天然植物提取物替代飼用抗生素的應用研究進展

唐茂妍，陳旭東

（1.上海正正生物技術(shù)有限公司，上海 200433；2.北京愛普萊生物科技有限公司，北京 100193）

天然植物提取物在人類藥物或營養(yǎng)補充劑中的使用已有數(shù)千年歷史，中國對藥用植物的研究也有悠久的歷史。西方把植物作為香料和藥物使用開始于兩千多年前的羅馬和希臘時期[1]。但是天然植物提取物作為飼料添加劑使用是在2000年以后才開始深入研究，特別是在抗生素禁止或限制在飼料中使用之后，歐洲、美國及日本等國家對于天然植物提取物的抗菌作用進行了深入研究。本文綜述了天然植物提取物添加劑的抗菌作用、作用機理以及在動物飼料中替代抗生素的應用研究。

1 天然植物提取物的定義及分類

1.1 定義與分類

一直以來植物提取物的概念寬泛而混亂，但作為飼料添加劑使用的植物提取物應符合國家的相關規(guī)定和標準。在國內(nèi)關于植物提取物的標準GB/T 19424-2003中對于天然植物飼料添加劑的定義如下：以一種或多種天然植物全株或其部分為原料，經(jīng)物理提取或生物發(fā)酵法加工，具有提高飼料利用率和改善動物產(chǎn)品品質(zhì)等功效的飼料添加劑。本文中還沿用習慣說法“植物提取物”，特指從植物中提?。ǚ腔ず铣桑┑幕钚猿煞置鞔_且可以測定的、含量穩(wěn)定的、對動物和人類沒有任何毒副作用，并已通過動物試驗驗證可以提高動物生產(chǎn)性能的飼料添加劑。植物提取物按照物理形態(tài)可分為固體和液體兩種，按照有效成分不同可分為多酚、多糖、萜類、生物堿、黃酮等。

1.2 常見植物提取物

近10年來，植物提取物及其精油在畜牧業(yè)生產(chǎn)的應用研究日漸深入，目前已有許多試驗數(shù)據(jù)證明牛至油、肉桂精油、丁香油、迷迭香油、茶樹油等，均具有較好的抑制或殺滅細菌、真菌、曲霉菌和球蟲的作用。主要植物提取物的活性成分見表1。

表1 植物提取物的活性成分

1.2.1 牛至與牛至油

牛至在植物分類學中屬于唇形科、牛至屬，又名止痢草、野荊芥，是一種對寒冷敏感的多年生香草，帶有甜松和甜橘的香味。牛至含粗蛋白質(zhì)、多種維生素、微量元素、芳香味揮發(fā)油等。從牛至中提取的牛至油含有多種芳香味化合物，其中酚類化合物＞50%，主要有效成分為百里香酚、百里香素、香芹酚等。

1.2.2 肉桂與肉桂醛

肉桂屬于樟科、樟屬，生于亞熱帶地區(qū)，喜溫暖潮濕氣候的常綠喬木。樹皮灰褐色，具有芳香味。肉桂醛存在于肉桂等植物體內(nèi)，為黃色黏稠液體，是肉桂精油的主要活性成分。自然界中天然存在的或人工合成的肉桂醛均為反式結(jié)構(gòu)。因其分子為一個丙烯醛鏈接一個苯基，因而可被認為是一種丙烯醛的衍生物。

1.2.3 迷迭香與迷迭香油

迷迭香屬唇形科灌木，原產(chǎn)歐洲和非洲北部地中海沿岸，喜溫暖氣候。迷迭香的花和葉子中能提取優(yōu)良的抗氧化劑和迷迭香精油。不同來源的迷迭香精油組分大致相同，包括α-蒎烯、1，8-桉葉素、莰烯、樟腦、龍腦和β-蒎烯，但不同來源的迷迭香精油各組分的含量不同[2]。

1.2.4 丁香與丁子香酚

丁香是指桃金娘科蒲桃屬的熱帶植物，原產(chǎn)于印度尼西亞的群島上。丁子香酚又名丁香酚、丁香油酚，是丁香花蕾中含有的揮發(fā)油的主要成分，常溫下為無色至淡黃色油狀液體，在空氣中易變棕色、變稠。幾乎不溶于水，溶于大多數(shù)有機溶劑。

2 天然植物提取物抑菌機理

迄今為止，植物提取物在抗菌、抗氧化方面的研究取得諸多進展。特別是近年來，植物提取物在畜禽飼料中的應用越來越廣泛，其抑菌特性的研究也越來越深入。但因植物提取物的活性成分種類繁多，其抗菌作用也可能有多種機制[4]。不同作用機制可能不是單獨進行，相互之間是有影響的；一種機制的反應物或生成物可能會影響另一種機制的運行。

植物提取物的抗菌作用機制包括破壞/降解細胞壁結(jié)構(gòu)、破壞細胞膜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、破壞細胞質(zhì)膜、使細胞內(nèi)容物外泄、凝聚細胞質(zhì)、減弱質(zhì)子運動力等。

2.1 牛至提取物及其活性成分的抗菌機理

研究發(fā)現(xiàn)，具有抑菌活性的植物提取物中酚類化合物如香芹酚、百里香酚和丁子香酚的含量比較高[3-4]。而這些化合物中香芹酚和百里香酚的作用機制研究的最為深入。Stiles等認為，二者的主要作用模式是膜穿孔和膜黏合，細胞膜通透性改變和胞內(nèi)物質(zhì)外泄，導致重要的酶系統(tǒng)受到損害，從而引起微生物死亡[5]。研究表明，香芹酚會作用于細胞膜上的磷脂脂肪酸鏈，從而使細胞膜損傷，引起細胞質(zhì)內(nèi)容物外泄造成細胞死亡[6-7]。

植物提取物的抗菌活性與其主要成分的化學結(jié)構(gòu)有關聯(lián)。Dorman等認為含有酚結(jié)構(gòu)的化合物的抑菌活性高于不含酚結(jié)構(gòu)的化合物[4]。百里香酚和香芹酚的結(jié)構(gòu)相似，化學結(jié)構(gòu)中均含有酚基，只是羥基在苯環(huán)上的位置不同。酚羥基是極度活躍基團，極易與相關酶的活性位點形成氫鍵，從而影響酶的作用。

另外，試驗表明植物提取物中不同成分之間具有協(xié)同抗菌作用，非主要成分也起重要作用。已經(jīng)證明香芹酚和百里香酚以及香芹酚和其前體物p-百里香素在抗菌方面存在協(xié)同疊加效應[6,8]。完整的植物提取物的抗菌效能明顯優(yōu)于主要成分混合得到的混合物的抗菌效能[9-10]。

2.2 肉桂提取物及其活性成分的抗菌機理

肉桂因其獨特的氣味和防腐效用很早就被應用到食品、醫(yī)藥和化妝品領域中。后因肉桂活性成分在抑菌方面的高效性和廣譜性（細菌、真菌和曲霉菌等），使之在飼料中的應用日漸廣泛[11]。

肉桂醛分子中存在一個與苯環(huán)共軛的醛基，醛基是親水基團，易被細菌表面的親水基吸附而穿入細胞壁，破壞細菌、真菌的細胞壁多糖結(jié)構(gòu)[12]。肉桂醛的醛基還可與細菌中的蛋白及酶作用，破壞細菌正常的生理代謝，抑制細菌生長。通過電鏡掃描、胞膜通透性、膜完整性、膜電位實驗，發(fā)現(xiàn)肉桂醛可破壞菌體細胞的形態(tài)，使之出現(xiàn)形變，導致胞膜通透性、完整性受到破壞，影響細胞的代謝活動從而抑制細菌生長[13]。

肉桂醛能作用于葡聚糖合酶和幾丁質(zhì)合酶，特異性抑制真菌細胞壁中葡聚糖和幾丁質(zhì)的合成[14]。謝小梅等研究認為，肉桂醛可通過影響黃曲霉細胞膜麥角甾醇的生物合成，使細胞膜受損而影響其正常功能；同時霉菌細胞不能維持正常的細胞形態(tài)，胞內(nèi)外物質(zhì)交換受阻，胞內(nèi)生物大分子合成減少，從而抑制黃曲霉的生長繁殖[15-16]。另外，肉桂醛可作用于黃曲霉的細胞膜，造成膜脂質(zhì)過氧化，干擾黃曲霉細胞的有序級聯(lián)反應，破壞線粒體內(nèi)膜上的氧化還原系統(tǒng)[17]。

2.3 迷迭香提取物及其活性成分的抗菌機理

迷迭香的化學成分包括單萜、二萜、三萜、黃酮等，目前的研究主要集中在二萜類化合物。二萜化合物主要以二萜酚類和二萜醌類為主。二萜酚類包括鼠尾草酸、鼠尾草酚、迷迭香酸、迷迭香酚等化合物，這些物質(zhì)除具有較強的抗氧化性之外，大部分還具有顯著的抑菌作用[18-21]。

關于迷迭香提取物的抑菌機理報道不多，現(xiàn)在的觀點認為，二萜和單萜化合物可改變革蘭氏陽性菌和陰性菌的細胞膜通透性，引起胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，使得細胞無法正常代謝，進而減弱了DNA聚合酶活性，影響DNA復制，從而發(fā)揮抑菌作用[22-23]。

3 植物提取物抑菌作用及替代飼用抗生素的應用效果

3.1 體外抑菌效果

Hammer等和金立志研究了不同天然植物提取物對有害菌的最小抑菌濃度，見表2[24-25]。研究結(jié)果表明，茶樹、芫荽、馬郁蘭和止痢草的提取物對3種致病性細菌（大腸桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌）有較強的抑制效果，尤其是止痢草/牛至提取物的抑菌性最強。

表2 天然植物提取物的最小抑菌濃度

韓乾杰等采用牛津杯法測定肉桂醛、百里香酚和香蘭素對于4種細菌（大腸桿菌、沙門氏菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌和乳酸菌）的抑制效果[26]。結(jié)果表明，3種植物精油均對大腸桿菌、沙門氏菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌有明顯抑制作用，而對乳酸菌無抑制作用。在相同濃度下，抑菌效果為肉桂醛＞香蘭素＞百里香酚。肉桂醛與香蘭素復合植物精油抑菌效果優(yōu)于單一植物精油，并且二者質(zhì)量比為6∶1時抑菌效果最佳。單一丁酸鈉沒有表現(xiàn)出明顯抑菌效果，但丁酸鈉與植物精油復合可顯著降低植物精油的用量。

3.2 植物提取物替代飼用抗生素的應用進展

雖然2006年起歐盟已禁止抗生素作為生長促進劑添加于飼料中，然而當時國內(nèi)對于抗生素替代品在實際養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應用研究并不多見。2017年硫酸粘桿菌素禁止作為促生長劑在飼料中使用，才使得一系列的抗生素替代品研究逐步深入。這些替代品的研究主要集中于植物提取物、微生態(tài)制劑等。

3.2.1 植物提取物在豬飼料中的應用

近年來關于植物提取物替代或部分替代抗生素的試驗研究中，大多數(shù)表現(xiàn)為正效果，即所用植物提取物能替代特定劑量的某種或某些抗生素，并且不影響或改善動物的生產(chǎn)性能，提高機體免疫力。

紀少麗等在妊娠-哺乳期母豬飼料中添加止痢草精油（OE），發(fā)現(xiàn)母豬日糧中添加OE可顯著提高仔豬的日增重和日采食量，斷奶仔豬到屠宰全程添加OE能顯著改善肉豬的日增重。而且母豬日糧添加OE可顯著增加斷奶至肥育期間的豬血清IGF-Ⅰ水平，并且提高了肉豬屠宰性能[27]。

肖傳明等試驗證明，在28 d斷奶仔豬基礎日糧中添加新型豬用植物提取物500 g·t-1可顯著降低仔豬腹瀉率，提高日增重和日采食量；同時通過測定血液生化指標說明該植物提取物可顯著促進斷奶仔豬免疫器官發(fā)育，增強動物免疫力，可以取代飼料中抗生素的使用[28]。王亮等比較了牛至油提取物、苦木甘草提取物、植物精油復合物和抗菌肽（添加量均為1 000 g·t-1）對斷奶仔豬（284 d斷奶，大約克夏純種豬）生產(chǎn)性能、血液生化及免疫性能的影響。以抗生素組作為對照組，試驗結(jié)果表明，抗生素替代產(chǎn)品能夠促進仔豬生長、促進機體蛋白質(zhì)沉積、降低脂肪沉積并提高機體抵抗力，其中牛至油提取物作用效果最佳[29]。范覺鑫等用幾種抗生素替代產(chǎn)品（酸化劑、酶制劑、微生態(tài)制劑、植物提取物、中草藥添加劑等）組合使用配制無抗日糧，研究在21 d斷奶的杜×長×大仔豬（平均體重6.25±0.30 kg）飼料中替代抗生素的效果[30]。發(fā)現(xiàn)不同替代品的組合方案對于仔豬的影響差異顯著，或者提高了生產(chǎn)性能，或者改善了腹瀉率和腹瀉指數(shù)。但如何兼顧生產(chǎn)性能和腹瀉率的配方組合還需進一步研究。田冬冬等也用21 d斷奶仔豬（平均體重6.5 kg）試驗了幾種添加劑組合（復合有機酸+復合酶制劑+微生態(tài)制劑+植物提取物）對于仔豬生長性能和抗腹瀉效果的影響，結(jié)果在整個試驗期內(nèi)，試驗組生產(chǎn)性能和腹瀉率與抗生素組均無顯著差異，表明在該試驗條件下，上述組合能替代抗生素在斷奶仔豬日糧中使用[31]。楊斌研究發(fā)現(xiàn)，飼喂25 d斷奶的三元仔豬（7.32±1.16 kg）黃芪提取物（黃芪多糖、黃芪皂苷）42 d，結(jié)果與添加抗生素（金霉素+粘桿菌素）對照組相比，日糧中添加黃芪提取物能夠顯著改善斷奶仔豬的飼料轉(zhuǎn)化率，在一定程度上提高斷奶仔豬日增重[32]。劉艷霞用品種相同的斷奶豬80頭（體重8.0±0.5 kg）試驗植物源性添加劑艾可特腸佳（主要成分為鞣花酸、木桔素、飛燕草色素-3，5-二糖苷等腸道上皮細胞更新促進劑）和艾可美天然殺菌劑（主要成分是由植物提取物高濃度、高純度的有機分子單體Cimenol環(huán)及檸檬酸組成）對保育豬生長的影響，發(fā)現(xiàn)與空白對照組相比，試驗組仔豬生長速度、飼料利用率提高，糞便顏色等得到改善，同時保育豬腹瀉率大幅度降低（11%和3%）。經(jīng)濟效益分析，保育豬飼料添加艾可特腸佳+艾可美天然殺菌劑，收入增加22.41元·頭-1[33]。梁夢玫等用31～33 d三元（杜×大×長）雜交保育豬135頭試驗不同植物提取物（牛至油、腸佳+艾可美）與抗生素的互作效應，發(fā)現(xiàn)降低抗生素用量添加腸佳與艾可美組合產(chǎn)品，可顯著提高仔豬日增重并降低料重比[34]。

3.2.2 天然植物提取物在禽飼料中的應用

Zhang等試驗表明，常山提取物可有效對抗艾美耳球蟲感染，特別是添加20 mg·kg-1時，可顯著提高肉雞體增重，降低出血性腹瀉、病變評分和蟲卵排出量，效果與抗球蟲藥地克珠利相當[35]。Liu等發(fā)現(xiàn)，肉雞飼料添加植物提取物（辣椒素、大蒜素和姜黃素）均可降低大腸桿菌攻毒時腹瀉評分和腹瀉頻率，并且攻毒后當天的TNF-α、結(jié)合珠蛋白、回腸巨噬細胞、中性粒細胞數(shù)量以及攻毒11 d的白細胞和中性粒細胞數(shù)量均顯著降低[36]。

史東輝等研究了止痢草提取物對肉雞血清的抗氧化作用和雞肉脂類氧化影響，結(jié)果表明，整個試驗期添加止痢草提取物的各試驗組肉雞血清總抗氧化能力（T-AOC）均顯著高于空白對照組和抗生素組[37]。所有試驗各組整個貯藏期間肌肉中丙二醛濃度均顯著低于空白對照組和抗生素組，可見，日糧中的止痢草植物提取物可提高肉雞血清中抗氧化酶的活性，有效延緩雞肉中脂類的氧化。肖傳明等比較了植物提取物（含蒲公英等提取物，富含黃酮、生物堿等有效成分）和抗生素（10%硫酸粘桿菌素200 g·t-1+10%金霉素預混劑400 g·t-1）對Cobb商品代肉雞生長性能和血清生化指標的影響，結(jié)果表明，與抗生素組相比，植物提取物組顯著提高肉雞血清總蛋白含量、谷草轉(zhuǎn)氨酶、淀粉酶、脂肪酶活力，以及鈣磷、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪消化率，并顯著降低死淘率[38]。

楊靜靜等發(fā)現(xiàn)，對于經(jīng)口感染柔嫩艾美耳球蟲孢子卵囊的肉雞，復合植物提取物與陽性對照組（地克珠利）相比療效顯著，且在飼料中添加復合植物提取物Ⅰ的增重效果優(yōu)于地克珠利，是替代抗球蟲、促生長抗生素的良好藥物選擇[39]。Abudabos等研究結(jié)果表明，在鼠傷寒沙門氏菌攻毒的肉雞飼料中添加復合植物提取物，與抗生素組相比改善了飼料利用率，其他生產(chǎn)性能指標沒有顯著差異；血液生化指標和肝臟酶活均無顯著差異，表明此提取物可在肉雞日糧中替代抗生素[40]。

3.2.3 天然植物添加劑在水產(chǎn)飼料中的應用

劉泓宇等以基礎飼料為空白對照，添加氟苯尼考（Florfenicol）0.3%為抗生素對照組，其余4組分別添加RapXOL（植物提取物組，主要成分為牛至油、肉桂醛等）200 mg·kg-1以及不同梯度含量益生菌，發(fā)現(xiàn)日糧中添加植物提取物可明顯提高凡納濱對蝦的成活率、全蝦蛋白含量。植物提取物RapXOL能提高對蝦的成活率和免疫能力，可作為良好的免疫增強劑[41]。

4 植物提取物應用中存在的問題

雖然植物提取物作為一種新型高效的飼料添加劑越來越多的應用于畜禽養(yǎng)殖中，并且多數(shù)試驗報告表明其在替代飼料抗生素促生長劑方面有巨大潛力，但是在實際應用中也存在問題，影響了植物提取物在養(yǎng)殖業(yè)中的使用效果和范圍。

4.1 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定

雖然我國天然植物種類十分豐富，但是植物品種、種植地、收獲時間、使用部位等不同會導致其活性成分差異大，即使植物名稱相同，其主要活性成分的含量也可能不同[1,25]。因而對于同種來源的植物提取物其質(zhì)量差異可能很大。

4.2 產(chǎn)品標準不統(tǒng)一

在植物提取物方面的國家標準和行業(yè)標準缺失。主要原因在于：天然植物成分復雜，不同地域的植物有效成分含量不同，因而對于原料本身的標準難以制定；不同廠家設計植物提取物配方時參考的飼養(yǎng)標準也不同；植物提取物活性物質(zhì)不明確或含量不穩(wěn)定，導致政府部門無法監(jiān)督，用戶也無法進行檢測，限制了植物提取物的評估和應用。

4.3 實際應用效果不確定

雖然很多植物提取物在體外對大多數(shù)消化道有害菌均有抑制作用，但在動物養(yǎng)殖中使用時，效果往往千差萬別，并且有時體外抑菌劑量并不能在體內(nèi)達到同樣的效果。另外，不同植物提取物產(chǎn)品的有效成分和含量不同，對于有害菌的抑制效果差異很大。因而，針對性使用植物提取物能降低抗生素生長促進劑在動物飼料中的應用，但還需要更深入研究。