文章来源：上海美农

随着现代畜牧业的发展，动物生产的集约化程度越来越高，动物容易受到各种不良因素（早期断奶、环境中的微生物、消化不良等）的刺激，产生氧化应激。氧化应激与动物多种疾病的发生和发展有关，其中对消化道的氧化损伤在动物生产中发生率最高，并最终引起炎症反应，发生腹泻等肠道疾病，出现生长受阻甚至死亡，严重影响养殖经济效益。因此，在动物生产过程中，需要应用外源性抗氧化剂进行体内抗氧化，减轻氧化应激的危害，提高动物健康水平和生产性能。

植物精油作为绿色安全型饲料添加剂的代表，国内外对其抗氧化活性开展了大量研究。不同植物精油在体外和体内的抗氧化效果，及其在分子、细胞层面的作用机理方面的研究都取得了一定成果。本文综述了自由基与氧化应激、植物精油的组分及生物活性，并重点对植物精油的抗氧化作用机理进行阐述，为植物精油在养殖生产中的应用提供理论参考。

1 氧化应激

1.1 氧化应激概述

应激（Stress）一词最早是由加拿大生理学家Selye于1936年提出，是指有机体对外界及内部各种异常刺激所产生的非特异性应答反应的总和。应激作为一种威胁体内平衡的状态，可由心理刺激、生理刺激或环境剌激所引发，引起应激反应的因素称为应激原。

氧化应激（Oxidative stress）是应激的一种重要形式，是指在一些特定的条件下细胞内外自由基及相关物质大量产生，机体的抗氧化系统不能及时清除这些自由基，造成自由基堆积，导致体内的氧化和还原系统动态平衡失调，造成氧化损伤。

氧化应激状态下，构成细胞膜的多不饱和脂肪酸被氧化，导致细胞膜结构和功能完整性受损，蛋白质和核酸氧化损伤，引起细胞毒性和遗传毒性作用，酶活性发生改变，使组织的功能无法正常实现，机体免疫能力下降，诱发各种疾病的发生。在养殖生产中，氧化应激会导致动物采食量下降，生长速度降低，料重比升高，并伴随代谢性疾病的产生。

1.2 自由基

自由基（free radical, FR）是指含有一个或多个未成对电子的原子或基团。由于含有孤对电子，导致自由基不稳定，生命周期短并有很强的反应性。通常自由基会通过与最近的分子发生反应，获得电子而变成稳定结构，而受到攻击的分子会失去电子而成为自由基，继续与周围的分子发生反应，出现链式反应而破坏细胞结构。在动物生理病理过程中，密切相关的自由基包括活性氧族(reactive oxygen species, ROS)和活性氮族（reactive nitrogen species, RNS），分别包括的自由基见表1。

表1  自由基的种类

正常生理状况下，动物机体的自由基在不断地产生，也不断地被清除，始终保持在相对稳定的浓度范围之内。生理浓度的自由基一部分可履行其生理功能，如参与细胞的增殖、分化、迁移并促进和维护细胞、组织和机体的新陈代谢等，另一部分则会损伤生物分子，但是损伤分子可以得到修复、置换、降解代谢和重新合成，不会对机体造成损伤，这些都依赖于机体内存在的抗氧化防御系统。

1.3 机体的抗氧化系统

机体存在着酶类和非酶类两大抗氧化防御系统来抵御自由基的损伤。酶类抗氧化系统主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽还原酶（GR）等，它们可使细胞内已经存在的活性氧自由基被还原成低活性的物质并将之进行清除；非酶类抗氧化系统包括谷胱甘肽、VE、VC、β-类胡萝卜素和黄酮类物质等，它们主要通过阻断脂肪氧化的反应链来协同完成抗氧化作用。此外，也有研究将一些消除或修复酶类作为机体的一层抗氧化防御体系，参与修复受到氧化损伤的生物大分子（Liu H等，2016）。这些抗氧化物质分布在细胞的细胞质和各细胞器区室内，并存在于血管中，而发挥抗氧化作用。但当机体受到各种有害刺激时，自由基大量产生，超出了抗氧化系统的清除能力，就会导致机体处于氧化应激状态，造成氧化损伤。

1.4 氧化应激的作用机制

1.4.1 氧化应激对DNA的作用

DNA对氧自由基（ROS）的攻击特别敏感，8-氧代鸟嘌呤（8-OH-G）的生成通常作为DNA受到氧化损伤的标志，也作为癌症的潜在标志物。自由基对DNA的损伤作用主要有：

1、导致DNA结构改变，如碱基对突变、重排、缺失、插入和延长等，ROS甚至能引起染色体数量改变。这些受到氧化损伤的DNA片段与癌症、衰老、神经退行性疾病、心血管疾病和自身免疫疾病等有关。

2、影响与应激有关蛋白和基因的活性，并对参与细胞增殖、分化和凋亡的基因产生影响。

3、RNS，如NO^-₂, ONOO^-, N₂O₃ 和 HNO₂可以作为诱变体，对DNA碱基产生硝化、亚硝化和脱氨基作用。

4、H₂O₂或其它氧化剂会抑制DNA的修复，加剧DNA损伤，增加患病的风险。

1.4.2 氧化应激对脂质的作用

细胞膜特别容易受到ROS的损伤，通常认为脂质过氧化是细胞过氧化损伤的主要标志。脂质过氧化产物，如异前列腺素和硫代巴比妥酸反应物已作为氧化应激的间接标志物。自由基对脂质的作用主要有：

1、ROS可诱发脂质过氧化并破环细胞膜磷脂双分子层结构的排列，这会阻止膜结合受体和酶的活动，增加组织的渗透性。

2、脂质过氧化的产物，如丙二醛和一些不饱和醛类，能够通过形成蛋白交联的方式使很多细胞蛋白失活；4-羟基壬烯酸能消耗细胞内的谷胱甘肽、并引起过氧化物的产生，激活表皮生长因子受体，诱导纤连蛋白的产生。脂质过氧化过程如图2所示。

图2  脂质过氧化过程

Figure 2  Process of lipid peroxidation

1.4.3 氧化应激对蛋白质的作用

蛋白质是ROS的主要细胞靶点，氨基酸残基的侧链特别容易受到ROS或RNS的攻击，受到攻击后产生的氧化损伤主要包括：

1、ROS会引起肽链组氨酸残基缺失、引入羰基或肽链断裂。半胱氨酸和蛋氨酸残基对氧化特别敏感，更容易被氧化。巯基或蛋白质的蛋氨酸残基被氧化会引起蛋白质构象发生变化，导致去折叠或蛋白质降解。

2、ROS会改变蛋白质电荷，使蛋白质之间或内部发生交联，导致蛋白质破碎、交联或聚合。

3、自由基的氧化损伤，会导致一些重要蛋白质的功能受到破坏，如DNA修复酶，会增加发生突变的几率。有研究证实氧化损伤能够抑制活性中心有金属或者活性中心附近有金属的酶，特别是对金属催化氧化比较敏感的酶的活性（Choudhari等，2014；Birben等，2012）

生物体除了利用自身产生的酶类和非酶类抗氧化物质来应对氧化损伤之外，还可以通过摄入外源性抗氧化剂来发挥抗氧化作用。常见的外源性抗氧化剂有抗氧化维生素（VA、VE和类胡萝卜素等）、某些微量元素（硒、铜、锌、锰等）、中草药（人参、黄芪、五味子等）、植物精油和某些微生物等。植物精油是对植物精华成分的萃取，有些浓度可以达到90%以上，它们含有丰富的花青素、原花青素、黄酮类和酚类等，比普通抗氧化剂有更显著的抗氧化功效。

2 植物精油

2.1 植物精油的概念

植物精油（essential oil），即植物性天然香料，亦被称为芳香油或者挥发油，是存在于植物的花、叶、茎、根和果实中的一类重要的次生代谢物质，由分子量较小的简单化合物组成，常温下多为油状液体，具有一定的挥发性。它们通常是植物芳香的精华，一般是由几十至几百种化合物组成的复杂混合物。

2.2 植物精油的主要成分

植物精油的化学组成比较复杂，主要可以分为四大类：（1）萜烯类化合物是精油的主要成分，是含量最多的芳香族化合物，如沉香醇、香叶醇、冰片等；（2）芳香族化合物是精油中仅次于萜烯类的第二大类化合物，如百里香酚、香芹酚、桂皮醛等；（3）脂肪族化合物是精油中分子量较小的化合物，几乎存在于所有的精油中，但其含量一般较少，如异戊醛等；（4）含氮、含硫化合物，如具有辛辣刺激香味的大蒜素，洋葱中的三硫化物，黑芥子中的异硫氰酸酯等。大部分植物精油的化学组成中酚类萜烯，单萜烯和倍半帖稀所占的比例在70%以上，有的甚至超过85%。

3 植物精油的抗氧化作用机制

植物精油具有直接或间接的抗氧化活性。直接抗氧化作用是指抗氧化剂的某些活性成分能抑制或阻断自由基链式反应，可以通过防止链式反应的启动和阻断链式反应的传播两种方式实现，作用机制如图3所示。在启动阶段，抗氧化剂可以阻止起始自由基的生成，如过氧化氢酶和金属螯合剂等。在传播阶段，抗氧化剂可以比氧化基质更快地与过氧自由基发生反应生成相对稳定的物质，而减缓或阻断链式反应。间接抗氧化作用是指抗氧化剂虽然不直接参与抗氧化过程，但可以通过保护氧化基质或提高机体的抗氧化防御能力发挥抗氧化作用。植物精油发挥抗氧化活性主要是依靠其含量丰富的酚类成分，作用途径主要包括清除自由基、与金属离子螯合、抑制细胞膜脂质过氧化和调节抗氧化酶。

图3  抗氧化剂阻断自由基链式反应示

3.1 直接抗氧化作用

3.1.1 清除自由基

植物精油中的酚类成分与过氧自由基有较高的反应活性，将活泼氢原子传递给自由基，使自由基变成活性较低的物质并将其清除。

R– + POH → RH + PO–

中间产物苯氧自由基（PO–）由于苯环的共轭效应，相对稳定，不易产生下一步反应。此外，PO–可以迅速与下一个自由基产生反应，将其淬灭。

PO– + R––→ POR

3.1.2 与金属离子螯合

过渡金属Fe、Cu等是许多自由基产生过程的催化剂，植物精油中的某些酚类物质含有两个酚羟基，可以与这些过渡金属结合，防止金属诱导的自由基的产生。

某些活泼的金属离子（如Fe²⁺、Cu⁺等）具有较强的氧化还原能力，可以与H₂O₂发生Fenton反应，生成羟自由基（–OH），它是反应性最强的氧自由基，可以启动与几乎所有生物大分子的自由基链式反应：

植物精油中的多酚类物质可以与金属离子螯合，生成相对稳定的配合物，从而抑制金属诱导的自由基的生成：

3.2 间接抗氧化作用

3.2.1 抑制脂质过氧化

植物精油中的酚类物质的抗氧化活性主要与其氧化还原特性和化学结构有关，酚羟基可以作为脂肪氧化过程中过氧自由基的供氢体，阻止过氧化羟基的生成，阻断脂质过氧化链式反应，从而保护脂质类基质不被过氧化。

3.2.2 调节抗氧化酶水平

目前的研究认为，一些植物精油的抗氧化活性物质能够与细胞表面受体结合，通过信号转导，提高抗氧化酶的分泌，增强机体抗氧化防御能力。准确的调节机制目前还不能确定，但可以推测，精油的萜烯成分可以通过化学反应修饰Keap1的巯基。Keap1是存在于细胞质中的一种多区域阻遏蛋白，是细胞氧化还原反应主控调节因子Nrf2的抑制剂。正常生理情况下，Keap1通过含有E3的Cul3泛素连接酶与Nf2结合在一起，以非活性状态存在于细胞质中，在泛素蛋白酶体途径的作用下迅速降解，以保持Nf2在生理状态下的低转录活性。Keap1被修饰后，降低了Nrf2的泛素化，Nrf2与Keap1解偶联，活化的Nrf2转运进入细胞核，与Maf蛋白结合成异质二聚体后与抗氧化反应原件（Antioxidant response element, ARE）结合，激活靶基因表达，调控抗氧化酶的转录活性，提高抗氧化酶和异型生物质酶的表达水平，如醌氧化还原酶-1（NAD(P)H：quinone oxidoreductase-1，NQO1）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GPx),、谷胱甘肽（glutathione reductase, GR),和硫氧还蛋白还原（thioredoxine reductase, THR)等，从而发挥抗氧化损伤作用。作用过程如图4所示。

 图4 植物精油调节抗氧化酶作用机制

Figure 4  Mechanism of regulation antioxidant enzymes of plant essential oil

此外，一些富含萜类或苯丙烷成分的精油也可以通过Keap1-Nrf2/ARE 信号通路，参与调节一些与细胞氧化还原平衡相关的Ⅰ相或Ⅱ相代谢酶的活性。如香菜精油能调节小鼠细胞的谷胱甘肽S转移酶（glutathione S-transferase , GST)和细胞色素P450A1（modulate cytochrome P4501A1）的活性；蟛蜞菊和薰衣草精油能提高小鼠细胞过氧化氢酶（catalase, CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathion peroxidase, GPx）和谷胱甘肽的水平，红球姜精油在人的内皮细胞中也表现出类似的活性。

结语

植物精油的抗氧化活性研究已经取得了一定成果，如可以根据不同植物精油的活性成分、作用机制，结合动物生物学特点，利用一定的技术手段进行组合，有效发挥植物精油的抗氧化活性，就可应用于养殖生产中，减少动物的氧化应激，提高经济效益。

文章来源：上海美农