菊芋飼料的營養(yǎng)價值_生物活性及其對動物生理功能的調(diào)控作用
摘 要:菊芋是一種多年生草本植物,屬菊科向日葵屬,起源于北美。菊芋地上部分(莖葉)和地下部分(塊莖)均可作為優(yōu)質(zhì)的動物飼料原料及飼料添加劑。作為飼用牧草,新鮮菊芋莖葉粗蛋白質(zhì)(CP)和鈣(Ca)含量在出苗后11~14周達到峰值,且含量與苜蓿草粉相近。菊芋莖葉青貯飼料的CP與Ca含量均高于玉米青貯飼料,與燕麥、大麥和豆科牧草青貯飼料等相近,可作為部分替代飼料。此外,菊芋中的營養(yǎng)成分以及某些代謝產(chǎn)物在生長發(fā)育過程中通過多種分子信號傳導途徑發(fā)生變化,在生物合成和生物降解中具有潛在的重要作用。作為功能性寡糖,菊芋塊莖中的菊糖不經(jīng)過單胃動物的消化酶降解而直接傳遞到大腸,在胃腸道中主要充當益生元,改善腸道內(nèi)環(huán)境,同時對血糖、脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)代謝均有調(diào)控作用;作為生物活性物質(zhì),菊芋莖、葉、花中的黃酮類、酚酸類、萜類以及少量的甾醇類、氨基酸和多糖等化合物經(jīng)大量動物臨床試驗表明,具有抗氧化、抗炎殺菌以及對多種腫瘤細胞具有一定的毒性作用,醫(yī)療價值較高。本綜述總結(jié)了菊芋的營養(yǎng)特性及發(fā)育過程中代謝物的動態(tài)變化,概述了菊芋青貯的發(fā)酵特性及飼喂價值,重點闡述了菊芋塊莖和莖葉中生物活性物質(zhì)(主要是菊糖、黃酮類、酚酸類和倍半萜類)對動物生理功能的調(diào)控作用,目的是為了詳細闡述菊芋資源的開發(fā)潛能及其對動物健康水平的改善作用。
菊芋又稱球狀向日葵,最初由印度人耕種,在土豆等糧食作物短缺時作為其營養(yǎng)源,后在世界范圍內(nèi)均有種植,有50多個品種。與其他作物相比,菊芋的優(yōu)勢主要包括:1)莖葉再生能力強,每年可刈割3~4次;2)生物產(chǎn)量高,全株新鮮和風干最高產(chǎn)量分別在108~134t/hm2和42~73t/hm2;3)粗蛋白質(zhì)(CP)和鈣(Ca)含量豐富,現(xiàn)蕾期(出苗后11~14周)最高分別可達到14.11%~15.22%和0.57%~0.76%,與苜蓿草粉相近(15%~20%和1.2%~1.5%)。Papi等用風干菊芋莖葉代替部分苜蓿干草(高達30%干物質(zhì))對綿羊的消化率和代謝能沒有不利影響。因此,菊芋可作為部分替代飼料。由于大多數(shù)植物風干秸稈適口性較差,因此,青貯是長期保存新鮮菊芋莖葉的首選方式。菊芋塊莖是動物飼料添加劑的良好來源,塊莖中的功能性寡糖———菊糖作為一種可溶性膳食纖維,在單胃及幼齡反芻動物胃腸道中為雙歧桿菌等益生菌的生長提供能源物質(zhì),雙歧桿菌發(fā)酵菊糖產(chǎn)生短鏈脂肪酸(乙酸、丁酸和丙酸)及乳酸,降低腸道的pH,抑制病原微生物如大腸桿菌、沙門氏菌及艱難梭菌等增殖。此外,作為一種非消化性碳水化合物,菊糖有助于降低血糖及血液和肝臟中的甘油三酯濃度。菊芋莖葉及花中含有大量生物活性物質(zhì)(酚酸類、黃酮類、倍半萜類等),研究表明,菊芋莖葉的多種提取物對結(jié)腸癌細胞系HT29和HCT116具有抗增殖活性;對MCF⁃7人乳腺癌細胞和以非洲綠猴腎細胞(Vero細胞)為載體培養(yǎng)的狂犬病毒具有細胞毒性;對屎腸球菌ATCC 51559、銅綠假單胞菌PAO1、肺炎克雷伯菌ATCC 700603和結(jié)核分枝桿菌H37Ra具有抗微生物活性。因此,本文對菊芋的營養(yǎng)成分及影響因素、菊芋青貯飼料的發(fā)酵特性及飼用價值,以及菊芋中的生物活性物質(zhì)對動物生理功能的調(diào)控作用等方面進行了歸納總結(jié),旨在為今后的研究提供一定的參考信息。
1菊芋的營養(yǎng)成分及其代謝物的動態(tài)變化
1.1 營養(yǎng)成分 菊芋的地下部分為多瘤狀的塊莖,通常包含約80%的水、15%的碳水化合物和1%~2%的CP,幾乎不含淀粉,在少量存在的脂肪中,僅有微量的單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸,但沒有飽和脂肪酸。與塊莖相比,地上部分(莖葉)的CP、Ca以及木質(zhì)素含量較為豐富?! ?/span> 菊芋中主要的碳水化合物儲存形式是菊糖(區(qū)別于大多數(shù)以淀粉作為碳水化合物儲存形式的作物),塊莖中菊糖含量占塊莖干重的70%~80%,因此菊芋塊莖是可溶性膳食纖維的良好來源。菊糖聚合度(degree of polymerization,dp)為2~60。在對11個菊芋品種菊糖dp的研究中發(fā)現(xiàn),dp>4的菊糖占塊莖總碳水化合物的55.8%~77.3%(平均值為65.8%),dp=3的菊糖占9.7%~16.5%(平均值為13.2%)和dp=2的菊糖占8.2%~18.3%(平均值為13.8%)。dp與植物多糖益生活性密切相關,除二聚糖外,dp與益生活性基本遵循“低dp高活性”的規(guī)律?! ?/span> 在塊莖發(fā)育期間,蛋白質(zhì)和氮(N)水平保持相對恒定,塊莖蛋白質(zhì)含有理想比例的必需氨基酸。Cies′lik等研究表明,在平均CP含量為5.9%DM的塊莖中,主要氨基酸成分為天冬氨酸(14.6%)、谷氨酸(14.0%)、精氨酸(11.1%)、賴氨酸(5.2%)、蘇氨酸(3.4%)、苯丙氨酸(3.9%)、半胱氨酸(1.0%)和甲硫氨酸(1.0%),且風干菊芋塊莖中必需氨基酸與總氨基酸的比值(EAA/TAA)為42.38%,必需氨基酸與非必需氨基酸的比值(EAA/NEAA)為73.55%,這與聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)提出的EAA/TAA≈40%、EAA/NEAA>60%的參考蛋白質(zhì)模式相近,說明風干菊芋塊莖中的蛋白質(zhì)屬于優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)?! ?/span> Somda等研究了希臘菊芋(sunchoke)從種植到收獲的礦物元素分配。在快速生長階段,塊莖中的碳和韌皮部的礦物元素水平顯著增加。到收獲時,在成熟的塊莖中發(fā)現(xiàn)了高水平的鉀(K,42.0~65.7mg/kgDM)、Ca(7.071~11.364mg/kgDM)和磷(P,2.795~3.854mg/kgDM),而鈉(Na)含量(0.402~0.857mg/kgDM)相對較少。Seiler等對德克薩斯州的9個野生菊芋種群在2年開花期間莖葉中的N、P、Ca、鎂(Mg)、K和Ca/P進行了評估,結(jié)果表明,用于反芻動物飼料的開花期菊芋的N、Ca、Mg和K充足,P不足,Ca/P過高,為(4.3~14.3)∶1;如果使用菊芋作為主要飼料,必須添加P補充劑或添加一些高濃度P的其他飼料,以幫助降低代謝紊亂的風險。9個種群的N、K、P,Ca、Mg和Ca/P均存在基因型差異,表明通過雜交和選擇改善的可能性;P和Mg的群體差異很小,通過選擇難以改善這些差異。 1.2 動態(tài)變化 在菊芋生長發(fā)育過程中,蛋白酶將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸,α-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為糖,因此蛋白質(zhì)和淀粉的水解伴隨著游離氨基酸和單糖的增加。Erbaş等研究了2個不同品種的菊芋,從出苗到采收期CP含量分別從48.1%和40.9%降低到35.5%和28.4%,而游離氨基酸含量分別從0.59%和0.28%增加到5.07%和5.62%;總可溶性糖從7.3mg/g增加到28.6mg/g,還原糖含量從1.8mg/g增加到6.4mg/g。抑制蛋白質(zhì)消化的一些抗營養(yǎng)成分在發(fā)芽后減少,例如α-半乳糖苷、胰蛋白酶、凝集素和胰凝乳蛋白酶抑制劑等。此外,塊莖中會積累一些次生代謝產(chǎn)物,如維生素E和多酚。出苗后11~14周總酚含量增加,主要化合物是沒食子酸、原兒茶酸、咖啡酸和芥子酸以及槲皮素。內(nèi)源酶活化及一些復雜的生化代謝途徑可能導致菊芋發(fā)育過程中酚類成分的變化。涉及酚類化合物的合成和轉(zhuǎn)化的分子信號傳導途徑包括:氧化戊糖磷酸酯、乙酸酯/丙二酸酯及莽草酸等途徑、水解單寧途徑以及糖酵解途徑等。 2菊芋莖葉青貯飼料的發(fā)酵特性及其飼喂價值 2.1 發(fā)酵特性 利用菊芋莖葉做青貯飼料時,應在成熟期前(現(xiàn)蕾期)進行刈割,此時的莖稈CP含量較高(10.52%~15.22%),木質(zhì)素含量低,有利于提高飼草營養(yǎng)價值。閆琦等利用袋裝法將菊芋莖葉青貯60d后,測得酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量顯著下降,相對飼用價值(RFV)增加,這有利于增加動物采食量和提高消化率。菊芋青貯前干物質(zhì)含量為297g/kg,與McDonald等所測幾種專用于青貯的作物含量(250~300g/kg)相符,且青貯50d后,干物質(zhì)含量為275g/kg。根據(jù)Keady等推薦的干物質(zhì)含量(280±5)g/kg,亦可表明其為優(yōu)質(zhì)飼料。菊芋青貯在發(fā)酵50d后的乳酸含量(20.1g/kgDM)占總有機酸含量的57.9%DM,此數(shù)值符合優(yōu)等青貯飼料中乳酸含量范圍(占總酸的33%~50%DM以上);然而,菊芋青貯pH>4.6,因此需要額外添加乳酸菌或者與含糖分較高的飼料(如玉米)混貯;周正等將菊芋秸稈與玉米秸稈按10∶0、9∶1、8∶2、0∶10共4個比例進行混貯處理,50d后測定結(jié)果表明:隨著玉米秸稈比例增大,混貯料的pH和纖維素、半纖維素含量顯著降低,非纖維性碳水化合物(NFC)、干物質(zhì)和NDF含量及RFV呈上升趨勢。試驗證明,適量添加玉米秸稈,具有提高菊芋秸稈青貯品質(zhì)的效果。菊芋青貯的木質(zhì)素含量從9.8%(青貯前)下降至6.8%,略高于玉米青貯飼料(5.7%)、燕麥青貯飼料(5.5%)和小麥青貯飼料(5.8%);CP含量(10.3%)高于玉米青貯飼料(8.8%),與燕麥青貯飼料(12.9%)和大麥青貯飼料(12%)相近;Ca含量(1.4%)與豆科牧草青貯飼料相近(1.34%),顯著高于玉米(0.28%)等其他青貯飼料;Rinne等提出氨氮量超出7g/kg,表明青貯飼料質(zhì)量較差。Megías等試驗表明菊芋青貯的氨氮含量低于7g/kg,變化范圍為0.2~0.8g/kgDM,因蛋白質(zhì)降解較少,表明此時青貯料品質(zhì)較好。 2.2 飼喂價值 菊芋塊莖對泌乳奶牛的產(chǎn)奶凈能(7.79kJ/kg)高于馬鈴薯(7.74kJ/kg)和甜菜(6.15kJ/kg)。在英國進行的一項研究中發(fā)現(xiàn),飼喂公羊1kg菊芋塊莖能夠提供4.15MJ的消化能和11.9g可消化蛋白質(zhì)。菊芋青貯對于泌乳奶牛的消化能(11.89kJ/kg)和代謝能(9.21kJ/kg)僅次于玉米青貯飼料(12.52和9.75kJ/kg)。Razmkhah等研究表明,菊芋青貯飼料替代540g/kgDM玉米青貯飼料,對奶牛干物質(zhì)采食量、消化率、瘤胃發(fā)酵和血液參數(shù)沒有不利影響。 3菊芋的生物活性物質(zhì)及其功能 3.1 塊莖中菊糖的化學結(jié)構及其功能 菊糖主要是由線性果糖基單元β-(1,2)糖苷鍵連接的果糖鏈與還原性末端吡喃葡萄糖單元組合成的果寡糖,部分菊糖通過β-(2,6)糖苷鍵連接,支化程度局限。此外,一部分菊糖分子末端不含吡喃葡萄糖單元,而是以果糖苷單元的形式存在。就數(shù)量而言,菊芋和菊苣是目前菊糖儲量最大的2個物種。 3.1.1 益生元特性 Roberfroid報道,菊糖的益生元活性是由于菊糖中的果糖單體中異頭碳(環(huán)化單糖分子中氧化數(shù)最高的半縮醛碳原子C2)構型的存在,使得菊糖對動物消化道內(nèi)消化酶(α-葡糖苷酶、麥芽糖酶、異麥芽糖酶和蔗糖酶)的水解具有抗性,因此菊糖不經(jīng)過胃腸道上部消化而是直接進入結(jié)腸。這已經(jīng)通過大鼠和人的體內(nèi)回腸造口模型研究得到證實,該模型通常用于量化營養(yǎng)物,特別是碳水化合物在小腸消化吸收。該研究從回腸造口流出物中回收了86%~88%的菊糖,這一結(jié)果支持了小腸中菊糖幾乎不可消化的觀點。根據(jù)對乳酸和短鏈脂肪酸(添加菊糖后回腸造口流出物中碳水化合物厭氧發(fā)酵的最終產(chǎn)物)含量的估計,菊糖通過小腸期間12%~14%的微小損失可能是由于回腸定植的微生物群體的發(fā)酵?! ?/span> 菊糖的益生元特性還體現(xiàn)在通過選擇性地刺激結(jié)腸中1種或幾種有益菌的生長或活性,進而與病原菌競爭腸道上皮細胞底物或黏附位點,以及對免疫系統(tǒng)的刺激。此外,雙歧桿菌發(fā)酵菊糖產(chǎn)生有機酸,降低腸道pH,從而抑制有害細菌增殖。Delcenserie等研究表明,補充菊糖增加了山羊糞便中雙歧桿菌的數(shù)量及其對病原菌的抗性。Sekine等進一步證明雙歧桿菌的水溶性細胞片段具有抗腫瘤作用,是動物腸道中重要的免994動物營養(yǎng)學報32卷疫調(diào)節(jié)劑。與對照飲食相比,菊糖型飲食的攝入顯著抑制了結(jié)腸的異常隱窩病灶(ACF)總數(shù)。結(jié)腸變性隱窩(ACP)是結(jié)腸癌的初期病變,菊糖通過促進益生菌的增殖,激活Toll樣受體2(TLR2)的表達,同時抑制了革蘭氏陰性菌及Toll樣受體4(TLR4)-核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF⁃κB)信號通路,進而抑制結(jié)腸腫瘤前病變。 3.1.2 對腸道形態(tài)及微生物的影響 菊糖在結(jié)腸發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸(乙酸、丁酸和丙酸)、乳酸和氣體作為消化產(chǎn)物。菊糖產(chǎn)生的高達95%的有機酸都在升結(jié)腸被吸收。對9~12周齡生長豬的試驗表明,菊糖型飲食降低了盲腸pH并增加了短鏈脂肪酸濃度,主要是丁酸,其次是乙酸和丙酸。這些短鏈脂肪酸濃度的提高與菊糖對腸道組織形態(tài)的影響有關,無論是在小腸還是在盲腸,菊糖攝入導致腸黏膜增生和腸壁厚度增加都伴隨著血流量的增加,進而使吸收進入血液的短鏈脂肪酸含量增加,為腸細胞增殖提供大量的能源物質(zhì)。菊糖補充還會導致腸絨毛形態(tài)的改變,并且這種改變與腸組織細胞周轉(zhuǎn)有關。Valdovska等在飼喂菊糖型飲食的仔豬腸道中發(fā)現(xiàn)空腸絨毛頂端表面分枝以及空腸細胞有絲分裂。菊糖為腸細胞有絲分裂提供能量,進而使腸絨毛的功能被激活。此外,在空腸中發(fā)現(xiàn)中等數(shù)量的結(jié)腸炎性細胞和部分漿細胞的凋亡和遷移。細胞的凋亡和遷移過程是由于菊糖攝入導致空腸中大量腸道微生物種群結(jié)構發(fā)生變化引起的。菊糖在瘤胃中不會抑制纖維蛋白酶活性,但對產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobacter succinogenes)和黃色瘤胃球菌(Ruminococcus flavefaciens)的生長具有一些負面影響,可能的原因是產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和黃色瘤胃球菌能夠利用葡萄糖和纖維二糖但不以果糖作為生長底物。胡丹丹等利用16SrDNA高通量測序技術發(fā)現(xiàn)菊糖顯著提高了奶牛瘤胃中假單胞菌屬(Pseudomona)、瘤胃擬桿菌(Bacteroides ruminicola)以及瘤胃纖維降解菌的豐度。與細菌相比,原生動物對菊糖的利用顯示出更大的活性,Ziolecki等報道,菊糖的攝入有助于瘤胃纖毛蟲改善細菌纖維素分解活性。 3.1.3 對血糖的影響 現(xiàn)有研究表明菊糖對血糖的影響可能取決于生理(禁食與餐后狀態(tài))或疾?。ㄌ悄虿。顩r。在鏈脲佐菌素處理的大鼠(糖尿?。┲校瑢ⅲ保埃缇仗羌尤氲剑担埃缧←湹矸埏曃菇】荡笫髸r,盡管菊糖對淀粉吸收沒有明顯的干擾,但血糖反應降低。與其他膳食纖維一樣,菊糖通過延遲胃排空速度或縮短通過小腸時間來影響常量營養(yǎng)素,尤其是碳水化合物的吸收。長期攝入含有20%菊糖的飲食(20g/d,持續(xù)2個月),降低了肝糖原累積量。因菊糖攝入導致的肝臟糖異生減少通常是由菊糖發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸,尤其是丙酸介導。Ash等在大鼠飲食中加入25%的丙酸鹽,4周后顯著降低了空腹血糖。丙酸還可抑制分離的肝細胞中的糖異生。丙酸對血糖的控制途徑主要包括:1)丙酸代謝轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰輔酶A(CoA)和琥珀酰CoA,兩者都是丙酮酸羧化酶的特異性抑制劑;2)丙酸鹽通過消耗肝臟檸檬酸(一種磷酸果糖激酶的變構抑制劑)來增強葡萄糖利用;3)丙酸通過降低血漿脂肪酸濃度間接影響肝臟葡萄糖代謝,而血漿脂肪酸濃度是已知與糖異生密切相關的因子。 3.1.4 對糞氮及尿氮代謝的影響 在正常和腎切除大鼠的飼糧中補充10%菊糖6周后,尿素氮水平均降低。腸道微生物生長過程中需要大量氮源來進行菌體蛋白的合成,而當可消化碳水化合物的攝入量高時,維持后腸道細菌最大生長所需的氨的量可能會不足,這時血尿素成為盲腸細菌蛋白質(zhì)合成的現(xiàn)成來源。由于菊糖對消化道酶的抗性,可直接到達后腸段充當腸道細菌的能量來源,有效地增強了大鼠的糞氮排泄,減少了尿氮排泄。然而,菊糖對小腸中的蛋白質(zhì)消化率不產(chǎn)生顯著影響。此外,丙酸鹽是菊糖的細菌發(fā)酵的重要終產(chǎn)物,在氨和氨基酸存在下也可抑制肝臟中的尿素生成。但是,由于消化道結(jié)構和結(jié)腸微生物區(qū)系的差異,這種結(jié)果(尿氮減少和糞氮增加)是否適用于反芻動物有待進一步研究。在單胃動物中,除了增加總氮向結(jié)腸的轉(zhuǎn)移外,更重要的是限制氨的形成和蛋白質(zhì)分解代謝的各種終產(chǎn)物,這2種因素已成為結(jié)腸癌發(fā)生的致病因素。De Preter等研究表明,菊芋塊莖提取物可有效抑制黃嘌呤氧化酶(參與嘌呤合成尿酸的酶),因此可減少尿酸鹽在關節(jié)和腎臟的沉積。 3.1.5 對脂質(zhì)代謝的影響 在大鼠高脂肪或無纖維飲食中添加菊糖顯著降低了血液和肝臟的甘油三酯含量。Weitkunat等提出,在富含碳水化合物的飲食中添加菊糖減少了肝臟脂肪酸的從頭合成。由于脂肪酸合成酶是通過修飾脂肪生成基因進行表達的,菊糖的攝入使脂肪生成酶和脂肪酸合酶mRNA的活性降低,通過減少肝臟中極低密度脂蛋白-甘油三酯的分泌,進而降低了菊糖的甘油三酯效應。菊糖飼喂的大鼠肝臟中甘油-3-磷酸濃度顯著高于對照組,這種相對增加可能是由于菊糖降低了脂肪酸的酯化能力。有研究表明,菊糖的攝入顯著地降低了肝細胞將[14C]棕櫚酸酯化成甘油三酯的能力。葡萄糖依賴性促胰島素肽(GIP)和胰高血糖素樣肽(GLP⁃1)對脂質(zhì)代謝具有直接的胰島素樣作用。與對照組相比,菊糖飼喂大鼠的血清GIP濃度更高,且盲腸中GLP⁃1的含量也增加了2倍。后者的增加是盲腸肥大的結(jié)果,可能與盲腸中菊糖發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的營養(yǎng)作用有關。GLP⁃1通過向控制食物攝入的下丘腦發(fā)送神經(jīng)沖動,進而抑制食物攝入,延遲胃排空速度,刺激胰島素分泌和胰腺β細胞(也稱胰島B細胞,可分泌胰島素)增殖來抑制肥胖。Daubioul等報道,利用菊糖進行膳食纖維富集可以減少肥胖大鼠脂肪量增加和肝臟脂肪變性。菊糖還能使肝臟中蘋果酸酶活性顯著降低,進而減少其催化蘋果酸脫羧過程中產(chǎn)生的用于脂肪酸合成的還原型輔酶(NADPH)。 3.2 莖葉中生物活性物質(zhì)及其功能 菊芋莖、葉及花中的主要生物活性物質(zhì)有黃酮類、倍半萜類、倍半萜內(nèi)酯類、酚酸類、氨基酸、多糖、甾醇類和揮發(fā)油等,以萜類(17,18-二氫尿嘧啶A、???、??嫉龋?;黃酮類(山奈酚、葛根素、蘆丁等)和酚酸類(咖啡酸、綠原酸、沒食子酸、兒茶素、水楊酸、阿魏酸等)居多(表1),其中大部分活性成分均具有抗氧化、殺菌消炎以及腫瘤細胞毒性等多種藥理作用,可對動物疾病的治療產(chǎn)生積極作用。
3.2.1 抗氧化
抗氧化劑具有抗細胞損傷并降低慢性疾病風險的功能。天然抗氧化劑以酶[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GR)和愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)]、肽(還原型谷胱甘肽)、類胡蘿卜素和酚類化合物(生育酚、類固醇和酚酸)等形式存在。菊芋中的抗氧化劑主要是黃酮類和酚酸類化合物,其抗氧化活性受多種因素的影響。菊芋葉片吸收的紫外線-B(UV⁃B)輻射可能影響抗氧化防御機制。Costa等研究表明菊芋葉片中的還原型谷胱甘肽和抗氧化酶(CAT、GR和GPX)的活性在15kJ/m2UV⁃B照射下分別增加32.0nmol/g、0.36pmol/mg、4.6U/mg和18.7U/mg。生長于鹽堿地或在鹽水灌溉條件下的菊芋塊莖中谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)、GPX和SOD活性與葉片相比增加,相同條件下菊芋葉片表現(xiàn)出比塊莖更高的活性GR和CAT活性。從塊莖形成到膨大期間,1,1-二苯基-2-苦肼基(DPPH)自由基清除活性的增加可能是由于總酚和總異黃酮含量增加,即菊芋塊莖的總酚含量從1.06mg/g增加到3.60mg/g;總異黃酮含量從5.34mg/g增加到6.17mg/g。菊芋異黃酮還可充當?shù)兔芏戎鞍祝ǎ蹋模蹋┭趸囊种苿?。菊芋所含酚酸類化合物中一種重要的抗氧化活性物質(zhì)——綠原酸(CQA),具有廣泛的協(xié)同抗氧化能力,尤其是其主要成分3-咖啡奎寧酸(3⁃CQA)與槲皮素等黃酮類化合物以及α-生育酚,蘆丁等抗氧化劑混合時,可將機體對DPPH和2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)等自由基的清除能力提高3%~45%。CQA分子的再生機制和多種抗氧化劑分子之間的相互作用是CQA協(xié)同抗氧化現(xiàn)象的主要原因。
3.2.2 抗炎
菊芋葉片中發(fā)揮抗炎作用的物質(zhì)主要是倍半萜類化合物。Hernández等研究表明,α-亞甲基-γ-內(nèi)酯是倍半萜內(nèi)酯發(fā)揮抗炎作用的必需基團,其抗炎作用主要涉及對炎性因子和炎癥信號通路的影響。例如,通過抑制巨噬細胞NF⁃κB的活化以及信號傳導及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT)的磷酸化等,從而降低炎性細胞因子如白細胞介素-6(IL⁃6)、白細胞介素-8(IL⁃8)、腫瘤壞死因子-α(TNF⁃α)和腸黏膜丁酸等的水平。Lyb等從菊芋葉片中分離得到倍半萜內(nèi)酯——堆心菊內(nèi)酯(helenalin)可以選擇性的抑制NF⁃κB與DNA結(jié)合活性并抑制NF⁃κB相關基因的表達。此外,該化合物可以改變核因子κB抑制蛋白(IκB)/NF⁃κB復合物,干擾IκB激酶的釋放,進而抑制其啟動相關炎癥基因的轉(zhuǎn)錄。Pan等研究發(fā)現(xiàn)菊芋花中的倍半萜內(nèi)酯(4,15-異三醇內(nèi)酯和4,15-異三糖內(nèi)酯甲基丙烯酸酯)發(fā)揮抗炎作用的機制是通過抑制TNF⁃α和干擾素-γ(IFN⁃γ)誘導的非洲綠猴腎細胞ATCCCCL⁃81中STAT1的磷酸化,從而減少T細胞分泌因子——受激活調(diào)節(jié)正常T細胞表達和分泌因子(RANTES)和IL⁃8的生成。此外,菊芋的抗炎作用還與腸道相關淋巴組織(GALT)的作用有關。Watzl等從菊芋花中分離出9種倍半萜類化合物可激活大鼠派爾集合淋巴結(jié)(腸黏膜免疫系統(tǒng)的重要組成部分)中的免疫細胞,刺激產(chǎn)生白細胞介素-10(IL⁃10)和自然殺傷細胞,并加強的免疫球蛋白A的分泌,其在對病原體和腫瘤細胞的保護性屏障的形成中起重要作用。
3.2.3 抗腫瘤
菊芋地上部分中分離出的黃酮類、二萜類、倍半萜內(nèi)酯、倍半萜烯等化合物能夠減小甚至消除一些化學致癌物的毒性,抑制腫瘤細胞增長??鼓[瘤試驗表明,菊芋花中的2種黃酮類物質(zhì)[5,8-二羥基-6,7,4′-三甲氧基黃酮和5,8-二羥基-2-(4-羥基苯基)-6,7-二甲氧基]對HeLa細胞系(宮頸癌細胞)具有細胞毒性。Yuan等從菊芋葉片中分離得到了3種倍半萜類化合物,對B16細胞(小鼠黑素瘤細胞)增殖產(chǎn)生抑制作用。Pan等從菊芋莖葉中分離出8種化合物(包括3個二萜類、2個吉馬烷型倍半萜內(nèi)酯、木脂素、諾異戊二烯和苯甲醛衍生物)對于MCF⁃7細胞(人乳腺癌細胞系)具有不同程度的細胞毒性,其中吉馬烷型倍半萜內(nèi)酯的細胞毒性作用最強。除了生物活性物質(zhì)外,菊芋中的某些特異性蛋白也能夠起到抗腫瘤作用。Griffaut等通過雙重應激———切割和干燥處理得到了菊芋葉片中特異性抗腫瘤細胞的蛋白質(zhì)復合物,該復合物對多種腫瘤細胞(MDA⁃MB⁃231乳腺癌細胞,Caco2和DLD1結(jié)腸癌細胞,PA1和SKOV3卵巢癌細胞,A549非小細胞肺癌細胞)具有較強的毒性作用。研究顯示該蛋白復合物含有2種特殊多肽,即18ku多肽和2052期汪悅等:菊芋飼料的營養(yǎng)價值、生物活性及其對動物生理功能的調(diào)控作用28ku多肽。18ku多肽與銅-鋅過氧化物歧化酶(Cu,Zn⁃SOD)相關,向該蛋白復合物中加入水楊酸導致其對MDA⁃MB⁃231乳腺癌細胞顯著的分裂抑制。而28ku分子與堿性磷酸酶相關,其與萌發(fā)素類蛋白(germin⁃like protein,GLP)或過氧化物歧化酶等相互作用可導致腫瘤細胞死亡。
3.2.4 抗菌
脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(LTP)屬于大型植物蛋白家族,對多數(shù)真菌具有很強的抗菌活性。菊芋葉片中的Ha⁃AP10是與許多植物LTP同源的10ku堿性多肽,研究顯示出其對傷寒沙門氏菌(Salmonella typhi)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、霍亂弧菌(Vibrio cholerae)、白色念珠菌(Candida albicans)和尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)等有不同程度的抑制力。Jantaharn等通過色譜分離從菊芋花中得到23種化合物,主要是萜類化合物、類黃酮、香豆素和色酮,對屎腸球菌ATCC 51559、銅綠假單胞菌PAO1、肺炎克雷伯菌ATCC 700603和結(jié)核分枝桿菌H37Ra具有抗微生物活性。此外,菊芋中的單寧與富含脯氨酸的蛋白質(zhì)形成不可逆的復合物,可抑制微生物細胞蛋白質(zhì)合成。抗菌活性可能是由于黃酮類、生物堿、皂苷和單寧等化合物能夠滅活細菌黏附因子、酶以及細胞包膜轉(zhuǎn)運蛋白。
4小結(jié)與展望
菊芋豐富的營養(yǎng)成分、菊糖儲量以及具有治療潛力的生物活性物質(zhì)使其成為是一種亟待開發(fā)和充分利用的新型飼料及飼料添加劑。然而,到目前為止,菊芋并未納入我國飼料數(shù)據(jù)庫,主要原因在于,菊芋的營養(yǎng)成分參數(shù)缺乏完整和系統(tǒng)性,且已有數(shù)據(jù)存在較大差異。為使菊芋發(fā)揮最大的飼用價值,需要進一步對比分析和深入研究,以確定其最大生物量和最佳采收時期。另外,菊芋在動物生產(chǎn)(特別是反芻動物)中的應用仍有較大的探索空間。例如,菊芋的有效能值(例如奶牛的產(chǎn)奶凈能、維持凈能,羊的消化能、代謝能);菊糖在瘤胃中的降解代謝及對微生物區(qū)系的作用機理以及在生產(chǎn)中最適添加量的確定等?! ?/span> 目前針對動物疾病的研究大都集中于利用抗生素、疫苗接種防疫等藥物治療手段或是通過選擇抗性基因進行遺傳改良。而從營養(yǎng)調(diào)控的角度出發(fā),通過飼喂含有抗炎殺菌類活性物質(zhì)的飼料,提高動物機體的后天免疫力,增強其對疾病的抗性,是否有助于間接實現(xiàn)對炎癥的緩解,也是值得研究的方向。菊芋莖葉及花中的生物活性物質(zhì)對動物的抗氧化、抗炎,特別是對腫瘤細胞毒性等功效顯著,但其在動物胃腸道的消化代謝過程及其作用機制等還需更多深入研究?! ?/span> 綜上,盡管菊芋對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)甚至醫(yī)學都表現(xiàn)出多種潛在利用價值,但仍需進一步研究以更全面地了解和利用這種多功能作物,為新型飼料資源的開發(fā)利用以及為動物的健康水平和生產(chǎn)提供一定的幫助。
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