植物化学物质的生物功能及其在家畜中的应用研究——以Nrf2/Keap1系统为目标

覃思 ,  侯德兴

工程（英文） ›› 2017, Vol. 3 ›› Issue (5) : 738 -752.

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工程（英文） ›› 2017, Vol. 3 ›› Issue (5) : 738 -752. DOI: 10.1016/J.ENG.2017.03.011

植物化学物质的生物功能及其在家畜中的应用研究——以Nrf2/Keap1系统为目标

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The Biofunctions of Phytochemicals and Their Applications in Farm Animals: The Nrf2/Keap1 System as a Target

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摘要

活性氧（ROS）对人类和其他动物健康的负面影响非常值得关注。ROS可能由机械伤害、热刺激、感染和化学刺激产生。核转录相关因子（Nrf2）及其伴侣蛋白Keap1组成的Nrf2/Keap1系统在抗氧化作用中扮演着重要角色。Nrf2/Keap1系统通过与抗氧化反应元件（ARE）相互作用，调控一系列解毒酶和抗氧化酶基因的表达来维持机体氧化还原的平衡状态。膳食植物化学物质在蔬菜、水果、谷物和草药中普遍存在，研究发现其有益健康，还可通过多种途径调节Nrf2介导的II相酶来提高家畜的生长性能和肉质。然而，关于植物化学物质作用效果的大量数据有些混乱，需要根据植物化学物质的功能和作用机制进行相应的分类。在本文中，我们首先介绍了植物化学物质的抗氧化性及其与Nrf2/Keap1系统的关系，并总结了植物化学物质通过靶向Nrf2/Keap1系统，对家畜生长性能、肉质和肠道菌群的影响。这些详尽的数据有助于阐述植物化学物质在家畜中潜在的生物功能特性。

Abstract

Reactive oxygen species (ROS) can be caused by mechanical, thermal, infectious, and chemical stimuli, and their negative effects on the health of humans and other animals are of considerable concern. The nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2/Kelch-like ECH-associated protein 1 (Nrf 2/Keap1) system plays a major role in maintaining the balance between the production and elimination of ROS via the regulation of a series of detoxifying and antioxidant enzyme gene expressions by means of the antioxidant response element (ARE). Dietary phytochemicals, which are generally found in vegetables, fruits, grains, and herbs, have been reported to have health benefits and to improve the growth performance and meat quality of farm animals through the regulation of Nrf 2-mediated phase II enzymes in a variety of ways. However, the enormous quantity of somewhat chaotic data that is available on the effects of phytochemicals needs to be properly classified according to the functions or mechanisms of phytochemicals. In this review, we first introduce the antioxidant properties of phytochemicals and their relation to the Nrf 2/Keap1 system. We then summarize the effects of phytochemicals on the growth performance, meat quality, and intestinal microbiota of farm animals via targeting the Nrf 2/Keap1 system. These exhaustive data contribute to better illuminate the underlying biofunctional properties of phytochemicals in farm animals.

关键词

植物化学物质 / 生物功能 / Nrf2/Keap1 系统 / 生长性能 / 肉质 / 肠道菌群

Key words

Phytochemical / Biofunction / Nrf2/Keap1 system / Growth performance / Meat quality / Intestinal microbiota

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覃思,侯德兴. 植物化学物质的生物功能及其在家畜中的应用研究——以Nrf2/Keap1系统为目标[J]. 工程（英文）, 2017, 3(5): 738-752 DOI:10.1016/J.ENG.2017.03.011

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1. 膳食植物化学物质调控 Nrf2/Keap1 系统的生物功能

1.1. 膳食植物化学物质

植物化学物质由植物通过初级或次级代谢产生，存在于各种水果、蔬菜、谷物和中草药中，并赋予植物颜色、味道、气味等感官特性[1]，它们可以帮助植物茁壮成长或抵御竞争者、捕食者和病原体的威胁。在过去20年里，人们已经发现了膳食植物化学物质的生物学功能与人类健康和疾病紧密相关[2,3]。根据其化学结构差异，已经有超过10 000种的膳食植物化学物质被分为类胡萝卜素、异硫氰酸酯类和多酚类物质。其中，研究最为详细的是多酚类物质，主要包括酚酸类、黄酮类和芪类化合物/木脂素。许多流行病学研究和实验室研究都证明了大多数多酚有利于预防几种慢性疾病，如糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病、癌症和其他炎性疾病[4]。

1.2. 植物化学物质对 Nrf2/Keap1 系统的调控

当植物化学物质被人类和其他动物摄入后，会被机体认为是外源物质，并刺激机体内一系列抗氧化酶和解毒酶（ADEs）基因的表达。大部分抗氧化酶和解毒酶基因的启动子中包含一段特定的保守核苷酸序列5′-TA/CANNA/GTGAC/TNNNGCA/G-3′，命名为抗氧化反应元件（ARE）/亲电反应元件（EpRE）[5]。研究已经证实，Nrf2对ARE/EpRE有强烈的激活作用，可增强一系列ADEs基因的表达[6]，如NAD（P）H醌脱氢酶1（NQO1）、谷胱甘肽还原酶（GSR）和溶质载体家族7成员11（SLC7A11）[7]。转录因子Nrf2在人体中由NFE2L2基因控制转录，它含有一个碱性的亮氨酸拉链（bZIP）蛋白，可诱导II相抗氧化酶和解毒酶基因的表达，以防止慢性炎症和受伤引起的氧化损伤[2]。Kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）作为Nrf2的关键抑制因子，可介导相应蛋白酶降解Nrf2，以保持细胞质内Nrf2的动态平衡[8]。

图1中对Nrf2-ARE活化的分子机制进行了总结。如图1所示，对Nrf2/Keap1系统的调控机制可分为偶联机制和解偶联机制。在正常情况下，Keap1具有E3泛素连接酶功能，可抑制Nrf2与Cullin 3-RING盒蛋白1（Cul3-Rbx1）系统连接，使Nrf2发生不断的泛素化和蛋白酶体降解。处于诱导状态时，亲电试剂、氧化剂或植物化学物质作用于Keap1结构或残基，使其发生半胱氨酸修饰、泛素化、磷酸化和琥珀酰化，导致Nrf2脱离Keap1偶联泛素化系统[9]。另外，压力诱因可刺激特定蛋白激酶[如丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）、蛋白激酶C（PKC）、PKR样内质网激酶（PERK）、糖原合成酶激酶3（GSK3）或Nrf2]发生磷酸化，从而调节一系列转录因子或某些核蛋白的活性，如正调节的Brahma相关基因1（BRG1）、乳腺癌激活因子1（AIB1）和Maf，以及负调节的p53、p65和cFos[6,8]。此外，植物化学物质还可以引起表观遗传修饰，如DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA调谐，从而影响NFE2L2或Keap1基因的mRNA转录。上述情况可引起Nrf2在细胞核内积累，并与小Maf或CREB结合蛋白（CBP）形成异二聚体，然后结合到ARE上，最终激活其下游的ADEs基因表达[6,10]。

图1. Keap1/Nrf2信号通路调控的分子机制示意图。（a）在正常/基础条件下，Nrf2被Keap1介导的Cul3-Rbx1泛素化系统抑制，用于蛋白酶体降解。在诱导状态/刺激下，Nrf2被Keap1解偶联或偶联Nrf2途径激活。（b）Keap1解偶联通路。蛋白激酶（PKC、PI3K、MAPKs、GSK3和PERK）可以磷酸化Nfr2，一些转录因子与ARE结合以正向或负向调节Nrf2 / ARE介导的基因的表达（正调控因子包括BRG1、AIB1和Maf，负调控因子包括p53、p65和cFos）。表观遗传修饰包括启动子的DNA甲基化，组蛋白修饰如乙酰化或甲基化，以及通过转录调控对microRNA的调谐。（c）Keap1偶联通路。最低限度地涉及了Keap1在半胱氨酸273、288和151位置的半胱氨酸修饰、泛素化、磷酸化和琥珀化。

1.3. 膳食植物化学物质调控 Nrf2 的潜在分子机制

大量的体外和体内研究表明，许多膳食植物化学物质具有强大的调控Nrf2/Keap1系统的能力[2–4]。然而，这些数据所揭示的分子机制分类并不清晰。在此，我们基于目前的研究现状，回顾了膳食植物化学物质调控Nrf2的分子机制，并划分为Keap1偶联机制和Keap1解偶联机制。

1.3.1. Keap1 偶联通路

人们已经提出几种模型来解释Keap1对Nrf2活性的抑制作用。大多数ARE诱导剂可以定位和修改Keap1的半胱氨酸位点，从而影响Nrf2-ARE信号通路。有趣的是，诱导剂类型不同，其靶向定位的Keap1半胱氨酸位点也不同[9,10]。通常必需的半胱氨酸残基位点为C288、C273和C151[11]。在Cul3-Rbx1-内含泛素化系统中发现Keap1可以作为E3连接酶底物适配物之后，“Keap1解离和Cul3-Rbx1泛素化”模型就用来解释主要的Nrf2调控机制[12]。此外，其他几个重要的模型，如“Keap1铰链和闩锁”“Keap1磷酸化”“Keap1泛素化”和“Keap1琥珀酸酯化”模型表明，由各种刺激引起的Keap1修饰构成了调控Nrf2/Keap1系统的主要机制[13–17]。

研究发现，大量的膳食植物化学物质可通过修饰Keap1中的半胱氨酸位点来调控Nrf2/Keap1系统。如表1所示[18–80]，莱菔硫烷、白藜芦醇、儿茶酚雌激素、槲皮素、鼠尾草酸、黄芩素、大豆抗毒素、冬凌草甲素、发卡二醇、白皮杉醇、黄腐酚和6-（甲基亚磺酰基）己基异硫氰酸酯已被报道均可激活Nrf2/Keap1系统。其中，槲皮素作用于“Keap1解离”模型[18]，黄芩素在“Keap1泛素化”模型起作用，值得注意的是，黄芩素也可作用于“Keap1铰链和闩锁”模型[26]。此外，莱菔硫烷在人体内作用于“Keap1铰链和闩锁”模型，而在动物体内则作用于“Keap1解离”模型[56–59]。这些数据表明，植物化学物质引起的Keap1的变化之所以不同，其研究使用的细胞模型是一个重要因素。

表1 植物化学物质调控Nrf2的分子机制

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CpG: 5′-C-phosphate-G-3′; DIM: 3,3′-diindolylmethane; DNMT: DNA methyltransferase; EGCG: epigallocatechin-3-gallate; ERK: extracellular signal-regulated kinase; GCLC: glutamate-cysteine ligase catalytic subunit; HDAC: histone deacetylase; HO-1: heme oxygenase 1; I3C: indole-3-carbinol; JNK: c-Jun N-terminal kinase; MEK: mitogen-activated protein kinase kinase; PEITC: phenethyl isothiocyanate; BW: body weight; NM: not mentioned in the reference.
a indicates that the compound has a dual role in the regulation of the Nrf 2-ARE pathway, including activation and inhibition.

1.3.2. Keap1 解偶联通路

除了Keap1，大量的其他因素也被证实在Nrf2/Keap1系统的调控中起着相当大的作用。如图1所示，这些因素主要分为表观遗传修饰、蛋白激酶磷酸化和转录因子的调节。

如表1所示，槲皮素[19]、莱菔硫烷/苯乙基异硫氰酸酯（PEITC）[58,60]、羟基酪醇[51]、白藜芦醇[39]、木犀草素[20]、原花青素B2[21]、橙皮苷[23]、齐墩果酸[44]、表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）[34]、表儿茶素[35]、异泽兰黄素[27]、卡马拉[32]、麦角甾苷[46]和雷公藤红素[47]均可以促进细胞外信号调节激酶（ERK）的磷酸化。槲皮素[19]、原花青素[37]、莱菔硫烷[57]、原花青素B2[21]、漆黄素[22]、咖马林[32]、鼠尾草酸[40]、雷公藤红素[47]、芝麻素/细辛脂素[53]、EGCG[33]和咖啡豆醇[49]可激活p38 MAPK。据报道，土木香内酯[45]、羟基酪醇[52]、PEITC[60]、山奈酚[36]、京尼平[64]和吲哚甲醇/3,3′-二吲哚甲烷[61,62]可诱导c-Jun氨基末端激酶（JNK）的活性。原花青素[37]、莱菔硫烷[58]、羟基酪醇[51]、白藜芦醇[39]、叶绿素[54]、京尼平[64]、异荭草素[28]、紫铆素[29]、没药甾酮[65]、土木香内酯[45]、植物雌激素葛根素[30]、黄连素[50]、麦角甾苷[46]、EGCG[34]和表儿茶酸[35]可刺激PI3K的活性。

许多研究已经发现，植物化学物质可通过调控其他转录因子和核蛋白，进而调控Nrf2/Keap1系统。例如，Jun二聚蛋白2（JDP2）被认为是与莱菔硫烷诱导Nrf2活化密切相关的物质，结果表明，JDP2可促进莱菔硫烷介导的Nrf2-ARE的活化[81]。另一项研究报道称，莱菔硫烷可通过NF-κB在转录水平抑制Nrf2信号通路，一方面NF-κB提高组蛋白脱乙酰化酶3（HDAC3）活性造成局部低乙酰化，另一方面NF-κB与Nrf2竞争结合CBP，抵抗Nrf2的反式激活从而抑制Nrf2信号通路[82]。

一些膳食植物化学物质如异硫氰酸盐、茶多酚、染料木素和姜黄素，被认为是有效的表观遗传改性剂[83]。莱菔硫烷、3,3′-二吲哚甲烷、姜黄素和Z-藁本内酯能够抑制DNA甲基转移酶（DNMT）和HDAC的表达，从而导致Nrf2启动子的甲基化并再激活TRAMP小鼠前列腺或TRAMP C1细胞中的Nrf2信号通路[59,62,84,85]。此外，芹菜素、莱菔硫烷和丹参酮IIA可作用于小鼠表皮细胞JB6 P+的Nrf2基因启动子区域，引起甲基化5′-C-磷酸盐-G-3′（CPG）位点去甲基化。这与Nrf2信号通路再激活、Nrf2靶基因的表达、TPA诱导的转型抑制以及DNMTs和HDACs蛋白表达的抑制作用相关[86–88]。这些研究结果表明，植物化学物质可以通过表观遗传来调节Nrf2的表达；然而，作为特定的Nrf2调节剂，它们在癌症及其他慢性疾病中的确切效果有待进一步研究阐明。

有趣的是，几个系列研究表明，在某些癌细胞系中，黄酮类化合物可作为Nrf2/Keap1系统的抑制剂，并在克服恶性肿瘤耐药性中起重要作用（表1）[66–80]。例如，研究发现在正常细胞和癌细胞中，木犀草素、芹菜素、白杨素、4-甲氧基查耳酮、五甲氧基黄酮和EGCG在Nrf2-ARE调控中发挥着不同的作用。在正常细胞中，它们作为Nrf2-ARE调控的激活剂，可预防慢性疾病。而在癌细胞中，它们作为Nrf2-ARE调控的抑制剂，可克服恶性肿瘤的耐药性。鉴于植物化学物质对正常和癌细胞中Nrf2/Keap1系统的双重作用，其有益健康方面引起了相当大的关注[89]。

2. 通过靶向 Nrf2/Keap1 系统，植物化学物质对家畜生长性能、肉质和肠道菌群的影响

为了减少饲料成本，家畜的植物化学物质来源通常是农业和工业副产物，如果皮、茎、种子、果渣、坚果、外壳和生产果汁、葡萄酒或啤酒的废弃物[90]。表2总结了植物化学物质对家畜生长性能、肉质和肠道菌群的影响[91–135]。

表2 植物化学物质对家畜生长性能、肉质和肠道菌群的影响

（续表）

2.1. 生长性能

几个系列研究报道了植物化学物质对猪、禽、牛等家畜生长性能的影响。

在对猪的研究中，发现白藜芦醇和含有较高浓度白藜芦醇的葡萄提取物，可降低脂肪沉积，改善葡萄糖代谢和心肌功能，预防动脉粥样硬化病变和冠心病的发展[91–93]。虽然富含多酚的葡萄籽和果渣的猪饲料对猪的生长性能有所改善，但对转录因子Nrf2的活性和ARE相关抗氧化基因或解毒酶的表达没有显著影响[94,95]。

研究发现，植物化学物质可显著提高肉鸡和产蛋鸡的生长性能。据报道，在饲料中添加来自葡萄籽的原花青素提取物，降低了肉鸡感染艾美球虫的死亡率，并提高了其体重增加量[96]。在饮食中添加百里酚（200 mg·kg–1 ）、没食子酸（5 g·kg–1 ）和单宁酸（5 g·kg–1 ），可提高肉鸡的饲料利用率和最终体重[97]。饲料中添加葡萄果渣浓缩物（60 g·kg–1 ）可提高饲料利用率[98]。肉鸡饮食中添加绿茶多酚，改善了用皮质酮处理的肝脏和肌肉中的饲料转化率，但是在没有皮质酮处理的情况下反而会使饲料转化率受损[99]。饮食中添加1%白藜芦醇，削弱了肉仔鸡的体重增加以及饲料转化率[100]。膳食中添加槲皮素（0.2~0.6 g·kg–1 ）可增加产蛋率，降低料蛋比[101]。据报道，膳食中添加茶多酚（5~15 mg·kg–1 ）可防止钒对蛋品质的不利影响[102]。

对奶牛的研究中发现，从石榴中提取的多酚降低了奶牛对蛋白质和脂肪的消化率，因为高单宁含量会抑制这些营养物质的吸收[103]。饲料中添加富含多酚的葡萄籽和果渣提取物可以提高奶牛的产奶性能[104]。研究表明，植物产品可减少奶牛脂肪肝的形成，并改善泌乳性能[105]。

尽管目前还没有充分的证据能够证明植物化学物质提高家畜生长性能与Nrf2/Keap1系统有直接关系，但是许多研究已经发现，含有植物化学物质的饲料可显著改善家畜的抗氧化和抗炎性能，而这可能与Nrf2/Keap1系统密切相关。

2.2. 肉质

研究人员在植物化学物质对肉质的影响方面进行了大量研究，其重点是抗氧化性能、抗炎性能和感官性能，如颜色、质地和风味[106–133]。

2.2.1. 抗氧化性能

研究人员广泛研究了植物化学物质在家畜、肉类和肉制品中的抗氧化性质，为理解植物化学物质的其他功能奠定了基础。

据报道，植物化学物质补充剂可减少血浆脂质过氧化物和降低丙二醛（MDA）水平，从而改善氧化还原状态，减少过氧化反应对猪的过度氧化应激。然而在非促氧化处理的情况下，植物化学物质却没有这种效果[94,106,107]。饮食中的植物植物化学物质可通过降低MDA和硫代巴比妥酸反应物（TBARS）的浓度以及诱导谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）的活性，来适当地改善肉鸡和产蛋鸡的抗氧化能力[96,98,102]。在奶牛中发现，尽管超氧化物歧化酶（SOD）的活性偶尔增加，但植物化学成分的添加对奶牛抗氧化状态的影响却很小[104,105]。

研究发现，脂质氧化是导致肉类和肉类产品质量下降的主要原因。在消化-吸收-代谢过程中，大量氧化物和氧化应激在机体或组织中出现并累积，不利于限定保质期，并对肉或肉制品的质量（如质地、颜色、风味、营养价值和食品安全）造成不良影响[136]。合成抗氧化剂的毒副作用和消费者对天然产物的兴趣，加速了天然植物化学物质在添加剂替代物领域的发展[137]。例如，将植物化学物质如葡萄皮、绿茶、迷迭香和咖啡的提取物添加到猪肉馅饼中，当添加剂量为50~200 ppm时，可以减少脂质氧化，还可以降低TBARS和己醛的值[108]。在生的或熟的山羊肉馅饼中，添加红牡丹、白牡丹、牡丹、地黄、苏木和当归的提取物，剂量为0.5%~2.0%时可以减少脂质氧化[109]。在生牛肉饼、碎牛肉和水牛肉馅饼中，添加橄榄叶、枣核和迷迭香叶提取物可降低TBARS值，并减少脂质氧化和氧合肌红蛋白氧化[110–112]。在猪肉和牛肉香肠中，添加红豆提取物和葡萄籽提取物均可减少脂质氧化并降低TBARS值[113,114]。文献[130]对绿茶提取物、迷迭香提取物和葡萄籽提取物的抗氧化性能进行了研究，并对这些提取物在肉和肉制品中的应用进行了综述。

2.2.2. 抗炎性能

研究发现，含有葡萄籽、果渣和啤酒花提取物的日粮可抑制生长猪小肠中各种促炎因子基因的表达[95]。猪饲料中的可可粉也降低了Toll样受体和肿瘤坏死因子（TNF）-α的基因表达[117]。

通过对肉鸡肠道内一系列促炎细胞因子表达的研究，探讨了茶多酚对家禽的抗炎作用。结果表明，每千克肉鸡体重茶多酚添加量为0.03~0.09 g时，可下调TNF-α、白细胞介素（IL）-4、IL-10、IL-1β和干扰素（IFN）-γ等基因的表达[118]。

用石榴多酚提取物（5~10 g·d−1 ）喂牛，既增加了其外周血单核细胞中IL-4和IFN-γ的分泌量，又提高了其接种卵清蛋白疫苗后产生的免疫球蛋白G（IgG）的总量[119]。奶牛饲料中添加葡萄籽和果渣提取物，可显著下调内质网应激标记物——成纤维细胞生长因子（FGF）-21的表达，同时可减少肝脏中脂肪的堆积[104]。

2.2.3. 感官性能

感官性能通常用于评估肉类或肉制品的颜色、风味和口感。已经发现植物化学物质显著影响肉品质的感官性能。

例如，0.5%~2.0%的白牡丹提取物可增加生肉和熟肉馅饼的红度（a* 值）[109]。300~500 ppm的迷迭香提取物可维持生的冷冻香肠的红色[120]。300 mg·kg−1 的绿茶提取物可降低生肉饼的a * 值，并可消除熟肉饼中酸败的风味[121,122]。0.01%~0.02%的葡萄籽提取物可减少牛肉的视觉绿色变色[123]。10%番石榴提取物可预防牛肉馅饼变色[124]。100 g肉品中添加2.7~10.8 mg的红葱提取物可增加熟猪肉的a* 值[125]。在熏制或未熏制的猪肉香肠中，添加0.2%的红豆提取物可增加a* 值，但会降低亮度（L* 值）和黄度（b* 值）[126]。在生的和熟的山羊肉中添加500~6000 ppm的绿茶提取物可增加肉品a* 值，而添加葡萄籽提取物却降低肉品a* 值，同时辣椒提取物有助于保持熟猪肉的a * 值[127,128]。500 g生猪肉糜中添加5 mL的咖喱叶提取物可降低其L * 值和a* 值，同时增加b* 值[129]。在生的和熟的水牛肉饼中添加130 ppm的迷迭香叶提取物可维持肉色的稳定[130]。

此外，李子制品对许多肉类和家禽产品的风味影响较小，但会引起其颜色变化，而葡萄籽提取物则会导致肉类产品颜色发生显著变化[137]。

2.3. 肠道菌群

近年来，关注植物化学物质对体内肠道菌群影响的研究显著增加。这是因为肠道菌群被认为是膳食植物化学物质的首要作用目标，并表现出许多与健康有关的关系。因此，许多植物化学物质促进健康的作用可能归因于它们对肠道菌群的调节[138]。例如，只有5%~10%的多酚在小肠中被吸收，其余90%~95%多酚进入结肠，并借助于结肠菌群的酶促作用转化为一系列多酚代谢物[90]。在肝脏和肠细胞中多酚代谢物再次结合，一部分被再次吸收到系统循环中，一部分用作抗菌底物或生长促进底物。另外，多酚或其代谢物有益于结肠菌群的组成和密度，如以益生元的方式促进有益菌的生长并抑制某些病原菌的生长[139,140]。

专门研究多酚对家畜肠道菌群影响的课题开展得还很有限。已发现饲料中添加可可粉可增加猪肠道中几种菌株的丰度，如乳杆菌属、双歧杆菌属、拟杆菌属-普雷沃氏菌属和柔嫩梭菌群-普拉梭菌[117,134]。一些研究表明，多酚可能在肉鸡的肠道中表现出良好的效果。饲料中添加葡萄渣浓缩物可增加肉鸡肠道中肠球菌的丰度，而降低梭菌属的丰度，从而有益于肠道菌群总量[98]。据报道，用槲皮素饲喂产蛋鸡，可减少肠道需氧菌和大肠杆菌总数，并增加双歧杆菌的数量，从而改善盲肠微生物群落状态[101]。在猪的肠道中，茶多酚可增加乳杆菌的数量，并减少总细菌、拟杆菌科和产气荚膜梭菌的数量。然而，茶多酚却降低了犊牛肠道中双歧杆菌、乳杆菌属和产气荚膜梭菌的数量[102,135]。

近期的一篇综述总结了多酚在大鼠和人类模型中对肠道菌群的影响，并且发现多酚或富含多酚的外源物可减少潜在病原菌（如产气荚膜梭菌、溶组织梭菌和G –拟杆菌属的某些菌株）的丰度和增加某些益生菌（如梭菌、双歧杆菌和乳酸菌）的丰度，从而影响不同细菌种群的相对丰度[108]。

基于以上植物化学物质对肠道微生物菌株的影响的系列研究，植物化学物质的抗氧化和抗炎性能可能与肠道健康的改善有关[141,142]。

2.4. 植物化学物质对家畜的不利影响

虽然植物化学物质的生物功能特性对家畜而言是强大的、有应用价值的，但在某些研究中也发现了植物化学物质对机体的不利影响。例如，过多的摄入多酚物质会抑制营养物质的吸收[143,144]并引起毒副作用。此外，研究发现高剂量的槲皮素与大鼠的慢性肾病有关，并降低了小鼠的预期寿命[145]。据报道，过量的施用绿茶多酚可破坏小鼠的肾脏[146]，并促进雄性大鼠结肠肿瘤的形成[147]。过量摄取咖啡酸会引起小鼠和大鼠的肾脏和胃肠道肿瘤[148]。虽然这些数据是从实验动物获得的，但也表明在家畜中应该避免给予高剂量的植物化学物质。

虽然植物化学物质的抗炎、抗氧化和细胞保护性能在家畜中的研究较少，但是在人体和实验动物模型已经进行了大量的类似研究。因此，植物化学物质在动物体内的生物功能也被认为是通过调节Nrf2/Keap1系统（作为抗氧化应激和抗慢性炎症的中枢调节系统）
而实现的[90]。

3. 展望

一系列研究已经证实，Nrf2/Keap1系统可以通过抑制糖异生作用来调节一般能量代谢系统[149]；可以调节参与甘油三酯/磷脂降解的脂肪酶的活性[150]，同时还调节脂肪酸氧化、脂质生物合成、脂肪酸去饱和及脂肪酸转运酶的活性[150]；可以影响氧化还原代谢系统，如AMP激活蛋白激酶通路[151]；并可以调整线粒体代谢过程，如葡萄糖氧化和底物进入、ATP的生成[152,153]。EGCG已被证明会影响大鼠和人类的一般能量代谢系统[154]。然而，植物化学物质作用于家畜的试验数据并不充分，而且其深层次分子机制仍不清楚。因此，需要进一步的研究来阐明植物化学物质对家畜能量代谢系统的影响。

尽管在人体和实验动物的研究中积累了大量关于植物化学物质生物功能的数据，但大部分数据都集中在植物化学物质对慢性疾病（如癌症、心血管疾病和代谢综合征）的化学预防作用方面。因此，分子数据还需要深入研究，以阐明膳食植物化学物质是如何通过调节信号通路和基因表达来维持体内平衡的。另外，植物化学物质的作用机制数据主要来自于人体和实验动物，来自家畜的研究数据较少，而且以家畜为对象研究植物化学物质生物功能的数据也很少，但植物化学物质可改善家畜生长性能和肉质以及植物化学物质可用作抗生素替代物已经引起了人们的极大关注。比较家畜营养和人类营养中植物化学物质作用机制的差异似乎很难，但在与Nrf2/Keap1系统相关的研究中发现，植物化学物质在家畜体内的抗氧化特性和作用机制与人体类似研究的结果几乎一致。因此，可以将植物化学物质在人体和实验动物中的研究数据利用起来，并将其应用于家畜。

植物化学物质对人类和其他动物健康具有多重生物功能。由于Nrf2/Keap1系统与抗氧化功能、抗炎功能以及许多其他功能相关，因此植物化学物质对Nrf2/Keap1系统的调节可能在其多重生物功能中起核心作用。大多数植物化学物质在小肠中的吸收比相对较低，所以人们将研究领域从直接抗氧化剂特性转移到侧重于间接促氧化特性、生物转化、信号转导和基因表达调控。虽然植物化学物质影响家畜肠道菌群的研究还很有限，不足以表明其能显著改善生长性能、抗氧化参数和炎症因子，但这些发现为揭示膳食植物化学物质促进健康的进一步研究奠定了基础。

致谢

本项工作得到了湖南农业大学核心研究计划“1515”、国家自然科学基金（31101268）和鹿儿岛大学学者研究（De-Xing Hou）项目的支持。

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Si Qin and De-Xing Hou declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

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