植物精油在反芻動物營養中的研究進展

劉旺景 唐德富

(甘肅農業大學動物科學技術學院，蘭州 730070)

近年來，健康養殖的重要科學決策理念已經成為引領現代畜牧業可持續發展的標桿。動物健康不僅能夠降低養殖成本，提高生產者的效益，而且關乎到消費者的健康。動物飼糧中生產促進劑等抗生素的添加在最初階段為生產者帶來“福音”，但隨著時間的推移，抗生素的抗藥性和殘留等問題已經顯露無疑，使其在動物生產中的應用陷入了死循環，同時也導致了動物機體免疫力和生產性能的下降。目前世界上很多國家已經宣布“禁抗令”，我國農業農村部發布第194號公告，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，而禁抗之后畜禽面臨多重應激所導致的疾病頻發和生產性能下降是廣大科技工作者和養殖者亟待解決的問題。因此，尋找可以替代抗生素的植物源綠色飼料添加劑在畜牧行業已經達成廣泛共識。

植物精油是植物體次生代謝產物，一類天然揮發性化合物，主要通過水蒸氣蒸餾、冷榨、發酵和濃縮等工藝提取，廣泛用于化妝品和食品工業。植物精油中最主要的活性成分為萜類和苯丙素類[1]，二者合成的前體物及代謝途徑有所不同，其中萜類化合物(分子式：[C5H8)n])的合成途徑為甲羥戊酸途徑[2]，代表化合物為檸檬烯、麝香草酚、香芹酚、芳樟醇等；苯丙素類化合物的合成途徑為莽草酸途徑[3]，代表化合物為肉桂醛、丁香酚、茴香腦等。大量研究表明，植物精油在增強動物機體血液循環、發揮抗氧化特性、調控消化道微生物區系、降低甲烷和生物胺的生成、提高營養物質的消化利用以及緩解機體免疫應激等方面發揮著重要作用[4-6]。然而也會出現不一致甚至相反的結果，這可能與植物精油的類型、來源、飼糧中的添加水平以及基礎飼糧組成等因素相關[2,7]。反芻動物因其消化道結構的復雜性及飼糧組成的特殊性，植物精油進入消化道發揮多種生物學活性作用，其作用機制遠比單胃動物復雜，因而其應用及推廣度不如豬及家禽產業，因此解析植物精油對反芻動物生產性能、養分利用、畜產品品質、免疫抗氧化狀態以及消化道菌群的影響和調控機制，探究復合植物精油相互作用類型，對提升植物精油在反芻動物飼糧中的發展前景具有重要意義。

1 對生產性能和營養物質利用的影響

同時受植物精油添加劑量以及適口性問題的影響也會對反芻動物生產性能和營養物質利用產生負面效果。Joch等[12]研究報道了體外試驗向瘤胃液中添加高劑量的混合植物精油(主要成分：百里酚和間甲酚)，瘤胃氨氮濃度降低10%，同時伴隨著干物質消化率以及揮發性脂肪酸凈產量的降低；體內試驗研究發現，奶牛飼糧中添加混合植物精油，其干物質采食量與對照組相比降低4.6%，主要原因是含有百里酚和間本酚的混合植物精油具有強烈的氣味[13]，采食量降低可能是飼糧適口性與奶牛個體口味偏好相結合的結果；同時產奶量和乳脂含量也出現下降的趨勢，奶牛產奶量較低可能與機體對葡萄糖，尤其是與丙酸的利用率較低有關，而乙酸和丁酸的利用率降低，可能是奶牛乳中脂肪比例較低的原因。造成負面影響的原因可能是復合植物精油對瘤胃微生物沒有選擇性抑制特性，瘤胃內飼糧消化率和揮發性脂肪酸濃度降低，導致可代謝能量和脂質合成前體的可利用性降低，最終影響牛奶產量和乳脂比例。Joch等[12]研究報道，飼喂混合植物精油的奶牛其飼料轉化率低，但個體日增重是對照組的2倍，原因是飼糧中混合植物精油的添加導致奶牛機體能量分配發生變化，較多的能量被分配到身體組織生長中，較少的能量分配到產奶行為中，這種轉變可能受胰島素水平調節的影響，高血漿胰島素濃度可增強肌肉和脂肪組織對葡萄糖的吸收[14]，而試驗中奶牛瘤胃中揮發性脂肪酸濃度較低，可能是導致胰島素敏感性增強的原因之一。總之，這些研究結果之間的差異可能是由于植物精油的飼喂水平、主要成分以及動物所處生理階段的不同造成。

2 對肉和乳品質及風味的影響

De Oliveira Monteschio等[15]研究發現，飼糧中添加混合植物精油(主要成分：丁香酚、麝香草酚和香草醛)對內洛爾母牛肉品風味、嫩度以及消費者的總體可接受性都有顯著提高作用，其機理是精油本身具有的抗氧化特性[16]，能夠減少牛肉氧化階段中間代謝物的產生，因此減少了牛肉在貯藏期內風味的惡化，提高總體可接受，另外總體可接受性與牛肉風味和嫩度高度相關，同時飼糧中添加植物精油能夠提高消費者對牛肉的視覺接受度，主要原因在于：一方面植物精油中的活性分子能夠結合到細胞膜上延緩肌紅蛋白的氧化[16]；另一方面活性分子能捕捉脂質氧化過程中形成的自由基，延緩氧化型球蛋白向高鐵血紅蛋白的轉化，從而延緩肉色由櫻桃紅向黃棕色的轉變[17]。3-甲基吲哚(糞臭素)是反芻動物瘤胃L-色氨酸的代謝產物，且與相關代謝產物吲哚共同具有糞便氣味，能夠沉積到動物肉和乳中，產生令人難以接受的不良風味[18]。米熱古麗·伊馬木等[19]研究報道了0.5 mL的薰衣草精油能夠降低哈薩克公羊瘤胃中吲哚及糞臭素的含量，可能的原因是薰衣草精油能夠選擇性抑制瘤胃細菌，降低蛋白質在瘤胃中降解產生的L-色氨酸的含量，L-色氨酸能夠在瘤胃細菌和原蟲的作用下去氨基和去羰基生成3-甲基吲哚，因其具有親脂性而可以沉積到畜體脂肪組織中，從而極大降低了綿羊瘤胃中吲哚和糞臭素向畜產品中轉移的幾率。有學者研究精油和有機鈷協同能夠顯著提高山羊羊肉的大理石花紋等級評分和肌肉保水性，減輕肌肉因糖酵解引起的肌肉酸化，降低PSE肉形成的可能性[20]。

大量研究表明，植物精油除了能夠影響動物肉品質和風味，還會對乳品質及風味產生影響。Yang等[21]研究發現，奶牛飼糧中添加大蒜精油和杜松子精油有增加乳脂中有益脂肪酸(CLAt10、c12)濃度的趨勢，而對乳脂中脂肪酸的總體影響較小。Kholif等[22]研究證實大蒜精油、肉桂精油和生姜精油對山羊乳中不飽和脂肪酸以及共軛亞油酸(c9、t11)濃度有顯著提升作用，同時生姜精油對α-亞麻酸濃度的提高有積極影響。Boutoial等[23]報道迷迭香葉精油同樣能夠提高羊乳中多不飽和脂肪酸的比例，并且存在劑量依賴效應。眾多研究結果指向在小型反芻動物(如山羊)飼糧中添加植物精油對乳中脂肪酸組成的影響比在大型反芻動物(如奶牛)中大，主要原因在于小型反芻動物與大型反芻動物相比飼糧過瘤胃速率高，因而可能限制瘤胃細菌在瘤胃中完成生物氫化過程[21]。許多植物精油及其萜類成分還具有獨特的風味和香氣，可能會進入牛奶，改善其感官特性。Lejonklev等[24]研究報道了牛至精油和香菜精油能夠使牛奶產生香氣，進一步研究發現牛至精油中的活性成分傘花烴、香芹酚和倍半萜，香菜精油中的活性成分檸檬烯和香芹酮，可能通過呼吸系統和胃腸消化系統途徑被吸收并轉移到牛奶中[23]，且這一現象在飼喂行為發生后很短時間內就會出現[25]。

3 對機體抗氧化活性、炎癥反應和免疫狀態的影響

氧化應激、炎癥反應和免疫失衡是導致動物機體處于非健康狀態、誘發非傳染性疾病的主要原因，三者相互聯動，甚至出現疊加反應[26]。植物精油等天然活性成分的研究以及應用優化了傳統飼糧結構，極大發揮了內外源活性成分的調節功能。Lakhani等[27]研究發現單寧、皂苷和精油混合組水牛血清總蛋白、白蛋白和球蛋白的含量顯著增加，一方面可能是單寧與瘤胃中的蛋白質形成絡合物[28]，降低了蛋白質在瘤胃中的降解，從而提高蛋白質在瘤胃后腸道的利用率；另一方面血清中總蛋白含量較高歸因于飼糧中植物精油的添加，研究表明植物精油對微生物菌體蛋白質的合成有積極的作用。De Lavor等[29]認為植物精油能夠阻斷絲裂原活化蛋白激酶通路，通過減少氧化應激有關機制來阻斷核因子-κB的激活，進而減少炎癥的發生。Liu等[9]在犢牛飼養試驗中同樣證實混合精油能夠增強機體免疫系統對病原體清除的能力，同時也可以調節和改善由炎癥反應引起的免疫應激。Attri等[8]認為含有多種植物精油成分的復合型飼料添加劑能增強水牛自身免疫力的主要原因在于，動物機體營養攝入及利用效率大幅提高，尤其是氮的有效利用改善了細胞的完整性，從而提高機體免疫力。

植物精油的化學組成決定其具有天然的抗氧化活性，普通植物精油根據烴骨架分為2個結構家族，一個是由2個單萜、3個倍半萜或4個二萜異戊二烯單元結合形成的萜類化合物，另一個是苯丙素類化合物，2個家族都包含酚類化合物[30]。動物機體中少量活性氧的產生對發揮細胞正常功能是有益的，但是過量的活性氧就會導致細胞和組織損傷，造成氧化應激，此時內外源性抗氧化分子協同機體發揮抗氧化活性，使活性氧保持在較低水平，以降低自由基產生的毒性作用，同時動物機體炎癥反應也與自由基和活性氧的累積有關[31]。Kotsampasi等[32]研究發現，桔皮精油能夠改善母羊的抗氧化狀態，表現為血漿糖皮質激素水平、谷胱甘肽轉移酶和超氧化物歧化酶活性的增加，原因是桔皮精油中的D-檸檬烯具有極強的抗氧化特性，能夠提高動物的抗氧化機能。同樣，Gumus等[33]研究發現，羔羊飼糧中添加牛至精油能夠顯著改善其肝臟組織和肌肉組織的抗氧化活性，而不同劑量植物精油對背最長肌超氧化物歧化酶活性和肝臟谷胱甘肽轉移酶活性的影響不同。

4 對瘤胃菌群的調節

Zhou等[34]通過16s RNA測序技術研究比較了不同濃度的牛至精油對體外培養條件下瘤胃菌群的影響，研究發現隨著牛至精油濃度的增加，擬桿菌類普雷沃氏菌和小類桿菌屬的相對豐度隨之線性增加，主要原因在于牛至精油中包含的香芹酚、γ-萜品烯、百里香酚、對苯二酚和芳樟醇等活性成分具有顯著的抑菌功效，能夠抑制與擬桿菌類細菌存在競爭關系的其他細菌的生長，使擬桿菌類細菌成為瘤胃中的優勢菌群，而之所以對普雷沃氏菌作用效果不明顯，原因在于普雷沃氏菌屬于革蘭氏陰性菌，一般來說，革蘭氏陽性菌細胞壁周圍缺乏保護性外膜對牛至精油的敏感程度高于革蘭氏陰性菌[35]。Lei等[36]同樣證實了，在山羊飼糧中添加不同濃度的精油-鈷復合物，普雷沃氏菌的豐度隨著精油-鈷的添加濃度增加而增加，但隨著精油-鈷濃度的增加會降低厚壁菌門細菌的豐度，同樣多數屬于革蘭氏陽性菌的梭狀芽孢桿菌豐度也有所降低；另外變形菌荷載值[變形菌/(擬桿菌+厚壁菌)]≥0.19，被認為是生物代謝失調和疾病的潛在診斷標準，并且可被用作判斷胃腸道微生物群落是否失衡的標志[37]，宏基因組數據顯示，添加不同濃度梯度的精油-鈷各組變形菌荷載值均低于0.19，提示精油-鈷復合物的添加不會引起山羊瘤胃微生物菌群失調，同時能夠提高琥珀酸弧菌的豐度；菌群與代謝產物的相關性研究發現，琥珀酸弧菌豐度與瘤胃中揮發性脂肪酸濃度呈顯著正相關關系，琥珀酸弧菌豐度的提高能夠將更多的碳水化合物分解成揮發性脂肪酸，為機體提供能量，提高飼料利用率，而大量琥珀酸弧菌存在條件下幾乎不產生甲烷，從而降低由于甲烷生成而造成的能量浪費[38]。

反芻動物瘤胃微生物的定植和演替，是一個復雜而動態的過程，需要一個漫長的周期才能建立一個穩定的微生物群落區系，而幼齡期是反芻動物瘤胃微生物調控的關鍵窗口期，通過調控其瘤胃微生物的組成并誘導其盡快形成穩定的微生物區系，消化道發育形成完整的物理屏障、特異的化學屏障，以及適度的黏膜免疫并配合強有力的消化、吸收，對后期生產性能的提高和保持健康有極大的意義。Poudel等[39]研究發現，在新生犢牛代乳粉中添加復合植物精油(香芹酚、石竹烯、對傘花烴、桉樹腦、萜品烯和麝香草酚)以及阿拉伯半乳聚糖，研究結果表明試驗組和對照組瘤胃微生物菌群存在很大的差異，飼喂復合植物精油后擬桿菌門中普雷沃氏菌的豐度顯著升高，而厚壁菌門中毛螺旋菌科的豐度顯著降低，同時一種非特征性的瘤胃螺旋體菌株的豐度也顯著提高，這一菌種優先代謝阿拉伯半乳聚糖，這也就意味著阿拉伯半乳聚糖能夠誘導形成獨特的消化道生態位，從而實現消化道健康的定向調控。

5 對甲烷排放的影響

反芻動物生產被認為是溫室氣體排放的一個重要來源，腸道發酵產生的甲烷有71%來自瘤胃發酵。一般來說，飼糧中莫能菌素的添加能夠降低甲烷的產生與排放，提高反芻動物能量的利用率，但容易使病原菌產生耐藥性，近年來，已經報道了許多通過飼喂植物精油等天然植物源飼料添加劑來調節瘤胃發酵以減少甲烷排放的研究。Garcia等[40]報道了體外試驗中瘤胃底物發酵過程中甲烷產生量的減少與植物精油化學組成成分相關，特別是氧化物與非氧化合物的比例。Belanche等[41]一項薈萃分析研究發現，短期飼喂復合植物精油對奶牛瘤胃發酵及甲烷排放的影響較小且研究結果不一致，長期飼喂(>4周)相關研究結果趨于一致，其甲烷產量降低約10%，且不影響飼料消化率和產奶量，相關性研究發現甲烷產量的下降與原蟲數量的減少顯著相關，原蟲能將纖維類物質消化分解為氫氣和丁酸鹽，而甲烷生成菌能夠利用氫氣和二氧化碳還原生成甲烷。El-Zaiat等[42]評估了廣藿香精油(PEO)作為莫能菌素(MON)的替代品對瘤胃甲烷生成和飼糧降解特性的影響，結果表明與MON相比，PEO能夠顯著降低甲烷的生成，原因是MON和PEO二者可能對瘤胃菌群的作用機制不同，PEO組代謝能高于MON組，提示PEO組將更多的能量分配到了菌體蛋白質合成中，而較少的能量用于甲烷的生成，而MON則是通過改變瘤胃發酵類型(轉為丙酸型)來抑制甲烷的生成[43]，因PEO對甲烷生成抑制方面的潛力可作為瘤胃調節劑來替代抗生素。Soltan等[44]認為適宜的植物精油劑量對提高反芻動物能量利用率，降低甲烷排放至關重要，過高劑量可能對動物飼糧攝入量和營養物質消化產生不利影響，而將精油以膠囊的形式添加，使植物精油能夠在瘤胃中緩慢釋放，可以降低高劑量植物精油的直接添加帶來的不利影響。Wu等[45]提出間歇性的飼喂柑橘精油，能夠降低湖羊瘤胃微生物的適應能力，降低產甲烷菌的豐度，從而有效降低甲烷的產量。然而，另外一些研究發現，并不是所有植物精油都會對甲烷的生成有顯著抑制作用，Benchaar等[46]研究報道了牛至精油(活性成分：香芹酚)對泌乳奶牛瘤胃發酵、營養物質消化利用、產奶性能和甲烷排放均無顯著影響，推測原因是飼糧中添加50 mg/kg的牛至精油對瘤胃原蟲無抑制作用。

6 復合植物精油活性成分的疊加、協同和拮抗作用

市面上銷售的多數植物精油產品是由1種或者幾種活性成分相互復合而成的，但有關活性成分之間的可加性和協同作用還缺乏有力證據。Fandio等[47]通過體外試驗評價了茶樹精油(TeTr)、牛至精油、丁香精油(Clo)、百里香精油(Thy)、迷迭香精油(Ros)和鼠尾草精油(Sag)這6種植物精油及它們之間不同組合的復合植物精油對肉牛瘤胃微生物發酵特性的影響，研究發現TeTr與Thy組合、TeTr與牛至精油組合、Thy與牛至精油組合均能改善瘤胃微生物的發酵狀況，但其作用效果均與單獨添加TeTr的效果相當，從而證明這幾種植物精油組合所產生的功效不具有疊加性；當Thy與牛至精油分別于Clo組合，這2組復合精油對瘤胃發酵無顯著影響，提示不同植物精油組合存在拮抗作用。Bassolé等[48]認為具有疊加效應的混合植物精油，往往其植物精油中含有相似生物活性成分，例如具有相似結構的酚類化合物，而含有酚類或者醇類化合物的組合植物精油表現出協同效應，植物精油之間存在的拮抗作用則歸因于非氧化和氧化單萜烯烴之間的相互反應。植物精油發揮生物學活性作用往往與細胞膜相互作用密切相關，同時受發酵條件、底物及pH等因素的影響，研究發現麝香草酚和香芹酚作為百里香和牛至精油中的主要活性成分，因其具有改變細胞膜通透性的作用而具有廣譜抗菌性，但在pH為5.5環境中的抗菌性高于pH為6.5的活性，而復合植物精油活性成分的疊加、協同和拮抗作用同樣受這些因素的影響。

7 小 結

到目前為止，植物精油在動物生產中的應用已經取得顯著成效，但仍然存在一些問題需要我們深思和探討。首先，其作用機理和調控機制尚不十分清楚，主要原因在于植物精油組分中發揮生理功能的主效因子不明確，而主效因子又有關鍵因子和輔助因子之分[49]，應當將主效因子在動物機體中生物學功能、代謝途徑以及生物標記物的挖掘作為今后重點研究方向。其次，植物精油的應用及推廣仍然存在一定困難，原因在于植物精油中的活性成分受植物種類、植物生長環境、植物生長階段、提取部位、提取方法等多種因素的影響，沒有形成關于植物精油組分、結構及純度的相關生產標準及流程，且植物精油本身含有多種易揮發的活性成分，因而在提取及應用的過程中應該注意活性成分流失的問題，在今后的研究中，需加快建立植物精油的指紋圖譜數據庫；規范檢測及提取方法。再者，植物精油的配伍問題需要進一步探索，發揮不同植物精油之間的協同及疊加效應，開發既具有抗氧化功效又具有抗炎和免疫調節的復合植物精油產品。最后，迫切需要降低植物植物精油的生產成本，在提取過程中優化提取工藝，達到批量化生產要求，為植物精油的推廣奠定堅實基礎。