番茄紅素調控畜禽氧化應激的研究進展

張翼鳴，孟慶維，馬清泉，單安山

（東北農業大學動物營養研究所，黑龍江哈爾濱 150030）

在動物生產過程中，飼糧中的有毒有害物質及飼養環境不適均會誘導畜禽發生氧化應激，這是畜牧業面臨的重要難題之一。氧化應激是指機體自由基的過度產生導致氧化和抗氧化系統失衡，引起細胞膜、蛋白質及DNA 損傷，最終使畜禽的生產性能下降，病理性疾病風險增加，嚴重制約行業發展。番茄紅素是一類天然來源的、有應用前景的植物提取物，其顯著的抗氧化作用已受到畜牧領域科研人員的密切關注，或可作為安全高效的抗氧化飼料添加劑應用于畜禽養殖，以保證畜牧業健康、穩定、快速發展。番茄紅素可通過多種方式保護細胞和組織免受氧化應激的損傷，如清除活性氧（ROS）或調控抗氧化相關通路的表達[1-2]。有研究發現，番茄紅素可緩解玉米赤霉烯酮誘導的仔豬支持細胞氧化損傷[3]；可提高豬肉品質、改善背最長肌和肝臟在宰后72 h 內的氧化狀態[4]，還可改善羔羊血漿、肝臟的抗氧化能力[5]等。番茄紅素顯著的抗氧化功能決定其在畜牧領域的研究與應用價值，但目前的研究不夠深入，調控機制方面的問題值得進一步探討。因此，本文綜述了番茄紅素的生物學功能，整理了近年來番茄紅素在人類及動物營養上緩解氧化應激的研究進展，同時總結了番茄紅素調控機體氧化應激的相關信號通路，旨在為番茄紅素在畜禽營養中的研究提供一定的研究思路，為番茄紅素的推廣及使用提供一定的理論支持。

1 番茄紅素的來源、理化性質及代謝途徑

1.1 番茄紅素的來源及理化性質 番茄紅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發現此物質并將其命名，27 年后，Schunk 以純凈物的形式分離將其重新命名為“番茄紅素”[7]。番茄紅素是暗紅色蠟質結構的色素，以細長針狀晶體的形態存在于自然界中，屬于脂溶性物質，難溶于水、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，番茄紅素多以全反式構型存在，這是熱力學上比較穩定的構型，但是在人體的血漿和組織中至少發現50%的順式異構體，最常見的形式是5-順式、9-順式、13-順式和15-順式，這說明順式異構體更易被動物體利用[8]。

眾所周知，類胡蘿卜素在血漿和組織中含量很高，并且具有較高的抗氧化能力，可以降低有氧代謝中ROS 的危害[9-10]。番茄紅素是常見類胡蘿卜素中最有效的抗氧化劑，分子式為C40H56（圖1），是1 條由13 個雙鍵（其中11 個共軛排列成線性陣列）組成的多聚烯烴鏈，特有的雙鍵結構使得它在動物體內清除ROS 和自由基的能力遠勝于其他類胡蘿卜素，具有最強的淬滅單線態氧（1O2）和捕獲自由基的能力[1]。除此之外，番茄紅素對機體健康還有諸多益處[11]，對提高畜禽繁殖和生產性能[12]、調節脂質代謝均有顯著的影響[13-14]，番茄紅素的抗炎癥、抗突變以及顯著的抗癌作用也多有報道[15-16]。

圖1 番茄紅素的結構式

1.2 番茄紅素的代謝途徑 番茄紅素存在于番茄細胞色質體的類囊體膜內[17]，生番茄中番茄紅素的釋放和吸收效率很低。通過加熱和機械加工破壞番茄基質可以顯著提高番茄紅素從食物基質中釋放的能力，提高其消化效率[18]，所以咀嚼和蠕動對番茄紅素的生物利用度至關重要。番茄紅素的吸收方式與脂類相似，食物基質中的番茄紅素在胃酸、膽汁酸和酶的作用下釋放，先經十二指腸乳化，并溶解包裹于乳糜微粒中，然后隨著乳糜微粒通過腸細胞膜的擴散和滲透作用進入腸系膜淋巴系統，繼而進入門靜脈循環，這是番茄紅素從胃腸道吸收的主要途徑[19]。肝外脂蛋白脂肪酶可將乳糜微粒部分降解為乳糜微粒殘留物，番茄紅素及其代謝物隨機釋放由低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白轉運，最終被分配到目標組織[20]。番茄紅素的化學結構會影響其分布過程，通過循環系統它會優先在睪丸、腎上腺、肝臟和前列腺中積累，這種分布不均表明其在這些組織中具有的獨特生物學作用[21]。

2 番茄紅素對機體氧化應激的調節作用

番茄紅素是常見類胡蘿卜素中最有效的抗氧化劑，通過體外測定抑制硫代巴比妥酸反應物的形成速率判定其抗氧化效果依次為：番茄紅素＞α-生育酚＞α-胡蘿卜素＞β-隱黃質＞玉米黃質=β-胡蘿卜素＞葉黃素[22]。早在20 世紀90 年代末，通過流行病學調查發現食用番茄醬可提高人體血漿和淋巴細胞中的番茄紅素濃度，增強淋巴細胞對氧化應激的抵抗力；以9 名成年女性作為受試者，連續14 d 飲食番茄醬（7 mg 番茄紅素/d），結果表明，飲食番茄醬緩解了淋巴細胞的DNA 損傷，顯著增加了淋巴細胞對氧化應激的抵抗能力[23-24]，但是這些發現并沒有確定是番茄紅素本身的作用。Devaraj等[25]研究了補充純化番茄紅素對健康人體氧化應激的影響，82 名志愿者飲食純化番茄紅素膠囊8 周，結果表明30 mg/kg 番茄紅素可顯著降低DNA 損傷生物標志物—8 羥基脫氧鳥苷（8-OHdG）水平。如表1 所示，世界范圍內多個科研團隊研究了番茄紅素對氧化應激的緩解作用，其以玉米赤霉烯酮、熱應激、二氧化鈦納米顆粒等作為氧化應激誘導物；以仔豬支持細胞、肉雞、大鼠、鯉魚等建立氧化應激模型；以不同劑量的番茄紅素進行干預；這些研究表明，各種理化因素均導致動物發生不同程度的氧化應激，其體內的氧化與抗氧化系統嚴重失衡，甚至引起動物發生系列疾病，而攝入番茄紅素可以改變氧化應激狀態下動物機體的抗氧化酶及氧化終產物水平，如顯著升高超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）活性，顯著降低丙二醛（MDA）濃度；也可以改變與抗氧化相關的基因表達，如核因子紅系2 相關因子2（nuclearfactor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的表達上升、kelch 樣ECH 相關蛋白1（kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）及細胞色素P450-2E1（cytochrome P450-2E1，CYP2E1）的表達下降等[3,26-35]。這說明飼喂番茄紅素可以顯著改善氧化應激動物細胞水平的抗氧化酶防御系統、防止氧化物引起的蛋白質及DNA 損傷。因此，番茄紅素具有作為畜禽生產中抗氧化添加劑的潛力。

表1 番茄紅素對不同因素誘導動物氧化應激的相關參數的影響

在畜牧生產中，氧化應激會導致畜禽生產性能下降、畜產品品質下降。Sahin 等[26]在肉雞飼糧中添加200、400 mg/kg 番茄紅素，發現添加番茄紅素顯著扭轉了熱應激導致的肉雞血清和肌肉中SOD、GSH-Px 活性的下降和MDA 濃度的升高，添加番茄紅素可降低肌肉中Keap1表達和提高Nrf2的表達，表明番茄紅素可明顯改善熱應激肉雞的抗氧化狀態。除此之外，Sun 等[36]發現在蛋雞飼糧中添加40 mg/kg 番茄紅素可顯著增加肝臟總抗氧化能力（T-AOC）、GSH-Px 和谷胱甘肽與氧化型谷胱甘肽比率（GSH:GSSG），顯著提高雛雞的初生重并降低雛雞肝臟的MDA 水平。Correia 等[37]用番茄渣飼喂仔豬，發現番茄渣并沒有直接改善仔豬的抗氧化狀態，但顯著提高了仔豬的肌肉和肝臟中α-生育酚含量；Fachinello 等[4,38]在生長育肥豬飼糧中添加不同水平的番茄紅素（0、12.5、25.0、37.5 和50.0 mg/kg），發現在貯存72 h 內，肌肉中抗氧化劑對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基的捕獲率隨著飼糧番茄紅素濃度的增加呈線性增加，MDA 濃度隨飼糧番茄紅素濃度的增加而降低，表明生長育肥豬日糧中添加50 mg/kg番茄紅素可有效防止背最長肌在貯藏72 h 內的氧化。Jiang 等[5]研究發現，羔羊補充番茄紅素后，血漿和肝臟中的MDA 水平隨番茄紅素添加劑量的增加呈線性下降，血漿中維生素E 水平、T-AOC 能力、CAT 活性、GSH-Px 活性和SOD 活性呈線性增加，補充番茄紅素改善了羔羊的抗氧化狀態。因此，番茄紅素的攝入具有改善畜禽生產性能、降低畜禽的氧化應激、提高畜產品品質的作用。在畜禽繁殖功能方面，番茄紅素可減少精液保存過程中的異常精子總數、提高精子活力。Tvrda等[27]從牛精液中洗出精子置于2.9%的檸檬酸鈉中，用抗壞血酸亞鐵介導其ROS 與超氧化物增加，同時添加番茄紅素，結果表明番茄紅素具有顯著的ROS 清除功能和抗氧化特性，可以阻止氧化應激引起的精子變性。Peker 等[39]同樣發現，0.5 和2 mmol/L 番茄紅素可提高美利奴公羊精子在儲存期間的活力、線粒體活性和氧化應激參數。另外，近期也有研究發現番茄紅素可通過激活Nrf2-HO-1通路有效改善衰老母雞卵巢的氧化應激狀態[40]以及番茄紅素可逆轉順鉑引起的大鼠卵巢的氧化損傷[28]。

3 番茄紅素調控氧化應激的分子機制

番茄紅素緩解氧化應激主要涉及兩種分子機制，一是對細胞中1O2等自由基、次氯酸（HClO）等氧化劑進行有效清除，防止細胞損傷；二是調控相關轉錄因子表達，增加細胞的抗氧化潛力，調控細胞氧化還原狀態，如圖2 所示。

圖2 番茄紅素調控氧化應激的分子機制

3.1 番茄紅素通過對自由基及氧化劑的清除作用緩解氧化應激 番茄紅素可與多種ROS 相互作用。在類胡蘿卜素和其他抗氧化劑中，番茄紅素具有最高的1O2淬滅率[1]。番茄紅素的清除作用主要發生在細胞膜或線粒體膜的磷脂雙分子層內，這是由它極度的疏水性決定的[41]。研究表明，1O2的猝滅主要通過自發的物理方式進行[42]。首先，番茄紅素使激發態的1O2失活為不反應基態的三重態氧（3O2）同時釋放能量；接著，能量被基態的番茄紅素吸收變成激發態的番茄紅素，而后立即返回其原始基態并釋放能量；最后，這部分能量便以熱能的形式耗散到環境中[41]。由此1O2即會被清除。除此之外，番茄紅素對H2O2、二氧化氮和羥基自由基等均有不同程度的清除作用[43]。

番茄紅素也可有效清除HClO 緩解氧化應激。HClO 及其共軛堿是有效的氧化劑，在破壞病原微生物的同時也會損害宿主正常組織細胞[44]，是形成許多疾病的主要因素[45]。Pennathur 等[46]將番茄紅素暴露于濃度不斷增加的HClO 中，通過高效液相色譜和液相色譜-質譜分析發現，番茄紅素會產生一系列由1 個或多個碳碳雙鍵形成的氧化裂解代謝產物，HClO 可在任何雙鍵的位置非選擇性的直接介導其氧化，每分子番茄紅素可消耗多分子的HClO。因此，HClO 與番茄紅素的相互作用可能是緩解氧化應激的潛在機制。

3.2 番茄紅素通過調控相關轉錄因子表達緩解氧化應激

3.2.1 對CYP2E1 的調控作用 生物系統具有幾種類型的自由基，其中最重要的就是ROS。ROS 是分子氧還原的副產物，包括超氧自由基陰離子、H2O2、羥基自由基、1O2和過氧自由基等等。ROS 產生于微粒體單加氧酶（Monooxygenase，MMO）系統，MMO 系統依賴于細胞色素P450 酶的微粒體電子運輸系統和線粒體電子運輸鏈，主要功能是外源化合物和內源性底物的多功能氧化和分子氧的還原。如果氧向底物的轉移沒有受到嚴格控制，就會發生脫偶并導致ROS 的形成[47]。低濃度的ROS 可作為氧化還原信號分子在生理條件下維持生物功能，但高濃度的ROS 則會誘導細胞損傷。CYP2E1 是細胞色素P450 酶的一種，具有增強的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性，通過內源性和外源性底物的氧化還原循環，會導致ROS 超氧物和H2O2的產生過度增加[48]。番茄紅素即是通過降低CYP2E1的表達從而發揮抗氧化作用。一項關于番茄紅素對大鼠高脂所致非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的預防作用的研究表明，番茄紅素緩解了高脂誘導的NASH，使肝臟脂肪生成和ROS 生成減少；與未飲食番茄紅素的大鼠相比，CYP2E1在飲食2、4 mg/kg 番茄紅素的大鼠中表達下降，這說明番茄紅素可能是通過調控CYP2E1的表達從而緩解大鼠NASH[40]。一項關于番茄紅素對大鼠NASH 的保肝和抗氧化作用的研究說明了CYP2E1可能是番茄紅素的作用機制之一[36]。在乙醇介導的H2O2增加和CYP2E1過表達的一項細胞試驗中，這種現象同樣被番茄紅素恢復[49]。

3.2.2 對Keap1-Nrf2 信號通路的調控作用 Keap1-Nrf2通路在氧化應激下的細胞保護中起著至關重要的作用。Nrf2 是一種重要的轉錄因子，在調節抗氧化相關基因表達的同時誘導各種細胞防御機制對抗氧化應激。正常情況下，Nrf2 位于細胞質中，并傾向于與其阻遏物Keap1結合，導致其泛素化降解；在動物發生氧化應激時，Keap1 的硫醇殘基會被機體的氧化劑和親電試劑修飾從而改變構象，與Nrf2 分子解偶聯，游離的Nrf2 會進入細胞核。在胞核內，Nrf2 與抗氧化反應元件ARE 結合促進II 期細胞保護酶如血氧合酶1（HO-1）、NADPH脫氫酶（醌）（NQO1）、SOD等的轉錄與表達[50]。其中，HO-1 是一種抗氧化酶，可作用于配對供體，結合或還原分子氧，防止細胞凋亡；NQO1 是一種氧化還原酶，以醌或類似化合物為受體，可作用于NADPH，防止細胞癌變。據先前的報道[51]，番茄紅素是通過與Keap1形成共價結合的加合物來刺激Keap1 與Nrf2 的解偶聯，這樣Nrf2 即可進入細胞核促進相關基因的轉錄表達。Breemen 等[52]的體外研究發現，番茄紅素也可通過上調ARE 的表達水平促進其與Nrf2 結合，從而刺激II 期細胞保護酶的產生，保護細胞免受ROS 和其他親電分子的影響。Sahin 等[26]評估發現，暴露于熱應激下的肉雞肌肉中Keap1表達水平較高，肌肉Nrf2表達水平較低，說明動物已經發生氧化應激，而補充番茄紅素可線性降低肌肉Keap1表達（從139.0%到99.5%），線性增強肌肉Nrf2的表達（67.2% 到98.3%），此外，肌肉中MDA 水平和Nrf2表達呈負相關，相關抗氧化酶活性與Nrf2表達呈正相關。這說明Keap1-Nrf2 通路對番茄紅素調控氧化應激具有重要意義。

3.2.3 對PKC 信號通路的調控作用 蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）是一組磷脂依賴性和Ca2+依賴性的蛋白絲氨酸或蘇氨酸激酶，由單一多肽鏈組成，廣泛存在于多種組織、器官和細胞中。正常情況下，PKC 存在于細胞質中且不具有細胞活性。當細胞受到內外各種刺激后，PKC 會以Ca2+依賴的形式從細胞質中轉位至細胞膜上，這是PKC 激活的標志。激活的PKC 會減少聚合的微管蛋白和增多單體微管蛋白破壞細胞的微管結構，繼而破壞細胞膜的完整性[53]。ROS 不僅是PKC 的下游信號分子，也是上游信號分子[54]。氧化應激可以導致胞內Ca2+濃度增加，促使PKC 轉位，造成細胞骨架重排和緊密連接損傷[55]。另外，PKC 激活又可以促進ROS 的產生以及PKC 依賴性 NADPH 氧化酶的還原形式的激活，這是導致機體氧化應激加重的重要原因[56]。Bandeira 等[57]用PKC 途徑激活劑和NADPH抑制劑刺激SK-Hep-1 細胞，結果顯示番茄紅素顯著減少SK-Hep-1 細胞中ROS 的合成，同時抑制PKC 依賴的NADPH 氧化酶的激活，表明番茄紅素可通過抑制PKC 介導的NADPH 氧化酶活性來抑制ROS 的產生，證實了番茄紅素對PKC 途徑的調節作用。此外，在一項番茄紅素對大鼠腦皮質神經末梢谷氨酸釋放的機制的研究中，也表明了番茄紅素可抑制突觸前Ca2+進入和抑制PKC 活性[58]。因此，對PKC 途徑的調節作用也是番茄紅素緩解氧化應激的重要機制。

4 展 望

番茄紅素被廣泛認為是有效的抗氧化劑，能夠捕獲過氧自由基、清除HClO，同時調控相關轉錄因子表達，增強抗氧化酶活性，保護機體免受自由基損傷，可作為綠色無害的抗氧化添加劑應用于畜牧行業。但是在畜牧領域中，關于番茄紅素緩解氧化應激的研究依然處于初級階段，研究內容多停留在表觀層面未深入探討其關鍵機制，研究方法較為保守多以飼養試驗為主，研究結果也未得到廣泛普及。因此，未來的研究重點應該進一步探討番茄紅素在不同畜禽體內發揮的抗氧化作用、揭示番茄紅素在不同畜禽的不同組織中的抗氧化調控機理、通過多種研究手段找到番茄紅素在畜禽中最適宜的添加水平，并將其推廣到畜禽配合飼料中。