植物精油對瘤胃微生物及瘤胃發酵的調控

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　　植物精油對瘤胃微生物及瘤胃發酵的調控

　　李艷玲 姜成鋼 刁其玉?

　　（中國農業科學院飼料研究所，農業部飼料生物技術重點開放實驗室，北京 １０００８１）

　　摘 要：植物精油具有一定的抗菌活性，主要通過作用于細胞膜對細菌發揮作用。近年來對植物精油的研究主要集中在利用其抗菌特性調節瘤胃發酵，包括影響瘤胃內揮發性脂肪酸產量，降低氨的濃度以及甲烷產量等。但不同的研究結果都不盡相同，主要受植物精油添加劑量、化學組分、飼料組成以及試驗動物的影響。如何選擇適當的植物精油，使其發揮有利作用的同時不對飼料消化產生負面影響將是一大挑戰。本文著重對植物精油對瘤胃微生物及瘤胃發酵的調控進行了綜述。

　　關鍵詞：植物精油；瘤胃微生物；瘤胃發酵

　　在動物生產中，大量的添加劑，例如抗生素、離子載體及甲烷抑制劑等被用來調節反芻動物瘤胃發酵、提高采食量、促進動物生長、提高產奶量以及改善飼料轉化率。然而，這類添加劑往往由于對動物的毒性以及微生物的適應性等問題而不能作為常規飼料添加劑長期使用。更重要的是，隨著公眾健康意識的提高，人們認識到這些物質在肉和奶中的殘留，以及抗生素在食物鏈中的應用增加細菌耐受性的問題，因而限制它們作為飼料添加劑的應用。消費者的這種需求促使研究者尋找這些化學添加劑的天然替代物。一些含有抗菌活性的植物成分，例如植物精油、皂苷和單寧等，被開發作為飼料添加劑來改善飼料利用率以及動物健康。近年來大量的研究集中在開發這些

　　天然具有生物活性的飼料添加劑來改善瘤胃發酵，例如提高氮代謝、降低甲烷產量等，從而改善動物的健康和生產效率。本文將綜述植物精油對瘤胃微生物及瘤胃發酵的調控作用

　　１ 植物精油的組成和結構

　　多年來，植物精油一直作為香料和防腐劑被廣泛使用。植物精油通常是從植物蒸餾提取獲得的次級代謝物，可以從植物的許多部位提取，包括葉子、花、莖、種子、根和樹皮。植物精油的活性成分具有多樣化的特點，其中，最重要的活性成分包括 ２種：萜類化合物（單萜類和倍半萜類）和類苯丙烷。這 ２個組分都是不含氮的碳氫化合物，來源于不同的代謝前體物并通過不同代謝途徑合成。幾種典型的植物精油活性成分結構見圖 １。萜類是植物次級代謝物中的主要組分，其化合物均源于一個 ５碳結構（Ｃ５Ｈ８），通常被稱為異戊二烯單元，而且依據這些單元在結構中的數量來分類。植物精油的最重要組分是單萜和倍半萜［１］。萜類主要來源于通過脫氧木酮糖或甲羥戊酸代謝途徑形成的乙酰輔酶 Ａ［１］。類苯丙烷不是植物精油中普遍存在的化合物，但在一些植物中占有較大的比例。類苯丙烷是指具有 ３碳鏈的化合物結合到一個 ６碳的芳香環上。類苯丙烷主要來源于由莽草酸代謝途徑合成的苯丙氨酸（一種芳香族氨基酸）［１］。

　　２ 植物精油的作用機理

　　植物精油對健康具有廣泛的作用，包括對心血管疾病、癌癥、炎癥以及自由基擴散一類的疾病都有積極的效果。這些作用都源自對自由基的清除能力，抑制膜脂的過氧化反應并刺激抗氧化酶的活性。植物精油最重要的活性是作為防腐劑和抗菌劑。關于防腐功能人們從遠古時代就已經懂得利用，但對于抗菌特性直到 ２０世紀初才開始逐漸研究。

　　圖 １ 植物精油中主要的單萜類、倍半萜類和類苯丙烷成分的結構
　　Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｍａｉｎｍｏｎｏｔｅｒｐｅｎｏｉｄ，ｓｅｓｑｕｉｔｅｒｐｅｎｏｉｄａｎｄｐｈｅｎｙｌｐｒｏｐａｎｏｉｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆ ｐｌａｎｔｅｓｓｅｎｔｉａｌｏｉｌｓ

　　萜類和類苯丙烷都是通過作用于細胞膜對細菌發揮作用的。部分活性是由于環烴的疏水性，允許它們作用于細胞膜并在細菌的雙分子脂膜上累積，占用脂肪酸鏈間的空間。這種互作引起細胞膜結構構象的改變，導致它的液化和擴張，膜穩定性的失去使得離子穿過細胞膜泄露，從而使橫跨膜的離子梯度下降。在大多數情況下，細菌可以通過離子泵來平衡，但這個過程中消耗大量的能量，從而導致細菌生長減緩［２－３］。通常，氧化環烴的抗菌活性最高，尤其在酚醛結構中，例如百里香酚和香芹酚，其中羥基和移位電子通過氫橋作為主要的活性點與水互作，使得它們的抗菌活性尤其活躍［２－４］。通過以上機制作用的植物精油對革蘭氏陽性菌尤為有效，因為其疏水化合物可以直接作用于

　　細胞膜。而革蘭氏陰性菌細胞膜的外部細胞壁不允許親脂物質的進入，大多數植物精油的化合物是親脂性的，不能 滲 透 進 入 革 蘭 氏 陰 性 菌 的 膜內［３］。然而，革蘭氏陰性菌外膜也不是完全不能滲透到疏水物質中，低分子質量的微粒可以與水作用（通過氫橋），通過脂多糖層的擴散或通過膜蛋白緩慢穿過細胞壁，作用于細胞的脂質雙分子層［２，４］。這適于用一些芳香族烴類化合物，例如香芹酚和百里香酚。Ｈｅｌａｎｄｅｒ等［５］報道了香芹酚和百里香酚破壞革蘭氏陰性菌外膜的能力，并且觀察到膜脂多糖的釋放和細胞質膜滲透性的增強，此類化合物由于具有小分子質量使它們對革蘭氏陽性和陰性菌都能發揮活性作用，不過這個特點也降低了其對具體菌群的選擇性，使得它們難于調控瘤胃微生物發酵。盡管植物精油作為抗菌劑的主要功能集中在它對細菌細胞膜的作用上，但這并不是它的唯一作用機制。Ｇｕｓｔａｆｓｏｎ等［６］報道，植物精油可以通過使蛋白質變性來使一些細胞組分凝結。大量的研究也報道了植物精油的一些酚類和非酚類化合物可以與蛋白質的化學組分以及其他生物活性分子（如酶）發生相互作用［７］。通常，酚類通過氫橋和離子或疏水作用與蛋白質相互作用，而非酚類化合物通過其他的功能組發揮作用，例如肉桂醛的羰基組。其他醛類化合物可能通過交聯鍵或烷基化與核酸和蛋白質相互作用，導致它們失活。Ｗｅｎｄａｋｏｏｎ等［８］證實，肉桂油和丁香油的活性成分能夠結合蛋白質并且抑制產氣腸桿菌的酶活。

　　３ 植物精油對瘤胃微生物和瘤胃發酵的影響

　　3.１ 對瘤胃細菌的作用

　　植物精油可能會對瘤胃中超級產氨菌產生抑制，導致氨基酸的脫氨基作用降低［１０］。植物精油對超級產氨菌的抑制效果可能與飼糧有關，Ｗａｌｌａｃｅ［９］報 道 了 在 綿 羊 低 蛋 白 質 飼 糧 中 添 加１００ｍｇ／ｄ的植物精油會使超級產氨菌的數量下降７７％，而當供給綿羊高蛋白質飼糧時，植物精油的添加對超級產氨菌的數量沒有影響。低劑量的植物精油能夠選擇性地抑制超級產氨菌，但高濃度時會使所有的瘤胃微生物生長受到影響，例如，

　　Ｅｖａｎｓ等［１０］報道，百里香酚的添加濃度為 ９０ｍｇ／Ｌ時可以選擇性地抑制反芻月形單胞菌的生長，而當濃度為 ４００ｍｇ／Ｌ時，所有瘤胃微生物的活性都受到抑制。體外試驗中添加大蒜油（５０ｍｇ／Ｌ）可以極顯著地抑制瘤胃產甲烷菌的生長［１１］。另有研究認為，植物精油可能通過抑制淀粉分解菌和蛋白質水解菌降低易降解底物的消化而不影響纖維

　　的消化［１２］，然而，也有學者研究發現，丁香和茴香提取物會降低羧甲基纖維素酶和木聚糖酶的活性［１３］，這可能是提取物中植物精油濃度比較高的緣故。

　　３.２ 對瘤胃原蟲和真菌的作用

　　關于植物精油對瘤胃原蟲的影響的報道結果不盡 相 同。ＭｃＩｎｔｏｓｈ等［１４］觀 察 到 當 供 給 奶 牛１ｇ／ｄ的混合植物精油時，瘤胃纖毛蟲吞噬細菌作用 不 受 影 響。 與 之 類 似，綿 羊 飼 糧 中 添 加１１０ｍｇ／ｄ的混合植物精油時，瘤胃原蟲數量不受影響［１５］。Ｙａｎｇ等［１６也觀察到在閹牛飼糧中添加肉桂醛（０．４～０．６ｇ／ｄ），對原蟲總數沒有影響。而 Ａｎｄｏ等［１７］報道，飼喂荷斯坦閹牛 ２００ｇ／ｄ的薄荷油，降低總原蟲數以及內腰蟲、均毛蟲和兩腰蟲的數量。Ｐａｔｒａ等［１３］觀察到丁香提取物降低原蟲總數以及小內腰蟲和全毛蟲數量，而對大內腰蟲沒有影響。而 Ｃａｒｄｏｚｏ等［１８］則觀察到肉牛飼糧中添加肉桂醛（１８０ｍｇ／ｄ）和丁子香酚（９０ｍｇ／ｄ）的混合物，增加全毛蟲數量，對內腰蟲的數量沒有影響，更高濃度的肉桂醛（６００ｍｇ／ｄ）和丁子香酚（３００ｍｇ／ｄ）混合物對這些不同種類的原蟲沒有影響。

　　ＭｃＩｎｔｏｓｈ等［１４］報道，植物精油混合物的濃度超過 ２０ｍｇ／Ｌ時，可顯著降低瘤胃厭氧真菌（Ｎｅｏｃａｌｌｉｍａｓｔｉｘｆｒｏｎｔａｌｉｓ）的生長。陸燕等［１１］報道，體外添加大蒜油（５０ｍｇ／Ｌ）可顯著降低瘤胃真菌數量。然而，關于植物精油對瘤胃真菌影響的研究報道很少。

　　３.３ 對瘤胃揮發性脂肪酸產量的作用

　　大多數研究得出，飼糧中添加植物精油會降低瘤胃中總揮發性脂肪酸濃度或對其沒有影響。然而，有部分研究表明，添加植物精油或其化合物可以增加瘤胃總揮發性脂肪酸的濃度，對飼料消化有一定的改善作用。比如，Ｂｅａｕｃｈｅｍｉｎ等［２１］報道，飼喂肉牛混合植物精油（１ｇ／ｄ）對瘤胃總揮發性脂肪酸濃度及各揮發性脂肪酸的比例沒有影響。而一些體外培養試驗中，添加植物精油可以增加總揮發性脂肪酸的濃度［１９－２０］。混合植物精油對總揮發性脂肪酸濃度的影響可能與飼糧組成有關。比如，Ｂｅｎｃｈａａｒ等［２２］報道，飼喂泌乳奶牛混合植物精油（７５０ｍｇ／ｄ），當飼糧中含有苜蓿青貯時，有增加總揮發性脂肪酸濃度的趨勢，而當飼糧中含有玉米青貯時，有降低總揮發性脂肪酸濃度的趨勢。植物精油對揮發性脂肪酸濃度的影響還可能與其劑量有關。例如，Ｂｕｓｑｕｅｔ等［２３］研究了各種植物精油對 ２４ｈ體外發酵的影響。當培養液中劑量達到最高（３ｇ／Ｌ）時，大多數處理都降低了總揮發性脂肪酸濃度，而且同時降低了飼料消化率，而其他低劑量的處理組對揮發性脂肪酸濃度沒有影響。Ｃａｓｔｉｌｌｅｊｏｓ等［２４］也有類似的報道，在體外培養試驗中添加不同劑量的丁子香酚、愈創木酚、檸檬油精、百里香酚以及香草精，各低劑量組對總揮發性脂肪酸濃度都沒有影響，只有在最高劑量 ５ｇ／Ｌ時，所有這些化合物都會降低總揮發性脂肪酸的濃度。國內學者林波等［２５］用體外法研究了肉桂油、牛至油及其主要成分肉桂醛、香芹酚對體外瘤胃發酵和甲烷產生的影響，分別在發酵液中添加０、５０、２００、５００和 ７５０ｍｇ／Ｌ，發現總揮發性脂肪酸濃度隨植物精油添加量的增加而降低，而且高劑量（５００、７５０ｍｇ／Ｌ）添加時，整個發酵過程受到顯著抑制。如果植物精油的添加不影響揮發性脂肪酸的濃度，而且降低氨態氮濃度和甲烷產量，那么可以認為對生產是有利的。然而，如果添加的植物精油在降低氨態氮濃度和甲烷產量的同時造成了總揮發性脂肪酸產量的下降，那么總體上認為對營養是不利的。因此，如何選擇不同的植物精油以及其活性成分的適當劑量，使其對瘤胃發酵和代謝產生有利影響的同時沒有降低總揮發性脂肪酸的產量，這將是一種挑戰。一些研究發現，某些植物精油及其組分會改變各揮發性脂肪酸的比例，作用與莫能菌素類似（比如降低乙酸比例，增加丙酸比例），這些被視為是添加植物精油的有利影響。Ｂｕｓｑｕｅｔ等［２６］使用了 ２ 個 劑 量 （培 養 液 中 濃 度 為 ３１．２ 和３１２．０ｍｇ／Ｌ）的肉桂醛和大蒜油，低劑量的肉桂醛和高劑量的大蒜油都使得乙酸比例下降而丙酸比例上 升。陸 燕 等［１１］在 體 外 試 驗 中 添 加 ３０、５０、１００、３００和 ５００ｍｇ／Ｌ的大蒜油，除 ３０ｍｇ／Ｌ的大蒜油外，其他劑量組均顯著降低乙酸比例，增加丙酸和丁酸比例，降低乙酸 ／丙酸。而也有一些研究發現，添加一些植物精油會對單個揮發性脂肪酸的比例產生不理想的改變，比如總揮發性脂肪酸的濃度未改變而丙酸比例下降［２４］。植物精油和它們的活性成分對揮發性脂肪酸比例的影響可能跟ｐＨ有關，例如，桂皮提取物和它的主要活性成分肉桂醛在 ｐＨ＝７．０時，會 提 高 乙 酸 ／丙 酸，而 在ｐＨ＝５．５時，會降低乙酸 ／丙酸［２７］。

　　３．４ 對瘤胃氮代謝的調控作用

　　瘤胃超級產氨菌占瘤胃細菌的數量僅有 １％左右，但卻具有非常高的脫氨基活性［９］。植物精油能夠抑制瘤胃超級產氨菌，可在一定程度上降低脫氨酶的活性和氨的濃度，增加瘤胃蛋白質利用效率來提高營養利用率。不同類型的植物精油成分影響瘤胃氮代謝時的最適劑量不同。如 Ｃａｓｔｉｌｌｅｊｏｓ等［２４］研究發現，愈創木酚的添加量為 ５ｍｇ／Ｌ可降低氨的濃度，檸檬油精和百里香酚需要 ５０ｍｇ／Ｌ，而香草精和丁子香酚在 ５００ｍｇ／Ｌ時對瘤胃中氨的濃度沒有影響。

　　通常，植物精油對瘤胃氮代謝的影響在短期試驗中效果比較明顯，比如體外批次培養試驗中。而在較長期的試驗中的效果則不太明顯，比如體外連續培養、瘤胃尼龍袋試驗以及體內試驗。其原因可能是長期的耐受性導致了瘤胃微生物菌群的改變，也可能是一些植物精油化合物受到瘤胃細菌作用而降解。

　　３．５ 對瘤胃甲烷產量的影響

　　甲烷是一種潛在的溫室氣體，直接與農業生產有關，尤其是反芻動物生產。目前對植物精油的研究很大一部分興趣集中在其化合物能否抑制瘤胃產甲烷菌，其挑戰在于如何選擇植物精油，在降低甲烷產量的同時不造成飼料消化率的下降。Ｅｖａｎｓ等［１０］觀察到，在體外試驗中添加百里香酚（４００ｍｇ／Ｌ）可大大地抑制甲烷的產生，但同時降低了乙酸和丙酸的濃度。陸燕等［１１］在體外試驗中添加 ３０～５００ｍｇ／Ｌ的大蒜油，使甲烷產量降低了 ６５．０％ ～９８．３％，但總揮發性脂肪酸的濃度也隨之下降。米熱古麗等［２８］的體外培養試驗中添加 １００、１５０和 ２５０μＬ／Ｌ葡萄籽精油，低濃度添加時甲烷產量分別下降了 １０．７９％和 １５．３０％，最高濃度時甲烷產量升高了 ７．１７％，表明適宜濃度的葡萄籽精油能降低瘤胃中甲烷的產生，但各組均顯著降低總揮發性脂肪酸濃度。林波等［２５］報道，體外添加不同濃度的牛至油和肉桂油，瘤胃甲烷產量隨添加濃度的增加而降低，添加 ５０ｍｇ／Ｌ的牛至油 和 肉 桂 油 甲 烷 產 量 分 別 降 低 １３．３％ 和２１．２％，而對總揮發性脂肪酸影響較小，說明該濃度植物精油發揮了理想的瘤胃調控作用。在選擇植物精油的化合物來抑制原蟲數量方面還有一定的研究潛力，因為產甲烷菌和原蟲存在共生關系，是降低甲烷產量的一條途徑。但如前所述，不同植物精油及其活性成分的抗原蟲效果不盡相同。目前，有關體內試驗研究植物精油及其主要成分對甲烷產量影響效果的報道很少。Ｂｅａｕｃｈｅｍｉｎ等［２１］報道，給肉牛飼喂混合植物精油（１ｇ／ｄ）時，飼料消化率下降，但對甲烷產量沒有影響。而在早期使用同樣的商品植物精油進行的體外純培養試驗中，ＭｃＩｎｔｏｓｈ等［１４］報道了產甲烷菌的生長受到抑制，但用量是上述動物試驗的 ３３倍，該用量將大大影響飼糧消化率，在實際生產中并不現實。Ｍｏｈａｍｍｅｄ等［２９］觀察到飼喂閹牛一種高劑量的（２０ｇ／ｋｇ干物質采食量）山葵膠囊，甲烷產量降低 １９％，但沒有降低原蟲數量以及飼料消化率。由此可見，需要選擇適當的植物精油，并且添加量達到一定水平時，可以選擇性地降低甲烷產量而不影響飼料利用。

　　４ 小 結

　　近年來，有關植物精油對瘤胃發酵和動物生產性能的調節作用有大量的研究工作，但目前大多數研究都集中在體外試驗上，還需要更多的體內試驗來進一步驗證。一些植物精油能特定地抑制超級產氨菌及產甲烷菌等，可以對瘤胃發酵產生積極的影響，如增加揮發性脂肪酸濃度、降低氨的濃度和甲烷產量等，但需選擇具體的化合物成分及其活性成分的最適劑量以及飼糧組成和比例等。如何綜合考慮以上因素，使得其對瘤胃發酵產生積極影響的同時對飼料消化沒有負面影響，這將是未來的研究以及生產應用上面臨的一種挑戰。


來源：動物營養學報