植物精油的生理功能和作用機(jī)制及其在動(dòng)物生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

趙亞星，敖長(zhǎng)金

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)高校動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

近年來(lái)，抗生素的耐藥性及藥物殘留問(wèn)題嚴(yán)重影響食品安全及人類(lèi)健康，因此，越來(lái)越多的研究人員致力于從天然植物中尋找抗生素替代品[1]。植物精油是從植物體內(nèi)提煉出的一類(lèi)揮發(fā)性芳香物質(zhì)，主要由萜類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)和醛類(lèi)組成[2]。植物精油多為無(wú)色或淡黃色，呈液體狀，常溫下具有揮發(fā)性，易溶于親脂性有機(jī)溶劑。植物精油作為一種提取物，廣泛存在于植物的花、莖、葉、根和果實(shí)中[3]。植物精油是一種天然的抗氧化劑，具有較好的抑菌抗炎[3]、抗腫瘤[4]及抗氧化應(yīng)激[5]作用，有望成為一種可緩解全球抗菌藥物危機(jī)的天然抗菌劑[6]。近年來(lái)大量研究表明，飼糧中添加植物精油可有效提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能[7]和免疫功能[8]，并顯著改善反芻動(dòng)物胃腸道微生態(tài)[9]，是目前最具有潛力的抗生素替代品之一。因此，植物精油在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值頗高，應(yīng)用前景廣闊。本文主要綜述了植物精油的理化性質(zhì)、提取工藝、生物學(xué)作用以及近年來(lái)植物精油在動(dòng)物養(yǎng)殖中的應(yīng)用，為植物精油的應(yīng)用及研究提供參考。

1 植物精油的提取工藝

植物精油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑萃取法、壓榨法、吸收法、超臨界流體萃取法等[10-11]。表1 匯總了幾種常用的植物精油提取與純化方法，分析了各方法優(yōu)缺點(diǎn)。水蒸氣蒸餾法為工業(yè)生產(chǎn)中的常用方法；超聲波輔助提取法在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較難；有機(jī)溶劑提取法不宜用于工業(yè)生產(chǎn)，現(xiàn)用于實(shí)驗(yàn)室研究；酶解法易于工業(yè)化生產(chǎn)。

2 植物精油的生物學(xué)功能及其作用機(jī)制

2.1 抗氧化作用 動(dòng)物在正常生長(zhǎng)代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含氧自由基，若不能被及時(shí)清除，體內(nèi)積累的自由基可通過(guò)破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，使生物膜中的不飽和脂類(lèi)發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化并形成脂質(zhì)過(guò)氧化物，其最終產(chǎn)物是丙二醛（MDA）。動(dòng)物機(jī)體生物膜功能一旦遭到破壞，將損傷蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子，導(dǎo)致機(jī)體代謝功能產(chǎn)生紊亂。植物精油的抗氧化機(jī)制：①提供質(zhì)子。1，1-二苯基-2-苦味酰肼 基（1，1-diphenyl-2-picryhydrazyl，DPPH）羥基自由基（OH）、超氧陰離子自由基（O2-）等氧化自由基能夠引發(fā)生物膜表面發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞。脂質(zhì)過(guò)氧化可誘導(dǎo)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生，直至產(chǎn)生終止產(chǎn)物。姚光明[13]發(fā)現(xiàn)，隨著玫瑰精油（0.2～3.0 mg/mL）的增加清除DPPH、OH 和O2-的能力逐漸增強(qiáng)，可能機(jī)制是精油中含有的酚羥基基團(tuán)在脂質(zhì)過(guò)氧化第一步反應(yīng)中作為氫供體與自由基結(jié)合生成相對(duì)穩(wěn)定的半醌式自由基，從而終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。②較強(qiáng)的金屬離子鰲合活性。在脂質(zhì)氧化反應(yīng)中，具有催化能力的某些金屬離子可促使過(guò)氧化物發(fā)生Fenton 反應(yīng)而產(chǎn)生大量自由基，對(duì)細(xì)胞中的DNA、蛋白質(zhì)等大分子造成損傷。植物精油中的酚類(lèi)化合物與金屬離子鰲合生成穩(wěn)定的化合物，終止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，減少自由基產(chǎn)生。馬雪梅等[14]研究結(jié)果表明，25%紫荊花精油對(duì)Fe2+具有一定的螯合作用。③上調(diào)抗氧化酶的活性。核因子相關(guān)因子2（Nrf2）可通過(guò)調(diào)控抗氧化酶基因的表達(dá)進(jìn)而提高血清和組織中抗氧化酶的活性。Kang 等[15]研究表明，五味子精油可能通過(guò)上調(diào)Nrf2 蛋白進(jìn)而調(diào)控抗氧化酶基因的表達(dá)。綜上所述，植物精油可提高機(jī)體內(nèi)非酶抗氧化劑活性，并且可通過(guò)上調(diào)核因子相關(guān)因子基因的轉(zhuǎn)錄水平，增加Nrf2 蛋白表達(dá)，進(jìn)而提高機(jī)體內(nèi)抗氧化酶活性以緩解氧化應(yīng)激造成的組織和細(xì)胞損傷。

表1 植物精油提取與純化方法的比較

2.2 抗菌作用 植物精油對(duì)原蟲(chóng)、真菌、細(xì)菌等均有抑制或殺滅作用。植物精油的活性成分具有親脂性，當(dāng)其進(jìn)入細(xì)胞膜時(shí)，破壞細(xì)胞磷脂結(jié)構(gòu)，代謝產(chǎn)物、離子等內(nèi)容物滲出，造成細(xì)胞死亡。權(quán)美平[16]研究發(fā)現(xiàn)，茜草精油能通過(guò)破壞細(xì)胞膜的通透性而發(fā)揮其抗菌活性，對(duì)表皮葡萄球菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用。除此之外，Ultee 等[17]在香芹酚對(duì)蠟樣芽孢桿菌的抑菌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，酚類(lèi)化合物中的酚羥基作為陽(yáng)離子跨膜載體引發(fā)質(zhì)子內(nèi)流，鉀離子外流，從而引起質(zhì)子運(yùn)動(dòng)力缺失，ATP 合成受阻，最終造成病菌細(xì)胞死亡。黃飛[18]研究發(fā)現(xiàn)，反式肉桂醛通過(guò)改變意大利青霉菌菌絲體結(jié)構(gòu)，誘發(fā)菌絲體溶解，最終導(dǎo)致病菌死亡。植物精油也可通過(guò)抑制或者降低病菌分子孢子的產(chǎn)生和萌發(fā)，從而破壞其受精作用。涂小芳等[11]研究發(fā)現(xiàn)，桂皮精油和丁香精油能夠抑制面包腐敗菌的孢子萌發(fā)，從而達(dá)到良好的抗菌效果。由于植物精油的化學(xué)成分非常復(fù)雜，其發(fā)揮抑菌作用的位點(diǎn)和機(jī)制可能是對(duì)多個(gè)位點(diǎn)共同作用的結(jié)果。

2.3 抗腫瘤作用 植物精油通過(guò)抑制細(xì)胞增殖誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，阻滯細(xì)胞周期和自噬等方式而發(fā)揮其抗腫瘤功能。細(xì)胞凋亡是指為維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，由基因調(diào)控的按照固有的自殺機(jī)制，最終形成凋亡小體的過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，丁香酚可通過(guò)消耗細(xì)胞內(nèi)的巰基而破壞氧化還原系統(tǒng)的平衡，造成細(xì)胞內(nèi)活性氧蓄積，大量ROS 可引起線粒體滲透性發(fā)生改變，使細(xì)胞色素C 釋放到細(xì)胞液中從而激活Caspase-9 和Caspase-3 的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，這兩者被激活后可能誘導(dǎo)Bax 遷入線粒體，導(dǎo)致線粒體內(nèi)Bcl-2抗凋亡蛋白減少，這些物質(zhì)的變化和互作共同誘導(dǎo)癌細(xì)胞的調(diào)亡[19]。細(xì)胞的增殖和生長(zhǎng)依賴(lài)于細(xì)胞有絲分裂的正常進(jìn)行，植物精油能夠阻滯腫瘤細(xì)胞復(fù)制周期，導(dǎo)致細(xì)胞周期紊亂，最終抑制腫瘤生長(zhǎng)[20]。研究發(fā)現(xiàn)，連香樹(shù)精油可使肝癌SMMC-7721 細(xì)胞G0/G1期的比例下降9.7%，G2/M 期的比例升高56%，證明連香樹(shù)精油阻滯細(xì)胞G2/M 期，達(dá)到抑制細(xì)胞分裂的作用[21]。細(xì)胞自噬是真核生物細(xì)胞降解自身的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，并被溶酶體吞噬的過(guò)程[22]。在肝癌SMMC-7721 細(xì)胞中加入自噬抑制劑后，引起B(yǎng)cl-2 抗凋亡蛋白顯著下調(diào)，從而促進(jìn)了肝癌SMMC-7721 細(xì)胞的凋亡作用。由此可得，細(xì)胞自噬與細(xì)胞凋亡兩者表現(xiàn)為拮抗作用[21]。李飛等[23]研究發(fā)現(xiàn)，添加連香樹(shù)精油抑制細(xì)胞的自噬過(guò)程可以提高對(duì)肝癌SMMC-7721 細(xì)胞的凋亡作用，進(jìn)而殺死腫瘤細(xì)胞。

3 植物精油在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

植物精油對(duì)動(dòng)物瘤胃發(fā)酵、消化、抗菌、抗應(yīng)激、抗氧化、提高免疫力等方面有積極的作用，也被大量的試驗(yàn)研究證實(shí)。

3.1 水產(chǎn)動(dòng)物 Wupranee 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在雜交紅羅非魚(yú)的飼糧中添加1.5 g/kg 魚(yú)腥草精油可顯著提高羅非魚(yú)的平均日增重和血漿中溶菌酶活性。Zeppenfled 等[25]在銀鯰魚(yú)飼糧中添加2 mL/kg 三葉蘆薈精油，發(fā)現(xiàn)銀鯰魚(yú)腦內(nèi)過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性顯著增強(qiáng)，說(shuō)明三葉蘆薈精油可激活鯰魚(yú)的抗氧化防御系統(tǒng)，減輕機(jī)體氧化應(yīng)激，進(jìn)而提高水產(chǎn)動(dòng)物的抗氧化能力。Ran 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在羅非魚(yú)的飼糧中添加香芹酚可提高IL-8和IL-1β的mRNA 表達(dá)量，可顯著提高頭和腎巨噬細(xì)胞的吞噬活性，進(jìn)而提高機(jī)體免疫力。Giannenas 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在虹鱒飼糧中添加1 g/kg 香芹酚可顯著抑制腸道內(nèi)的乳酸桿菌和厭氧菌群，證明香芹酚可通過(guò)抑制有害菌的增殖改善虹鱒腸道微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而減少水產(chǎn)動(dòng)物的發(fā)病率和死亡率。以上結(jié)果表明，植物精油可通過(guò)抑制腸道有害菌、提高抗氧化能力、增強(qiáng)免疫力等提高水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。

3.2 單胃動(dòng)物 植物精油可促進(jìn)禽類(lèi)腸道發(fā)育，有利于禽類(lèi)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。丁曉等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在21 日齡肉仔雞飼糧中添加0.2 g/kg 八角茴香精油能夠顯著提高空腸的相對(duì)長(zhǎng)度、小腸的相對(duì)重量以及十二指腸和空腸的絨毛長(zhǎng)度，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收能力。徐靜等[29]研究發(fā)現(xiàn)，0.4 mL/L 大蒜精油可降低雞肉中苦味氨基酸含量，同時(shí)提高了鮮味氨基酸含量，雞肉風(fēng)味得到有效改善。脾臟、胸腺和法氏囊能夠提供免疫活性細(xì)胞。免疫器官指數(shù)是衡量禽類(lèi)機(jī)體免疫狀態(tài)的初步指標(biāo)。張文靜等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加160 mg/kg 復(fù)合精油（百里香酚、丁香酚、香芹酚、檸檬烯、檸檬醛、肉桂醛、大蒜素）可顯著增加肉雞血清中補(bǔ)體含量，促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖，提高溶菌酶水平和新城抗體滴度，促進(jìn)細(xì)胞因子 IL-2、TNF-α、IFN-γ的分泌，提高脾臟指數(shù)和法氏囊指數(shù)，從而增強(qiáng)機(jī)體的免疫力。

植物精油可以通過(guò)減少細(xì)胞促炎因子，增加免疫細(xì)胞和免疫活性物質(zhì)含量緩解炎癥反應(yīng)，提高豬的免疫力。Kroismayr 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，添加40 mg/kg 混合精油可以顯著抑制仔豬回腸、空腸中NF-κB 信號(hào)通路的激活以及相關(guān)炎癥因子TNF-αmRNA 的表達(dá)從而減少炎癥因子的分泌。CD4+/CD8+比值是評(píng)價(jià)機(jī)體免疫功能的重要指標(biāo)。楊珍[32]在仔豬飼糧中添加澳洲茶油樹(shù)精油顯著提高血清溶菌酶含量、免疫球蛋白（IgG）含量和CD4+/CD8+比值。周選武等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬飼糧中添加200 mg/kg 植物精油可顯著提高仔豬血液中葡萄糖含量，緩解斷奶應(yīng)激。高效的消化吸收能力是動(dòng)物機(jī)體保持良好體況的基礎(chǔ)。近年來(lái)，大量研究表明，在飼糧中添加適量的植物精油可增強(qiáng)腸道消化酶活性，促進(jìn)有益菌生長(zhǎng)的同時(shí)抑制有害菌的繁殖[34]，進(jìn)而改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到提高動(dòng)物生產(chǎn)性能的目的。Xu 等[35]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加30 mg/kg 植物精油可顯著提高仔豬空腸中胰蛋白酶和糜蛋白酶活性，提高了干物質(zhì)表觀消化率和粗蛋白質(zhì)表觀消化率，改善仔豬的糞便評(píng)分，顯著降低糞便中的厭氧菌數(shù)量，顯著提高平均日增重和平均日干物質(zhì)采食量。李方方等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬日糧中添加250 mg/kg 植物精油可降低仔豬血清中膽囊收縮素，提高血清中胃饑餓素含量。張玲玲等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬日糧中添加1 000 mg/kg植物精油能顯著降低血清中MDA 含量。

3.3 反芻動(dòng)物 植物精油有利于反芻動(dòng)物機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，進(jìn)而提高其生長(zhǎng)性能，可作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑在反芻動(dòng)物實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用[38]。郭竟升等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在犢牛飼糧中添加0.04%牛至精油顯著提高了犢牛的采食量、日增重及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的表觀消化率；顯著提高了犢牛血清中總蛋白、免疫球蛋白G 及免疫球蛋白A含量，增強(qiáng)了犢牛的免疫力。Parvar 等[40]試驗(yàn)結(jié)果顯示，在肉羊飼糧中添加500 mg/kg 阿魏精油可顯著增加肉中多不飽和脂肪酸含量和降低肉中飽和脂肪酸含量，且降低n-6/n-3 比值，說(shuō)明植物精油對(duì)脂肪沉積與代謝具有調(diào)節(jié)作用。遠(yuǎn)立國(guó)等[41]研究結(jié)果表明，在中國(guó)荷斯坦奶牛的日糧中添加牛至精油后，牛乳中平均乳脂率、蛋白率及干物質(zhì)含量分別提高了14.20%、12.50%和5.84%。Cobellis 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，迷迭香葉能夠影響瘤胃產(chǎn)甲烷菌的活性，顯著抑制甲烷產(chǎn)生，有助于改善奶牛瘤胃內(nèi)的氣體代謝作用，減少發(fā)酵過(guò)程中的能量損失。Lin 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛飼糧中添加20 mg/L百里香酚可顯著改善瘤胃微生物區(qū)系，并在一定程度上改變瘤胃發(fā)酵的類(lèi)型，進(jìn)而提高揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量。由此可見(jiàn)，植物精油能夠提高飼料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，改善反芻動(dòng)物的瘤胃發(fā)酵功能，對(duì)環(huán)境中減少甲烷等氣體的排放有積極作用。

4 小 結(jié)

植物精油在提高機(jī)體抗氧化能力、抑菌和抗腫瘤、增強(qiáng)免疫力等方面有重要作用。植物精油作為一種天然活性物質(zhì)，在動(dòng)物生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果，但植物精油發(fā)揮其各種生理功能的具體作用機(jī)制復(fù)雜，目前尚不完全明確。因此，未來(lái)的研究方向應(yīng)集中于植物精油對(duì)畜禽作用效果的調(diào)節(jié)機(jī)制，以期為植物精油在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供更有力的科學(xué)依據(jù)和支持。