植物精油對畜禽腸道健康、免疫調節和肉品質的研究進展

張嘉琦 張會艷 趙青余* 張軍民

(1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193；2.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，農業農村部華北動物遺傳資源與營養科學觀測實驗站，北京 100193)

中國是世界上最大的抗生素生產和使用國，同時也是抗生素濫用和細菌耐藥性的重災區。在畜禽生產中，抗生素可以改善動物生長性能、保障動物健康、減少疾病的發生和降低飼養成本。然而，抗生素的濫用導致大量抗生素被排放到了水土環境中，致使環境中細菌耐藥性的日益嚴重。環境中的抗生素及耐藥細菌一旦進入人體的腸道，將會破壞人體腸道的正常菌群穩態，對人體的腸道健康造成了嚴重的威脅；而殘存于環境中的污染物，則加劇了細菌耐藥對人體健康的影響。因此，歐盟、日本、韓國等國家或組織分別于2006年、2008年和2011年禁止在飼料中使用抗生素作為促生長類藥物飼料添加劑；我國農業農村部于2019年發布的194號公告稱“自2020年7月1日起，飼料生產企業停止生產含有促生長類藥物飼料添加劑(中藥類除外)的商品飼料”[1]。因此，尋找新的更加安全、有效的抗生素替代品成為了畜牧業當前的研究熱點。

植物精油(PEO)是從植物的各個部分，包括種子、根、莖、葉和果實[2-3]，通過蒸汽蒸餾或溶劑萃取等方法獲得的揮發性芳香物質[4-5]。目前，PEO廣泛應用在香料、化妝品、肥皂和藥品中。同時，許多草本植物和香料精油也是受歡迎的食品調味品，如從大蒜、辣椒、肉桂和小茴香中提取的PEO，具有增強食品風味、激發人們的進食欲望的作用。實際上，PEO也是良好的抗生素替代品[6]，因為PEO及其成分具有良好的抗菌[7-8]、降血脂[9]、抗氧化[10]、抗病毒[11-12]、抗蟲[13-14]和抗炎作用[15]，這些特性與抗生素在畜禽養殖業的作用相似。一些研究人員發現，在畜禽生產中，許多草本植物和PEO能夠有效抑制有害病原微生物的生長繁殖、保護動物呼吸道及腸道健康、促進動物生長和減少應激[16-17]。PEO與抗生素相比，具有安全性高、副作用小、成本低廉且資源豐富的優勢[18]。因此，使用PEO作為新的抗生素替代品引起了人們的關注[19]。本文闡述了PEO對畜禽腸道健康、免疫調節和肉品質的作用，并提出了PEO未來的研究方向。

1 PEO的生物活性成分

目前用于提取PEO的植物主要包括牛至、薰衣草、生姜、薄荷、丁香、肉桂、小茴香、迷迭香、鼠尾草、貓爪草和桉樹等，提取方法主要包括蒸餾提取法、溶劑萃取法、過飽和法、樹脂萃取法、蠟包埋法和冷壓法[20]等。PEO主要成分通常利用色譜分離，借助質譜進行鑒定，其組成成分主要包括萜烯類化合物(大部分為單萜和倍半萜)、芳香族化合物(主要為萜源衍生物和苯丙烷類衍生物)、脂肪族化合物(主要為烯類、烷烴類和醇類)和含氮含硫化合物(具有刺激性氣味，含量較少)。PEO組成成分中的大多數物質具有芳香氣味，其中萜類化合物是中草藥中的有效成分，具有多種藥理活性，如祛痰、止咳、鎮痛、消炎等[16-17]，同時也是一類重要的天然香料，在畜禽養殖中發揮著替代抗生素促生長的作用。PEO的各種成分含量受多種因素的影響，包括品種、環境條件、栽培方法、采摘季節時間、儲存、加工工藝、提取方法和條件等[21-23]。幾種常見PEO的主要成分可見表1。

表1 常見PEO及其主要成分

2 PEO對腸道健康的調控方式

腸道菌群的基因數量約是宿主基因的100倍，在宿主的整個生長階段發揮著至關重要的作用，因此有報道將其描述為“被遺忘的器官”[37]。腸道菌群的類型和數量始終處于動態變化中，飲食是影響腸道菌群組成和活性最重要的因素之一[38]。PEO中含有大量的酚、萜烯、醛和酮類物質，具有良好的抗菌活性，能夠抑制革蘭氏陰性菌、陽性菌和部分真菌的生長，尤其對革蘭氏陽性菌的抑制效果更佳[39-41]，而PEO的選擇性抗菌會調節腸道菌群的平衡，改變腸道菌群多樣性和相對豐度。目前有關PEO的抗菌機理尚不明確，不同類型的PEO可能通過不同途徑來抑制微生物的生長。大蒜精油能夠降低金黃色葡萄球菌生物膜的厚度，進而破壞細菌生物膜完整性，并導致細胞膜通透性增加，使細胞中ATP濃度和pH降低，細胞成分流失，最終導致細菌死亡，從而發揮抗菌作用[42]。而茶樹精油則通過干擾遺傳信息處理相關的基因表達，包括DNA復制、轉錄和修復，破壞這些基本功能，最終抑制細菌生長[43]。

PEO可通過介導腸道菌群的平衡進而調節腸道菌群的代謝物，而腸道菌群的代謝物與腸道健康之間有著密切的聯系[44-45]。腸道菌群能將未消化的食物轉化為功能性代謝產物，如短鏈脂肪酸和吲哚類物質，幫助宿主消化吸收；或者產生有害代謝產物，如細菌外毒素，抑制腸道上皮細胞的增殖，影響宿主健康[46-47]。短鏈脂肪酸是主要的細菌代謝產物之一，可以作為能量直接被腸道上皮細胞利用，并改善腸道免疫功能[48]，動物流行病學研究顯示，細菌代謝產物短鏈脂肪酸能夠減輕各種頑固性疾病癥狀，例如自閉癥、潰瘍性結腸炎和克羅恩病[49-51]，尤其是丁酸脂，具有免疫調節、誘導細胞凋亡和抗癌等作用。從肉雞盲腸中提取微生物并進行了培養，發現牛至精油能夠增加糞腸球菌和乳酸桿菌的比例，并減少鏈球菌屬相對豐度，菌群的改變增加了有益短鏈脂肪酸(尤其是乙酸和丁酸)的含量，進而改善腸道健康[52]。PEO對動物腸道微生物及代謝產物的影響見表2。

表2 PEO對動物腸道微生物及代謝產物的影響

PEO影響腸道黏膜免疫反應、上皮屏障功能、氧化應激和炎癥反應，這可能是直接或間接地通過腸道菌群代謝物的差異表達來保護腸道屏障[61-62]。廣藿香精油的添加會明顯增加小鼠腸道中產短鏈脂肪酸細菌的豐度，如丁酸厭氧菌(Anaerostipesbutyraticus)和乳桿菌(Lactobacilluslactis)等，明顯降低病原菌豐度，如薩特菌屬(Sutterllaspp.)、死亡梭桿菌(Fusobacteriummortiferum)和幽門螺桿菌(Helicobacterspp.)。腸道上皮細胞中短鏈脂肪酸的關鍵受體G蛋白受體(GPR)41、GPR 43和GPR 109a被顯著刺激，進一步促使腸道上皮中杯狀細胞黏蛋白2(Muc2)基因表達，并且促進潘氏細胞分泌溶菌酶和防御素，使E-鈣黏蛋白/N-鈣黏蛋白的比例升高(在潰瘍性結腸炎和克羅恩疾病的患者中通常會檢測到E-鈣黏蛋白的下調和N-鈣黏蛋白的上調)[63-64]。此外，緊密連接蛋白-1(ZO-1)和閉合蛋白(occludin)的表達量增加；參與炎癥反應的Ⅰ型血管細胞黏附蛋白(VCAM-1)和細胞間黏附因子-1(ICAM-1)的表達均顯著下調，VCAM-1和ICAM-1主要在內皮細胞中表達，并負責聚集白細胞以激活炎癥反應，這可能進一步刺激巨噬細胞由M1型轉變為M2型，進而減少誘導型一氧化氮合酶(iNOS)的活性緩解機體炎癥水平，提高機體的抗炎能力[57]。在仔豬腸道組織的研究中，發現PEO能夠改善腸道形態(絨毛高度升高，絨毛高度和隱窩深度的比值升高)，提高蔗糖酶和乳糖酶的活性，促進與營養物質運輸相關的關鍵蛋白的表達，如葡萄糖轉運蛋白2(GLUT2)和鈉-葡萄糖協同轉運蛋白1(SGLT1)，以及緊密連接蛋白(occludin)的表達[65-66]。這些結果表明，PEO可以通過調節緊密連接蛋白的表達，提高消化酶的活性，增強腸道屏障，并改善腸道形態(圖1)。

圖1 PEO對腸道健康和免疫的影響

3 PEO在動物機體中的免疫調節作用

炎癥是機體對不同類型有害因子的復雜免疫過程，包括病原微生物、刺激性化合物和有害物質等，它們會誘導急性炎癥反應，反應一般持續時間較短，這對宿主健康是有益的。但是如果炎癥持續存在或消退不充分，易引發宿主多種疾病，例如癌癥、心血管、神經系統和免疫系統疾病等[67]。動物機體的免疫通常處于動態平衡，當動物機體的免疫系統遭受攻擊時，如腸道菌群中過量的病原菌分泌的內毒素(LPS)或應激情況下導致的活性氧(ROS)失衡，會加速抑制蛋白(IκB)與核因子-κB(NF-κB)的解離，刺激NF-κB轉移至細胞核內，轉錄因子NF-κB誘導大量的促炎蛋白表達，包括參與機體炎癥、細胞凋亡和線粒體凋亡的細胞因子、趨化因子和酶等。同時，細菌LPS和應激均會傳遞信號給具有氧化應激感應能力的Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1(Keap1)蛋白，接收信號的Keap1蛋白將與核因子E2相關因子(Nrf2)解離，并通過活化其下游基因產生抗氧化作用，有助于細胞清除過量的ROS，抵抗外來有毒物質(圖2)。

圖2 PEO對免疫的影響

近年來，由于抗生素的使用受到了限制，PEO作為抗生素替代品已成為人們關注的一種可能的天然添加劑。PEO可促進動物對營養物質的消化吸收，減少腸道中病原菌的數量，調節免疫系統[70-71]。同時PEO主要成分中的萜烯類物質具有免疫調節特性，可在細胞和分子水平上對免疫系統的各個部分產生影響，包括在細胞免疫中調節T細胞和其他免疫效應細胞活性、在體液免疫中促進抗炎細胞因子和抗體的產生等[72]。當Aβ淀粉樣蛋白處理PC12細胞時，桉樹油主要功能性成分1,8-桉葉素可以通過減緩NF-κB通路的激活，減少促炎細胞因子白細胞介素-6(IL-6)和白細胞介素-1β(IL-1β)的分泌，并抑制促炎通路相關的酶如環氧合酶-2(COX-2)和一氧化氮合酶(NOS)的轉錄表達，導致一氧化氮(NO)信號強度減弱，進而緩解線粒體損傷和細胞炎癥水平[68]。大腸桿菌攻毒肉鴨后補充PEO，能夠緩解機體炎癥反應，降低血清總蛋白和球蛋白含量，減少機體器官損傷以及通過減輕大腸桿菌對空腸Toll樣受體4(TLR4)的刺激而減少腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、炎癥細胞因子IL-1β和IL-6的分泌，增加免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)的含量，提高機體免疫功能[69]。PEO對動物免疫系統的影響見表3。

表3 PEO對動物免疫系統的影響

4 PEO對肉品質的影響

PEO的某些揮發性化合物成分具有天然抗氧化劑的潛力[79]，由于PEO比合成抗氧化劑更容易被人們接受，因此使用PEO來改善肉品質成為了新的研究熱點。目前有關PEO對肉品質影響的研究主要分為2個方向：1)通過在畜禽飲食中補充PEO，改變機體脂質代謝來影響其肉品質[80]；2)在肉制品中直接添加PEO，利用PEO的抗氧化性保持肉品質的穩定，如使用PEO制作的生物膜包裝密封肉制品或在肉制品中使用PEO作為抗氧化劑。

脂質是風味物質的重要前體物質，PEO可能通過調節脂質代謝來影響肉的風味。辣椒素可以激活瞬時受體電位香草酸亞型1(TRPV1)通道，阻止3T3-L1前脂肪細胞和內臟脂肪組織細胞中的脂肪生成[80]。此外，飲食中的姜黃素可以降低肝膽固醇合成，影響脂質代謝過程[81]。Yan等[82]在仔豬飲食中添加了0.01%的混合PEO(包含百里香、迷迭香和牛至精油)，發現混合PEO能夠增加眼肌面積，并改善豬肉顏色和大理石花紋評分。張云峰[83]發現PEO能夠顯著提高肉鴨肌肉的亮度值，提高系水率，降低剪切力并提高嫩度。然而，Ranucci等[84]得到了與之矛盾的試驗結果，在飼糧中補充迷迭香、大蒜、牛至或生姜的精油(500 mg/kg)，結果表明并沒有改變豬肉的脂肪酸譜，其他指標如蒸煮損失、滴水損失、剪切力值和化學成分也沒有顯著變化，但飼喂牛至精油的豬肉卻呈現脂質氧化程度減少的趨勢。因此，PEO能否改變畜禽肉中的脂質組成有待進一步的研究證明。

人們普遍認為，脂質氧化是造成儲存過程中肉品質下降的主要原因，其次蛋白質的氧化也增加了肉的韌性，降低肉品質，因此調控肉制品的氧化過程也是改善肉品質的關鍵。PEO常用作天然抗氧化劑用于阻止油脂和脂肪食品中脂質的過氧化過程。有關芳香PEO抗氧化活性的研究表明，富含百里香酚和香芹酚的牛至精油對氧化過程具有較大的抑制作用[85-86]。Kulisic等[87]研究發現，牛至精油的抗氧化能力與α-生育酚及合成的抗氧化劑丁基化羥基甲苯(BHT)相當，并發現牛至精油與其他抗氧化劑的協同作用也會增強整體抗氧化能力。在活性食品包裝中使用PEO是未來的趨勢，PEO可以延長儲存期間的食品穩定性，抑制腐敗或病原微生物的生長，并防止食品氧化[88-90]。Zhang等[91]在鯉魚真空包裝袋中加入肉桂精油，發現能夠降低肉中巨型球菌的相對豐度，抑制了氣單胞菌屬的生長，而乳酸菌相對豐度相對較高，其保質期延長了約2 d。PEO制成的活性食品包裝的生物可降解薄膜，具有較強的防水性，不會對環境造成污染，對食品有很好的保鮮作用，具有廣闊的應用前景[89]。

5 小 結

PEO作為天然安全的抗生素替代品，盡管其抗菌性、抗氧化性和抗炎性已經得到了驗證，但是PEO中含有復雜的功能性物質，對動物機體產生影響的機制尚未闡釋清楚，例如PEO如何提高動物生長性能等。在畜牧行業中，為了更加安全有效地使用PEO，未來PEO可能的研究方向集中在以下幾個方向：

① 生物活性物質的鑒定和標準化。PEO復雜的功能性成分存在著協同和拮抗的作用，明確PEO整體的功能特性與單一化學成分的研究同樣重要。單一化學成分的研究有助于確定發揮關鍵作用的功能性物質，整體研究有助于明確協同和拮抗的最終結果。由于不同PEO的成分及含量差異較大，功能性物質的鑒定和標準化顯得尤為重要。

② PEO和其他添加劑的聯合使用。PEO與其他添加劑或混合精油的聯合使用可能存在著相互作用，這種復雜的相互作用制約著精油的發展應用，合理的利用協同作用將PEO的抗菌性和抗氧化性最大化，降低有效作用時的最低添加水平，在當下畜牧業發展過程中具有重要生產意義。

③ PEO對腸道健康的復雜調控機理。PEO能夠改善腸道健康已經被眾多學者所證實。然而，PEO對腸道菌群的調節、腸道菌群與宿主腸道健康的相互關系和潛在的分子機理過于復雜，不同PEO的作用機理可能存在差異，這些都有待于進一步研究探索。