植物提取物在反芻動物飼養(yǎng)中的應(yīng)用

李德勇 孟慶翔 任麗萍解祥學

(中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193)

反芻動物消化系統(tǒng)具有特殊的發(fā)酵功能，這使得反芻動物在飼料的采食及營養(yǎng)成分的消化吸收上不同于單胃動物，尤其是瘤胃內(nèi)復(fù)雜的微生物使反芻動物能夠很好地消化秸稈等粗飼料，并利用發(fā)酵產(chǎn)物為自身提供大約80%的能量及60%～85%的蛋白質(zhì)［1］。20世紀50年代開始在反芻動物營養(yǎng)調(diào)控中引入了抗生素，如莫能菌素、泰樂菌素、維吉妮菌素等。抗生素在提高反芻動物對粗飼料的消化、增加小腸蛋白質(zhì)流量、抑制甲烷生成、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)等方面作用顯著，極大地提高了反芻動物的生產(chǎn)性能［2－4］。但由于抗生素的不合理使用，動物的抗藥性及藥物殘留對食品安全及人類健康產(chǎn)生了巨大的威脅，因此，尋求能夠替代抗生素的天然、無副作用的動物飼料添加劑成為近些年動物營養(yǎng)界研究的重點領(lǐng)域之一。

植物提取物是以植物為原料，經(jīng)過一系列物理化學提取過程，得到的一種或多種有營養(yǎng)活性成分的混合物。研究表明，植物提取物具有抗菌、促生長、提高免疫力和抗氧化等功能，從而在醫(yī)藥、飼料添加劑等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。每種植物中都含有多種成分，其中主要包括有生物堿類、揮發(fā)油類、皂苷、單寧及多糖等幾種。本文主要介紹植物提取物在反芻動物飼養(yǎng)中的應(yīng)用，并對目前存在的問題加以討論。

1 植物提取物在反芻動物飼養(yǎng)中的應(yīng)用

植物提取物的種類繁多，活性成分復(fù)雜，具有多種功能。目前研究發(fā)現(xiàn)一些植物提取物可以提高飼料適口性，改善飼料消化率，降低糞便及肥料中不良氣味。同時也有研究表明，植物提取物具有調(diào)控甲烷產(chǎn)量，延緩蛋白質(zhì)降解，改善瘤胃發(fā)酵的功能［5－13］。近年來，植物提取物作為飼料添加劑在反芻動物營養(yǎng)研究主要集中在提高采食量和飼料消化率、抑制甲烷生產(chǎn)、提高過瘤胃蛋白數(shù)量、調(diào)控瘤胃脂肪酸發(fā)酵模式及改善產(chǎn)品品質(zhì)上。

1.1 提高采食量和飼料消化率

動物的采食量和飼料消化率直接影響攝入到動物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量及被利用的效率，進而影響動物的生產(chǎn)性能。為了提高動物的采食量和飼料消化率，在生產(chǎn)實踐中除了考慮飼料原料的質(zhì)量及配合方式外，天然的飼料添加劑也逐漸被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中［14］。眾多研究顯示，植物提取物能夠提高反芻動物的采食量和飼料消化率。

Laswai等［15］研究顯示，給 Boran(一種非洲牛品種)閹牛飼喂五葉銀蓮花提取物，經(jīng)10 d預(yù)飼后干物質(zhì)(dry matter，DM)采食量提高了 5.4%，DM、有機物(organic matter，OM)以及中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)的消化率分別提高了 13.2%、10.8%、19.8%，均達到顯著水平(P ＜0.05)。Salema等［16］將垂柳和銀百合的提取物以30 mL/d的劑量添加到羔羊的全混合日糧(total mixed ration，TMR)中，研究其對 DM、OM采食量及消化率的影響。結(jié)果顯示，與對照組相比，3期試驗后(每期21 d)垂柳添加組的DM、OM的平均日采食量分別由1 039、912 kg提高到1 104、966 kg，消化率分別由 81.0%、82.1% 提高到 85.2%、86.0%，均達到顯著水平(P ＜0.05)。同時，粗蛋白質(zhì)(crude protein，CP)和粗脂肪(ether extract，EE)的采食量和消化率也顯著提高(P＜0.05)。植物提取物之所以能提高反芻動物對飼料的采食量和消化率，可能是因為提取物的添加改善了飼糧的適口性，同時改變了瘤胃微生物菌群，使得降解粗飼料的微生物數(shù)量增多，從而改善了其發(fā)酵類型。

植物提取物的作用效果與飼糧類型有關(guān)。Chaves等［17］和 Kruegera 等［18］研究發(fā)現(xiàn)，將由洋薊素和葫蘆巴提取物制成的商品添加劑添加到高精料的荷斯坦奶牛的飼糧中，與對照組比較，采食量有所提高，但未達到顯著水平(P＞0.05)。Molero等［19］將植物精油添加到小母牛的飼糧中，結(jié)果顯示在高粗料飼喂條件下，CP的消化率低于對照組。研究者認為，造成采食量變化不顯著或消化率下降的原因可能是由于高精料或高粗料的飼喂影響了瘤胃的正常發(fā)酵。

1.2 抑制甲烷的生成

甲烷是一種長壽命溫室氣體，每年家畜所產(chǎn)生的溫室氣體大約占溫室氣體排放總量的18%，其中73%是反芻動物所排放的，而瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷占反芻動物甲烷總產(chǎn)量的90%以上。甲烷的產(chǎn)生是瘤胃發(fā)酵能量損失的主要原因，依據(jù)飼養(yǎng)水平、飼糧組成等的差異，以甲烷形式損失的能量占飼料總能的2% ～15%［20］。因此，研發(fā)新的植物提取物添加劑，抑制瘤胃甲烷產(chǎn)生，不僅能夠降低反芻動物甲烷生成對環(huán)境的影響，而且可以減少瘤胃發(fā)酵過程中的能量損失，提高飼料的利用率。

研究顯示，植物提取物單寧具有降低瘤胃甲烷生成的作用。Carulla等［21］分別以三葉草和苜蓿為發(fā)酵底物，研究富含縮合單寧的黑荊樹提取物(0.615 g/g)對甲烷生成的影響，結(jié)果顯示，甲烷生成量較對照組平均下降13%。Puchala等［22］分別用胡枝子和牛茅草替代部分飼糧飼喂安哥拉羊，結(jié)果顯示，胡枝子組較牛茅草組甲烷生成量極顯著降低(P＜0.01)，造成如此大差異的原因在于二者縮合單寧含量不同：胡枝子中縮合單寧含量達到17.7%，而后者含量只有0.5%。單寧降低甲烷產(chǎn)量的可能機制有以下2方面：一是直接抑制產(chǎn)甲烷菌和原蟲的活性;二是單寧與纖維形成復(fù)合物，降低了纖維的降解率，從而減少了用于甲烷合成的氫氣的產(chǎn)生，間接抑制了甲烷的生成。

植物揮發(fā)油在單胃動物上已經(jīng)被廣泛用作添加劑，但近來的研究發(fā)現(xiàn)，植物揮發(fā)油也具有降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的作用。Bodas等［23］在研究植物提取物對瘤胃發(fā)酵的影響時，篩選的樣品中有35種提取物使甲烷產(chǎn)量平均降低15%，其中6種富含植物油的提取物達到25%以上，而這些提取物對瘤胃發(fā)酵的其他指標并無顯著影響。揮發(fā)油作用的機制可能是脂類的揮發(fā)油通過與細菌的細胞膜相互作用，尤其對革蘭氏陽性菌，破壞其細胞結(jié)構(gòu)而影響產(chǎn)甲烷菌和原蟲的繁殖，從而減少甲烷的生成。

大量研究結(jié)果顯示，皂苷能改變瘤胃微生物發(fā)酵模式，對瘤胃細菌、產(chǎn)甲烷菌和原蟲等有不同的作用。Hu等［24］以玉米面和干草粉為發(fā)酵底物，經(jīng)24 h發(fā)酵后，添加1%、2%、3%、4%的茶皂苷后甲烷含量分別降低了13%、22%、25%、26%，且原蟲數(shù)量相應(yīng)地降低了19%、25%、45%、79%。也有學者報道茶皂素能夠減少原蟲數(shù)量和甲烷產(chǎn)量，對產(chǎn)甲烷菌卻沒有影響。Mao等［25］將茶皂苷以3 g/d的劑量添加到50日齡的羊羔飼糧中，經(jīng)過2個月的飼喂后，平均日產(chǎn)甲烷量減少了27.7%，顯著低于對照組(P ＜0.05)，且原蟲數(shù)量減少了41%，但產(chǎn)甲烷菌數(shù)量沒有變化。這些研究結(jié)果說明，皂苷的抗原蟲作用是減少甲烷生成的一種潛在機制，推測可能是由于皂苷與原蟲細胞膜中的膽固醇結(jié)合，改變了原蟲細胞膜的通透性，使原蟲細胞膜破裂而最終減少瘤胃原蟲數(shù)量。因產(chǎn)甲烷菌和原蟲存在共生關(guān)系，原蟲數(shù)量的減少降低了產(chǎn)甲烷菌賴以生存的底物氫的濃度，間接抑制了甲烷的產(chǎn)生。

1.3 提高過瘤胃蛋白數(shù)量

反芻動物攝入飼糧中的蛋白質(zhì)，一部分在瘤胃中被微生物降解并用于合成微生物蛋白質(zhì)，一部分飼糧的瘤胃非降解蛋白質(zhì)和瘤胃微生物蛋白質(zhì)進入小腸，被消化、吸收和利用。由于瘤胃微生物蛋白質(zhì)合成量有限，微生物的降解作用造成了飼料中優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的大量損失，因此，通過瘤胃調(diào)控，降低蛋白質(zhì)的瘤胃降解率是提高飼料蛋白質(zhì)利用率的途徑之一。研究表明，植物提取物可通過不同的途徑提高過瘤胃蛋白的數(shù)量。

植物提取物可與蛋白質(zhì)結(jié)合形成不易被瘤胃微生物降解的復(fù)合物，從而提高過瘤胃蛋白的數(shù)量。單寧是一種天然的過瘤胃蛋白保護劑，在瘤胃發(fā)酵過程中，pH在5～7時單寧和蛋白質(zhì)結(jié)合成穩(wěn)定的復(fù)合物，不易被瘤胃微生物降解。當復(fù)合物流經(jīng)真胃(pH 2.5)和小腸(pH 8～9)時，蛋白質(zhì)與單寧分離，被胃蛋白酶和胰蛋白酶分解成容易被機體吸收的小分子物質(zhì)，即起到過瘤胃保護作用［26－27］。張曉慶等［28］用尼龍袋法測定了經(jīng)6 個濃度(0、5%、10%、15%、25%、35%)單寧酸水溶液處理的高蛋白質(zhì)豆粕(CP含量為45.46%)和3組不同單寧含量的紅豆草飼糧在綿羊瘤胃中的蛋白質(zhì)降解率，結(jié)果顯示，隨著單寧含量的增加，蛋白質(zhì)的降解率逐漸降低。當綿羊飼糧中每千克干物質(zhì)含3.4 g單寧時，氮的存留率比不含單寧處理的氮的存留率提高了40.7%，而且此水平的單寧對氮的消化率和瘤胃細菌蛋白質(zhì)合成無負面影響。

植物提取物可以通過抑制原蟲或與蛋白降解有關(guān)的微生物的生長，從而減少蛋白質(zhì)在瘤胃中的降解。Alexander等［29］報道，在對辣木籽(皂苷含量40.9 g/kg DM)和胡黃連根(單寧含量97.6 g/kg DM)的提取物進行體外發(fā)酵時，二者瘤胃液氨態(tài)氮濃度分別降低了14%和35%，且不影響飼料消化率?？赡艿臋C制在于，提取物抑制了瘤胃內(nèi)的氨化菌的繁殖。Hu等［24］將皂苷以1%、2%、3%、4%添加到發(fā)酵底物中，24 h發(fā)酵后，原蟲數(shù)量分別降低了19%、25%、45%、79%。原蟲在瘤胃內(nèi)持續(xù)地分泌脫氨酶，此酶能將瘤胃中的蛋白質(zhì)降解生成氨態(tài)氮，而茶皂苷具有抑制瘤胃原蟲繁殖的作用，植物提取物通過抑制原蟲的生長而間接降低過瘤胃蛋白的降解。

植物提取物可增加瘤胃微生物對氨態(tài)氮的利用，即提高微生物蛋白質(zhì)合成效率，從而提高過瘤胃蛋白的數(shù)量。Alexander等［29］將辣木籽(皂苷含量40.9 g/kg DM)以2 mg/mL添加到白三葉底物中進行體外發(fā)酵，經(jīng)24 h發(fā)酵后，和對照組比較，氨態(tài)氮濃度降低了13.6%，同時微生物蛋白質(zhì)合成量提高了44%。氨態(tài)氮濃度降低的原因可能是微生物提高了對氨態(tài)氮的攝取和利用。

1.4 調(diào)控瘤胃發(fā)酵模式

乙酸/丙酸值在一定程度上反映了瘤胃發(fā)酵類型，常被用于飼糧的比較和相對營養(yǎng)價值的評定，在生產(chǎn)實踐中也常作為調(diào)節(jié)精粗料飼喂比例的參考。植物提取物的添加可降低乙酸/丙酸值，提高丁酸的含量，可以在一定程度上維持反芻動物葡萄糖代謝平衡，特別是高粗料飼糧，可以緩解葡萄糖合成不足而導致的一些問題［30－31］。

Alexander 等［29］將 辣 木 籽(皂 苷 含 量40.9 g/kg DM)以2 mg/mL添加到白三葉中進行體外發(fā)酵試驗，結(jié)果顯示辣木籽組乙酸的產(chǎn)量降低了14%，而丙酸產(chǎn)量無顯著變化(P＞0.05)，從而降低乙酸/丙酸值。Devant等［32］給高精料飼養(yǎng)的荷斯坦公牛飼喂適量的洋薊、刺五加和葫蘆巴混合物的提取物，與對照組相比，提高了瘤胃丙酸比例，且這種效果在高精料飼喂的情況下更顯著。上述試驗研究中所用植物提取物的活性成分主要是皂苷，皂苷對纖毛原蟲、纖維素分解菌等有很好地抑制作用，而這些細菌在瘤胃內(nèi)主要合成乙酸，這些微生物數(shù)量的減少影響了乙酸的生成，從而使乙酸/丙酸值降低。

茶皂素調(diào)控瘤胃發(fā)酵還存在另一種可能的機制。Zhou等［33］將茶皂苷以3 g/d添加到湖羊飼糧中，經(jīng)3周的飼喂后，丙酸產(chǎn)量顯著增加(P＜0.05)，而乙酸/丙酸值降低。經(jīng)16S rDNA檢測，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量也顯著降低(P＜0.05)。丙酸含量之所以增加可能是因為茶皂苷提取物選擇性地改變了瘤胃微生物區(qū)系，抑制了瘤胃產(chǎn)甲烷菌活性后，瘤胃內(nèi)過剩的氫被用作丙酸的合成，從而提高了丙酸濃度。

植物提取物對瘤胃揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的調(diào)控不僅和提取物的種類有關(guān)，還和瘤胃內(nèi)環(huán)境及提取物添加量有著密切的聯(lián)系。Spanghero等［34］試驗結(jié)果表明，揮發(fā)油主要在酸性的瘤胃環(huán)境中(如pH 5.5)對瘤胃發(fā)酵的VFA組成產(chǎn)生影響，即揮發(fā)油主要在高精料飼喂情況下對瘤胃微生物起著選擇性抑制作用。Busquet等［35］研究大蒜對體外發(fā)酵的影響時發(fā)現(xiàn)，添加312 mg/L大蒜油時，總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)濃度反而會下降，隨著添加劑量增加，VFA的產(chǎn)量及組成并沒有發(fā)生變化。這可能是由于長期的添加導致瘤胃微生物有了一定的適應(yīng)性而最終減弱了添加效果。

1.5 改善畜產(chǎn)品品質(zhì)

隨著生活水平的提高和膳食健康意識的增強，人們對畜產(chǎn)品的追求逐漸由數(shù)量轉(zhuǎn)為對品質(zhì)的追求。生產(chǎn)上常用的化學合成防腐劑不僅增加了生產(chǎn)成本，而且合成添加劑的使用也影響肉質(zhì)的風味。目前，植物提取物作為一種天然的添加劑，已被廣泛用于改善畜產(chǎn)品品質(zhì)。

Rituparna等［36］將椰菜粉提取物以 1.0%、1.5%和2.0%的比例添加到羊肉中研究其對肉質(zhì)的影響，設(shè)二丁基羥基甲苯添加組為對照組，結(jié)果顯示，添加1.5%和2.0%試驗組的羔羊肉pH降低的速度顯著低于對照組(P＜0.05)，說明提取物有抑制肌糖原降解的作用;硫代巴比妥酸反應(yīng)物含量也顯著低于對照組(P＜0.05)，且2.0%的添加量效果最好。Gema等［37］的試驗得到了相同的結(jié)果，將百里香葉的提取物添加到母羊的飼糧中(3.7%和7.5%)，研究其對所產(chǎn)羔羊羊肉品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示，試驗組羔羊肉顏色變暗的時間較對照組顯著延長(P＜0.05)，脂肪的氧化腐敗和有害菌的數(shù)量也顯著低于對照組(P＜0.05)，同時獲得較好的感官品質(zhì)。研究認為，植物提取物發(fā)揮其抗氧化作用與其含的酚類物質(zhì)有關(guān)。酚類物質(zhì)可能通過在油脂氧化的不同階段，減少脂肪氧化第一步產(chǎn)生過氧化物基團的氫供體——羥基基團，從而終止油脂氧化鏈反應(yīng)過程中的某個環(huán)節(jié)。

在貯存銷售條件下，植物提取物也具有改善肉品質(zhì)的作用。Sancho等［38］將迷迭香提取物以600 mg/kg飼糧的劑量添加到新生羔羊飼糧中，羔羊飼喂至2月齡屠宰，研究提取物在零售條件下(70%O2，30%CO2，溫度 2 ℃;光照 1 600 lx)對羔羊肉品質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，經(jīng)21 d儲存后，添加組的硫代巴比妥酸反應(yīng)物顯著低于對照組(P＜0.05)，嗜寒性細菌總數(shù)顯著低于對照組(P＜0.05)，雖然 pH 沒有顯著差異(P ＞0.05)，但添加組pH較對照組穩(wěn)定。

2 植物提取物研究中存在的問題

隨著近年來國內(nèi)外學者的大量試驗研究，在植物提取物的活性成分、特點及其在畜禽養(yǎng)殖上的應(yīng)用等方面取得了很多研究進展，為畜牧業(yè)的發(fā)展提供了重要參考，但仍然存在很多問題亟待解決。

2.1 植物提取物有效成分的加工工藝需要規(guī)范

不同來源、不同種植條件的植物提取物在組成、含量、比例上差異很大。每一種植物中往往含有30種以上的成分，而主要活性成分通常只有4～6種，且每種成分之間存在著協(xié)同或者拮抗作用，所以很難確定真正起作用的成分。Bodas等［23］從450種植物中篩選能夠調(diào)控瘤胃發(fā)酵的品種，結(jié)果只有35種能夠降低15%甲烷產(chǎn)量，其中只有6種能夠降低25%的甲烷產(chǎn)量。

目前，市場上的植物提取物大多都是按照比例提取，提供的產(chǎn)品參數(shù)比較籠統(tǒng)，同時由于植物提取物組分種類復(fù)雜、差異大，嚴重阻礙了植物提取物的應(yīng)用研究。盧德勛等［39］提出的“營養(yǎng)活性物質(zhì)組學”理論為植物提取物應(yīng)用研究提出了一個新思路，即應(yīng)用膜分離技術(shù)、樹脂分離技術(shù)以及現(xiàn)代色譜技術(shù)等營養(yǎng)活性物質(zhì)加工工藝和分析手段，確定植物提取物產(chǎn)品的活性成分圖譜，研究各活性成分的組合效應(yīng)。該工藝的提出既降低了研究單一組分作用的工作量和成本，同時也避免了因缺少行業(yè)規(guī)范而出現(xiàn)的不同產(chǎn)品之間的差異性，極大地促進了植物提取物的研究進展。

2.2 植物提取物作用效果研究不夠深入，作用機理不明確

目前，對于植物提取物在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究，主要是通過體外模擬瘤胃內(nèi)環(huán)境的試驗方法來完成，例如產(chǎn)氣量法、連續(xù)培養(yǎng)等。雖然體外法能夠直觀地反映提取物對瘤胃發(fā)酵的調(diào)控效果，但反芻動物的瘤胃內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，變化快，體內(nèi)環(huán)境和體外環(huán)境存在著較大的差異，已有報道動物飼養(yǎng)試驗的效果并沒有體外試驗顯著。Zhou等［33］將茶皂苷添加到湖羊飼糧中，添加的前6 h內(nèi)表現(xiàn)出很好的抑制甲烷生成的作用，但10 h后甲烷產(chǎn)量逐漸恢復(fù)到對照組水平。可能是植物提取物因其自身不穩(wěn)定，在瘤胃內(nèi)被微生物逐漸降解，或是隨著時間延長，微生物對提取物產(chǎn)生了抗性和適應(yīng)性，導致達不到預(yù)期的添加效果。

2.3 安全問題沒有引起重視

某些植物原料本身對動物具有毒性，如起抗菌、殺蟲作用和激素樣作用的植物對動物存在一定的安全隱患。單寧、揮發(fā)油等提取物存在一定的抗營養(yǎng)作用，如果添加過量反而會降低動物采食量，對瘤胃發(fā)酵起負作用。目前，有關(guān)植物提取物作用的研究多集中在功效方面，植物提取物及其代謝產(chǎn)物作為飼料添加劑的安全問題還沒有引起重視。因此，在研究植物提取物的作用及制定質(zhì)量標準時，應(yīng)更多的開展動物飼養(yǎng)試驗，以確定準確、安全的添加劑量。

3 小結(jié)

植物提取物作為一種綠色新型的添加劑，在降低甲烷產(chǎn)量、過瘤胃蛋白的保護、調(diào)控瘤胃發(fā)酵、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)上確有很好的應(yīng)用前景，但由于提取物的純化、活性成分的確定等限制了對其作用機理的深入探索。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)、分子營養(yǎng)技術(shù)等的不斷提高，限制植物提取物應(yīng)用的問題將逐步解決。我國植物資源豐富，植物提取物作為反芻動物營養(yǎng)調(diào)控劑的理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用將會不斷深入，植物提取物也將最大限度地發(fā)揮在畜禽營養(yǎng)方面的調(diào)控作用。

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