动物营养学报    2020, Vol. 32 Issue (1): 62-70    PDF    
葫芦巴生物学功能研究进展及其应用
杨玲1,2 , 马玉静1,2 , 肖定福1,2 , 贺建华1,2     
1. 湖南农业大学动物科学技术学院, 长沙 410128;
2. 湖南畜禽安全生产协同创新中心, 长沙 410128
摘要: 葫芦巴属一年生豆科草本植物,主要成分为半乳甘露聚糖、皂苷类、黄酮类、葫芦巴碱及4-羟基异亮氨酸等,还含有丰富的蛋白质以及维生素等成分,具有促生长、降血糖和血脂、抗氧化、抗炎及增强机体免疫力等多种生物学功能。本文主要回顾了葫芦巴的应用进展,介绍了葫芦巴的生物学功能及其在畜牧生产中的应用。
关键词: 葫芦巴    降血糖    降血脂    免疫力    抗氧化    
Research Progress in Biological Function Fenugreek and Its Application
YANG Ling1,2 , MA Yujing1,2 , XIAO Dingfu1,2 , HE Jianhua1,2     
1. College of Animal Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
2. Hunan Co-Innovation Center of Animal Production Safety, Changsha 410128, China
Abstract: Fenugreek is an annual leguminous herb with the main components of galactomannan, saponin, flavonoids, trigonelline and 4-hydroxyisoleucine and rich in protein and vitamins. Fenugreek has many biological functions such as improve growth performance, hypoglycemic, hypocholesterolemic, anti-oxidation, anti-inflammatory and enhance immunity. This article mainly reviewed the application progress of fenugreek and introduced the biological function of fenugreek and its application in livestock and poultry production.
Key words: fenugreek    hypoglycemic    hypocholesterolemic    immunity    antioxidant    

抗生素对动物具有显著的保健、促生长等积极作用, 推动了畜牧业的快速发展, 同时也产生了诸多副作用如药物残留、菌群失衡等, 开发新型绿色添加剂已成为饲料研究重点[1]。其中安全无毒、无残留的中草药和植物提取物, 发挥益生作用的益生元和益生菌等作为生长促进剂替代抗生素受到越来越多的关注, 有效的中草药可以刺激机体对营养物质的吸收利用, 提高牲畜的饲料效率和生长速度[1-2]

葫芦巴是一种著名的药用植物, 该植物约60 cm高, 有淡黄色三角形的花和三叶形的叶, 它包含7.5 cm的豆荚长度, 每个豆荚包含多达29粒种子, 植株带有浓郁的芳香气味, 其植株是一种可用于烹饪、医学中的经济作物。我国葫芦巴资源丰富, 葫芦巴种子及其茎叶具有降血糖和血脂、抗氧化、抗菌、抗肿瘤、镇痛抗炎及增强免疫力等多种生物学功能, 但葫芦巴有刺激性气味, 且味道略苦, 易影响其适口性[3-4]。葫芦巴种子含有多种营养成分且易提取其有效成分, 将葫芦巴作为饲料添加剂应用于畜牧生产中具有广阔的发展前景。本文主要回顾了葫芦巴的应用进展, 介绍了葫芦巴的生物学功能及其在畜牧生产中的应用。

1 葫芦巴化学成分

随着科学家对葫芦巴的研究逐渐深入, 已明确表明大多数葫芦巴中有效化学成分是从其种子中提取和分离, 其营养成分见表 1。葫芦巴种子主要成分为甾体皂苷类、黄酮类、多糖类、生物碱类、脂肪酸及油脂类、氨基酸、矿物质等, 其中主要活性成分为:半乳甘露聚糖(galactomannan, GM)、薯蓣皂苷元、黄酮、葫芦巴碱、4-羟基异亮氨酸(4-hydroxyisoleucine, 4-HIL), 使用气相色谱-质谱联用技术分析其成分, 使用超临界二氧化碳提取和超声辅助萃取等方法提取其活性成分[5]

表 1 葫芦巴种子营养成分(风干基础) Table 1 Nutrient composition of fenugreek seed (air-dry basis)

在葫芦巴种子的主要成分中, 甾体皂苷含量约为6.5%, 相对分子质量为800~1 600, 目前从葫芦巴中分离出数十种皂苷, 其中薯蓣皂苷元占主要地位[6]。黄酮:主要分布于种子及茎叶中, 相对分子质量为400~600, 目前从葫芦巴中分离提取出10余种黄酮类化合物[7]。葫芦巴多糖:又称GM, 其相对分子质量约为250 000, 存在于葫芦巴种子胚乳中, 其中半乳糖与甘露糖比例一般为1 : 1, 少数为1 : 2[8]。生物碱:目前已分离提取出龙胆碱、番木瓜碱、胆碱、葫芦巴碱等, 其中对葫芦巴碱研究比较多[9]。脂肪酸:主要成分为亚麻酸、亚油酸和棕榈酸等17种脂肪酸及其酯类和甾醇类物质, 其中十六烷酸是第1次从葫芦巴中被分离提取出来[10]。氨基酸:目前从葫芦巴中已分离并鉴定出20种氨基酸, 其中4-HIL是一种非蛋白质氨基酸, 包括2种非对映异构体, (2S, 3R, 4S)-异构体和(2R, 3R, 4S)-异构体[11]。矿物质:目前已鉴定出53种矿物质元素, 其中包括11种人体必需元素, 研究发现各元素含量为钾>磷>镁>钙>钠>铁>钒>铬>锰>铜>锌>锗>硒[12]

2 葫芦巴的生物学功能 2.1 降血糖

葫芦巴可以修复受损胰岛β细胞, 刺激胰岛细胞, 促进胰岛素分泌。Broca等[13]研究表明, 当4-HIL浓度为200 μmol/L~5 mmol/L时, 可以促进胰岛素分泌释放, 且浓度为1 mmol/L时, 其胰岛素分泌释放量最多。汪佳琦[14]研究表明, 用不同剂量葫芦巴多糖处理糖尿病大鼠, 均可明显修复大鼠胰岛损伤, 抑制糖尿病大鼠中胰岛素分泌减少, 并将其改善至接近正常对照大鼠水平, 且以低剂量多糖对胰岛修复损伤效果最显著。葫芦巴能有效增加胰岛素敏感性, 改善胰岛素抵抗, 维持组织正常功能及血糖稳定。Lu等[15]研究表明, 当向HepG2细胞进行肿瘤坏死因子-α(TNF-α)处理后, HepG2细胞产生胰岛素抵抗降低糖原水平, 加入20 μmol/L 4-HIL时, 降低磷酸化氨基末端蛋白激酶/氨基末端蛋白激酶(p-JNK/JNK)和磷酸化胰岛素受体底物/胰岛素受体底物(p-IRS-1/IRS-1)比率, 增加磷酸化蛋白激酶/蛋白激酶(p-AKT/AKT)和磷酸化糖原合成激酶/糖原合成激酶(p-GSK/GSK)比率, 直接或间接逆转TNF-α诱导的HepG2细胞糖原水平的降低, 改善肝脏胰岛素抵抗。刘永巧等[16]研究结果表明, 各浓度葫芦巴碱均能不同程度促进HepG2细胞摄取吸收葡萄糖, 且葫芦巴碱浓度为1 000 μmol/L时, 其对葡萄糖摄取促进效果最强, 改善胰岛素抵抗。

葫芦巴可以抑制糖消化酶活性, 干扰糖消化, 且葫芦巴多糖具有高黏度特性, 易包裹肠道内待消化吸收物质, 阻碍糖与肠内壁接触, 延缓肠壁消化酶对糖类消化、吸收而延缓葡萄糖吸收入血, 降低血糖。王君花[17]研究结果表明, 0.15 mL葫芦巴水提取物及葫芦巴乙醇提取物均可以显著抑制α-葡萄糖苷酶活性, 且葫芦巴水提取物抑制消化酶活性效果更明显。Srichamroen等[18]研究表明, 肠道空肠和回肠段葡萄糖摄取率与GM浓度呈负相关和线性相关, 黏性较强的GM可以有效抑制肠道对葡萄糖的摄取, 且GM溶液浓度为0.35%(质量分数)时为降低空肠和回肠中葡萄糖摄取速率的最佳浓度。葫芦巴可以调节糖代谢相关酶活性改善糖代谢, 增加周围组织对葡萄糖的利用, 加速肝糖原合成, 增加肝糖原含量。Vats等[19]研究表明, 糖尿病大鼠中肝糖原、肌糖原含量明显降低, 注射葫芦巴后, 糖尿病大鼠的糖原分解减少, 肝脏和肌肉中糖原合成增加, 有利于机体组织对葡萄糖的利用。Gad等[20]研究表明, 经链脲佐菌素诱导后的大鼠肝糖原、肌糖原含量明显降低, 给予糖尿病大鼠口服葫芦巴提取物(1.5 g/kg)可以显著增加葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性活性, 降低葡萄糖-6-磷酸酶活性, 减少糖尿病大鼠糖原分解, 显著提高肝脏和肌肉中糖原含量。

2.2 降血脂

葫芦巴可以调节脂质代谢相关酶活性、相关基因表达, 减少肝脏脂质积累, 抑制脂肪变性。Vijayakumar等[21]研究表明, 葫芦巴提取物可以上调低密度脂蛋白受体表达, 调节肝脏脂质代谢, 减少甘油三酯和总胆固醇合成, 通过降低死亡受体表达下调固醇调节元件结合蛋白-1表达, 减少脂肪合成。葫芦巴可以促进胆固醇体内逆转运(RCT)过程, 促进胆固醇转化, 降低体内胆固醇水平。Uemura等[22]研究表明, 葫芦巴可以抑制糖尿病小鼠肝脏脂肪生成基因mRNA表达, 改善血脂异常, 且其中的皂苷可以抑制肝X受体(liver X receptor, LXR)反式激活, 抑制LXRa活性, 减少脂质积累, 调节脂质代谢紊乱。陈挚[23]研究表明, 皂苷可以上调胆固醇7-α脱氢酶mRNA表达水平, 促进胆固醇向胆汁酸转化, 减少因胆固醇胶束过量生成而导致的重吸收, 增加ATP结合盒转运子A1 mRNA表达水平, 促使组织中胆固醇向细胞外排泄, 增加胆固醇RCT。葫芦巴可以阻碍胆固醇吸收, 降低胆固醇在血清中的浓度, 促进胆固醇及胆汁酸排泄。Ramulu等[24]从葫芦巴种子中以水提醇沉法提取出的GM可以增加小鼠体内三羟基三甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶活性, 增加胆固醇分解代谢率, 促进胆固醇、胆汁酸排出体外。有研究表明, 皂苷可以与胆汁盐形成大混合胶束, 增加胆汁盐的粪便排泄, 降低血清胆固醇, 从而抑制胆固醇吸收[25]。陈挚[23]研究葫芦巴多糖与胆固醇胶束结合后对胆固醇的影响, 结果表明加入少量葫芦巴多糖时, 其与胆固醇胶束结合率几乎无差异, 当添加葫芦巴多糖25 mg时, 其与胆固醇胶束结合率为49.41%, 有利于将胆汁酸通过胆固醇胶束排出体外。

2.3 抗氧化

在正常情况下, 哺乳动物体内产生的活性氧(ROS)可以通过内源性酶和非酶抗氧化防御系统, 包括谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽转移酶(GST)进行中和, ROS的产生和其中和过程之间产生的不平衡容易导致细胞代谢紊乱并产生氧化损伤[26]。葫芦巴可以增强抗氧化酶活性, 提高其抗氧化力。Abdel-Daim等[27]研究表明, 给溴氰菊酯中毒的大鼠饲粮中补充2.5%和5.0%葫芦巴油, 能够抑制脂质过氧化, 增加总抗氧化能力, 增强抗氧化酶活性, 可作为抗氧化应激诱导肝肾损伤的天然保护剂, 且以5.0%的添加量效果较好。TNF-α可以激活还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶产生ROS, 并通过与电子传递链相关的神经酰胺依赖性信号通路诱导线粒体中ROS产生, 在谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)反应中, GSH被氧化成谷胱甘肽二硫化物(GSSG), 随后通过GSSG还原酶作用将该反应中产生的GSSG通过NADPH还原为GSH[28-29]。Yoshinari等[28]研究表明, 饮食中添加葫芦巴碱可以抑制TNF-α形成, 使得血红蛋白糖化和脂质积累, 下调NADPH氧化酶和线粒体电子传递系统的基因表达, 试验组中较低的过氧化氢酶(CAT)和GSH-Px活性和较高的GSH/GSSG比率均表明葫芦巴碱的添加抑制或减缓了机体的氧化应激。Chatterjee等[30]研究证明, 400 mg/kg的葫芦巴提取物可以增加GSH水平和降低脂质过氧化, 保护细胞蛋白免受氧化作用, 并且还可以直接解毒活性氧化物质和中和因接触包括化学致癌物质在内的外来生物而产生的活性中间物质, 降低DNA损伤、诱导致癌过程的可能性。Sindhu等[31]研究葫芦巴黏液对大鼠佐剂性关节炎的抗氧化作用, 结果表明葫芦巴黏液可以抑制GSH和SOD的消耗, 提高GSH-Px活性, 减少由自由基攻击而导致的细胞损伤, 降低硫代巴比妥酸活性物质活性, 减缓脂质过氧化反应。葫芦巴可以有效抑制脂质过氧化和清除自由基活性, 有助于增强机体抗氧化能力。Madhava等[32]研究表明, 葫芦巴种子提取物可以清除自由基活性, 200 μg/L的葫芦巴种子提取物显示72%抗氧化活性, 浓度越高, 抗氧化力越强。Goyal等[33]体外试验研究表明, 葫芦巴种子提取物-银纳米粒子在不同浓度下对1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)清除率均达到了50%以上, 且在50 μg/μL浓度下, 其对DPPH清除率约为74%。

2.4 抗肿瘤

葫芦巴在体内和体外试验中均能表现出抗肿瘤的生物学功能。体外试验表明葫芦巴能抑制肿瘤细胞增殖、肿瘤血管生成及肿瘤发生、转移和诱导肿瘤细胞凋亡; 体内试验表明葫芦巴可以减少机体肿瘤数量和减少肿瘤重量。Iranmanesh等[34]使用鸡胚绒毛尿囊模型研究葫芦巴提取物在肿瘤转移中的作用, 结果表明, 500 μg/mL葫芦巴提取物抑制血管内皮生长因子表达, 从而抑制新生血管的形成, 减少肿瘤血管数量, 抑制肿瘤转移。Goyal等[33]研究表明, 100 μg/mL的葫芦巴种子提取物-银纳米粒子能显著抑制表皮癌细胞A431增殖, 且抗癌作用随着葫芦巴种子提取物-银纳米粒子浓度的增加而增强。Chatterjee等[30]研究发现给予小鼠口服葫芦巴种子提取物(400 mg/kg), 能有效减少二甲基苯并蒽和十四烷酰佛波醋酸酯诱导的小鼠皮肤乳头状瘤, 显著降低肿瘤发生率和肿瘤平均重量。

葫芦巴抗肿瘤具体机制尚不明确, 但现阶段研究发现葫芦巴主要通过激活半胱天冬酶(caspase)和p53-Bcl-2基因相关蛋白X(Bax)信号通路诱导肿瘤细胞凋亡[35-37]。Abas等[38]研究表明, 葫芦巴提取物通过激活caspase-3和caspase-6信号通路和诱导DNA片段化, 促进人乳腺癌细胞MCF-7、人胰腺癌细胞AsPC-1凋亡。Khalil等[39]研究表明, 葫芦巴种子提取物通过激活p53, 提高Bax表达, 诱导人肝癌细胞HepG2细胞凋亡。此外, 葫芦巴种子中的活性成分甾体衍生物-异己酸乙酯, 能激活caspase信号通路诱导A546肺癌细胞凋亡[6]

2.5 抗炎

葫芦巴具有良好的抗炎作用。Jung等[40]研究表明, 薯蓣皂苷元可以抑制诱导型一氧化氮合酶(iNOS)基因的转录, 降低iNOS mRNA和iNOS蛋白水平, 减少巨噬细胞诱导的炎症组织损伤。El-Sebaey等[41]研究表明, 给经环磷酰胺诱导的大鼠补充400 mg/kg葫芦巴提取物, 能减轻大鼠炎症反应, 显著降低一氧化氮(NO)、白细胞介素(IL)-1β及TNF-α水平。郭亚春等[42]研究表明, 薯蓣皂苷元在特异性抗原作用下, 可以提高类风湿关节炎小鼠Th2细胞因子表达水平, 增加细胞因子IL-4、IL-5表达水平, 从而抑制γ干扰素(IFN-γ)、TNF-α表达, 发挥抗炎作用。

葫芦巴抗炎作用主要通过2个途径:1)葫芦巴通过调节Th1/Th2型细胞因子的表达发挥抗炎作用。葫芦巴提取物通过诱导IFN-γ的合成负调节Th2途径, 抑制Th2细胞分化、活化。Bae等[43]研究表明, 葫芦巴提取物可以抑制苯三甲酸诱导的接触性超敏反应的小鼠模型中Th2途径的过度激活, 促进IL-10的产生, 抑制IL-1β的产生, 提高INF-γ的分泌。Jan等[44]研究表明, 薯蓣皂苷元可显著促进免疫球蛋白G2a的产生, 提高小鼠脾细胞中IFN-γ的分泌和表达, 促进Th1细胞分化。2)葫芦巴通过作用于核转录因子-κB(NF-κB)信号通路发挥抗炎作用。NF-κB是一种由p50亚基和p65亚基组成的二聚体, 在正常情况下, NF-κB与NF-κB抑制因子(IκB)结合, 使其无法进入细胞核转录。当机体细胞受到外界刺激时, IκB发生磷酸化并与NF-κB解离, 导致其迁移至细胞核, 与特定DNA位点结合诱导多种炎症因子表达[45]。Romics等[45]研究表明, 薯蓣皂苷元可以抑制脂多糖(LPS)/IFN-γ诱导的IκB磷酸化, 阻断NF-κB易位到细胞核, 抑制激活蛋白-1表达, 下调巨噬细胞中氨基端激酶(JNK)表达, 抑制炎症介质表达。Choi等[46]研究结果表明, 薯蓣皂苷元抑制TNF-α诱导的NF-κB活化, 阻断JNK和AKT磷酸化, 减少巨噬细胞中炎症因子的产生。

3 葫芦巴在动物生产上的应用 3.1 促生长作用

葫芦巴含有许多碳水化合物, 脂肪酸, 可以改善畜禽生长性能, 提高平均日采食量(ADFI)、平均日增重(ADG), 降低料重比。Alloui等[47]研究结果表明, 葫芦巴种子提取物通过对神经系统和肠道菌群的作用, 有利于肉仔鸡开胃, 给肉鸡补喂3 g/kg葫芦巴种子提取物可以刺激肉鸡采食量, 增加活体重, 提高饲料转化率。Toaha等[48]研究指出, 2%葫芦巴种子粉提高肉仔鸡ADFI, 但3%葫芦巴种子粉降低肉仔鸡ADFI, 其原因是高剂量葫芦巴的气味、味道影响肉仔鸡适口性, 降低采食量。大多数研究结果表明, 动物饲粮中添加葫芦巴均能提高采食量和日增重, 但也有研究结果表明, 葫芦巴的添加对动物生长没有显著影响, 这可能与添加量、添加形式、试验动物、动物生理状况等因素有关。表 2总结了葫芦巴的不同添加量在畜禽促生长等方面的作用[48-53]

表 2 葫芦巴促生长作用 Table 2 Growth-promoting function of fenugreek
3.2 改善机体健康

畜禽血液生化参数易受机体内外环境的影响, 血清生化指标的变化体现出动物机体营养物质或病理变化。Guardiola等[54]研究指出, 在饲粮中添加10%葫芦巴种子粉可以降低天冬氨酸氨基转移酶、肌酸激酶活性, 对金头鲷肝脏形态没有任何不良影响, 保证了骨骼肌、心肌的完整性。Begum等[51]研究发现, 0.2%葫芦巴种子提取物可以增加断奶仔猪血清免疫球蛋白G含量, 增强机体免疫力。过氧化物酶可以有效消除过氧化氢(H2O2)并维持免疫细胞和系统氧化还原平衡。El-Sebaey等[41]研究指出, 给予大鼠口服葫芦巴提取物(400 mg/kg BW)不影响肝脏丙二醛(MDA)水平, 但显著提高了CAT和SOD活性以及肝脏GSH水平, 可以修复机体血液和组织中的氧化还原系统。此外, 有研究表明, 在6-羟基多巴胺诱导的帕金森病大鼠试验模型中添加100 mg/kg葫芦巴碱, 可以通过降低黑质致密部神经元的旋转行为发挥神经保护作用, 对帕金森病有一定的治疗作用[9]表 3为葫芦巴对机体健康的影响[50-51, 54-57]

表 3 葫芦巴对机体健康的影响 Table 3 Effects of fenugreek on animal health
3.3 其他作用

葫芦巴可以减少粪便中氨气(NH3)、硫化氢(H2S)和硫醇(R-SH)等有害气体的排放, 主要是葫芦巴中的皂苷可以调节胃肠道中的微生物菌群, 改善营养物质消化率, 消化率的增加可以使较少的底物用于大肠中的微生物发酵, 从而减少粪便中的有毒气体含量[58]。Hossain等[58]研究结果表明, 2 g/kg的葫芦巴种子提取物可以对生长猪的肠道形态和营养吸收产生积极影响, 增加氮和总能的表观总消化率, 减少大肠微生物发酵的底物, 减少NH3、H2S等有害气体的排放。Begum等[51]研究表明, 0.1%、0.2%葫芦巴提取物的添加可以减少断奶仔猪粪便中的有毒气体(NH3和H2S)含量, 并且可以用于最小化与猪生产相关的空气污染。Abdul-Rahman等[59]研究表明, 在肉种鸡饮食中加入0.1%葫芦巴种子提取物可以提高肉种鸡繁殖性能和改善精液品质。

4 小结

葫芦巴历史悠久, 资源丰富, 使用安全, 药用价值高, 且富含多种营养物质及多种活性成分, 具有抗氧化性、降血糖、降血脂、抗肿瘤等功效, 市场潜力大。目前葫芦巴并未作为饲料添加剂广泛用于畜禽生产中, 原因在于葫芦巴的气味、味道易影响动物适口性, 影响畜禽生产性能; 其有效活性成分种类多, 生物活性机制有待于进一步研究探索; 对于不同动物品种, 不同生理阶段下的添加量、添加形式仍需进一步研究确定。今后, 在现代科学技术的高速发展下, 需加强和改进葫芦巴有效成分的提取方法, 提升其发展应用价值; 在中草药理论指导下, 将葫芦巴与其他有效中药配伍, 以期研发出具有更高效、持久的多功能的中草药复方制剂, 有利于充分开发中草药的多种功能。

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