丁宏標
中國農業科學院飼料研究所 研究員，博士生導師
導讀：
植物提取物飼料新增劑作為飼用抗生素替代品能防治動物疾病、增強機體免疫力、促進生長、增加飼料報酬，更是禁抗後的研究熱點，在行業發展中越來越受到重視。很多研究已表明，植物提取物中的化學活性物質可以選擇性抑制細菌，從而有利於消化道菌群的生態平衡，保障腸道健康，提高畜禽對營養成分的吸收利用，一些天然組分對動物機體具有免疫刺激和增強作用，降低日糧炎症指數，透過啟用芳香烴受體AhR，產生積極的腸道自我修復作用。本期特約中國農業科學院飼料研究所丁宏標研究員就“植物提取物改善血糖生成指數及抗炎機理研究”進行闡述，對植物提取物在減少腸道炎症、修復腸漏、調整腸道微生物、調節免疫功能、保護DNA完整性以及抑制癌變等過程中發揮抗炎作用的重要機理做了詳細分析，希望對讀者有所幫助。
全文已在《飼料工業》2022年第6期刊出。
飼料新增劑的開發依據於其作用機制的揭示發現。植物提取物作為一類具有保健、防病、促生長功效的飼料新增劑，對保障動物健康、改善胴體組成、增強免疫力和抗病能力、提高種畜禽生產效能和使用壽命、提供優質畜產品十分重要。文章對植物提取物的一些重要活性成分的分子作用機理進行了綜述分析。
1、植物提取物改善血糖生成指數（GI）機理
現代集約化養殖工藝，豬禽等養殖動物主要飼餵穀物精料，如以玉米、豆粕為主要成分的全價配合日糧，牛羊等反芻動物亦補飼高水平精料。玉米為高血糖生成指數（Glycemic Index，GI）成分，使用量高時形成高血糖負荷（Glycemic load，GL）。豆粕中高含量的抗營養大豆球蛋白及溶劑提取精製工藝導致含較高致炎症因子成分，日糧炎症指數（Dietary inflammatory index，DII）高，非酶抗氧化能力（NEAC）評分低，致炎症作用強，抗氧化能力弱，玉米-豆粕型日糧對養殖動物腸道健康造成挑戰。目前常用的植物提取物成分（如黃酮類化合物、酚類、生物鹼類）可以抑制澱粉酶、葡萄糖苷酶活性，消化酶活性被抑制就會降低碳水化合物吸收及利用，降低飼料的GI值和GL值，防止胰島素抵抗導致的採食量低和生長緩慢，隱形飢餓和高血糖症，降低炎症水平，降低血清和體內炎性誘導物IL-6、高敏C反應蛋白（CRP）水平。
可靠的GI值對研究碳水化合物質量、餐後血糖的影響至關重要。2008年澳大利亞的Brand-Miller教授首次發表了全球食物GI資料的大型彙編，2020年更新到超過4 000個數據，比2008年的數量增加了61%。現在可見食品完整版GI資料庫（http：//sinofoodcloud。com）。低GI日糧產生較低的血糖峰值和較低的血糖曲線下面積，可帶來較低的氧化應激，較低胰島素釋放，以及較低的低密度脂蛋白膽固醇水平，但動物飼料的GI值營養價值尚未開發研究。
種畜、蛋雞長期飼餵高GI日糧，產生高血糖紊亂，導致體內水分、電解質與葡萄糖排出體外，機體脫水。血糖無法正常轉化與降解，產生能量，動物易疲勞乏力，依靠脂肪和蛋白質補充能量，導致免疫力下降，進一步造成酮症、酸中毒和高滲性腦昏迷。高血糖會刺激胰島β細胞，導致β細胞功能受損，進一步導致胰島素分泌減少，發生糖尿病。
採食低GI值和GL值的飼料，可以減少體增熱，提高能量利用效率，減少代謝性疾病的發病率，延長畜禽生產壽命和生產效能。
2、植物提取物抗炎機理
仔畜禽腸炎是發病率高、病死率高、危害大的常見群發性疾病。炎症性腸病（Inflammatory bowel disease，IBD），包括潰瘍性結腸炎（Ulcerative colitis，UC）和克羅恩病（Crohn’s disease，CD），是慢性腸道疾病。免疫調節紊亂被認為是IBD發病的主要病因，但其發病機制仍未透徹。炎症與腸上皮細胞緊密連線（Tight junction，TJ）之間有著密切的關係。IBD患畜的腸道緊密連線被嚴重破壞，腸道通透性明顯增加。緊密連線屏障的破壞導致腸腔內有毒分子的滲透，誘導黏膜免疫反應和腸道炎症反應，以及全身炎症反應綜合徵（Systemic inflammatory response syndrome，SIRS）和幼畜禽的高死亡率。抑制炎症、維持腸黏膜屏障功能是治療IBD的主要策略。
炎症反應存在腦腸軸通路。腸道炎症狀態下，腸道血管屏障滲漏增加，腸腔內的細菌毒素也隨之進入血液迴圈之中，引起系統性全身炎症反應。在小鼠結腸炎急性期，小鼠大腦中的巨噬細胞數量增加，同時，小膠質細胞、神經系統主要的免疫監視細胞也處於被啟用狀態，表明腸道炎症能夠迅速引起腦部炎症反應。腸內細菌產生的內毒素進入血液迴圈中，到達腦部，改變腦血管屏障結構，腦屏障關閉，導致應激症狀及認知功能下降。
植物提取物抗炎作用機理主要為消除炎症因子傳導的炎症反應，透過芳香烴受體（Aryl hydrocarbon receptor，AhR）發揮作用。AhR是一類配體依賴的核轉錄因子，控制著多種免疫細胞的發育及功能，包括IELs和巨噬細胞，是重要的外源毒性化合物代謝蛋白。靜息狀態下，AhR存在於細胞質中，與伴侶蛋白（如XAP2，HSP90等）結合形成二聚體。當與細胞質中配體結合時，芳香烴受體與伴侶蛋白解離，進入細胞核，與核內芳香烴受體核轉運子（AhR nuclear translocator，ARNT）結合形成異物二聚體。該異物二聚體結合位於調節基因上游啟動子區域的生物異源物質效應元件（Xenobiotic response element， XRE），控制下游一系列毒物代謝相關酶的轉錄表達，參與一系列生理生化過程的調節。6-甲醯基吲哚並（3，2-b）咔唑［6-formylindolo（3，2-b）carbazole，FICZ］是AhR的一種內源性配體，研究表明，FICZ可以透過活化AhR調節細胞生理功能，包括調控細胞增殖、凋亡，抑制免疫反應等。研究表明AhR活化可以抑制腸道炎症，啟用AhR可以在腸梗阻模型中透過調節緊密連線蛋白的表達和定位緩解腸黏膜屏障功能異常，減輕IBD腸道炎症。
AhR配體具有來源廣泛、種類多樣、調節作用複雜等特點。外源化合物{如二噁英（TCDD）、苯並芘［B（a）P］等}與AhR結合，能持續啟用AhR通路。經典的AhR配體滷代芳香烴（TCDD），能高效地持續性啟用AhR通路，並導致DNA損傷和腫瘤的形成。FICZ作為必需氨基酸色氨酸在紫外/可見光條件下發生降解，產物之一是一種AhR內源高效啟用劑。但是隨著AhR通路的啟用，下游產物細胞色素酶CYP450s能使FICZ發生降解，從而清除FICZ的啟用作用，形成負反饋機制。AhR活化可以減少炎症因子導致的腸上皮中緊密連線蛋白表達的減少及定位的改變。
芳香烴受體的內源性配體在DNA損傷應答中發揮重要作用。黃豆苷元作為一種大豆異黃酮，屬於植物雌激素，參與CYP1A1基因和雌激素受體通路的調節過程。芹菜素是芹菜中含量豐富的植物類黃酮，有抗癌抗炎的功效，屬於一種AhR條件激動劑。槲皮素是廣泛存在於蔬菜、水果葉片和穀物種子中的黃酮類化合物，是日常攝取最豐富的黃酮類化合物之一。槲皮素具有如抗癌症、抗氧化等多種生物學功效。薑黃色素是生薑類植物中提取出的亮黃色化合物，能抑制組氨酸去乙醯化酶（HDAC）、組蛋白乙醯轉移酶等的活性。白藜蘆醇是花生紅衣和紅酒中的活性成分，雖然目前沒有臨床資料表明其抗癌作用，但是許多體外癌細胞模型中，RES參與介導CYP1A1基因的轉錄過程，在調節細胞凋亡和免疫等方面發揮作用。AhR具有高度的配體多樣性特點，補充增加AhR植物源配體，是防治代謝綜合徵的新策略（見表1）。
與AhR通路相關的酶：CYP1A1、CYP1A2、CYP1B1、CYP2S1和CYP2A5均屬於CYP450酶系。AhR透過調節CYP450酶介導PAHs、HAHs和雜環胺類的代謝過程。AhR調節的Ⅱ相代謝酶主要包括：尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基轉移酶（UGT）、谷胱甘肽巰基轉移酶（GST）和醌氧化還原酶1（NQ01）。MK2/p-MK2/TTP通路參與了AhR調控腸道炎症的過程。透過介導通路相關酶系的表達，AhR參與多種生理過程，如DNA損傷修復、炎症終止和消除、腫瘤增殖遷移、毒物解毒過程、免疫細胞分化、免疫應答反應、生殖發育過程、生物晝夜節律以及維持內環境穩態等。
腸道免疫細胞上的AhR，在被一些好的配體（如植物提取物、益生菌）啟用後，能夠產生積極的腸道的自我修復作用，包括修復腸漏、減少腸道炎症以及抑制腸道的癌變。好的配體包括：來源於十字花科飼草的吲哚-3-甲醇，腸道細菌分解色氨酸生成的吲哚和吲哚丙酸，新增益生菌羅伊式乳桿菌CNCM-I5022和CNCM-I5429，均能產生較多的好AhR配體。好配體適當啟用AhR能夠減少消除腸道炎症，修復腸道組織完整，是腸道健康的關鍵。小鼠模型和腸道類器官試驗表明，腸上皮細胞表達的AhR，對於維持腸道屏障功能和幹細胞穩態有重要作用。日糧補充AhR配體來增強AhR訊號，可保護腸道幹細胞巢和屏障功能，並預防炎症誘導的DNA損傷和腫瘤形成。很多青綠植物是產生AhR配體的來源，這一研究為“多吃青綠飼料有益腸道健康”提供了一種機制。
AhR參與免疫調節，日糧AhR配體的缺失加重結腸炎的炎症狀態。AhR存在於大多數免疫細胞，參與調控細胞增殖、分化、適應性及先天免疫細胞的細胞因子分泌。AhR基因缺失小鼠腸道出現隱窩損傷和膿創、杯狀細胞減少、腺體結構變形，深度黏膜炎症。來源於CD4+T淋巴細胞的調節性T細胞具有抗炎和維持免疫耐受功能，而輔助性T細胞17（Th17）誘導炎症發生發展，抑制Th17可促進Treg生成。色氨酸、大豆異黃酮、花生四烯酸、槲皮素、黃芩素等均是AhR配體，可以增加抗炎因子、抑制促炎症因子，降低日糧炎症指數、消除炎症。
植物提取物山花黃芩提取物散能夠降低GI值，緩解胰島素抵抗，提高採食量20%~25%，降低血清炎症因子表達量，有助於提高母豬健康度、仔豬斷奶重和仔豬健康度。關於低GI值或低GL值飲食對於血糖控制及心血管風險因素影響的薈萃分析表明，低GI/GL值飲食模式降低了HbA1c（糖化血紅蛋白）（P<0。001）；另外，空腹血糖、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）、非高密度脂蛋白膽固醇（non-HDL-C）、載脂蛋白B（apo B）、三醯甘油、體重、BMI和CRP也出現降低（P<0。05），但血胰島素、高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）、腰圍或血壓沒有降低。低GI/GL值飲食模式可改善HbA1c、體重、血脂、炎症相關指標。
芳基烴受體作為抗病毒免疫調節劑，微生物透過芳香烴受體訊號調節腸道和面板的屏障功能和修復。腸道中存在數萬億的腸道細菌，但腸道中存在的病毒數是細菌數目的10倍，腸道病毒組對動物健康有著非常重要的作用。90%的腸道病毒是噬菌體，腸道中噬菌體的種類異常豐富。每一種噬菌體都會寄生特定的一種腸道細菌，因此腸道菌群受到腸道噬菌體的調控，並對免疫系統及動物健康產生直接或間接的影響。冬季應用抗病毒成分（如異黃酮、薑辣素）可以減少消化道綜合徵症狀，顯著降低腸道中的大腸桿菌的丰度，消除體內組織炎症，保護血管，但是對腸道短鏈脂肪酸的水平以及脂質的代謝無顯著影響。
3、小結
低GI低GL低DII飼料日糧配方，對畜禽健康、高生產效能、低病死率、高飼料轉換效率及優質畜產品品質非常有利。有條件情況下補充10%~20%新鮮青綠飼料，如桑樹葉、苜蓿青草、蔬菜莖葉、紅薯藤、南瓜藤、漿熟期青貯玉米、青貯小麥大麥，可以降低配合日糧的GI值和DII值，改善生產效能。標準豬胴體幹物質組成中，脂肪約佔60%，蛋白質約30%，因此脂肪是畜禽重要營養素。常用日糧配方中，有采用豆粕加豆油配方。膨化大豆的GI值和DII值均顯著低於豆粕，能值高，可以在全程日糧配方中用膨化大豆替代豆粕，促長防病效果顯著。豬禽日糧中也可以補充≤5%新鮮全脂米糠，可以降低日糧的GI值。
參考文獻及更多內容詳見：
飼料工業，2022，43（6）：1-4
作者簡介
丁宏標，1994年南京農業大學獲博士學位，1999~2001年在德國國家生物技術研究所GBF做博士後研究。中國農業科學院飼料研究所研究員，博士生導師。國家生豬產業技術創新聯盟副理事長，農業農村部飼料新增劑和新增劑預混合飼料生產許可證專家稽核委員會委員，中國畜牧獸醫學會動物生理生化學分會理事、動物微生態分會常務理事。主要開展飼料原料營養價值評定，動物營養生理及調控的應用基礎研究，新型生物飼料和新增劑基礎理論研究和新產品開發，研究和探索高效生物飼料、酶製劑、微生態製劑、植物提取物的生理生化和分子代謝機理，承擔完成了10多項國家和國際科研專案，取得10多項技術發明，6項省部級及國家級科技獎勵。