植物提取物調(diào)控瘤胃發(fā)酵的研究進(jìn)展

汪水平

(西南大學(xué) 榮昌校區(qū)，重慶 402460)

植物提取物調(diào)控瘤胃發(fā)酵的研究進(jìn)展

汪水平*

(西南大學(xué) 榮昌校區(qū)，重慶 402460)

植物提取物因其低毒副作用及所具有的獨(dú)特天然性、營(yíng)養(yǎng)性和生物活性，成為抗生素的理想替代品之一。許多植物提取物可用于調(diào)控單胃動(dòng)物和反芻動(dòng)物的消化道功能。本文旨在闡述精油、皂苷和大蒜提取物等植物提取物對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵的影響，探討其作用機(jī)理及作為瘤胃發(fā)酵調(diào)控劑的可行性。

植物提取物；瘤胃調(diào)控；精油；皂苷；大蒜提取物

反芻動(dòng)物借助瘤胃內(nèi)細(xì)菌、真菌和原蟲(chóng)等厭氧微生物的發(fā)酵，利用大量粗飼料作為其碳水化合物營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。瘤胃微生物菌群降解和發(fā)酵飼料所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為宿主動(dòng)物提供揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFA)和微生物蛋白質(zhì)(Microbial crude protein，MCP)，同時(shí)也產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣體。瘤胃發(fā)酵所產(chǎn)生的VFA約占進(jìn)入機(jī)體代謝的碳流量的2/3，是反芻動(dòng)物賴以生存、保持正常生長(zhǎng)、泌乳、繁殖的主要能源，可提供反芻動(dòng)物總能量需要量的70%～80%，它的生成量是衡量瘤胃微生物活力的重要指標(biāo)。瘤胃微生物合成的蛋白質(zhì)是反芻動(dòng)物小腸蛋白質(zhì)的主要組成部分，占小腸總可吸收蛋白質(zhì)的50%～80%[1]。由于瘤胃對(duì)反芻動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)具有不可替代的重要性，故瘤胃發(fā)酵的調(diào)控一直是反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究的重中之重。以亞治療劑量在飼料中長(zhǎng)期添加抗生素，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物產(chǎn)生耐藥性，并在動(dòng)物產(chǎn)品中殘留，進(jìn)而傳遞給人類(lèi)，造成人用抗生素的療效降低，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康。因此，尋找抗生素替代品已經(jīng)迫在眉睫。植物提取物因其低毒副作用及所具有的獨(dú)特天然性、營(yíng)養(yǎng)性和生物活性，受到從業(yè)者的高度重視。植物在生長(zhǎng)發(fā)育中，為抵御外界如環(huán)境、食物鏈上游生物及病原體等的侵襲，會(huì)產(chǎn)生種類(lèi)豐富的低分子量次生代謝化合物。這些化合物當(dāng)中，許多可用于調(diào)控單胃動(dòng)物和反芻動(dòng)物的消化道功能。本文旨在闡述精油、皂苷和大蒜提取物等植物提取物對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵的影響，探討其作用機(jī)理及作為瘤胃發(fā)酵調(diào)控劑的可行性。

1 精油對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響

精油作為香料、調(diào)味品和保鮮劑等為人們所熟知。在植物的根、莖、皮、葉、花及籽實(shí)中均可發(fā)現(xiàn)精油，其濃度與植物的生長(zhǎng)階段和健康狀況及環(huán)境因素如光、溫度、水分脅迫等密切相關(guān)。植物精油的提取方法主要有蒸餾法、壓榨法和溶劑萃取法等3種。其中，蒸餾法可分為水蒸餾法、蒸汽蒸餾法、水蒸汽擴(kuò)散法、回流蒸餾提取法、精餾法、水和蒸汽聯(lián)合蒸餾法及分餾蒸餾法等，壓榨法可分為海綿吸附法、針刺法和機(jī)械研磨法等，溶劑萃取法可分為浸泡法、脂肪吸附法、有機(jī)溶劑法和超臨界二氧化碳法等。這些方法中，以超臨界二氧化碳萃取法所提取的精油品質(zhì)最為純正，近乎完美，但成本也最高。精油實(shí)際上是一類(lèi)具有芳香氣味和揮發(fā)性的油狀化學(xué)物質(zhì)的總稱。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，精油是苯丙素和萜的醇類(lèi)、酯類(lèi)或醛類(lèi)的衍生物，其中以萜類(lèi)衍生物尤其是單萜含量最高。苯丙素通過(guò)莽草酸途徑來(lái)自苯丙氨酸，萜通過(guò)脫氧木酮糖途徑或甲羥戊酸途徑來(lái)自乙酰輔酶A，兩者均是無(wú)氮碳?xì)浠衔?。苯丙素?lèi)化合物是一類(lèi)基本母核具有一個(gè)或幾個(gè)C6-C3單元的天然化合物，在苯核上有酚羥基或烷氧基取代；萜類(lèi)化合物是具有(C5H8)n通式及其含氧和不同飽和程度的衍生物，可視作由異戊二烯或異戊烷以各種方式連結(jié)而成的一類(lèi)天然化合物。精油具有疏水性和親脂性，殺菌譜廣，對(duì)革蘭氏陰性菌與陽(yáng)性菌及病原真菌均有一定殺菌活性，但對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的作用最強(qiáng)。精油可進(jìn)攻微生物的細(xì)胞膜或細(xì)胞壁，從而影響細(xì)胞膜正常功能，造成細(xì)胞膜通透性增加和細(xì)胞內(nèi)容物外泄；精油也可影響細(xì)胞脂質(zhì)層的穩(wěn)定性，導(dǎo)致細(xì)胞溶解；精油還可影響細(xì)胞能量代謝及還原酶系，導(dǎo)致微生物的代謝紊亂及呼吸過(guò)程的抑制[2-3]。

1.1 精油對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響

絕大多數(shù)精油在添加濃度較高如3 000和5 000 mg·L-1時(shí)會(huì)顯著降低氨和VFA總量的濃度，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑菌活性，但在添加濃度較低時(shí)效果較差[2]。另外，丁香油酚添加濃度較低如0.3和3.0 mg·L-1時(shí)，會(huì)顯著增加氨濃度，中間如30 mg·L-1時(shí)影響不顯著，而較高如300、3 000和5 000 mg·L-1時(shí)會(huì)降低氨濃度[3]。批次培養(yǎng)系統(tǒng)所測(cè)定的數(shù)據(jù)通常是在精油、底物及瘤胃液混合發(fā)酵24 h后取得，此時(shí)瘤胃微生物可能對(duì)精油還處于適應(yīng)階段。L.Castillejos等[4]認(rèn)為，瘤胃微生物能鈍化精油，使其活性組分變成惰性物質(zhì)，故批次培養(yǎng)系統(tǒng)的試驗(yàn)時(shí)間不足以完全闡明精油的作用效果。與連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)相比，采用批次培養(yǎng)系統(tǒng)時(shí)，精油對(duì)瘤胃干物質(zhì)(Dry matter，DM)降解的影響較小。

自然界存在的精油多數(shù)是混合精油(Blend of essential oils，BEO)。與單一精油相比，BEO作為瘤胃調(diào)控劑的可行性較高。BEO對(duì)瘤胃內(nèi)VFA產(chǎn)量及氮和淀粉的降解影響較大。L.Castillejos等[4]發(fā)現(xiàn)，給綿羊飼喂BEO 3 h后，VFA總量才顯著增加。C.J.Newbold等[5]以同樣的添加水平飼喂綿羊，VFA總量要到6 h后才顯著增加。給牛飼喂BEO，750 mg·d-1時(shí)會(huì)顯著增加VFA總量，而1 000 mg·d-1時(shí)影響不顯著[6]。L.Castillejos等[4]研究表明，連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，BEO會(huì)選擇性地刺激乙酸形成。C.J.Newbold等[5]和N.R.Mcewan等[7]采用原位法發(fā)現(xiàn)，BEO會(huì)顯著降低富含蛋白質(zhì)和淀粉的飼料DM瘤胃降解率，而對(duì)富含纖維的飼料DM瘤胃降解率沒(méi)有顯著影響。不過(guò)，BEO對(duì)飼料瘤胃降解的影響具有高度的選擇性。R.Molero等[8]報(bào)道，BEO會(huì)顯著降低向日葵仁粕和豌豆DM在牛瘤胃內(nèi)的降解率，而對(duì)豆粕、玉米或羽扇豆影響不顯著。C.J.Newbold等[5]發(fā)現(xiàn)，BEO會(huì)顯著降低豆粕DM在綿羊瘤胃內(nèi)的降解，而對(duì)菜粕和干草沒(méi)有顯著影響。同時(shí)，R.Molero等[8]發(fā)現(xiàn)，BEO對(duì)飼料DM瘤胃降解率的影響與基礎(chǔ)飼糧類(lèi)型有關(guān)。R.J.Wallace等[9]認(rèn)為，BEO對(duì)快速降解組分含量較高的飼料影響較大，而對(duì)慢速降解組分含量較高的飼料影響較小。F.M.Mcintosh等[10]和C.J.Newbold等[5]分別用純合飼糧加14C標(biāo)記法和原位法發(fā)現(xiàn)，BEO對(duì)綿羊或牛瘤胃蛋白質(zhì)水解和氨基酸脫氨基作用沒(méi)有影響。但是，R.J.Wallace等[9]報(bào)道，給綿羊飼喂BEO，豌豆蛋白質(zhì)的瘤胃降解率降低。L.Castillejos等[4]也報(bào)道，連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，添加BEO會(huì)降低發(fā)酵液中肽氮的濃度及蛋白質(zhì)的降解率。上述試驗(yàn)在條件上最大的區(qū)別就是基礎(chǔ)飼糧的不同。R.Molero等[8]認(rèn)為，BEO進(jìn)入瘤胃后，會(huì)改變微生物對(duì)飼料的附著和定植，影響了飼料可溶組分的裂解，而可溶組分是飼料快速降解組分的主要部分。當(dāng)采用瘤胃可溶物質(zhì)作為基礎(chǔ)飼糧時(shí)，BEO對(duì)飼料蛋白質(zhì)或肽的水解沒(méi)有影響，只是抑制氨基酸的脫氨基作用。瘤胃內(nèi)脫氨基作用由特定細(xì)菌完成，即高產(chǎn)氨(Hyper ammonia producing，HAP)細(xì)菌。盡管瘤胃內(nèi)HAP細(xì)菌數(shù)量很少，但擔(dān)負(fù)著50%以上的脫氨基作用。上述試驗(yàn)表明，BEO能抑制HAP細(xì)菌的活性。

1.2 精油對(duì)瘤胃原蟲(chóng)和真菌的影響

C.Benchaar等[6]采用體內(nèi)法發(fā)現(xiàn)，日喂750 mg(相當(dāng)于每升瘤胃液2.3 mg)BEO不會(huì)影響奶牛瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量。F.M.Mcintosh等[10]采用體外法發(fā)現(xiàn)，日喂1 000 mg(相當(dāng)于每升瘤胃液2.9 mg)BEO對(duì)奶牛瘤胃原蟲(chóng)活性沒(méi)有影響。C.J.Newbold等[5]也報(bào)道，給瘺管綿羊每日飼喂100 mg(相當(dāng)于每升瘤胃液2.9 mg)BEO 2或6 h后，瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量沒(méi)有發(fā)生變化。不過(guò)，S.Ando等[11]試驗(yàn)表明，給瘺管閹牛日喂200 g干薄荷，瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量會(huì)顯著降低50%。M.Rasmussem等[12]從普通烹調(diào)用的香料中篩選出19種精油，發(fā)現(xiàn)從迷迭香(Rosmarinusofficinalis)中提取的精油對(duì)瘤胃原蟲(chóng)的作用效果最明顯；其中，100 mg·L-1迷迭香精油添加量對(duì)瘤胃原蟲(chóng)活性沒(méi)有顯著影響，而1 000、10 000和40 000 mg·L-1添加量分別會(huì)使原蟲(chóng)活性顯著降低50%、90%和90%。上述研究表明，精油對(duì)瘤胃原蟲(chóng)的影響與其種類(lèi)有關(guān)，且在添加水平較高時(shí)才會(huì)發(fā)生作用。目前，有關(guān)精油對(duì)瘤胃真菌影響的報(bào)道很少，僅F.M.Mcintosh等[10]報(bào)道，BEO添加量高于20 mg·L-1時(shí)，瘤胃厭氧真菌Neocallimastixfrontalis的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制。

1.3 精油對(duì)瘤胃細(xì)菌的影響

H.K.Oh等[13]報(bào)道，從適口性差的植物中提取的精油能顯著降低羊和鹿瘤胃細(xì)菌活性。J.G.Nagy等[14]比較經(jīng)常采食山艾的野生鹿和從未接觸山艾的家養(yǎng)鹿的瘤胃微生物區(qū)系，發(fā)現(xiàn)兩者瘤胃細(xì)菌對(duì)從山艾中提取精油的敏感性差異不顯著。F.M.Mcintosh等[10]就純培養(yǎng)時(shí)瘤胃細(xì)菌對(duì)精油的適應(yīng)性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)精油添加濃度逐漸提高時(shí)，瘤胃細(xì)菌能適應(yīng)性地生長(zhǎng)，但當(dāng)添加濃度每次提高0.8倍以上，就始終會(huì)抑制50%細(xì)菌的生長(zhǎng)，表明細(xì)菌對(duì)精油添加濃度提高的適應(yīng)范圍較窄；不過(guò)，對(duì)于干酪乳酸桿菌，當(dāng)精油添加濃度提高3倍，其生長(zhǎng)才會(huì)受到抑制。瘤胃細(xì)菌對(duì)精油的敏感性與其種屬及精油添加濃度有關(guān)。BEO添加濃度為36 mg·L-1可使斯蒂克蘭德氏梭菌的生長(zhǎng)降低50%，而添加濃度為240 mg·L-1也不會(huì)影響牛鏈球菌的生長(zhǎng)[10]。不過(guò)，當(dāng)以推薦量20倍以上的高濃度添加BEO，會(huì)抑制瘤胃發(fā)酵，表明所有的瘤胃微生物對(duì)高添加濃度的精油都不具有耐受性[2]。J.D.Evans等[15]也發(fā)現(xiàn)，90 mg·L-1百里酚能抑制反芻獸月形單胞菌的生長(zhǎng)，而對(duì)牛鏈球菌沒(méi)有影響，但400 mg·L-1能抑制所有微生物的生長(zhǎng)。N.R.Mcewan等[7]報(bào)道，給綿羊飼喂BEO，盡管瘤胃細(xì)菌總數(shù)不受影響，但HAP細(xì)菌數(shù)量及多樣性顯著降低。體內(nèi)法和體外法測(cè)得的精油在瘤胃內(nèi)的有效濃度不一致。C.J.Newbold等[16]報(bào)道，每日分2次給綿羊定量飼喂BEO 110 mg，假定瘤胃體積為10 L，瘤胃內(nèi)容物外流速率為每小時(shí)10%，精油在瘤胃不被降解，則BEO在飼喂后立即達(dá)到最高濃度6 mg·L-1，日平均濃度約為3 mg·L-1。L.Castillejos等[4]認(rèn)為，在長(zhǎng)期連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵罐中，5 mg·L-1BEO可增加VFA產(chǎn)量，抑制脫氨基作用。但是，F(xiàn).M.Mcintosh等[10]采用批次培養(yǎng)方法，認(rèn)為BEO僅在35～360 mg·L-1才會(huì)影響瘤胃細(xì)菌的生長(zhǎng)，這比體內(nèi)法測(cè)得的達(dá)到同樣效果的濃度要高得多。L.Castillejos等[4]認(rèn)為，精油需持續(xù)進(jìn)入瘤胃一段時(shí)間才能發(fā)揮作用，如持續(xù)6 d會(huì)影響VFA產(chǎn)量，持續(xù)28 d以上會(huì)影響氮代謝，表明精油改變瘤胃微生物區(qū)系的速度緩慢。精油的作用效果也與飼料類(lèi)型有關(guān)。F.M.Mcintosh等[10]認(rèn)為，易消化飼料表面的精油局部濃度較高，如淀粉顆?？沈暇?，這也是BEO對(duì)富含淀粉的基礎(chǔ)飼糧影響較大的原因。N.R.Mcewan等[7]發(fā)現(xiàn)，給綿羊飼喂BEO后，瘤胃微生物對(duì)富含淀粉的谷物飼料及富含蛋白質(zhì)的粕類(lèi)飼料的附著能力降低。S.M.Duval等[17]采用PCR-DGGE定向16S rDNA技術(shù)發(fā)現(xiàn)，BEO可改變瘤胃微生物對(duì)富含淀粉的飼料定植模式。R.J.Wallace等[9]推測(cè)，精油可能對(duì)嗜淀粉瘤胃桿菌這種水解淀粉和蛋白質(zhì)能力都很強(qiáng)的微生物高度致敏。不過(guò)，S.M.Duval等[18]采用實(shí)時(shí)PCR技術(shù)表明，BEO的確可影響瘤胃微生物對(duì)富含淀粉或蛋白質(zhì)的飼料附著和定植的能力，而對(duì)嗜淀粉瘤胃桿菌沒(méi)有特殊影響。

2 皂苷對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響

皂苷因其水溶液振搖后能產(chǎn)生大量持久性、類(lèi)似肥皂樣的泡沫而得名。其在自然界分布廣泛，菌類(lèi)、蕨類(lèi)、單子葉、雙子葉植物、動(dòng)物及海洋生物中均有分布，尤以雙子葉植物中分布最多。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，皂苷是高分子量的糖苷，即疏水性的苷元連接著糖元。自然界中，苷元通常為三萜或螺旋甾烷類(lèi)化合物，前者稱三萜皂苷，后者稱甾體皂苷。苷元含有一個(gè)或多個(gè)不飽和C-C鍵，僅C3位點(diǎn)連接著糖分子的是單糖鏈皂苷，C26和C28位點(diǎn)均連接著糖分子的是雙糖鏈皂苷。皂苷結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性取決于苷元結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈性質(zhì)、苷元和糖元的連接位點(diǎn)。糖元組成及連接類(lèi)型與皂苷的生物學(xué)活性直接相關(guān)，如齊墩果烷二糖苷中鼠李糖較葡萄糖細(xì)胞毒性更強(qiáng)，常春藤二糖苷中1～6鏈較1～4鏈毒性要弱。B.Teferedegne等[19]報(bào)道，與苷元相比，皂苷對(duì)瘤胃原蟲(chóng)活性的影響要強(qiáng)烈得多，表明糖元對(duì)皂苷在瘤胃內(nèi)保持活性非常重要。皂苷主要通過(guò)作用于細(xì)胞膜而發(fā)揮生物學(xué)活性。其水溶液大多能破壞紅細(xì)胞，產(chǎn)生溶血現(xiàn)象，該性質(zhì)已用于皂苷的定量檢測(cè)上。皂苷的苷元可與細(xì)胞膜甾醇特別是膽固醇結(jié)合形成膠團(tuán)樣聚集體，破壞細(xì)胞膜的滲透性，造成細(xì)胞崩解。含有皂苷的植物早就天然地作為粗料為反芻動(dòng)物利用，但很少用于提取以獲得特定的飼料添加劑。目前，應(yīng)用較為普遍的含皂苷的植物有皂樹(shù)(Quillajasaponaria)皮、絲蘭(Yuccaschidigera)莖和根、無(wú)患子(Sapindus)籽實(shí)、茶樹(shù)(Camelliacinensis)籽實(shí)和葉。

2.1 皂苷對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響

進(jìn)入消化道的皂苷很難被機(jī)體吸收，故皂苷的生物學(xué)效應(yīng)主要通過(guò)影響消化道微生物發(fā)揮出來(lái)。對(duì)于反芻動(dòng)物，皂苷不僅會(huì)影響瘤胃微生物，瘤胃微生物亦可代謝皂苷，彼此產(chǎn)生互作作用。不同試驗(yàn)間皂苷對(duì)瘤胃VFA總量及各自摩爾比例的影響差異很大，有些研究認(rèn)為會(huì)增加VFA總量和丙酸產(chǎn)量而降低乙酸和丁酸產(chǎn)量，而有些研究認(rèn)為影響較小，這個(gè)現(xiàn)象可歸因于皂苷類(lèi)型及用量的不同。同時(shí)，飼料類(lèi)型也有一定影響，如富含淀粉的飼料較富含纖維的飼料更有助于皂苷發(fā)揮對(duì)VFA生成的影響。多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，皂苷可降低瘤胃氨濃度。瘤胃內(nèi)氨主要來(lái)源于飼糧和微生物的蛋白質(zhì)降解[1]。皂苷可降低瘤胃原蟲(chóng)活性，說(shuō)明菌體蛋白在瘤胃內(nèi)的無(wú)效周轉(zhuǎn)會(huì)受到抑制，這會(huì)降低瘤胃氨濃度。目前，尚不清楚皂苷對(duì)飼糧蛋白質(zhì)降解的影響。S.Muetzel等[20]報(bào)道，無(wú)患子皂苷不能抑制飼料蛋白質(zhì)的體外降解。Y.Wang等[21]發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵罐里，絲蘭提取物促進(jìn)了酪蛋白的降解，但效果不顯著。C.J.Newbold等[16]給綿羊飼喂田菁，對(duì)飼料蛋白質(zhì)的瘤胃降解沒(méi)有影響。A.N.Hristov等[22]也發(fā)現(xiàn)，絲蘭提取物對(duì)小母牛瘤胃內(nèi)蛋白質(zhì)分解活性沒(méi)有影響。皂苷對(duì)MCP合成及其效率的影響也依試驗(yàn)而不同。C.D.Lu等[23]發(fā)現(xiàn)，進(jìn)食苜蓿皂苷的綿羊MCP合成效率降低。A.L.Goetsch等[24]報(bào)道，給牛飼喂絲蘭提取物，會(huì)造成MCP合成效率降低36%。不過(guò)，采用體外法，H.P.S.Makkar等[25]發(fā)現(xiàn)干草飼糧中添加皂樹(shù)皂苷可線性增加MCP合成效率，Y.X.Wang等[26]發(fā)現(xiàn)大麥飼糧中添加絲蘭提取物可促進(jìn)體外MCP合成。Z.Wu等[27]和A.N.Hristov等[22]研究認(rèn)為，絲蘭提取物不會(huì)影響牛瘤胃內(nèi)MCP合成，而A.Abreu等[28]和H.D.Hess等[29]發(fā)現(xiàn)，采食皂樹(shù)籽實(shí)的綿羊流向十二指腸的微生物氮增加。造成上述試驗(yàn)結(jié)果差異巨大的原因，可能是不同研究評(píng)估MCP合成的方法不一樣及皂苷的類(lèi)型、化學(xué)組成和用量上的差異。A.L.Goetsch等[24]指出，皂苷的作用效果與飼糧類(lèi)型有關(guān)，薩灑皂苷可促進(jìn)青貯高粱及纖維性飼料的消化，抑制谷物和蛋白質(zhì)飼料的消化。B.Santoso等[30]也發(fā)現(xiàn)，飼喂梯牧草青貯料時(shí)，絲蘭提取物對(duì)綿羊MCP合成效率的影響不顯著，但飼喂梯牧草干草時(shí)，絲蘭提取物可顯著促進(jìn)綿羊MCP合成效率。

2.2 瘤胃微生物對(duì)皂苷的降解

混合瘤胃微生物可在皂苷存在下生長(zhǎng)，但純?cè)x(chóng)或混合原蟲(chóng)在皂苷的存在下無(wú)法存活，說(shuō)明瘤胃微生物可降解皂苷。H.P.S.Makkar等[25]發(fā)現(xiàn)，皂樹(shù)皂苷添加到瘤胃液中培養(yǎng)24 h后完全消失。C.O.Miles等[31]報(bào)道，瘤胃微生物可降解甾體皂苷，如刺蒺藜皂苷可在瘤胃內(nèi)水解，且已從瘤胃中分離出能降解苜蓿皂苷的丁酸弧菌屬和擬桿菌屬菌株。Y.Wang等[21]發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)4 h以上，瘤胃微生物可除去絲蘭內(nèi)70%甾體皂苷的糖元。B.Teferedegne等[19]報(bào)道，瘤胃內(nèi)皂苷的生物學(xué)活性遠(yuǎn)高于苷元，皂苷去糖元會(huì)降低其抗微生物效果。A.A.Odenyo等[32]報(bào)道，每日將300 g田菁通過(guò)瘤胃瘺管直接投入瘤胃，不會(huì)影響其抑制原蟲(chóng)的效果，但添加到飼糧中飼喂則無(wú)效，表明咀嚼產(chǎn)生的唾液淀粉酶會(huì)使田菁皂苷失去活性。

2.3 皂苷對(duì)瘤胃原蟲(chóng)的影響

原蟲(chóng)占瘤胃微生物總量的比例很大。由于原蟲(chóng)可吞食細(xì)菌、蛋白酶活性較強(qiáng)及凈生產(chǎn)氨，故去原蟲(chóng)可提高瘤胃內(nèi)氮的利用效率[1]。只是，去原蟲(chóng)對(duì)瘤胃纖維降解產(chǎn)生負(fù)面影響。多種皂苷對(duì)原蟲(chóng)具有毒性，可作為瘤胃內(nèi)除原蟲(chóng)劑。適當(dāng)調(diào)整瘤胃微生物區(qū)系可改善動(dòng)物生產(chǎn)性能，但完全除去原蟲(chóng)并無(wú)益處，且難以做到。體外試驗(yàn)表明，絲蘭皂苷可降低原蟲(chóng)活性。不過(guò)，體內(nèi)試驗(yàn)并非如此，如A.Eryavuz等[33]報(bào)道，連續(xù)3周每頭綿羊日喂30 g絲蘭皂苷，不能改變瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量。E.Wina等[34]采用以特定真核RNA為靶標(biāo)的放射性標(biāo)記寡聚核苷酸探針的膜雜交技術(shù)，發(fā)現(xiàn)雨樹(shù)提取物可顯著降低體外原蟲(chóng)數(shù)量。連續(xù)7 d給綿羊和山羊飼喂象耳豆，可降低瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量，但一旦停止飼喂，原蟲(chóng)數(shù)量又得到恢復(fù)[35]。M.Ivan等[36]發(fā)現(xiàn)，給牛日喂200 g象耳豆，11 d后瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量顯著降低，但14 d后又恢復(fù)如初。B.Teferedegne等[19]也報(bào)道，給綿羊飼喂田菁，4 d后原蟲(chóng)數(shù)量降低60%，但10 d又恢復(fù)了。A.A.Odenyo等[32]發(fā)現(xiàn)，田菁可降低英國(guó)綿羊瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量，但對(duì)埃塞俄比亞綿羊瘤胃原蟲(chóng)數(shù)量沒(méi)有影響；由于埃塞俄比亞綿羊經(jīng)常采食田菁，而英國(guó)綿羊從未接觸過(guò)田菁，故其認(rèn)為埃塞俄比亞綿羊瘤胃內(nèi)可能存在適應(yīng)皂苷的原蟲(chóng)群體。因此，長(zhǎng)期暴露給皂苷，可能會(huì)使瘤胃原蟲(chóng)獲得抗毒能力。不過(guò)，由于瘤胃微生物可降解皂苷，故上述試驗(yàn)結(jié)果也可能是試驗(yàn)動(dòng)物瘤胃在一段時(shí)間內(nèi)建立了能快速使皂苷失活的微生物區(qū)系。

2.4 皂苷對(duì)瘤胃細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌的影響

關(guān)于皂苷對(duì)瘤胃細(xì)菌的影響報(bào)道很少。C.J.Newbold等[16]和F.R.Valdez等[37]發(fā)現(xiàn)，田菁葉和絲蘭提取物可增加瘤胃細(xì)菌總數(shù)。A.Diaz等[38]報(bào)道，飼喂絲蘭提取物的綿羊瘤胃內(nèi)細(xì)菌總數(shù)和纖維分解菌數(shù)量顯著增加。不過(guò)，Y.X.Wang等[26]發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵液中連續(xù)添加絲蘭提取物14 d后，白色瘤胃球菌和黃色瘤胃球菌失去降解纖維素的能力，而產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌不受影響。Y.Wang等[21]報(bào)道，淀粉分解菌較纖維分解菌對(duì)皂苷更加敏感。對(duì)雨樹(shù)提取物的研究結(jié)果，也呈現(xiàn)矛盾：在雨樹(shù)皂苷存在下，纖維分解菌的生長(zhǎng)情況，有的研究降低，有的增加，有的不變[34]。由于皂苷可毒殺原蟲(chóng)，而25%產(chǎn)甲烷菌與原蟲(chóng)有關(guān)，故皂苷對(duì)瘤胃產(chǎn)甲烷菌及甲烷產(chǎn)量的影響激起了研究者的興趣。不過(guò)，不同研究的結(jié)果差異很大，如B.Santoso等[30]認(rèn)為絲蘭提取物、H.D.Hess等[39]認(rèn)為皂樹(shù)和雨樹(shù)能降低甲烷產(chǎn)量，但Y.Wang等[21]認(rèn)為沒(méi)有影響，其原因可能與基礎(chǔ)飼糧、皂苷濃度及試驗(yàn)時(shí)間等有關(guān)。

3 大蒜提取物對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響

常食大蒜有益健康已為人所知。大蒜等百合科蔥屬植物鱗莖內(nèi)含有多種含硫化合物。完整的大蒜內(nèi)主要的含硫化合物是γ-谷氨?；?S-烯丙基-L-半胱氨酸和S-烯丙基-L-半胱氨酸亞砜(蒜氨酸)。在大蒜切碎或壓碎時(shí)，上述化合物在大蒜酶作用下轉(zhuǎn)化成硫代亞磺酸酯(如蒜素)。大蒜及其成分對(duì)許多動(dòng)物和植物的病原和腐生微生物均有抑制作用。P.W.Cardozo等[40]在瘤胃模擬連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中添加0.22 mg·L-1的含有0.7%蒜素的大蒜脂質(zhì)提取物，發(fā)現(xiàn)總VFA濃度及乙酸、丙酸或丁酸的摩爾比例未受影響，而氨濃度顯著降低，肽和氨基酸氮濃度顯著升高，表明大蒜提取物可抑制脫氨基作用。P.W.Cardozo等[41]采用體外批次培養(yǎng)系統(tǒng)評(píng)估了pH對(duì)不同濃度大蒜乙酸提取物作用效果的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH為7.0時(shí)，3、30和300 mg·L-1大蒜提取物會(huì)顯著降低總VFA濃度，而0.3 mg·L-1沒(méi)有影響；當(dāng)pH為5.5時(shí)，0.3 mg·L-1大蒜提取物對(duì)總VFA濃度沒(méi)有影響，而3和30 mg·L-1會(huì)顯著增加總VFA濃度，300 mg·L-1則顯著降低；同時(shí)，在pH為7.0和5.5時(shí)，添加大蒜提取物均會(huì)降低氨濃度，且在pH為5.5時(shí)，體外發(fā)酵類(lèi)型為丙酸發(fā)酵型。M.Busquet等[42]通過(guò)蒸汽蒸餾自大蒜鱗莖中提取出大蒜油，按31和312 mg·L-1濃度添加到瘤胃模擬連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，結(jié)果對(duì)總VFA濃度或氨濃度均沒(méi)有影響，只是高濃度會(huì)顯著提高丙酸與丁酸的摩爾比例。M.Busquet等[43]采用體外批次培養(yǎng)系統(tǒng)評(píng)估不同大蒜油濃度及其4種成分(烯丙基化硫、二硫化二烯丙基、烯丙硫醇和蒜素)對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響發(fā)現(xiàn)，高濃度(300和3 000 mg·L-1)的大蒜油會(huì)降低總VFA濃度，低濃度(0.3或30 mg·L-1)則沒(méi)有影響；蒜素對(duì)總VFA濃度沒(méi)有影響；大蒜油、二硫化二烯丙基和烯丙硫醇在300和300 mg·L-1時(shí)會(huì)增加丙酸與丁酸的摩爾比例。M.Busquet等[43]又采用瘤胃模擬連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)評(píng)估300 mg·L-1上述物質(zhì)的作用效果，發(fā)現(xiàn)大蒜油和烯丙硫醇對(duì)瘤胃發(fā)酵的影響一致，而二硫化二烯丙基對(duì)瘤胃發(fā)酵沒(méi)有影響，暗示瘤胃微生物能適應(yīng)或降解二硫化二烯丙基。K.J.Hart等[44]采用瘤胃模擬技術(shù)發(fā)現(xiàn)，2和20 mg·L-1蒜素對(duì)每日VFA產(chǎn)量和氨產(chǎn)量沒(méi)有影響，但可降低甲烷產(chǎn)量，尤其是20 mg·L-1蒜素可使甲烷產(chǎn)量降低94%；借助實(shí)時(shí)PCR技術(shù)可知，蒜素可降低發(fā)酵罐中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，而對(duì)細(xì)菌總數(shù)沒(méi)有影響。

4 小 結(jié)

有關(guān)植物提取物對(duì)瘤胃微生物發(fā)酵影響的研究取得了很大的進(jìn)展。但是，不同試驗(yàn)間植物提取物的作用效果差異很大。影響植物提取物作用效果的主要因素：所用植物提取物的類(lèi)型、品種、來(lái)源、提取方法、有效成分含量及比例、添加量、基礎(chǔ)飼糧組成、試驗(yàn)動(dòng)物的生長(zhǎng)階段與飼養(yǎng)環(huán)境及試驗(yàn)時(shí)間等。顯然，植物提取物具有開(kāi)發(fā)為瘤胃調(diào)控劑的潛力。不過(guò)，要將植物提取物用于生產(chǎn)實(shí)踐，還有丞待解決的問(wèn)題：① 應(yīng)明確植物提取物的有效成分及含量，盡可能使用純品開(kāi)展研究；② 需要更多的體內(nèi)試驗(yàn)以確定植物提取物的有效添加量；③ 需要更長(zhǎng)的體內(nèi)試驗(yàn)時(shí)間以驗(yàn)證植物提取物的有效性；④ 更加深入的研究植物提取物對(duì)瘤胃微生物的影響；⑤ 植物提取物在動(dòng)物產(chǎn)品中的殘留；⑥ 植物提取物對(duì)機(jī)體的綜合影響；⑦ 應(yīng)用植物提取物所需的成本。因此，有必要結(jié)合植物提取物中的有效活性成分，利用現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)學(xué)、免疫學(xué)、分子生物學(xué)等現(xiàn)代研究手段，從體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝利用途徑、免疫調(diào)節(jié)機(jī)理和激素的分泌調(diào)控等方面，對(duì)植物提取物的作用機(jī)理做深入研究。

[1] 王文娟，汪水平，譚支良.反芻動(dòng)物瘤胃氮代謝研究進(jìn)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(5)：747-754. WANG W J，WANG S P，TAN Z L.Research advance on nitrogen metabolism in the rumen of ruminants[J].JournalofHuazhongAgriculturalUniversity，2007，26(5)：747-754.(in Chinese)

[2] BODASA R，PRIETOA N，GARCA-GONZLEZB R，et al.Manipulation of rumen fermentation and methane production with plant secondary metabolites[J].AnimFeedSciTechnol，2012，176：78-93.

[3] FLACHOWSKY G，LEBZIEN P.Effects of phytogenic substances on rumen fermentation and methane emissions：A proposal for a research process[J].AnimFeedSciTechnol，2012，176：70-77.

[4] CASTILLEJOS L，CALSAMIGLIA S，F(xiàn)ERRET A，et al.Effects of dose and adaptation time of a specific blend of essential oil compounds on rumen fermentation[J].AnimFeedSciTechnol, 2007，132：186-201.

[5] NEWBOLD C J，MCINTOSH F M，WILLIAMS P，et al.Effects of a specific blend of essential oil compounds on rumen fermentation[J].AnimFeedSciTechnol，2004，114：105-112.

[6] BENCHAAR C，PETIT H V，BERTHIAUME R，et al.Effects of essential oil supplements on ruminal fermentation，rumen microbial populations andinsaccodegradation of dry matter and nitrogen in the rumen of lactating dairy cows[J].CanJAnimSci，2003，83：637-638.

[7] MCEWAN N R，GRAHAM R C，WALLACE R J，et al.Effect of essential oils on ammonia production by rumen microbes[J].ReprodNutrDev，2002，42(Suppl.1)：S65.

[8] MOLERO R，IBARS A，CALSAMIGLIA S，et al.Effects of a specific blend of essential oil compounds on dry matter and crude protein degradability in heifers fed diets with different forage to concentrate ratios[J].AnimFeedSciTechnol，2004，114：91-104.

[9] WALLACE R J，MCEWAN N R，MCINTOSH F M，et al.Natural products as manipulators of rumen fermentation[J].AsianAustJAnimSci，2002，15：1458-1468.

[10] MCINTOSH F M，WILLIAMS P，LOSA R，et al.Effects of essential oils on ruminal microorganisms and their protein metabolism[J].ApplEnvironMicrobiol，2003，69：5011-5014.

[11] ANDO S，NISHIDA T，ISHIDA M，et al.Effect of peppermint feeding on the digestibility，ruminal fermentation and protozoa[J].LivestProdSci，2003，82：245-248.

[12] RASMUSSEM M，F(xiàn)RANKLIN S，MCNEFF C，et al.Control of pathogens using defaunation[C]//In：Proceedings of the Third International Conference on Enteric Diseases：Strategies in the Prevention of Enteric Disease and Dissemination of Food-Bourne Pathogens.Rapid City，South Dakota，USA：National Academy Press，2005：159-174.

[13] OH H K，JONES M B，LONGHURST W M.Comparison of rumen microbial inhibition resulting from various essential oils isolated from relatively unpalatable plant species[J].ApplMicrobiol，1968，16：39-44.

[14] NAGY J G，TENGERDY R P.Antibacterial action of essential oils ofArtemisiaas an ecological factor Ⅱ.Antibacterial action of the volatile oils ofArtemisiatridentata(big sagebush) on bacteria from the rumen of mule deer[J].ApplMicrobiol，1968，16：441-444.

[15] EVANS J D，MARTIN S A.Effects of thymol on ruminal microorganisms[J].CurrMicrobiol，2000，41：336-340.

[16] NEWBOLD C J，ELHASSAN S M，WANG J，et al.Influence of foliage fromAfricanmultipurposetrees on activity of rumen protozoa and bacteria[J].BrJNutr，1997，78：237-249.

[17] DUVAL S M，NEWBOLD C J，MCEWAN N R，et al.Effect of a specific blend of essential oils on the colonization of substrates by rumen microorganisms[J].ReprodNutrDev，2004，44：S35-S53.

[18] DUVAL S M，MCEWAN N，GRAHAM R，et al.Effects of a specific blend of essential oils on the colonization of stratch-rich substrates by rumen microorganisms[J].JAnimSci，2005，83(Suppl.1)：340.

[19] TEFEREDEGNE B，MCINTOSH F，OSUJI P O，et al.Influence of foliage from different accessions of the subtropical leguminous tree,Sesbaniasesban，on ruminal protozoa in Ethiopian and Scottish sheep[J].AnimFeedSciTechnol，1999，78：11-20.

[20] MUETZEL S，HOFFMANN E M，BECKER K.Supplementation of barley straw withSesbaniapachycarpaleavesinvitro：effects on fermentation variables and rumen microbial population structure quantified by ribosomal RNA-targeted probes[J].BrJNutr，2003，89：445-453.

[21] WANG Y，MCALLISTER T A，NEWBOLD C J，et al.Effects ofYuccaschidigeraextract on fermentation and degradation of steroidal saponins in the rumen simulation technique(RUSITEC)[J].AnimFeedSciTechnol，1998，74：143-153.

[22] HRISTOV A N，MCALLISTER T A，VAN HERK F H，et al.Effect ofYuccaschidigeraon ruminal fermentation and nutrient digestion in heifers[J].JAnimSci，1999，77：2554-2563.

[23] LU C D，TSAI L S，SCHAEFER D M，et al.Alteration of fermentation in continuous culture of mixed rumen bacteria by isolated alfalfa saponins[J].JDairySci，1987，70：799-805.

[24] GOETSCH A L，OWENS F N.Effects of sarsaponin on digestion and passage rates in cattle fed medium to low concentrate[J].JDairySci，1985，68：2377-2384.

[25] MAKKAR H P S，BECKER K.Degradation of Quillaja saponins by mixed culture of rumen microbes[J].LettApplMicrobiol，1997，25：243-245.

[26] WANG Y X，MCALLISTER T A，YANKE L J，et al.Invitroeffects of steroidal saponins fromYuccaschidigeraextract on rumen microbial protein synthesis and ruminal fermentation[J].JSciFoodAgric，2000，80：2114-2122.

[27] WU Z，SADIK M，SLEIMAN F T，et al.Influence ofYuccaextract on ruminal metabolism in cows[J].JAnimSci，1994，72：1038-1042.

[28] ABREU A，CARULLA J E，LASCANO C E，et al.Effects ofSapindussaponariafruits on ruminal fermentation and duodenal nitrogen flow of sheep fed a tropical grass diet with and without legume[J].JAnimSci，2004，82：1392-1400.

[29] HESS H D，BEURET R A，LOTSCHER M，et al.Ruminal fermentation，methanogenesis and nitrogen utilization of sheep receiving tropical grass hay-concentrate diets offered withSapindussaponariafruits andCratyliaargenteafoliage[J].JAnimSci，2004，79：177-189.

[30] SANTOSO B，MWENYA B，SAR C，et al.Effect ofYuccaschidigerawith or without nisin on ruminal fermentation and microbial protein synthesis in sheep fed silage and hay based diets[J].JAnimSci，2004，75：525-531.

[31] MILES C O，WILKINS A L，MUNDAY S C，et al.Identification of the calcium salt of epismilagenin beta-D-glucuronide in the bile crystals of sheep affected by Panicum-dichotomiflorum and Panicum-schinzii toxicoses[J].JAgricFoodChem，1992，40：1606-1609.

[32] ODENYO A A，OSUJI P O，KARANFIL O.Effect of multipurpose tree(MPT) supplements on ruminal ciliate protozoa[J].AnimFeedSciTechnol，1997，67：169-180.

[33] ERYAVUZ A，DEHORITY B A.Effect ofYuccaschidigeraextract on the concentration of rumen microorganisms in sheep[J].AnimFeedSciTechnol，2004，117：215-222.

[34] WINA E，MUETZEL S，BECKER K.The impact of saponins or saponin-containing plant materials on ruminant production：A review[J].JAgricFoodChem，2005，53：8093-8105.

[35] NAVAS-CAMACHO A，LAREDO M A，CUESTA A，et al.Effect of supplementation with a tree legume forage on rumen function[J].LivestResRuralDev，1993，5：58-71.

[36] IVAN M，KOENIG K M，TEFEREDEGNE B，et al.Effects of the dietaryEnterolobiumcyclocarpumfoliage on the population dynamics of rumen ciliate protozoa in sheep[J].SmallRumRes，2004，52：81-91.

[37] VALDEZ F R，BUSH L J，GOETSCH A L，et al.Effect of steroidal sapogenins on ruminal fermentation and on production of lactating dairy cows[J].JDairySci，1986，69：1568-1575.

[38] DIAZ A，AVENDANO M，ESCOBAR A.Evaluation ofSapindussaponariaas a defaunating agent and its effects on different rumen digestion parameters[J].LivestResRuralDev，1993，5：1-6.

[39] HESS H D，KREUZER M，DIAZ T E，et al.Saponin rich tropical fruits affect fermentation and methanogenesis in faunated and defaunated rumen fluid[J].AnimFeedSciTechnol，2003，109：79-94.

[40] CARDOZO P W，CALSAMIGLIA S，F(xiàn)ERRET A，et al.Effects of natural plant extracts on ruminal protein degradation and fermentation profiles in continuous culture[J].JAnimSci，2004，82：3230-3236.

[41] CARDOZO P W，CALSAMIGLIA S，F(xiàn)ERRET A，et al.Screening for the effects of natural plant extracts at different pH oninvitrorumen microbial fermentation of a high-concentrate diet for beef cattle[J].JAnimSci，2005，83：2572-2579.

[42] BUSQUET M，CALSAMIGLIA S，F(xiàn)ERRET A，et al.Screening for effects of plant extracts and active compounds of plants on dairy cattle rumen microbial fermentation in a continuous culture system[J].AnimFeedSciTechnol，2005，124：597-613.

[43] BUSQUET M，CALSAMIGLIA S，F(xiàn)ERRET A，et al.Effects of cinnamaldehyde and garlic oil on rumen microbial fermentation in a dual flow continuous culture[J].JDairySci，2005，88：2508-2516.

[44] HART K J，GIRDWOOD S E，TAYLOR S，et al.Effect of allicin on fermentation and microbial populations in the rumen simulating fermentor Rusitec[J].ReprodNutrDev，2006，46(Suppl.1)：S97.

(編輯 郭云雁)

The Research Progress of Plant Extracts to Manipulate Rumen Fermentation

WANG Shui-ping*

(SouthwestUniversityRongchangCampus，Chongqing402460，China)

Plant extracts are the perfect alternative product of antibiotics because of their lower toxic and side effects，unique natural character，nutrition and biological activity.Many of them could be used to manipulate gut function in both ruminant and non ruminant animals.This review considers the effect of 3 kinds of plant extracts，such as essential oils，saponins and garlic extracts，on rumen fermentation and discusses their mechanism of action and feasibility exploited as rumen manipulating agents.

plant extract；rumen manipulation；essential oil；saponins；garlic extracts

10.11843/j.issn.0366-6964.2015.01.002

2014-01-25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(XDJK2014C154)

汪水平(1979-)，男，湖北浠水人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事草食牲畜營(yíng)養(yǎng)與飼料研究

*通信作者：汪水平，E-mail：wangshuiping1979@sina.com

S823.5

A

0366-6964(2015)01-0012-08