番茄红素调控畜禽氧化应激的研究进展

张翼鸣，孟庆维，马清泉，单安山

（东北农业大学动物营养研究所，黑龙江哈尔滨 150030）

在动物生产过程中，饲粮中的有毒有害物质及饲养环境不适均会诱导畜禽发生氧化应激，这是畜牧业面临的重要难题之一。氧化应激是指机体自由基的过度产生导致氧化和抗氧化系统失衡，引起细胞膜、蛋白质及DNA 损伤，最终使畜禽的生产性能下降，病理性疾病风险增加，严重制约行业发展。番茄红素是一类天然来源的、有应用前景的植物提取物，其显著的抗氧化作用已受到畜牧领域科研人员的密切关注，或可作为安全高效的抗氧化饲料添加剂应用于畜禽养殖，以保证畜牧业健康、稳定、快速发展。番茄红素可通过多种方式保护细胞和组织免受氧化应激的损伤，如清除活性氧（ROS）或调控抗氧化相关通路的表达[1-2]。有研究发现，番茄红素可缓解玉米赤霉烯酮诱导的仔猪支持细胞氧化损伤[3]；可提高猪肉品质、改善背最长肌和肝脏在宰后72 h 内的氧化状态[4]，还可改善羔羊血浆、肝脏的抗氧化能力[5]等。番茄红素显著的抗氧化功能决定其在畜牧领域的研究与应用价值，但目前的研究不够深入，调控机制方面的问题值得进一步探讨。因此，本文综述了番茄红素的生物学功能，整理了近年来番茄红素在人类及动物营养上缓解氧化应激的研究进展，同时总结了番茄红素调控机体氧化应激的相关信号通路，旨在为番茄红素在畜禽营养中的研究提供一定的研究思路，为番茄红素的推广及使用提供一定的理论支持。

1 番茄红素的来源、理化性质及代谢途径

1.1 番茄红素的来源及理化性质 番茄红素大量分布在番茄中，在西瓜、石榴、木瓜、杏子、柚子等水果中也有存在[6]。1876 年，Millared 首次以混合物的形式发现此物质并将其命名，27 年后，Schunk 以纯净物的形式分离将其重新命名为“番茄红素”[7]。番茄红素是暗红色蜡质结构的色素，以细长针状晶体的形态存在于自然界中，属于脂溶性物质，难溶于水、甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷，易溶于氯仿、二硫化碳、苯。在自然界中，番茄红素多以全反式构型存在，这是热力学上比较稳定的构型，但是在人体的血浆和组织中至少发现50%的顺式异构体，最常见的形式是5-顺式、9-顺式、13-顺式和15-顺式，这说明顺式异构体更易被动物体利用[8]。

众所周知，类胡萝卜素在血浆和组织中含量很高，并且具有较高的抗氧化能力，可以降低有氧代谢中ROS 的危害[9-10]。番茄红素是常见类胡萝卜素中最有效的抗氧化剂，分子式为C40H56（图1），是1 条由13 个双键（其中11 个共轭排列成线性阵列）组成的多聚烯烃链，特有的双键结构使得它在动物体内清除ROS 和自由基的能力远胜于其他类胡萝卜素，具有最强的淬灭单线态氧（1O2）和捕获自由基的能力[1]。除此之外，番茄红素对机体健康还有诸多益处[11]，对提高畜禽繁殖和生产性能[12]、调节脂质代谢均有显著的影响[13-14]，番茄红素的抗炎症、抗突变以及显著的抗癌作用也多有报道[15-16]。

图1 番茄红素的结构式

1.2 番茄红素的代谢途径 番茄红素存在于番茄细胞色质体的类囊体膜内[17]，生番茄中番茄红素的释放和吸收效率很低。通过加热和机械加工破坏番茄基质可以显著提高番茄红素从食物基质中释放的能力，提高其消化效率[18]，所以咀嚼和蠕动对番茄红素的生物利用度至关重要。番茄红素的吸收方式与脂类相似，食物基质中的番茄红素在胃酸、胆汁酸和酶的作用下释放，先经十二指肠乳化，并溶解包裹于乳糜微粒中，然后随着乳糜微粒通过肠细胞膜的扩散和渗透作用进入肠系膜淋巴系统，继而进入门静脉循环，这是番茄红素从胃肠道吸收的主要途径[19]。肝外脂蛋白脂肪酶可将乳糜微粒部分降解为乳糜微粒残留物，番茄红素及其代谢物随机释放由低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白转运，最终被分配到目标组织[20]。番茄红素的化学结构会影响其分布过程，通过循环系统它会优先在睾丸、肾上腺、肝脏和前列腺中积累，这种分布不均表明其在这些组织中具有的独特生物学作用[21]。

2 番茄红素对机体氧化应激的调节作用

番茄红素是常见类胡萝卜素中最有效的抗氧化剂，通过体外测定抑制硫代巴比妥酸反应物的形成速率判定其抗氧化效果依次为：番茄红素＞α-生育酚＞α-胡萝卜素＞β-隐黄质＞玉米黄质=β-胡萝卜素＞叶黄素[22]。早在20 世纪90 年代末，通过流行病学调查发现食用番茄酱可提高人体血浆和淋巴细胞中的番茄红素浓度，增强淋巴细胞对氧化应激的抵抗力；以9 名成年女性作为受试者，连续14 d 饮食番茄酱（7 mg 番茄红素/d），结果表明，饮食番茄酱缓解了淋巴细胞的DNA 损伤，显著增加了淋巴细胞对氧化应激的抵抗能力[23-24]，但是这些发现并没有确定是番茄红素本身的作用。Devaraj等[25]研究了补充纯化番茄红素对健康人体氧化应激的影响，82 名志愿者饮食纯化番茄红素胶囊8 周，结果表明30 mg/kg 番茄红素可显著降低DNA 损伤生物标志物—8 羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）水平。如表1 所示，世界范围内多个科研团队研究了番茄红素对氧化应激的缓解作用，其以玉米赤霉烯酮、热应激、二氧化钛纳米颗粒等作为氧化应激诱导物；以仔猪支持细胞、肉鸡、大鼠、鲤鱼等建立氧化应激模型；以不同剂量的番茄红素进行干预；这些研究表明，各种理化因素均导致动物发生不同程度的氧化应激，其体内的氧化与抗氧化系统严重失衡，甚至引起动物发生系列疾病，而摄入番茄红素可以改变氧化应激状态下动物机体的抗氧化酶及氧化终产物水平，如显著升高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性，显著降低丙二醛（MDA）浓度；也可以改变与抗氧化相关的基因表达，如核因子红系2 相关因子2（nuclearfactor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的表达上升、kelch 样ECH 相关蛋白1（kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）及细胞色素P450-2E1（cytochrome P450-2E1，CYP2E1）的表达下降等[3,26-35]。这说明饲喂番茄红素可以显著改善氧化应激动物细胞水平的抗氧化酶防御系统、防止氧化物引起的蛋白质及DNA 损伤。因此，番茄红素具有作为畜禽生产中抗氧化添加剂的潜力。

表1 番茄红素对不同因素诱导动物氧化应激的相关参数的影响

在畜牧生产中，氧化应激会导致畜禽生产性能下降、畜产品品质下降。Sahin 等[26]在肉鸡饲粮中添加200、400 mg/kg 番茄红素，发现添加番茄红素显著扭转了热应激导致的肉鸡血清和肌肉中SOD、GSH-Px 活性的下降和MDA 浓度的升高，添加番茄红素可降低肌肉中Keap1表达和提高Nrf2的表达，表明番茄红素可明显改善热应激肉鸡的抗氧化状态。除此之外，Sun 等[36]发现在蛋鸡饲粮中添加40 mg/kg 番茄红素可显著增加肝脏总抗氧化能力（T-AOC）、GSH-Px 和谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽比率（GSH:GSSG），显著提高雏鸡的初生重并降低雏鸡肝脏的MDA 水平。Correia 等[37]用番茄渣饲喂仔猪，发现番茄渣并没有直接改善仔猪的抗氧化状态，但显著提高了仔猪的肌肉和肝脏中α-生育酚含量；Fachinello 等[4,38]在生长育肥猪饲粮中添加不同水平的番茄红素（0、12.5、25.0、37.5 和50.0 mg/kg），发现在贮存72 h 内，肌肉中抗氧化剂对1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基的捕获率随着饲粮番茄红素浓度的增加呈线性增加，MDA 浓度随饲粮番茄红素浓度的增加而降低，表明生长育肥猪日粮中添加50 mg/kg番茄红素可有效防止背最长肌在贮藏72 h 内的氧化。Jiang 等[5]研究发现，羔羊补充番茄红素后，血浆和肝脏中的MDA 水平随番茄红素添加剂量的增加呈线性下降，血浆中维生素E 水平、T-AOC 能力、CAT 活性、GSH-Px 活性和SOD 活性呈线性增加，补充番茄红素改善了羔羊的抗氧化状态。因此，番茄红素的摄入具有改善畜禽生产性能、降低畜禽的氧化应激、提高畜产品品质的作用。在畜禽繁殖功能方面，番茄红素可减少精液保存过程中的异常精子总数、提高精子活力。Tvrda等[27]从牛精液中洗出精子置于2.9%的柠檬酸钠中，用抗坏血酸亚铁介导其ROS 与超氧化物增加，同时添加番茄红素，结果表明番茄红素具有显著的ROS 清除功能和抗氧化特性，可以阻止氧化应激引起的精子变性。Peker 等[39]同样发现，0.5 和2 mmol/L 番茄红素可提高美利奴公羊精子在储存期间的活力、线粒体活性和氧化应激参数。另外，近期也有研究发现番茄红素可通过激活Nrf2-HO-1通路有效改善衰老母鸡卵巢的氧化应激状态[40]以及番茄红素可逆转顺铂引起的大鼠卵巢的氧化损伤[28]。

3 番茄红素调控氧化应激的分子机制

番茄红素缓解氧化应激主要涉及两种分子机制，一是对细胞中1O2等自由基、次氯酸（HClO）等氧化剂进行有效清除，防止细胞损伤；二是调控相关转录因子表达，增加细胞的抗氧化潜力，调控细胞氧化还原状态，如图2 所示。

图2 番茄红素调控氧化应激的分子机制

3.1 番茄红素通过对自由基及氧化剂的清除作用缓解氧化应激 番茄红素可与多种ROS 相互作用。在类胡萝卜素和其他抗氧化剂中，番茄红素具有最高的1O2淬灭率[1]。番茄红素的清除作用主要发生在细胞膜或线粒体膜的磷脂双分子层内，这是由它极度的疏水性决定的[41]。研究表明，1O2的猝灭主要通过自发的物理方式进行[42]。首先，番茄红素使激发态的1O2失活为不反应基态的三重态氧（3O2）同时释放能量；接着，能量被基态的番茄红素吸收变成激发态的番茄红素，而后立即返回其原始基态并释放能量；最后，这部分能量便以热能的形式耗散到环境中[41]。由此1O2即会被清除。除此之外，番茄红素对H2O2、二氧化氮和羟基自由基等均有不同程度的清除作用[43]。

番茄红素也可有效清除HClO 缓解氧化应激。HClO 及其共轭碱是有效的氧化剂，在破坏病原微生物的同时也会损害宿主正常组织细胞[44]，是形成许多疾病的主要因素[45]。Pennathur 等[46]将番茄红素暴露于浓度不断增加的HClO 中，通过高效液相色谱和液相色谱-质谱分析发现，番茄红素会产生一系列由1 个或多个碳碳双键形成的氧化裂解代谢产物，HClO 可在任何双键的位置非选择性的直接介导其氧化，每分子番茄红素可消耗多分子的HClO。因此，HClO 与番茄红素的相互作用可能是缓解氧化应激的潜在机制。

3.2 番茄红素通过调控相关转录因子表达缓解氧化应激

3.2.1 对CYP2E1 的调控作用 生物系统具有几种类型的自由基，其中最重要的就是ROS。ROS 是分子氧还原的副产物，包括超氧自由基阴离子、H2O2、羟基自由基、1O2和过氧自由基等等。ROS 产生于微粒体单加氧酶（Monooxygenase，MMO）系统，MMO 系统依赖于细胞色素P450 酶的微粒体电子运输系统和线粒体电子运输链，主要功能是外源化合物和内源性底物的多功能氧化和分子氧的还原。如果氧向底物的转移没有受到严格控制，就会发生脱偶并导致ROS 的形成[47]。低浓度的ROS 可作为氧化还原信号分子在生理条件下维持生物功能，但高浓度的ROS 则会诱导细胞损伤。CYP2E1 是细胞色素P450 酶的一种，具有增强的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性，通过内源性和外源性底物的氧化还原循环，会导致ROS 超氧物和H2O2的产生过度增加[48]。番茄红素即是通过降低CYP2E1的表达从而发挥抗氧化作用。一项关于番茄红素对大鼠高脂所致非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的预防作用的研究表明，番茄红素缓解了高脂诱导的NASH，使肝脏脂肪生成和ROS 生成减少；与未饮食番茄红素的大鼠相比，CYP2E1在饮食2、4 mg/kg 番茄红素的大鼠中表达下降，这说明番茄红素可能是通过调控CYP2E1的表达从而缓解大鼠NASH[40]。一项关于番茄红素对大鼠NASH 的保肝和抗氧化作用的研究说明了CYP2E1可能是番茄红素的作用机制之一[36]。在乙醇介导的H2O2增加和CYP2E1过表达的一项细胞试验中，这种现象同样被番茄红素恢复[49]。

3.2.2 对Keap1-Nrf2 信号通路的调控作用 Keap1-Nrf2通路在氧化应激下的细胞保护中起着至关重要的作用。Nrf2 是一种重要的转录因子，在调节抗氧化相关基因表达的同时诱导各种细胞防御机制对抗氧化应激。正常情况下，Nrf2 位于细胞质中，并倾向于与其阻遏物Keap1结合，导致其泛素化降解；在动物发生氧化应激时，Keap1 的硫醇残基会被机体的氧化剂和亲电试剂修饰从而改变构象，与Nrf2 分子解偶联，游离的Nrf2 会进入细胞核。在胞核内，Nrf2 与抗氧化反应元件ARE 结合促进II 期细胞保护酶如血氧合酶1（HO-1）、NADPH脱氢酶（醌）（NQO1）、SOD等的转录与表达[50]。其中，HO-1 是一种抗氧化酶，可作用于配对供体，结合或还原分子氧，防止细胞凋亡；NQO1 是一种氧化还原酶，以醌或类似化合物为受体，可作用于NADPH，防止细胞癌变。据先前的报道[51]，番茄红素是通过与Keap1形成共价结合的加合物来刺激Keap1 与Nrf2 的解偶联，这样Nrf2 即可进入细胞核促进相关基因的转录表达。Breemen 等[52]的体外研究发现，番茄红素也可通过上调ARE 的表达水平促进其与Nrf2 结合，从而刺激II 期细胞保护酶的产生，保护细胞免受ROS 和其他亲电分子的影响。Sahin 等[26]评估发现，暴露于热应激下的肉鸡肌肉中Keap1表达水平较高，肌肉Nrf2表达水平较低，说明动物已经发生氧化应激，而补充番茄红素可线性降低肌肉Keap1表达（从139.0%到99.5%），线性增强肌肉Nrf2的表达（67.2% 到98.3%），此外，肌肉中MDA 水平和Nrf2表达呈负相关，相关抗氧化酶活性与Nrf2表达呈正相关。这说明Keap1-Nrf2 通路对番茄红素调控氧化应激具有重要意义。

3.2.3 对PKC 信号通路的调控作用 蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）是一组磷脂依赖性和Ca2+依赖性的蛋白丝氨酸或苏氨酸激酶，由单一多肽链组成，广泛存在于多种组织、器官和细胞中。正常情况下，PKC 存在于细胞质中且不具有细胞活性。当细胞受到内外各种刺激后，PKC 会以Ca2+依赖的形式从细胞质中转位至细胞膜上，这是PKC 激活的标志。激活的PKC 会减少聚合的微管蛋白和增多单体微管蛋白破坏细胞的微管结构，继而破坏细胞膜的完整性[53]。ROS 不仅是PKC 的下游信号分子，也是上游信号分子[54]。氧化应激可以导致胞内Ca2+浓度增加，促使PKC 转位，造成细胞骨架重排和紧密连接损伤[55]。另外，PKC 激活又可以促进ROS 的产生以及PKC 依赖性 NADPH 氧化酶的还原形式的激活，这是导致机体氧化应激加重的重要原因[56]。Bandeira 等[57]用PKC 途径激活剂和NADPH抑制剂刺激SK-Hep-1 细胞，结果显示番茄红素显著减少SK-Hep-1 细胞中ROS 的合成，同时抑制PKC 依赖的NADPH 氧化酶的激活，表明番茄红素可通过抑制PKC 介导的NADPH 氧化酶活性来抑制ROS 的产生，证实了番茄红素对PKC 途径的调节作用。此外，在一项番茄红素对大鼠脑皮质神经末梢谷氨酸释放的机制的研究中，也表明了番茄红素可抑制突触前Ca2+进入和抑制PKC 活性[58]。因此，对PKC 途径的调节作用也是番茄红素缓解氧化应激的重要机制。

4 展 望

番茄红素被广泛认为是有效的抗氧化剂，能够捕获过氧自由基、清除HClO，同时调控相关转录因子表达，增强抗氧化酶活性，保护机体免受自由基损伤，可作为绿色无害的抗氧化添加剂应用于畜牧行业。但是在畜牧领域中，关于番茄红素缓解氧化应激的研究依然处于初级阶段，研究内容多停留在表观层面未深入探讨其关键机制，研究方法较为保守多以饲养试验为主，研究结果也未得到广泛普及。因此，未来的研究重点应该进一步探讨番茄红素在不同畜禽体内发挥的抗氧化作用、揭示番茄红素在不同畜禽的不同组织中的抗氧化调控机理、通过多种研究手段找到番茄红素在畜禽中最适宜的添加水平，并将其推广到畜禽配合饲料中。