趙洪波 王志博 張永根

(1.東北農業(yè)大學新農村發(fā)展研究院，黑龍江哈爾濱150030；2.東北農業(yè)大學動物科技學院，黑龍江哈爾濱150030)

反芻動物與瘤胃微生物建立了一種共生關系，宿主動物為微生物對飼料的發(fā)酵提供了營養(yǎng)和適宜的環(huán)境條件，而微生物降解纖維及合成微生物蛋白為反芻動物供應能量和蛋白質。然而，這種共生關系也會造成能量（甲烷的釋放）與蛋白質（氨氮的流失）的損失[1]。這種損失不僅降低生產性能，而且也促使了污染物向環(huán)境的釋放[2]。為了改善瘤胃能量和蛋白質的利用效率，調控不同瘤胃微生物菌群結構的研究成為反芻動物營養(yǎng)學家的研究熱點。通過優(yōu)化日糧配方和使用飼料添加劑以改變瘤胃內環(huán)境及提高或抑制特異微生物菌群可以達到上述目的[3]。離子載體抗生素在減少瘤胃能量和蛋白質損失效果顯著[1]。然而，因為抗生素在畜產品中的殘留及細菌耐藥性問題的出現(xiàn)，抗生素在動物飼料中的使用引起全社會的廣泛關注，2006年歐洲頒布法令禁止飼料中添加抗生素。因此，尋求抗生素替代物來調控瘤胃發(fā)酵成為科學家們研究的熱點，替代物包括酵母、有機酸、植物提取物、益生菌和抗體[3]。植物可產生多種有機化合物，這些化學物質源于不直接參與植物生長和繁殖的次生代謝產物[4]。多年來，這些物質被認為是初級代謝產生的廢物。然而，植物和香料的氣味和顏色是由這些物質產生的，它們具有作為植物及其生存環(huán)境之間的化學信使的生物學功能，并且常常表現(xiàn)出抑制細菌、酵母和真菌的廣譜抗生素活性[5]。近年來，發(fā)現(xiàn)一些植物提取物，如生物堿類、黃酮類、皂苷類、甾醇類、植物精油、單寧等具有調控反芻動物瘤胃發(fā)酵的功效，從而引起人們關注。其降低瘤胃液內氨的水平和甲烷的產量、減少原蟲數(shù)量的作用效果比較明顯，對其作用機制的研究已取得一些成果，本文結合國內外近年的研究結果對常見的植物提取物的特性、作用效果和機制進行綜述。

1 皂苷

皂苷主要是由植物產生的次生物質，但是低等海洋動物和一些細菌也可產生[6]。它們在水溶液中可像肥皂那樣產生穩(wěn)定的泡沫，因此將其命名為“皂苷”。皂苷是一種高分子量的糖苷，是以三萜或甾體類的糖苷配基(皂苷元)與糖鏈相連而成，這些皂苷元含有一個或更多的C-C鍵，皂苷的化學結構見圖1[7]。皂苷存在于植物的多個部位，例如根、塊莖、表皮、葉、種子和果實。

圖1 皂苷的化學結構

可將皂苷的生物學效應歸因于其對細胞膜的作用。事實上，其可在細胞膜上形成孔洞的特殊能力已經在生物學研究中廣為應用。皂苷早已被證明對血紅細胞的細胞膜具有溶解作用，這一特性已被用于對其進行檢測[7]。皂苷的溶血作用被認為是其分子內的苷配基與細胞膜上的甾醇類物質，特別是膽固醇具有親和力的緣故，并且可形成不可溶的復合物。皂苷可影響細胞膜的滲透性，對滲透性的改變是由于皂苷與膽固醇之間膠束狀聚集反應的形成導致的[8]。皂苷主要在消化道發(fā)揮其生物學作用，因為其不易被吸收[9]。因此，皂苷產生的作用可能源于其對腸道微生物的影響。

王洪榮等（2011）[10]在體外培養(yǎng)中添加茶皂素和絲蘭皂苷混合物，研究其對瘤胃發(fā)酵和瘤胃內纖維降解菌變化的影響，結果表明，添加皂苷有降低瘤胃液中原蟲總數(shù)和pH值的趨勢，并能夠降低原蟲真蛋白產量而提高細菌真蛋白產量。茶皂素和絲蘭皂苷混合物對瘤胃發(fā)酵模式和瘤胃內纖維降解菌變化有一定影響，其作用效果受培養(yǎng)底物精粗比的顯著影響。

王新峰等（2011）[11]利用體外產氣量法研究添加不同水平（0、5、10、20和40mg/kg）絞股藍皂甙對山羊瘤胃微生物體外甲烷產量及發(fā)酵特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)絞股藍皂甙劑量與甲烷濃度之間有極顯著的線性效應(P＜0.01)，即隨著皂苷添加水平的提高，甲烷產生量逐漸降低，原蟲數(shù)量也隨皂苷添加量的升高而下降，高劑量絞股藍皂甙降低產氣量。

Holtshausen等（2009）[12]評價了絲蘭皂苷和皂樹皂苷對體外瘤胃發(fā)酵的影響，研究表明隨著兩種皂苷體外添加水平（15、30、45 g/kg）的提高，增加了甲烷濃度和丙酸比例，降低了氨氮、乙酸及乙酸與丙酸比值，然而兩種皂苷對體內試驗的瘤胃發(fā)酵和甲烷產生量無影響。Nasri等（2011）[13]研究發(fā)現(xiàn)，羔羊日糧中添加皂樹皂苷可減少瘤胃中原蟲的數(shù)量。

2 植物精油

植物精油（Essential oils）是植物次生代謝產物的混合物，是通過蒸餾作用所獲得的植物揮發(fā)性物質[5]。中國在5 000年前就開始使用植物進行治病，在公元前1 550年，埃及人就已經使用植物對食物進行保存及制作木乃伊。然而直到20世紀初，科學家才發(fā)現(xiàn)植物精油具有抗菌的特性。之后很多具有高抗生素活性的植物精油被研究。植物精油含有多種天然香料組分：熏衣草烯、麝香草酚（thymol）、丁香酚（euge?nol）、檸檬油精（limone）、肉桂醛（cinnamaldehyde）、辣椒素（capsaicin）、不旋松精油（terpinene）、大蒜素（alli?cin）、茴香腦（anethol）等。

植物精油的成分、性質及活性多樣，其最重要的活性化合物主要包括2種化學基團：萜類化合物（單萜類化合物和倍半萜類化合物）和苯丙素類化合物。這兩種化合物源于初級代謝的不同前體物質，并且通過不同的代謝途徑進行合成。在植物次生代謝產物中，萜類化合物種類繁多，文獻已記載的萜類化合物約有15 000種之多。這些化合物都具有5碳的基礎結構（C5H8），通常被稱為異戊二烯單元，這些化合物分類取決于它們骨架中這些單元的數(shù)量。在萜類化合物中，大多數(shù)植物精油中的最重要的屬于單萜或倍半萜類化合物家族。苯丙素類化合物不是植物精油中最常見的成分，但是在某些植物中含量很高。苯丙素類化合物主要來源于莽草酸代謝途徑（僅在微生物和植物才有的功能）合成的苯丙氨酸[5]。

萜類化合物和苯丙素類化合物通過作用于細胞膜來產生其抗菌作用[14]。這一特性至少部分歸因于環(huán)烴的疏水性質，這種疏水性允許植物精油與細胞膜作用，并且在細菌脂質雙分子層中聚集，從而占據(jù)脂肪鏈間的空間。這種作用引起細胞膜結構發(fā)生構象上的改變，從而導致細菌細胞流體化及膨脹[14]。細胞膜穩(wěn)定性變差導致過膜離子的滲漏，從而導致膜內離子濃度的下降。在大多數(shù)情況下，細菌通過使用離子泵來抗衡這種影響，細菌雖不會死亡，但是此種作用會消耗大量的能量使細菌生長速度變慢[15]。植物精油的這種作用機制對革蘭氏陽性菌更有效，因為植物精油的疏水基團可與細菌細胞膜直接作用。與之相反，革蘭氏陰性菌細胞膜外存在的細胞壁是親水的，并且不允許親脂類物質進入。與莫能菌素相似，大多數(shù)植物精油是親脂的，不能滲透到革蘭氏陰性菌的細胞膜內。

大蒜精油(Garlic oil)是一類不同分子量的混合物,包括硫化物（硫代亞磺酸酯、烯丙基硫化物等)、酶、游離氨基酸、固醇和有機金屬化合物等。其被發(fā)現(xiàn)于植物中，或是在油提取及加工過程中性質發(fā)生改變衍生而來。1844年，德國化學家Wertheim利用水蒸氣蒸餾粉碎后的大蒜得到一些氣味強烈的揮發(fā)性油狀物質，即大蒜精油。Soliva等（2011）[16]使用人工瘤胃模擬裝置研究了大蒜精油對瘤胃發(fā)酵的影響，結果表明，大蒜精油可降低91%的日甲烷產生量，也降低了原蟲數(shù)量，增加了總細菌數(shù)，而對揮發(fā)性脂肪酸產生量無影響。陸燕等（2010）[17]采用體外培養(yǎng)法評價了大蒜油和脫臭大蒜油對瘤胃發(fā)酵、甲烷生成和微生物區(qū)系的影響，研究發(fā)現(xiàn)適宜濃度的大蒜油可以改變瘤胃發(fā)酵類型，增加丙酸摩爾濃度百分比，顯著抑制甲烷生成,但對消化無影響?？梢姶笏饩驮诓幌魅趿鑫笭I養(yǎng)發(fā)酵的情況下，能夠降低甲烷產生量。

Lin等（2011）[18]研究了4組植物精油混合物（丁香酚、麝香草酚、檸檬醛和肉桂醛按照不同比例混合而成）對體外培養(yǎng)的瘤胃發(fā)酵和甲烷產生量進行了研究，發(fā)現(xiàn)4組植物精油混合物均降低了甲烷產生量和氨氮濃度，同時也降低了總產氣和總揮發(fā)性脂肪酸產生量。然而，Tager等（2011）[19]研究了添加肉桂醛與丁香酚混合物及辣椒素對泌乳奶牛瘤胃發(fā)酵的影響，結果表明這些植物精油對總揮發(fā)性脂肪酸及其組成、氨態(tài)氮均無影響。

Giannenas等（2011）[20]在母羊日糧中添加不同水平的植物精油（50、100、150mg/kg精料）以研究植物精油對母羊瘤胃發(fā)酵和瘤胃菌群的影響，研究表明植物精油對總活菌、纖維分解菌和原蟲無影響，但是兩個最高水平的植物精油組顯著降低了瘤胃高效氨產生菌，最高水平的植物精油組降低瘤胃氨氮濃度，隨著植物精油添加水平的提高，乙酸傾向于降低，而丙酸傾向于增加。

3 單寧

單寧是高分子量水溶性的多酚類化合物，其具有沉淀蛋白質的作用。單寧廣泛分布于具有營養(yǎng)價值的飼用樹、灌木、豆科植物和糧食作物中，單寧的存在常常限制它們作為飼料的使用。單寧主要分為兩類：①可水解單寧是末食子酸的衍生物，是末食子酸部分或全部酯化到一個核心的糖醇中，例如葡萄糖、葡萄糖醇、奎寧酸、櫟醇和莽草酸[21]。②縮合單寧可分為(a)原花青素（兩個、三個或聚合的花青素和/或黃烷-3-醇單元組成）和（b）無色花色素（黃烷-3與4-二醇黃酮類化合物的二聚體）[21]。構成單寧的基本單元的數(shù)量不一，這決定了從兩個、三個和四個黃酮類化合物到更高的低聚體的聚合程度。這種基本單元數(shù)量的不一，使得縮合單寧具有難以計數(shù)的各種化學結構，這使不同單寧產生不同的生物學特性。

一般來說，單寧可抑制瘤胃微生物的生長。這種作用是有利的，尤其是對瘤胃蛋白質分解菌的抑制。Tagari的早期研究表明，在人工瘤胃條件下，皂角樹單寧能夠抑制纖維分解菌和蛋白分解菌[22]。然而，栗樹單寧沒有被發(fā)現(xiàn)影響瘤胃接種微生物的纖維素酶活性[23]。據(jù)稱，從皂角樹莢中提取的單寧可改變細菌形態(tài)，從而產生抗菌劑活性[24]。因此，單寧對細菌的抑制活性是由于單寧具有與細菌細胞壁和細胞膜形成復合物的能力，從而引起細菌細胞壁形態(tài)的改變和胞外酶的分泌[25-26]。Bae等（1993）[27]報道，在體外條件下，產琥珀酸絲狀桿菌（F.succinogenes）的細胞黏附作用和胞外內切葡聚糖酶活性被百脈根中的單寧（100～400 μg/ml）抑制。與之相似，百脈根中的單寧抑制體外培養(yǎng)的蛋白溶解梭菌、溶纖維丁酸弧菌、真菌、白色瘤胃球菌、產琥珀酸絲狀桿菌和黃化瘤胃球菌的生長以及蛋白質的分解速度。單寧對瘤胃真菌也有影響作用。Muhammed等（1995）[28]評價了單寧酸、鞣花酸、末食子酸和兒茶酚對瘤胃真菌N.fronta?lis菌株RE1的影響，結果表明，這些物質抑制了這種真菌對纖維素的水解和游離孢子的黏附作用，鞣花酸、末食子酸和兒茶酚抑制纖維水解的效果比單寧酸更強。單寧對瘤胃原蟲也有影響，但試驗結果不一致，Animut等（2008）[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨著山羊采食量的增加，雞眼草中的單寧線性降低了瘤胃原蟲的數(shù)量，但總細菌數(shù)和纖維分解菌數(shù)無影響。然而，Benchaar等（2008）[30]報道，白雀樹單寧對奶牛瘤胃原蟲數(shù)量無影響。研究結果的不一致可能是由于不同單寧的化學結構不同造成的。

金龍（2011）[31]評價了紫色達利菊提取縮合單寧對瘤胃發(fā)酵及瘤胃微生物的影響，研究發(fā)現(xiàn)這種縮合單寧可提高真干物質消化率，也能夠降低瘤胃氨態(tài)氮（NH3-N）濃度，同時可降低混合苜蓿中的氮轉化為NH3-N，進而減少苜蓿中的含氮物質轉化為NH3-N而損失掉。另外掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，當縮合單寧添加量大于150 μg/ml時，纖維分解菌的生長停滯，飼料纖維表面有大量絮狀物質存在，說明紫色達利菊提取縮合單寧可造成纖維降解菌的纖維附著能力降低；而非纖維降解菌中，瘤胃普雷沃氏菌，嗜淀粉瘤胃桿菌以及瘤胃鏈球菌對縮合單寧比較敏感。

薛樹媛等（2011）[32]評價了植物單寧酸對綿羊采食的飼料的降解、生產性能及瘤胃微生物的影響。其體外試驗發(fā)現(xiàn)，單寧酸的添加能夠顯著降低日糧的消化率，除對VFA和干物質消失率有影響外，對其它發(fā)酵參數(shù)無影響；飼料中添加不同水平的單寧酸（1%、2%和3.5%）會引起綿羊瘤胃內微生物區(qū)系的變化，低水平的單寧酸有利于瘤胃微生物區(qū)系向提高日糧消化率趨勢發(fā)展。

單寧提取物還能夠對瘤胃的生物氫化有影響作用，包含減少瘤胃氫化細菌的活力及調控△9脫氫酶的表達。Khiaosa-Ard等(2009)[33]利用人工模擬瘤胃法探究了黑荊樹提取縮合單寧對瘤胃α-亞麻酸生物氫化的影響。結果表明，黑荊樹縮合單寧通過對C18∶0的生物氫化作用，進而提高了瘤胃外流物中trans 11 C18∶1的量。Vasta等（2009）[34]也采用體外培養(yǎng)的方法，以干草或干草加精料為發(fā)酵底物，結果表明單寧的添加使瘤胃液中微生物蛋白、揮發(fā)性脂肪酸和支鏈揮發(fā)性脂肪酸的濃度降低，也使由LA-I催化的CLA降低，這說明單寧可能通過抑制瘤胃溶纖維丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）的生長來降低瘤胃的生物氫化作用。Patra等（2011）[35]研究發(fā)現(xiàn)單寧對瘤胃發(fā)酵有積極的效果，其可減少飼料蛋白質在瘤胃中的降解、預防瘤胃臌氣、抑制甲烷生產及增加瘤胃共軛亞油酸濃度。

4 結語

顯而易見，植物提取物具有開發(fā)作為瘤胃調控劑的潛力。經鑒定這些物質能夠調控細菌、原蟲、真菌和古細菌的活性和數(shù)量。植物提取物的作用各異，并且常?；ハ嗝埽@很可能是精料、基礎日糧，尤其是植物提取物的差異造成的。因為植物提取物的活性成分的濃度和性質不同，甚至生長在不用環(huán)境的同種植物及相似植物之間的活性成分的濃度和性質也可能存在很大差異。植物提取物調控反芻動物瘤胃發(fā)酵的作用機理還需要深入研究，特別是采用分子生物學手段，如實時定量PCR技術對瘤胃微生物的定量，變形梯度凝膠電泳技術（DGGE）對瘤胃菌群組成及變化觀測，有助于植物提取物作用機理的揭示。

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