皂苷對瘤胃微生物菌群影響的研究進(jìn)展

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 馮志華 高艷霞 曹玉鳳 李建國＊ 李秋鳳

反芻動物瘤胃是一個復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，其中瘤胃微生物與宿主之間、微生物與微生物之間處于一種既協(xié)同又制約的動態(tài)平衡狀態(tài)。微生物間的關(guān)系會直接或間接影響反芻動物對飼料的消化和利用，進(jìn)而影響反芻動物的健康。因此，調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系使飼料養(yǎng)分最大程度地被利用顯得尤為重要。皂苷具有多種生物活性，如抗腫瘤、抗真菌、防治心血管疾病、降血糖和調(diào)節(jié)免疫功能等，本文就皂苷的化學(xué)結(jié)構(gòu)、存在形式及分布，皂苷或富含皂苷植物對反芻動物瘤胃微生物菌群的影響作一綜述。

1 皂苷的化學(xué)結(jié)構(gòu)、存在形式與分布

皂苷又名皂甙或皂素，是一類比較復(fù)雜的苷類化合物，主要由植物產(chǎn)生，少數(shù)低等海生動物和細(xì)菌亦可以產(chǎn)生，因其水溶液振搖時能產(chǎn)生大量持久的肥皂樣泡沫而得名。皂苷由皂苷元和糖、糖醛酸或其他有機酸組成。組成皂苷的常見糖有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖及其他戊糖類。皂苷的多樣性和復(fù)雜性是由糖鏈結(jié)構(gòu)的差異決定的。根據(jù)皂苷被水解后生成皂苷元的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，將皂苷分為兩大類：甾體皂苷和三萜皂苷。三萜皂苷又可分為四環(huán)三萜皂苷和五環(huán)三萜皂苷兩類，而以五環(huán)三萜最為常見。

皂苷存在于植物體的樹皮、根、莖、葉、種子和果實中，分布不一。在自然界中三萜烯皂苷比甾體皂苷分布范圍廣。已發(fā)現(xiàn)含有三萜皂苷的植物有600多種，其中在豆科、五加科、傘形花科、報春花科、葫蘆科等植物中比較普遍；植物中已發(fā)現(xiàn)的甾體皂苷元有近百種，它們主要存在于單子葉植物百合科的絲蘭屬、知母屬、菝葜科、薯蕷科、龍食蘭科等；雙子葉植物也有發(fā)現(xiàn)，如豆科、玄參科、茄科等。近年來，從海洋生物如海星中也分離得到了皂苷，而且具有很強的生物活性。

2 皂苷對瘤胃微生物菌群的影響

2.1 皂苷對瘤胃原蟲的影響 大量研究證實，許多皂苷或富含皂苷的植物對瘤胃原蟲具有抑制作用。Valdez等（1986）研究表明，添加絲蘭皂苷后原蟲的數(shù)量減少，同時細(xì)菌的數(shù)量略有增加。Wallace等（1994）利用體外實驗也證明絲蘭皂苷能夠抑制瘤胃纖毛蟲的生長；另有資料報道，印度田箐葉子和豆科植物中存在的皂苷，均能夠抑制原蟲的活性（Goel等，2008；Newbold 等，1997）。 然而，不同部位印度田箐的抗原蟲活性也不同，這表明植物的不同部位存在的皂苷類型可能不同（Teferedegne，1999）。與此類似，其他體外實驗也證明皂樹皂苷、大葉相思葉皂苷、無患子皂苷和葫蘆巴籽皂苷均具有抗原蟲活性 （Goel等，2008；Hristov等，2003；Hess等，2003a；Makkar等，1998）。Hu 等（2005）研究表明，添加茶皂素可以顯著抑制瘤胃原蟲的生長（P＜0.01）。陳旭偉和王洪榮（2009）研究結(jié)果表明，0.3%茶皂素+0.03%絲蘭皂苷能極顯著降低瘤胃原蟲數(shù)量 （P＜0.01）。許多體內(nèi)實驗也證實皂苷或富含皂苷的植物具有抗原蟲的效果。Hristov等（1999）報道，絲蘭皂苷降低了青年母牛瘤胃原蟲的數(shù)量。日糧中添加2%和4%的苜蓿皂苷可使綿羊瘤胃原蟲數(shù)量分別減少34%和 66%（Lu 和 Joyrnal，1987）。 此外，飼喂富含皂苷的植物如印度田箐和無患子均可減少綿羊瘤胃內(nèi)原蟲的數(shù)量 （Goel等，2008；Hess 等，2004b；Newbold等，1997）。一般認(rèn)為，皂苷通過與原蟲細(xì)胞膜甾醇部分相互作用，使細(xì)胞膜遭到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的滲漏，這可能是皂苷具有抗原蟲作用的主要原因（Francis等，2002）。

但也有一些研究表明，皂苷對原蟲的數(shù)量沒有影響。Hristov等（2003）體外實驗證明，在培養(yǎng)液中添加0.1%、0.2%和 0.4%的富含皂苷的絲蘭提取物對原蟲的數(shù)量沒有影響。Benchaar等（2008）研究表明，給奶牛飼喂60 g富含10%皂苷的絲蘭提取物并未顯示抗原蟲的效果。關(guān)于皂苷不能抑制原蟲的具體原因還不清楚，一些因素諸如皂苷的結(jié)構(gòu)、劑量、日糧組成、微生物區(qū)系組成及其對皂苷的適應(yīng)性均會影響皂苷的效果。此外，對植物或植物提取物中皂苷含量的測定方法不同，也會導(dǎo)致相同劑量的皂苷產(chǎn)生不同效果（Cheeke，1996）。 Klita 等（1996）報道，利用高效液相色譜法（HPLC）測定的皂苷含量通常比生物學(xué)測定方法低（例如溶血性微量方法）。

2.2 皂苷對瘤胃細(xì)菌和真菌的影響 瘤胃中的細(xì)菌和真菌亦受皂苷的影響，但瘤胃細(xì)菌和真菌所受影響程度不同。Wina等（2005）體外實驗研究了粗料型基礎(chǔ)日糧中添加用甲醇提取的毛瓣無患子皂苷0、1.0、2.0 mg/mL和4.0 mg/mL的效果。薄膜雜交分析表明，細(xì)菌RNA的濃度在皂苷劑量為1 mg/mL時較高，但是高劑量的皂苷并沒有影響總細(xì)菌的數(shù)量。2.0 mg/mL和4.0 mg/mL毛瓣無患子的甲醇提取物皂苷對白色瘤胃球菌（R.albus）和黃色瘤胃球菌（R.flavefaciens）具有抑制作用。相反，real-time PCR定量分析表明，來自葫蘆巴籽和印度田菁葉子的皂苷提取物使產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌 （F.succinogenes）的數(shù)量分別提高 42%和45%，而飛廉屬植物葉子和葫蘆巴籽皂苷使黃色瘤胃球菌 （R.falvefaciens）的數(shù)量提高了40%（Goel等，2008）。另有研究表明，絲蘭提取物中的甾體皂苷對纖維分解菌的活性具有抑制作用，但是對于淀粉分解菌的抑制作用因種屬差異變化較大。由于皂苷的存在使細(xì)菌的細(xì)胞壁發(fā)生了變化，導(dǎo)致牛鏈球菌（Streptococcus bovis）、棲瘤胃普雷沃氏菌（Prevotella ruminicola）和嗜淀粉瘤胃桿菌（Ruminobacter amylophilus）的生長受到抑制，而反芻獸新月形單胞菌的生長得到加強 （Wang等，2000）。以上研究表明，皂苷對瘤胃細(xì)菌的影響具有種類依賴性，生產(chǎn)中可以利用皂苷對瘤胃代謝進(jìn)行調(diào)控。例如，反芻月形單胞菌是瘤胃內(nèi)常見的革蘭氏陰性菌，占瘤胃可培養(yǎng)總細(xì)菌數(shù)的50%，該菌可以利用乳酸。因此，促進(jìn)該菌的生長對于防治酸中毒具有重要意義。此外，牛鏈球菌的數(shù)量隨著精料濃度的升高而快速增長，使可溶性淀粉發(fā)酵成為乳酸，乳酸進(jìn)一步增多，從而引發(fā)急性瘤胃酸中毒。因而在高精料日糧中添加皂苷會減少酸中毒的發(fā)生率（Russell和 Rychlik，2001）。

關(guān)于皂苷對一些細(xì)菌的促生長機制還不清楚。Sen等（1998）認(rèn)為可能是低劑量的皂苷以某種可調(diào)控的方式促進(jìn)細(xì)胞膜的滲透，使細(xì)菌細(xì)胞吸收更多的養(yǎng)分。一些混合培養(yǎng)研究表明，富含皂苷的植物能夠提高細(xì)菌數(shù)量，主要是因為皂苷抑制了原蟲的數(shù)量 （Hess等，2004；Newbold等，1997）。

目前，關(guān)于皂苷對真菌影響的研究還比較少，結(jié)論也往往不一致。純培養(yǎng)實驗表明，絲蘭提取物中的甾體皂苷對真菌的活性具有抑制作用（Wang等，2000）。 Goel等（2008）報道，葫蘆巴和印度田菁使厭氧總真菌數(shù)量分別減少65%和38%。Wina等 （2005）體外研究表明，毛瓣無患子（S.rarak）提取物濃度為4 mg/mL時，壺菌綱的數(shù)量減少，濃度為1 mg/mL和2 mg/mL時對壺菌綱菌的數(shù)量沒有影響。Wina等（2006）給綿羊長期飼喂（105 d）0.24、0.48 g/kg 和 0.72 g/kg 體重的毛瓣無患子皂苷，結(jié)果表明，低劑量的毛瓣無患子皂苷對壺菌綱具有正面效應(yīng)，而高濃度則沒有效果。

2.3 皂苷對瘤胃產(chǎn)甲烷菌的影響 甲烷是與全球氣候變化密切相關(guān)的溫室氣體，對全球氣候變暖作用占到所有影響氣候變暖因素作用的15%～20%，其增溫潛勢是二氧化碳的62倍。據(jù)估計，每年進(jìn)入大氣層中由家畜產(chǎn)生的甲烷總量為7.7×107t，其中很大部分來源于反芻動物（Johnson和 Ward，1996），占散發(fā)到大氣中甲烷總量的15%，而且每年還以1%的速度遞增 （Moss等，2000）。因此，研究皂苷如何影響產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和減少甲烷產(chǎn)量具有十分重要的意義。雖然很多學(xué)者也作了這方面的研究，但主要集中在皂苷對甲烷產(chǎn)量的影響方面，關(guān)于皂苷對產(chǎn)甲烷菌影響的報道還很少。

Hess等（2003）純培養(yǎng)實驗表明，在去原蟲狀態(tài)下無患子能夠減少甲烷的產(chǎn)生，但對甲烷桿菌的數(shù)量沒有影響，表明皂苷可能直接影響了甲烷桿菌的活性。Guo等（2008）報道，400 mg/L茶皂素對甲烷短桿菌的甲基輔酶-M還原酶mcrA基因的生長和表達(dá)沒有影響。瘤胃液混合培養(yǎng)時，茶皂素對產(chǎn)甲烷菌數(shù)量沒有影響，但mcrA基因的表達(dá)量降低了76%（P＜0.05），甲烷產(chǎn)量降低了8%（P＜0.05）。皂苷對瘤胃產(chǎn)甲烷菌的抑制效果與日糧中皂苷的水平和日糧組成有關(guān)。高劑量（4 mg/mL）的毛瓣無患子果實皂苷能夠降低甲烷桿菌RNA的濃度，而低劑量時對甲烷桿菌沒有影響（Wina 等，2005）。 Wina 等（2005）研究認(rèn)為，甲烷桿菌RNA濃度的降低可能與抑制原蟲活性有關(guān)。然而也有研究證明，無患子果實富含的皂苷雖然使甲烷產(chǎn)量有所降低，卻提高了綿羊甲烷桿菌的數(shù) 量 （Ivan 等 ，2004；Hess 等 ，2004）。 Goel等（2008）報道，精料型基礎(chǔ)日糧中添加田菁皂苷和葫蘆巴皂苷抑制甲烷的效果比粗料型基礎(chǔ)日糧顯著。從田菁葉、葫蘆巴籽和山蘿卜屬葉中提取的皂苷使產(chǎn)甲烷菌數(shù)量分別減少78%、22%和21%，但對甲烷產(chǎn)量沒有影響，這可能是由于發(fā)酵模式和微生物多樣性的改變導(dǎo)致甲烷生成的速度改變所致。

綜上所述，皂苷對瘤胃微生物菌群的作用效果，取決于皂苷的類型、添加劑量、日糧組成和微生物菌群對皂苷的適應(yīng)性等因素。

3 瘤胃微生物對皂苷的適應(yīng)性及皂苷的降解

利用皂苷或富含皂苷植物的問題之一是其抗原蟲的活性是短暫的（Teferedegne等，1999；Newbold等，1997）。持續(xù)飼喂田菁10 d和象耳豆14 d后，這些植物中存在的皂苷對綿羊的抗原蟲活性就消失了（Ivan 等，2004；Newbold 等，1997）。 Wina等（2006）研究表明，在短期內(nèi)毛瓣無患子皂苷對白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）、黃色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）和壺菌綱具有負(fù)面效應(yīng)，而這種效應(yīng)在長期添加后則會消失，可能由于長期添加導(dǎo)致瘤胃白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌和真菌壺菌綱對皂苷產(chǎn)生了適應(yīng)性。據(jù)觀察，絲蘭皂苷會使布氏普雷沃氏菌 （Prevotella bryantii）細(xì)胞壁厚度增加，證明這些細(xì)菌對皂苷的適應(yīng)性（Russell和 Rychlik，2001）。 關(guān)于微生物對皂苷產(chǎn)生適應(yīng)性的具體機制還不清楚，可能與微生物會迅速產(chǎn)生降解皂苷的能力而導(dǎo)致皂苷抗原蟲活性的喪失有關(guān)。飼喂絲蘭皂苷幾天后由瘤胃球菌（Ruminococci）產(chǎn)生的高活性糖苷酶，可能參與了適應(yīng)過程（Wang等，2000）。此外，微生物從前接觸過富含皂苷的植物也有利于其對皂苷快速反應(yīng)并減弱富含皂苷植物的抗原蟲活性（Teferedegne等，1999）。動物品種和飼養(yǎng)制度不同或動物所處環(huán)境不同，都可能會降低皂苷的抗原蟲活性。埃塞俄比亞綿羊瘤胃微生物種群能夠?qū)υ碥盏目乖x活性結(jié)構(gòu)進(jìn)行降解，而蘇格蘭綿羊則不能（Teferedegne等，1999）。 Odenyo 等（1997）觀察到直接把印度田菁投進(jìn)瘤胃對原蟲仍然保持毒性，但是日糧中添加則不然，這說明咀嚼過程產(chǎn)生的唾液可能對皂苷進(jìn)行了降解，起到解毒作用。

目前關(guān)于皂苷對瘤胃微生物影響的報道較多，但關(guān)于瘤胃微生物對皂苷降解方面的研究較少。皂苷在瘤胃中的代謝包括去糖基化作用和皂苷元核心部分結(jié)構(gòu)的變化。體外批次培養(yǎng)試驗證明皂苷能被降解生成皂苷元，皂苷元再經(jīng)過緩慢的氧化還原過程而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化 （Wang等，2000、1998）。不同種類的皂苷在瘤胃中的降解率及其變化幅度較大。苜蓿皂苷在綿羊消化道中的降解率達(dá)96% ～98%（Mathison等，1999）。 與此相似，Ogura 和 Sugawara（1998）報道，白三葉草在瘤胃尼龍袋內(nèi)培養(yǎng)24 h后，殘余物中未檢測到白三葉皂苷的存在。Makkar等（1997）利用奶牛瘤胃液體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，皂樹皂苷在培養(yǎng)液中孵化24 h后被100%降解，而6 h孵化后沒有被降解。由此得知，自然界中可能存在一些不易被降解的皂苷，具有持久的抗菌效果。

4 結(jié)語

綜上所述，皂苷能有效控制瘤胃微生物菌群的組成和數(shù)量，從而進(jìn)一步調(diào)控瘤胃發(fā)酵，提高反芻動物生產(chǎn)效率，減少環(huán)境污染。但反芻動物瘤胃微生物對皂苷會產(chǎn)生適應(yīng)性，導(dǎo)致皂苷的抗原蟲效應(yīng)不能持久，關(guān)于這一問題的解決措施及瘤胃微生物菌群對皂苷的適應(yīng)機制尚待進(jìn)一步研究。此外，不同來源植物皂苷的含量和組成有較大差異，生物活性也不同。因此，今后應(yīng)著手從眾多天然植物中提取一種有效皂苷，能夠特異性地抑制原蟲和產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量及活性，促進(jìn)有益菌和真菌的生長，提高動物的生產(chǎn)性能，降低其負(fù)面效應(yīng)。

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