饲料中的天然色素类物质的作用

陌生王子

饲料中存在的天然色素主要来自于所使用原料含有的色素，分为动物源性和植物源性色素两大类，植物源性色素主要是指叶绿体色素，包括叶绿素（chlorophyll）、类胡萝卜素（carotenoid）、藻胆素（phycobillin）三类，高等植物中存在前两类，它们都包埋在类囊体膜中，并以非共价键与蛋白质结合在一起，形成色素蛋白复合体（pigment protein complex）。藻胆素只存在于藻类中。

动物源性色素有血红素、虾黄素、茜草色素，血红素主要存在于动物血液中，虾黄素（astaxanthin）主要存在于虾、蟹、牡蛎、昆虫等动物体内，与蛋白质结合时呈蓝色（虾青素，5，8环氧β-胡萝卜素），煮熟后因蛋白变性，被氧化成虾红素（即4,4’，3,3’－四酮-β-胡萝卜素），茜草色素主要存在于蕈类和鳟鱼中。

最初人们只认识到饲料中的天然色素能改善饲料及畜产品的感观性状，随着研究的不断深入，逐渐发现其作用不仅限于此，天然色素可以清除体内自由基,具有抗氧化剂的营养功能，是体内的免疫调节剂，促使免疫细胞成熟，参与免疫应答反应，影响子代的生长发育过程，参与细胞遗传及细胞间的通讯联系，影响基因表达以及防止基因突变（Burri 2000;Surai 2002）等重要功能。

在植物性饲料中还存在一些天然色素，如棉酚(gossypol)、单宁(tannin)等，在动物营养学上把它们归为抗营养因子，但是其抗营养作用也只是相对的，其特殊的营养功能近年来也被不断的发现。

1天然色素的结构特点

天然色素，在结构组成上包括发色基团和助色基团两部分，所谓发色基团，是指凡有机分子在紫外光及可见光区域内（200～700nm）有吸收峰的基团。属发色基团的有＝C＝C＝、＝C＝O、－CHO、－COOH、－N＝N－、－N＝O、－NO2、＝C＝S等。值得提出的是，当分子中只含有1个发色基团时，物质并不呈色（因吸收光波长仅在200～400nm之间）。只有当2个或2个以上生色基团共轭，其吸收光波段移至可见光区域内时，物质才会呈色。所谓助色基团，是指本身吸收波段在紫外区，若将其接到共轭体系或发色基团上，则可使共轭键或发色基团的光吸收波段移向长波方向的基团。这种基团包括：－OH、－OR、－NH2、－SH、－Br和－Cl等。下面是共轭多烯化合物的吸收光波长、共轭双键与着色关系表(表1)。



表1 共轭多烯化合物的吸收光波、共轭双键与成色的关系
体系 化合物 波长（nm） 颜色 双键数
－C—C— 乙烷 135 无色 0
H2C=CH2 乙烯 185 无色 1
H2C=CH－CH=CH2 丁二烯-（1，3） 217 无色 2
(－CH=CH－)3 己三烯 258 无色 3
(－CH=CH－)4 二甲基四烯 296 淡黄色 4
(－CH=CH－)5 维生素A 335 淡黄色 5
(－CH=CH－)8 二氢β-胡萝卜素 415 橙色 8
(－CH=CH－)11 番茄红素 470 红色 11
(－CH=CH－)15 去氢番茄红素 504 紫色 15


从上表可见，随着共轭双键数目的增加，吸收光带向波长增加方向移动，物质由无色变成有色，且颜色逐渐加深。

由此可见有机物质只有其发色基团吸收波长达到可见光范围才能呈现出可观察到的颜色，含有一定的助色集团会使色泽加深。然而，饲料中天然色素所呈现的外观颜色并不等同于其在动物体内的沉积能力，换言之，在饲料中添加的天然色素并不一定能以色素的形式沉积到动物组织器官或畜产品中。天然色素能否在动物体内和畜产品中沉积并呈色主要取决于其分子结构，而沉积的程度又受到日粮组成、脂肪含量、畜禽品种、饲喂时间、畜禽健康状况等诸多因素的影响。

2饲料中天然色素及其作用

从化学结构的不同可以把饲料中与营养有关的天然色素分为以下三种。

2.1吡咯衍生物

此衍生物属于4个吡咯环的α-碳原子通过次甲基相连而成的一类复杂共轭体系，通常称卟吩，中间有金属原子以共价键或配位键与之相结合。

叶绿素(chlorophyll)：

高等植物中的叶绿素包括叶绿素a、b两种。不溶于水，溶于乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等有机溶剂，叶绿素a呈蓝绿色，b呈黄绿色。叶绿素是叶绿酸的脂，能发生皂化反应。叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇酯化，另一个被叶醇酯化。叶绿素a、b分子结构如下图

叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个植醇(phytol)的“尾巴”。镁原子处于卟啉环的中央，植醇是由4个异戊二烯单位组成的双萜，是一个亲脂的脂肪链，它决定了叶绿素的脂溶性。卟啉环中的镁原子可被H+、Cu2+置换，以酸处理植物叶片，H+进入叶绿体置换镁原子形成去镁叶绿素，叶片呈褐色。去镁叶绿素易与Cu2+结合形成铜代叶绿素，绿色更稳定。由此可以看出叶绿素分子呈现颜色与其分子卟啉环结构中原子有关。

血红素：

是由1个铁原子与卟啉环构成的铁卟啉吩化合物，生物体内与蛋白质结合共存。血粉中由于该铁已变成三价，消化道难以吸收，故生产中不宜用血粉供铁源。

2.2异戊二烯衍生物——类胡萝卜素

类胡萝卜素（carotenoids）是一类由8个异戊二烯单位组成的，含有40个碳原子的化合物，不溶于水而溶于有机溶剂。类胡萝卜素家族包含600多种由植物、藻类、真菌等产生的具有生物活性的色素，在动物体内参与某些生理过程，具有抗氧化性和信号传导功能，它们在动物体内不能合成，必须由外界采食获得（Clotilde Biard 2005）。类胡萝卜素的生化结构使得它们成为动物体内活性氧的有效淬灭剂，它们构成体内抗氧化系统的一部分，可有效保护DNA、蛋白质和生物膜免受氧化损坏（MФller et al. 2000）。类胡萝卜素在动物体内生理代谢过程中不仅具有抗氧化的功能，而且在体内对具抗氧化功能维生素E、A等有保护和循环再利用的功效（Surai and Speake 1998）。类胡萝卜素在体内能够调节抗氧化酶活性（Surai et al.2001a），也直接参与机体免疫系统的激活和体内氧化反应副产物的清除（Chew 1993; MФller et al. 2000）。
根据化学结构不同分为胡萝卜素类（carotene）和叶黄素类（xanthophylls）二大类。

2.2.1胡萝卜素类

是一大类物质的总称，颜色橙黄色，有的在动物体内能转化成VA，有的不能转化，都具有抗氧化、清除体内自由基功能，组成上只有碳氢两种元素，结构上称为碳氢非极性类胡萝卜素，这种结构的特点也会影响其在动物体内消化吸收等生物学功能。在饲料业中应用能改善饲料外观性状但不能在动物组织器官和畜禽产品中沉积，因此生产中不作为改善畜产品色泽度的添加剂使用。

具有维生素A前体功能的非色素类胡萝卜素：

此类胡萝卜素是一类不饱和的碳氢化合物C40H55,化学结构为共轭多烯烃（如图），有α－胡萝卜素、β－胡萝卜素、γ－胡萝卜素三种同分异构体，广泛存在于动物、植物、微生物体内，均具有VA前体功能，在动物体内水解后转变为VA，其中β－胡萝卜素在植物体内含量最多，生物学功能最重要。在胡萝卜、苜蓿、各种水果、蔬菜中含量丰富。此类胡萝卜素分子结构中只有碳、氢元素，在动物体内被转化成VA，具有维生素营养作用，分布在动物体内各组织器官后不具有着色功能，但具有清除体内自由基、增强免疫机能等功效，在饲料生产中使用能改善饲料外观性状和内在质量，但不能作为改善畜产品（肉、蛋）颜色性状的着色剂使用，因此称为非色素类胡萝卜素。

无VA前体功能的非色素类胡萝卜素：

此类胡萝卜素最典型的是番茄红素（lycopene），分子式C40H56，分子结构上有11个共轭双键和2个非共轭双键组成的直链型碳氢化合物（为脂肪烃），分子式为C40H56，相对分子质量为536.85，纯品为针状深红色晶体。番茄红素的熔点为175℃，不溶于水，难溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、二硫化碳、苯、油脂等有机溶剂。不具维生素A前体功能，但具有强抗氧化消除自由基功能，番茄、西瓜等水果中含量丰富。此类胡萝卜素在动物体内不能转化成VA，在动物组织器官中也不具备色素沉积的功能。因此在饲料中应用可作为清除体内自由基的抗氧化剂以及改善饲料外观的添加剂，但不能作为改善畜产品色度的色素添加剂。

2.2.2叶黄素类（xanthophylls）

叶黄素类是胡萝卜素的衍生物，结构上属共轭多烯烃含氧衍生物，并可以醇、醛、酮、酸形式存在，又被称为含氧类胡萝卜素（0xy-carotenoids）。叶黄素分子有一条含40个碳原子长链，其中有多个共轭双键，正是这些共轭双键使叶黄素具有鲜明颜色和清除自由基能力。在分子结构上属极性含氧类胡萝卜素，溶于乙醇不溶于乙醚。在类胡萝卜素的化合物中只有带含氧功能集团（如羟、酮、酰基等）的叶黄素具有在家禽皮肤、脚胫和蛋黄中着色的效能（Marusich 1981），因此此类化合物除了清除体内自由基的功能，还能作为色素沉积到畜禽体内和畜产品中而改善畜产品外观颜色，在生产中可以作为天然色素添加剂。此类色素是蛋黄沉积的主要色素，但它们是不具VA活性前体的羟基类胡萝卜素。与动物营养相关的几种叶黄素类色素如下：
玉米黄质（素）（zeaxanthin）：分子式C40H56O，化学名称3，3’-二羟基-β－胡萝卜素，主要存在于黄玉米中，是饲料中重要的黄色素来源。

  隐黄质（cryptozanthin）：分子式C40H56O，化学名称3-羟基-β－胡萝卜素，主要存在于黄玉米、苜蓿、南瓜、辣椒中。

  叶黄素（lutein）：分子式C40H56O2，化学名称3，3’-二羟基-α－胡萝卜素，又叫黄体素，主要存在于苜蓿、万寿菊(金盏花)、甘蓝、菠菜等植物中。

玉米黄质与叶黄素化学结构极为相似，在分析中很难将它们区分开来，因此很多研究总是将它们作为一类物质报道，它们具有相同双键数，然而其中一个双键位置不同，在叶黄素中这个双键形成烯丙基羟基末端，使其化学活性更强，而玉米黄素中相应双键则与相邻直链双键形成共轭体系。

  辣椒红素（capsathin）：分子式C40H56O3，主要存在红辣椒中。

2.2.3胡萝卜素类与叶黄素类的理化性质特点

胡萝卜素类与叶黄素类分子结构相似，叶黄素类是胡萝卜素的衍生物，在分子结构上叶黄素比胡萝卜素多含氧元素，胡萝卜素类是碳氢非极性分子，叶黄素类属于含氧类极性分子，化学结构的不同决定了两类物质在物理化学性质和生物学功能上的差异。在外观颜色上两者都具有鲜亮的颜色，胡萝卜素呈橙黄色，叶黄素类呈黄色。两者都具有清除体内自由基的抗氧化剂功能，胡萝卜素类不能沉积到动物组织器官和畜产品使之着色，叶黄素被动物采食消化吸收后，很快被转移到血液，并沉积到组织器官、皮下脂肪或蛋中，并保持原来的分子结构和颜色。

3饲料色素在动物体内的代谢和生物学功能

3.1饲料色素在体内的吸收和沉积

饲料色素的吸收和转运过程与脂溶性维生素类似，主要在小肠内进行，游离态的色素和脂类物质在胃肠道蠕动作用下初步乳化，然后和胆汁酸盐结合形成混合乳靡微粒，以扩散的形式进入淋巴或血液循环后，主要与高密度脂蛋白内的（AP-I）结合，通过脂蛋白这一载体在血液中传输，少数类胡萝卜素在肝脏中会发生代谢作用，但大部分都沉积于特异组织中，Tyczkwoski＆Hamilton（1986）研究发现，在鸡血清样品中的叶黄素都是自由态，而在鸡皮脂肪里则以油酸二酯的形态存在。这表明只有自由态的叶黄素才能进入鸡血液，而自由态的叶黄素只有被转化为棕油酸二酯后才能稳定的被保存下来。

3.2饲料色素在动物体内的生物学功能

天然色素中在动物营养学上有重要功能的主要是类胡萝卜素，它在动物体内具有抗氧化、色素沉积、影响繁殖性能，参与机体免疫反应等功能。近年来关于类胡萝卜素的在动物体内的生物学功能在鸟类和禽类研究较多，在人的营养中也有相关的研究报道。

在鸟类中，雌鸟会把大量的抗氧化剂，特别是类胡萝卜素沉积到蛋中（Blount et al. 2000），这些进入蛋中的分子对于胚胎的发育和孵化至关重要（Surai et al. 2000），因为在这一时期的生长强度与氧化应激的增加密切相关（Surai et al.1999;Surai 2002）。

在日粮中添加类胡萝卜素会增加鸟类卵黄中色素含量，这一点在野生鸟和圈养鸟类中都得到证实。在禽类和鸟类进食24小时后，才能把类胡萝卜素再分配到卵泡中，因此，可能在饲喂48小时后（饲喂后产第三个蛋）才能检测到类胡萝卜素的增加，以后蛋黄色素会随着产蛋时间的推迟而增加。鸟类把类胡萝卜素沉积到蛋中的多少不仅取决于食物中所供给的数量，而且还受类胡萝卜素在体内消化吸收和代谢效率的影响

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