苍术提取物的生物学功能及其在畜禽生产中的应用前景

高 阳 杜 鑫

(白城师范学院生命科学学院,白城 137000)

苍术是一种多年生草本植物,性微温,味辛,具有清淡香气,能祛风散寒、燥湿健脾、活气补血以及止痛止泻,广泛应用于治疗呕吐、腹泻和中暑,是我国传统的中草药之一。苍术种类繁多,在世界范围内分布广泛,在我国主要有茅苍术和北苍术2种。茅苍术主要分布于长江中下游地区,其中以江苏茅山的茅苍术质量最好。北苍术主要分布于东北、西北和华北等地区,其挥发油质量和活性成分不及茅苍术[1]。研究发现,苍术提取物具有抗炎、抗氧化、抗病毒、抗菌、镇痛、保护胃肠道、提高免疫功能和改善动物生产性能等多种功能[2-3]。近年来,随着对新型替代抗生素产品的不断开发和研究,苍术及其提取物以其廉价、高效和低毒等特性,在畜禽养殖生产中得到广泛应用。本文就苍术提取物中的主要活性成分和生理功能进行综述,并展望其在畜禽生产中的应用前景,以期为苍术提取物在绿色健康养殖中的高效利用提供参考。

1 苍术提取物的主要活性成分及其结构

苍术提取物中具有多种天然的活性成分,包括倍半萜类、烯炔类、芳香类、多聚糖类以及少量黄酮类、酚类和有机酸类等化合物[4]。茅苍术和北苍术主要成分为倍半萜类,具体成分有苍术素、苍术酮、β-桉叶醇、苍术多糖和苍术内酯等[5]。李胜南等[6]通过气相色谱-质谱(GC-MS)法对不同采收时期蒙山产苍术中活性成分含量分析,结果表明,含量由高到低依次为苍术素(6.22%)、茅术醇(3.52%)、苍术酮(1.32%)、β-桉叶醇(0.81%)和苍术醇(0.15%)等。Wang等[7]采用多种方法分离苍术挥发油,发现苍术素、苍术醇和苍术酮含量相对较高,苍术内酯和多糖类含量较低,同时证实了苍术提取物具有良好的药理活性。苍术提取物的主要活性成分及其结构见表1。

表1 苍术提取物的主要活性成分及其结构

2 苍术提取物的生物学功能

2.1 抗炎

炎症反应是机体免疫系统应对外部刺激而产生的复杂生理反应,受多种炎性介质调控。适量的炎性因子对维持动物机体正常功能有重要作用,但当动物受到病毒、细菌感染或组织损伤等剧烈免疫刺激时,会导致大量的炎性因子在体内沉积,进而发生严重的炎症损伤[8]。苍术内酯Ⅰ和苍术内酯Ⅲ可降低动物血清中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)表达水平以及一氧化氮(NO)产生量,其中苍术内酯Ⅰ对脂多糖(LPS)激活的腹膜巨噬细胞中TNF-α和NO的产生显示出比苍术内酯Ⅲ更有效的抑制作用[9]。核因子-κB(NF-κB)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路均可调控动物机体内炎性因子的释放。Jeong等[10]研究表明,苍术内酯Ⅰ和苍术内酯Ⅲ可抑制LPS诱导的小鼠炎症巨噬细胞中p38 MAPK、c-Jun氨基末端激酶(JNK)以及核因子-κB抑制因子(IκB)磷酸化,并促进细胞外信号调节激酶(ERK)磷酸化,阻断NF-κB转位到细胞核中,显著降低TNF-α、白细胞介素-6(IL-6)和白细胞介素-1β(IL-1β)等促炎因子的表达。此外,苍术内酯Ⅱ可降低LPS诱导的小鼠巨噬细胞中NO、TNF-α和IL-6等炎性因子释放,但效果不显著[11]。综上所述,苍术内酯作为苍术中最有效的抗炎成分,可通过调控MAPK和NF-κB信号通路,降低动物体内炎性因子的表达水平,缓解炎症损伤,但部分物质的抗炎活性及具体作用机制仍需深入研究。

2.2 抗氧化

活性氧(ROS)是氧的带电产物,具有极强的活性。畜禽体内ROS水平过高会产生氧化应激[12]。苍术提取物中含有的酚酸和黄酮化合物具有金属螯合作用和清除自由基功能,可通过加氢给电子,抑制ROS的产生[13]。核因子E2相关因子2(Nrf2)-Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Keap1)信号通路在动物机体抗氧化反应中起枢纽作用,可提高抗氧化酶活性,其中Nrf2为主要的效应因子[14]。研究表明,苍术多糖Ⅱ可增加小鼠肝脏组织中谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性,显著降低一氧化氮合酶(NOS)的活性及NO和丙二醛(MDA)的含量[15],清除体内ROS。由此可见,苍术多糖具有良好的抗氧化活性,一方面,苍术多糖通过给氢加电子抑制ROS产生,平衡动物体内抗氧化系统;另一方面,苍术多糖能调节Nrf2-Keap1信号通路,增强动物体内抗氧化酶SOD和GSH-Px的活性,提高动物对ROS的清除能力。

2.3 抗病毒

猪流感和禽流感等病毒感染对畜禽危害极大,临床表现为腹泻、咳喘、发热和跛行等,轻度导致畜禽呼吸、行动困难,重度导致畜禽大量死亡,严重影响养殖业的经济效益。苍术挥发油中含有特殊的脂溶性成分,可作用于细胞表面,改变蛋白质受体结构,显著阻断猪流感病毒吸附和穿入细胞。王伟[16]研究表明,苍术水煎液和苍术红枣水煎液可显著抑制猪流感病毒在细胞内的增殖,具有直接灭活病毒作用。此外,苍术酮作为苍术中主要的抗病毒成分,可阻断禽流感病毒的吸附和复制,降低禽流感病毒载量,且具有剂量依赖性[17]。Toll样受体7(Toll-like receptor 7,TLR7)广泛存在于免疫细胞、上皮细胞和神经细胞中,是一种模式识别受体。当畜禽受到病原体入侵时,TLR7即转移到细胞膜上,识别病原体成分,并招募特异性蛋白激活IκB、MAPK和干扰素(IFN)等调控因子,启动特异性免疫应答,参与抗病毒感染免疫。苍术酮能调节TLR7受体,抑制MAPK和NF-κB信号通路激活,缓解流行性腹泻以及甲型流感病毒感染引起的呼吸道疾病。Cheng等[18]通过试验发现,用10、20和40 mg/kg苍术酮连续治疗5 d,可缓解甲型流感病毒诱导的小鼠肺损伤,显著降低血清中TNF-α、IL-6和IL-1β水平,提高IFN-β水平,说明苍术酮可通过激活TLR7信号通路促进IFN-β产生,干扰病毒复制,同时可招募免疫细胞,激活特异性免疫反应,清除病毒。由此可知,苍术提取物具有抗病毒功效,在畜禽生产中有重要的应用潜力。

2.4 其他功能

苍术提取物还具有抗肿瘤、保护肝脏、利尿以及调节糖、脂代谢等功能。体内和体外试验结果均表明苍术多糖具有抗肿瘤活性,可通过Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)信号通路激活巨噬细胞发挥抗肿瘤活性,降低B淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)的表达,升高Bcl-2相关X蛋白(Bax)、细胞色素C和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9(Caspase-9)等促凋亡因子的表达,促进肿瘤细胞凋亡[19-20]。另外,苍术多糖可预防各种化学物质和毒素引起的肝脏损伤。Han等[15]研究表明,苍术多糖可降低小鼠肝脏中谷草转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)和MDA的表达水平,提高SOD和GSH-Px的活性,并通过抑制NF-κB信号通路减轻LPS诱导的小鼠肝脏炎症。据报道,苍术水煎液有祛湿利尿的功效。研究发现,将1.0 g/kg苍术水煎液静脉注射或灌胃给药,可明显增加小鼠尿量,且作用效果持久[19]。此外,苍术提取物中的活性成分还可改善葡萄糖摄取,抑制脂肪生成,调节动物机体糖、脂代谢[21]。

苍术提取物对MAPK、NF-κB、Toll样受体(TLR)和Nrf2-Keap1信号通路的调控机制见图1。

3 苍术提取物在畜禽生产中的应用前景

3.1 提高生产性能

苍术提取物中含有丰富的天然活性物质,具有提高免疫、抗应激和促进消化等多种功能,在改善畜禽生产性能中极具潜力。Li等[22]研究表明,在断奶仔猪饲粮中分别添加3、6和9 g/kg苍术多糖,可显著提高早期断奶仔猪的生长性能,主要表现为:平均日增重(ADG)和平均日采食量(ADFI)提高,料重比(F/G)和腹泻率降低。一方面,苍术多糖可发挥抗氧化作用,缓解应激反应对动物生长的抑制作用[23];另一方面,苍术多糖能刺激早期断奶仔猪淋巴细胞增殖和抗体产生,提高仔猪抗病能力,降低腹泻率[24]。此外,苍术提取物在改善家禽和反刍动物生产性能方面也发挥着重要作用。研究发现,将苍术多糖添加到蛋鸡饲粮中,可显著提高蛋重、产蛋率以及饲料转化率,降低蛋鸡的发病率和死亡率[25]。徐振松等[26]研究表明,饲粮中添加0.75%的苍术精油可改善锦江黄牛瘤胃发酵能力,提高瘤胃微生物对蛋白质和纤维素等物质的降解率,促进瘤胃中菌体蛋白的合成。由此可知,苍术提取物在提高畜禽生产性能方面具有较好的应用价值和研究潜力,但其在生产应用中的具体添加量还需进一步探讨。

3.2 调节免疫功能

仔猪在断奶后,由于失去母源抗体保护,且自身免疫系统发育不完善,易出现抗病力差、生长迟滞和腹泻等问题。Li等[27]在断奶仔猪饲粮中分别添加0.3%纯化苍术多糖、0.6%粗多糖和0.6%粗苍术多糖,结果表明,3种多糖均可增加仔猪血清中抗体分泌水平,促进淋巴细胞增殖,改善仔猪免疫应答。王利军等[28]研究表明,将0.1%、0.2%和0.3%的发酵北苍术添加到早期断奶仔猪饲粮中,可提高血清中免疫因子免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)以及TP和ALB水平,促进仔猪免疫功能完善并提高抗病力,其中0.2%发酵北苍术的效果最显著。IL-1和白细胞介素-2(IL-2)是由活化的T细胞产生的细胞因子,可刺激免疫细胞增殖和分化,提高动物免疫力。Xu等[24]的试验结果表明,在断奶仔猪饲粮中添加适量的苍术多糖可促进淋巴细胞增殖,提高血清中IgA、IgG等抗体的产生和IL-1、IL-2等细胞因子的释放,改善仔猪的免疫应答,推测这与苍术中的多糖成分有关。苍术多糖能显著提高畜禽的脾脏和胸腺指数,可调节免疫系统,对改善机体免疫能力和肠道健康有积极作用。Li等[29]研究表明,苍术多糖可缓解环磷酰胺诱导引起的鹅免疫器官损伤,逆转鹅的免疫功能障碍,降低免疫抑制。在反刍动物上,苍术多糖可诱导牛乳腺上淋巴结淋巴细胞增殖,具有激活免疫细胞的特性[30]。付戴波等[31]研究表明,在热应激60 d锦江黄牛饲粮中添加含苍术的复方制剂,可显著提高锦江黄牛血清中TP、ALB和球蛋白(GLB)水平,说明苍术中的多糖、黄酮和生物碱类等活性成分可提高机体的免疫功能。综上可知,苍术提取物可作为一种免疫调节剂,在畜禽生产中有重要的应用潜力,但其调节免疫功能的具体机制还需进一步研究。

TLR7:Toll样受体7 Toll-like receptor 7;p-p65:磷酸化p65 phosphorylated-p65;p-IκB:磷酸化核因子-κB抑制因子 phosphorylated-inhibitor of nuclear factor kappa-B;MAPK:丝裂原活化蛋白激酶 mitogen-activated protein kinase;p-p38 MAPK:磷酸化p38 MAPK phosphorylated-p38 MAPK;p-JNK:磷酸化c-Jun氨基末端激酶 phosphorylated-c-Jun N-terminal kinase;p-ERK:磷酸化细胞外信号调节激酶 phosphorylated-extracellular signal regulated kinase;NF-κB:核因子-κB nuclear factor kappa-B;TNF-α:肿瘤坏死因子-α tumour necrosis factor-α;IL-6:白细胞介素-6 interleukin-6;IL-1β:白细胞介素-1β interleukin-1β;IgA:免疫球蛋白A immunoglobulin A;IgG:免疫球蛋白G immunoglobulin G;IgM:免疫球蛋白M immunoglobulin M;IFN-β:干扰素-β interferon-β;Nrf2:核因子E2相关因子2 nuclear factor E2-related factor 2;Keap1:Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1 Kelch-like epichlorohydrin-related protein 1;TLR4:Toll样受体4 Toll-like receptor 4;Bcl-2:B淋巴细胞瘤-2 B-cell lymphoma-2;Caspase-3:半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3 cysteine aspartic protease-3;SOD:超氧化物歧化酶 superoxide dismutase;GSH-Px:谷胱甘肽过氧化物酶 glutathione peroxidase;CAT:过氧化氢酶 catalase;Bax:Bcl-2相关X蛋白 Bcl-2 associated X protein;MDA:丙二醛 malondialdehyde;ROS:活性氧 reactive oxygen species。

3.3 改善肠道健康

3.3.1 肠道屏障

肠道健康是影响畜禽生产性能、畜产品产量和品质的重要因素之一,也是评估动物福利的重要指标之一,对维持动物可持续生产有重要意义。Bose等[32]通过体外试验发现,发酵苍术多糖可缓解LPS诱导的肠上皮细胞损伤,降低肠道黏膜通透性。Shi等[33]研究发现,苍术醇提取物能促进动物肠道黏膜屏障完整,通过抑制p38和MAPK信号通路磷酸化,提高闭锁小带蛋白(ZO-1)、密封蛋白-1(Claudin-1)和闭合蛋白(Occludin)mRNA表达,说明苍术醇提取物可从抗炎层面,通过降低炎性因子水平保护动物肠道屏障。此外,在LPS诱导的雏鹅肠炎模型中添加适量的苍术多糖可提高ZO-1和Occludin蛋白表达水平,缓解雏鹅肠道炎症,且具有剂量依赖性[34]。在肠道微生物方面,苍术多糖可降低断奶仔猪回肠内容物中大肠杆菌数量,同时提高回肠和结肠内容物中乳酸杆菌数量[27]。另外,Wang等[35]报道,苍术多糖可调节小鼠肠道菌群结构,促进肠道中益生菌定植,并降低有害菌群的丰度。在反刍动物上的研究表明,饲粮中添加一定水平的苍术精油可提高高温饲养条件下锦江黄牛瘤胃微生物活性,改善瘤胃菌群结构,促进瘤胃发酵和对养分的降解[36]。由此可见,苍术提取物能对动物肠道健康发挥良好的调节作用,但其在影响肠道微生物组成和活性方面的作用还需深入研究。

3.3.2 结肠健康

结肠炎常发生在仔猪断奶后的4～16周龄,导致肠道黏膜通透性增加,出现腹泻和中性粒细胞浸润,降低仔猪生长性能[37]。林雄等[38]研究发现,苍术挥发油和苍术醇提取物能降低小鼠溃疡性结肠炎引起的腹泻和炎性因子水平增加,提高紧密连接蛋白的表达,改善结肠炎。苍术提取物对仔猪结肠炎的作用:一方面,苍术提取物能提高杯状细胞分泌黏蛋白,促进ZO-1和Occludin蛋白表达,降低肠道黏膜通透性,恢复仔猪结肠正常生理功能;另一方面,苍术提取物通过抑制肠道中MAPK和NF-κB信号通路磷酸化,降低TNF-α、IL-6和IL-1β等炎性因子表达,缓解受到炎性因子干扰的钠离子和氯离子吸收紊乱,提高结肠中水的重吸收能力,减轻仔猪腹泻。IL-6是结肠炎的参考指标,可使肠道黏膜通透性升高。刘晓兰等[39]研究表明,1、2和4 g/kg的苍术挥发油可抑制TNF-α和IL-6的释放,上调自噬基因的表达,显著缓解5% 2,4,6-三硝基苯磺酸诱导的小鼠结肠损伤。由于结肠炎是因机体免疫系统紊乱而发生的疾病,推测苍术挥发油能通过激活细胞自噬途径,维持内环境稳态,最终改善结肠炎。

3.4 缓解热应激

畜禽在受到各种内外环境刺激时会发生应激反应,导致内分泌失调、机体代谢紊乱和抗逆性减弱等。热应激可扰乱畜禽机体代谢,导致淋巴细胞萎缩,繁殖性能降低和体温升高,对种公畜、泌乳母畜、产蛋家禽和部分经济动物的影响尤为严重。热应激影响下,畜禽摄食中枢受到抑制,导致动物食欲减弱,采食量降低,严重影响畜禽生产效益[40]。宋小珍等[3]研究表明,在猪饲粮中添加藿香、苍术和党参等中草药添加剂可提高血清和小肠中抗氧化酶活性,降低MDA和ROS水平,缓解猪的热应激。苍术提取物能通过清除ROS和过氧化氢(H2O2),终止脂质过氧化反应,改善ROS诱导的肠上皮细胞脱落、绒毛受损和黏膜损伤,恢复肠道正常的消化吸收功能,改善脑肠肽在摄食过程中的协同作用,提高猪的生产性能。Xu等[41]研究表明,在肉仔鸡饲粮中添加硒和苍术多糖,能显著提高肉仔鸡的抗氧化能力,增强宿主免疫力,缓解热应激损伤。此外,在缓解反刍动物热应激方面,苍术提取物也有良好的效果。据报道,苍术精油和广藿香精油2种中草药添加剂联用可改善夏季高温环境下锦江黄牛的热应激状态,显著提高锦江黄牛的免疫功能和抗氧化能力,促进瘤胃对饲粮中营养物质的消化吸收,提高动物福利和生产性能[36]。由此可知,苍术提取物在缓解畜禽热应激方面发挥着重要作用,但其中发挥抗热应激作用的具体有效成分和在实际生产中的最佳添加量还需进一步研究。

3.5 其他应用前景

3.5.1 抗菌剂

研究表明,苍术提取物对多种微生物都有抗菌活性,包括大肠杆菌、白色念珠菌和金黄色葡萄球菌等,且具有剂量依赖性[42-43]。Peng等[44]研究报道,5～40 mg/mL苍术醇提取物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌等细菌具有显著的抑制作用。关于苍术提取物的抑菌机制,一方面,苍术提取物能直接破坏细菌和真菌的细胞膜蛋白结构,并使细胞内容物流出,起到清除作用;另一方面,将苍术提取物作为饲料添加剂添加到畜禽饲粮中,能直接清除饲料中含有的黄曲霉素、单端孢霉烯族毒素和玉米赤霉,降低畜禽对饲料原料的敏感性,提高对饲料原料中营养物质消化率。由此可见,苍术提取物可作为抗菌剂,在畜禽生产中有重要的应用价值。

3.5.2 新型镇痛剂

Ohara等[45]研究表明,苍术中的苍术醇提取物和β-桉叶醇具有镇静、镇痛和抗抑郁等神经药理活性,可抑制神经系统功能,降低动物机体对外部刺激的敏感度。将苍术醇提取物作为镇痛剂应用到畜禽生产中,一方面,苍术醇可抑制神经递质的释放,减少动物的自发运动,发挥镇静作用[46-47];另一方面,苍术醇能阻断神经末梢乙酰胆碱受体通道,减缓神经信号传导,缓解母猪分娩、仔猪去势和病猪脱肛缝合等生产过程产生的疼痛[48]。因此,苍术醇提取物具有良好的镇静镇痛活性,可作为一种新型镇痛剂。但目前其在畜禽上的应用较少,具体效果还需进一步试验研究。

综合上述研究结果,对苍术提取物在畜禽生产中的应用情况进行总结,详见图2。

ADG:平均日增重 average daily gain;ADFI:平均日采食量 average daily feed intake;F/G:料重比 feed/gain;ZO-1:闭锁小带蛋白-1 zonula occluden-1;Occludin:闭合蛋白 occludin;Claudin-1:密封蛋白-1 claudin-1;IgA:免疫球蛋白A immunoglobulin A;IgG:免疫球蛋白G immunoglobulin G;IgM:免疫球蛋白M immunoglobulin M。

4 小结与展望

在“全面禁抗”背景下,优化畜禽饲粮配方,寻找新型绿色饲料添加剂已成为研究热点。苍术提取物能通过抑制MAPK和NF-κB信号通路磷酸化,降低炎性因子水平,缓解畜禽炎症反应;同时,苍术提取物可通过调节Nrf2-Keap1信号通路,降低机体内ROS水平,减少动物氧化应激损伤;苍术提取物还可抑制TLR信号通路,发挥抗病毒等功能。将苍术提取物作为饲料添加剂添加到畜禽饲粮中,可提高畜禽的生产性能和免疫功能,改善肠道健康,缓解热应激。另外,苍术提取物还可作为抗菌剂和新型镇痛剂,在畜禽生产中有重要的应用前景。但是苍术提取物的生产工艺和制作工艺仍不完善,其在畜禽上的研究相对较少。因此,未来应深入开发苍术提取物作为饲料添加剂资源,加大其在畜禽生产中的应用,探讨其在畜禽不同生长阶段适宜添加量,推动绿色生态养殖发展。