类胡萝卜素及其在蛋鸡生产中的应用

类胡萝卜素是一种自然界存在的天然色素，也是蛋鸡生产中重要的饲用添加剂。迄今为止自然界中已经鉴定出超过600种类胡萝卜素，而通过摄食接触的只有40种左右。类胡萝卜素是优秀的抗氧化剂，具有多种生物学功能，是一种很有潜力的功能性饲用添加剂。本文介绍了类胡萝卜素的分类、理化性质以及生物学特性，以及生产上的制备工艺，并对类胡萝卜素在蛋鸡生产上的研究进行了总结和展望，旨在为类胡萝卜素在蛋鸡生产中的新功能的进一步研究和生产上的应用提供参考和思路。

1 类胡萝卜素的分类和理化性质

1.1 类胡萝卜素的分类

类胡萝卜素是一种外观呈黄色、橙红色、红色的天然的色素，广泛分布于自然界中。天然的类胡萝卜素由植物和微生物合成，广泛存在于植物和藻类等光合生物的叶绿体和染色质中。动物没有合成类胡萝卜素的能力，但可以通过食物摄食获得并在体内存积。类胡萝卜素是一种亲脂性四萜化合物。目前已知的类胡萝卜素高达上百种，根据其化学构成可分为两个亚型:β-胡萝卜素(分子式:C40H56)、番茄红素(分子式:C40H56)等由纯碳氢构成的化合物被称为胡萝卜素;而叶黄素(分子式:C40H56O2)、玉米黄质(分子式:C40H56O2)、角黄素(分子式:C40H52O2)等具有的含氧官能团的被称为类胡萝卜素含氧衍生物。

1.2 类胡萝卜素的理化性质

类胡萝卜素是亲脂性的疏水分子，不溶于水但可溶于有机溶剂，溶解度受温度影响，温度越高溶解度越高。在非极性介质中，类胡萝卜素以单分子的形式存在，而在极性介质中，类胡萝卜分子在氢键范德华力的作用下易以聚集体的形式存在，使得类胡萝卜素在不同类型的溶剂中颜色不同，这也是类胡萝卜素在有机介质中比在极性溶剂中吸收率高的原因。类胡萝卜素的亲脂性受含氧官能团数量影响，含氧官能团数量越多亲脂性越差。大部分的类胡萝卜素是由8个异戊二烯单元聚合而来的四萜色素。由于碳碳单键(C-Cbonds)周围存在异构，类胡萝卜素可能出现顺式异构和反式异构，顺式结构更容易溶解吸收和运输，拥有不同的分子几何形状。反式异构更耐热，在自然界中更普遍，是线性和刚性分子。类胡萝卜素含有的共轭双键的数量决定了类胡萝卜素的颜色，随着共轭双键的增加颜色会更加趋近于红色。共轭多烯生色团则让胡萝卜素能拥有巨大摩尔吸光系数，而共轭多烯链中的双键结构让其具备直接淬灭高活性单线态氧的能力，这也造成类胡萝卜素的化学性质不稳定，保存时应注意光照、温度、含氧等因素。

2 类胡萝卜素的生物学功能

2.1 提高机体抗氧化能力

生物体内的自由基存在动态平衡，但当自由基积累过多平衡被打破时，自由基就会对细胞膜和细胞质中的蛋白质、糖类、DNA进行攻击，造成组织的氧化损伤。类胡萝卜素可以抑制或下调由活性氧自由基(ROS)引起的氧化应激，以及机体在应对环境应激时产生的不稳定化合物。研究表明，类胡萝卜素中的虾青素抗氧化能力是维生素E的110倍。虾青素可以保护人类淋巴细胞和中性粒细胞免受某些白血球的氧化应激，且不会降低白血球的杀伤作用。类胡萝卜素通过三个步骤清除自由基:首先通过氧化还原反应对自由基进行电子转移;其次抽氢反应使自由基获得氢;最后通过加成反应清除自由基。见图1.

图1类胡萝卜素清除自由基的流程

需要注意的是类胡萝卜素可以形成中性自由基。例如，β-胡萝卜素在较低浓度下起到抗氧化作用，但在较高浓度下显示出促氧化特性。类胡萝卜素能防止脂质过氧化，研究表明饲料中添加75mg/kg虾青素能够提高鲑鱼肝脏的抗氧化防御，抗氧化功能保护细胞免受反应性自由基的伤害。此外，类胡萝卜素能够改善细胞膜的流动性，对细胞膜的完整性起到促进作用。Shi等研究发现胡萝卜素和番茄红素单独使用时，分别将过氧化水平降低至51%和25%。当β-胡萝卜素和番茄红素形成混合物使用时，过氧化水平降低到21%。叶黄素和番茄红素分别将过氧化水平降低到77%和25%，而混合物将过氧化降低到16%。表明当类胡萝卜素形成混合物时，其抗氧化能力优于单一类胡萝卜素，类胡萝卜在抗氧化功能上存在协同作用。

2.2 增强免疫功能

研究表明，类胡萝卜素可以通过促进淋巴细胞增殖、调节细胞因子释放、增强免疫细胞吞噬和杀灭病原菌从而增强机体的免疫功能。虾青素是一种具有含氧官能团的类胡萝卜素，可通过降低超氧阴离子、过氧化氢、白介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)细胞因子水平，提高中性粒细胞的吞噬和杀灭微生物能力，并通过增强T细胞的增殖来调节机体适应性免疫。虾青素增强了小鼠的细胞毒性T淋巴细胞(CytotoxicTlymphocyte)的活性，并缓解了应激诱导的自然杀伤细胞活性抑制。在体外试验中，虾青素刺激小鼠脾细胞和胸腺细胞的细胞增殖。虾青素处理的人类细胞在实验室水平上呈现免疫蛋白生成增强。在临床试验中，8周的虾青素摄入刺激了淋巴细胞增殖，增加自然杀伤细胞的细胞毒性活性，增加总T细胞和B细胞亚群，降低了急性蛋白并增强了机体免疫反应。叶黄素促进核因子E2相关因子2(Nrf2)活化和Nrf2靶向的血红素氧合酶1(HO-1)、醌氧化还原酶1(NQO1)、谷胱甘肽巯基转移酶(GST)、SOD、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶抗氧化基因的表达，降低了活性氧水平，从而减少由ROS所引发的炎症反应。在脂肪细胞分化的早期阶段，叶黄素减少脂滴的形成并下调增强子结合蛋白α(CEBP-α)和氧化物酶体活化增殖受体γ(PPAR-γ)，从而抑制肥胖相关炎症。在小鼠上，叶黄素通过增加Nrf2信号相关的NQO1、HO-1和GST抗氧化酶的水平，减少ROS和丙二醛，从而减轻砷对肝的损伤。

2.3 改善视觉功能

同时，类胡萝卜素中的胡萝卜素是体内维生素A的来源之一，动物可以将摄食的胡萝卜素转化为维生素A，维生素A与视觉和生长密切相关。人通过消耗维生素A合成视紫红质来维持视觉。玉米黄质和叶黄素被称为黄斑色素，大量存在于于人眼黄斑区中央凹处。这些黄斑色素能够帮助吸收大量蓝光以减少高能光对眼睛的损伤，并通过高抗氧化性对减少黄斑区的氧化应激。

3 类胡萝卜素的制备工艺

3.1 类胡萝卜素获取途径

类胡萝卜素广泛存在于动植物体中，通过从富含类胡萝卜素的天然物中人工提取是获得类胡萝卜素的有效途径之一。万寿菊是用于提取叶黄素的主流作物。叶黄素以酯的形式存在于万寿菊的花瓣中，利用类胡萝卜素易溶于有机溶剂的原理，使用正己烷、石油醚、乙醇等有机溶剂对叶黄素进行直接提取。萃取后再经过皂化和重结晶获得叶黄素产品。也有通过超临界流体技术、超声波和微波辅助、酶介质处理，对花瓣中的叶黄素酯进行萃取的方法，但生产上使用的不多。正己烷溶剂浸提技术生产是叶黄素天然物提取的常规生产方法。例如用万寿菊油树脂溶于乙酸乙酯后用正己烷-乙酸乙酯进行解析，并浓缩后得到叶黄素酯浸膏，再经过醇碱液抗氧化剂在通入二氧化碳的反应釜中皂化，将皂化产物稀释静置过滤得到粗品叶黄素晶体，再经过重结晶获得产品(公开号CN110590629B)。番茄及其附属产物是番茄红素的来源，提取方法与叶黄素的提取方法相近，例如使用番茄打碎用乙酸乙酯混合并均质过滤提取(专利号CN103160140A)。目前国际上有利用食用油作为萃取剂的研究方向，使得类胡萝卜素的提取变得更加绿色安全。虾青素的天然来源主要来自于微生物和甲壳动物加工下脚料，提取以传统的有机溶剂提取为主。但目前有脉冲电场、液体加压、超临界流体、亚临界流体、微波、超声波和高压均质这几个技术方向，由于市场上9成以上的虾青素都来源于人工合成，所以虾青素的天然提取新方法大多停留在实验室阶段。近几年随着对合成虾青素随食物链对人类健康安全影响的担忧，对天然虾青素的需求越来越大，天然虾青素的提取拥有广阔的前景。

3.2化学合成

化学合成的类胡萝卜素一般集中于着色功能的类胡萝卜素，β-阿朴-8’-胡萝卜酸乙酯、角黄素、虾青素等，所有全化学合成方法均需要使用Wittig反应。β-阿朴-8’-胡萝卜酸乙酯有三条合成途径，利用C20+C10、C25+C2+C3、C25+C5合成C30产物，其中以C25+C5=C30途径最具有工业化意义。虾青素的合成分为利用不同原料先合成关键的中间体C15进而合成虾青素的全化学合成法，和利用叶黄素、玉米黄质、角黄素等其他类胡萝卜素作为原料合成虾青素的半化学法。角黄素也可通过全化学法C9+C22+C9、C15+C10+C15途径和半化学法使用β-胡萝卜素氧化合成两种途径合成。

3.3 微生物合成

用微生物合成类胡萝卜素有着成本低、扩大生产简单、生产时间短等优点，具有不错的商业前景。微生物合成中关键步骤是合成类胡萝卜素的前体物质牻牛儿基焦磷酸(Geranylgeranylpyrophosphat，GGPP)，GGPP由异戊二烯焦磷酸(isopentenylpyrophosphate，IPP)和二甲基丙烯焦磷酸(dimethylallylpyrophosphate，DMAPP)合成，但酵母和藻类以及部分细菌合成IPP和DMAPP的途径不同，酵母利用乙酰辅酶A(CoA)经由甲羟戊酸(MVA)途径合成IPP和DMAPP，而藻类和部分细菌则利用3-磷酸甘油醛和丙酮酸经由甲基赤藓糖醇(MEP)途径合成IPP和DMAPP，再由IPP和DMAPP合成GGPP，两分子的GGPP经过缩聚得到C40的四萜骨架。之后根据微生物的不同，经过连续多步脱氢、环化、羟基化、酮基化、氧化裂解等修饰反应加工成不同的类胡萝卜素。微生物合成类胡萝卜素很多已有工业化的生产，例如使用盐生杜氏藻可以生产β-胡萝卜素，雨生红球藻可以生产虾青素，带状小球藻可以生产角黄素等。除了使用天然微生物外，还有一种利用合成生物学技术使用工程菌生产类胡萝卜素的方法备受关注，常使用大肠杆菌、啤酒酵母、耶氏解脂酵母(Yarrowialipolytica)作为底盘物种，其中耶氏解脂酵母作为含油酵母被认为极具商业潜力，耶氏解脂酵母可以在甘油糖蜜等廉价基质中生产且其脂质代谢与类胡萝卜素合成共用CoA作为前体，可以用来生产番茄红素、β-胡萝卜素、角黄素和虾青素，并拥有不错的产量和效率。最近的一项研究更是通过使用结构导向蛋白设计变体Y27R和建立香叶基基焦磷酸合酶介导的流量限制器的方式消除底物抑制将耶氏解脂酵母生产β-胡萝卜素的效率较之初始菌株提高1441倍。

4 类胡萝卜素在蛋鸡上的研究进展

4.1 抗炎提高免疫作用

研究表明，鸡卵中叶黄素含量丰富对孵化后的雏鸡的肝脏和脾脏炎症反应有缓解作用。含125nmol叶黄素的鸡卵在孵化后，雏鸡在脂多糖(LPS)处理后相较于对照组其脾脏IL-6的mRNA丰度降低，肝脏因炎症而增重的现象减轻。Koutsos等在饮食中添加40mg/kg的叶黄素降低了生长缓慢的蛋型雏鸡脾脏和肝脏的炎症参数，并发现缺乏类胡萝卜素会加重雏鸡的全身炎症反应并且导致体重减轻。Gao等研究发现在饲粮中添加20mg/kg和40mg/kg的叶黄素可显著降低母鸡和雏鸡肝脏十二指肠、空肠、回肠中促炎细胞因子白细胞介素1β(IL-1β)、IL-6和干扰素-g(IFN-g)和抗炎细胞因子白介素10(IL-10)的表达。

对所有鸟类而言，添加类胡萝卜素可增强对寄生虫感染的抵抗力并刺激抗体产生、T细胞介导的免疫反应和全身一氧化氮水平，保障一氧化氮作为细胞内信号器和促氧化剂对抗感染的功能。免疫激活可以降低鸟类循环中的类胡萝卜素水平，在脂多糖诱导的急性期反应中鸡体内法氏囊和胸腺细胞中的类胡萝卜素会增加，而肝脏和血浆以及皮肤中的类胡萝卜素则会减少，体现了类胡萝卜素在免疫调节中的作用。Gong等研究发现，饲料添加60mg/kg的β-胡萝卜素对母鸡免疫有积极影响，还可提高鸡卵子中免疫球蛋白的含量，有益于雏鸡肠道健康。并对胚胎死亡率、免疫系统发育和后代生长都有积极的作用，且效果优于传统抗生素。

4.2 抗热应激作用

蛋鸡没有汗腺且全身布满羽毛，体温调节能力差，在高密度养殖条件下，蛋鸡极易受到高温应激的影响，虽然在热中性条件下转录因子Nrf2会被激活额外生成一组抗氧化分子，用于处理细胞内产生的增加的ROS，然而高温会导致活性氧的产生增加和抗氧化防御系统的有效性降低，细胞会暴露在热应激引起的氧化应激下。热应激会导致蛋鸡生长发育迟缓、繁殖减少、产蛋量和肉质降低，死亡率增加。长期暴露在热应激下会导致生产损失，在极端情况下还会导致死亡。对于蛋鸡生产，热应激会造成组织活性氧增加，损伤组织和细胞。也会使蛋鸡血液中钙水平降低，从而影响蛋壳的生成，降低蛋壳质量。并通过对下丘脑和垂体激素分泌的影响直接降低卵巢功能，热应激期间产生的过量ROS对胸腺、脾脏和法氏囊这些免疫器官造成损伤，降低鸡的免疫力。通常情况下，不健康或患病的蛋鸡会因为全身吸收和沉积类胡萝卜素的效率较低而导致皮肤苍白。此外，不健康的蛋鸡会代谢已经积累的类胡萝卜素，以激活它们的免疫防御。

类胡萝卜素具有清除ROS的能力，在蛋鸡饲料中添加番茄红素可以促进Nrf2表达，起到抗热应激的功能，日粮中添加5%的干番茄渣可降低高温下鸡的高密度脂蛋白胆固醇和三酰甘油水平，提高抗氧化酶SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathioneperoxidase，GPx)的活性。在高温环境下，蛋鸡饲料中添加虾青素会调节影响氧化还原、热应激以及脂质代谢相关的基因表达，通过上调高密度脂蛋白和高密度脂蛋白受体的表达，提高血浆和肝脏中的SOD和GPx的水平，使丙二醇含量线性降低，增强蛋鸡抗氧化能力和调节脂质代谢。高密度脂蛋白与卵黄的形成密切相关，而蛋鸡的脂质代谢又主要集中于肝脏，肝脏健康对于蛋鸡生产至关重要。类胡萝卜素也有缓解热应激造成蛋鸡免疫力下降的作用。5%水平的干番茄渣增加了热应激肉鸡对绵羊红细胞的总抗体效价和对新城疫的效价，并降低了异嗜性粒细胞和淋巴细胞比率，缓解了由热应激引起的免疫力降低，作为维生素A的前体物质，补充类胡萝卜素可以使机体产生更多的维生素A，维生素A与抗体产生和T细胞增殖有关，在热应激条件下母鸡需要更多的维生素A才能产生足够的应对新城疫疫苗的抗体。

4.3 提高产品质量

母鸡蛋黄中的色素必须通过摄食获得，类胡萝卜素是天然的着色剂，类胡萝卜素对鸡的脚胫、胴体和腹部脂肪以及鸡蛋有良好的着色功能。人们普遍更喜欢颜色更深更黄的鸡蛋，类胡萝卜的着色使得蛋鸡产品拥有更好的品相，从而更受消费者青睐，鸡蛋也是人重要的类胡萝卜素来源。而蛋鸡可以通过膳食有效积累，如叶黄素、玉米黄质、β-胡萝卜素和角黄素虾青素等类胡萝卜素，并储存在蛋黄中，蛋黄中积累的类胡萝卜素可以提高鸡蛋的营养价值。类胡萝卜素的添加可以提高鸡蛋的耐储存性，在鸡膳食中添加低剂量番茄红素可以降低鸡蛋中的丙二醇含量，角黄素则可以降低鸡蛋中的硫代巴比妥反应物质，有效提高鸡蛋的抗氧化能力和稳定性。

5 结语

类胡萝卜素具有增强免疫功能、抗氧化、抗炎、维持视觉功能等多种生物学功能，在蛋鸡饲料中添加一定量的类胡萝卜素能够有效的提高抗炎能力增强免疫力、抗氧化抗热应激、提高产品品质等功能。但类胡萝卜素作为饲料添加剂中的应用还主要集中于对蛋黄的着色功能上。类胡萝卜素在蛋鸡上作为着色功能外的配方尚不成熟，市场上缺少蛋黄着色剂功能外的类胡萝卜素饲料添加剂产品，未来需要进一步研究合理的计量和配方，开发类胡萝卜素抗炎抗氧化免疫调节等多种功能，充分发挥其作为蛋鸡饲用添加剂更大的潜力。

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