肉桂醛的生物學作用及其在動物生產(chǎn)中的應用

周 苗， 范馨尹， 李志青， 馬曉康

（湖南農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，湖南長沙 410128）

過去幾十年里， 抗生素在集約化動物生產(chǎn)中扮演著舉足輕重的角色， 為人類動物源性食品的供應做出了不可磨滅的貢獻， 但近年其帶來的一系列問題逐步顯露并備受關注， 因此歐美發(fā)達國家早在本世紀初就相繼在動物生產(chǎn)中禁用抗生素類促生長劑，而我國也在2019 年7 月9 日發(fā)布農(nóng)業(yè)農(nóng)村部194 號公告，規(guī)定自2020 年7 月1 日起我國飼料生產(chǎn)企業(yè)停止生產(chǎn)含有促生長類藥物飼料添加劑（中藥類除外）的商品飼料。 隨著飼料無抗時代的到來， 飼料生產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖面臨著巨大挑戰(zhàn)， 飼用抗生素替代品的開發(fā)探索變得尤為迫切 （印遇龍等，2020；Cheng 等，2020；Chen 等，2020）。 肉桂醛（CA）為丙烯醛衍生物，又名皮桂醛，是肉桂等植物所提精油的主要成分，可通過人工合成其單體物質(zhì)及其衍生物 （Hajinejad 等，2020）。 CA 具有抑菌、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抗癌、殺蟲等生物功效，并且其來源充足、毒副作用小及綠色環(huán)保，在人類醫(yī)療、食品、美妝及動植物生產(chǎn)等領域已頗有研究和應用 （Doyle 等，2019；Friedman等，2017；Hong 等，2016）。 本文就 CA 的生物作用及其在動物生產(chǎn)中的研究結(jié)果進行概述， 并對其潛在作用機制進行探討， 以期為其進一步研究開發(fā)及在動物生產(chǎn)中廣泛應用提供參考。

1 CA 的生物學作用

1.1 抑菌 隨著細菌耐藥性的增強，細菌性疾病已成為影響動物健康的主要因素， 其防治措施一直是該領域的研究熱點（Poolman 等，2020；Wernli等，2020）。 研究表明，CA 可以抑制多種細菌和真菌活性（Behbahani 等，2021），如沙門氏菌、大腸桿菌、葡萄球菌、李斯特菌、黑曲霉菌等，具有良好的廣譜抗菌活性（Purkait 等，2020）。 結(jié)構完整是細胞正常存活的基礎，Yin 等（2020）發(fā)現(xiàn)，CA 可以導致嗜水氣單胞菌的細胞壁和細胞膜破裂， 致使細胞質(zhì)缺失、內(nèi)部空化和異常的二元分裂，并且提高其電導率、 乳酸脫氫酶活性和DNA 外滲水平，這表明CA 可以通過破壞細胞膜和影響蛋白質(zhì)代謝來達到抑制和殺滅效果。 生物膜是嵌入細胞外基質(zhì)中的表面附著的微生物群落，具有一定的保護作用，使其更能耐受抗菌劑。 Ali 等（2020）發(fā)現(xiàn)，反式CA 能夠影響糞球菌生物膜的代謝活性，并且作用效果持久，使其受損生物膜喪失修復能力，效果與1%次氯酸鈉和2%洗必泰相當， 可能是由于反式CA 具有穿透和擾亂糞腸球菌疏水細胞膜完整性的能力。 He 等（2019）指出，CA 能增加細胞表面疏水性，減少細菌聚集，抑制產(chǎn)酸和減弱耐酸性，同時 下 調(diào) gtfB、gtfC、gtfD、gbpB、comDE、vicR、ciaH、ldh 和relA 等與生物膜形成和產(chǎn)毒相關基因的表達。CA 可以通過生物膜的多糖基質(zhì)擴散，使其不穩(wěn)定，從而改變細胞表面結(jié)構，這可能跟CA 分子具有α，β-不飽和羰基結(jié)構， 從而能與細胞膜親水層作用有關（Albano 等，2018）。 此外，CA 與部分抗生素有協(xié)同作用， 即提高低濃度的抗生素抗菌效果（Shahverdi 等，2007）。綜上，目前主要認為 CA 通過破壞細胞膜完整性， 影響蛋白質(zhì)代謝和生物膜形成，以及降低群體感應效應來發(fā)揮抑菌和殺菌作用（Vasconcelos 等，2018）。

1.2 抗炎 炎癥是機體非特異性免疫系統(tǒng)對內(nèi)源性或外源性刺激原所產(chǎn)生的一種防御性反應，雖然清除了刺激原和壞死組織，維護了機體健康，但一旦炎癥過度刺激免疫系統(tǒng)， 過量釋放細胞因子，就會危及動物生命。CA 可以通過ERK1/2、p38和NF-κB 等多種信號通路改善神經(jīng)炎癥、 關節(jié)炎、過敏性皮炎等炎癥。 Li 等（2020）發(fā)現(xiàn)，CA 可以抑制腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）、白介素-1β（IL-1β）的表達，阻斷 PI3K/ AKT信號通路， 抑制類風濕關節(jié)炎成纖維細胞的增殖和轉(zhuǎn)移，從而改善類風濕性關節(jié)炎的發(fā)展進程。肥大細胞可以釋放各種炎癥介質(zhì)，如組胺、蛋白酶、細胞因子、趨化因子和前列腺素、白三烯等類花生酸， 在過敏及其他炎癥疾病中起著至關重要的作用。 研究表明，CA 具有抑制細胞因子合成，降低受刺激細胞中組胺的水平，并減弱β-己氨基糖苷酶的釋放和細胞脫粒的能力 （Badger-Emeka 等，2020）。 Ahn 等 （2016） 發(fā)現(xiàn)，CA 可以通過阻斷MAPK 通路，從而減少肥大細胞RBL-2H3 的脫粒生成，降低 TNF-α 環(huán)氧化酶-2（COX-2）的相對表達水平。 Mendes 等（2016）觀察到，CA 能夠改善脂多糖誘導的全身炎癥反應綜合征小鼠的病狀，減少循環(huán)單核細胞數(shù)量， 增加腹膜單核細胞和多形核細胞數(shù)量， 并且提高了小鼠的Ly6Chighand 和Ly6clo 單核細胞/巨噬細胞的比值， 同時降低了NO、TNF-α 水平。 此外，CA 可以通過抑制腸炎型沙門氏菌的幾種SPI-1 關鍵調(diào)節(jié)蛋白HilA、HilC、HilD 和InvF 的轉(zhuǎn)錄，從而減弱其產(chǎn)毒能力，從源頭抑制了刺激原的產(chǎn)生（Liu 等，2019）。

1.3 其他作用 研究表明，CA 在誘導細胞凋亡，抑制癌變細胞遷移和侵襲，對抗白血病、肝細胞癌和口腔癌等方面也有不錯的功效 （Hong 等，2016）。Huang 等（2020）報道，CA 能夠明顯抑制體外培養(yǎng)的骨肉瘤細胞增殖，誘導細胞凋亡，并且呈濃度依賴性。 在小鼠模型中，CA 抑制骨肉瘤的生長， 可能是通過抑制骨肉瘤Wnt/β-連環(huán)蛋白和PI3K/Akt 的轉(zhuǎn)錄活性， 從而實現(xiàn)抑制骨肉瘤細胞的增殖、遷移、侵襲和促進凋亡的目的。 CA 具有減少病原微生物毒素釋放的作用。 有報道稱，CA破壞鏈格孢菌細胞壁完整性后， 菌體生長過程中合成的真菌毒素可能在膜破壞后與CA 相互作用， 從而降低了環(huán)境中毒素水平 （Xu 等，2018）。Duan 等（2021）發(fā)現(xiàn)，CA 可能通過抑制 CYP3A4的轉(zhuǎn)錄誘導， 減少翡翠貽貝消化腺中腹瀉性貝類毒素的積累。 此外，CA 還具有改善動物認知障礙（Ryu 等，2020）、 減緩氧化應激造成的細胞損傷（Choi 等，2020）、促進傷口愈合（Yuan 等，2018）和驅(qū)蟲（Abbasi 等，2020）等作用。

2 CA 在動物生產(chǎn)中的應用

以CA 等為核心的植物精油作為植物提取物中的主要成分， 具有特殊芳香氣味及多種有益生物活性， 是一類飼用促生長抗生素類藥物的潛力替代物質(zhì)， 近年來一直深受科研機構及生產(chǎn)企業(yè)的關注（Stevanoviác等，2018；Omonijo 等，2017）。研究表明，CA 能夠積極改善動物飼料適口性、免疫能力、腸道健康及消化功能等，從而提高豬、禽、反芻及水產(chǎn)動物的生產(chǎn)性能（Huang 等，2017）。

2.1 促進營養(yǎng)物消化吸收， 提高生產(chǎn)性能 研究表明，CA 能提高動物干物質(zhì)（DM）攝入量及產(chǎn)奶量（Wall 等，2014），優(yōu)化胴體品質(zhì)，促進微生物蛋白（MCP）轉(zhuǎn)化，減少氮排瀉量，利于營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收（Yang 等，2009）。 丁大偉等（2019）在荷斯坦奶牛日糧中添加CA 發(fā)現(xiàn)， 可以提高其DM 攝入量、產(chǎn)奶量，同時提高其氮表觀消化率，減少尿糞氮排泄量，利于減少環(huán)境污染并提高資源利用效率。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)CA 可以促進荷斯坦奶牛瘤胃MCP合成，提高DM、CP、中性洗滌纖維（NDF）及酸性洗滌纖維（ADF）消化率。柴建亭等（2018）發(fā)現(xiàn)，CA 可以提高肉雞粗脂肪、氮、天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸和色氨酸的消化率，降低料肉比。

研究表明，CA 可以改善豬只生長性能，提高飼料報酬。 鄒勝龍等（2015）報道，CA 可以提高斷奶仔豬平均日采食量 （ADFI） 及平均日增重（ADG），并改善仔豬皮毛潤澤程度。周明等（2019）也證實，CA 能促進肉仔雞的生長，改善其營養(yǎng)生化代謝，增強雞體免疫功能，提高雞肉品質(zhì)，且效果優(yōu)于飼用抗生素預混料， 表現(xiàn)出良好的替代飼用促生長抗生素潛能。 此外有報道稱，CA 可以替代保育豬飼糧中的抗生素（金霉素、黏桿菌素和桿菌肽鋅合劑），并且效果優(yōu)于抗生素，其在防治豬只腹瀉、 提高機體抗氧化能力及飼料轉(zhuǎn)化率方面有著較好效果（周明等，2016；申書婷等，2015），李茜茜等（2017）也得到了類似結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)CA可以提高腸道有益菌含量。吳東等（2020）證實，肉桂醛可以替代育肥豬飼糧中吉他霉素， 并顯著提高豬只血清免疫球蛋白-G（IgG）含量、總抗氧化能力（T-AOC）及谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）活性，這表明CA 可以改善豬只健康狀況，提高生產(chǎn)性能。

2.2 防控病原菌， 維護機體健康 疾病一直是制約畜禽生產(chǎn)的首要因素，雖然相關化學合成藥物可以有效降低損失，但其不規(guī)范使用導致了一定的耐藥性及藥物殘留等問題，降低了防治效果和消費者認同度（Szewc 等，2020）。 Williams 等（2015）報道，CA 可以破壞豬蛔蟲腸道微絨毛及其組織完整性，從而有效發(fā)揮體內(nèi)外驅(qū)蟲特性。細菌呼吸道感染是影響?zhàn)B豬生產(chǎn)的主要健康問題，研究發(fā)現(xiàn)，CA 可以有效抑制豬鏈球菌、豬胸膜肺炎放線桿菌、豬放線桿菌、支氣管敗血波氏桿菌、副豬嗜血桿菌和多殺性巴氏桿菌等呼吸道病原體（Lebel 等，2019）。

隨著家禽集約化規(guī)模生產(chǎn)的流行及抗生素使用的不規(guī)范， 細菌性疾病在家禽生產(chǎn)中呈現(xiàn)日趨增加的態(tài)勢， 相關細菌性疾病的日常防控顯得尤為重要（Lone 等，2021）。 研究發(fā)現(xiàn)，CA 對雞腸炎沙門氏菌病（SE）（Zhang 等，2019）、耐藥性大腸桿菌病 （Roth 等，2019）、 壞死性腸炎 （Abdelli 等，2020） 等疾病有一定防治作用。 Upadhyaya 等（2015）發(fā)現(xiàn)，反式CA 能夠有效減少人工感染腸道沙門氏菌（SE）蛋雞的雞蛋蛋殼、蛋黃及臟器（盲腸、肝臟、輸卵管）的SE 數(shù)量，可能是通過下調(diào)SE附植和侵襲能力相關基因的表達， 從而降低其存活率。Upadhyaya 等（2015）還發(fā)現(xiàn)，CA 可以減少種蛋蛋殼表面 SE 含量。 Kollanoor 等（2017）發(fā)現(xiàn)，CA可以減少與SE 鞭毛運動，調(diào)節(jié)致病島1 表達和對腸上皮細胞侵襲相關的基因PT8 的表達， 同時抑制了編碼多轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和外膜蛋白的基因轉(zhuǎn)錄，此外還刺激了熱休克蛋白相關基因的表達，如dnaK、dnaJ、ibpB 和 ibpA， 從而影響 SE 的代謝及合成途徑。 此外，CA 對家禽寄生蟲有一定驅(qū)蟲功效，在一定程度上對雞球蟲病和刺螨有防治效果（Abbasi等，2020；Galli 等，2020；周強等，2019）。

乳房炎是奶牛常見疾病之一， 是影響奶牛產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)的重要因素。 有研究顯示，CA 對金黃色葡萄球菌（S.aureus）、大腸桿菌（E.coli）和乳房鏈球菌（S.uberis）三種造成奶牛乳房炎的主要致病菌有著良好的抑制及殺滅作用， 且對奶牛皮膚無刺激影響（胡飛等，2017；程浩等，2017）。

2.3 改善胃腸道健康 動物腸道形態(tài)結(jié)構、消化酶活性及微生物區(qū)系等因素與動物營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收、免疫能力直接相關，健康動物腸道黏膜上皮細胞定期死亡脫落， 并由隱窩產(chǎn)生的新細胞迅速更新，從而保障腸道結(jié)構完整性（Singh 等，2021）。有研究指出，CA 可以提高肉雞十二指腸和空腸腸道絨毛高度（VH）、絨毛高度與隱窩深度的比值（V/C），降低隱窩深度（CD）（劉洋，2014），與宋文靜等（2020）在大余麻鴨上進行的試驗結(jié)果類似。段瑞等（2017）在科寶肉雞日糧添加不同水平的包被CA 發(fā)現(xiàn)， 其可以提高十二指腸VH、 空腸VH和V/C，促進腸道結(jié)構完整性；并降低血液中谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）和谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）活力，緩解肝腎壓力；提高脾臟指數(shù)、ADG、ADFI，改善機體免疫能力及生產(chǎn)性能。

斷奶仔豬腹瀉一直是影響仔豬生產(chǎn)效益的關鍵因素，通常認為大腸桿菌（ETEC）感染是重要因素之一（Duan 等，2020）。 Jiménez 等（2020）發(fā)現(xiàn)，CA 可以減緩ETEC 攻毒處理斷奶仔豬的肝、 脾、腸等組織損傷，提高VH、V/C，同時減少腸道固有層炎性細胞數(shù)量，促進腸細胞增殖。 CA 可以通過上調(diào)腸道緊密連接蛋白-4 及pIgR 表達， 調(diào)節(jié)細胞氨基酸代謝，加快損傷黏膜組織修復，從而提高腸道黏膜屏障完整性； 同時抑制腸黏膜炎癥因子表達，促進有益菌附植（Shen 等，2020 ；Wang 等，2015）。 王雨瓊等（2014）也發(fā)現(xiàn)，CA 對豬小腸上皮細胞有一定的增殖效果，且無細胞毒性。

瘤胃微生物發(fā)酵對反芻動物健康、營養(yǎng)利用、解毒和甲烷排放有著直接或間接的作用。 崔喬等（2021）發(fā)現(xiàn)，CA 可以調(diào)控肉羊的瘤胃發(fā)酵，改善羔羊生長性能， 提高飼糧中DM、NDF、ADF 的瘤胃有效降解率以及飼糧氮在瘤胃中的存留率，降低CH4產(chǎn)量， 從而提高飼糧能量和氮的利用率。此外，CA 可調(diào)節(jié)荷斯坦奶牛公犢牛瘤胃微生物菌群結(jié)構，提高瘤胃總揮發(fā)性脂肪酸含量，降低腹瀉率（楊云燕，2019）。

在草魚飼糧中添加適宜CA 可以促進其腸道發(fā)育，同時增強腸和肝胰腺消化酶（脂肪酶、糜蛋白酶、胰蛋白酶和淀粉酶）和腸刷狀緣酶[肌酸激酶（CK）、鈉/鉀-三磷酸腺苷酶、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（γ-GT）和堿性磷酸酶（AKP）]的活性，提高其消化吸收能力， 從而提高生長性能 （Zhou 等，2020）。CA 對半滑舌鰨腸道健康也有積極作用， 能夠改善其前腸結(jié)構，增加腸絨毛分支以及寬度，擴大乳糜管空間， 有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及對病原微生物的抵抗（Wang 等，2021）；調(diào)節(jié)腸道微生物群落及多樣性， 增加腸道益生菌數(shù)量， 如芽孢桿菌屬、乳桿菌屬和雙歧桿菌屬（蔣溥等，2019）。

2.4 改善產(chǎn)品品質(zhì) 在改善畜禽產(chǎn)品品質(zhì)方面，CA 也有積極作用。 Luo 等（2020）發(fā)現(xiàn)，在育肥豬日糧中添加CA 可以提高背最長肌面積、pH24h、保水率、大理石花紋評分，降低平均背膘厚、剪切力、肌內(nèi)脂肪、糖酵解潛力，并提出糖酵解潛力降低可能與磷酸甘油酸激酶（PGK）和甘油醛3-磷酸脫氫酶（GAPDH）的活性降低有關。 柴建亭等（2018）發(fā)現(xiàn)，CA 能改善肉雞胸肌嫩度、 胸腿肌含水率。He 等（2014）發(fā)現(xiàn)，在肉牛飼糧中添加 CA 可以改善肝臟和肌肉中脂肪酸組成， 提高牛肉營養(yǎng)價值和風味。 另有報道稱，CA 可以降低荷斯坦奶牛奶中體細胞水平，提高乳脂率及乳蛋白含量（丁大偉等，2019）。 此外，CA 可以保持魚肉在貯藏期間的質(zhì)地特性，有望延長魚肉貨架期（Xu 等，2020）。

2.5 增強抗應激能力 高密度飼養(yǎng)導致的擠壓應激、熱應激是影響家禽生產(chǎn)效益的重要因素。 研究表明，CA 能夠緩解肉雞及肉鴨熱應激及擠壓應激，減少環(huán)境因素導致的傷亡（宋文靜等，2020；Hosseini 等，2018）。此外，CA 能夠通過增強超氧化物歧化酶、過氧化氫酶的活性和谷胱甘肽過氧化物酶的水平，降低丙二醛的含量，以及通過提高血清、肝臟、中腎和脾臟中溶菌酶的活性來改善半滑舌鰨魚體抗氧化能力和免疫狀態(tài)（Wang 等，2021）。

3 小結(jié)

CA 作為一種天然植物提取物，具有抑菌、抗炎等多種生物學作用，并且可以通過與多種物質(zhì)結(jié)合增強其生物活性。 在畜禽生產(chǎn)的后抗生素時代，CA可以有效維護畜禽機體健康， 改善畜禽生產(chǎn)性能，提高養(yǎng)殖效益，是一種頗具應用前景的飼用抗生素替代物。 將來還需在以下方面繼續(xù)深入探究：（1）CA 的作用機理；（2）CA 衍生物的開發(fā)及其活性變化；（3） 飼料加工調(diào)制工藝及儲存條件對CA 活性的影響；（4）CA 與其他活性成分配伍時的最佳劑量及其配伍效果；（5） 載體工藝對CA 生物活性及其作用靶點的調(diào)控；（6）飼用CA 的相關標準制定。 從而確定CA 及其衍生物在不同種屬動物、不同生理階段、不同生產(chǎn)目的、不同飼養(yǎng)水平中的最佳使用劑量和劑型，以促進CA 的推廣應用。