植物揮發(fā)油的生物學(xué)活性及其在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展

山東省昌樂縣畜牧局 王建寶 趙瑞芳 叢志慧＊

植物揮發(fā)油又稱精油，是存在于植物中的一類具有芳香氣味、可隨水蒸氣蒸餾出來而又與水不相混溶的揮發(fā)性油狀成分的總稱。揮發(fā)油是植物的一種次級代謝產(chǎn)物，用于抵御傳染性或寄生性病蟲害、應(yīng)對環(huán)境應(yīng)激、降低草食動物對植物的適口性等。研究表明，在單胃動物飼料中添加牛至油、大蒜油等揮發(fā)油具有提高飼料消化率、抗菌促生長等功能，而在反芻動物飼料中添加揮發(fā)油，則可調(diào)控瘤胃發(fā)酵、降低甲烷排放、提高瘤胃氮存留率。可見，揮發(fā)油在除作為防腐劑應(yīng)用于飼料工業(yè)外，還可作為一種潛在的促生長添加劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 植物揮發(fā)油主要成分及其應(yīng)用現(xiàn)狀

植物揮發(fā)油是由復(fù)雜天然化合物混合而成，成分復(fù)雜且多樣，一般有20～60種含量不同的成分。其特點是組成中有2種或3種成分含量非常高（20%～70%），而其余組分則含量較少。例如，香芹酚（約30%）和麝香草酚（約27%）是牛至揮發(fā)油的主要成分?？傮w而言，揮發(fā)油的主要成分決定了揮發(fā)油的生物學(xué)特性。揮發(fā)油若按化學(xué)成分則可細分為4類，一類是萜烯類化合物，是精油的主要成分，包括單萜衍生物，如熏衣草類、茴香醇類；倍半萜衍生物，如金合歡烯、廣藿香酮等；二萜衍生物，如油杉醇等。第二類是芳香族化合物，如百里草等。第三類是脂肪族化合物，如烴、醇、醛、酮、酯等。第四類是含硫含氮化合物，如大蒜素，洋蔥中的三硫化物，黑芥子中的異硫氰酸酯等。

揮發(fā)油主要應(yīng)用于香料行業(yè) （如香水或洗漱用品）、食品行業(yè)（調(diào)味劑或防腐劑）、醫(yī)藥行業(yè)（治療或預(yù)防）等。近年來，世界市場對揮發(fā)油的需求每年以4%的速度增長，可以預(yù)見植物揮發(fā)油在未來定將會形成一個龐大的產(chǎn)業(yè) （Koroch等，2007）。

2 植物揮發(fā)油的生物學(xué)活性

2.1 植物揮發(fā)油的抗細菌活性 揮發(fā)油是多種小分子成分的混合物，其所含的萜類、醇類、酚類等成分的結(jié)構(gòu)及功能性基團決定了其抗菌活性。Ozturk和Ercisli（2006）對唇香草地上部分精油對與食品相關(guān)的52種革蘭氏陽性和陰性細菌進行抗菌活性研究，表明其對芽孢桿菌、球形芽孢桿菌、短芽孢桿菌和產(chǎn)氨棒桿菌等均有抑制作用，因此具有廣譜性。He等（2007）通過掃描電鏡觀察丁香精油的主要成分丁香酚對白色念珠菌的生物膜細胞形態(tài)建成等的作用，表明丁香油對白色念珠菌的纖維狀生長有抑制作用。此外，一些研究認為，植物揮發(fā)油的抗菌機制主要在于破壞細菌細胞膜，抑制細菌DNA的轉(zhuǎn)錄，但不同種類的揮發(fā)油因其主要活性成分不同而表現(xiàn)出不同的抗菌活性和機制（Bakkali等，2008；Chaieb 等，2007）。

2.2 植物揮發(fā)油的抗真菌活性 研究表明，多種植物揮發(fā)油均具有抗真菌的活性 （劉洪波等，2009）。莫小路等（2004）研究表明，大葉桉、廣藿香和香茅精油對串珠鐮刀病菌、玉米彎孢霉菌等多種病原真菌有明顯抑制作用。應(yīng)用同位素標記法結(jié)合掃描鏡觀察對肉桂醛和檸檬醛的真菌作用的研究表明，其抑制真菌的機制可能存在兩個方面原因：一是破壞細胞膜和真菌正常形態(tài)，檸檬醛和肉桂醛的添加使曲霉菌形態(tài)發(fā)生變化，機制可能是破壞細胞壁、細胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細菌細胞對營養(yǎng)物質(zhì)吸收降級、生物大分子合成受阻，抑制分生孢子的形成，其他的研究也進一步證實了揮發(fā)油對真菌細胞膜的破壞作用 （Cabral等，2009；Pinto等，2006）。二是進入細胞內(nèi)抑制蛋白和核酸的合成（Chaieb 等，2007），同位素標記法則表明，肉桂醛和檸檬醛的抗菌機制可能是通過影響曲霉菌的DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成。因此，由于揮發(fā)油成分的多樣性，其抗真菌活性可能是多種機制共同作用的結(jié)果。

2.3 植物揮發(fā)油的抗氧化作用及細胞毒性作用氧化應(yīng)激是由體內(nèi)由自由基不能及時清除而引發(fā)的組織細胞損傷的現(xiàn)象，它是引起動物腫瘤等疾病以及衰老的重要原因。研究表明，植物揮發(fā)油由于成分多樣，因而可提供電子以消除自由基、與自由基結(jié)合成穩(wěn)定物質(zhì)以及與金屬元素結(jié)合以降低自由基活性多種機制下發(fā)揮抗氧化作用（Maria等，2010）。部分植物揮發(fā)油的抗氧化活性在適宜的濃度下強于常用的抗氧化劑。馮雪等（2010）從總抗氧化能力、清除超氧陰離子自由基能力和清除羥基自由基能力三個方面測定了草果揮發(fā)油的抗氧化活性，并與沒食子酸丙酯（PG）比較表明，在一定濃度范圍內(nèi)草果揮發(fā)油清除超氧陰離子自由基的能力和清除羥基自由基的能力均強于PG，說明其具有良好的抗氧化效果。趙晨等（2008）采用脂質(zhì)過氧化方法和DPPH方法分別檢測了草蔻和桂丁揮發(fā)油抗脂質(zhì)過氧化活性和清除自由基活性，并與維生素E和維生素C的比較發(fā)現(xiàn)在一定濃度下兩種揮發(fā)油的抗脂質(zhì)過氧化能力和清除自由基活性高于維生素E和維生素C。

由于揮發(fā)油種類多且成分復(fù)雜，揮發(fā)油似乎沒有特異性的細胞目標（Carson等，2002），作為一個典型的親脂性物質(zhì)，揮發(fā)油可以穿過細胞膜，破壞不同細胞膜層的多糖組、脂肪酸和磷脂，使膜穿孔，因而表現(xiàn)出一定細胞毒性。此外，精油還可與細胞膜共價結(jié)合，破壞膜脂類和蛋白質(zhì)導(dǎo)致胞內(nèi)大分子的流出和溶解。對真核細胞而言，植物揮發(fā)油可降低膜電勢而引起線粒體膜的去極化，從而影響鈣離子的循環(huán)和其他離子通道，最終導(dǎo)致自由基、細胞色素C、鈣離子和蛋白質(zhì)的泄露，結(jié)果就如同氧化應(yīng)激或生物獲能的失敗，引起細胞凋亡或壞死（Bakkali等，2008）?？梢?，高濃度的揮發(fā)油對動物細胞具有毒性作用。

3 植物揮發(fā)油對反芻動物瘤胃發(fā)酵和生產(chǎn)性能的影響

3.1 對瘤胃發(fā)酵的影響 目前，關(guān)于植物揮發(fā)油對反芻動物瘤胃發(fā)酵調(diào)控方面已有較多的研究報道，多數(shù)報道均表明，揮發(fā)油的瘤胃調(diào)控功能主要集中在減少瘤胃蛋白降解，降低瘤胃甲烷的排放，改變瘤胃發(fā)酵乙酸和丙酸比例等方面（Calsamiglia 等 ，2007；Cardozo 等 ，2006；McIntosh 等2003）。Bodas等（2008）將 6種富含揮發(fā)油的植物細粉添加到體外發(fā)酵底物中，瘤胃甲烷產(chǎn)量降低25%以上。Calsamiglia等（2007）報道，揮發(fā)油可通過抑制原蟲間接抑制甲烷菌而降低甲烷。Flythe（2009）的體外純培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，三種產(chǎn)氨細菌對蛇麻子的提取物均敏感，同時采用瘤胃液體外培養(yǎng)試驗也表明，添加蛇麻子的提取物可降低瘤胃氨的產(chǎn)量。Newbold等（2004）報道，對成年綿羊添加110 mg/d的混合揮發(fā)油，主要成分為麝香草酚、guajacol和檸檬醛等，結(jié)果表明，添加揮發(fā)油提高了瘤胃原蟲數(shù)量，降低了瘤胃脫氨基酶的活性，且可減少豆粕蛋白的降解?？梢姄]發(fā)油的作用效果與莫能菌素具有較好的一致性，因此可作為一種莫能菌素的潛在替代品。

目前，大部分對揮發(fā)油抑制甲烷產(chǎn)生的研究是在體外條件下開展的，然而動物體內(nèi)的瘤胃環(huán)境比人工瘤胃環(huán)境復(fù)雜得多。Calsamiglia等（2007）綜述也認為，揮發(fā)油在體內(nèi)試驗中對瘤胃發(fā)酵的影響與體外試驗有較大的差異。Beauchemin和McGinn（2006）研究表明，對肉牛添加1 g/d的揮發(fā)油沒有影響瘤胃甲烷產(chǎn)量。Chaves（2007）報道，對羔羊日糧添加0.2 g/kg的香芹酚或肉桂醛，結(jié)果表明，揮發(fā)油活性成分的添加沒有影響瘤胃氨氮濃度和揮發(fā)酸組成。造成體外試驗與體內(nèi)試驗結(jié)果不同的原因可能在于體內(nèi)試驗添加量不足 （Benchaar等，2008；Benchaar等，2007；Yang等，2007；Benchaar等，2006）。 Hart等（2008）報道，揮發(fā)油之所以能調(diào)控瘤胃發(fā)酵，其機制在于適宜濃度下，揮發(fā)油可選擇性地抑制瘤胃甲烷菌和原蟲，而這種選擇性與揮發(fā)油種類有密切關(guān)系，因此有必要對揮發(fā)油適宜種類和添加水平進行篩選。

3.2 對生產(chǎn)性能的影響 研究表明，在奶牛日糧中添加2 g/d的揮發(fā)油僅提高了奶牛瘤胃pH值和酸性洗滌纖維的表觀消化率，對其他瘤胃發(fā)酵指標如原蟲數(shù)目、TVFA含量和VFA組成等均無顯著影響，對牛奶產(chǎn)量和乳成分等也無顯著影響（Benchaar等，2006）。 Benchaar等（2007）報道，添加揮發(fā)油僅增加了瘤胃pH值和牛奶乳糖產(chǎn)量，對奶產(chǎn)量、奶品質(zhì)、采食量、營養(yǎng)物質(zhì)消化率、瘤胃發(fā)酵終產(chǎn)物、瘤胃微生物區(qū)系等均無顯著影響。此外，Yang等（2007）報道，在泌乳奶牛日糧中添加5 g/d·牛大蒜素和2 g/d·牛杜松子揮發(fā)油對奶牛瘤胃VFA、氨氮濃度、奶產(chǎn)量、飼料總消化率等也均無顯著影響。動物試驗的研究結(jié)果表明，植物揮發(fā)油對瘤胃發(fā)酵的各項指標影響程度都不如體外試驗顯著，實際生產(chǎn)中添加揮發(fā)油效果并不理想。雖然動物試驗不能直接檢測揮發(fā)油是否降低了甲烷的產(chǎn)量，但從影響程度來看，揮發(fā)油在體內(nèi)的作用比較有限，其原因可能與揮發(fā)油的添加濃度和體內(nèi)與體外環(huán)境的差異等有關(guān)，仍然需要進一步研究。

雖然也有一些研究表明，奶牛日糧中添加揮發(fā)油并無顯著效果，但也有研究發(fā)現(xiàn)，奶牛日糧中添加1.2 g/d·牛的混合揮發(fā)油，可顯著提高奶牛采食量 1.9 kg/d和產(chǎn)奶量 2.7 kg/d（Kung等，2008），對小公牛飼料添加植物提取物與莫能菌素，結(jié)果表明，二者對小公牛生長具有相似的作用（Devant等，2007）。 meta分析也表明，植物揮發(fā)油的添加具有提高奶牛生產(chǎn)性能的功能（Tassoul和Shaver，2008；Bravo 等，2008）。 有研究表明，揮發(fā)油的作用效果可能與日糧組成有關(guān)，在高精料條件下，揮發(fā)油的作用更明顯（Devant等，2007），因此在應(yīng)用植物揮發(fā)油調(diào)控瘤胃時應(yīng)注意與日糧的搭配。

4 研究和應(yīng)用前景

由于植物揮發(fā)油種類繁多，且成分多樣，在同等添加水平下，不同類型的揮發(fā)油或活性成分（以酚為主和以醛為主）表現(xiàn)出了對瘤胃發(fā)酵不同的影響，以酚為主要成分的組合比醛為主要成分的組合具有更高的甲烷抑制潛力 （Lin等，2009）。Macheboeuf等（2008）也獲得了相似的結(jié)論?？梢?，造成動物試驗結(jié)果差異的原因可能與添加的揮發(fā)油種類不同有關(guān)，單種揮發(fā)油可能由于抗菌譜窄而難以達到調(diào)控瘤胃發(fā)酵的效果，不同揮發(fā)油或揮發(fā)油活性成分的組合對瘤胃發(fā)酵調(diào)控的能力有可能更強。Spanghero等（2008）研究了幾種揮發(fā)油活性成分的混合物對瘤胃發(fā)酵的影響，結(jié)果表明，揮發(fā)油降低了瘤胃蛋白的降解和脫氨基作用，在低瘤胃pH值條件下，活性成分組合的作用更有效。Newbold等（2004）也認為將不同作用機制的揮發(fā)油或活性成分組合是一種更好應(yīng)用揮發(fā)油調(diào)控瘤胃發(fā)酵的手段之一。

揮發(fā)油由于其強烈的氣味，添加到飼料中有可能影響飼料適口性。Cardozo等（2006）報道，對肉牛飼喂由肉桂醛（180 mg/d）和丁香酚（90 mg/d）組成的混合物降低了采食量，而添加500 mg/d肉桂醛也降低了奶牛采食量 （Busquet等，2003），表明這些活性成分影響了飼料適口性。Spanghero等（2009）對奶牛飼喂 0、0.32、0.64 g/d 和 0.96 g/d 的包被揮發(fā)油混合物，發(fā)現(xiàn)包被揮發(fā)油也沒有影響動物采食量，表明包被是一種有效屏蔽揮發(fā)油特殊氣味，減少其對飼料適口性影響的措施之一。同時揮發(fā)油的包埋可將揮發(fā)油由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)，進而有利于其添加和應(yīng)用。

目前，由天然揮發(fā)油成本高且成分難以穩(wěn)定，限制了其在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。體外試驗表明，丁香油、香芹油、百里香油、檸檬油及其主要活性成分，丁香酚、香芹酚、百里香酚、肉桂醛、檸檬醛等均具有顯著的調(diào)控瘤胃發(fā)酵的功能 （Busquet等，2006），而揮發(fā)油活性單體成分如丁香酚、百里香酚、肉桂醛等已可化工合成（Koeduka等，2006），這些單體活性成分的應(yīng)用可大幅度降低植物揮發(fā)油的成本，且可較好地控制揮發(fā)油成分的組成，但揮發(fā)油活性成分能否替代揮發(fā)油尚需要大量的研究。

5 小結(jié)

綜上所述，揮發(fā)油具有豐富的生物學(xué)活性，應(yīng)用得當可發(fā)揮瘤胃調(diào)控功能，抗氧化應(yīng)激，保護動物健康，進而提高反芻動物生產(chǎn)性能。今后，要對揮發(fā)油進行篩選、作用機制、應(yīng)用揮發(fā)油活性成分替代揮發(fā)油或?qū)⒉煌瑩]發(fā)油合理組合等手段，并結(jié)合揮發(fā)油包埋技術(shù)進行深入研究，促揮發(fā)油在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用。

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