植物精油對(duì)瘤胃發(fā)酵的調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

王博瑤，鄭晨旭，叢玉艷

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

反芻動(dòng)物瘤胃是一個(gè)復(fù)雜的厭氧發(fā)酵體系，在發(fā)酵過程中，甲烷、二氧化碳等氣體不斷排放，不但造成了能量損失，同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了破壞。合理調(diào)控瘤胃發(fā)酵有利于提高飼料利用率，促進(jìn)機(jī)體生長發(fā)育，是目前的研究熱點(diǎn)。自20 世紀(jì)50 年代以來，包括抗生素在內(nèi)的飼料添加劑一直被用于改變瘤胃發(fā)酵功能。隨著2020 年7 月我國畜禽飼料全面禁抗，科研人員加大力度尋找并開發(fā)可以代替抗生素的綠色、無毒害作用的飼用添加劑。植物精油因具有無殘留、無抗藥性、低毒副作用、安全促生長等優(yōu)點(diǎn)而引起了研究人員重視。植物精油是以植物的花、枝、葉、根、皮、果等為原料，提取出的一類揮發(fā)性芳香物質(zhì)，多呈淡黃色或無色的液體狀，不溶于水，易溶于親脂性有機(jī)溶劑，常溫下具有揮發(fā)性，在動(dòng)物抗氧化、抗應(yīng)激、抗菌、緩解炎癥、調(diào)節(jié)脂類代謝以及改善腸道健康等方面都具有積極作用。本文主要綜述了植物精油對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃氮代謝、甲烷產(chǎn)量以及揮發(fā)性脂肪酸調(diào)控的作用機(jī)制，為植物精油的開發(fā)利用及進(jìn)一步研究提供參考。

1 植物精油的作用機(jī)制

20 世紀(jì)初，人們開始逐步研究植物精油的抗菌作用，并發(fā)現(xiàn)植物精油可以通過與微生物細(xì)胞膜的相互作用，抑制反芻動(dòng)物瘤胃中革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌生長，這種抑菌作用能夠影響反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系，改變瘤胃發(fā)酵類型。一般來說，植物精油具有疏水性，可以在細(xì)菌細(xì)胞膜表面聚集，通過與細(xì)胞膜的相互作用，改變其對(duì)鉀離子、氫離子等陽離子的滲透率，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。植物精油具有多靶點(diǎn)效應(yīng)，各組分間具有協(xié)同性，其所包含的眾多活性成分之間可通過多途徑、多靶點(diǎn)協(xié)同，效果優(yōu)于成分單一、靶點(diǎn)單一的化學(xué)合成物。植物精油雖然各組分靶點(diǎn)都在細(xì)菌細(xì)胞膜上，但其作用機(jī)制有一定差異，其各組分作用機(jī)制見表1。

表1 植物精油各組分抗菌作用機(jī)制

此外，植物精油的抗菌效果具有選擇性。研究表明，植物精油對(duì)革蘭氏陽性菌的抗菌效果較好，而對(duì)革蘭氏陰性菌的抑制效果較差。這是因?yàn)楦锾m氏陰性細(xì)菌具有較厚的膜（細(xì)胞外膜、肽聚糖和細(xì)胞內(nèi)膜），大大降低了滲透性，并且具有親水性，疏水性的植物精油不易進(jìn)入，而大多數(shù)革蘭氏陽性細(xì)菌的細(xì)胞壁由肽聚糖組成，植物精油更易進(jìn)入。因此，革蘭氏陰性細(xì)菌對(duì)植物精油的抵抗力更強(qiáng)。

2 植物精油對(duì)瘤胃氮代謝的影響

氨氮濃度反映了含氮物質(zhì)在瘤胃內(nèi)降解以及氨的利用綜合情況，是評(píng)估瘤胃中氮的存留率的重要指標(biāo)。Zhou 等體外模擬瘤胃發(fā)酵試驗(yàn)表明，添加130、91、52、13 mg/L 牛至油均可降低瘤胃液氨氮濃度，且52 mg/L 牛至油降低氨氮濃度的效果要優(yōu)于其他3 個(gè)濃度。趙亞星等、Wang 等、石寧等試驗(yàn)結(jié)果也均表明，添加適宜濃度的植物精油可降低瘤胃氨氮濃度。同時(shí)，植物精油對(duì)瘤胃氮代謝的影響受其化學(xué)結(jié)構(gòu)與使用劑量等因素影響。Busquet 等體外試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，添加高劑量（3 000 mg/L）植物精油可以顯著降低瘤胃中氨濃度，而中等劑量（300 mg/L）或者低劑量（3 mg/L）對(duì)氨濃度的濃度影響微弱。金恩望等體外試驗(yàn)表明，添加1 500 mg/L 肉桂油或留蘭香油后氨態(tài)氮濃度發(fā)生顯著變化；而當(dāng)添加濃度為100 mg/L、500 mg/L 時(shí)氨態(tài)氮濃度變化趨勢不顯著。

由此可見，植物精油對(duì)調(diào)節(jié)瘤胃氮代謝有一定作用，且效果受其使用種類、濃度、劑量等因素影響，大多情況下高劑量的效果較好。這主要是因?yàn)榱鑫钢杏幸活惡繕O低，卻有極高的脫氨基活性的細(xì)菌——高效產(chǎn)氨菌（），植物精油中的活性成分可以通過對(duì)其的抑制作用，降低脫氨酶的活性和瘤胃中氨氮濃度，進(jìn)而提高蛋白質(zhì)或氨基酸的過瘤胃率。但目前有關(guān)于植物精油對(duì)瘤胃氮代謝影響的相關(guān)試驗(yàn)大多為體外模擬瘤胃試驗(yàn)，體內(nèi)試驗(yàn)開展較少，還應(yīng)進(jìn)一步研究。

3 植物精油對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，甲烷的增溫潛能值極高，是二氧化碳的28 倍，對(duì)全球溫室氣體輻射增長的貢獻(xiàn)高達(dá)17%。其中，反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵所產(chǎn)生的甲烷約占全球溫室氣體排放總量的16%，是最大的人為甲烷排放源之一；同時(shí)產(chǎn)生甲烷所損失的能量占飼料總能的2%～12%，是反芻動(dòng)物能量損失的主要形式之一。而植物精油可減少反芻動(dòng)物的甲烷排放。Chaudhary 等體外模擬瘤胃試驗(yàn)中，添加450 mg/L 牛至油或百里香精油能顯著降低甲烷產(chǎn)量，而添加50 mg/L 或150 mg/L 牛至油和百里香精油對(duì)甲烷產(chǎn)量無顯著影響。張然等研究表明，添加300、400 mg/L 牛至油可以顯著降低瘤胃甲烷產(chǎn)量，抑制了瘤胃的發(fā)酵。Günal 等、曹玉偉等體外研究結(jié)果也表明，植物精油可降低瘤胃甲烷產(chǎn)量。Yatoo 等體內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，分別給水牛飼喂0.15、0.30 mL/kg 混合精油（香旱芹油、大蒜油、肉桂油混合）可顯著減少瘤胃甲烷產(chǎn)量，并且不會(huì)影響飼料利用率。Kolling 等研究結(jié)果也顯示，給奶牛飼喂10 g/d 牛至油可降低瘤胃甲烷產(chǎn)量。由此可見，植物精油對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)生抑制作用，可以一定程度降低瘤胃甲烷對(duì)環(huán)境造成的影響，但也有部分研究人員的試驗(yàn)表明，其效果并不顯著。Olijhoek 等和Benchaar 等的研究均顯示，奶牛飼糧中添加牛至油對(duì)甲烷產(chǎn)量并無顯著影響。這可能是由于試驗(yàn)動(dòng)物生理狀態(tài)不同及飼喂植物精油種類不同，其部分組分抗菌活性較低等；另外，這些結(jié)果與早期體外試驗(yàn)結(jié)果并不完全一致，可能是由于目前所完成的體內(nèi)試驗(yàn)周期均較短，應(yīng)采取更長周期的體內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

反芻動(dòng)物瘤胃中甲烷的產(chǎn)生是瘤胃各種微生物共同作用的結(jié)果，直接產(chǎn)生甲烷的微生物是產(chǎn)甲烷古菌，而細(xì)菌、原蟲及真菌等其他微生物也發(fā)揮著重要作用。植物精油可通過直接抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，或間接減少與產(chǎn)甲烷菌共生的原蟲等微生物數(shù)量，進(jìn)而降低瘤胃中甲烷的產(chǎn)量。此外，今后還需要對(duì)瘤胃產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行更深入研究，確定產(chǎn)甲烷菌優(yōu)勢種屬，從而確定抑制瘤胃產(chǎn)甲烷菌生長方法，設(shè)計(jì)降低甲烷產(chǎn)生的策略，最終達(dá)到既不降低飼料利用率也可減少甲烷排放的目的。

4 植物精油對(duì)瘤胃揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量的影響

VFA 是反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵的重要產(chǎn)物，也為反芻動(dòng)物代謝提供能量，與瘤胃營養(yǎng)及其微生物密不可分，對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃的功能以及其他方面都有重要影響。飼糧組成差異導(dǎo)致瘤胃中微生物種類、數(shù)量和活性的差異，最終影響瘤胃VFA 組成。植物精油具有抗菌作用，可通過對(duì)細(xì)菌的調(diào)節(jié)進(jìn)而改變瘤胃VFA 成分。

近年來，只有少數(shù)試驗(yàn)表明，添加植物精油可以提高瘤胃總VFA 濃度。徐振松等研究表明，添加不同濃度的蒼術(shù)精油不僅增加了瘤胃總VFA 濃度，也顯著提高了乙酸、丙酸、丁酸的含量。Mateos 等試驗(yàn)表明，添加510 mg/L 肉桂醛可以顯著提高總VFA 濃度以及乙酸比例。大多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，植物精油可以維持或降低瘤胃VFA 濃度。張然等體外瘤胃模擬試驗(yàn)表明，添加300、400 mg/L 牛至精油均可顯著降低總VFA 濃度，而添加200 mg/L 牛至精油并不影響總VFA濃度。曹玉偉等的體外瘤胃模擬試驗(yàn)表明，添加0.2、0.4 g/L 香芹酚可降低的總VFA 濃度，而添加茴香油和桉葉油并不顯著影響瘤胃總VFA 濃度。Vargas 等的體外瘤胃模擬試驗(yàn)也表明，添加植物精油，特別是葵花籽和亞麻籽，可以促進(jìn)瘤胃發(fā)酵，但對(duì)瘤胃pH 以及VFA 含量影響并不顯著。同時(shí)，大量研究表明添加植物精油可以改變各VFA 的摩爾比。Vargas 等、房燦等的體外模擬瘤胃試驗(yàn)均表明，添加植物精油可顯著降低乙酸和丙酸比值，增加丙酸的生成。雖然在大多數(shù)生產(chǎn)中降低乙酸和丙酸的摩爾比可以正向改善瘤胃VFA 組成，但并不是所有植物精油都會(huì)產(chǎn)生正效應(yīng)。張然等試驗(yàn)表明，添加牛至油的濃度大于0.3 g/L 時(shí)，顯著增加了乙酸濃度及乙酸與丙酸比值，抑制了瘤胃發(fā)酵以及微生物的活性。

細(xì)菌對(duì)植物精油的耐受能力不同，革蘭氏陽性菌的耐受力較差，而革蘭氏陰性菌對(duì)細(xì)菌的耐受較好，而瘤胃中產(chǎn)乙酸、丁酸多為革蘭氏陽性菌，而產(chǎn)丙酸則多為革蘭氏陰性菌，因此，植物精油會(huì)改變瘤胃VFA 組成，且對(duì)各組分的影響效果不盡相同。同時(shí)，VFA 的代謝是反芻動(dòng)物能量代謝的主要形式，不能單純用VFA 產(chǎn)量來衡量瘤胃發(fā)酵的優(yōu)劣，應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的目的和方向綜合考慮。在實(shí)際應(yīng)用中如何通過添加植物精油來降低甲烷產(chǎn)量以及氨氮濃度，且使VFA 含量以及組分比例保持在對(duì)生產(chǎn)有利的水平，提高反芻動(dòng)物生長性能，是目前亟待解決的問題。

5 小 結(jié)

植物精油具有抗菌作用，可以通過與微生物細(xì)胞膜的相互作用，抑制反芻動(dòng)物瘤胃中革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌生長，具有調(diào)節(jié)瘤胃發(fā)酵功能，可減少瘤胃甲烷排放，提高瘤胃氮的存留率，改變瘤胃揮發(fā)性脂肪酸組成。但目前學(xué)者們的研究大多集中在體外模擬瘤胃發(fā)酵試驗(yàn)上，應(yīng)進(jìn)行更多、更深入的體內(nèi)試驗(yàn)研究。此外，盡管一些試驗(yàn)表明，添加植物精油會(huì)對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生正向作用，但還需要將植物精油的種類及其在日糧中的使用劑量與反芻動(dòng)物自身不同生長階段等關(guān)鍵因素相結(jié)合進(jìn)行考慮，使其不影響飼料的利用率，也可對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生積極正面影響。這將是植物精油對(duì)瘤胃發(fā)酵調(diào)控研究的主要方向，也是植物精油在反芻動(dòng)物生產(chǎn)應(yīng)用上面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。