姜黄素(curcumin,Cur)是在姜黄和其他姜黄属植物的根茎中发现的主要活性成分[1]。姜黄素常温下呈明亮橙黄色的结晶态,可溶于碱或极酸性溶剂[2],是一种酮-烯醇互变异构化合物,在酸性或中性溶液中以酮形式为主,在碱性溶液中以烯醇形式为主,具有良好的金属离子螯合剂性能[3]。姜黄素的相关化合物有去甲氧基姜黄素(demethoxycurcumin,DMC)、双去甲氧基姜黄素(bis-demethoxycurcumin,BDMC)和环姜黄素(图1,绿色方框),这4种化合物一起被称为姜黄素类化合物。pH在1~6时姜黄素的化学性能是稳定的,但在这个pH范围内它几乎不溶于水。姜黄素在生理pH下发生自氧化反应,产生一系列环戊二酮产物(图1,蓝色方框),其中7碳链经历了氧化和双环化;另一种次要的裂解途径发生在碱性介质中,降解为反式6-(4'-羟基-3'-甲氧基苯基)-2,4-二氧基-5-己烯醛,然后降解为香草醛、阿魏酸和阿魏酰-甲烷(图1,橙色方框)。研究发现,姜黄素对糖尿病[4]、皮肤病[5]、关节炎[6]、阿尔茨海默症[7]和其他慢性疾病[8]有潜在的治疗效果。姜黄素也因其抗菌[9]、抗病毒[10]、抗炎[11]、抗氧化[12]、抗癌[13]、免疫调节[14]、神经[15]和组织保护[16]等特性,在亚洲国家常被用作治疗多种疾病的备选药物。作为天然的饲料添加剂,姜黄素在反刍动物生产中也具有良好的应用前景。本文就姜黄素的提取方法、生物活性、对瘤胃发酵的调节作用及其在反刍动物生产中的应用进展进行综述,以期为姜黄素在反刍动物生产应用中提供理论依据。
图1 姜黄素类化合物的化学结构绿色方框内为姜黄素类化合物的化学结构:1)酮型姜黄素;2)烯醇型姜黄素;3)去甲氧基姜黄素;4)双去甲氧基姜黄素;5)环姜黄素。橙色方框内为姜黄素降解产物的化学结构:6)反式6-(4’-羟基-3’-甲氧基苯基)-2,4-二氧基-5-己烯醛;7)香兰素;8)阿魏酸;9)阿魏酰-甲烷。蓝色方框为一些姜黄素自氧化产物的化学结构:10)双环戊二酮;11)乙烯基醚;12)螺环氧化物。 Fig.1 Chemical structures of curcumin compounds[17] Chemical structures of curcumin compounds were showed in green box: 1) curcumin keto-form; 2) curcumin enolic-form; 3) demethoxycurcumin; 4) bis-demethoxycurcumin; 5) cyclo-curcumin. Chemical structures of curcumin degradation products were showed in orange box: 6) trans-6-(4’-hydroxy-3’-methoxyphenyl)-2,4-dioxo-5-hexenal; 7) vanillin; 8) ferulic acid; (9) feruloyl-methane. Chemical structures of some curcumin autoxidation products were showed in blue box: 10) dicyclopentadione; 11) vinylether; 12) spiroepoxide. |
1 姜黄素的提取方法
表1 姜黄素的提取方法Table 1 Extraction methods of curcumin |
| 提取方法 Extraction methods | 原理与特点 Principles and characteristics | 影响因素与优化技巧 Influencing factors and optimization techniques | 应用实例 Application instance |
|---|---|---|---|
| 浸渍提取法 Immersion extraction method | 利用有机溶剂或水溶液等 提取试剂从植物中 溶出目标物质 | 乙醇为最佳溶剂,提高 温度可增加得率,但过高 会降解姜黄素 | 广泛使用于食品和 药品行业的基础提取 |
| 索氏回流提取法 Soxhlet reflux extraction method | 通过重复利用溶剂蒸汽与 姜黄接触提取,减少 挥发性试剂消耗 | 引入超声波、微波技术辅助 提取以缩短时间和提高得率 | 适用于需要高纯度 提取物的科研和 工业应用 |
| 加压液体提取法 Pressurized liquid extraction method | 利用高温、高压加快传质 速率,提高提取能力 | 亚临界水提取在较短时间内获得 高得率,结合超临界二氧化碳 提取得率更高 | 高效提取,适用 于大规模生产 |
| 超声波辅助提取法 Ultrasonic assisted extraction method | 超声波破裂细胞壁,空化效应 增强传质速率 | 使用共晶溶剂可显著 提升得率和效率 | 快速提取,节省能量, 适合敏感物质提取 |
| 微波辅助提取法 Microwave assisted extraction method | 微波辐射促进纤维素降解, 加快姜黄素释放 | 开发多种微波辅助提取 方法以提高得率 | 短时间高得率,适用于 需快速处理的样品 |
| 酶辅助提取法 Enzyme assisted extraction method | 利用酶破坏细胞壁结构, 促进姜黄素释放 | 选择合适的酶种类对 提高得率至关重要 | 提供新的途径以 增加特定化合物的产量 |
| 超临界CO2萃取技术 Supercritical CO2 extraction technology | 使用超临界CO2作为溶剂, 提取效率高且环保 | 调整萃取压力和温度以 达到最佳提取条件 | 高质量产品提取,广泛应 用于高端医药和化妆品行业 |
2 姜黄素的生物活性
2.1 抗炎
核因子-κB(NF-κB)和信号转导和转录激活因子3(STAT3)是2个重要的炎症介导因子,在许多疾病的炎症反应中发挥重要作用,如炎症性肠病[25]、心血管疾病[26]和肝脏病[27]等。研究显示,姜黄素可通过下调促炎因子[包括白细胞介素(IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)]、诱导型一氧化氮合成酶(iNOS)和基质金属蛋白酶(MMPs)等物质的活性,抑制炎症初始阶段NF-κB的转录激活,从而减轻炎症反应[6]。除此之外,姜黄素还可以通过调节T细胞、B细胞、巨噬细胞和树突细胞等免疫细胞的功能,从而增强机体的自然免疫力。另据相关研究报道,姜黄素还可通过抑制促炎细胞因子和增加抗炎细胞因子的生成发挥抗炎作用[28]。Venkata等[29]的研究结果显示,姜黄素对不同的炎症介质具有多靶点效力,具体表现为姜黄素形成氢键数的亲和力;姜黄素对环氧化酶-2(Cox-2)和脂氧化酶具有显著的亲和力,脂氧化酶是炎症级联反应中的主要酶;同样,姜黄素与信号激酶如p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)、细胞外信号调节激酶(ERK)和蛋白激酶C(PKC)的相互作用优于脾酪氨酸激酶(SYK)。Glombowsky等[30]研究发现,在断奶犊牛的精补料中添加200 mg/kg的姜黄素,饲喂15 d后,血清中谷胱甘肽S-转移酶(GST)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性显著增加,有效降低了犊牛感染艾美耳球虫的几率。综上可知,姜黄素作为一种天然的抗炎物质,通过多种途径调节炎症反应,发挥抗炎抑炎作用,增强机体免疫力,提高动物的生长性能和健康状态,从而减少对抗生素的依赖。
2.2 抗氧化
自由基是机体新陈代谢过程中产生的一类具有强氧化性的基团,在一定条件下对机体能发挥有益作用,可在正常生理条件下调节细胞生长、促进身体受到紫外线等逆境时产生应激反应。但是,过多的自由基积累会对机体产生损害,自由基通过氧化反应,可对细胞膜、蛋白质和DNA等生物分子造成氧化损伤,影响细胞的正常功能,从而导致多种疾病发生。姜黄素可直接清除自由基和抑制脂质过氧化物生成,从而减少氧化应激对动物的负面影响。Kaneko等[31]报道,姜黄素可通过其结构中含有的酚类结构捕捉自由基,进而形成强稳定性的醌类物质,从而起到较强的抗氧化作用。姜黄素中的3,4-二羟基苯乙酰基和3,5-二羟基苯乙酰基等酚类结构[32]通过形成稳定的双环乙酰丙酮结构,进而减少对细胞的损伤。姜黄素作为天然的抗氧化物质,在生理条件下可以调节多种氧化应激相关的信号通路,如核因子E2相关因子2(Nrf2)/抗氧化反应元件(ARE)、NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等通路[33]。姜黄素能够促进Nrf2的转录和翻译,从而增强被调节基因的表达。研究表明,姜黄素可以通过激活Nrf2通路来提高异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)和苹果酸酶1(ME1)等关键基因的表达,从而增加还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)再生酶的活性。姜黄素通过激活Nrf2通路调节NADPH再生酶的表达和活性,进而提高机体的抗氧化能力和药物代谢能力[34]。具体来说,当姜黄素进入细胞并与Kelch样ECH关联蛋白1(Keap1)结合时,将导致Nrf2从Keap1中分离出来并进入核内,激活ARE启动子上的转录活性,促进IDH1和ME1等关键基因的表达。IDH1和ME1可以利用异丙醇磷酸和苹果酸,循环合成出NADPH,进一步增加机体的抗氧化能力和药物代谢能力。此外,NF-κB是一个与氧化应激相关的转录因子,姜黄素可以抑制其活性,从而减少对DNA损伤。MAPK活化可引起去甲肾上腺素合成[35],导致心肌细胞与ATP7A相关的信号通路受损,而姜黄素可以抑制其活性,从而减轻氧化应激反应。因此,姜黄素的强抗氧化作用与其结构和调节多种信号通路密切相关。
2.3 抑菌抗虫
姜黄素已被证明对包括金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和肠球菌在内的多种致病菌具有抗菌活性。姜黄素对细菌的直接杀伤作用相对较弱,但具有明显的抑制细菌生长的作用。此外,姜黄素还可以通过减少细菌产生毒力因子、抑制细菌生物膜的形成以及通过细菌群感应系统抵御有害病原菌黏附于宿主等方式发挥抗菌作用[36]。
姜黄素首先干扰细胞膜的脂质结构,改变细菌细胞膜的物理特性,使其变得不稳定,从而干扰细菌细胞的生存[37]。细菌胞质分裂中FtsZ蛋白原丝的组装和稳定性起着关键作用,并且FtsZ蛋白原丝的组装动力学在z环的形成和功能中同样至关重要。Rai等[38]研究报道,姜黄素能抑制FtsZ蛋白原丝的组装,提高了FtsZ蛋白的GTP酶活性,并且在体外试验中发现姜黄素可明显减少FtsZ蛋白原丝的捆绑。此外,姜黄素与FtsZ蛋白结合,解离常数为(7.3±1.8) μmol/L,扰乱了FtsZ蛋白的二级结构。上述结果表明,干扰FtsZ蛋白原丝组装的GTP酶活性对细菌是致命的,姜黄素可通过抑制细菌中协调Z环形成的细菌原丝FtsZ来抑制细菌细胞的分裂,进而抑制细菌细胞增殖。另外,姜黄素还能干扰DNA复制和转录,能够与DNA结合,干扰细菌细胞的DNA复制和转录过程。
姜黄素不仅具有抗细菌活性,还具有很强的抗真菌活性。研究表明,姜黄素的正己烷提取物对根瘤菌、疫霉菌、禾本科酵母菌和白色念珠菌具有良好的抗性。目前只有少数临床治疗方法可用于治疗白念珠菌引起的感染,其中姜黄素对白念球菌有显著治疗效果。Chen等[39]研究发现,姜黄素浓度在6.25和12.5 μmol/L时均对白色念珠菌有显著抑制作用。姜黄素不仅对白色念珠菌具有抗性,而且对200种不同念珠菌属的临床分离株也显示出抗真菌活性。据报道,姜黄素对38种念珠菌属菌株(包括一些对氟康唑耐药的菌株)具有抗性,可用于治疗念珠菌病[40]。姜黄素通过破坏真菌细胞壁和细胞膜的完整性、干预细胞周期、诱导自噬过程以及抑制关键酶和蛋白质的活性来抑制白色念珠菌的生长。在临床应用中,姜黄素通常与其他抗真菌药物联合使用,以增强疗效并减少耐药性的发展。
姜黄素还具有一定的抗虫作用,在反刍动物生产过程中具有一定的应用价值。研究表明,浓度为60 μmol/L的姜黄素能使蠕虫的运动能力显著降低,主要表现为卵脱落紊乱、被皮破坏、合胞体显露,同时还能够显著降低GST活性[41]。动物在采食过程中,寄生虫虫卵或幼虫经口感染后,成虫机会性寄生于肝脏和肠道,导致宿主出现黄疸消瘦以及血红蛋白尿的症状。研究表明,姜黄素可显著减少反刍动物体内寄生虫数量,缓解寄生虫对反刍动物肝脏和肠道的损伤。Ullah等[42]研究发现,姜黄素可抑制和清除关键自由基的抗氧化分子如GST的活性,降低谷胱甘肽(GSH)和SOD的表达量,改变蛋白质羰基化,抑制巨型片形吸虫组织蛋白酶L基因的表达,抑制线虫的运动,并严重破坏被皮表面。以上研究结果为将姜黄素替代抗生素应用于反刍动物饲粮中提供了可行性参考依据。
3 姜黄素对反刍动物瘤胃发酵的影响
3.1 对瘤胃发酵参数的影响
反刍动物瘤胃发酵过程中,可发酵的饲粮成分被分解为挥发性脂肪酸(VFA),并合成微生物蛋白(MCP)[43]。挥发性脂肪酸和微生物蛋白可满足宿主的大部分能量(约80%)和蛋白质(65%~85%)需求,因此瘤胃发酵被认为是一个至关重要的过程。反刍动物饲粮中的碳水化合物发酵后可迅速降低瘤胃pH,改变发酵动力学和瘤胃微生物群的组成,而饲粮中添加植物提取物如类黄酮和多酚类物质会增加瘤胃pH,防止酸中毒,对饲喂大量易发酵碳水化合物的反刍动物尤其有益。Sulistyowati等[44]采集山羊瘤胃液进行体外发酵试验,发现酵母(0.5%)和姜黄素(2%)的混合物可使氨态氮(NH3-N)含量、甲烷产量以及原生动物种群数量降低,使不饱和脂肪酸含量和pH升高,有效防止瘤胃酸中毒。另外,Vorlaphim等[45]用含0.2%姜黄素的饲粮饲喂肉牛,发现饲粮中添加姜黄素对采食量没有负面影响,且能够提高瘤胃细菌总数,降低原虫数量和瘤胃NH3-N浓度。Aderinboye等[46]通过利用体外法评价了姜黄粉在瘤胃中的生物活性,发现姜黄素的含量高于测定的其他植物化学成分;同时,当姜黄粉的添加量达到10~15 mg/g时,能够减少甲烷、二氧化碳、氨和总挥发性脂肪酸的产生,同时瘤胃细菌、原生动物和真菌数量也出现减少的趋势。综合上述,姜黄素作为一种潜在的天然饲料添加剂,可以通过降低反刍动物的瘤胃pH,改变发酵动力学和瘤胃微生物群的组成,提高反刍动物对氮的利用率,促进甲烷减排以及减少二氧化碳和氨的产生。
3.2 对瘤胃微生物的影响
反刍动物瘤胃中的微生物可对摄入的饲粮进行降解和发酵,为宿主动物提供必需的营养物质。微生物群与宿主之间的关系具有互惠性[47]。Tian等[48]研究发现,在羔羊饲粮中添加300 mg/kg姜黄素时,试验组的总细菌和白色瘤胃球菌数量呈二次响应,产甲烷菌、原生动物和琥珀酸纤维杆菌的数量随着姜黄素添加量的增加呈线性下降,普雷沃氏菌的数量增加,且添加姜黄素可促进微生物蛋白的合成。Omotoso等[49]研究也发现,饲粮中添加姜黄根茎粉可降低山羊的瘤胃总细菌数量和pH,而总真菌和总大肠菌群数量增加,并呈隔日下降趋势,而且姜黄根茎具有减缓甲烷产生的能力;此外,姜黄根茎粉对瘤胃微生物的影响还包括增加干物质采食量、调节瘤胃微生物结构、提高消化率和氮利用率。由此可见,在饲粮中添加适量的姜黄素可有效提高反刍动物的瘤胃健康。
4 姜黄素在反刍动物生产中的应用
4.1 提高生长性能
姜黄素在提高反刍动物的体重增长和饲料转化效率方面具有显著效果。Marcon等[50]在羔羊基础饲粮中添加了300 mg/kg姜黄素后发现,羔羊的平均日增重和胴体产量有增加趋势,这表明姜黄素通过提高动物消化系统的效率和促进营养物质的吸收,对羔羊的营养代谢产生了积极影响,从而促进了羔羊的生长和发育。饲粮中添加植物多酚可以促进反刍动物瘤胃中微生物蛋白的合成,瘤胃微生物蛋白由微生物可降解蛋白合成。Tian等[48]研究发现,在饲粮中添加300 mg/kg姜黄素可改善羔羊的生长性能,这与姜黄素对瘤胃微生物生长和蛋白质合成的刺激作用有关,姜黄素刺激瘤胃发酵产生挥发性脂肪酸,为微生物蛋白合成提供能量;然而,与300 mg/kg组相比,600 mg/kg组和900 mg/kg组的生长性能改善较小,这一结果可能与琥珀纤维杆菌数量的线性减少有关。由此可知,适量的姜黄素可改善反刍动物的生长性能,但较高水平的姜黄素可能会干扰瘤胃中微生物的生长或代谢,抑制纤维消化,对生长性能产生一定影响。
4.2 抑制脂肪沉积
脂肪沉积对反刍动物生产性能和肉品质有重要影响。多数反刍动物在育肥过程中被饲喂大量的能量饲料导致体内脂肪过度沉积。脂肪酸的组成和比例会影响到肉羊胴体脂肪的溶点、口感、储存稳定性以及营养品质等方面,不同类型的脂肪酸对肉羊脂肪的影响不同[51]。饱和脂肪酸(硬脂酸)易引起脂肪沉积,增加血液胆固醇水平,而不饱和脂肪酸有助于降低胆固醇和脂肪沉积。反刍动物肉中饱和脂肪酸含量高是由于不饱和脂肪酸在瘤胃中被广泛生物氢化。Lian等[52]研究发现,姜黄素能够激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK),抑制脂质沉积,从而刺激脂肪和其他组织中的糖酵解和脂肪酸氧化。随后,Marcon等[53]的研究结果表示,姜黄素能通过平衡饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸来改善肉中脂肪酸的分布。在断奶羔羊的精料中添加100、200、300 mg/kg姜黄素,虽然各组间平均日增重无显著差异,但添加姜黄素组羔羊肉总脂肪含量显著低于对照组,同时300 mg/kg姜黄素组总饱和脂肪酸含量显著低于对照组,而总多不饱和脂肪酸含量显著高于对照组。就人类健康而言,这2种影响都是积极的,被认为是增加人类健康脂肪酸摄入的主要途径。Jiang等[54]研究发现,在基础饲粮中添加450 mg/kg姜黄素可显著提高湖羊血清中游离脂肪酸、免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白M(IgM)和免疫球蛋白G(IgG)含量及谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性。
另外,姜黄素的抗氧化活性比维生素E和维生素C的更有效[55]。姜黄素通过降低肉中的自由基含量,保护脂肪酸和维生素E等抗氧化物质,从而降低氧化损伤和肌酸的消耗,提高肉产品的保存性和营养价值。现如今肉类生产主要集中在提高肉的脂肪酸含量和大理石花纹方面,诱导大理石花纹需要更好地了解调节脂肪形成的途径[56],其中姜黄素能有效调节羊肉中脂肪酸的含量、减少脂肪沉积,从而提高羊肉品质。与其他多酚一样,姜黄素在肠道中吸收较差,需要肠道细菌进行深度生物转化。姜黄素能够调节微生物组成,主要是增加胆汁酸(BA)代谢和短链脂肪酸产生相关的微生物群,从而增加肝脏胆固醇7α-羟化酶的表达和BA的合成。姜黄素还能够通过下调肠道NPC1样细胞内胆固醇转运蛋白1(NPC1L1)的表达显著降低胆固醇的吸收。由此可知,姜黄素可改善脂肪沉积,显著降低肉中脂肪含量,还可以抑制不饱和脂肪酸的氧化,有效调节肉中脂肪酸的分布与含量,进而达到改善反刍动物肉品质和营养价值的作用。
4.3 其他方面
冷藏精子在畜牧业和生物医药领域被广泛用于保护遗传资源[57]。在低温环境下,精子的运动和代谢活动减少,有害代谢物的积累减少,细菌等有害微生物的繁殖受到抑制,从而延长了精子的存活时间。在精液保存过程中,储存温度、精液稀释剂pH、渗透压变化、精液稀释剂类型和各种微量元素的添加等多种外部因素都会影响精液的质量[58]。随着保存时间的延长,精子和凋亡精子的代谢活性会产生大量的活性氧(ROS)[59]。当ROS积累达到一定水平时,精子抗氧化系统被破坏,对精子活力和质量产生不可逆转的负面影响。研究表明,可以在精液稀释剂中添加外源性抗氧化物质,以减少氧化应激,限制ROS造成的损害,延长精子保存时间,保证精液质量[60]。目前,用于精液保存的外源抗氧化剂主要可分为抗氧化酶、维生素、氨基酸和植物提取物[61]。Ji等[62]研究发现,在精液稀释剂中添加姜黄素,姜黄素浓度为20 μmol/L时可显著改善冷藏精子的活力,维持精液中的质膜和顶体完整性;在冷藏精液中添加姜黄素还可显著增加抗氧化酶(CAT和SOD)的活性,并显著降低ROS的产生,同时上调精液中鞘氨醇-1-磷酸、硫酸脱氢表雄酮、植物鞘氨醇和其他代谢产物的表达,可有效抑制ROS的产生,延长冷冻保存时间。
5 小结
姜黄素具有多种生物活性,主要表现为抗炎、抗氧化、抑菌、杀虫、抗真菌等,在延长冷冻精子保存期方面亦有良好表现;另外,姜黄素还具有缓解反刍动物瘤胃酸中毒的生物活性,且能通过调节瘤胃微生物种类提高饲料利用率。但目前姜黄素提纯工艺存在提取率低、成本高、提纯度低等问题,导致姜黄素商品品质良莠不齐;此外,姜黄素在饲粮中的添加量无明确规范。因此,应对姜黄素提取工艺、添加量以及添加形式进行规范,提高姜黄素在反刍动物生产上的利用率。
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