β-胡萝卜素的生物学功能及在动物生产中的应用

吉莹利 刘碧凡 杨 婷 赵玉蓉

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙 410128）

β-胡萝卜素是自然界中较为丰富的类胡萝卜素之一， 作为一种最稳定的天然色素， 其广泛存在于天然时令蔬菜和水果中， 如胡萝卜、 菠菜、西兰花、 番茄、 芒果、 木鳌果等。 不同蔬菜和水果其β-胡萝卜素含量不尽相同， 大体上是颜色越深其含量越丰富。 自19 世纪30 年代Wackenroder 首次从胡萝卜中提取出β-胡萝卜素以来，发现其具有较强的抗氧化、 促进细胞增殖和分化、 调控细胞间信号传导、 影响基因的表达、 增强免疫以及抗炎、 抗癌、 防治心血管疾病、 延缓衰老等作用。 β-胡萝卜素作为维生素A 较为安全的一种前体形式； 不同动物对于其代谢存在差异性， 有研究证明不同动物肠道和其他组织存在特定载体蛋白， 严格调控β-胡萝卜素的吸收和积累， 对于不同物种的代谢途径仍需探究。 近年来随着对β-胡萝卜素研究的不断深入， 全球β-胡萝卜素的需求量越来越高， 目前β-胡萝卜素已在世界上52 个国家和地区被批准作为所有动物的饲料添加剂使用。 本文主要就β-胡萝卜的代谢途径及生物学活性及其应用进行综述， 以期为β-胡萝卜开发利用和动物的健康养殖提供参考。

1 β-胡萝卜素的理化性质

β-胡萝卜素（分子式C40H56） 是一种橘红色至暗红色的有光泽的斜方六面体、 板状微晶体或结晶性粉末， 具有轻微的异味， 熔点为176～184℃， 不溶于水、 丙二醇和甘油， 微溶于乙醇、甲醇和乙醚， 易溶于氯仿、 己烷、 二硫化碳、 丙酮、 苯， 遇光和热不稳定， 较易被氧化。 β-胡萝卜素的化学结构是由四个异戊二烯双键相连而成， 主要有全反式、 9-顺式、 13-顺式和15-顺式4 种结构式。 在顺式结构中， 由于双键附近的氢原子之间或氢原子与甲基基团之间会存在较大的空间位阻， 因此造成顺式结构不稳定， 所以天然β-胡萝卜素主要以全反式结构（图1） 存在。

2 β-胡萝卜素的代谢途径

人与动物通过饮食摄入β-胡萝卜素经咀嚼进入肠道， 在肠道酶作用下β-胡萝卜素从食物中释放出来， 主要在小肠与酯类物质经过乳化形成乳糜微粒， 通过被动扩散被小肠黏膜细胞吸收。 机体对食物中β-胡萝卜素的吸收差别很大，主要取决于食物中β-胡萝卜素含量、 脂质类型、其他胡萝卜素和维生素A 因素以及动物物种等。

β-胡萝卜素作为一种高亲脂性非极性分子，主要以蛋白质复合物的形式存在， 动物小肠黏膜上皮细胞对食物中β-胡萝卜素的吸收步骤是：（1） 在胃中的胃蛋白酶和其他消化酶的作用下，β-胡萝卜素从蛋白质复合物中释放出来； （2）释放出的β-胡萝卜素在十二指肠与其他脂类物质在胆汁的乳化作用下形成乳糜微粒； 乳糜微粒进入到小肠， 随后被小肠黏膜上皮细胞吸收；（3） 含β-胡萝卜素乳糜微粒进入小肠黏膜上皮细胞后主要有三个去处， 其一是β-胡萝卜素在β-胡萝卜素-15， 15-单加氧酶（β， β-Carotene 15， 15-monooxygenase， BCOⅠ） 和β-胡萝卜素-9， 10-双加氧酶 （β， β-carotene 9， 10-dioxygenase， BCOⅡ） 作用下转化成维生素A，其二是β-胡萝卜素随更新的黏膜上皮细胞重新进入肠道， 之后排出体外； 其三是β-胡萝卜素经门静脉或淋巴进入血液循环并进一步运送到肝脏和其他靶组织， 其中部分β-胡萝卜素可以在肝脏内被转化为维生素A、 被贮存或参与机体的其他生物学功能。

3 β-胡萝卜素生物学功能及其应用

研究证明许多类胡萝卜素具有维生素A 活性， 其中β-胡萝卜素活性最高， 因而成为动物机体维生素A 的重要来源。 早在20 世纪30 年代Steenkbock 就发现β-胡萝卜素可能具有维生素A活性。 Moore 经过试验证明β-胡萝卜素可以在动物体内转化为维生素A， 发挥维生素A 的作用。β-胡萝卜素转化为维生素A 有两个途径： （1）中心裂解（对称裂解）： β-胡萝卜素在BCOⅠ的作用下产生两分子维生素A； （2） 偏心裂解（非对称裂解）： β-胡萝卜素在BCOⅡ的作用下产生一份子维生素A。 研究表明， 动物机体并不能够直接合成维生素A， 只能从食物中摄入维生素A 和维生素A 源； 在机体缺乏维生素A 时，BCO 含量与活性增加， 能将储存在肝脏中β-胡萝卜素转化为维生素A； 当体内维生素A 增加到需要量时， 此转化立即停止， 不会造成维生素A的过量积累。 即， 动物具有一定通过调控BCO的活性的能力来维持体内维生素A 的动态平衡。

机体在正常条件下处于氧化和抗氧化平衡状态， 这种平衡的基础是由抗氧化防御体系所维持， 其分为酶体系和非酶体系， 酶体系包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、 过氧化氢酶（catalase， CAT）、 谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase， GSH-Px） 等， 非酶体系包括还原型谷胱甘肽（glutathione， GSH）、 维生素C、 维生素E 以及一些天然抗氧化剂等。 体内的活性氧（reactive oxygen species， ROS） 是细胞正常代谢而形成的副产物， 低水平ROS 作为一类信号分子在机体内的许多信号传递途径中起着至关重要的作用； 但在机体受到不良刺激时，ROS 产生增多， 机体的抗氧化防御体系不能及时清除， 这种平衡被打破， 进而对机体产生损伤。

ROS 主要有超氧阴离子（O2-）、 过氧化氢（H2O2）、 羟自由基（OH-）、 臭氧（O3） 和单线态氧（1O2）。 β-胡萝卜素含有多烯烃特殊分子结构， 因此其拥有较强的自由基捕获能力， 能够清除ROS， 明显改善机体的抗氧化状态。 研究数据显示1 分子的β-胡萝卜素可以抑制1000 个1O2。目前， β-胡萝卜素与ROS 反应主要通过3 种途径， 其一是电子转移机制， 其二是氢原子转移机制， 其三是自由基加成反应。 有学者研究发现，β-胡萝卜素能通过激活核因子E2 相关因子2（NF-E2-related factor 2， Nrf2） - Kelch 样环氧氯丙烷相关蛋白-1 （Kelch-like ECH-associated protein 1， Keap1） -抗氧化反应元件 （antioxidant response element， ARE） 信号通路上调抗氧化酶基因的表达， 从而增强机体抗氧化酶清除自由基的能力。 Szczubia 通过给妊娠母猪后期肌肉注射β-胡萝卜素， 发现母猪血液红细胞的GSHPx、 CAT、 SOD 的水平显著升高。 Salem 给小鼠补充β-胡萝卜素， 发现GSH-Px 的水平显著提高， 丙二醛（malondialdehyde， MDA） 的含量显著降低。 研究发现， 在奶牛和肉牛日粮中添加适量的β-胡萝卜素能够显著提高血清中GSH-Px、CAT 和SOD 的水平， 同时显著降低MDA 的含量。 Akcakaya 等用过氧化H2O2对K562 细胞进行氧化应激试验， 发现β-胡萝卜素与H2O2同时处理或后处理对细胞的氧化损伤没有改善作用， 但β-胡萝卜素的前处理则显著改善H2O2对细胞的氧化损伤。

β-胡萝卜素通过提高机体的细胞免疫、 体液免疫及非特异性免疫反应， 而增强对某些疾病的抵抗力， 改善动物健康。 张晓音等研究结果表明，β-胡萝卜素能显著提高脂多糖（lipopolysaccharide， LPS） 刺激的巨噬细胞RAW264.7 的细胞活力。 Ma 等经过试验发现小鼠饲喂环磷酰胺（cyclophosphamide， CTX） 后补饲β-胡萝卜素能够改善CTX 引起的免疫抑制小鼠免疫器官的损伤、提高小鼠血清中细胞因子和免疫球蛋白的含量。吉昱斌等研究表明， 在1 日龄海兰褐雏鸡日粮中添加不同剂量的β-胡萝卜素能显著提高雏鸡血液中免疫球蛋白A （IgA） 的含量。 同时Lo 等发现β-胡萝卜素通过调节粒-巨噬细胞集落刺激因子(granulocytemacrophage-colony stimulating factor，GM-CSF)、 白细胞介素-6 (interleukin-6， IL-16)和基质金属蛋白酶-9 (matrix metalloprotein，MMP-9) 的分泌， 进而提高机体的免疫能力。Maho 等通过给日本黑牛饲喂β-胡萝卜素发现，β-胡萝卜素能够显著提高初乳中免疫球蛋白G（IgG） 含量。 刘海燕等在21 日龄海兰褐雏鸡日粮中添加不同剂量的β-胡萝卜素， 发现β-胡萝卜素显著改善雏鸡的免疫器官指数。 李雁强发现妊娠母猪的基础日粮中添加β-胡萝卜素， 能够提高新生仔猪的免疫能力， 增加仔猪的健仔率与断奶重， 显著降低仔猪从出生至断奶期间的死亡率。

在动物体内β-胡萝卜素可以保护子宫、 卵巢及活性生殖细胞免受氧化反应的破坏， 从而保护生殖系统重要的细胞器， 进而增强动物的繁殖能力， 提高生产性能。 β-胡萝卜素还能够刺激孕酮的产生， 并与雌激素、 黄体素的合成有关并提高其活性。

相关文献报道， 生产实践中在奶牛的日粮中添加β-胡萝卜素后， 奶牛产后胎衣不下的发病减少15%， 乳腺炎发病率下降17%， 奶牛产后90 d 内受胎率提高14%。 马吉锋等研究发现，奶牛基础日粮中添加100、 200、 300mg/kg β-胡萝卜素， 相比未添加的对照组， β-胡萝卜素可以改善奶牛繁殖性能， 降低牛奶中的体细胞数。 李梓妍在奶牛日粮中添加不同剂量β-胡萝卜素（0、 200、 400mg/头·d）， 结果表明， 奶牛产后添加400mg/头·dβ-胡萝卜素可以显著减少配种次数， 缩短奶牛产后首次发情时间和首次配种时间， 减少空怀天数， 提高情期受胎率， 显著降低产后繁殖疾病的发生； 在日粮中添加β-胡萝卜素有升高血清中孕酮的趋势， 促卵泡素和雌激素的含量显著升高。 刘锐钢等也研究表明， 怀孕后期母猪日粮中添加微囊化β-胡萝卜素显著增加母猪血清中雌二醇和孕酮含量。 其可能机制是β-胡萝卜素作为一种抗氧化剂在保护卵泡细胞及子宫内膜类固醇激素的生成起着重要作用。Arellano-Rodriguez 等研究发现短期补充β-胡萝卜素可以提高山羊排卵率， 同时增强黄体组织的合成和分泌孕酮。

β-胡萝卜素分子中特殊的共轭双键结构通过吸光性能决定其自身颜色， 同时其也具有良好的着色性能。 张慧等发现在肉鸡饲料中添加β-胡萝卜素能提高肉鸡的肉色和鸡腿胫部的着色力。李俊营等研究表明， 玉米-豆粕型日粮中添加β-胡萝卜素能够显著改善蛋黄的色泽。 黎雄等也同样发现， 产蛋高峰期母鸡日粮中添加β-胡萝卜素显著提高蛋黄颜色， 改善鸡蛋品质。 另外， β-胡萝卜素对脂肪代谢具有明显的调节作用。 Jin等研究表明， β-胡萝卜素能通过抑制脂肪合成和增强脂肪水解来抑制肉牛脂肪沉积。 也有研究者证明给育肥期肉牛饲喂过多β-胡萝卜素明显提高其肉色黄度而降低了牛肉的等级， 因而处于育肥期的肉牛因补给适量的β-胡萝卜素。 袁德智等通过试验证实了添加研究表明， 肥育猪基础日粮中添加30 mg/kg 的β-胡萝卜素可以改善宰后猪肉pH 值及肉色， 减少劣质肉产生。 其机制可能是β-胡萝卜素降低了细胞膜的脂类氧化， 减少了细胞内液的渗出。 靳青等在肉牛基础日粮中添加0、 600、 1 200、 1 800mg/d 的β-胡萝卜素， 发现日粮添加β-胡萝卜素可极显著提高肉牛肝脏β -胡萝卜素水平， 屠宰率和净肉率随添加量增高显著升高。 武洪久等和夏耘研究均表明， 奶牛日粮中添β-胡萝卜素可以显著提高奶品质。

Li 等研究表明， β-胡萝卜素可通过抑制巨噬细胞中的核因子κB （nuclear factor κ-B， NFκB）、 Janus 激酶2 （JAK2） / 信号传导及转录激活蛋白（signal transducer and activator of transcription， STAT3） 和c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase， JNK） /p38 丝裂原活化的蛋 白 激 酶 （mitogen-activated protein kinase，MAPK） 信号通路来减轻LPS 诱导的炎症。 Cho等发现β-胡萝卜素通过抑制促炎性脂肪因子单核细胞趋化蛋白-1 (monocyte chemoattractant protein， MCP-1) 和调节活化T 细胞表达和分泌，以及增强脂肪细胞中的脂联素来抑制氧化应激诱导的炎症。 β-胡萝卜素预处理仔猪空肠上皮细胞（IPEC-J2） 能够降低LPS 诱导的IPEC-J2 炎症损伤。 研究表明， β-胡萝卜素能够抑制促炎细胞因子基因的表达和介导， 通过抑制NF-κB 的抑制蛋白（inhibitor of NF-κB， IκB） 的降解进而抑制NF-κB 活化而抑制LPS 诱导的炎症反应。 β-胡萝卜素能够减轻断奶对仔猪的肠道炎症损伤、促进断奶仔猪生长、 改善肠道形态。 其可能机制是β-胡萝卜素通过下调炎症相关信号通路蛋白NF-κB 的水平来缓解仔猪的肠道炎症损伤。 β-胡萝卜素除了能够通过抑制NF-κB 通路， 也能通过抑制激活子蛋白-1 （activator protein-1，AP-1） 和MAPKs 信号通路来缓解炎症。 研究发现β-胡萝卜素通过抑制促炎因子和调节正常T细胞表达和分泌， 同时抑制转录因子的激活， 因而缓解预防炎症以及炎症并发症。

研究发现， β-胡萝卜素可以增强细胞间隙的连接通讯， 减少外界应激对肠道的损伤， 从而抑制或降低疾病的发生。 研究表明， β-胡萝卜素预处理能显著增强LPS 应激的IPEC-J2 细胞活力和跨膜电阻抗值， 缓解高剂量二甲基亚硝胺引起的急性期反应纳米二氧化钛诱导的小鼠睾丸生殖细胞损伤， 显著增高海兰褐后备期蛋鸡十二指肠和空肠绒毛高度， 同时β-胡萝卜素对于癌细胞是一种细胞凋亡剂， 并且对正常细胞没有负面影响。 Park 等发现β-胡萝卜素能够诱导胃癌细胞凋亡。 周彤等研究发现β-胡萝卜素能够减轻阻塞性睡眠呼吸暂停综合征所导致学习记忆能力受损， 并推测其机制是抑制caspase-3、 磷酸化-tau（p-tau） 蛋白表达密切相关。

4 小结

综上所述， β-胡萝卜素的研究已有近200 年的历史， 其在动物生产中β-胡萝卜素发挥着不可忽视的作用， 为畜牧业的绿色高效、 健康发展奠定了一定的基础。 一方面， 天然β-胡萝卜素（多种异构体共存） 较为昂贵， 化学合成的β-胡萝卜素（全反式） 在特定的条件下对机体有一定毒副作用； 并且食品、 化妆品、 医药等行业对天然β-胡萝卜的大量需求， 使得其在畜牧业中的广泛应用受到一定的阻碍， 因此对β-胡萝卜素异构体的工业化生产需要进一步探索。 另一方面， 由于不同动物对β-胡萝卜素的代谢吸收存在差异， 动物生产中适宜添加量和某些具体的生物学功能作用及其代谢机制尚不完全明确， 仍需进一步深入探究。

参考文献（略）