植物提取物對(duì)瘤胃發(fā)酵調(diào)控的研究進(jìn)展

趙洪波 王志博 張永根

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，黑龍江哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030)

反芻動(dòng)物與瘤胃微生物建立了一種共生關(guān)系，宿主動(dòng)物為微生物對(duì)飼料的發(fā)酵提供了營(yíng)養(yǎng)和適宜的環(huán)境條件，而微生物降解纖維及合成微生物蛋白為反芻動(dòng)物供應(yīng)能量和蛋白質(zhì)。然而，這種共生關(guān)系也會(huì)造成能量（甲烷的釋放）與蛋白質(zhì)（氨氮的流失）的損失[1]。這種損失不僅降低生產(chǎn)性能，而且也促使了污染物向環(huán)境的釋放[2]。為了改善瘤胃能量和蛋白質(zhì)的利用效率，調(diào)控不同瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的研究成為反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家的研究熱點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化日糧配方和使用飼料添加劑以改變瘤胃內(nèi)環(huán)境及提高或抑制特異微生物菌群可以達(dá)到上述目的[3]。離子載體抗生素在減少瘤胃能量和蛋白質(zhì)損失效果顯著[1]。然而，因?yàn)榭股卦谛螽a(chǎn)品中的殘留及細(xì)菌耐藥性問(wèn)題的出現(xiàn)，抗生素在動(dòng)物飼料中的使用引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注，2006年歐洲頒布法令禁止飼料中添加抗生素。因此，尋求抗生素替代物來(lái)調(diào)控瘤胃發(fā)酵成為科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，替代物包括酵母、有機(jī)酸、植物提取物、益生菌和抗體[3]。植物可產(chǎn)生多種有機(jī)化合物，這些化學(xué)物質(zhì)源于不直接參與植物生長(zhǎng)和繁殖的次生代謝產(chǎn)物[4]。多年來(lái)，這些物質(zhì)被認(rèn)為是初級(jí)代謝產(chǎn)生的廢物。然而，植物和香料的氣味和顏色是由這些物質(zhì)產(chǎn)生的，它們具有作為植物及其生存環(huán)境之間的化學(xué)信使的生物學(xué)功能，并且常常表現(xiàn)出抑制細(xì)菌、酵母和真菌的廣譜抗生素活性[5]。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)一些植物提取物，如生物堿類(lèi)、黃酮類(lèi)、皂苷類(lèi)、甾醇類(lèi)、植物精油、單寧等具有調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵的功效，從而引起人們關(guān)注。其降低瘤胃液內(nèi)氨的水平和甲烷的產(chǎn)量、減少原蟲(chóng)數(shù)量的作用效果比較明顯，對(duì)其作用機(jī)制的研究已取得一些成果，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外近年的研究結(jié)果對(duì)常見(jiàn)的植物提取物的特性、作用效果和機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 皂苷

皂苷主要是由植物產(chǎn)生的次生物質(zhì)，但是低等海洋動(dòng)物和一些細(xì)菌也可產(chǎn)生[6]。它們?cè)谒芤褐锌上穹试砟菢赢a(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，因此將其命名為“皂苷”。皂苷是一種高分子量的糖苷，是以三萜或甾體類(lèi)的糖苷配基(皂苷元)與糖鏈相連而成，這些皂苷元含有一個(gè)或更多的C-C鍵，皂苷的化學(xué)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[7]。皂苷存在于植物的多個(gè)部位，例如根、塊莖、表皮、葉、種子和果實(shí)。

圖1 皂苷的化學(xué)結(jié)構(gòu)

可將皂苷的生物學(xué)效應(yīng)歸因于其對(duì)細(xì)胞膜的作用。事實(shí)上，其可在細(xì)胞膜上形成孔洞的特殊能力已經(jīng)在生物學(xué)研究中廣為應(yīng)用。皂苷早已被證明對(duì)血紅細(xì)胞的細(xì)胞膜具有溶解作用，這一特性已被用于對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[7]。皂苷的溶血作用被認(rèn)為是其分子內(nèi)的苷配基與細(xì)胞膜上的甾醇類(lèi)物質(zhì)，特別是膽固醇具有親和力的緣故，并且可形成不可溶的復(fù)合物。皂苷可影響細(xì)胞膜的滲透性，對(duì)滲透性的改變是由于皂苷與膽固醇之間膠束狀聚集反應(yīng)的形成導(dǎo)致的[8]。皂苷主要在消化道發(fā)揮其生物學(xué)作用，因?yàn)槠洳灰妆晃誟9]。因此，皂苷產(chǎn)生的作用可能源于其對(duì)腸道微生物的影響。

王洪榮等（2011）[10]在體外培養(yǎng)中添加茶皂素和絲蘭皂苷混合物，研究其對(duì)瘤胃發(fā)酵和瘤胃內(nèi)纖維降解菌變化的影響，結(jié)果表明，添加皂苷有降低瘤胃液中原蟲(chóng)總數(shù)和pH值的趨勢(shì)，并能夠降低原蟲(chóng)真蛋白產(chǎn)量而提高細(xì)菌真蛋白產(chǎn)量。茶皂素和絲蘭皂苷混合物對(duì)瘤胃發(fā)酵模式和瘤胃內(nèi)纖維降解菌變化有一定影響，其作用效果受培養(yǎng)底物精粗比的顯著影響。

王新峰等（2011）[11]利用體外產(chǎn)氣量法研究添加不同水平（0、5、10、20和40mg/kg）絞股藍(lán)皂甙對(duì)山羊瘤胃微生物體外甲烷產(chǎn)量及發(fā)酵特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)絞股藍(lán)皂甙劑量與甲烷濃度之間有極顯著的線性效應(yīng)(P＜0.01)，即隨著皂苷添加水平的提高，甲烷產(chǎn)生量逐漸降低，原蟲(chóng)數(shù)量也隨皂苷添加量的升高而下降，高劑量絞股藍(lán)皂甙降低產(chǎn)氣量。

Holtshausen等（2009）[12]評(píng)價(jià)了絲蘭皂苷和皂樹(shù)皂苷對(duì)體外瘤胃發(fā)酵的影響，研究表明隨著兩種皂苷體外添加水平（15、30、45 g/kg）的提高，增加了甲烷濃度和丙酸比例，降低了氨氮、乙酸及乙酸與丙酸比值，然而兩種皂苷對(duì)體內(nèi)試驗(yàn)的瘤胃發(fā)酵和甲烷產(chǎn)生量無(wú)影響。Nasri等（2011）[13]研究發(fā)現(xiàn)，羔羊日糧中添加皂樹(shù)皂苷可減少瘤胃中原蟲(chóng)的數(shù)量。

2 植物精油

植物精油（Essential oils）是植物次生代謝產(chǎn)物的混合物，是通過(guò)蒸餾作用所獲得的植物揮發(fā)性物質(zhì)[5]。中國(guó)在5 000年前就開(kāi)始使用植物進(jìn)行治病，在公元前1 550年，埃及人就已經(jīng)使用植物對(duì)食物進(jìn)行保存及制作木乃伊。然而直到20世紀(jì)初，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)植物精油具有抗菌的特性。之后很多具有高抗生素活性的植物精油被研究。植物精油含有多種天然香料組分：熏衣草烯、麝香草酚（thymol）、丁香酚（euge?nol）、檸檬油精（limone）、肉桂醛（cinnamaldehyde）、辣椒素（capsaicin）、不旋松精油（terpinene）、大蒜素（alli?cin）、茴香腦（anethol）等。

植物精油的成分、性質(zhì)及活性多樣，其最重要的活性化合物主要包括2種化學(xué)基團(tuán)：萜類(lèi)化合物（單萜類(lèi)化合物和倍半萜類(lèi)化合物）和苯丙素類(lèi)化合物。這兩種化合物源于初級(jí)代謝的不同前體物質(zhì)，并且通過(guò)不同的代謝途徑進(jìn)行合成。在植物次生代謝產(chǎn)物中，萜類(lèi)化合物種類(lèi)繁多，文獻(xiàn)已記載的萜類(lèi)化合物約有15 000種之多。這些化合物都具有5碳的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（C5H8），通常被稱(chēng)為異戊二烯單元，這些化合物分類(lèi)取決于它們骨架中這些單元的數(shù)量。在萜類(lèi)化合物中，大多數(shù)植物精油中的最重要的屬于單萜或倍半萜類(lèi)化合物家族。苯丙素類(lèi)化合物不是植物精油中最常見(jiàn)的成分，但是在某些植物中含量很高。苯丙素類(lèi)化合物主要來(lái)源于莽草酸代謝途徑（僅在微生物和植物才有的功能）合成的苯丙氨酸[5]。

萜類(lèi)化合物和苯丙素類(lèi)化合物通過(guò)作用于細(xì)胞膜來(lái)產(chǎn)生其抗菌作用[14]。這一特性至少部分歸因于環(huán)烴的疏水性質(zhì)，這種疏水性允許植物精油與細(xì)胞膜作用，并且在細(xì)菌脂質(zhì)雙分子層中聚集，從而占據(jù)脂肪鏈間的空間。這種作用引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生構(gòu)象上的改變，從而導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞流體化及膨脹[14]。細(xì)胞膜穩(wěn)定性變差導(dǎo)致過(guò)膜離子的滲漏，從而導(dǎo)致膜內(nèi)離子濃度的下降。在大多數(shù)情況下，細(xì)菌通過(guò)使用離子泵來(lái)抗衡這種影響，細(xì)菌雖不會(huì)死亡，但是此種作用會(huì)消耗大量的能量使細(xì)菌生長(zhǎng)速度變慢[15]。植物精油的這種作用機(jī)制對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌更有效，因?yàn)橹参锞偷氖杷鶊F(tuán)可與細(xì)菌細(xì)胞膜直接作用。與之相反，革蘭氏陰性菌細(xì)胞膜外存在的細(xì)胞壁是親水的，并且不允許親脂類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入。與莫能菌素相似，大多數(shù)植物精油是親脂的，不能滲透到革蘭氏陰性菌的細(xì)胞膜內(nèi)。

大蒜精油(Garlic oil)是一類(lèi)不同分子量的混合物,包括硫化物（硫代亞磺酸酯、烯丙基硫化物等)、酶、游離氨基酸、固醇和有機(jī)金屬化合物等。其被發(fā)現(xiàn)于植物中，或是在油提取及加工過(guò)程中性質(zhì)發(fā)生改變衍生而來(lái)。1844年，德國(guó)化學(xué)家Wertheim利用水蒸氣蒸餾粉碎后的大蒜得到一些氣味強(qiáng)烈的揮發(fā)性油狀物質(zhì)，即大蒜精油。Soliva等（2011）[16]使用人工瘤胃模擬裝置研究了大蒜精油對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響，結(jié)果表明，大蒜精油可降低91%的日甲烷產(chǎn)生量，也降低了原蟲(chóng)數(shù)量，增加了總細(xì)菌數(shù)，而對(duì)揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生量無(wú)影響。陸燕等（2010）[17]采用體外培養(yǎng)法評(píng)價(jià)了大蒜油和脫臭大蒜油對(duì)瘤胃發(fā)酵、甲烷生成和微生物區(qū)系的影響，研究發(fā)現(xiàn)適宜濃度的大蒜油可以改變瘤胃發(fā)酵類(lèi)型，增加丙酸摩爾濃度百分比，顯著抑制甲烷生成,但對(duì)消化無(wú)影響?？梢?jiàn)大蒜精油在不削弱瘤胃營(yíng)養(yǎng)發(fā)酵的情況下，能夠降低甲烷產(chǎn)生量。

Lin等（2011）[18]研究了4組植物精油混合物（丁香酚、麝香草酚、檸檬醛和肉桂醛按照不同比例混合而成）對(duì)體外培養(yǎng)的瘤胃發(fā)酵和甲烷產(chǎn)生量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)4組植物精油混合物均降低了甲烷產(chǎn)生量和氨氮濃度，同時(shí)也降低了總產(chǎn)氣和總揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生量。然而，Tager等（2011）[19]研究了添加肉桂醛與丁香酚混合物及辣椒素對(duì)泌乳奶牛瘤胃發(fā)酵的影響，結(jié)果表明這些植物精油對(duì)總揮發(fā)性脂肪酸及其組成、氨態(tài)氮均無(wú)影響。

Giannenas等（2011）[20]在母羊日糧中添加不同水平的植物精油（50、100、150mg/kg精料）以研究植物精油對(duì)母羊瘤胃發(fā)酵和瘤胃菌群的影響，研究表明植物精油對(duì)總活菌、纖維分解菌和原蟲(chóng)無(wú)影響，但是兩個(gè)最高水平的植物精油組顯著降低了瘤胃高效氨產(chǎn)生菌，最高水平的植物精油組降低瘤胃氨氮濃度，隨著植物精油添加水平的提高，乙酸傾向于降低，而丙酸傾向于增加。

3 單寧

單寧是高分子量水溶性的多酚類(lèi)化合物，其具有沉淀蛋白質(zhì)的作用。單寧廣泛分布于具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的飼用樹(shù)、灌木、豆科植物和糧食作物中，單寧的存在常常限制它們作為飼料的使用。單寧主要分為兩類(lèi)：①可水解單寧是末食子酸的衍生物，是末食子酸部分或全部酯化到一個(gè)核心的糖醇中，例如葡萄糖、葡萄糖醇、奎寧酸、櫟醇和莽草酸[21]。②縮合單寧可分為(a)原花青素（兩個(gè)、三個(gè)或聚合的花青素和/或黃烷-3-醇單元組成）和（b）無(wú)色花色素（黃烷-3與4-二醇黃酮類(lèi)化合物的二聚體）[21]。構(gòu)成單寧的基本單元的數(shù)量不一，這決定了從兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè)黃酮類(lèi)化合物到更高的低聚體的聚合程度。這種基本單元數(shù)量的不一，使得縮合單寧具有難以計(jì)數(shù)的各種化學(xué)結(jié)構(gòu)，這使不同單寧產(chǎn)生不同的生物學(xué)特性。

一般來(lái)說(shuō)，單寧可抑制瘤胃微生物的生長(zhǎng)。這種作用是有利的，尤其是對(duì)瘤胃蛋白質(zhì)分解菌的抑制。Tagari的早期研究表明，在人工瘤胃條件下，皂角樹(shù)單寧能夠抑制纖維分解菌和蛋白分解菌[22]。然而，栗樹(shù)單寧沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)影響瘤胃接種微生物的纖維素酶活性[23]。據(jù)稱(chēng)，從皂角樹(shù)莢中提取的單寧可改變細(xì)菌形態(tài)，從而產(chǎn)生抗菌劑活性[24]。因此，單寧對(duì)細(xì)菌的抑制活性是由于單寧具有與細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜形成復(fù)合物的能力，從而引起細(xì)菌細(xì)胞壁形態(tài)的改變和胞外酶的分泌[25-26]。Bae等（1993）[27]報(bào)道，在體外條件下，產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（F.succinogenes）的細(xì)胞黏附作用和胞外內(nèi)切葡聚糖酶活性被百脈根中的單寧（100～400 μg/ml）抑制。與之相似，百脈根中的單寧抑制體外培養(yǎng)的蛋白溶解梭菌、溶纖維丁酸弧菌、真菌、白色瘤胃球菌、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和黃化瘤胃球菌的生長(zhǎng)以及蛋白質(zhì)的分解速度。單寧對(duì)瘤胃真菌也有影響作用。Muhammed等（1995）[28]評(píng)價(jià)了單寧酸、鞣花酸、末食子酸和兒茶酚對(duì)瘤胃真菌N.fronta?lis菌株RE1的影響，結(jié)果表明，這些物質(zhì)抑制了這種真菌對(duì)纖維素的水解和游離孢子的黏附作用，鞣花酸、末食子酸和兒茶酚抑制纖維水解的效果比單寧酸更強(qiáng)。單寧對(duì)瘤胃原蟲(chóng)也有影響，但試驗(yàn)結(jié)果不一致，Animut等（2008）[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨著山羊采食量的增加，雞眼草中的單寧線性降低了瘤胃原蟲(chóng)的數(shù)量，但總細(xì)菌數(shù)和纖維分解菌數(shù)無(wú)影響。然而，Benchaar等（2008）[30]報(bào)道，白雀樹(shù)單寧對(duì)奶牛瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量無(wú)影響。研究結(jié)果的不一致可能是由于不同單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同造成的。

金龍（2011）[31]評(píng)價(jià)了紫色達(dá)利菊提取縮合單寧對(duì)瘤胃發(fā)酵及瘤胃微生物的影響，研究發(fā)現(xiàn)這種縮合單寧可提高真干物質(zhì)消化率，也能夠降低瘤胃氨態(tài)氮（NH3-N）濃度，同時(shí)可降低混合苜蓿中的氮轉(zhuǎn)化為NH3-N，進(jìn)而減少苜蓿中的含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為NH3-N而損失掉。另外掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縮合單寧添加量大于150 μg/ml時(shí)，纖維分解菌的生長(zhǎng)停滯，飼料纖維表面有大量絮狀物質(zhì)存在，說(shuō)明紫色達(dá)利菊提取縮合單寧可造成纖維降解菌的纖維附著能力降低；而非纖維降解菌中，瘤胃普雷沃氏菌，嗜淀粉瘤胃桿菌以及瘤胃鏈球菌對(duì)縮合單寧比較敏感。

薛樹(shù)媛等（2011）[32]評(píng)價(jià)了植物單寧酸對(duì)綿羊采食的飼料的降解、生產(chǎn)性能及瘤胃微生物的影響。其體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單寧酸的添加能夠顯著降低日糧的消化率，除對(duì)VFA和干物質(zhì)消失率有影響外，對(duì)其它發(fā)酵參數(shù)無(wú)影響；飼料中添加不同水平的單寧酸（1%、2%和3.5%）會(huì)引起綿羊瘤胃內(nèi)微生物區(qū)系的變化，低水平的單寧酸有利于瘤胃微生物區(qū)系向提高日糧消化率趨勢(shì)發(fā)展。

單寧提取物還能夠?qū)α鑫傅纳餁浠杏绊懽饔?，包含減少瘤胃氫化細(xì)菌的活力及調(diào)控△9脫氫酶的表達(dá)。Khiaosa-Ard等(2009)[33]利用人工模擬瘤胃法探究了黑荊樹(shù)提取縮合單寧對(duì)瘤胃α-亞麻酸生物氫化的影響。結(jié)果表明，黑荊樹(shù)縮合單寧通過(guò)對(duì)C18∶0的生物氫化作用，進(jìn)而提高了瘤胃外流物中trans 11 C18∶1的量。Vasta等（2009）[34]也采用體外培養(yǎng)的方法，以干草或干草加精料為發(fā)酵底物，結(jié)果表明單寧的添加使瘤胃液中微生物蛋白、揮發(fā)性脂肪酸和支鏈揮發(fā)性脂肪酸的濃度降低，也使由LA-I催化的CLA降低，這說(shuō)明單寧可能通過(guò)抑制瘤胃溶纖維丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）的生長(zhǎng)來(lái)降低瘤胃的生物氫化作用。Patra等（2011）[35]研究發(fā)現(xiàn)單寧對(duì)瘤胃發(fā)酵有積極的效果，其可減少飼料蛋白質(zhì)在瘤胃中的降解、預(yù)防瘤胃臌氣、抑制甲烷生產(chǎn)及增加瘤胃共軛亞油酸濃度。

4 結(jié)語(yǔ)

顯而易見(jiàn)，植物提取物具有開(kāi)發(fā)作為瘤胃調(diào)控劑的潛力。經(jīng)鑒定這些物質(zhì)能夠調(diào)控細(xì)菌、原蟲(chóng)、真菌和古細(xì)菌的活性和數(shù)量。植物提取物的作用各異，并且常?；ハ嗝埽@很可能是精料、基礎(chǔ)日糧，尤其是植物提取物的差異造成的。因?yàn)橹参锾崛∥锏幕钚猿煞值臐舛群托再|(zhì)不同，甚至生長(zhǎng)在不用環(huán)境的同種植物及相似植物之間的活性成分的濃度和性質(zhì)也可能存在很大差異。植物提取物調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵的作用機(jī)理還需要深入研究，特別是采用分子生物學(xué)手段，如實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)對(duì)瘤胃微生物的定量，變形梯度凝膠電泳技術(shù)（DGGE）對(duì)瘤胃菌群組成及變化觀測(cè)，有助于植物提取物作用機(jī)理的揭示。

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