜的代謝途徑及生物學(xué)活性及其應(yīng)用進(jìn)行綜述， 以期為β-胡蘿卜開(kāi)發(fā)利用和動(dòng)物的健康養(yǎng)殖提供參考。

1 β-胡蘿卜素的理化性質(zhì)

β-胡蘿卜素（分子式C40H56） 是一種橘紅色至暗紅色的有光澤的斜方六面體、 板狀微晶體或結(jié)晶性粉末， 具有輕微的異味， 熔點(diǎn)為176～184℃， 不溶于水、 丙二醇和甘油， 微溶于乙醇、甲醇和乙醚， 易溶于氯仿、 己烷、 二硫化碳、 丙酮、 苯， 遇光和熱不穩(wěn)定， 較易被氧化。 β-胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由四個(gè)異戊二烯雙鍵相連而成， 主要有全反式、 9-順式、 13-順式和15-順式4 種結(jié)構(gòu)式。 在順式結(jié)構(gòu)中， 由于雙鍵附近的氫原子之間或氫原子與甲基基團(tuán)之間會(huì)存在較大的空間位阻， 因此造成順式結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定， 所以天然β-胡蘿卜素主要以全反式結(jié)構(gòu)（圖1） 存在。

2 β-胡蘿卜素的代謝途徑

人與動(dòng)物通過(guò)飲食攝入β-胡蘿卜素經(jīng)咀嚼進(jìn)入腸道， 在腸道酶作用下β-胡蘿卜素從食物中釋放出來(lái)， 主要在小腸與酯類物質(zhì)經(jīng)過(guò)乳化形成乳糜微粒， 通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散被小腸黏膜細(xì)胞吸收。 機(jī)體對(duì)食物中β-胡蘿卜素的吸收差別很大，主要取決于食物中β-胡蘿卜素含量、 脂質(zhì)類型、其他胡蘿卜素和維生素A 因素以及動(dòng)物物種等。

β-胡蘿卜素作為一種高親脂性非極性分子，主要以蛋白質(zhì)復(fù)合物的形式存在， 動(dòng)物小腸黏膜上皮細(xì)胞對(duì)食物中β-胡蘿卜素的吸收步驟是：（1） 在胃中的胃蛋白酶和其他消化酶的作用下，β-胡蘿卜素從蛋白質(zhì)復(fù)合物中釋放出來(lái)； （2）釋放出的β-胡蘿卜素在十二指腸與其他脂類物質(zhì)在膽汁的乳化作用下形成乳糜微粒； 乳糜微粒進(jìn)入到小腸， 隨后被小腸黏膜上皮細(xì)胞吸收；（3） 含β-胡蘿卜素乳糜微粒進(jìn)入小腸黏膜上皮細(xì)胞后主要有三個(gè)去處， 其一是β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素-15， 15-單加氧酶（β， β-Carotene 15， 15-monooxygenase， BCOⅠ） 和β-胡蘿卜素-9， 10-雙加氧酶 （β， β-carotene 9， 10-dioxygenase， BCOⅡ） 作用下轉(zhuǎn)化成維生素A，其二是β-胡蘿卜素隨更新的黏膜上皮細(xì)胞重新進(jìn)入腸道， 之后排出體外； 其三是β-胡蘿卜素經(jīng)門(mén)靜脈或淋巴進(jìn)入血液循環(huán)并進(jìn)一步運(yùn)送到肝臟和其他靶組織， 其中部分β-胡蘿卜素可以在肝臟內(nèi)被轉(zhuǎn)化為維生素A、 被貯存或參與機(jī)體的其他生物學(xué)功能。

3 β-胡蘿卜素生物學(xué)功能及其應(yīng)用

研究證明許多類胡蘿卜素具有維生素A 活性， 其中β-胡蘿卜素活性最高， 因而成為動(dòng)物機(jī)體維生素A 的重要來(lái)源。 早在20 世紀(jì)30 年代Steenkbock 就發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素可能具有維生素A活性。 Moore 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明β-胡蘿卜素可以在動(dòng)物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A， 發(fā)揮維生素A 的作用。β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A 有兩個(gè)途徑： （1）中心裂解（對(duì)稱裂解）： β-胡蘿卜素在BCOⅠ的作用下產(chǎn)生兩分子維生素A； （2） 偏心裂解（非對(duì)稱裂解）： β-胡蘿卜素在BCOⅡ的作用下產(chǎn)生一份子維生素A。 研究表明， 動(dòng)物機(jī)體并不能夠直接合成維生素A， 只能從食物中攝入維生素A 和維生素A 源； 在機(jī)體缺乏維生素A 時(shí)，BCO 含量與活性增加， 能將儲(chǔ)存在肝臟中β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A； 當(dāng)體內(nèi)維生素A 增加到需要量時(shí)， 此轉(zhuǎn)化立即停止， 不會(huì)造成維生素A的過(guò)量積累。 即， 動(dòng)物具有一定通過(guò)調(diào)控BCO的活性的能力來(lái)維持體內(nèi)維生素A 的動(dòng)態(tài)平衡。

機(jī)體在正常條件下處于氧化和抗氧化平衡狀態(tài)， 這種平衡的基礎(chǔ)是由抗氧化防御體系所維持， 其分為酶體系和非酶體系， 酶體系包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、 過(guò)氧化氫酶（catalase， CAT）、 谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（glutathione peroxidase， GSH-Px） 等， 非酶體系包括還原型谷胱甘肽（glutathione， GSH）、 維生素C、 維生素E 以及一些天然抗氧化劑等。 體內(nèi)的活性氧（reactive oxygen species， ROS） 是細(xì)胞正常代謝而形成的副產(chǎn)物， 低水平ROS 作為一類信號(hào)分子在機(jī)體內(nèi)的許多信號(hào)傳遞途徑中起著至關(guān)重要的作用； 但在機(jī)體受到不良刺激時(shí)，ROS 產(chǎn)生增多， 機(jī)體的抗氧化防御體系不能及時(shí)清除， 這種平衡被打破， 進(jìn)而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損傷。

ROS 主要有超氧陰離子（O2-）、 過(guò)氧化氫（H2O2）、 羥自由基（OH-）、 臭氧（O3） 和單線態(tài)氧（1O2）。 β-胡蘿卜素含有多烯烴特殊分子結(jié)構(gòu)， 因此其擁有較強(qiáng)的自由基捕獲能力， 能夠清除ROS， 明顯改善機(jī)體的抗氧化狀態(tài)。 研究數(shù)據(jù)顯示1 分子的β-胡蘿卜素可以抑制1000 個(gè)1O2。目前， β-胡蘿卜素與ROS 反應(yīng)主要通過(guò)3 種途徑， 其一是電子轉(zhuǎn)移機(jī)制， 其二是氫原子轉(zhuǎn)移機(jī)制， 其三是自由基加成反應(yīng)。 有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素能通過(guò)激活核因子E2 相關(guān)因子2（NF-E2-related factor 2， Nrf2） - Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1 （Kelch-like ECH-associated protein 1， Keap1） -抗氧化反應(yīng)元件 （antioxidant response element， ARE） 信號(hào)通路上調(diào)抗氧化酶基因的表達(dá)， 從而增強(qiáng)機(jī)體抗氧化酶清除自由基的能力。 Szczubia 通過(guò)給妊娠母豬后期肌肉注射β-胡蘿卜素， 發(fā)現(xiàn)母豬血液紅細(xì)胞的GSHPx、 CAT、 SOD 的水平顯著升高。 Salem 給小鼠補(bǔ)充β-胡蘿卜素， 發(fā)現(xiàn)GSH-Px 的水平顯著提高， 丙二醛（malondialdehyde， MDA） 的含量顯著降低。 研究發(fā)現(xiàn)， 在奶牛和肉牛日糧中添加適量的β-胡蘿卜素能夠顯著提高血清中GSH-Px、CAT 和SOD 的水平， 同時(shí)顯著降低MDA 的含量。 Akcakaya 等用過(guò)氧化H2O2對(duì)K562 細(xì)胞進(jìn)行氧化應(yīng)激試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素與H2O2同時(shí)處理或后處理對(duì)細(xì)胞的氧化損傷沒(méi)有改善作用， 但β-胡蘿卜素的前處理則顯著改善H2O2對(duì)細(xì)胞的氧化損傷。

β-胡蘿卜素通過(guò)提高機(jī)體的細(xì)胞免疫、 體液免疫及非特異性免疫反應(yīng)， 而增強(qiáng)對(duì)某些疾病的抵抗力， 改善動(dòng)物健康。 張曉音等研究結(jié)果表明，β-胡蘿卜素能顯著提高脂多糖（lipopolysaccharide， LPS） 刺激的巨噬細(xì)胞RAW264.7 的細(xì)胞活力。 Ma 等經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小鼠飼喂環(huán)磷酰胺（cyclophosphamide， CTX） 后補(bǔ)飼β-胡蘿卜素能夠改善CTX 引起的免疫抑制小鼠免疫器官的損傷、提高小鼠血清中細(xì)胞因子和免疫球蛋白的含量。吉昱斌等研究表明， 在1 日齡海蘭褐雛雞日糧中添加不同劑量的β-胡蘿卜素能顯著提高雛雞血液中免疫球蛋白A （IgA） 的含量。 同時(shí)Lo 等發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素通過(guò)調(diào)節(jié)粒-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocytemacrophage-colony stimulating factor，GM-CSF)、 白細(xì)胞介素-6 (interleukin-6， IL-16)和基質(zhì)金屬蛋白酶-9 (matrix metalloprotein，MMP-9) 的分泌， 進(jìn)而提高機(jī)體的免疫能力。Maho 等通過(guò)給日本黑牛飼喂β-胡蘿卜素發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素能夠顯著提高初乳中免疫球蛋白G（IgG） 含量。 劉海燕等在21 日齡海蘭褐雛雞日糧中添加不同劑量的β-胡蘿卜素， 發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素顯著改善雛雞的免疫器官指數(shù)。 李雁強(qiáng)發(fā)現(xiàn)妊娠母豬的基礎(chǔ)日糧中添加β-胡蘿卜素， 能夠提高新生仔豬的免疫能力， 增加仔豬的健仔率與斷奶重， 顯著降低仔豬從出生至斷奶期間的死亡率。

在動(dòng)物體內(nèi)β-胡蘿卜素可以保護(hù)子宮、 卵巢及活性生殖細(xì)胞免受氧化反應(yīng)的破壞， 從而保護(hù)生殖系統(tǒng)重要的細(xì)胞器， 進(jìn)而增強(qiáng)動(dòng)物的繁殖能力， 提高生產(chǎn)性能。 β-胡蘿卜素還能夠刺激孕酮的產(chǎn)生， 并與雌激素、 黃體素的合成有關(guān)并提高其活性。

相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道， 生產(chǎn)實(shí)踐中在奶牛的日糧中添加β-胡蘿卜素后， 奶牛產(chǎn)后胎衣不下的發(fā)病減少15%， 乳腺炎發(fā)病率下降17%， 奶牛產(chǎn)后90 d 內(nèi)受胎率提高14%。 馬吉鋒等研究發(fā)現(xiàn)，奶?；A(chǔ)日糧中添加100、 200、 300mg/kg β-胡蘿卜素， 相比未添加的對(duì)照組， β-胡蘿卜素可以改善奶牛繁殖性能， 降低牛奶中的體細(xì)胞數(shù)。 李梓妍在奶牛日糧中添加不同劑量β-胡蘿卜素（0、 200、 400mg/頭·d）， 結(jié)果表明， 奶牛產(chǎn)后添加400mg/頭·dβ-胡蘿卜素可以顯著減少配種次數(shù)， 縮短奶牛產(chǎn)后首次發(fā)情時(shí)間和首次配種時(shí)間， 減少空懷天數(shù)， 提高情期受胎率， 顯著降低產(chǎn)后繁殖疾病的發(fā)生； 在日糧中添加β-胡蘿卜素有升高血清中孕酮的趨勢(shì)， 促卵泡素和雌激素的含量顯著升高。 劉銳鋼等也研究表明， 懷孕后期母豬日糧中添加微囊化β-胡蘿卜素顯著增加母豬血清中雌二醇和孕酮含量。 其可能機(jī)制是β-胡蘿卜素作為一種抗氧化劑在保護(hù)卵泡細(xì)胞及子宮內(nèi)膜類固醇激素的生成起著重要作用。Arellano-Rodriguez 等研究發(fā)現(xiàn)短期補(bǔ)充β-胡蘿卜素可以提高山羊排卵率， 同時(shí)增強(qiáng)黃體組織的合成和分泌孕酮。

β-胡蘿卜素分子中特殊的共軛雙鍵結(jié)構(gòu)通過(guò)吸光性能決定其自身顏色， 同時(shí)其也具有良好的著色性能。 張慧等發(fā)現(xiàn)在肉雞飼料中添加β-胡蘿卜素能提高肉雞的肉色和雞腿脛部的著色力。李俊營(yíng)等研究表明， 玉米-豆粕型日糧中添加β-胡蘿卜素能夠顯著改善蛋黃的色澤。 黎雄等也同樣發(fā)現(xiàn)， 產(chǎn)蛋高峰期母雞日糧中添加β-胡蘿卜素顯著提高蛋黃顏色， 改善雞蛋品質(zhì)。 另外， β-胡蘿卜素對(duì)脂肪代謝具有明顯的調(diào)節(jié)作用。 Jin等研究表明， β-胡蘿卜素能通過(guò)抑制脂肪合成和增強(qiáng)脂肪水解來(lái)抑制肉牛脂肪沉積。 也有研究者證明給育肥期肉牛飼喂過(guò)多β-胡蘿卜素明顯提高其肉色黃度而降低了牛肉的等級(jí)， 因而處于育肥期的肉牛因補(bǔ)給適量的β-胡蘿卜素。 袁德智等通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了添加研究表明， 肥育豬基礎(chǔ)日糧中添加30 mg/kg 的β-胡蘿卜素可以改善宰后豬肉pH 值及肉色， 減少劣質(zhì)肉產(chǎn)生。 其機(jī)制可能是β-胡蘿卜素降低了細(xì)胞膜的脂類氧化， 減少了細(xì)胞內(nèi)液的滲出。 靳青等在肉?；A(chǔ)日糧中添加0、 600、 1 200、 1 800mg/d 的β-胡蘿卜素， 發(fā)現(xiàn)日糧添加β-胡蘿卜素可極顯著提高肉牛肝臟β -胡蘿卜素水平， 屠宰率和凈肉率隨添加量增高顯著升高。 武洪久等和夏耘研究均表明， 奶牛日糧中添β-胡蘿卜素可以顯著提高奶品質(zhì)。

Li 等研究表明， β-胡蘿卜素可通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞中的核因子κB （nuclear factor κ-B， NFκB）、 Janus 激酶2 （JAK2） / 信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白（signal transducer and activator of transcription， STAT3） 和c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase， JNK） /p38 絲裂原活化的蛋 白 激 酶 （mitogen-activated protein kinase，MAPK） 信號(hào)通路來(lái)減輕LPS 誘導(dǎo)的炎癥。 Cho等發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素通過(guò)抑制促炎性脂肪因子單核細(xì)胞趨化蛋白-1 (monocyte chemoattractant protein， MCP-1) 和調(diào)節(jié)活化T 細(xì)胞表達(dá)和分泌，以及增強(qiáng)脂肪細(xì)胞中的脂聯(lián)素來(lái)抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的炎癥。 β-胡蘿卜素預(yù)處理仔豬空腸上皮細(xì)胞（IPEC-J2） 能夠降低LPS 誘導(dǎo)的IPEC-J2 炎癥損傷。 研究表明， β-胡蘿卜素能夠抑制促炎細(xì)胞因子基因的表達(dá)和介導(dǎo)， 通過(guò)抑制NF-κB 的抑制蛋白（inhibitor of NF-κB， IκB） 的降解進(jìn)而抑制NF-κB 活化而抑制LPS 誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。 β-胡蘿卜素能夠減輕斷奶對(duì)仔豬的腸道炎癥損傷、促進(jìn)斷奶仔豬生長(zhǎng)、 改善腸道形態(tài)。 其可能機(jī)制是β-胡蘿卜素通過(guò)下調(diào)炎癥相關(guān)信號(hào)通路蛋白NF-κB 的水平來(lái)緩解仔豬的腸道炎癥損傷。 β-胡蘿卜素除了能夠通過(guò)抑制NF-κB 通路， 也能通過(guò)抑制激活子蛋白-1 （activator protein-1，AP-1） 和MAPKs 信號(hào)通路來(lái)緩解炎癥。 研究發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素通過(guò)抑制促炎因子和調(diào)節(jié)正常T細(xì)胞表達(dá)和分泌， 同時(shí)抑制轉(zhuǎn)錄因子的激活， 因而緩解預(yù)防炎癥以及炎癥并發(fā)癥。

研究發(fā)現(xiàn)， β-胡蘿卜素可以增強(qiáng)細(xì)胞間隙的連接通訊， 減少外界應(yīng)激對(duì)腸道的損傷， 從而抑制或降低疾病的發(fā)生。 研究表明， β-胡蘿卜素預(yù)處理能顯著增強(qiáng)LPS 應(yīng)激的IPEC-J2 細(xì)胞活力和跨膜電阻抗值， 緩解高劑量二甲基亞硝胺引起的急性期反應(yīng)納米二氧化鈦誘導(dǎo)的小鼠睪丸生殖細(xì)胞損傷， 顯著增高海蘭褐后備期蛋雞十二指腸和空腸絨毛高度， 同時(shí)β-胡蘿卜素對(duì)于癌細(xì)胞是一種細(xì)胞凋亡劑， 并且對(duì)正常細(xì)胞沒(méi)有負(fù)面影響。 Park 等發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素能夠誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞凋亡。 周彤等研究發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素能夠減輕阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征所導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶能力受損， 并推測(cè)其機(jī)制是抑制caspase-3、 磷酸化-tau（p-tau） 蛋白表達(dá)密切相關(guān)。

4 小結(jié)

綜上所述， β-胡蘿卜素的研究已有近200 年的歷史， 其在動(dòng)物生產(chǎn)中β-胡蘿卜素發(fā)揮著不可忽視的作用， 為畜牧業(yè)的綠色高效、 健康發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。 一方面， 天然β-胡蘿卜素（多種異構(gòu)體共存） 較為昂貴， 化學(xué)合成的β-胡蘿卜素（全反式） 在特定的條件下對(duì)機(jī)體有一定毒副作用； 并且食品、 化妝品、 醫(yī)藥等行業(yè)對(duì)天然β-胡蘿卜的大量需求， 使得其在畜牧業(yè)中的廣泛應(yīng)用受到一定的阻礙， 因此對(duì)β-胡蘿卜素異構(gòu)體的工業(yè)化生產(chǎn)需要進(jìn)一步探索。 另一方面， 由于不同動(dòng)物對(duì)β-胡蘿卜素的代謝吸收存在差異， 動(dòng)物生產(chǎn)中適宜添加量和某些具體的生物學(xué)功能作用及其代謝機(jī)制尚不完全明確， 仍需進(jìn)一步深入探究。

參考文獻(xiàn)（略）