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姜黃素的生理功能及其在水產飼料工業中的應用
2018/4/26 16:36:58

  姜黃素是從姜科植物姜黃的干燥根莖中提取的化學成分,一般情況下所說的姜黃素是姜黃素、去甲氧基姜黃素和雙去甲氧基姜黃素的統稱,其中姜黃素約占80 % ( Jasim Hilo Naama 等,2010; D Sogi等,2010; 張志琴等,2011) 。姜黃素最初是一種重要的添加劑,作為色素廣泛運用于食品中,此后研究發現其具有強大的生物學功能,被用于化妝品和醫療等各個行業。


   文章綜述了國內外對姜黃素的研究成果,期許其與其他植物提取物一樣,能為解決當今水產養殖業出現的棘手問題提供相關理論依據。


  姜黃素的生理功能研究進展


   1.1 姜黃素的抗氧化性能


   姜黃素及其衍生物的抗氧化機制研究主要集中在酚羥基和β 二酮2 種基團在抗氧化過程中的作用。姜黃素有2 個苯丙烯?;羌?,2 個苯環上各有1 個酚羥基和1 個甲氧基,丙烯基與1 β 雙酮/烯醇式結構連接。研究發現,姜黃素可以作為一個重要的氫給體,在抗氧化過程中主要是二酮中間的亞甲基提供質子,因此其主要活性部位在β -二酮單元( V Slobodan 等,1999) 。酚基團對于姜黃素清除氧自由基是必要的,甲氧基的存在進一步增強其抗氧化活性( K I Priyadarsini 等,2003) 。而Miriyala ( 2007) 認為姜黃素的抗氧化活性歸因于酚基團和甲氧基團與1,3 二酮結合的雙烯系統連接起來。姜黃素有2 個活性部位,分別是酚羥基單元和β 二酮單元,這2 個單元都可以提供質子阻斷自由基反應。同時,姜黃素抗氧化活性的發生部位與反應介質有密切關系( 薛海鵬等,2010) 。


   自由基是生物體新陳代謝過程中所產生的一類具有高度氧化活性的基團。生物體新陳代謝過程中產生大量的活性氧自由基簇( ROS) ,主要有超氧陰離子自由基( O2 ) 、羥自由基( OH) 及其活性衍生物,如:H2O2、RO·、ROO·ROOH?,F已報道姜黃素在體內外可以直接清除自由基( ROS 和活性氮自由基) 。


   姜黃素降低ROS 產生的原因是其能夠增加細胞內谷胱甘肽水平,且與轉錄因子( Nrf2) 有關。此外,姜黃素的抗氧化活性還與其能夠抑制脂質過氧化反應,維持各種抗氧化酶的活性有關,如: 超氧化物歧化酶( SOD) 、過氧化氫酶( CAT) 和谷胱甘肽過氧化酶( GSH Px) 。脂質過氧化反應是由自由基介導的鏈式反應,造成細胞膜結構的破壞,姜黃素抑制脂質過氧化反應主要是通過清除參與過氧化反應的活性自由基( 狄建彬等,2010) 。姜黃素雖能保護生物膜免受氧化應激的損傷,但姜黃素有時卻表現出促氧化作用。姜黃素能夠通過過氧化物酶- H2O2系統產生苯氧基團,該系統可能是協同氧化細胞內谷胱苷肽或還原型輔酶I( NADH) ,伴隨著通過攝入O2形成ROS。因此姜黃素在氧化應激形式下可能不是一個徹底的抗氧化劑( GalatiG 等,2002) 。Sandur ( 2007) 報道姜黃素這種雙向作用是由質量濃度調控的,從而使姜黃素的效應能在抗氧化和促氧化間相互轉換。Hatcher ( 2008)也指出姜黃素是一個自由基清除劑和氫供體,顯示出了親氧化劑和抗氧化劑雙重活性。


   在生物系統的進化過程中,細胞內形成了防御活性氧毒害的保護機制,其中起重要作用的是SOD、GSH Px CAT 等。動物機體中SOD、GSH PxCAT 活力高低間接反映了機體清除自由基的能力。丙二醛( MDA) 為脂質過氧化產物( LPO) 。它們可以反映機體LPO 生成速率和強度,也間接反映組織LPO 損傷程度( 王建舜等,1999) 。機體抗氧化作用增強,可以減少自由基和LPO 對機體細胞膜完整性的破壞,從而提高機體免疫力和抗病能力。姜黃素也可通過誘導抗氧化酶及還原性物質的生成和活化,如: SOD、CAT 和還原型谷胱甘肽,將多種超氧化物、過氧化物及氧化物等自由基分解或還原,從而起到抗氧化或減輕氧化應激損傷的作用( Rajeswari A,2006; 李薇等,2009) 。


   Kalpana ( 2007) 用尼古丁制備肺應激損傷模型,應用姜黃素后發現肺組織中的SOD CAT 水平大大提高,肺損傷程度明顯減弱。對甲氨蝶呤誘發肝損傷的大鼠連續5 d 每天給予100 mg /kg 姜黃素后,發現肝內SOD、CAT GSH Px 活性增強,而MDA水平降低( R A Hemeida 等,2008 ) 。楊奕櫻等( 2011) 研究了姜黃素對食餌性高脂血癥小鼠血脂的影響及其抗氧化性作用,結果表明: 姜黃素能提高機體總抗氧化能力作用,但需要一個最適劑量。綜上所述,在飼料中添加適量的姜黃素,能有效提高動物機體抗氧化性能,從而提高機體的免疫力和抗病能力。


   1.2 姜黃素抗感染癥和抗腫瘤作用


   姜黃素對急性、亞急性和慢性炎癥均有抑制作用,可治療肝炎、肺炎、胰腺炎和過敏性腦脊髓膜炎等多種炎癥。其作用機制可能是通過抑制白細胞介素2 ( IL 2) 、白細胞介素4 ( IL 4) 、白細胞介素8 ( IL 8) 、腫瘤壞死因子α ( TNF α) 和胰島素生長因子結合蛋白( IGFBP 2) 等炎癥因子且上調抑炎介質白細胞介素10 ( IL 10) 的表達,通過降低環氧酶- 2 ( COX 2) 、脂肪氧合酶及誘導型一氧化氮合酶( iNOS) 的表達,從而實現抗感染作用( M T Julie Jurenka,2009; 王小玲,2011;趙承光等,2008) 。此外,過氧化物酶體增殖物激活受體- γ ( PPAR γ) 被推測可以負性調節核因子KB ( NF KB) 的表達,從而減少促炎因子并增加抗感染因子的釋放,在2,4,6 三硝基苯磺酸( TNBS) 誘導的大鼠結腸炎中發揮抗感染作用,而試驗證明姜黃素可作為PPAR γ 的配體,通過激活PPAR γ 間接降低NF kB 的表達( 楊彩虹等,2008) 。體外試驗發現,姜黃素可以顯著減少人肺上皮細胞內抑制性kB 激酶復合體的激活性和抑制性kB 的磷酸化,進而減少NF kB 的活化( KMoriyuki 等,2010) ,同樣的結果在大鼠急性腎損傷模型及佐劑性關節炎大鼠的體內試驗中也被觀察到( S S Ghosh 等,2009; 蔡輝等,2008) 。姜黃素的抗感染活性在離體及體內都得到充分的證實,且作用機制也已處于研究透徹的狀態。有試驗表明,姜黃素抗感染活性大小與構效存在一定的聯系,對其進行改造可以增強抗感染活性,如: 四氫姜黃素和姜黃素吡唑類和異唑類似物( A Mukhopadhyay 等,1982; C Selvam 等,2005) ,原因可能是多1 個羥基或亞氨基使其成為更好的自由基受體。


   姜黃素的抗腫瘤作用體現在癌癥發生的起始、促進和演進各階段。研究表明,姜黃素的添加可以顯著改變小鼠或大鼠肝細胞色素P450 系統和谷胱甘肽- S 轉移酶( GST) 家族的水平,而以上2個酶群能使致癌物質失活或代謝出體外( D P Chauhan,2002) ; 此外,DNA 損傷或突變在癌癥早期起著重要作用,抑制及減少DNA 損傷有利于腫瘤的預防,試驗表明: 姜黃素具有減少乳腺癌細胞中DNA 損傷及調節乳腺癌易感基因1 ( BRCA1) 基因表達的功能,從而預防乳腺癌的發生( Zhenyu Ji,2010) 。此外,前已述及姜黃素能阻斷自由基鏈式反應,這對預防癌癥的發生也具有重要的意義。


   促進和演進階段,姜黃素通過影響細胞周期和調節多種細胞信號途徑來抑制腫瘤細胞的增殖; 姜黃素還可誘導細胞凋亡,其作用機制是裂解多聚腺苷核糖聚合酶和脫氧核糖核酸酶抑制劑,最終導致DNA 斷裂,細胞凋亡( J A Bush 等,2001) ; 導致細胞凋亡的另一可能機制是使凋亡蛋白水平表達升高,抗凋亡蛋白水平表達降低( Y Wu 等,2002) 。


   血管生成是多種腫瘤增殖、轉移和擴散的重要條件之一,其為腫瘤細胞和組織提供充足的養分,所以近年來眾多抗癌藥物的作用機制也跟阻止血管的生成有關。研究表明,姜黃素可在轉錄和轉錄后水平通過調節金屬蛋白酶( MMP) 實現抑制血管生成的作用( E Anupama 等,2002) 。據報道,姜黃素能通過調節永生性人臍靜脈內皮細胞ECV304 細胞周期相關基因的表達而實現抑制血管生成的作用( Park Myung Jin 等,2002) 。


   綜上所述,姜黃素具有抗感染及抗腫瘤活性,與很多化療藥物一樣具有一定的效果,不同的是至今未發現姜黃素對人體有明顯的不良反應,在這點上姜黃素具有巨大的優勢,但其不溶于水及在體內活性不高的缺點一定程度上限制了它的藥理活性,相信人們將根據其構效關系開發出新的產品以彌補缺陷。


   1.3 姜黃素調節脂代謝


   高脂血癥是動脈粥樣硬化性疾病的重要危險因素,而長期高脂飲食則是導致該病產生的主要誘因。高脂血癥導致動脈粥樣硬化的機制主要是氧化修飾的低密度脂蛋白膽固醇( LDL C) 損害血管內皮,導致泡沫細胞產生及粥樣斑塊的形成,同時由于血管內皮的受損使得血管釋放內皮源性舒張因子明顯減少,導致血管內皮依賴性的舒張功能受損,是心血管疾病的起始環節?,F代研究中發現,姜黃素對調節血脂有著顯著正面作用。


   姜黃素對動物血脂代謝影響的探討一般使用誘導形成高脂模型,促使動物脂代謝發生紊亂,之后用姜黃素作為治療藥物,評價其效果。對小鼠進行高脂血癥誘導,以不同劑量姜黃素灌服后,測定血清中血脂四項,三酰甘油( TG) 、膽固醇( TC) 、高密度脂蛋白膽固醇( HDL C) ( LDL C) ,結果表明: 大劑量姜黃素( 每天200 mg /kg) 有明顯的降低血清中TG TC 含量的作用( 潘贊紅等,1999) 。何慶芝等推測姜黃素降脂作用的機制可能與促進微囊蛋白- 1 ( caveolin 1 ) 表達有關( 2010) 。此后的試驗證明,姜黃素不僅具有降高脂模型大鼠血脂的功能,還能改善高脂飲食導致的血管內皮依賴性的舒張功能減退( 朱紅球等,2011) 。其脂代謝調控機制研究方面也有一定篇幅的報道。在姜黃素干預家鴨脂肪肝模型的試驗中發現姜黃素通過增加肝脂酶的活性來促進肝中脂肪的代謝,保護肝細胞( 任永等,2008) 。研究發現,姜黃素通過調節脂肪酸合成酶( FAS) 基因表達量來調控組織中脂肪的分布及影響脂肪沉積,與其他傳統的FAS 基因抑制劑一樣,姜黃素抑制小鼠胚胎成纖維細胞( 3T3 L1) 的分布,最終導致脂肪沉積減少,同時,姜黃素降低了FAS、PPAR γ 和脂肪酸轉位酶( CD36) 的表達量,因此,姜黃素具有減肥的潛在效果( J Zhao 等,2011) 。瘦素( Leptin)可以刺激熱休克蛋白( HSC) 表達及提高腺苷酸活化蛋白激酶( AMPK) 活性,從而誘導脂肪沉積相關基因的表達,增加血管內脂肪的水平,而姜黃素則能消除這種刺激和提高作用,通過此途徑降低脂肪沉積和血脂( Y Tang 等,2010) 。


   HDL C,高密度脂蛋白分子所攜的TC,是逆向轉運的內源性膽固醇酯,將其運入肝,再清除出血液。一個針對人的雙盲試驗,將一批高脂血癥試驗對象分為3 個姜黃素質量濃度梯度組,低質量濃度組攝入姜黃素量為15 mg /d,中質量濃度組攝入姜黃素量為30 mg /d,高質量濃度組攝入量為60 mg /d,每天分3 次攝入,試驗周期維持1 ;試驗結果表明,姜黃素的日攝入劑量越低,HDL C 的升高量越大,此試驗表明: 適量質量濃度的姜黃素對患者有良好的治療作用( I Alwi 等,2008) 。綜上所述,姜黃素對血脂代謝有一定的調節作用,它可以降低血清中TC、TG LDL C,而升高HDL C 水平,從而實現血脂代謝向有利的方向進行。


   1.4 姜黃素在畜牧和水產飼料中的應用研究進展


   姜黃素作為一種植物提取物,具有強大的生物學活性,在養殖業發達的今天,被用作功能性飼料添加劑具有重要的意義。姜黃素在肉雞和蛋雞飼料中應用都有見報道,它可用于提高肉雞的生產性能、提高機體抗氧化能力、增強免疫力、調節脂肪代謝及提高肉品質。系列研究發現在雞飼料中添加150 250 mg /kg 姜黃素對雞的攝食、生長、肉品質和產蛋率等均有有益作用( 胡忠澤等,2004; 胡忠澤等,2008; 祝國強等,2006; 祝國強等,2009) 。此外,使用姜黃素還可以改善雞的顏色,提高市場價值。在水產飼料中,姜黃素被用于大黃魚,不僅可以促進大黃魚的生長、提高餌料利用率和成活率,還可以增強皮膚與肌肉的著色,且呈劑量效應( 王進波等,2007) 。此外,姜黃素在草魚( 胡忠澤等,2003) 、羅非魚( 鄭清梅等,2008) 及凡納濱對蝦( 黃鎮佳,2008) 飼料中使用也有報道,且取得了一定的經濟效益。


2 ·展望


   在集約化程度極高、病害不斷、抗生素產生抗藥性及抗生素禁令呼聲高漲的今天,植物性提取物作為無害不殘留飼料添加劑扮演著更為重要的角色,也逐漸被養殖戶接受。大量植物性添加劑的研究工作表明,有效性依然是使用的限制因素,而有效性受到水生生物機體生理特性的影響,如何開發出體外效果極佳而體內效果顯現的綠色添加劑成為難題。植物添加劑研究的途徑可從劑量、劑型和結構演變著手,以適應水生動物的生理代謝特點。姜黃素作為一種極具生理活性優勢的植物提取物,有理由相信它將為水產養殖中出現的脂肪肝、機體免疫下降的等問題提供一個解決的新途徑,由于其水溶性差導致體內使用效率不高的缺陷是今后研究者需要重點解決的問題。

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