白藜芦醇的生物学功能及其在反刍动物上的应用研究

张相伦， 刘晓牧， 谭秀文， 刘桂芬， 万发春

(山东省农业科学院畜牧兽医研究所，山东省畜禽疫病防治与繁育重点实验室，山东省肉牛生产性能测定中心，山东省畜禽健康养殖工程技术中心，济南 250100)

随着畜禽养殖中抗生素使用带来的药物残留、细菌耐药性等问题备受关注，我国农业农村部提出在2020年实现饲料全面禁抗。研发抗生素替代品对于促进畜牧业可持续发展具有重要意义。天然植物提取物具有安全、无残留、不易产生耐药性等特点，是理想的抗生素替代品。白藜芦醇是一种非黄酮类多酚化合物，主要存在于葡萄、虎杖、花生、桑葚等植物或其果实中，它是植物受到生物或非生物胁迫时产生的一种植物抗毒素[1]，具有广泛的生物学活性，如抗氧化、抗炎、抗菌等。目前，白藜芦醇在畜禽生产中已有部分报道，但多集中在单胃动物方面，在反刍动物方面还相对较少。本文综述了白黎芦醇的生物学功能及其在反刍动物上的研究现状，并对白藜芦醇在反刍动物上的后续研究及推广应用做出了展望。

1 白藜芦醇的理化性质

白藜芦醇又名芪三酚，化学名为3,4,5-三羟基-1,2-二苯乙烯，分子式为C14H12O3，易溶于甲醇、乙醇等有机溶剂，较难溶解于水。白藜芦醇有游离态和糖苷两种存在形式，同时具有顺式和反式2种异构体，反式异构体较顺式异构体的稳定性更高[1]。通常，植物中白藜芦醇的存在形式以反式异构体为主，其化学结构如图1。

图1 反式白藜芦醇的化学结构

2 白藜芦醇的生物学功能

2.1 抗氧化功能

由白藜芦醇的化学结构可见，白藜芦醇含有3个酚羟基，且以对位羟基的活性最强，具有较强的捕捉和清除自由基的能力。Iacopini等[2]研究了白藜芦醇体外清除自由基的特性，发现白藜芦醇对过氧硝基盐阴离子(ONNO-)和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH·)两种自由基均具有较强的清除率。白藜芦醇的衍生物同样也具有较强的清除自由基能力[3]。在组织细胞内，自由基是正常代谢过程中产生的物质，包括活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)两类。通常，机体抗氧化系统维持自由基的水平处于平稳状态，但当有外界刺激(如应激等)时，自由基就会大量产生，造成氧化损伤，严重者导致细胞凋亡,影响正常生理功能。Yun等[4]研究表明，白藜芦醇可以激活沉默调节蛋白1/叉头蛋白O3(SIRT1/FOXO3)，降低高糖导致的人单核细胞氧化水平的升高。Jin等[5]报道，白藜芦醇通过激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)和细胞外信号调节激酶/丝裂原激活的蛋白激酶(ERK/MAPK)信号通路上调核因子2相关因子2(NRF2)的表达，提高抗氧化功能，缓解过氧化氢诱导的奶牛乳腺上皮细胞氧化损伤。动物水平下，Tamaki等[6]报道，白藜芦醇通过调节SIRT1/腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)和NRF2抗氧化信号通路，降低牙周炎模型大鼠的氧化损伤水平。由此可见，白藜芦醇除具有直接清除自由基的作用外，在细胞或机体水平下还可参与信号通路的调节作用，发挥抗氧化调节功能，SIRT1和NRF2可能是其调控的主要靶点。

2.2 抗炎功能

动物易在不可控应激因素作用下发生炎症反应，给机体造成不同程度的危害[7-8]。炎症反应伴随着炎性因子(如白介素IL、肿瘤坏死因子TNF-α等)释放量的升高和炎症信号通路的激活[9]。缓解机体炎性反应、降低炎症水平对于提高动物机体免疫力，保障动物健康至关重要。Zhou等[10]发现，在兔急性咽炎模型中，白藜芦醇可降低TNF-α、IL-6水平和巨噬细胞炎症蛋白2、环氧合酶2活性，抑制Toll样受体4和髓样分化因子88表达，降低核转录因子κB(NF-κB)的磷酸化水平，缓解炎性反应。崔勇和与沈先敏[11]报道，白藜芦醇可降低炎性因子IL-6、IL-1β、TNF-α的水平，抑制炎性通路，降低脂多糖诱导的肾小管上皮细胞炎症反应。何丹等[12]研究表明，LPS处理人胚肾细胞，导致半胱天冬酶1(Caspase-1)、TNF-α、IL-1β含量升高，白藜芦醇可减缓上述不良反应，缓解炎性衰老。由此可见，白藜芦醇可有效降低外界胁迫下细胞或机体炎症因子水平，对炎症信号通路基因及蛋白表达具有理想调控效果。

2.3 抗菌功能

白藜芦醇的抗菌功能也是其研究热点之一，但相对于其抗氧化、抗炎等方面的研究，抗菌方面的研究还较少。Chan[13]报道，白藜芦醇对金黄色葡萄球菌、粪肠球菌和绿脓杆菌具有抑菌效果，对须毛癣菌、短发毛癣菌、红色毛癣菌等5种皮肤癣菌具有抑制生长的作用，抑菌浓度为25～50 μg/mL。李永军等[14]研究了白藜芦醇对甲氧西林敏感的、耐甲氧西林的和凝固酶阴性葡萄球菌的抑菌效果，发现白藜芦醇对所有金黄色葡萄球菌均具有良好的抑菌作用，最小抑菌浓度在0.256～0.512 mg/mL之间。苏军华等[15]研究表明，白藜芦醇对粪肠球菌和屎肠球菌生长均具有抑制作用，最小抑菌浓度为0.256～0.512 mg/mL。Hwang等[16]报道，随着白藜芦醇浓度的升高，大肠杆菌的生长抑制率显著升高，最小抑菌浓度为456 μg/mL，发现白藜芦醇通过抑制分裂蛋白(FtsZ)蛋白表达和Z环形成实现抑菌。白藜芦醇的抗菌机制主要有以下几个方面:一是干扰细菌细胞壁的合成，损伤细胞膜，影响菌体正常周期；二是减弱细菌的黏附能力，抑制毒性因子产生；三是干扰细菌信号传导，影响细菌正常生长[17-18]。但是，白藜芦醇对反刍动物瘤胃微生物的影响研究还较少，鉴于瘤胃微生物组成复杂，白藜芦醇是否对其产生影响及产生何种影响，需开展系统研究。

2.4 脂类代谢调节功能

Ajmo等[19]报道，白藜芦醇能够降低肝脏中脂肪的合成，提高脂肪酸的氧化速率，预防小鼠酒精性脂肪肝的发生，SIRT1-AMPK信号通路发挥重要作用。Ahn等[20]研究发现，白藜芦醇可以降低动脉粥样硬化大鼠模型的血脂水平和脂肪肝发病率，调节肝脏中脂质代谢相关基因表达。从细胞水平上看，Rayalam等[21]发现，白藜芦醇能诱导3T3-L1脂肪细胞的凋亡，抑制脂肪的形成，过氧化物酶体增殖物激活受体γ、脂肪代谢相关基因均参与调控作用。Bai等[22]在猪前体脂肪细胞上研究表明，白藜芦醇能够显著抑制前体脂肪细胞的增殖和分化，SIRT1基因在其中发挥重要作用。Chen等[23]报道，白藜芦醇降低线粒体膜电位和激活Caspase-3诱导脂肪细胞凋亡，分析发现AMPK的磷酸化水平显著提高，AKT磷酸化水平降低。可见，白藜芦醇可有效促进脂肪细胞的凋亡或抑制前体脂肪细胞的增殖和分化，进而减少体内脂肪的合成，SIRT1和AMPK是其主要调控作用点。

3 白藜芦醇在反刍动物上的应用研究

3.1 对生产性能及营养物质利用率的影响

目前，白藜芦醇在畜禽生产上的应用评价主要集中在单胃动物方面，并证实其可提高应激状态下动物的生产性能[24]，但不能改善正常饲养条件下的生产性能[25-26]。反刍动物方面，Ma等[27]发现，杜寒羊每日供给0.25 g/头白藜芦醇对干物质采食量无显著影响，但可显著提高有机物、氮和纤维的表观消化率。张卫兵[28]以荷斯坦母犊牛为研究对象，发现饲料中添加4 mg/kg体重的白藜芦醇能显著提高0～2月龄犊牛采食量，增加哺乳期犊牛的胸围和十字部高，但对营养物质消化率无显著影响；持续饲喂至6月龄可从数值上提高体重，但未达显著水平。上述报道表明，在反刍动物日粮中添加适宜水平的白藜芦醇可在一定程度上改善生产性能,提高养分利用率，但由于现有报道数量少，部分结果仍存在矛盾，需开展深入研究。

3.2 对瘤胃发酵及气体代谢的影响

瘤胃内挥发性脂肪酸是反刍动物机体能量的主要来源，主要以淀粉或纤维为底物，由瘤胃微生物酶解或代谢产生。在瘤胃发酵过程中，产生甲烷是能量损失的重要途径之一，并且与环境温室效应密切相关。Becker和van Wikselaar[29]利用非泌乳期奶牛瘤胃液进行体外试验，发现白藜芦醇可显著降低甲烷产量、挥发性脂肪酸含量，分析原因可能与白藜芦醇抑制细菌的生长、降低瘤胃发酵速度有关。体内试验中，Ma等[27]报道，杜寒羊每日供给0.25 g白藜芦醇显著降低甲烷产量，不影响瘤胃pH值、氨态氮和总挥发性脂肪酸的含量，但降低了乙酸/丙酸值，分析发现白藜芦醇组产甲烷菌和原生动物均显著减少。Chen等[30]在杜寒羊上的研究也发现，白藜芦醇可降低瘤胃甲烷产量和二氧化碳排放量，提高代谢能水平。张卫兵等[31]在哺乳期犊牛上的研究发现，添加4 mg/kg体重的白藜芦醇对瘤胃pH值、氨态氮和总挥发性脂肪酸含量均无显著影响，但提高了乙酸/丙酸值。上述报道表明，在反刍动物日粮中添加白藜芦醇可降低甲烷产量，减少产甲烷菌和原虫的数量，有利于环境减排。但从报道中也发现，白藜芦醇降低瘤胃内挥发性脂肪酸含量或导致其组成比例发生变化，说明白藜芦醇可能对瘤胃纤维素分解相关微生物的生长产生抑制或改变瘤胃发酵类型，具体机制尚不明确。

3.3 对胴体品质及肌肉品质的影响

生产高品质畜产品一直是畜禽养殖的重要目标，机体内脂肪的过度沉积往往导致胴体品质下降。在单胃动物方面，研究发现白藜芦醇可降低内脏脂肪沉积，调节脂质代谢相关基因的表达[32]，并对肌肉色泽、系水力有改善效果[25,33]。但在反刍动物生产上尚未见报道。本实验室从细胞角度出发，发现白藜芦醇通过激活SIRT1/AMPK信号通路，调控下游FOXO1，促进鲁西黄牛皮下脂肪细胞凋亡[34]。同样，在鲁西黄牛肌间脂肪细胞上也得出了上述类似的结果[35]。但值得注意的是，皮下脂肪细胞凋亡敏感度约2倍高于肌间脂肪细胞,说明不同脂肪组织对白藜芦醇的敏感度不一样，推测适宜水平白藜芦醇可能在降低肉牛皮下脂肪沉积的同时，不影响肌内脂肪的沉积，这对于调控脂肪的定向沉积、提高胴体品质具有重要意义，但具体应用效果及机理需进一步研究。

4 小结与展望

绿色、功能性饲料添加剂的研发一直是动物营养研究的热点，白藜芦醇是一种天然植物提取物，具有较高的生物学活性。近年来，白藜芦醇在动物营养研究领域已引起重视，但在反刍动物方面的研究还十分欠缺，尚无充足数据可参考，限制了其推广应用。后续研究要围绕白藜芦醇的饲用安全性、瘤胃内环境、调控脂肪沉积机理和经济效益评价等方面开展系统探讨，以期为反刍动物新型饲料添加剂的研发奠定基础。