唇形科植物提取物对单胃动物的抗氧化作用及其机制

史东辉 陈俊锋 马学会 许云贺 王佳丽

(1.辽宁医学院畜牧兽医学院，锦州 121001;2.美瑞泰科/美瑞康生物科技有限公司，广州 510080;

3.河北农业大学中兽医学院，保定 071001)

动物机体在代谢过程中不断产生自由基。自由基在机体维持正常生理功能上扮演着重要角色，如白细胞产生自由基对机体具有防御作用，参与细胞正常凋亡［1－2］，调控细胞内的信息传递等［3］。正常情况下，动物机体内自由基生成量较小，但动物在患病、应激或特殊生理条件下，机体内会产生大量的自由基，而由自由基引发的连锁反应也是倍受关注的焦点。自由基与机体内的脂质、DNA等进行反应对动物产生氧化损伤，会导致动物疾病的发生、免疫力减弱、生产力下降、产品质量降低等。

自由基又称游离基，是含有1个或多个不成对电子的原子团而独立存在的化学物质，具有强烈的氧化能力。自由基主要有活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)2类。其中ROS所占比例较高，包括超氧阴离子(O2－或HO2)、氢氧自由基(OH·)、过氧化物自由基(ROO·)、过氧化氢(H2O2)、单线态分子氧(1O2)。嗜中性白细胞受到细菌或病毒的刺激时，经由辅酶NAD(P)H产生超氧化物;OH·主要是H2O2经亚铁离子催化产生的，产生细胞毒性;ROO·会导致脂肪过氧化反应。自由基作用于脂质发生过氧化反应，对生物膜具有强烈的破坏作用，产生有毒的丙二醛(malondialdehyde，MDA)，MDA能引起突变，具有致癌的危险［4］。自由基攻击氨基酸的侧链，会引起生命大分子蛋白质和核酸的交联聚合，具有细胞毒性［5］，导致细胞结构改变和功能破坏。OH·能破坏DNA的结构，造成DNA链的断裂，导致DNA永久性的损伤［6－7］，动物机体可能因无法正常修复而致使DNA产生突变，这也是导致细胞癌化的关键因素［1，6］。

1 机体对自由基的防御机制

动物机体对不同来源的自由基有一系列的防御机制，如预防性机制、修复机制、物理性防御机制和抗氧化剂防御机制等。抗氧化剂通过抑制或减缓自由基的生成来达到修复机体的目的，对氧化损伤有重要的作用。

动物体内自由基清除体系包括酶类和非酶类体系。其中酶类抗氧化剂又称为内源性抗氧化剂，是动物体消除自由基最重要的机制之一，主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH－Px)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POX)等;非酶类抗氧化剂包括维生素抗氧化剂(维生素C、维生素E、β－胡萝卜素等)、微量元素抗氧化剂(Se、Zn、Fe、Cu 等)、谷胱甘肽(GSH)、天然植物有效成分等。目前发现有3种不同形式的 SOD，即 CuZn－SOD、Mn－SOD 和 Fe－SOD。它们的主要功能是清除超氧化物自由基，在细胞的过氧化体中，酶反应所产生的H2O2可被CAT清除，在线粒体及胞浆中所产生的H2O2常靠GSH－Px来清除。维生素E的主要作用是防止脂类过氧化，使在脂类过氧化过程中起连锁反应关键作用的ROO·转变为化学性质较不活泼的ROOH，从而使脂类过氧化的链式反应中断，从而起到终止脂类过氧化的作用，还可淬灭1O2，或与1O2发生反应，从而有效清除1O2。抗氧化剂抗氧化作用的本质不是这些物质具有抗氧化作用，而是其具有把能量代谢产生的电子传递给ROS的作用，实际上是发挥电子传递的作用。在这些反应中，酶抗氧化系统发挥的是促进传递速度的作用，非酶抗氧化系统发挥的是底物作用，从电子传递的角度，这2种系统发挥了同样的作用。

内源性抗氧化剂 SOD、GSH－Px、CAT先将自由基代谢为毒性较低的H2O2，再代谢成无毒的H2O。具体反应式如下:

上述反应中SOD需要与Cu2+、Zn2+或Mn2+结合才能发挥作用;CAT需要Fe3+或Mn2+催化反应的进行;麸氨基硫过氧化酶(GPx)需要Se催化［8］。虽然抗氧化酶由于胃酸的破坏很难由口服方式获取，但动物可从饲料中获取这些抗氧化酶的辅助因子，从而提高抗氧化酶的抗氧化功效。

2 唇形科植物提取物的抗氧化作用及作用机制

动物和人类的病原体对抗生素的抗药性不断增强，一些抗生素在饲料中被限制或禁止使用。为了保障动物健康，保证食品安全，达到更好的生长效果，越来越多的植物提取物、中草药植物被用作饲料添加剂。植物提取物、中草药植物在动物养殖中的作用可能表现为促进采食量、促进分泌消化液、刺激免疫、抗菌、抗球虫、驱虫、抗病毒、抗炎等，尤其还有抗氧化作用。

动物机体自身可产生或从饲料中获取SOD、CAT等内源性抗氧化剂和植物提取物、维生素、微量元素等外源性抗氧化剂。唇形科植物如止痢草、百里香、迷迭香、丁香、肉桂等植物提取物有较强的抗氧化性，被广泛用作饲料添加剂。

2.1 唇形科植物提取物的抗氧化作用

2.1.1 唇形科植物提取物体外抗氧化作用

用酸败试验或微粒过氧化作用试验可以检测植物提取物的抗氧化活性，酸败试验中用抗氧化因子(AF)值来表示抗氧化能力，AF值越高表明抗氧化能力越强。图1以猪油作为载体，对迷迭香提取物、橄榄油及橄榄叶提取物以及不同的茶叶样本的抗氧化能力进行了酸败试验。

与其他植物提取物相比，迷迭香提取物显示出最强的抗氧化能力。Scheeder等［9］检测了不同的中草药作为抗氧化剂的效率。与迷迭香相比，只有大黄有类似抗氧化因子的活性。橄榄油中酚类可作为有效的非生育酚类(维生素E)抗氧化剂。在体外试验的研究已经证明了其抗氧化能力、清除自由基的能力、对生物膜的抗氧化作用和抑制低密度脂蛋白氧化的作用［10－12］。百里香和止痢草也有显著的抗氧化作用，并能降低脂肪的自动氧化［13］。百里香的精油的抗氧化能力与二丁基羟基甲苯(BHT)相当，止痢草香精油对猪油的抗氧化能力与丁基羟基茴香醚(BHA)相当［14］。也有学者试验表明止痢草精油抗氧化能力低于BHT和α－生育酚，但高于抗坏血酸(图2)。

研究发现，与薄荷、柠檬精油相比，止痢草提取物抑制亚油酸过氧化能力最高，而清除自由基的能力则相似［15］。定量分析抗氧化物含量与抗氧化能力之间的关系比较困难，这是因为抗氧化物含量和他们之间或与其他植物成分间的协同作用也会影响抗氧化能力［16］。

图1 用Rancimat系统检测迷迭香及其提取物、橄榄油及橄榄叶提取物以及不同的茶叶样本的抗氧化能力Fig.1 Antioxidant capacity of the rosemary and it’s extract(Oxyless U)，olive oil andolive leaf extract as well as different tea samples measured with the Rancimat system

图2 止痢草精油、BHT、α－生育酚和抗坏血酸的抗氧化能力Fig.2 Antioxidant capacity of the oregano essential oil，BHT，α－tocopherol and ascorbic acid

Milos等［17］通过比较猪油储藏中的过氧化值变化，系统评估了一系列物质，包括止痢草的挥发性糖苷、止痢草精油、纯百里香酚、百里醌和α－生育酚的抗氧化性能。发现止痢草精油和其糖苷配基比α－生育酚更能抑制氢过氧化物的形成。另一方面，纯的百里香酚和百里醌对抑制氢化氧化物的形成比α－生育酚所起的效果要弱。这说明止痢草精油中的其他次要成分在抗氧化能力方面发挥着重要的协同作用［18］。

Economou等［13］通过在保存于75℃的猪油中加入止痢草、白鲜、麝香草、马郁兰、留兰香(荷兰薄荷)、薰衣草、紫苏对其抗氧化能力进行研究，发现止痢草提取物对猪油抗氧化作用最为有效，其次分别为麝香草、马郁兰和薰衣草。甲基异丙基苯－2，3－二醇［19］以及麝香草中发现的百里香酚和香芹酚［20－22］，都显示出强烈的抗氧化特性。Farag等［23］探讨了抗氧化能力和植物提取物饲料添加剂化学组成之间的关系。百里香酚的高度抗氧化能力是由于其苯酚羟基基团的存在，其可作为脂肪氧化第一步产生的过氧化物基团的氢供体，因此延缓氢过氧化物的形成。

迷迭香和鼠尾草具有较好的抗氧化能力，Inatani等［24］从迷迭香干叶的正己烷提取物中分离得到3种酚系二萜化合物:迷迭香酚、表迷迭香酚和异迷迭香酚。它们对猪油和亚油酸都有很强的抗氧化能力，尤其对猪油的抗氧化能力是BHA和BHT的4倍。生姜中的姜油酮、6－姜油醇、6－姜油酚均具有较强的抗氧化能力［25－26］。Nakatani等［27］还从胡椒的三氯甲烷提取物中得到5种酚系酰胺，它们均是无色、无味的化合物，抗氧化能力优于α－生育酚。

2.1.2 唇形科植物提取物体内抗氧化作用

MDA含量反映氧自由基介导的脂质过氧化程度［28］。Slavomir等［29］试验研究了在肉仔鸡饲粮中添加止痢草提取物对鸡的生长性能和鸡肉氧化稳定性的影响。试验检测了在－21℃条件下贮存了0、3、6及12个月后的鸡胸肉和腿肉中MDA的含量，结果表明，止痢草提取物能更有效地延缓脂质氧化，而不受贮藏时间的影响。鸡肉组织中MDA含量较低的原因可能是止痢草中不同的抗氧化成分进入了循环系统，分布并在组织中存留，表现出抗氧化能力。Roofchaee等［30］试验表明饲粮中添加止痢草提取物能提高肉鸡血清抗氧化能力。有学者认为止痢草、百里香和迷迭香提取物可以提高鸡肉和鸡蛋的氧化稳定性［13，19，31－32］。Botsoglou等［31］报道止痢草植物提取物饲料添加剂对于肌肉和腹脂具有抗氧化特性，提示植物提取物饲料添加剂中保护性的抗氧化成分结合在细胞膜中。有学者进一步发现抗氧化作用存在剂量依赖关系［31－33］。止痢草精油可以抑制氧化过程，其抗氧化作用随浓度的增加而增加，研究表明百里香酚和香芹酚是止痢草精油中主要的抗氧化成分［34］。

Farag等［23］试验表明，添加植物提取物比添加维生素E更能减少蛋黄中的过氧化物含量。植物提取物能减少血浆中油脂总量及蛋黄中油脂总量，这可能阻碍产生的氧化物进入蛋黄，延缓自由基生成，从而降低蛋黄中MDA含量。Botsoglou等［31］评估了饲粮添加百里香对超过60 d冷藏期的鸡蛋的氧化稳定性的影响，发现蛋鸡饲粮中添加3%的百里香，能降低蛋黄MDA含量，并不随储存时间而改变。Gerber等［35］给猪投喂干燥的鼠尾草，结果显示随着饲料中鼠尾草的添加量从0.6%增加到1.2%，猪油的TBARS(thiobarbituric acid test，广泛用于评估食品中脂肪的氧化程度)会有显著的下降。与此相反，酸败试验却显示并无显著影响。Lopez－Bote等［32］也报告，在添加迷迭香油树脂和鼠尾草油树脂投喂时，并没有发现其对猪肉抗氧化的作用。然而，给肉鸡喂食同样的植物提取物(500 mg/kg)，TBARS指标显示与空白对照组相比能改善其红肉(腿肉)和白肉(胸肉)的抗氧化能力，而且胆固醇氧化产物更低［32］。该油树脂虽然不能与生育酚醋酸酯(200 mg/kg)一样有效，但可以推断至少部分所摄入的抗氧化物质会仍然分别留在肌肉中，并仍然能发挥活性作用。

史东辉等［36］研究了止痢草提取物对断奶仔猪的抗氧化作用，表明止痢草提取物提高了血清总抗氧化能力(T－AOC)和 SOD、GSH－Px、CAT 活性。同时降低了脂质过氧化产物MDA含量。

Youdim 等［37－38］发现，麝香草属精油及其主要成分百里香酚可有效的清除自由基，从而影响体内的抗氧化防御系统，比如SOD、GSH－Px和维生素E。麝香油中起主要抗氧化作用的是百里香酚和甲基异丙基苯－2，3－二醇。除了香芹酚和百里香酚之外，其他酚类(咖啡酸、对聚伞花素－2，3－二醇及一些双酚和类黄酮)化合物也有抗氧化能力，其中有些酚类化合物的抗氧化能力比α－生育酚的抗氧化能力还要高［39－41］。

家禽体内试验研究揭示了植物提取物饲料添加剂的抗氧化特性［31－32］。研究表明，止痢草中的生物活性成分百里香酚具有较高抗氧化活性的原因是苯环上存在的羟基为脂肪氧化中第一步产生的自由基提供氢供体，阻碍了羟基过氧物的形成［23］。

2.2 唇形科植物提取物抗氧化作用的主要机制

唇形科植物提取物中的抗氧化物活性成分主要是酚类化合物和L－抗坏血酸和类胡萝卜素［15］。百里香的精油中含有百里香酚和香芹酚等抗氧化成分。陆占国等［14］从百里香分离得到6种黄酮类物质及5种联苯化合物，如对伞花－9－基－β－D－葡萄糖苷、5－β－D－葡萄糖苷百里氢醌、和2－β－D－葡萄糖苷百里氢醌等，发现了3种黄酮类化合物和2种联苯化合物。止痢草香精油含有30种以上的活性化合物，酚含量很高的化学成分主要是百里香酚、香芹酚，此外还有γ－萜品烯、ρ－异丙基甲苯、α－萜品烯、反式丁香烯［33］、迷迭香酸，特别是酚酸 C6－C1－COOH 和 C6－C3－COOH 等［42］，其中百里香酚和香芹酚的活性最强，γ－萜品烯和ρ－异丙基甲苯是生物合成百里香酚和香芹酚的前体物，此外百里醌和其他的糖苷类化合物也是潜在的抗氧化剂［17，43］。

酚类化合物可分为亲脂基团，α－生育酚和亲水基团，包括简单酚类、酚酸、花青素、类黄酮和单宁，被认为是具有抗氧化功能的重要成分。这些分子的苯环上均含有丰富的羟基，对自由基有很强的捕捉作用，是极好的氢或电子供体。由于形成的酚类游离基中间体的共振非定域作用和没有适合分子氧进攻的位置，因而比较稳定，不会引发新的游离基或者由于链反应而被迅速氧化，所以是很好的抗氧化剂［44］。邻位和对位羟基酚类化合物、甲氧基酚类化合物抗氧化作用比简单酚类化合物更有效［45］。Ruberto 等［46］研究表明，主要酚和烯丙保护基中可利用氢原子的存在是阻止主要氧化过程的屏障。

大部分唇形科植物次生代谢产物醛、酮、酸，属于异戊二烯衍生物、黄酮和硫代葡萄糖甙，这些活性成分具有生理活性［47－48］和抗氧化特性［49］。但研究表明在二次氧化过程中化合物的分子生物学分析更为困难［46］。

2.2.1 直接淬灭自由基

唇形科植物提取物通过提供活性基团，当动物机体在氧化还原反应中生成过量的自由基时，作为供氢体与自由基反应，使之形成相应的离子或分子，通过抑制自由基产生和淬灭自由基发挥抗氧化作用，阻断自由基的链式反应;也可以单电子转移的方式直接清除O2－、羟基和1O2等。对动物机体内脂质过氧化产生明显的抑制作用从而保护机体免遭自由基的损伤。如α－生育酚受自由基攻击后失去氢原子，但可藉由共振使其稳定，成为没有活性的维生素E自由基。维生素E自由基可被维生素C或GSH还原成维生素E，中断自由基的连锁反应。从而阻止磷脂膜过氧化，避免了生物膜受损［50－51］。

电子传递链中电子传递障碍和电子漏失，特别是呼吸链上的电子漏失是细胞ROS的最根本来源［52］。多酚的酚羟基中的邻位酚羟基极易被氧化，与自由基进行抽氢反应生成稳定的半醌自由基，从而阻断自由基链的传链过程，阻断了自由基链，起到抗氧化作用，通过抗氧化剂的还原作用直接给出电子而从而具有清除自由基的能力。

2.2.2 与脂类、蛋白质、维生素等螯合

植物提取物中的生物活性物质能防止脂肪酸尤其是不饱和脂肪酸被氧化，从而阻止脂质过氧化物进一步分解产生醛类，避免了MDA与一些蛋白质、核酸、脑磷脂、酶反应而产生的分子间交联聚合，保护生物膜结构，保障其流动性、通透性、离子转运及屏障功能，限制过氧化物启动子H2O2、叔－丁基过氧化氢等进入细胞内重要分子免受氧化损伤，缓解由于ROS增加导致的碱基破坏缺失或DNA链断裂、突变、无法修复和造成的细胞死亡，防止ROS生成和生物膜损伤之间形成的恶性循环，降低DNA氧化损伤和突变的发生。

蛋白质的氧化产物羰基蛋白是由ROS介导的重要的蛋白质氧化标志物，羰基还原酶水平的升高可使具有细胞毒性的羰基被还原而解毒［53］。植物提取物中有效活性成分抑制ROS产生或使其转变为无活性衍生物的酶和非酶性抗氧化剂，抵消H2O2的形成，降低了H2O2转变成毒性更强的OH·而导致的细胞内生物大分子的损伤，降低细胞内氧化性蛋白质的水平。

2.2.3 调节机体内氧化酶活性

对自由基生成的氧化酶，如黄嘌呤氧化酶系、脂氧化酶和环氧化酶等有抑制作用，同时诱导机体器官或细胞提高抗氧化酶如 CAT、SOD、GSH－Px等的活性，改变生物膜的流动性，抑制膜脂质的过氧化反应，生物膜脂质降解，从而防止产生过量的自由基，保持生物膜的通透性，防止动物机体细胞及组织的坏死，起到抑制脂质过氧化作用。2.2.4 与金属离子络合

唇形科植物提取物的活性成分通过与促氧化中的过渡金属离子螯合发挥抗氧化作用，酚类化合物的邻酚羟基可与金属离子如Fe2+、Cu2+螯合，阻止金属离子对ROS等自由基(O－2等)的生成和链式反应的催化作用抑制自由基产生，从而间接起到抗氧化作用。

2.3 影响唇形科植物提取物抗氧化活性的因素

2.3.1 饲养管理与环境

植物提取物、中草药植物的活性在动物生产中的应用效果会有不同。一般来说，在环境卫生较差［54］、饲养管理不善、生产性能低、动物健康状况不佳的情况下会发挥更大的作用。

2.3.2 生物活性成分的来源和加工方法

植物提取物和中草药本身的活性往往并不总是恒定的，这可能与植物次生代谢产物天然成分的多样性有关。品种［55］和生长环境的不同、收割时间和成熟度的差异、储存方法的不同和存储时间的长短、被污染情况(如重金属)、提取方法、以及可能的协同或拮抗作用、抗营养因子或微生物污染等，这些因素都会大大影响活体试验的结果。举例来说，从不同的地区来源和处理方式(晒干的药草和精油)或从不同的供应商得到的迷迭香、止痢草和鼠尾草，在抗氧化能力方面会表现出显著差异。

2.3.3 生物活性成分的作用方式

不同的抗氧化剂的活性不同，这取决于其极性和溶解度，而且也与发挥活性的场所有关。一些抗氧化剂是用于在贮藏过程中保护饲料中的营养成分。有的主要在消化道发挥作用，有助于保护敏感成分不被氧化，从而可以被机体吸收。在中间代谢过程中，抗氧化剂也发挥很多作用，如减少机体老化或保护消化道黏膜的完整。在养殖动物中，抗氧化剂能直接影响产品的最终质量。

3 小结

动物生产中的氧化应激不可忽视，关于氧化应激在畜牧生产中的危害应给予充分重视。今后可从以下方面进行深入研究:动物营养与自由基的基础研究;自由基产生的诱导因素;动物生产中自由基的产生和稳衡规律;从细胞及分子水平研究自由基对动物机体损伤、生产性能和产品品质的影响。关于植物次生代谢产物对动物的肌肉和脂肪组织抗氧化作用的研究成果较少，应进一步研究植物次生代谢产物在饲料和动物机体内的作用机制、吸收和代谢的生物学效率、及其在动物组织中存留带来的影响。

绿色、安全、高效的植物饲料添加剂对动物福利、生长性能、营养和能量利用方面有积极作用，中草药和植物含有许多不同的抗氧化剂，在保护消化道和机体代谢中营养成分的氧化，以及保护最终产品的氧化变质等方面都具有很高的应用潜力。因此在新型高效抗氧化剂的开发及其作用机理研究方面还有更多的工作要做。

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