植物精油在反刍动物营养中的研究进展

刘旺景 唐德富

(甘肃农业大学动物科学技术学院，兰州 730070)

近年来，健康养殖的重要科学决策理念已经成为引领现代畜牧业可持续发展的标杆。动物健康不仅能够降低养殖成本，提高生产者的效益，而且关乎到消费者的健康。动物饲粮中生产促进剂等抗生素的添加在最初阶段为生产者带来“福音”，但随着时间的推移，抗生素的抗药性和残留等问题已经显露无疑，使其在动物生产中的应用陷入了死循环，同时也导致了动物机体免疫力和生产性能的下降。目前世界上很多国家已经宣布“禁抗令”，我国农业农村部发布第194号公告，自2020年7月1日起饲料生产企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂(中药类除外)的商品饲料，而禁抗之后畜禽面临多重应激所导致的疾病频发和生产性能下降是广大科技工作者和养殖者亟待解决的问题。因此，寻找可以替代抗生素的植物源绿色饲料添加剂在畜牧行业已经达成广泛共识。

植物精油是植物体次生代谢产物，一类天然挥发性化合物，主要通过水蒸气蒸馏、冷榨、发酵和浓缩等工艺提取，广泛用于化妆品和食品工业。植物精油中最主要的活性成分为萜类和苯丙素类[1]，二者合成的前体物及代谢途径有所不同，其中萜类化合物(分子式：[C5H8)n])的合成途径为甲羟戊酸途径[2]，代表化合物为柠檬烯、麝香草酚、香芹酚、芳樟醇等；苯丙素类化合物的合成途径为莽草酸途径[3]，代表化合物为肉桂醛、丁香酚、茴香脑等。大量研究表明，植物精油在增强动物机体血液循环、发挥抗氧化特性、调控消化道微生物区系、降低甲烷和生物胺的生成、提高营养物质的消化利用以及缓解机体免疫应激等方面发挥着重要作用[4-6]。然而也会出现不一致甚至相反的结果，这可能与植物精油的类型、来源、饲粮中的添加水平以及基础饲粮组成等因素相关[2,7]。反刍动物因其消化道结构的复杂性及饲粮组成的特殊性，植物精油进入消化道发挥多种生物学活性作用，其作用机制远比单胃动物复杂，因而其应用及推广度不如猪及家禽产业，因此解析植物精油对反刍动物生产性能、养分利用、畜产品品质、免疫抗氧化状态以及消化道菌群的影响和调控机制，探究复合植物精油相互作用类型，对提升植物精油在反刍动物饲粮中的发展前景具有重要意义。

1 对生产性能和营养物质利用的影响

同时受植物精油添加剂量以及适口性问题的影响也会对反刍动物生产性能和营养物质利用产生负面效果。Joch等[12]研究报道了体外试验向瘤胃液中添加高剂量的混合植物精油(主要成分：百里酚和间甲酚)，瘤胃氨氮浓度降低10%，同时伴随着干物质消化率以及挥发性脂肪酸净产量的降低；体内试验研究发现，奶牛饲粮中添加混合植物精油，其干物质采食量与对照组相比降低4.6%，主要原因是含有百里酚和间本酚的混合植物精油具有强烈的气味[13]，采食量降低可能是饲粮适口性与奶牛个体口味偏好相结合的结果；同时产奶量和乳脂含量也出现下降的趋势，奶牛产奶量较低可能与机体对葡萄糖，尤其是与丙酸的利用率较低有关，而乙酸和丁酸的利用率降低，可能是奶牛乳中脂肪比例较低的原因。造成负面影响的原因可能是复合植物精油对瘤胃微生物没有选择性抑制特性，瘤胃内饲粮消化率和挥发性脂肪酸浓度降低，导致可代谢能量和脂质合成前体的可利用性降低，最终影响牛奶产量和乳脂比例。Joch等[12]研究报道，饲喂混合植物精油的奶牛其饲料转化率低，但个体日增重是对照组的2倍，原因是饲粮中混合植物精油的添加导致奶牛机体能量分配发生变化，较多的能量被分配到身体组织生长中，较少的能量分配到产奶行为中，这种转变可能受胰岛素水平调节的影响，高血浆胰岛素浓度可增强肌肉和脂肪组织对葡萄糖的吸收[14]，而试验中奶牛瘤胃中挥发性脂肪酸浓度较低，可能是导致胰岛素敏感性增强的原因之一。总之，这些研究结果之间的差异可能是由于植物精油的饲喂水平、主要成分以及动物所处生理阶段的不同造成。

2 对肉和乳品质及风味的影响

De Oliveira Monteschio等[15]研究发现，饲粮中添加混合植物精油(主要成分：丁香酚、麝香草酚和香草醛)对内洛尔母牛肉品风味、嫩度以及消费者的总体可接受性都有显著提高作用，其机理是精油本身具有的抗氧化特性[16]，能够减少牛肉氧化阶段中间代谢物的产生，因此减少了牛肉在贮藏期内风味的恶化，提高总体可接受，另外总体可接受性与牛肉风味和嫩度高度相关，同时饲粮中添加植物精油能够提高消费者对牛肉的视觉接受度，主要原因在于：一方面植物精油中的活性分子能够结合到细胞膜上延缓肌红蛋白的氧化[16]；另一方面活性分子能捕捉脂质氧化过程中形成的自由基，延缓氧化型球蛋白向高铁血红蛋白的转化，从而延缓肉色由樱桃红向黄棕色的转变[17]。3-甲基吲哚(粪臭素)是反刍动物瘤胃L-色氨酸的代谢产物，且与相关代谢产物吲哚共同具有粪便气味，能够沉积到动物肉和乳中，产生令人难以接受的不良风味[18]。米热古丽·伊马木等[19]研究报道了0.5 mL的薰衣草精油能够降低哈萨克公羊瘤胃中吲哚及粪臭素的含量，可能的原因是薰衣草精油能够选择性抑制瘤胃细菌，降低蛋白质在瘤胃中降解产生的L-色氨酸的含量，L-色氨酸能够在瘤胃细菌和原虫的作用下去氨基和去羰基生成3-甲基吲哚，因其具有亲脂性而可以沉积到畜体脂肪组织中，从而极大降低了绵羊瘤胃中吲哚和粪臭素向畜产品中转移的几率。有学者研究精油和有机钴协同能够显著提高山羊羊肉的大理石花纹等级评分和肌肉保水性，减轻肌肉因糖酵解引起的肌肉酸化，降低PSE肉形成的可能性[20]。

大量研究表明，植物精油除了能够影响动物肉品质和风味，还会对乳品质及风味产生影响。Yang等[21]研究发现，奶牛饲粮中添加大蒜精油和杜松子精油有增加乳脂中有益脂肪酸(CLAt10、c12)浓度的趋势，而对乳脂中脂肪酸的总体影响较小。Kholif等[22]研究证实大蒜精油、肉桂精油和生姜精油对山羊乳中不饱和脂肪酸以及共轭亚油酸(c9、t11)浓度有显著提升作用，同时生姜精油对α-亚麻酸浓度的提高有积极影响。Boutoial等[23]报道迷迭香叶精油同样能够提高羊乳中多不饱和脂肪酸的比例，并且存在剂量依赖效应。众多研究结果指向在小型反刍动物(如山羊)饲粮中添加植物精油对乳中脂肪酸组成的影响比在大型反刍动物(如奶牛)中大，主要原因在于小型反刍动物与大型反刍动物相比饲粮过瘤胃速率高，因而可能限制瘤胃细菌在瘤胃中完成生物氢化过程[21]。许多植物精油及其萜类成分还具有独特的风味和香气，可能会进入牛奶，改善其感官特性。Lejonklev等[24]研究报道了牛至精油和香菜精油能够使牛奶产生香气，进一步研究发现牛至精油中的活性成分伞花烃、香芹酚和倍半萜，香菜精油中的活性成分柠檬烯和香芹酮，可能通过呼吸系统和胃肠消化系统途径被吸收并转移到牛奶中[23]，且这一现象在饲喂行为发生后很短时间内就会出现[25]。

3 对机体抗氧化活性、炎症反应和免疫状态的影响

氧化应激、炎症反应和免疫失衡是导致动物机体处于非健康状态、诱发非传染性疾病的主要原因，三者相互联动，甚至出现叠加反应[26]。植物精油等天然活性成分的研究以及应用优化了传统饲粮结构，极大发挥了内外源活性成分的调节功能。Lakhani等[27]研究发现单宁、皂苷和精油混合组水牛血清总蛋白、白蛋白和球蛋白的含量显著增加，一方面可能是单宁与瘤胃中的蛋白质形成络合物[28]，降低了蛋白质在瘤胃中的降解，从而提高蛋白质在瘤胃后肠道的利用率；另一方面血清中总蛋白含量较高归因于饲粮中植物精油的添加，研究表明植物精油对微生物菌体蛋白质的合成有积极的作用。De Lavor等[29]认为植物精油能够阻断丝裂原活化蛋白激酶通路，通过减少氧化应激有关机制来阻断核因子-κB的激活，进而减少炎症的发生。Liu等[9]在犊牛饲养试验中同样证实混合精油能够增强机体免疫系统对病原体清除的能力，同时也可以调节和改善由炎症反应引起的免疫应激。Attri等[8]认为含有多种植物精油成分的复合型饲料添加剂能增强水牛自身免疫力的主要原因在于，动物机体营养摄入及利用效率大幅提高，尤其是氮的有效利用改善了细胞的完整性，从而提高机体免疫力。

植物精油的化学组成决定其具有天然的抗氧化活性，普通植物精油根据烃骨架分为2个结构家族，一个是由2个单萜、3个倍半萜或4个二萜异戊二烯单元结合形成的萜类化合物，另一个是苯丙素类化合物，2个家族都包含酚类化合物[30]。动物机体中少量活性氧的产生对发挥细胞正常功能是有益的，但是过量的活性氧就会导致细胞和组织损伤，造成氧化应激，此时内外源性抗氧化分子协同机体发挥抗氧化活性，使活性氧保持在较低水平，以降低自由基产生的毒性作用，同时动物机体炎症反应也与自由基和活性氧的累积有关[31]。Kotsampasi等[32]研究发现，桔皮精油能够改善母羊的抗氧化状态，表现为血浆糖皮质激素水平、谷胱甘肽转移酶和超氧化物歧化酶活性的增加，原因是桔皮精油中的D-柠檬烯具有极强的抗氧化特性，能够提高动物的抗氧化机能。同样，Gumus等[33]研究发现，羔羊饲粮中添加牛至精油能够显著改善其肝脏组织和肌肉组织的抗氧化活性，而不同剂量植物精油对背最长肌超氧化物歧化酶活性和肝脏谷胱甘肽转移酶活性的影响不同。

4 对瘤胃菌群的调节

Zhou等[34]通过16s RNA测序技术研究比较了不同浓度的牛至精油对体外培养条件下瘤胃菌群的影响，研究发现随着牛至精油浓度的增加，拟杆菌类普雷沃氏菌和小类杆菌属的相对丰度随之线性增加，主要原因在于牛至精油中包含的香芹酚、γ-萜品烯、百里香酚、对苯二酚和芳樟醇等活性成分具有显著的抑菌功效，能够抑制与拟杆菌类细菌存在竞争关系的其他细菌的生长，使拟杆菌类细菌成为瘤胃中的优势菌群，而之所以对普雷沃氏菌作用效果不明显，原因在于普雷沃氏菌属于革兰氏阴性菌，一般来说，革兰氏阳性菌细胞壁周围缺乏保护性外膜对牛至精油的敏感程度高于革兰氏阴性菌[35]。Lei等[36]同样证实了，在山羊饲粮中添加不同浓度的精油-钴复合物，普雷沃氏菌的丰度随着精油-钴的添加浓度增加而增加，但随着精油-钴浓度的增加会降低厚壁菌门细菌的丰度，同样多数属于革兰氏阳性菌的梭状芽孢杆菌丰度也有所降低；另外变形菌荷载值[变形菌/(拟杆菌+厚壁菌)]≥0.19，被认为是生物代谢失调和疾病的潜在诊断标准，并且可被用作判断胃肠道微生物群落是否失衡的标志[37]，宏基因组数据显示，添加不同浓度梯度的精油-钴各组变形菌荷载值均低于0.19，提示精油-钴复合物的添加不会引起山羊瘤胃微生物菌群失调，同时能够提高琥珀酸弧菌的丰度；菌群与代谢产物的相关性研究发现，琥珀酸弧菌丰度与瘤胃中挥发性脂肪酸浓度呈显著正相关关系，琥珀酸弧菌丰度的提高能够将更多的碳水化合物分解成挥发性脂肪酸，为机体提供能量，提高饲料利用率，而大量琥珀酸弧菌存在条件下几乎不产生甲烷，从而降低由于甲烷生成而造成的能量浪费[38]。

反刍动物瘤胃微生物的定植和演替，是一个复杂而动态的过程，需要一个漫长的周期才能建立一个稳定的微生物群落区系，而幼龄期是反刍动物瘤胃微生物调控的关键窗口期，通过调控其瘤胃微生物的组成并诱导其尽快形成稳定的微生物区系，消化道发育形成完整的物理屏障、特异的化学屏障，以及适度的黏膜免疫并配合强有力的消化、吸收，对后期生产性能的提高和保持健康有极大的意义。Poudel等[39]研究发现，在新生犊牛代乳粉中添加复合植物精油(香芹酚、石竹烯、对伞花烃、桉树脑、萜品烯和麝香草酚)以及阿拉伯半乳聚糖，研究结果表明试验组和对照组瘤胃微生物菌群存在很大的差异，饲喂复合植物精油后拟杆菌门中普雷沃氏菌的丰度显著升高，而厚壁菌门中毛螺旋菌科的丰度显著降低，同时一种非特征性的瘤胃螺旋体菌株的丰度也显著提高，这一菌种优先代谢阿拉伯半乳聚糖，这也就意味着阿拉伯半乳聚糖能够诱导形成独特的消化道生态位，从而实现消化道健康的定向调控。

5 对甲烷排放的影响

反刍动物生产被认为是温室气体排放的一个重要来源，肠道发酵产生的甲烷有71%来自瘤胃发酵。一般来说，饲粮中莫能菌素的添加能够降低甲烷的产生与排放，提高反刍动物能量的利用率，但容易使病原菌产生耐药性，近年来，已经报道了许多通过饲喂植物精油等天然植物源饲料添加剂来调节瘤胃发酵以减少甲烷排放的研究。Garcia等[40]报道了体外试验中瘤胃底物发酵过程中甲烷产生量的减少与植物精油化学组成成分相关，特别是氧化物与非氧化合物的比例。Belanche等[41]一项荟萃分析研究发现，短期饲喂复合植物精油对奶牛瘤胃发酵及甲烷排放的影响较小且研究结果不一致，长期饲喂(>4周)相关研究结果趋于一致，其甲烷产量降低约10%，且不影响饲料消化率和产奶量，相关性研究发现甲烷产量的下降与原虫数量的减少显著相关，原虫能将纤维类物质消化分解为氢气和丁酸盐，而甲烷生成菌能够利用氢气和二氧化碳还原生成甲烷。El-Zaiat等[42]评估了广藿香精油(PEO)作为莫能菌素(MON)的替代品对瘤胃甲烷生成和饲粮降解特性的影响，结果表明与MON相比，PEO能够显著降低甲烷的生成，原因是MON和PEO二者可能对瘤胃菌群的作用机制不同，PEO组代谢能高于MON组，提示PEO组将更多的能量分配到了菌体蛋白质合成中，而较少的能量用于甲烷的生成，而MON则是通过改变瘤胃发酵类型(转为丙酸型)来抑制甲烷的生成[43]，因PEO对甲烷生成抑制方面的潜力可作为瘤胃调节剂来替代抗生素。Soltan等[44]认为适宜的植物精油剂量对提高反刍动物能量利用率，降低甲烷排放至关重要，过高剂量可能对动物饲粮摄入量和营养物质消化产生不利影响，而将精油以胶囊的形式添加，使植物精油能够在瘤胃中缓慢释放，可以降低高剂量植物精油的直接添加带来的不利影响。Wu等[45]提出间歇性的饲喂柑橘精油，能够降低湖羊瘤胃微生物的适应能力，降低产甲烷菌的丰度，从而有效降低甲烷的产量。然而，另外一些研究发现，并不是所有植物精油都会对甲烷的生成有显著抑制作用，Benchaar等[46]研究报道了牛至精油(活性成分：香芹酚)对泌乳奶牛瘤胃发酵、营养物质消化利用、产奶性能和甲烷排放均无显著影响，推测原因是饲粮中添加50 mg/kg的牛至精油对瘤胃原虫无抑制作用。

6 复合植物精油活性成分的叠加、协同和拮抗作用

市面上销售的多数植物精油产品是由1种或者几种活性成分相互复合而成的，但有关活性成分之间的可加性和协同作用还缺乏有力证据。Fandio等[47]通过体外试验评价了茶树精油(TeTr)、牛至精油、丁香精油(Clo)、百里香精油(Thy)、迷迭香精油(Ros)和鼠尾草精油(Sag)这6种植物精油及它们之间不同组合的复合植物精油对肉牛瘤胃微生物发酵特性的影响，研究发现TeTr与Thy组合、TeTr与牛至精油组合、Thy与牛至精油组合均能改善瘤胃微生物的发酵状况，但其作用效果均与单独添加TeTr的效果相当，从而证明这几种植物精油组合所产生的功效不具有叠加性；当Thy与牛至精油分别于Clo组合，这2组复合精油对瘤胃发酵无显著影响，提示不同植物精油组合存在拮抗作用。Bassolé等[48]认为具有叠加效应的混合植物精油，往往其植物精油中含有相似生物活性成分，例如具有相似结构的酚类化合物，而含有酚类或者醇类化合物的组合植物精油表现出协同效应，植物精油之间存在的拮抗作用则归因于非氧化和氧化单萜烯烃之间的相互反应。植物精油发挥生物学活性作用往往与细胞膜相互作用密切相关，同时受发酵条件、底物及pH等因素的影响，研究发现麝香草酚和香芹酚作为百里香和牛至精油中的主要活性成分，因其具有改变细胞膜通透性的作用而具有广谱抗菌性，但在pH为5.5环境中的抗菌性高于pH为6.5的活性，而复合植物精油活性成分的叠加、协同和拮抗作用同样受这些因素的影响。

7 小 结

到目前为止，植物精油在动物生产中的应用已经取得显著成效，但仍然存在一些问题需要我们深思和探讨。首先，其作用机理和调控机制尚不十分清楚，主要原因在于植物精油组分中发挥生理功能的主效因子不明确，而主效因子又有关键因子和辅助因子之分[49]，应当将主效因子在动物机体中生物学功能、代谢途径以及生物标记物的挖掘作为今后重点研究方向。其次，植物精油的应用及推广仍然存在一定困难，原因在于植物精油中的活性成分受植物种类、植物生长环境、植物生长阶段、提取部位、提取方法等多种因素的影响，没有形成关于植物精油组分、结构及纯度的相关生产标准及流程，且植物精油本身含有多种易挥发的活性成分，因而在提取及应用的过程中应该注意活性成分流失的问题，在今后的研究中，需加快建立植物精油的指纹图谱数据库；规范检测及提取方法。再者，植物精油的配伍问题需要进一步探索，发挥不同植物精油之间的协同及叠加效应，开发既具有抗氧化功效又具有抗炎和免疫调节的复合植物精油产品。最后，迫切需要降低植物植物精油的生产成本，在提取过程中优化提取工艺，达到批量化生产要求，为植物精油的推广奠定坚实基础。