β-胡萝卜素的生理功能及其在母猪生产中的应用

安济山  胡睿智  贺建华*

（湖南农业大学动物科学技术学院，长沙410000）

摘要：母猪的繁殖是猪生产中的关键环节，营养、环境、疾病等因素会导致母猪繁殖障碍。β-胡萝卜素是类胡萝卜素的一种，具有抗氧化、抗炎、提高机体免疫和改善肠道健康等生理功能，进而能提高母猪繁殖性能。本文主要综述国内外关于β-胡萝卜素在母猪繁殖性能的影响及其可能作用机制，以期为β-胡萝卜素在母猪生产中更深入的研究提供理论参考。

关键词：β-胡萝卜素；抗炎；抗氧化；免疫；母猪繁殖性能；

在现代规模化养猪生产中，母猪繁殖性能决定猪场生产水平和经济效益，然而我国母猪年生产力平均为17-22头、非生产天数均大于70天，与发达国家母猪繁殖水平相差较大，虽然抗生素在一定程度上能够改善母猪繁殖性能，但难以避免药物残留、细菌耐药性等问题。β-胡萝卜素（Beta-carotene）是类胡萝卜素中维生素A原活性最高的，广泛存在于绿色植物、藻类、真菌中，是人类饮食和组织中含量最丰富的维生素A原类胡萝卜素^[1]，其凭借来源天然、抗氧化抗炎和提高免疫等生物活性作为潜在的替抗产品具有广阔的应用前景。近年来，研究报道，β-胡萝卜素在母猪繁殖、免疫、抗炎、抗氧化和改善肠道健康等方面具有不同程度的促进作用^[2]，以提高母猪繁殖性能和仔猪成活率^[3]。本文主要综述国内外关于β-胡萝卜素在母猪生产中的应用效果及其可能作用机制，以期为β-胡萝卜素在母猪生产中更深入的研究提供理论参考。

1  β-胡萝卜素的理化特性

β-胡萝卜素属于脂溶性、四萜类碳氢化合物，分子式为C₄₀H₅₆，相对分子质量为536.88，其化学结构由4个异戊二烯侧链聚合而成，含有11个烯烃共轭双键和2个β-紫罗酮环，以红紫色至暗红色有光泽的六面体或结晶性粉末存在，主要为全反式异构体。β-胡萝卜素在光照、加热和有氧条件下极易发生异构化，如9-顺式、13-顺式、15-顺式等异构体，全反式β-胡萝卜素抗氧化性优于顺式，顺式异构体含量会降低β-胡萝卜素的维生素A原活性^[4]。因此以微乳化、软胶囊和纳米粒子形式贮存。此外，在非反刍动物中，全反式β-胡萝卜素吸收率较高^[5]。

2  β-胡萝卜素的生理功能及机理

2.1  维生素A的重要来源

维生素A在机体内主要以其衍生物视黄酸发挥作用，不仅参与骨骼正常生长和视觉发育，而且对动物机体抗炎抗氧化和繁殖方面起重要作用，然而动物不能合成维生素A。Moore证实β-胡萝卜素能在体内可转化成维生素A^[6]。β-胡萝卜素作为维生素A的重要前体，在动物体内经小肠吸收并存在于小肠粘膜上一种可溶性β-胡萝卜素15,15'-加氧酶(β-carotene-15，15’-momoxygenase 1,BCMO1)在氧的作用下，经中心裂解β-胡萝卜素15,15'双键位置，1分子β-胡萝卜素可转化为2分子维生素A（视黄酸）^[7]。目前，认为中心裂解机制是β-胡萝卜素转化为维生素A的主要途径，而偏心裂解途径将β-胡萝卜素转化成其他氧化产物（如脱辅基类胡萝卜素、视黄酸等）^[8]。此外，β-胡萝卜素在机体内的转化关键酶BCMO1受到维生素A负反馈调节，避免机体维生素A中毒^[9]。

2.2  抗氧化

β-胡萝卜素基于自身烯烃结构，能够捕捉自由基，猝灭单线态氧，从而提高机体抗氧化应激能力^[10]。羟基自由基（·OH）是活性极强的自由基，据曲蕙名等{!!! INVALID CITATION !!! {Britton`, 1995 `#123`;陈伟`, 2012 `#49},  #0;陈伟, 2012 #49;陈伟, 2012 #49}^[11]、袁磊等^[12]报道，β-胡萝卜素可通过加成反应有效清除·OH，且清除能力遵循剂量-效应关系。抗氧化酶的活性反映了机体清除自由基的能力。研究表明，β-胡萝卜素可以提高肝脏和血清中抗氧化酶的活性和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH）含量^{[13，14][13，14]}。{江咏梅, 2009 #181;Hosseini, 2010 #296}丙二醛(MDA)水平反映脂质过氧化损伤程度，据申惠琴等^[15]报道，β-胡萝卜素可降低四氧嘧啶诱导大鼠红细胞膜MDA含量。其机制可能是阻断细胞膜上不饱和脂肪酸与自由基链式反应。阳冠明等^[16]报道，在阿霉素（ADM）诱导大鼠心肌组织氧化损伤模型中，β-胡萝卜素可抑制iNOS mRNA 表达，减少NO含量，进而降低MDA含量。线粒体是细胞内ROS的主要来源，此外，周彤等^[17]研究发现，在慢性间歇性缺氧导致大鼠大脑认知能力损伤模型中，β-胡萝卜素能清除ROS和抑制海马区caspase-3蛋白表达，抑制Tau的磷酸化，从而降低神经元细胞的凋亡，恢复大鼠认知功能。

核因子E2相关因子2(Nrf2)是抗氧化应激反应的重要转录因子，在正常状态下，Nrf2存在于细胞质中受Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Keap1)调控抑制其转录活性^[18]。在氧化应激状态下，Nrf2与Keap1解离并进入核内与抗氧化反应元件(ARE)特异性结合^[19]，启动受ARE调控的抗氧化酶、Ⅱ项解毒酶的表达^[19]。据Zhou等^[13]研究报道，在急性脊髓损伤大鼠模型中，添加β-胡萝卜素可上调Nrf2转录活性和血红素加氧酶（HO-1）mRNA的表达，调节超氧化物歧化酶(SOD)活性，降低MDA含量，从而减少炎症介质。曲蕙名等^[20]研究发现，在H₂O₂诱导斑马鱼肝脏氧化应激损伤模型中，添加β-胡萝卜素可上调Nrf2 mRNA的表达，进而上调抗氧化酶基因的表达，提高SOD活性，降低MDA含量，减轻氧化应激损伤。由此可知，β-胡萝卜素可以通过上调Nrf2和HO-1 mRNA的表达，激活抗氧化通路，维持机体氧化还原平衡。

2.3  提高机体免疫力

2.3.1免疫功能

β-胡萝卜素可以保护吞噬细胞免受自身的氧化损伤,促进T、B淋巴细胞增殖，刺激效应T细胞的功能以及提高CD4⁺/CD8⁺比值和自然杀伤细胞（NK）活性^[21，22]。据Amar等^[23]报道，β－胡萝卜素可以提高虹鳟血清免疫球蛋白含量和血浆溶菌酶的活性。其机制可能是β－胡萝卜素具有抗氧化性和脂溶性，从而进入细胞膜清除自由基。血清免疫球蛋白水平反映体液免疫功能。马思慧等^[24]发现，在环玲酰胺引起的小鼠免疫抑制模型中，β-胡萝卜素能够提高血清IgA、IgG和IgM水平，其机制可能是通过促进辅助T细胞分化细胞因子IL-2、IL-4含量，刺激T细胞和B细胞增殖，从而提高血清免疫球蛋白水平。Nishiyama等^[25]在妊娠和哺乳期母鼠饲粮中补充50mg/kgβ-胡萝卜素可增加母鼠乳腺和回肠的IgA抗体分泌细胞（ASC）数量，提高肠道黏膜免疫,同时，能提高母乳中IgA转移到新生小鼠中的水平。

2.3.2  抗炎功能

核转录因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)作为炎症反应中调控多种细胞因子和炎症因子的开关^[26]。在正常状态下，细胞质中的NF-κB与抑制蛋白(IκB)结合处于休眠状态,当受到刺激时，NF-κB与抑制蛋白IκB解离，转位至细胞核内与靶基因启动子结合，诱导炎症相关基因的转录^[27]，如白细胞介素(IL)-6、IL-8、IL-1β和肿瘤坏死因子(TNF)-α等。据张晓音等^[28]报道，在LPS刺激巨噬细胞RAW264.7应激模型中，β-胡萝卜素可抑制巨噬细胞产生ROS以及NF-κB表达，进而降低TNF-α、IL-1β和IL-6 mRNA表达。Bai S K等^[29]也发现，在LPS诱导小鼠巨噬细胞败血症模型中，β-胡萝卜素通过阻止NF-κB转运和IκB降解,降低TNF-α、iNOS、环氧合酶（COX）-2的表达。Hui Wen Lin等^[30]研究发现，β-胡萝卜素预处理大鼠巨噬细胞RAW264.7可降低伪狂犬病病毒（PRV）炎症产生的COX-2、iNOS、TNF-α、IL-1β、IL-6和单核细胞趋化蛋白（MCP-1）含量。其原因是通过抑制丝裂原活化蛋白激酶磷酸化（MAPK）和NF-κB的表达。闫长孟等^[31]发现，β-胡萝卜素预处理急性胰腺炎大鼠，可抑制NF-κB mRNA和IL-6表达，上调转化生长因子β1（TGF-β1）的表达，促进胰腺炎的恢复再生能力。

综上所述，β-胡萝卜素发挥调节免疫作用：一方面基于其抗氧化性保护免疫细胞免受活性氧的损伤，促进免疫细胞的增殖分化；另一方面通过抑制NF-κB通路的激活，提高机体免疫能力。

2.4  保护肠道健康

肠道黏膜的形态结构和功能的完整性决定着动物的营养吸收、生长和生产以及机体免疫功能。据李若楠等^[32]报道，在LPS诱导猪空肠上皮细胞损伤模型中，β-胡萝卜素促进肠上皮细胞黏膜闭合蛋白（Occludin）、Claudin4和ZO-1等紧密连接蛋白表达，从而提高肠道黏膜屏障完整性。吴旻等^[33]研究发现，β-胡萝卜素可抑制断奶引起仔猪回肠炎症，保护空肠绒毛形态，促进空肠上皮细胞分泌抗体。其原因是其通过阻碍NF-κB通路激活，抑制IL-1β、IL-6和TNF-α表达。洪盼等^[34]研究报道，灌服80mg/kgβ-胡萝卜素可缓解早期断奶导致仔猪肠上皮细胞炎症和免疫功能下降，提高小肠绒毛高度与隐窝深度的比值，保护肠黏膜功能的完整性。其机理可能是通过下调NF-κB蛋白磷酸化水平，抑制炎性因子的表达。Keita Nishida等^[35]研究发现，添加50mg/kg β-胡萝卜素可以增强断奶小鼠空肠或回肠黏膜IgA浓度和IgA分泌细胞（ASC）数量，增强肠道黏膜免疫，降低小鼠腹泻率。

3  β-胡萝卜素在母猪生产中的应用

目前，维生素A具有提高动物繁殖能力的作用已得到证实，而β-胡萝卜素作为维生素A的重要来源，不仅发挥维生素A的生理功能，而且具有良好的通透性，可进入卵泡和黄体细胞发挥独特的作用，以提高母猪繁殖力和仔猪成活率^[36]。

3.1  对母猪生殖激素的影响

母猪生殖活动受到多种生殖激素的调控。孕酮在维持子宫发育的同时，可以抑制子宫肌的活动，促进胚胎着床并维持妊娠，在妊娠后期，保证子宫内环境适于胎儿的发育。雌激素刺激卵泡发育诱导发情，与催产素协同有利于分娩，刺激乳腺发育和乳汁分泌。据Schweigert等^[37]报道，给小母猪饲粮中补充β胡萝卜素（100mg/kg）或维生素A（4000IU/kg）均可增加肾上腺和黄体中β-胡萝卜素。刘锐钢等^[38]在妊娠后期母猪日粮中添加160 mg/kg的微囊化β-胡萝卜素显著提高了妊娠第110天雌二醇（37.75%）和孕酮（15.59%）的分泌水平。其原因可能是β-胡萝卜素的抗氧化性保护母猪卵泡细胞和子宫内膜类固醇生成细胞的完整性和活力。Chew等^[39]以注射方式给发情期母猪添加16.4mg β-胡萝卜素，增加了子宫特异蛋白的分泌水平，包括一种含有酸性磷酸酶活性和铁结合能力的糖蛋白和六种能抑制免疫的小酸性蛋白质^[40，41]。同时，Kume等^[42]也报道，给母猪注射β-胡萝卜素，可改善母猪子宫环境和子宫蛋白的分泌模式。Talavera等^[43]研究报道，注射β-胡萝卜素能刺激母猪黄体细胞提高孕酮分泌量。

3.2  对母猪、仔猪免疫的影响

妊娠期母猪对能量和氧气的需求迅速增加，自身新陈代谢和胎盘均产生过多活性氧而诱发炎症，进而影响母猪发情、排卵、受精和胚胎定植，以及妊娠、分娩和泌乳能力等^[3，44]。Brief等^[45]以注射的方式给每头青年后备母猪添加32.6mg/dβ－胡萝卜素提高了母猪血浆中β－胡萝卜素含量和免疫球蛋白IgG的浓度。Chew等^[46]给母猪以注射的方式添加10mg、20mg和40mg的不同剂量β－胡萝卜素，3h后均增加了母猪体内淋巴细胞中β－胡萝卜素含量。其机理可能是其抗氧化特性，保护淋巴细胞免受活性氧的损伤，促进淋巴细胞的增殖和分化。此外，新生仔猪的免疫主要来源于母乳。冯俊等^[47]在妊娠期至分娩的母猪日粮中添加160 mg/kg微囊化β-胡萝卜素显著提高出生窝质量（25.5%）、母乳中IgG含量（73.3%），血清中IgA、IgM和IgG水平，从而提高母猪机体免疫能力和仔猪出生健康成活率。张晓音等^[2]在妊娠母猪预产期前半个月和一个月的基础日粮中添加200mg/kg β-胡萝卜素可提高血清和初乳中IgA浓度，同时，增强母乳IgA向新生仔猪传递水平，提高仔猪免疫力。

3.3  对母猪繁殖能力的影响

葛金山等^[48]在配种前2周至妊娠90d母猪基础日粮中添加100mg/kg10%含量β-胡萝卜素，提高了母猪平均窝产活仔数3.24头（38.9%）、平均出生窝重（18.2%），弱仔数和死胎数分别降低0.06头、0.04头。在妊娠90d至断奶母猪基础日粮中添加500mg/kg10%含量β-胡萝卜素，提高了母猪初乳中免疫球蛋白含量、断奶窝重（36.6%）平均断奶头数（25.8%）、仔猪平均断奶重（2.3%）。Brief等^[45]发现，给配种后期母猪注射同等量β-胡萝卜素和维生素A,β-胡萝卜素能显著降低母猪死胎率，提高窝重和窝仔数。Coffey等^[49]研究表明,以注射方式给母猪添加β-胡萝卜素显著提高母猪的受胎率、产活仔数,提高仔猪初生质量和断奶质量。Kostoglou等^[50]在母猪妊娠99d至分娩的饲料中添加400 mg/kg的β-胡萝卜素，未能提高血清中β-胡萝卜素、维生素A浓度；但以注射方式分4次(妊娠100d、分娩当天、断奶当天、和发情第1d)给母猪添加200 mg/kgβ-胡萝卜素,均提高了断奶仔猪质量。然而，Rheaume和Chavze等^[51]在繁殖周期补饲β-胡萝卜素后，未能改善母猪的繁殖性能或其后代的生存能力。其原因可能是β-胡萝卜素在母猪肠道溶出度低，难以被吸收。

根据以上研究表明，β－胡萝卜素提高母猪繁殖性能的机制可能是：1）β－胡萝卜素作为机体抗氧化剂维生素，保护子宫细胞和卵巢细胞免受活性氧损伤，从而改善子宫内环境，有利于提高卵巢细胞生成类固醇激素的机能，促进胚胎的附植、生长和发育过程。2）β－胡萝卜素贮存在黄体中，能够形成黄体细胞细胞膜和细胞器不可缺少的组分，促进黄体细胞分泌孕酮，有利于维持妊娠和胚胎着床，降低胚胎死亡率。3）β－胡萝卜素可提高母猪抗炎和抗氧化活性，同时，增强母乳向仔猪传递免疫细胞IgA水平，从而提高仔猪成活率。4）β－胡萝卜素在体内转化成维生素A，维持子宫上皮细胞的功能完整性，使子宫特异性蛋白分泌达到最佳水平，为胚胎发育提供营养物质和免疫保护，提高早期胚胎成活率。此外，研究表明，β－胡萝卜素可通过改善种公猪精液品质，提高母猪受胎率。

4  小结

β-胡萝卜素作为强氧化剂之一，可以提高母猪抗氧化能力、机体免疫力和繁殖性能并取得较理想的应用效果。但是，β-胡萝卜素在母猪不同阶段适宜的添加水平、吸收和代谢机理以及更好的提高应用效果方面，还需进一步探讨和研究，进而促进β-胡萝卜素在母猪生产中的应用。