乳酸菌抗氧化活性在畜禽生产中的研究进展.pdf

动物营养学报，（）：乳酸菌抗氧化活性在畜禽生产中的研究进展王少龙 张朝生 刘国华 陈志敏（中国农业科学院饲料研究所，农业农村部饲料生物技术重点实验室，北京）摘 要：近年来研究发现，动物体内自由基稳态失衡和氧化应激是机体病变的重要诱因，因此，开发安全高效的动物保健增益产品十分重要。乳酸菌作为公认的食品级益生菌，其独特的抗氧化活性也得到证实，在畜禽养殖抗氧化剂的开发利用中蕴藏着巨大潜力，可以作为缓解畜禽养殖中氧化应激及其并发症的微生态抗氧化剂。本文不仅对抗氧化剂的研究应用进行了概述，同时还对乳酸菌抗氧化活性在畜禽养殖领域的研究应用、作用机制和评估方法进行了综述，旨在为今后畜牧领域新型微生态抗氧化剂的研发以及乳酸菌抗氧化活性的深入研究提供参考。关键词：抗氧化剂；乳酸菌；畜禽生产；作用机制；评估方法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家肉鸡产业技术体系（）；中国农业科学院科技创新工程（）作者简介：王少龙（），男，河南郑州人，硕士研究生，从事家禽营养学研究。：通信作者：陈志敏，副研究员，硕士生导师，：研究表明，动物机体健康与自由基稳态存在重要关系，一旦自由基生成和清除的动态平衡被打破，就会产生氧化应激。氧化应激可以影响到基因的转录，细胞信号的传导，酶和生物大分子的活性，细胞和器官的功能以及细胞的增殖、分化、凋亡和坏死等许多生理和病理过程，成为疾病发生和发展的重要原因。正常细胞可以通过自身抗氧化体系维持细胞活性氧（，）水平和整体氧化还原系统的稳衡，避免氧化应激对自身造成损伤。然而，在自由基与细胞自身抗氧化体系的制衡对抗中前者往往更占据优势。生产中，氧化应激会导致多种疾病，如断奶仔猪猝死、鸡胚氧化应激、家禽腹水症、猪恶性高热症、牛乳房水肿和奶牛繁殖疾患等，从而影响畜禽的生产性能。为了防止出现氧化应激，除了供应满足畜禽营养充足、平衡的饲粮外，通过添加外源性抗氧化活性物质也可以达到减轻畜禽氧化应激的目的。乳酸菌是国内外公认的食品级微生物，是一类无芽孢、革兰氏阳性细菌，在自然环境中分布广泛，大部分兼性厌氧，可以利用碳水化合物，主要代谢产物是乳酸。根据细菌分类学，可以将乳酸菌归于厚壁菌门和放线菌门，目前乳酸菌共有 个属，常见的属有乳酸杆菌属、双歧杆菌属、乳球菌属、链球菌属、明串珠菌属、肠球菌属、片球菌属、芽孢乳杆菌属、奇异菌株属以及肉食杆菌属等。近年来，逐渐揭示了乳酸菌对人类和动物的益生潜力，包括平衡肠道菌群、调节机体免疫、降低血清胆固醇含量和抗肿瘤活性等生理功能；其作为益生菌剂添加到饲粮中，能够促进畜禽肠黏膜系统的发育并减轻肠道损伤，进而提高生长性能。一些研究还发现了乳酸菌其他重要的生物学功能，如抗细胞衰老和抗氧化活性。目前，研究发现具有抗氧化活性的乳酸菌种属有鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、乳酸片球菌和瑞士乳杆菌，各自具有其独特的抗氧化特性。提高养殖动物抗氧化水平对改善动物健康状况和产品品质十分重要，乳酸菌的抗氧化潜力对畜禽新型抗氧化剂的研发是一个重要的启示。因此，本文首先对当前抗氧化剂研究现状进行了概述，并重点对乳酸菌抗氧化活性在畜禽生产领域的研究应用、发挥抗氧化活性的机制和评估方法动 物 营 养 学 报 卷进行了综述，以期为今后畜禽生产领域微生态抗氧化制剂的研发和应用以及深入探究乳酸菌抗氧化活性机制和完善抗氧化活性评估体系提供参考。抗氧化剂概述 抗氧化剂按照获取来源可以分为天然抗氧化剂和合成抗氧化剂（图）。植物源的有胡萝卜素、酚类和黄酮类等；细胞内源的有抗氧化酶类以及虾青素、褪黑激素等；维生素及矿物质元素类的有维生素、维生素、维生素、硒和锌等。目前，研究和应用比较多的有植物酚类、胞内虾青素和褪黑素、维生素和矿物质类抗氧化剂，这些都属于天然抗氧化剂范畴。合成抗氧化剂可以分为 类，即石油来源和纳米技术制造的抗氧化剂。应用石油等化工原料合成 的 抗 氧 化 剂 如 丁 基 羟 基 甲 苯（，）、叔丁基对苯二酚（，）、丁基羟基茴香醚（，）、没食子酸辛酯（，）和没食子酸丙酯（，）等，广泛应用于食品防腐。纳米工程技术的快速发展为创新型“纳米抗氧化剂”的开发提供了新工具，这些纳米抗氧化剂具有强大的自由基清除能力，与常规抗氧化剂相比具有更强的稳定性和对抗恶劣微环境的能力，如氧化锌纳米粒子、氧化铈纳米粒子、聚多巴胺纳米粒子、蛋白质纳米抗氧化剂等。图 抗氧化剂分类图 微生物源抗氧化剂具备天然特性、药用特性、营养价值和生产可控性，蕴含着抗氧化剂开发利用的巨大潜力。与天然植物源抗氧化剂相比，微生物源抗氧化剂具备在可控条件下借助微生物的繁殖特点快速提高产能的特性；与合成抗氧化剂相比，微生物源抗氧化剂具有无毒、非致癌、可生物降解的特性。研究表明，乳酸菌自身合成的生物活性化合物 胞外多糖（，），具备独特的生物相容性、非毒性和生 物 可 降 解 性，等对 瑞 士 乳 杆 菌产生的 研究发现，对，二苯基三硝基苯肼（，）、超氧阴离子（）、羟基（）自由基有较强的清除能力，并对铁离子（）具有螯合活性。乳酸菌抗氧化活性作用机制 近年来，关于乳酸菌发挥抗氧化活性的潜在作用机制研究逐渐深入，研究指出，乳酸菌可能是通过清除 自由基、螯合金属离子、增加抗氧化酶活性和调节微生物菌群来发挥抗氧化作用，。通过查阅分析近年来关于乳酸菌抗氧化机制的研究文献，乳酸菌自身具备的抗氧化体系与底物发酵过程中所产生的活性物质共同赋予了、增强了乳酸菌的抗氧化活性。因此，这里将乳酸菌发挥高抗氧化活性机制总结为乳酸菌自身抗氧化和乳酸菌发酵代谢产物抗氧化 个作用途径，并以此 期王少龙等：乳酸菌抗氧化活性在畜禽生产中的研究进展展开论述。由于不同种属的乳酸菌拥有不尽相同的代谢特性，因此不同种属的乳酸菌将会拥有各自独特的一套发挥抗氧化活性的机制。乳酸菌自身抗氧化 菌体细胞作为一个完整且独立的微生物个体，其自身具备抵御外界氧化压力的能力。当菌体细胞受到氧化自由基侵害时，自身的抗氧化防护系统会调控产生更多的抗氧化酶类或其他活性抗氧化类物质。目前研究报道，乳酸菌自身发挥抗氧化活性主要依赖 个体系：氧化还原调控体系、信号通路调控体系、金属离子螯合体系和 调控与自由基清除体系，当乳酸菌受到过多自由基侵害时，菌体细胞将依赖这些抗氧化体系的相互作用去抵御氧化应激的发生。氧化还原调控体系 研究发现，乳酸菌参与的氧化还原调控体系是复杂的，目前认为其主要由硫氧还蛋白（，）系统、谷胱甘肽（，）系统组成，并且电子转移是该氧化还原体系的关键调控因素。和 系统都是通过供氢体转换和电子转移来调整自身氧化 还原状态，从而达到清除脂质过氧化物和过氧化氢（）等氧化性物质，增强细胞抵抗氧化胁迫能力，维持细胞氧化 还原稳衡的目的，是细胞中普遍存在的巯基依赖型氧化还原酶系统。而还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（）将为这些氧化还原系统提供还原当量，通过可逆的巯基氧化还原将电子传递到下游。个系统相互协同发挥抗氧化调节作用，当 系统电子传递受阻时 系统可以作为备用通道，最终达到清除自由基维持细胞氧化还原平衡的目的。信号通路调控体系 乳酸菌还可以通过调控宿主体内多种信号通路来维持氧化还原的稳衡，目前研究证实，可调控的通路涉及到核转录因子 相关因子（，）抗氧化反应元件（，）、沉默信息调节因子（，）。调控 信号通路是一种对抗氧化应激及其并发症的细胞策略，当高水平的氧化自由基刺激细胞时，胞质中的 会被从 样环氧氯丙烷相关蛋白（，）沉默复合体中解离激活出来，然后转位到细胞核并与相应 序列结合，进而启动细胞抗氧化酶和防护基因的转录。因此，的激活会导致体内抗氧化酶和细胞保护类蛋白质水平升高，这些蛋白质在应对氧化应激和维持氧化还原平衡方面发挥着重要作用，已被证实是抗氧化益生菌中最重要的氧化应激保护机制之一。属于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（，）依赖性组蛋白去乙酰酶（，）家族，具有使组蛋白和非组蛋白靶点脱乙酰化的能力，可以通过调节对氧化还原稳态不可或缺的关键基因和分子，在哺乳动物抗氧化中发挥至关重要的作用。金属离子螯合体系 金属离子螯合体系的特殊之处在于它不依靠抗氧化酶类，而是一种非酶的氧化应激防御体系，主要依赖于菌株对金属离子的螯合作用。和铜离子（）是自由基形成过程中的最普遍和最活跃的离子，多项研究报道，乳酸菌菌株对 和具有很强的螯合能力。等研究发现，在嗜酸乳杆菌 生长过程中，培养液中的金属离子（、）浓度下降，这是氧化还原活性金属离子（、）被抗氧化剂螯合在细菌膜上的结果。调控与自由基清除体系 抵抗氧化应激产生、调控细胞 生成、清除体内过多自由基是缓解机体氧化应激的有效途径。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（，）和线粒体代谢被认为是 产生的重要来源，乳酸菌通过下调某些产生 的酶活性，进而发挥抗氧化作用以减轻氧化应激损伤。嗜酸乳杆菌可以下调嗜水气单胞菌诱导攻击的鱼胸腺巨噬细胞中环加氧酶（，）的表达，且已证实 与 的产生高度相关，因此这类产生 的酶活性下调将对乳酸菌发挥抗氧化能力有显著提升。研究表明，多种乳酸菌菌株及其代谢产物对、和表现出很高的清除降解能力，且清除活性通常随着菌体细胞浓度的增加而增加，乳酸菌高效而广泛的自由基清除体系是其发挥高抗氧化活性的重要保障。动 物 营 养 学 报 卷乳 酸 菌 胞 外 囊 泡（，）是真核、原核生物向菌体外膜分泌的一类具有磷脂膜双层结构，携带多种生物信息分子，如核酸、蛋白质、脂类等的纳米级膜囊泡，这些多样性生物分子会使 在细胞进化中具备细胞间信息传递、物质交换和多种生存调控的重要功能。益生菌来源的 可以调节多种信号通路，包括参与免疫反应信号通路的调控，能有效改善机体免疫和肠道屏障功能，是细菌细菌和细菌宿主之间相互作用的关键介体。等通过研究乳酸菌来源 对肠炎模型小鼠的治疗作用，发现 可以被受体 细胞摄取，通过减少炎症 细胞模型和肠炎小鼠模型中炎性细胞因子的产生来调节炎症反应的作用，组小鼠结肠内壁白细胞浸润和杯状细胞丢失量显著减少，且血清过氧化氢酶（，）活性显著低于对照组，显著改善了小鼠体重减轻和直肠出血症状。根据目前的研究结论，乳酸菌 有望成为一种新的肠炎治疗方法；乳酸菌 在调控小鼠肠道炎症反应过程中，能够对血清 表达进行干预，因此对于其在氧化应激方面的功效也值得进一步深入探究。乳酸菌发酵代谢产物抗氧化 乳酸菌作为发酵剂的历史是悠久的，应用领域非常广泛，在发酵过程中产生的、乳酸、羧酸以及醛类、多酚类物质在多项体内体外研究中被证实均表现出显著的抗氧化活性，进而提高发酵产品的抗氧化活性。饲料原料在经过乳酸菌发酵后营养价值得到进一步改善的同时，还被赋予了更好的功能性（提升饲料原料抗氧化活性）。因其独特的生物特性和抗氧化性能在医疗药物和营养保健品中广泛应用，可以作为抗氧化剂、降胆固醇剂、抗菌剂和益生元剂。对乳酸菌产生的 体外研究表明，具有抗氧化和清除自由基的活性，在干酪乳杆菌 干预高脂血症大鼠模型和植物乳杆菌 干预的氧化应激小鼠模型试验中，的抗氧化作用被再次证实。表现出的抗氧化作用，在提高细胞抗氧化酶类活性的同时，也降低了氧化应激标志物丙二醛（，）含量，进而达到缓解氧化应激的目的。酚类 酚类化合物是由许多分子组成的次生植物代谢物，自然存在于植物性饲料原料中，包括酚酸、类黄酮、二苯乙烯和木酚素。一般来说，酚类化合物可分为 类，单酚类和多酚类。众多研究表明，酚类化合物具有抗氧化活性，对机体健康有益生作用，包括抗炎、抗糖尿病和血管舒张作用。乳酸菌在发酵果蔬过程中检测到多酚类化合物的产生，并最终对果蔬制品的抗氧化活性和风味等方面表现出积极作用。等利用乳酸乳杆菌和植物乳杆菌混合发酵米糠，指出当植物乳杆菌的添加比例为 时，其总酚含量达到最高，且抗氧化活性也达到最高。其他抗氧化代谢产物 研究表明，植物乳杆菌发酵可以通过提高紫花苜蓿青贮 生育酚和 胡萝卜素的浓度以及多 不 饱 和 脂 肪 酸（，）的比例，进而提高青贮饲料的抗氧化活性。植物乳杆菌发酵米糠能够提高米糠抗氧化活性，发现其发酵代谢产物中抗氧化活性化合物（阿魏酸、香豆酸）含量升高。不同的乳酸菌发酵（培养）底物和时间对抗氧化活性成分的组成和性能会有显著影响。这些研究结果对于在制备乳酸菌抗氧