甜菊糖苷的生物學功能及其在畜禽生產中的應用研究進展

何振濤 熊云霞 王 麗 朱 翠

(1.佛山科學技術學院,生命科學與工程學院,佛山 528225;2.廣東省農業科學院動物科學研究所,豬禽種業全國重點實驗室,農業農村部華南動物營養與飼料重點實驗室,嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室茂名分中心,廣東省畜禽育種與營養研究重點實驗室,廣州 510640)

甜葉菊為菊科、甜葉菊屬多年生草本植物,被認為是世界第三大甜味來源。目前,我國的甜葉菊種植、甜菊糖苷生產和甜菊糖苷出口均居世界首位[1]。甜菊糖苷是一種從甜葉菊葉中提取的天然甜味劑。歐洲食品安全局(EFSA)和食品法典委員會(CODEX)均于2011年批準將甜菊糖苷用作食品添加劑。甜菊糖苷是一種天然、安全、低熱量、高甜度的甜味劑,在全球食品、醫藥、化妝品和家用化工產品中具有廣泛的應用[2]。根據國際市場分析研究和咨詢集團(IMARC)的數據,甜葉菊的全球市場價值預計到2024年將達到近8.18億美元[3]。研究發現,甜菊糖苷除了作為甜味劑使用外,還具有抗氧化、抗炎、改善血糖血壓、抗菌、抗腫瘤、抗腹瀉、利尿和免疫調節等多種生理功能[4]。近年來研究表明,在畜禽飼糧中添加適宜的甜菊糖苷有助于改善畜禽的生產性能[5-6]、提高飼料利用率[7-8]和調節腸道微生物群[9],表明甜菊糖苷在畜禽生產應用上具有巨大潛能。因此,本文主要綜述了甜菊糖苷的消化、代謝、生物學功能,旨在為甜菊糖苷在畜禽生產中的合理開發和應用提供參考。

1 甜菊糖苷的化學結構、提取方法以及味覺評價

甜菊糖苷(C38H60O18)是甜葉菊的主要甜味成分,呈白色粉末狀,是一類四環二萜類糖苷物質[10],主要分布于甜葉菊的根、莖、葉,其中以葉片含量最高(可高達14%)。研究表明,甜菊糖苷在各種加工和儲存條件下均表現出良好的穩定性,不與水溶性維生素、有機酸、甜味劑和咖啡酸發生反應;熱穩定性強,不參與美拉德反應;且長時間儲存不發生發酵[11]。甜菊糖苷具有吸濕性強、低熱、高甜、穩定性好且無毒副作用等優點,其甜度是蔗糖的50～300倍,可作為蔗糖的替代品[1,12]?，F已從甜葉菊葉片中鑒定出64種甜菊糖苷,其中甜菊苷、萊鮑迪苷A、萊鮑迪苷B、萊鮑迪苷C、萊鮑迪苷D、萊鮑迪苷E、萊鮑迪苷F、甜菊雙糖苷、杜克苷A、甜茶苷和萊鮑迪苷M等11種含量相對較高[13]。不同類型的甜菊糖苷化學結構主要差異在于R1和R2基團的區別(表1),其R1和R2基團分別連接在C13-羥基和C19-羧基[14]。

表1 甜菊糖苷的化學結構

甜菊糖苷作為新型代糖,可通過味覺感受器感知甜味和些許苦味等雜味。研究發現,甜菊糖苷可激活人體1型味覺受體成員2(T1R2)和1型味覺受體成員3(T1R3)感受甜味,也可激活2型味覺受體成員4(T2R4)和2型味覺受體成員14(T2R14)感受苦味[26]。甜菊糖苷的味覺感受與糖元鏈長度、吡喃糖取代和C16雙鍵等結構特征有關,碳骨架中C-19上的葡萄糖基越少,苦味回味時間越長,而C-13上的葡萄糖基越多,起甜越快,甜度強度越強。例如,相較于萊鮑迪甙A和萊鮑迪甙C的甜味較弱和苦味較強,萊鮑迪苷M和萊鮑迪苷D雖然在甜葉菊中的天然含量很低,但具有很強的甜味和比較弱的苦味;而甜茶苷和甜菊苷則苦味后味強,甜味較弱[27]。研究表明,消除或減少甜菊糖苷苦味的最直接方法是在產品中添加風味增強劑或味覺修飾劑以掩蓋其苦味,如赤蘚糖醇、麥芽糖醇和木糖醇等[28],也可采用以麥芽糊精和菊粉為膠囊劑的噴霧干燥技術,可以最大限度地減少甜菊糖苷的苦味[29],或者通過酶促反應加強其親水性從而掩蓋其苦味[30]。研究發現,將Kamiya-8基團直接修飾甜菊糖苷骨架結構,也可提高甜菊糖苷對甜味受體T1R2及T1R3的親和性,降低對苦味受體T2R4及T2R14的親和性,從而改善甜菊糖苷的適口性[3]。

2 甜菊糖苷在機體中的水解代謝過程

目前研究表明,人和鼠對甜菊糖苷的水解代謝部位和代謝過程不盡相同。無論是人體還是大鼠體內(圖1),甜菊糖苷通過口服后進入消化道,由于胃液及消化酶無法將其降解,導致其在腸道內無法被正常水解吸收[31-32]。研究表明,結腸菌群參與了甜菊糖苷的水解、吸收過程,擬桿菌屬可以將甜菊糖苷水解為甜菊醇[32-34]。甜菊糖苷進入機體后首先被腸道微生物分解為甜菊醇,甜菊醇則經肝-腸循環在膽汁和腎臟中進一步代謝,進入腎臟后甜菊醇會在細胞色素P450酶的作用下代謝生成一羥基和二羥基代謝物[32]。研究證實,大鼠口服甜菊醇15 min后其血液中的甜菊醇濃度出現峰值,進一步用Caco-2細胞模型研究發現,腸道上皮細胞對甜菊醇的吸收轉運很快,這與大鼠體模型結果[34]一致。此外,連續口服3 d甜菊糖苷的人糞便中未檢測出甜菊糖苷,僅可檢測出甜菊醇[35-36]。

圖1 甜菊糖苷的代謝過程

Cardoso等[37]將同位素131I標記的甜菊糖苷靜脈注射Wistar雄性大鼠,研究其在體內的分布和代謝情況,發現注射10和120 min后,大鼠肝臟和小腸中的放射性物質濃度最高。由于消化系統的不同,甜菊糖苷在不同動物機體內代謝的過程也有所不同,可能涉及到腎臟的有機陰離子轉移[38]。研究指出,在大鼠體內甜菊糖苷的主要代謝產物會通過膽汁隨糞便排泄[39]。甜菊糖苷主要通過人體的腎臟代謝,然后隨尿液排出,72 h后,尿液中會發現62%的甜菊糖苷以甜菊醇葡萄糖醛酸苷的形式存在[35-36,40],有機陰離子排泄量的差異與此有關。甜菊醇葡萄糖醛酸的分子質量為494 u,分子質量在600 u或以下的有機陰離子在人體中主要通過腎臟排泄,而分子質量在600 u或以上的有機陰離子在人體則主要通過膽汁排泄[41];相反,分子質量為325 u或更大的化合物在大鼠體內主要通過膽汁排出體外[41]。然而,目前關于甜菊糖苷在畜禽體內的代謝規律研究相對較少。

3 甜菊糖苷的生物學功能

3.1 抗氧化作用

研究證實,甜菊糖苷具有較強的抗氧化活性。甜菊糖苷對糖尿病大鼠肝臟中的超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性都有明顯提高,這對氧化損傷具有顯著的保護作用[42]。甜菊糖苷可通過抑制細胞外調節蛋白激酶1/2(ERK1/2)、信號傳導及轉錄激活因子3(STAT3)和核因子-κB(NF-κB)從而抑制小鼠腎臟的氧化應激,減少各種次級反應中產生的自由基的毒性作用[43]。體外研究也證實了甜葉菊及其提取物具有良好的抗氧化活性。Jahan等[44]測得甜葉菊80%乙醇提取物的最大吸光度為1.071 nm,而抗壞血酸作為標準物質的最大吸光度為1.374 nm,這表明甜葉菊乙醇提取物比抗壞血酸(維生素C)具有更高的還原能力。甜葉菊葉的水提取物對超氧陰離子、羥基自由基和2,2-二苯基-1-苦味酸(DPPH)具有有效的清除能力[45]。研究還發現,用甜葉菊葉處理四氧嘧啶誘導的糖尿病小鼠,能顯著提升谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性和還原型谷胱甘肽(GSH)含量[46]。此外,添加200 mg/kg甜菊糖殘渣提取物可顯著改善高脂肪高果糖(HFFD)誘導的小鼠的抗氧化狀態和肝臟脂肪積累情況[47],而添加200和400 mg/kg甜菊糖殘渣提取物還能改善高尿酸血癥小鼠的腸道結構和腸道抗氧化狀態[48]。研究指出,甜葉菊提取物良好的抗氧化活性使其用作鮭魚醬和其他海鮮產品的防腐劑成為可能[49]。

3.2 抗炎作用

研究表明,甜葉菊有機溶劑提取物具有較好的抗炎作用。例如,甜葉菊葉乙醇提取物可有效緩解花生四烯酸(AA)和佛波醇12-肉豆蔻酸13醋酸鹽(TPA)誘導的炎癥模型CF-1小鼠的耳水腫炎癥[50]。對卡拉膠誘導的大鼠腳部腫脹,甜葉菊的氯仿提取物和甲醇提取物均能產生顯著的抑制作用[51]。甜菊糖苷能夠通過下調Toll樣受體2(TLR2)、NF-κB和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑,來降低乳腺炎模型小鼠中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-6(IL-6)等促炎因子的水平[52]。甜菊糖苷還可以顯著抑制結腸炎模型的小鼠的TNF-α和IL-6的水平和抑制環氧合酶-2(COX-2)和誘導型一氧化氮合酶(iNOS)蛋白的表達[53]。同樣地,有研究發現,甜菊糖苷可以下調脂多糖誘導的巨噬細胞中IL-6、TNF-α、IL-1β、COX-2、高遷移率族蛋白B1(HMGB1)和誘導型一氧化氮合酶/一氧化氮(iNOS/NO)等促炎因子的表達,并上調抗炎因子轉化生長因子-β1(TGF-β1)和白細胞介素-10(IL-10)的表達[54]。還有研究發現,甜菊糖苷和甜菊醇對Caco-2細胞無毒,并能阻斷核因子抑制蛋白α/核因子-κB(IκBα/NF-κB)信號通路,該通路在脂多糖作用下會導致TNF-α、IL-1β和IL-6的產生[55]。

3.3 降糖、降壓作用

甜菊糖苷作為低卡、高甜度代糖,可改善機體血糖狀況。Shivanna等[42]的研究表明,甜菊葉粉可增強Ⅰ型糖尿病大鼠胰島β細胞的胰島素分泌,Ⅱ型糖尿病大鼠的細胞胰島素敏感性和葡萄糖耐受性也可提高。此外,研究還發現,甜菊糖苷能顯著改善糖尿病大鼠的胰島素和肝糖原水平,同時顯著降低其空腹血糖和糖化血紅蛋白的水平[56-57]。當機體血糖水平較高時,胰島素分泌和萊鮑迪苷A之間存在直接的劑量-反應關系[58]。甜菊糖苷可以通過激活鈣離子(Ca2+)從而激活味覺受體與胰腺β細胞上的陽離子通道(TRPM5)來增強葡萄糖誘導的胰島素分泌,進而改善機體血糖情況[59-60]。有研究發現,甜菊醇能夠顯著減少腸道中的葡萄糖積累,這是由于甜菊醇會降低腸道黏膜中三磷酸腺苷(ATP)含量和改變腸道形態結構,從而抑制腸道對葡萄糖的吸收[61]。

有研究稱,女性高血壓患者服用500 mg/d甜菊糖苷2年后,明顯降低了收縮壓和舒張壓[62]。Chan等[63]也發現28～75歲的女性高血壓患者服用0.25 g甜菊糖苷3次/d,僅7 d后,收縮壓和舒張壓均顯著降低。研究認為,甜菊糖苷良好的降血壓作用可能與其強烈的抑制血管緊張素轉換酶活性有關[64]。

3.4 抑菌、抗癌作用

Puri等[65]發現,通過乙醇、甲醇和氯仿等有機溶劑進行提取純化的甜菊糖苷,可抑制肺炎克雷伯菌、蠟樣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、枯草芽孢桿菌、脫氮產堿桿菌和鼠傷寒沙門氏菌等的生長,特別是對枯草芽孢桿菌、肺炎克雷格菌和銅綠假單胞菌的抗菌活性呈現明顯正向的劑量依賴性變化。有意思的是,成年人用萊鮑迪苷漱口后的牙菌斑累積量比用蔗糖漱口后的牙菌斑累積量降低82%[66],而甜菊糖苷因其具有抑菌能力被廣泛應用于口腔潰瘍和牙齦疾病的傳統治療[67]。

通過研究發現,甜菊糖苷還可通過選擇性抑制膀胱癌細胞的增殖能力,并通過誘導細胞凋亡從而抑制其生長[68]。甜菊糖苷還能降低乳腺癌細胞MDA-MB-231細胞的遷移和轉移潛能[69],降低其對機體的侵襲性,且甜菊糖苷的主要成分甜菊醇對MCF-7乳腺癌細胞具有較強的細胞毒性作用,可以通過G2/M周期阻滯抑制MCF-7細胞的增殖[70]。Chen等[71]研究表明,甜菊醇對人胃MKN-45、MGC-803和HCG-27以及結直腸HCT116、HCT-8和Caco-2等6種癌細胞系均有抗增殖作用,對細胞活力的抑制呈劑量依賴性,且胃癌細胞比結直腸癌細胞更敏感;進一步分析細胞周期證實甜菊醇可使MKN-45、HGC-27、HCT-116和Caco-2細胞在G1期阻滯,而使MGC-803和HCT-8細胞在G2期阻滯。

4 甜菊糖苷在動物生產中的應用

4.1 甜菊糖苷在家畜生產中的應用

研究發現,對豬、牛、羊等味覺敏感家畜而言,甜菊糖苷可影響其生產性能,提高日增重,并有助于降低幼齡家畜的腹瀉[5,72]。研究表明,在斷奶后第2周,飼糧中添加167 mg/kg甜菊糖苷可顯著提高斷奶仔豬的日增重,但是添加不同比例(0.083 3%、0.167%或0.334%)的甜葉菊苷對斷奶仔豬采食量和料重比無顯著影響[72]。在飼糧中添加300 mg/kg甜菊糖苷時,28日齡斷奶仔豬的平均日增重最高,平均日采食量呈線性增加,料重比則呈線性下降,且當添加251 mg/kg甜菊糖苷時斷奶仔豬腹瀉率最低[5]。此外,在飼糧中添加0.3%甜菊糖苷,還能顯著提高杜長大生長豬的日增重與飼料利用率,增強機體免疫力,改善其背膘厚度等胴體性狀[7]?？偟膩碚f,在飼糧中添加甜菊糖苷可能通過提高飼料利用率和增強機體免疫力,從而有助于改善豬的生長性能。目前,關于甜菊糖苷如何影響家畜動物的腸道菌群變化研究還比較少,且甜菊糖苷對豬只生長性能的改善是否與腸道菌群的調控有關還有待進一步研究揭示。但有研究證實,在妊娠母豬飼糧中添加甜葉菊殘渣(含有甜菊糖苷、綠原酸類、黃酮類等物質)能調控腸道菌群的組成,顯著促進腸道有益菌(如毛螺菌科和瘤胃球菌科)的相對豐度,并減少密螺旋體等有害菌的相對豐度,并且可以顯著提高哺乳母豬平均日采食量[73]。

目前,甜菊糖苷作為飼料添加劑應用于牛、羊飼糧的研究相對較少。Han等[74]發現,在山東黑山羊飼糧中添加400～800 mg/kg甜菊糖苷可以顯著提高采食干飼草的量和飼糧總采食量。在飼糧中添加0.3%甜菊糖可以提高韓牛的末體重、增重和胴體的粗蛋白質含量,并顯著降低了滴水損失和剪切力,增加了背最長肌的肉色紅度值,從而改善胴體品質[75]。然而,具體關于飼糧中添加甜菊糖苷調控牛、羊生產性能的作用機制還需要進一步進行研究。

4.2 甜菊糖苷在家禽生產中的應用

研究發現,甜菊糖苷具有改善家禽生產性能和免疫功能的作用。然而,禽類由于缺失T1R2甜味受體,對甜味感受并不敏感,因此禽類主要通過非T1R2依賴途徑影響其生產性能[6]。例如,添加0.3%甜葉菊提取物,能顯著提高3周齡的青腳麻雞的日增重和飼料利用率,增加血清白蛋白含量,提高法氏囊、脾臟和胸腺等器官指數[8,76]。Jiang等[6]對羅斯308肉雞的研究也發現,在飼糧中添加250 mg/kg甜菊糖苷能顯著提高其體重、平均日增重和平均日采食量。最新研究表明,甜菊糖苷可能通過調節下丘腦神經活性配體-受體相互作用途徑和改變腸道微生物組成促進肉雞采食量的增加[9]。由于具有甜菊糖苷的抗氧化和抗炎作用,甜菊糖苷顯著改善了肉雞血清和空腸的抗氧化能力,可顯著降低NF-κB在回腸黏膜中的mRNA表達量,且對空腸IL-1β和回腸γ-干擾素(IFN-γ)的mRNA表達量有降低趨勢,并顯著提高肉雞核因子E2相關因子2(Nrf2)、CAT和超氧化物歧化酶1(SOD1)在空腸和回腸黏膜中的mRNA表達量[77]。此外,在飼糧中添加80 mg/kg的甜葉菊甜味劑(含有0.5%甜菊糖苷)可以顯著增加科寶系肉雞試驗第42天后的體重和日增重[78]。以上相關結果表明,在家禽飼糧中添加甜菊糖苷可以改善家禽飼料利用率、機體抗氧化能力和免疫功能,并且調控腸道微生物的組成從而有助于提高家禽生長性能。但是,也有研究發現,添加667 mg/kg甜菊糖苷對肉仔雞的采食量、體重增加及飼料轉化率均無顯著影響[79]。需要注意的是,添加過高劑量的甜菊糖苷(3 200 mg/kg)對愛拔益加肉雞的平均日增重、平均日采食量、料重比和免疫器官指數均無顯著影響,但是顯著降低了其血糖水平,抑制葡萄糖的合成,并提高鈣和磷的表觀消化率[80]。以上不同研究報道結果存在一定差異,這可能跟動物品種、甜菊糖苷的有效活性及添加劑量、處理時間和飼養管理等因素不同有關。

飼糧添加甜菊糖苷還可能存在母子代際效應。Jiang等[81]研究發現,在肉種雞的飼糧中添加250 mg/kg甜菊糖苷可改善其雞胚胎發育以及改善后代肉雞的腸道形態完整性和腸道免疫功能,且還發現甜菊糖苷還可以通過調節腸道微生物群進而減輕脂多糖對后代肉雞造成的腸黏膜損傷[82]。此外,通過給蛋雞飼喂添加1%甜葉菊提取物的飼糧不僅能提高日增重和飼料利用率,改善其胃腸功能,增強免疫力,還可以提升雞蛋中蛋黃色澤和雞蛋中人體必需氨基酸以及其蛋白質總量[83]。目前,甜菊糖苷作為飼料添加劑在肉雞和蛋雞上的應用研究報道較多,而關于甜菊糖苷在其他家禽上應用研究仍相對較少。

5 小結與展望

綜上所述,甜菊糖苷作為一種天然甜味劑,具有良好的抗氧化、抗炎、改善血糖血壓、抗菌、抗癌和免疫調節等生物學功能。研究表明,在飼糧中添加甜菊糖苷具有提高畜禽采食量和促進生長的作用,還能提高畜禽的抗氧化能力、調節機體和腸道免疫功能,并對畜禽肉品質和蛋品質等方面具有一定的改善作用。因此,甜菊糖苷作為新型飼料添加劑在畜禽生產中具有廣闊的應用前景。但是,目前甜菊糖苷在畜禽生產的應用研究報道還相對較少,并且關于其在影響畜禽生產性能方面的研究結果不盡一致。因此,未來仍需要進一步深入開展有關甜菊糖苷的加工工藝和有效活性的含量、在動物飼糧中最適的添加配比以及改善畜禽生產和腸道健康的作用機制等方面研究。