義拉勒特,劉 威,云 濤,李勝利,張春華,楊 鼎,薩初拉,金 鹿,張崇志,胡曉曉,孫海洲
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010031;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)動物疫病預(yù)防控制中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的穩(wěn)步提高,對畜產(chǎn)品的品質(zhì)要求也越來越高。近30 年來,由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中抗菌藥物的不合理使用甚至濫用,出現(xiàn)了一系列食品安全和公共衛(wèi)生安全問題。其中,畜產(chǎn)品中抗菌藥物殘留對食品安全的影響較大,已引起廣泛的社會關(guān)注,生產(chǎn)無抗動物產(chǎn)品的呼聲越來越高[1]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部于2019年7 月10 日發(fā)布的第194 號公告要求,自2020年7 月1 日起,飼料生產(chǎn)企業(yè)停止生產(chǎn)含有促生長類藥物飼料添加劑(中藥類除外)的商品飼料,這對于維護(hù)食品安全、推動畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障國民健康具有里程碑意義[2]。
植物精油是從植物的花、種子、芽、枝、葉、皮、根中經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、濃縮提取的具有香味的親脂性液體[3],具有綠色、安全、高效、無殘留等優(yōu)點(diǎn),此外,還具有良好的抗炎、抗氧化、抗菌、抗病毒、抗寄生蟲和殺蟲性能。國內(nèi)外對植物精油的研究日趨活躍,并取得了大量的研究和應(yīng)用成果[4]。但傳統(tǒng)的植物精油在常溫下多為液態(tài),暴露在空氣中易揮發(fā)、易氧化,對溫度敏感,有些種類的植物精油具有強(qiáng)烈的氣味,影響其在飼料中的應(yīng)用,也影響其在動物體內(nèi)性能的發(fā)揮[5]。因此,提高植物精油的貯藏穩(wěn)定性、高溫生產(chǎn)穩(wěn)定性、性能穩(wěn)定性、掩蔽氣味等生產(chǎn)技術(shù)是植物精油向飼用精油轉(zhuǎn)變的重要研究方向,而植物精油微膠囊化是一個(gè)可以解決傳統(tǒng)植物精油穩(wěn)定性不佳的有效方案。筆者介紹了植物精油的理化特性,綜述了植物精油微膠囊化工藝和制備方法及其在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展,以期為畜禽用植物精油微膠囊制劑的研究與開發(fā)及植物精油在畜禽生產(chǎn)中的科學(xué)應(yīng)用提供參考。
植物精油是含有300 多種不同化合物的復(fù)雜混合物,但大多數(shù)植物精油有2~3 種濃度較高的主要成分(含量在20%~70%),而其他成分含量較低[6]。根據(jù)成分主要分為萜類化合物和苯丙素類化合物。植物精油在化學(xué)成分上可能因植物的來源、收獲季節(jié)、收獲方法、遺傳因素、分布地理位置的差異而有所不同,但也有相似之處[7]。例如,Kokkini 等[6]分析了從希臘3 個(gè)不同地理區(qū)域收集的牛至亞種植物精油后,發(fā)現(xiàn)來自不同地理位置以及收獲于不同季節(jié)的植物提取的精油中,聚傘烯、γ-松油烯、香芹酚和百里香酚的含量總和是相似的。
萜類化合物是天然產(chǎn)物中最大類群,已知有幾種結(jié)構(gòu)多樣的萜類化合物。它們的結(jié)構(gòu)包含碳骨架,由異戊二烯單元形成,根據(jù)組成其結(jié)構(gòu)的單元數(shù)量進(jìn)行分類,可以被分類為半萜、單萜、倍半萜、二萜、三萜和四萜等。研究表明,萜類化合物在植物精油中的含量不同會導(dǎo)致植物精油的味道甚至是生物活性也會有明顯的變化[7]。
苯丙素類化合物是一類具有多種生理活性、廣泛存在于高等植物中的天然產(chǎn)物,主要活性成分包括肉桂醛、肉桂酸、肉桂醇、丁香酚、甲基丁香酚、肉豆蔻素等。
植物精油因具有特殊的生物學(xué)特性,在世界各地引起研發(fā)人員興趣的同時(shí),也進(jìn)行了許多商業(yè)開發(fā)與大規(guī)模生產(chǎn)[8]。但是,利用傳統(tǒng)方法制備的植物精油易揮發(fā)、易氧化、氣味強(qiáng),并具有熱敏性和疏水性,這些因素限制了其在動物飼料中的應(yīng)用。
植物精油微膠囊化是一種有效解決限制傳統(tǒng)精油應(yīng)用問題的一種工藝手段[9]。植物精油微膠囊化技術(shù)是通過涂層系統(tǒng)將一些易揮發(fā)的液體、氣體或不穩(wěn)定的固體顆粒保護(hù)在涂層材料中(1~1 000 mm)形成微膠囊的技術(shù)[10]。形成顆粒涂層的材料稱為壁材,而被封裝的材料稱為芯材[11]。植物精油微膠囊的優(yōu)點(diǎn)之一是可以控制且持續(xù)靶向釋放活性物質(zhì),這種釋放可以在特定的時(shí)間或特定部位,通過穿透或破壁的方式擴(kuò)散,也可以通過溫度變化、溶解度、pH 值變化,甚至壁材的生物降解活性來激活釋放[12],這能夠優(yōu)化植物精油本身的生物活性及物理特性,此外,還可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)核心活性劑對氧、光和水分的敏感性,防止與其他化合物相互作用(見圖1)[5]。
圖1 植物精油微膠囊可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
目前,已有研究人員通過該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了植物精油抗氧化、隱藏精油刺激氣味、克服植物精油疏水性等目標(biāo)。Bakry 等[13]研究發(fā)現(xiàn),羅勒精油在微膠囊的保護(hù)下,可以儲存49 d 不被氧化。Benjemaa 等[14]研究表明,具有低水溶性的散裝百里香精油在介質(zhì)中分布不均勻,因此其作用范圍有限;相反,當(dāng)包裹在基于納米乳液的遞送系統(tǒng)中時(shí),其擴(kuò)散是均勻的,具有更強(qiáng)的抗菌活性。
根據(jù)封裝和被封裝材料相互作用的性質(zhì),可以將微膠囊化制劑工藝區(qū)分為化學(xué)法、物理化學(xué)法和機(jī)械法(見圖2)[15]。
圖2 植物精油微膠囊化制劑工藝方法
2.1.1 化學(xué)法
2.1.1.1 乳化
乳化是植物精油微膠囊化的一個(gè)基本步驟,乳化劑至少由2 種不混溶的液體(通常是油相和水相)組成,其中一種以小球形液滴的形式分散在另一種液體中。該類方法適用于生物活性物質(zhì)在水溶液中的封裝。
2.1.1.2 界面聚合法
界面聚合法是制備微膠囊最常用的方法之一。其原理是2 種互不混溶的液相在界面處或界面附近發(fā)生聚合反應(yīng),形成包封材料,最后將包封材料包覆在核心材料的周圍,形成單個(gè)球形的半透性微膠囊。
2.1.2 物理化學(xué)法
2.1.2.1 凝聚法
凝聚法是應(yīng)用最廣泛的微膠囊制備技術(shù)之一。該技術(shù)是基于(2 種或多種)反電荷聚電解質(zhì)聚合物相互作用并形成覆蓋精油的微膠囊壁材。如果分別使用1 種或2 種(或更多)聚合物,則凝聚過程可以分為簡單的凝聚和復(fù)雜的凝聚。該方法適用于對非水溶性的固體粉末或液體進(jìn)行包囊,操作簡單且具有較高效率。
2.1.2.2 逐層自組法
逐層自組法是一種相對簡單且有前景的技術(shù),可用于多種活性化合物的封裝、穩(wěn)定、存儲和釋放。該方法通過許多分子間的相互作用,使帶電荷的壁材交替吸附到帶電荷的襯底上,組裝成所需的微膠囊的殼層。吸附通常是通過將懸浮液浸泡在陽離子和陰離子聚合物的交替溶液中進(jìn)行,在每層沉積后進(jìn)行洗滌。該技術(shù)具有通過調(diào)整層數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件來控制微膠囊滲透性、形態(tài)、組成、大小和壁厚的顯著優(yōu)勢。
2.1.3 機(jī)械法
2.1.3.1 流化床涂層法
流化床涂層法是最有效的包衣方法之一,在該種方法中,原料可以在同一個(gè)容器中混合、造粒和干燥,縮短了材料的處理和加工時(shí)間。流化床涂層是通過控制溫度和濕度條件,利用氣流懸浮核心材料的固體顆粒,然后噴涂、構(gòu)建。隨著時(shí)間的推移,在懸浮顆粒的表面建立一個(gè)薄層,最后形成微膠囊。該技術(shù)操作成本低、熱效率高、顆粒缺陷少、溫度可控,形成的顆粒是球形且致密,但缺點(diǎn)是該法操作復(fù)雜,所得顆粒較大。
2.1.3.2 噴霧干燥法
噴霧干燥是植物精油微囊化中使用最廣泛的技術(shù),包括4 個(gè)步驟:分散液的制備、分散液的均化、乳液的霧化和霧化顆粒的脫水[16]?;玖鞒倘缦拢菏紫葘⒋度氲男静陌匆欢ū壤稚⒃诒诓娜芤褐?;然后采用均質(zhì)操作使混合溶液形成穩(wěn)定的乳液后,通過霧化噴嘴注入設(shè)備,形成小液滴;之后形成的液滴在流動的熱空氣存在下進(jìn)入干燥室;最后,通過蒸發(fā)溶劑,在液滴表面形成干殼,從而制備微膠囊。目前,該類工藝以其簡單、可重復(fù)、低成本的生產(chǎn)優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)化規(guī)?;a(chǎn)。
2.1.3.3 冷凍干燥法
冷凍干燥法也稱凍干技術(shù),常用于脫水后對熱和氣味敏感材料(如油)的處理。簡單來說,可將油溶解在水中并冷凍[17]。然后,從外部降低壓力并加熱,使冷凍液體材料直接從固相升華到氣相。而升華是干燥過程中涉及的主要原理,冷凍水直接從固體狀態(tài)變?yōu)檎羝麪顟B(tài),而不經(jīng)過液體狀態(tài)。與其他微膠囊制備技術(shù)相比,該技術(shù)具有操作簡單、產(chǎn)品更耐氧化的優(yōu)點(diǎn),但存在微膠囊化效率較低、加工時(shí)間長、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。
微膠囊的壁材用于保護(hù)核心活性劑對氧、光和水分的敏感性,提高芯材的穩(wěn)定性,使芯材釋放受控并防止與其他化合物反應(yīng),因此,壁材材料的選擇非常重要。壁材的選擇應(yīng)綜合考慮芯材的特性、壁材的特性、芯材與壁材的結(jié)合程度以及微膠囊化的經(jīng)濟(jì)效益。目前廣泛應(yīng)用于植物精油微囊化的壁材包括脂肪、碳水化合物、樹膠、蛋白質(zhì)和纖維素衍生物等。近年來,大量的文獻(xiàn)概述了一些植物精油微膠囊化方法、常用壁材種類以及植物精油微膠囊化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,具體見表1。
表1 植物精油微膠囊化方法、常用壁材種類以及植物精油微膠囊化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
反芻動物瘤胃是一個(gè)復(fù)雜的厭氧發(fā)酵體系[29]。研究發(fā)現(xiàn),植物精油可通過調(diào)節(jié)瘤胃的厭氧發(fā)酵過程改善瘤胃中的微生物消化,通過作用于微生物種群的平衡推動發(fā)酵反應(yīng)。研究表明,植物精油可能對反芻動物瘤胃中的細(xì)菌、古菌、原蟲或真菌具有潛在的抑制活性[30]。Mcintosh 等[31]報(bào)道,植物精油混合物的濃度超過20 mg/L 時(shí),可顯著抑制奶牛瘤胃厭氧真菌的生長。Ando 等[32]報(bào)道,給荷斯坦閹牛飼喂200 g/d 的薄荷精油,可以降低瘤胃中總原蟲數(shù)量以及內(nèi)腰蟲、均毛蟲和兩腰蟲的數(shù)量。Patra[33]研究發(fā)現(xiàn),百里香酚可選擇性地抑制新月形單胞菌,但對反芻動物瘤胃纖毛蟲沒有顯著影響。在高劑量下,植物精油對大多數(shù)瘤胃微生物具有高度抑制作用。然而,其他研究表明,植物精油中的某些化合物可能不具有抑制作用,原因可能與植物精油類型和使用劑量有關(guān)。比如,在Patra 等[34]的研究中發(fā)現(xiàn),添加0.50 g/L 植物精油混合物(牛至油、大蒜油和薄荷油)對奶牛瘤胃細(xì)菌群落組成和數(shù)量產(chǎn)生影響,包括減少厚壁菌門(尤其是梭狀芽孢桿菌)和丁酸弧菌數(shù)量,顯著增加擬桿菌門(普氏菌屬)數(shù)量,這些效果的產(chǎn)生高度依賴于添加植物精油的類型。Kim 等[35]研究表明,在肉牛日糧中添加1 g/kg 植物精油混合物(肉桂醛、百里香酚、丁香酚)可以使瘤胃當(dāng)中的幾種細(xì)菌(新月形單胞菌、白瘤胃球菌、纖維丁酸弧菌和黃面瘤胃球菌)和真菌數(shù)量增加,從而提高瘤胃纖維素降解率。在大多數(shù)情況下,植物精油對產(chǎn)甲烷菌和真菌具有抑制作用[36]。
反芻動物瘤胃因產(chǎn)生甲烷而損失的能量約占飼料總能的2%~12%,是動物能量損失的主要途徑之一[37]。甲烷被認(rèn)為是溫室氣體,是導(dǎo)致全球溫室氣體輻射增長的主要因素之一。有報(bào)道指出,植物精油可直接抑制產(chǎn)生甲烷的產(chǎn)甲烷古菌或間接抑制一些參與甲烷生成的微生物代謝過程來減少體外甲烷的產(chǎn)生[38]。Patra[39]研究發(fā)現(xiàn),從丁香、桉樹、大蒜、牛至和薄荷中提取的植物精油都顯著降低了奶牛瘤胃產(chǎn)甲烷古菌的數(shù)量,同時(shí)也顯著降低了瘤胃中總揮發(fā)性脂肪酸 (total volatile fatty acids,TVFA)濃度。在一項(xiàng)類似的研究中發(fā)現(xiàn)[40],牛至精油可以作為抑制劑,抑制瘤胃產(chǎn)生甲烷,這主要是由于牛至精油的主要化合物-香芹酚具有抗菌性能[41]。Chaudhary 等[42]在體外模擬瘤胃試驗(yàn)中,添加450 mg/L 牛至油或百里香精油可顯著降低甲烷產(chǎn)量,而添加50 mg/L 或150 mg/L 牛至油和百里香精油則對甲烷的產(chǎn)生無顯著影響。植物精油可以在一定程度上抑制瘤胃甲烷的產(chǎn)生,從而減輕瘤胃甲烷對環(huán)境的影響。
此外,迷迭香精油和百里香精油可能會增加動物產(chǎn)品中的不飽和脂肪酸含量(特別是n-3 脂肪酸),究其原因可能是這兩種精油可以抑制瘤胃內(nèi)參與生物氫反應(yīng)的細(xì)菌活性[43]。然而,為了更好地描述這些精油對反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境的影響,有必要對添加不同水平的純化合物(如香芹酚、百里香酚、丁香酚)進(jìn)行研究,以更好地了解這些化合物對瘤胃微生物群和生物氫化途徑產(chǎn)生的影響。
Fe 和Cu 等過渡金屬通常作為畜禽礦物質(zhì)補(bǔ)充劑,有利于肉中高活性自由基的形成,加速其氧化[44]。然而,在高濃度下,它們會產(chǎn)生毒性,危害動物安全。在植物精油的研究中,通常將天然抗氧化劑視作“能夠與自由基反應(yīng)的分子”或“具有抵抗自由基引起的氧化應(yīng)激的還原能力的分子”。Viuda-Martos 等[45]研究表明,提取自牛至、迷迭香和鼠尾草的精油具有螯合Fe2+的能力,其中,迷迭香精油的效果最好,此外,Rancimat 試驗(yàn)顯示牛至精油的抗氧化活性增加最多。研究發(fā)現(xiàn),在補(bǔ)充了百里香精油或百里香酚的老齡大鼠飲食中,抗氧化酶-谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)和超氧化物歧化酶(SOD)活性提高[46]。一項(xiàng)關(guān)于以利比亞豬肉為原料香腸的研究表明,迷迭香精油(150 mg/kg)可顯著降低硫代巴比妥酸活性物質(zhì)(TBARS)含量,減少己醛和羰基的生成,抑制蛋白質(zhì)氧化[47]。
許多探索植物精油生物活性的研究主要將其抗氧化能力歸因于具有酚類基團(tuán)的萜類化合物,如香芹酚、胡椒酚、麝香草酚和丁香酚,因?yàn)樗鼈兛梢詫湓犹峁┙o自由基,并將自由基轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的產(chǎn)物[48]。例如,約80%的牛至精油由香芹醇和百里香酚組成,主要負(fù)責(zé)其抗氧化活性[49]。同樣,提取自其他芳香植物(如檸檬香精、羅勒、百里香和鼠尾草)的精油,也被認(rèn)為是抗氧化劑的豐富來源[50]。但是,即使是從同一種植物獲得的精油,抗氧化活性及化學(xué)成分也存在較大差異,導(dǎo)致這一結(jié)果的因素很多,包括植物的地理位置、采集的部位、收獲時(shí)間、環(huán)境和農(nóng)藝條件、物候期和精油的提取方法等[51]。此外,組分之間也可能會產(chǎn)生協(xié)同或拮抗作用,這些作用可能會對植物精油的抗氧化性能產(chǎn)生極大影響。
炎癥是機(jī)體抵抗外界不良刺激的一種防御性反應(yīng),可導(dǎo)致動物免疫性能下降,從而影響生產(chǎn)性能。盡管人們對植物精油越來越感興趣,但關(guān)于植物精油及其化合物在胃腸道中的降解率以及它們的制備和喂飼方式的研究很少[52]。有研究指出,從狹葉薰衣草中獲得的精油可以抑制促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生能力,減少金黃色葡萄球菌實(shí)驗(yàn)性感染引起的炎癥[53]。在豬等單胃動物的飼料中添加植物精油可以改變腸道中淋巴細(xì)胞的分布,但目前尚不清楚這種影響是植物精油直接與腸道免疫系統(tǒng)產(chǎn)生相互作用有關(guān),還是間接與定植微生物群相互作用有關(guān),從而改變了其與宿主免疫系統(tǒng)的關(guān)系??梢钥隙ǖ氖?,動物補(bǔ)充植物精油后,可以顯著提高血清淋巴細(xì)胞增殖率、吞噬率,免疫球蛋白IgG、IgA、IgM 含量,以及補(bǔ)體C3和C4水平,而且最近的一項(xiàng)研究還報(bào)道了微膠囊精油的抗炎癥活性[54],其主要表現(xiàn)為促炎癥細(xì)胞因子 [白細(xì)胞介素6 (IL-6)和腫瘤壞死因子α(TNF-α)]的減少。
研究發(fā)現(xiàn),日糧中添加植物精油對肉雞腸道細(xì)胞具有明顯的免疫調(diào)節(jié)作用,主要表現(xiàn)為下調(diào)IL-17A、INF-α、INF-γ、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-β)基因的轉(zhuǎn)錄水平[55]。有報(bào)道指出,香芹酚可逆轉(zhuǎn)由脂多糖(LPS)引起的一些促炎細(xì)胞因子(包括TNFα、IL-1β、IL-6、IL-8)和病原體相關(guān)分子模式膜受體(如TLR2 和TLR4)基因表達(dá)上調(diào)的現(xiàn)象,同時(shí)可以下調(diào)相關(guān)的炎性信號通路(如NF-κB)相關(guān)蛋白表達(dá),證明了植物精油對腸道感染具有潛在的抗炎癥活性[56]。
De Nardi 等[57]在奶牛飼糧中添加多酚-精油混合物(21 g/d)后發(fā)現(xiàn),可以顯著降低血漿中急性期蛋白和循環(huán)中性粒細(xì)胞、血清淀粉樣蛋白A、結(jié)合珠蛋白和脂多糖結(jié)合蛋白的水平。體外研究表明,植物精油對幾種可能導(dǎo)致乳腺炎的病原體具有抗菌活性,例如,鼠傷寒沙門菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌[58]。Abboud等[59]研究表明,奶牛乳房內(nèi)給予薰衣草精油溶液,連續(xù)4 次處理后不同牛奶樣本中的細(xì)菌菌落數(shù)量急劇減少,同時(shí)外用試驗(yàn)證明,乳腺外部應(yīng)用顯示出對葡萄球菌和鏈球菌2 種病原體抗菌活性較強(qiáng)。
據(jù)研究報(bào)道,植物精油在改善畜禽生產(chǎn)性能方面也具有一定效果。在日糧中添加濃度為150 mg/kg牛至精油可提高黃羽雞干物質(zhì)采食量、平均日增重及飼料轉(zhuǎn)化率[60];飼喂2 mL/d 混合植物精油(茴香、丁香、百里香精油)可提高泌乳山羊產(chǎn)奶量與干物質(zhì)采食量[61];飼喂250 mg/kg 混合植物精油(肉桂和百里香精油)可顯著提高仔豬干物質(zhì)采食量以及粗蛋白質(zhì)和能量的表觀全腸道消化率[62]。然而有研究表明,肉仔雞日糧中添加混合植物精油(百里香、八角茴香和牛至精油)也可能降低肉仔雞的日采食量[63];飼喂8 mL/d 的百里香精油或4 g/d 的丁香精油對內(nèi)洛爾肉牛的干物質(zhì)采食量、平均日增重、各營養(yǎng)物質(zhì)的采食量及消化率、胴體性狀無顯著影響[64]。
綜上所述,植物精油對畜禽生產(chǎn)性能的影響并不一致,這可能與植物精油的添加量、添加方式、種類等有關(guān),這些因素影響畜禽對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收,最終影響畜禽生產(chǎn)性能。研究指出,植物精油普遍具有特殊性氣味,這可能會使飼料更加具有吸引力,引起動物更大的探索興趣,從而增加采食頻率。
植物精油具有良好的替抗?jié)撃?,具有抗氧化、抗炎癥和抗菌活性的生物特性,未來在改善畜禽生產(chǎn)性能和健康養(yǎng)殖方面具有很大潛能。
目前,精油微膠囊化,作為制備高質(zhì)量產(chǎn)品的有效工具,可以提高其化學(xué)、氧化和熱穩(wěn)定性。微膠囊技術(shù)還可以提高植物精油的保質(zhì)期、生物活性、功能活性、控釋、理化性能和總體質(zhì)量。然而,這一技術(shù)發(fā)展也存在局限性,如封裝劑材料多樣性低,與微膠囊化方法不兼容等。且許多可用的封裝劑在工業(yè)規(guī)模上的生產(chǎn)成本很高。在未來的研究中,微膠囊還必須通過不同的技術(shù)封裝不同植物精油的混合物,以掩蓋植物精油的刺激性氣味,提高安全性、質(zhì)量和營養(yǎng)價(jià)值。