[동물영양학] 카로티노이드 라이코펜에 관한 연구

산화스트레스는 가축, 가금의 생산성과 건강을 심각하게 위협하여 축산업에 거대한 경제손실을 초래한다.가축, 가금의 생산과정에서 환경변화, 생리적변화, 외인성 병원성독소 (례하면 진균독소) 등 요소가 산화스트레스를 일으켜 동물의 산화환원균형을 깨뜨릴수 있다.반응성 산소종 (reactive oxygen species, ROS)과 반응성 질소종 (reactive nitrogen species, RNS)의 과도한 생산은 세포의 지질, 단백질 및 DNA에 비가역적인 손상을 초래하여 동물의 생리적 기능과 생산능에 영향을 미치게 된다.

항산화 보호는 생물체에서의 항산화 방어 과정으로 정의된다.인체내의 항산화물질은 주로 두가지로 나뉘는데 하나는 인체자체에서 합성한것이고 다른 하나는 음식물로부터 얻은것이다.고온, 이유식, 임신 등 특수한 상황에서 외인성 항산화제 (식물유래 폴리페놀, 카로티노이드 등)를 보충하면 가축, 가금의 산화적 스트레스 상태를 효과적으로 완화시키고 산화적 피해를 감소시키며 가축, 가금의 건강과 생산 성과를 향상시킬 수 있다.

항생제 내성 및 잔류물은 동물 생산, 인간의 건강 및 환경 지속 가능성에 부정적인 영향을 미친다.2006년 유럽연합 (eu)은 동물성 사료의 사료 첨가제로 항생제 사용을 금지했고, 2020년 7월 중국도 공식적으로 동물성 사료에 항생제 사용을 금지했다.따라서 천연적이고 친환경적이며 안전한 항생제 대체물질 개발이 시급하다.

Lycopene (C40H56) is a carotenoid that is a natural pigment in plants, mainly found in fruits and vegetables such as tomatoes, carrots, watermelons, and pomegranates. Lycopene has been listed as a nutrient and food additive in many countries and is widely used in food, medicine, cosmetics, agriculture, and other fields. Lycopene contains two non-conjugated double bonds and 11 conjugated double bonds in its structure, and its chemical structure gives it the greatest antioxidant capacity. Lycopene'의 강력한 항산화 제로서의 역할은 항 염증, 항암 및 저혈당 가능성, 심혈관 보호, 신경 생물학 및 저혈압 효과를 포함한 건강 증진 효과의 기초입니다.리코펜은 가축 및 가금의 기능성 사료 첨가제로 사용될 수 있다는 연구가 증가하고 있으며, 생산능, 육질, 계란의 품질, 항산화 특성, 면역기능, 지질대사 및 장내 생리기능을 향상시키는 것으로 보고되고 있다.

I. 리코펜의 구조, 흡수 및 생물학적 기능

1. 1.리코펜의 원천과 구조

풍부한 카로티노이드족 중 식품에는 약 60 종이 존재하며, 사람과 동물의 혈액과 조직에서는 20 종만이 검출될 수 있다.그들의 결합 결합 (최소 7)으로 인해, 그들은 주로 노란색과 빨간색으로 음식의 색을 냅니다.차이에 구조 카로 티 노이 드의 두 그룹을 구별:카로 티 노이 드 (리코 펜, α-carotene, β-carotene, 등)과 xanthophylls (루테인, astaxanthin, canthaxanthin 등이다.).

Lycopene was discovered in tomatoes in 1876 and was named after the scientific name Lycopersicon esculentum 27 years later. Lycopene is widely found in tomatoes and also in vegetables and fruits such as carrots, sweet potatoes, pumpkins, watermelons, apricots, papayas, grapefruit and guavas. The main source of lycopene is tomatoes (80%), which are the main source of lycopene extraction and also the cheapest ingredient. The lycopene content of tomatoes varies greatly, depending on factors such as variety, maturity, climate and geographical location of cultivation. The technology for extracting lycopene from raw materials usually includes chemical extraction, microwave and ultrasound-assisted extraction, supercritical fluid extraction and enzyme-assisted extraction. A variety of biotechnologies have been developed for the large-scale production of lycopene, among which microbial fermentation is a typical traditional biotechnology in the production of lycopene. In addition, modern biotechnology, including genetic engineering, protein engineering and metabolic engineering, has also been applied to the production of lycopene.

대부분의 카로티노이드와는 반대로, 리코펜은 선형 구조를 가지고 있습니다.리코펜은 13개의 이중결합으로 이루어진 폴리엔 사슬로,이 중 11개가 선형 배열로 공액화되어 있어 다른 카로티노이드보다 길이가 길다.리코펜은 가느다란 바늘 같은 결정체로서 자연에서 발생하는 붉은 왁스 색소입니다.리코펜은 지용성이다, insoluble in water, and soluble in benzene, chloroform and acetone. Lycopene occurs in nature mostly in the all-trans configuration, which is relatively stable, but at least 50% of the cis isomers are found in human blood plasma and tissues. The common forms are the 5-cis, 9-cis, 13-cis and 15-cis isomers, which indicates that the cis isomers are more readily absorbed and utilized by humans and animals. Food processing is actually a value-adding step, because after heat treatment, more lycopene becomes more bioavailable. If tomato juice is exposed to cooking temperatures, cis isomers are formed, which are considered to be more bioavailable. The double bond of lycopene can be isomerized from all-trans to mono- or polycis under the influence of light, temperature or chemical reactions. Lycopene is acyclic, has a symmetrical planar structure and is particularly susceptible to oxidative degradation as a highly conjugated polyene. Physical and chemical factors such as high temperatures, exposure to light, oxygen, extreme pH values and molecules with reactive surfaces can damage the double bond of lycopene. The undesirable degradation of lycopene not only affects the sensory quality of the end product, but also the health benefits of tomato-based foods for humans and animals.

1.2. 리코 펜 흡수

리코펜은 사람의 혈장 농도가 가장 높은 카로티노이드로 영양 습관에 따라 평균 농도가 다르다.흡수에 관해서 가장 널리 연구된 것은 다음과 같다β-carotene, 리코펜과 다른 카로티노이드가 아닙니다.더 많은 연구가 필요 했지만, 그 영향을 미치는 요인 β-carotene 흡수 리코 펜에 대해 비슷 한 효과를 가지고 있을 가능 성이 있습니다.다른 카로티노이드와 유사하게 리코펜은 먹이 매트릭스에 내장되어 있으며 인간과 동물에게 효율적으로 흡수될 수 없습니다.리코펜은 주로 수동적 확산을 통해 지질과 유사한 방식으로 흡수된다.음식 매트릭스에 있는 리코펜은 위산, 담즙산, 효소의 작용에 의해 분비된다.일단 장으로 들어가면 지질과 결합하여 chylomicrons를 형성하고, 확산과 삼투압을 통해 장간막 림프계로 들어가 최종적으로 간문맥 순환으로 들어간다.이것은 위장관에서 리코펜이 흡수되는 주요 경로입니다.

음식매트릭스에서 방출된후 섭취한 라이코펜은 반드시 유화되여 칠로미크론에 용해되여야 장점막에 흡수될수 있다.리코펜은 또한 활성 과정을 포함하는 수송 단백질 수송체 β, 1 (TBP-1)을 통해 흡수될 수 있다.청소부 수용체 class B type 1 수송체는 주로 소장, 간, 부신, 난소, 태반, 신장, 전립선 및 뇌에서 발견되며, 지단백에서 조직으로, 조직에서 지단백으로 카로티노이드를 운반하는 역할을 부분적으로 한다.리코펜은 식단을 통해 공급되며 위장관에서 10%에서 30% 정도 소화된다.리코펜과 대사산물은 저밀도 지단백과 매우 저밀도 지단백질을 통해 방출되고 운반되며, 최종적으로 목표 조직에 분배됩니다.이들은 체내를 순환하며 고환, 부신, 간, 전립선, 지방조직에 우선적으로 축적된다.이러한 불균등한 분포는 이들이 이들 조직에서 간의 지질대사 조절과 같은 독특한 생물학적 기능을 가지고 있음을 시사한다.

1.3. 리코펜의 생물학적 기능

리코 펜 가루카로티노이드 중 아스타잔틴 다음으로 강력한 항산화제 중 하나다.다른 항 산화 물질에는 α-tocopherol, 카로 틴, cryptoxanthin 틴, β 루테-carotene과 입니다.리코펜은 강력한 항산화제로, 건강 증진 효과의 기초가 된다.인체 혈장은 β에 나타나는 가장 풍부 한 카로 티 노이 드-carotene, α-carotene, β-cryptoxanthin,루테인, 제아잔틴과 리코펜.이 6가지 주요 카로티노이드는 사람의 혈장과 조직에 있는 모든 카로티노이드의 70%를 차지한다.생물학적 기능 측면에서 리코펜은 주로 싱글렛 산소와 퍼옥실 라디칼 청소기 역할을 합니다.Lycopene's의 독특한 이중 결합 구조는 사람과 동물의 peroxyl 라디칼을 모두 제거하는 데 다른 carotenoids보다 훨씬 우수합니다.리코펜은 베타-카로틴보다 2배, 알파-토코페롤보다 10배 더 싱글렛 산소 (ROS의 일종)를 청소하는 데 효과적이다.활성 물질에 대한 리코펜의 작용 기전은 부도체의 형성, 활성산소로의 전자 이동, 알릴수소의 추출 등 세 가지 가능한 기전으로 설명할 수 있다.그 중 가교제의 형성, 활성산소는 폴리엔 사슬, 즉 리코펜의 고공결합 이중결합에 부착하여 리코펜-퍼록실 라디칼 가교제를 형성한다.

리코펜은 ROS를 중화시키는 것 외에도 NAD(P)H:quinone oxidoreductase, heme oxygenase 1을 암호화하는 유전자의 발현을 활성화시키고,glutathione reductase와 글루타치온활성산소를 제거하고 염증 손상을 줄이는데 도움이 되는 s-전이효소.이 효소들은 제2단계 세포 보호 효소로도 알려진 항산화 및 해독 효소로 간주됩니다.이들 효소를 암호화하는 유도성 유전자의 프로모터 영역은 포함하고 있는데, Nrf2에 결합하면 이들 유전자의 발현이 증가하게 된다.Nrf2/ARE signaling pathway는 중요한 내인성 항산화 방어 메커니즘입니다.리코펜은 주로 항스트레스 작용제로 작용하여 Nrf2/ARE 전사계를 유발함으로써 산화 스트레스를 완화시키고 가금류의 건강을 유지한다.Keap1은 Nrf2 유전자의 특정 수용체이다.리코펜은 Nrf2/Keap1의 결합을 차단하여 Nrf2를 방출하고, Nrf2는 세포핵으로 운반되어 열을 받은 가금류에서 제2기 세포 보호 효소의 발현을 상승시킨다.게다가, 리코펜이 항염증, 항암, 항당뇨 가능성을 가지고 있다는 연구가 늘어나고 있다.리코펜은 심혈관 보호 효과, 신경생물학적 효과, 혈압 저하 및 혈소판 응집 억제 효과도 있는 것으로 나타났다.

2. lycopene의 가축영양 적용

2.1. 생산성과에 미치는 영향 (Effects on production performance)

Sun et al. reported that a daily supplement of 50 mg/kg lycopene during gestation and lactation can improve the reproductive performance of sows, including an increase in the rate of live piglets born, the rate of live piglets weaned, the birth weight of litters, the weight of litters weaned, and a reduction in the rate of dead piglets born. The final conclusion was that lycopene can improve the reproductive performance of sows by regulating milk composition, placental immunity and antioxidant capacity. During the fattening period, dietary lycopene supplementation does not affect animal production performance. Fachinello et al. that various lycopene additive levels (12.5, 25, 37.5 and 50 mg/kg) did not affect the growth performance of finishing pigs, and that feeding finishing pigs 12.5, 25, 37.5 and 50 mg/kg of lycopene did not affect their carcass characteristics or relative organ weights.

et al.은 가금류 영양 연구에서 20 mg/kg의 리코펜 또는 1.7%의 토마토 페이스트가 28일 동안 식이를 통해 Hy-line 갈색 암탉에서 달걀 무게와 달걀 생성을 증가시킨다는 것을 증명했다.Wan 등은 10, 20 또는 30 mg/kg의 리코펜이 브로일러의 일일 평균 체중 증가를 증가시킨다는 것을 보여주었다.그러나 Lee 등의 연구에서 토마토 페이스트를 리코펜 원료로 사용하였을 때 10 또는 20 mg/kg의 리코펜이나 17 g/kg의 토마토 페이스트를 함유한 식이가 브로일러의 성장성과 상대장기 무게에 미치는 긍정적인 영향은 관찰되지 않았다.리코펜은 스트레스 조건 (예:열 스트레스) 및 mycotoxin 사료 오염 하에서 동물에서 성장 촉진 효과가 있는 것으로 나타났습니다.열 스트레스 조건에서도 0, 200 및 400 mg/kg의 리코펜의 42일 연속 첨가는 로스 308 브로일러의 성장능도 선형적으로 개선시키는 것으로 나타났으며, 이는 누적 사료 섭취량의 증가, 체중의 증가 및 사료 전환율의 감소로 입증되었다.Sarker 외.아플라톡신 B1을 첨가한 사료도전조건에서 리코펜 100 mg/kg의 보충은 브로일러의 1~12일령 평균 체중증가량을 증가시켰으며, 리코펜 200 mg/kg과 400 mg/kg의 보충은 각각 22~42일 및 1~42일령 평균 체중증가량을 증가시켰다.

2.2. 육질과 달걀의 질에 미치는 영향

리코펜, 천연 사료 첨가제로서, has attracted widespread attention in animal production for improving meat and egg quality. Wen et al. reported that the addition of lycopene to the diet improved the meat quality of finishing pigs, including a decrease in L* and b* values, an increase in a* values, and an increase in intramuscular fat and crude protein content in the longissimus dorsi muscle. Lycopene was also shown to promote the conversion of muscle fibre types in pigs, which is important in determining meat quality. In the study by Wen et al., the addition of lycopene resulted in an upregulation of mRNA levels of myofibrillar markers such as cytochrome c, myosin heavy chain IIa and myosin heavy chain IIx in the longissimus dorsi muscle of finishing pigs. Lipid oxidation can have a negative impact on the colour, nutritional value and flavour of meat as well as its shelf life. Wen et al. also showed that the addition of lycopene improved the antioxidant status of the longissimus dorsi muscle of finishing pigs, as evidenced by increased total superoxide dismutase and catalase activities, reduced MDA levels, and up-regulated mRNA levels of SOD1, SOD2, CAT, GPX1, GST, GR and Nrf2 (all of which are oxidative stress response factors). Similar results were reported by Correia et al., who observed improved oxidative stability in the longissimus dorsi muscle of piglets after feeding 5% tomato pomace for 5 weeks. However, An et al. found that the addition of 20 mg/kg lycopene + 3.4% tomato paste or 10 mg/kg lycopene + 1.7% tomato paste to the feed had no effect on the fatty acid composition of the abdominal meat of finishing pigs in a 28-day feeding trial.

달걀의 품질에 있어서 Shevchenko 등은 90일 동안 산란하는 하이라인 W36 산란계 식이에 리코펜 (20, 40, 60 mg/kg)을 첨가한 것이 달걀의 품질이 향상되었으며, 신선란에서 카로티노이드 수준과 노른자색이 증가하였고, 4°C와 12°C에 저장한 달걀에서 품질이 향상되었다.Orhan 등은 Lohman LSL 암닭에게 20 mg/kg의 리코펜 순수분말이나 토마토분말을 84일 동안 먹인 결과 계란 무게, 노른자 색, 노른자 무게, 노른자 대 계란 비율, 노른자 리코펜 수준을 증가시켰으며, 계란 노른자 MDA와 콜레스테롤 수준을 낮추는 것으로 나타났다.An 등에 의한 연구에서 28일간 사료에 10, 20 mg/kg의 리코펜을 첨가하였을 때 계란 노른자 색과 리코펜 수치가 증가하였고 Hy-line 갈색 계란에서 MDA 수치가 낮아졌다.