姜黄素生物学功能及其在猪生产中应用的研究进展

薛惠琴,涂尾龙,2*

(1上海市农业科学院畜牧兽医研究所,上海 201106;2上海种猪工程技术研究中心,上海 201302)

姜黄素(Curcumin)是一种天然化合物,是从姜科、天南星科中的一些植物(如姜黄、郁金等)根茎中提取的一种二酮类化合物[1]。姜黄素原产南亚热带地区,最初出现在印度次大陆,又称印度藏红花、咖喱粉[2],13世纪被引入欧洲[3],15世纪作为香料引入欧美大陆[4],1815年,姜黄素首次从姜黄中提纯出来[5]。近年来,姜黄素作为一种保健和药用的功能物质[6-7],逐渐被人们熟知。姜黄素用途广泛,尤其在抗炎和抗氧化功效方面,被国内外学者关注。姜黄素是联合国粮农组织食品法典委员会(FAO∕WHO-1995)批准的食品添加剂,美国食品和药品管理局(FDA)认证的安全食品添加剂,我国颁布的《食品添加剂使用标准》(GB 2760—2011)允许使用的食品添加剂,其作为食品添加剂的安全性毋庸置疑。姜黄素不仅作为天然色素广泛应用于食品添加剂中,用于加工罐头、酱卤制品等,还因其具有较好的杀菌抗炎、抗氧化等性能,应用于动物饲料行业[8]。

但是,姜黄素作为饲料添加剂应用于动物健康养殖中,由于成本等问题,饲料加工企业及养殖企业认可度不高,其在中国推广应用比较滞后。随着中国经济迅速发展,人们对畜产品的品质要求越来越高,对畜禽饲料添加剂的安全性要求也就越来越高。我国农业农村部颁布了194号公告,自2020年1月1日起“退出除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂品种”,动物饲料全面“禁抗”。姜黄素作为中草药添加剂应用于动物健康饲养中,由于其天然的绿色、环保,又具有一定的功能性,其研究开始被重视。因此,笔者介绍姜黄素的生理生化特性、免疫特性、抗氧化等多方面生物学功能,阐述其在猪生产中的应用进展,并对后续研究进行展望。

1 姜黄素分子结构及理化特性

1.1 姜黄素分子结构

姜黄素分子C21H20O6,为对称分子,1910年,姜黄素的结构被描述为双阿魏酰甲烷[9],其化学结构为α,β-不饱和-β-二酮基,苯环上有芬羟基和甲氧基[10],分子结构如图1,相对分子质量为368.37。

图1 姜黄素的化学结构Fig.1 Chemical structure of curcumin

1.2 姜黄素理化特性

姜黄素为橙黄色结晶粉末,不溶解于水,但溶于冰醋酸、乙醇、丙二醛和碱性溶液,味稍苦,熔点为183℃。姜黄素化学反应性非常强[11],在碱性时为红褐色,中性或酸性时为黄色。当姜黄素溶于溶液时,以酚类形式存在,能够清除自由基。姜黄素吸光值为415—420 nm,高温或强光下容易分解,产生醛类及烷类物质[12]。

2 姜黄素生物学功能

2.1 姜黄素的抗菌消炎作用

大多数慢性疾病(如关节炎、胃炎、胰腺炎等)都是机体炎症调节平衡遭到破坏引起的,炎症的进一步加深会引起组织损伤甚至坏死。姜黄素含有活性成分,能够抑制炎症因子如肿瘤坏死因子(TNF-α、INFγ)、白细胞介素(IL)、干扰素(γ)等和转录因子(AP-1),介导炎症相关的信号通路(NF-κB),以此起到治疗的作用。Shishodia[13]研究表明,姜黄素通过抑制P38 MAPK信号通路中的核因子活性,表现其抗菌消炎的作用,能增强机体免疫调节功能,减少机体发生炎症,进一步研究发现其靶点在于生长因子、转录及炎性因子。Julie等[14]研究表明,姜黄素能够通过上调IL-10的表达,下调COX-2,诱导iNOS酶的表达来达到抗菌消炎的效果。Ghosh等[15]研究发现,在构造急性肾损伤小鼠模型时,经姜黄素处理后,小鼠肾脏NF-κB表达下降,TNF-α因子的分泌受到抑制,小鼠炎症的减轻降低了其肾脏损伤程度。上述研究表明,姜黄素能够抑制相关酶的活性,并通过阻止其代谢反应来抑制炎症因子,抑制如胃炎、胰腺炎等慢性炎症。Antony等[16]用姜黄素饲喂肉鸡后,检测其对鸡血常规指标的影响发现,姜黄素提高了肉鸡血液中的白细胞(WBC)计数和红细胞(RBC)计数,分析原因可能是姜黄素含有生物活性功能。用姜黄素处理鸡组织黏膜淋巴T细胞和B细胞时,发现其能调节淋巴T细胞和淋巴B细胞介导的免疫功能[17-18]。South等[19]用40 g∕kg剂量的姜黄素饲喂小鼠5周后,小鼠血清中的免疫球蛋白IgG含量显著提高,小鼠免疫力提高,抗病能力增强。姜黄素不仅能提高机体免疫能力,还能直接杀死肺炎、脑膜炎等引起人类疾病的细菌,如革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、肠球菌等)和革兰氏阴性菌[20]。采用姜黄素抑制大肠杆菌,发现其能够上调细菌中凋亡样蛋白RecA的表达,从而诱导大肠杆菌活性氧(ROS)积聚以及钙离子内流[21]。姜黄素对病毒甚至黄曲霉毒素有一定的抑制率。Jeong等[22]研究出血败血症病毒(VHSV)时发现,姜黄素可以在VHSV早期感染中,通过下调HSC71,抑制病毒进入时重组F-actin∕G-actin的比例,抑制VHSV的进一步加深感染。Yarru等[23]通过在含黄曲霉毒素的鸡饲料添加姜黄素,发现一定剂量的姜黄素可以显著降低黄曲霉毒素给肉鸡带来的毒性。

姜黄素通过其自身的生物活性,能够直接杀灭相关细菌,通过抑制炎症因子或抑制相关信号通路,来提高机体免疫力,达到抗菌消炎的作用。

2.2 姜黄素的抗氧化作用

生物有机体衰老或疾病的生理过程,往往与机体自身体内过量的自由基有较大的相关性,而姜黄素能够提高抗氧化酶活性,改善氧化应激,发挥抗氧化作用。正常情况下,机体本身的抗氧化系统能清除自由基,但当机体处于应激状态下,会产生大量的自由基,抗氧化系统能力不足以清除时,这些自由基就会攻击细胞,给组织带来氧化损伤[24]。姜黄素有一个β-二酮和两个邻甲基化的酚,这种独特的化学结构可以阻断自由基的反应,甲氧基更进一步加强抗氧化能力,从而提高机体抗氧化作用[25]。Ammon等[26]通过姜黄素对自由基作用的研究发现,姜黄素可以清除巨噬细胞中的自由基,保护血红蛋白和脂质不被氧化,其抗氧化能力和维生素C、维生素E相当。姜黄素除了能清除机体过量的自由基以及抗氧化特性,还能增强如谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)、超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶的活性,增强机体的抗氧化能力[27]。Ruan等[28]通过饲喂姜黄素对仔猪肠道影响研究的结果发现,姜黄素可提高仔猪大肠等肠道内的CAT、HO-1、Nrf2和SOD1等相关基因的表达量,从而提高仔猪肠道内的SOD、GSH-PX的活性,进而提高仔猪肠道的抗氧化能力。姜黄素还被证明是一种能够清除活性氧(ROS)、同时诱导抗氧化剂的双功能抗氧化剂,可防止脂质和蛋白质被氧化,激活SOD和GSH-PX活性,降低MDA含量[29-30]。Luo等[31]考察姜黄素对小鼠骨骼肌的影响,研究表明姜黄素能显著提高Nrf2的活性,降低丙二醛(MDA)含量,以此缓解骨骼肌肉的氧化应激。Waseem等[32]对氧化损伤大鼠模型的研究发现,姜黄素能够显著提高大鼠线粒体内的SOD活性,降低MDA含量,大鼠的氧化损伤程度有所减轻。Perker等[33]研究表明,姜黄素借助自身分子结构的特点,可抑制过氧化氢、羟自由基和脂质过氧化,减少过氧化对成纤维细胞带来的氧化损伤。另外,还有研究发现姜黄素能够通过抑制氧化还原转录因子,来激活过氧化物酶体增殖激活受体γ(PPAR-γ)蛋白,或者降低过氧化物酶体增殖激活受体(PPAR)的活性,缓解机体氧化应激反应[34-35]。我国学者也对姜黄素抗氧化作用做了大量研究,结果表明姜黄素利用自身分子结构,与机体相关的信号转导分子互相识别,通过调控相关信号通路,增强相关酶的活性,降低自由基含量或调控相关基因的表达,改善氧化应激,发挥抗氧化作用。

姜黄素有独特的多酚分子结构,能够进入细胞膜与细胞内自由基结合,生产稳定的酚类化合物,从而达到清除细胞内的活性氧、抑制细胞内自由基活性介导的过氧化损伤,同时提高细胞内的SOD、T-AOC、GSH-PX等活性,提高细胞的抗氧化能力。

2.3 姜黄素的护肝保肝作用

姜黄素护肝保肝作用主要是通过调节机体血脂代谢、调控相关脂质氧化信号通路,降低机体过量自由基,降低机体血清中总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)以及低密度脂蛋白中胆固醇(LDL-C),提高高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)。Yang等[36]通过检测饲喂了含姜黄素日粮的小鼠血清发现,小鼠血清中的TG和TC含量显著降低。姜黄素不仅能降低TG和TC,还能降低LDL-C和提高HDL-C,达到保肝护肝作用。Manzoni等[37]通过姜黄素对大鼠血脂的影响研究发现,姜黄可以显著降低大鼠体内的TG,增加血清中HDL-C的含量,防止大鼠肝脏脂肪化。另外,姜黄素还能通过抑制ROS等自由基的水平,降低MDA含量,抑制脂质氧化。Lee等[38]研究表明,在构建人工诱导小鼠损伤模型时发现,姜黄素能够通过抑制肝脏中的ROS表达水平,调节内质网应激改变其折叠状态,恢复小鼠的肝脏功能。Reddy等[39]通过对铁诱导大鼠肝受损试验研究表明,通过饲喂了日粮中添加30 mg∕kg的姜黄10 d后,大鼠肝脏损伤显著降低,其原因是姜黄素能够降低大鼠的脂质氧化。姜黄素激活抗氧化酶Nrf2的活性,降低了促炎因子的相关基因表达,降低MDA和ROS含量,恢复肝脏抗氧化能力[40]。姜黄素还能够降低机体血糖,通过调控肝脏活性酶通路,来提高脂肪的消耗,抑制肝脏脂质沉积形成脂肪肝。Niu等[41]研究表明,猪饲喂了添加姜黄素的日粮30 d后,降低了血清中血糖(Glu),并通过调节机体胰岛素信号通路降低胰岛素抵抗指数(HOMAIR),减轻肝脏脂质沉积。Kobori等[42]研究表明,姜黄素通过降低小鼠肝脏内两种酶(甘油三磷酸酰基转移酶1和甘油三酸酯酶)的表达量,来抑制二酰基甘油的表达,从而保护肝脏受损。Tranchida等[43]研究发现,姜黄素可以调控胆碱的代谢,提高脂肪的消耗,减少肝脏周围的脂肪,达到预防脂肪肝的功效。Luo等[31]研究发现,姜黄素在调控信号通路上,抑制Kelch样环丙烷相关蛋白Keap1,同时也激活了Nrf2的活性,降低机体因过量的自由基氧化带给肝脏的损伤。Tokac等[44-45]通过姜黄素对大鼠肝脏TNF-α表达水平的影响表明,姜黄素能够显著降低大鼠肝脏TNF-α水平,减少胆汁淤积给大鼠肝脏带来的损伤。机体肝脏受损表现在肝功能相关指标上,体现为血清中的生化指标,如谷丙转氨酶(ALT)、碱性磷酸酶(ALP)、GLU、TG、HDL-C、LDL-C等等。这些指标的异常,主要是由于机体自由基过量,或者脂质代谢过剩,造成脂肪沉积,引起肝脏损伤。

姜黄素通过调控脂质氧化相关信号通路,激活类似Nrf2活性,抑制如ROS等自由基的表达水平,降低MDA的含量,抑制脂质代谢和氧化,达到保肝护肝的效果。

2.4 姜黄素的抗肿瘤作用

肿瘤是机体细胞在致瘤因子作用下,局部组织细胞失去控制无限增殖,形成新的呈占位性突起的组织,且不同于正常细胞的生物代谢。姜黄素能够通过调控相关蛋白的表达,或者抑制蛋白、mRNA的表达,从而抑制肿瘤细胞的无限增殖,达到抗肿瘤作用。另外,姜黄素的分子作用靶点较多,20世纪末就开始了其抗肿瘤作用的研究[46]。He等[47]通过体外试验研究发现,姜黄素能够抑制NF-κB核因子、血管内皮生长因子(VEGF)、缺口受体1(Notch1)的转录和蛋白水平,从而抑制肿瘤细胞无限增殖,控制其生长。内皮舒张因子(NO)是肿瘤的启动因子,同时还参加肿瘤转化、促进等阶段,能够刺激VEGF表达影响肿瘤的发展。姜黄素能够显著抑制NO,同时还抑制多种肿瘤坏死因子,对治疗肿瘤及其引起的相关疾病有显著效果[48]。Li等[49]研究表明,姜黄素还能通过调控miRNA-130a和RNA-491表达,来抑制Wnt∕β-catenin信号通路,控制肿瘤细胞无限增殖。姜黄素能够抑制多种肿瘤细胞增殖,如肺癌、肝癌、肠癌、乳腺癌、胰腺癌等,通过抑制肿瘤坏死因子活性,产生抗肿瘤作用。Zhou等[50]在研究姜黄素的抗肺癌作用时发现,姜黄素能够通过机体自身细胞的自噬,抑制肿瘤细胞活性,促进肺癌细胞的凋亡,达到抗肺癌的效果。Chuang等[51]在大鼠肝肿瘤试验中发现,姜黄素能够显著抑制肝脏致癌蛋白P53和P21的表达,并选择性降低P34和细胞周期蛋白E的表达,但对细胞周期蛋白D无效。Li等[52]在裸鼠胰腺癌模型中研究发现,姜黄素能够抑制VEGF、IL-8以及CD31等,抑制血管肿瘤的形成,显著抑制胰腺肿瘤细胞的增殖,具有一定的抗胰腺肿瘤作用。Poma等[53]在研究姜黄素对乳腺癌作用时发现,姜黄素能够调控雌激素和非雌激素受体信号通路,抑制ROS等相关酶的活性,降低VEGF的表达,减少乳腺肿瘤血管形成,诱导乳腺肿瘤细胞凋亡。

姜黄素抗肿瘤的作用机制为:1)抑制相关肿瘤坏死因子,降低肿瘤组织形成;2)调控肿瘤相关基因表达,促使肿瘤细胞凋亡;3)抑制肿瘤相关酶活性,或调控抗肿瘤相关酶的活性,显著改善肿瘤治疗效果。

3 姜黄素在猪生产中的应用

姜黄素在猪生产中的应用目的主要有:替抗、促生长和改善肉质。替抗发生在我国饲料全面禁抗生素后,姜黄素开始广泛应用,发挥其抗菌消炎的功能;促生长主要是利用姜黄素抗应激、保护肠道黏膜的功能;改善肉质主要是利用姜黄素抗氧化、保肝护肝等功能。当然,还有其他方面的功能在猪生产中发挥作用,但其最终目的就是提高猪生产中的经济效益。Xun等[54]在研究仔猪断奶时发现,与喹烯酮相比,姜黄素能显著提高断奶仔猪肠道黏膜屏障完整性,显著改善肠道菌群,提高仔猪免疫力,姜黄素完全能够替代喹烯酮作为饲料添加剂。Fu等[55]研究表明,姜黄素通过与相关病毒特异性酶、RNA聚合酶、病毒外壳蛋白结合,抑制病毒复制,减轻对细胞的感染和损伤,缓解生猪的病毒感染症状。Ilsley等[56]研究发现,断奶仔猪饲喂添加姜黄素日粮后,仔猪腹泻率和死亡率下降,断奶仔猪生长速度显著提高,说明姜黄素能够提高仔猪机体免疫力。Gan等[57]的研究表明,姜黄素通过调节TLR4的信号通路,抑制炎症因子,保护仔猪肠道菌群,提高仔猪免疫力。Wei等[58]研究发现,在出栏前21 d饲喂姜黄素,出栏运输时,能显著降低血清皮质醇,下调cNOS的表达,抑制cNOS酶的活性,从而提高猪运输的抗应激能力。姜黄素不仅能抗菌消炎,增强猪对细菌和病毒的抵抗力,还能够缓解各种应激对猪造成的损伤。在改善猪肉质应用这方面,姜黄素能改善猪血液生理生化指标,降低猪饲养过程中肝脏等内脏器官的损伤,提高猪的健康状态,降低猪应激产生的PSE肉和DFD肉等,改善猪肉的品质。Lu等[59]研究发现,猪饲喂了添加姜黄素的日粮后,通过甲基化修饰mRNA,缓解了LPS引起的仔猪肝脏损伤和内分泌代谢紊乱。猪机体内MDA含量如果过大,其脂质氧化就越厉害,其肉质就越差。Huang等[60]研究表明,姜黄素能够通过抑制花生四烯酸的代谢,降低机体内不饱和脂肪酸的氧化分解。机体内的不饱和脂肪酸和猪肉品质有着较大的相关性,姜黄素能够通过抑制机体内自由基的水平,缓解机体内不饱和脂肪酸的氧化分解程度,从而改善猪肉肉质。另外,猪肉中含有大量的脂肪,脂肪如果发生氧化,猪肉品质就会直线下降,猪肉肉色和风味改变,人体食用后健康将受到影响。姜黄素中还含有大量的微量元素,如钙、锌、硒等,这些都能改善猪肉的不饱和脂肪酸、嫩度、肌内脂肪等指标,从而改变猪肉的品质。我国有部分学者也开展了姜黄素在生产中应用的研究,大多聚焦在抗生素替代产品中的研究,对改善猪肉品质的研究较少,而且结论不一致,可能是和试验目的、试验猪的品种以及环境有关,或者和研究者的姜黄素来源有关。

4 展望

随着社会经济水平不断的发展,人们对生活品质要求越来越高,因此,对肉品质要求不仅要安全,还要营养丰富、味道鲜美。据国家统计局《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展公报》数据显示,2021年我国全年猪肉产量5 296万t,较2020年增长28.8%。猪肉的安全和品质关乎我国民生,随着我国全面饲料禁抗的实施,替抗产品显得尤为重要,消费者对安全、天然、无害的产品要求越来越高。姜黄素是从植物中提取的纯天然物质,而且已经作为饲料添加剂应用于动物生产,尤其是猪生产中。但目前国内大部分关于姜黄素的研究侧重于对动物疾病治疗方面,这可能与动物产生直接经济效益相关,动物生产者更加注重抗菌抗炎产品,导致该方面的研究需求较多。姜黄素在禽类饲养方面的研究较多,国内主要关注姜黄素对肉鸡品质的影响,但对于姜黄素的抗氧化作用,如促进仔猪生产、增强仔猪免疫力等机理研究还不深入,需要进一步加大探索。姜黄素抗氧化、营养物质改善畜禽肉品质方面的研究较少,尤其是猪肉方面更少,仅有少量研究者对姜黄素改变猪肉pH值、肉色和大理石纹进行过研究。随着姜黄素的广泛应用,姜黄素在动物生产中将发挥越来越重要的作用,尤其是猪生产中,不仅涉及改善动物机体健康,还会涉及动物饲养营养、代谢和生物利用等方面。