張嘉琦 張會艷 趙青余* 張軍民

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北動物遺傳資源與營養(yǎng)科學(xué)觀測實驗站，北京 100193)

中國是世界上最大的抗生素生產(chǎn)和使用國，同時也是抗生素濫用和細(xì)菌耐藥性的重災(zāi)區(qū)。在畜禽生產(chǎn)中，抗生素可以改善動物生長性能、保障動物健康、減少疾病的發(fā)生和降低飼養(yǎng)成本。然而，抗生素的濫用導(dǎo)致大量抗生素被排放到了水土環(huán)境中，致使環(huán)境中細(xì)菌耐藥性的日益嚴(yán)重。環(huán)境中的抗生素及耐藥細(xì)菌一旦進(jìn)入人體的腸道，將會破壞人體腸道的正常菌群穩(wěn)態(tài)，對人體的腸道健康造成了嚴(yán)重的威脅；而殘存于環(huán)境中的污染物，則加劇了細(xì)菌耐藥對人體健康的影響。因此，歐盟、日本、韓國等國家或組織分別于2006年、2008年和2011年禁止在飼料中使用抗生素作為促生長類藥物飼料添加劑；我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部于2019年發(fā)布的194號公告稱“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”[1]。因此，尋找新的更加安全、有效的抗生素替代品成為了畜牧業(yè)當(dāng)前的研究熱點。

植物精油(PEO)是從植物的各個部分，包括種子、根、莖、葉和果實[2-3]，通過蒸汽蒸餾或溶劑萃取等方法獲得的揮發(fā)性芳香物質(zhì)[4-5]。目前，PEO廣泛應(yīng)用在香料、化妝品、肥皂和藥品中。同時，許多草本植物和香料精油也是受歡迎的食品調(diào)味品，如從大蒜、辣椒、肉桂和小茴香中提取的PEO，具有增強食品風(fēng)味、激發(fā)人們的進(jìn)食欲望的作用。實際上，PEO也是良好的抗生素替代品[6]，因為PEO及其成分具有良好的抗菌[7-8]、降血脂[9]、抗氧化[10]、抗病毒[11-12]、抗蟲[13-14]和抗炎作用[15]，這些特性與抗生素在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的作用相似。一些研究人員發(fā)現(xiàn)，在畜禽生產(chǎn)中，許多草本植物和PEO能夠有效抑制有害病原微生物的生長繁殖、保護(hù)動物呼吸道及腸道健康、促進(jìn)動物生長和減少應(yīng)激[16-17]。PEO與抗生素相比，具有安全性高、副作用小、成本低廉且資源豐富的優(yōu)勢[18]。因此，使用PEO作為新的抗生素替代品引起了人們的關(guān)注[19]。本文闡述了PEO對畜禽腸道健康、免疫調(diào)節(jié)和肉品質(zhì)的作用，并提出了PEO未來的研究方向。

1 PEO的生物活性成分

目前用于提取PEO的植物主要包括牛至、薰衣草、生姜、薄荷、丁香、肉桂、小茴香、迷迭香、鼠尾草、貓爪草和桉樹等，提取方法主要包括蒸餾提取法、溶劑萃取法、過飽和法、樹脂萃取法、蠟包埋法和冷壓法[20]等。PEO主要成分通常利用色譜分離，借助質(zhì)譜進(jìn)行鑒定，其組成成分主要包括萜烯類化合物(大部分為單萜和倍半萜)、芳香族化合物(主要為萜源衍生物和苯丙烷類衍生物)、脂肪族化合物(主要為烯類、烷烴類和醇類)和含氮含硫化合物(具有刺激性氣味，含量較少)。PEO組成成分中的大多數(shù)物質(zhì)具有芳香氣味，其中萜類化合物是中草藥中的有效成分，具有多種藥理活性，如祛痰、止咳、鎮(zhèn)痛、消炎等[16-17]，同時也是一類重要的天然香料，在畜禽養(yǎng)殖中發(fā)揮著替代抗生素促生長的作用。PEO的各種成分含量受多種因素的影響，包括品種、環(huán)境條件、栽培方法、采摘季節(jié)時間、儲存、加工工藝、提取方法和條件等[21-23]。幾種常見PEO的主要成分可見表1。

表1 常見PEO及其主要成分

2 PEO對腸道健康的調(diào)控方式

腸道菌群的基因數(shù)量約是宿主基因的100倍，在宿主的整個生長階段發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此有報道將其描述為“被遺忘的器官”[37]。腸道菌群的類型和數(shù)量始終處于動態(tài)變化中，飲食是影響腸道菌群組成和活性最重要的因素之一[38]。PEO中含有大量的酚、萜烯、醛和酮類物質(zhì)，具有良好的抗菌活性，能夠抑制革蘭氏陰性菌、陽性菌和部分真菌的生長，尤其對革蘭氏陽性菌的抑制效果更佳[39-41]，而PEO的選擇性抗菌會調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡，改變腸道菌群多樣性和相對豐度。目前有關(guān)PEO的抗菌機理尚不明確，不同類型的PEO可能通過不同途徑來抑制微生物的生長。大蒜精油能夠降低金黃色葡萄球菌生物膜的厚度，進(jìn)而破壞細(xì)菌生物膜完整性，并導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加，使細(xì)胞中ATP濃度和pH降低，細(xì)胞成分流失，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡，從而發(fā)揮抗菌作用[42]。而茶樹精油則通過干擾遺傳信息處理相關(guān)的基因表達(dá)，包括DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和修復(fù)，破壞這些基本功能，最終抑制細(xì)菌生長[43]。

PEO可通過介導(dǎo)腸道菌群的平衡進(jìn)而調(diào)節(jié)腸道菌群的代謝物，而腸道菌群的代謝物與腸道健康之間有著密切的聯(lián)系[44-45]。腸道菌群能將未消化的食物轉(zhuǎn)化為功能性代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸和吲哚類物質(zhì)，幫助宿主消化吸收；或者產(chǎn)生有害代謝產(chǎn)物，如細(xì)菌外毒素，抑制腸道上皮細(xì)胞的增殖，影響宿主健康[46-47]。短鏈脂肪酸是主要的細(xì)菌代謝產(chǎn)物之一，可以作為能量直接被腸道上皮細(xì)胞利用，并改善腸道免疫功能[48]，動物流行病學(xué)研究顯示，細(xì)菌代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸能夠減輕各種頑固性疾病癥狀，例如自閉癥、潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病[49-51]，尤其是丁酸脂，具有免疫調(diào)節(jié)、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和抗癌等作用。從肉雞盲腸中提取微生物并進(jìn)行了培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)牛至精油能夠增加糞腸球菌和乳酸桿菌的比例，并減少鏈球菌屬相對豐度，菌群的改變增加了有益短鏈脂肪酸(尤其是乙酸和丁酸)的含量，進(jìn)而改善腸道健康[52]。PEO對動物腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響見表2。

表2 PEO對動物腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響

PEO影響腸道黏膜免疫反應(yīng)、上皮屏障功能、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，這可能是直接或間接地通過腸道菌群代謝物的差異表達(dá)來保護(hù)腸道屏障[61-62]。廣藿香精油的添加會明顯增加小鼠腸道中產(chǎn)短鏈脂肪酸細(xì)菌的豐度，如丁酸厭氧菌(Anaerostipesbutyraticus)和乳桿菌(Lactobacilluslactis)等，明顯降低病原菌豐度，如薩特菌屬(Sutterllaspp.)、死亡梭桿菌(Fusobacteriummortiferum)和幽門螺桿菌(Helicobacterspp.)。腸道上皮細(xì)胞中短鏈脂肪酸的關(guān)鍵受體G蛋白受體(GPR)41、GPR 43和GPR 109a被顯著刺激，進(jìn)一步促使腸道上皮中杯狀細(xì)胞黏蛋白2(Muc2)基因表達(dá)，并且促進(jìn)潘氏細(xì)胞分泌溶菌酶和防御素，使E-鈣黏蛋白/N-鈣黏蛋白的比例升高(在潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩疾病的患者中通常會檢測到E-鈣黏蛋白的下調(diào)和N-鈣黏蛋白的上調(diào))[63-64]。此外，緊密連接蛋白-1(ZO-1)和閉合蛋白(occludin)的表達(dá)量增加；參與炎癥反應(yīng)的Ⅰ型血管細(xì)胞黏附蛋白(VCAM-1)和細(xì)胞間黏附因子-1(ICAM-1)的表達(dá)均顯著下調(diào)，VCAM-1和ICAM-1主要在內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)，并負(fù)責(zé)聚集白細(xì)胞以激活炎癥反應(yīng)，這可能進(jìn)一步刺激巨噬細(xì)胞由M1型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2型，進(jìn)而減少誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)的活性緩解機體炎癥水平，提高機體的抗炎能力[57]。在仔豬腸道組織的研究中，發(fā)現(xiàn)PEO能夠改善腸道形態(tài)(絨毛高度升高，絨毛高度和隱窩深度的比值升高)，提高蔗糖酶和乳糖酶的活性，促進(jìn)與營養(yǎng)物質(zhì)運輸相關(guān)的關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，如葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2(GLUT2)和鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白1(SGLT1)，以及緊密連接蛋白(occludin)的表達(dá)[65-66]。這些結(jié)果表明，PEO可以通過調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達(dá)，提高消化酶的活性，增強腸道屏障，并改善腸道形態(tài)(圖1)。

圖1 PEO對腸道健康和免疫的影響

3 PEO在動物機體中的免疫調(diào)節(jié)作用

炎癥是機體對不同類型有害因子的復(fù)雜免疫過程，包括病原微生物、刺激性化合物和有害物質(zhì)等，它們會誘導(dǎo)急性炎癥反應(yīng)，反應(yīng)一般持續(xù)時間較短，這對宿主健康是有益的。但是如果炎癥持續(xù)存在或消退不充分，易引發(fā)宿主多種疾病，例如癌癥、心血管、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)疾病等[67]。動物機體的免疫通常處于動態(tài)平衡，當(dāng)動物機體的免疫系統(tǒng)遭受攻擊時，如腸道菌群中過量的病原菌分泌的內(nèi)毒素(LPS)或應(yīng)激情況下導(dǎo)致的活性氧(ROS)失衡，會加速抑制蛋白(IκB)與核因子-κB(NF-κB)的解離，刺激NF-κB轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，轉(zhuǎn)錄因子NF-κB誘導(dǎo)大量的促炎蛋白表達(dá)，包括參與機體炎癥、細(xì)胞凋亡和線粒體凋亡的細(xì)胞因子、趨化因子和酶等。同時，細(xì)菌LPS和應(yīng)激均會傳遞信號給具有氧化應(yīng)激感應(yīng)能力的Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Keap1)蛋白，接收信號的Keap1蛋白將與核因子E2相關(guān)因子(Nrf2)解離，并通過活化其下游基因產(chǎn)生抗氧化作用，有助于細(xì)胞清除過量的ROS，抵抗外來有毒物質(zhì)(圖2)。

圖2 PEO對免疫的影響

近年來，由于抗生素的使用受到了限制，PEO作為抗生素替代品已成為人們關(guān)注的一種可能的天然添加劑。PEO可促進(jìn)動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，減少腸道中病原菌的數(shù)量，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)[70-71]。同時PEO主要成分中的萜烯類物質(zhì)具有免疫調(diào)節(jié)特性，可在細(xì)胞和分子水平上對免疫系統(tǒng)的各個部分產(chǎn)生影響，包括在細(xì)胞免疫中調(diào)節(jié)T細(xì)胞和其他免疫效應(yīng)細(xì)胞活性、在體液免疫中促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子和抗體的產(chǎn)生等[72]。當(dāng)Aβ淀粉樣蛋白處理PC12細(xì)胞時，桉樹油主要功能性成分1,8-桉葉素可以通過減緩NF-κB通路的激活，減少促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6(IL-6)和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)的分泌，并抑制促炎通路相關(guān)的酶如環(huán)氧合酶-2(COX-2)和一氧化氮合酶(NOS)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，導(dǎo)致一氧化氮(NO)信號強度減弱，進(jìn)而緩解線粒體損傷和細(xì)胞炎癥水平[68]。大腸桿菌攻毒肉鴨后補充PEO，能夠緩解機體炎癥反應(yīng)，降低血清總蛋白和球蛋白含量，減少機體器官損傷以及通過減輕大腸桿菌對空腸Toll樣受體4(TLR4)的刺激而減少腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、炎癥細(xì)胞因子IL-1β和IL-6的分泌，增加免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)的含量，提高機體免疫功能[69]。PEO對動物免疫系統(tǒng)的影響見表3。

表3 PEO對動物免疫系統(tǒng)的影響

4 PEO對肉品質(zhì)的影響

PEO的某些揮發(fā)性化合物成分具有天然抗氧化劑的潛力[79]，由于PEO比合成抗氧化劑更容易被人們接受，因此使用PEO來改善肉品質(zhì)成為了新的研究熱點。目前有關(guān)PEO對肉品質(zhì)影響的研究主要分為2個方向：1)通過在畜禽飲食中補充PEO，改變機體脂質(zhì)代謝來影響其肉品質(zhì)[80]；2)在肉制品中直接添加PEO，利用PEO的抗氧化性保持肉品質(zhì)的穩(wěn)定，如使用PEO制作的生物膜包裝密封肉制品或在肉制品中使用PEO作為抗氧化劑。

脂質(zhì)是風(fēng)味物質(zhì)的重要前體物質(zhì)，PEO可能通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝來影響肉的風(fēng)味。辣椒素可以激活瞬時受體電位香草酸亞型1(TRPV1)通道，阻止3T3-L1前脂肪細(xì)胞和內(nèi)臟脂肪組織細(xì)胞中的脂肪生成[80]。此外，飲食中的姜黃素可以降低肝膽固醇合成，影響脂質(zhì)代謝過程[81]。Yan等[82]在仔豬飲食中添加了0.01%的混合PEO(包含百里香、迷迭香和牛至精油)，發(fā)現(xiàn)混合PEO能夠增加眼肌面積，并改善豬肉顏色和大理石花紋評分。張云峰[83]發(fā)現(xiàn)PEO能夠顯著提高肉鴨肌肉的亮度值，提高系水率，降低剪切力并提高嫩度。然而，Ranucci等[84]得到了與之矛盾的試驗結(jié)果，在飼糧中補充迷迭香、大蒜、牛至或生姜的精油(500 mg/kg)，結(jié)果表明并沒有改變豬肉的脂肪酸譜，其他指標(biāo)如蒸煮損失、滴水損失、剪切力值和化學(xué)成分也沒有顯著變化，但飼喂牛至精油的豬肉卻呈現(xiàn)脂質(zhì)氧化程度減少的趨勢。因此，PEO能否改變畜禽肉中的脂質(zhì)組成有待進(jìn)一步的研究證明。

人們普遍認(rèn)為，脂質(zhì)氧化是造成儲存過程中肉品質(zhì)下降的主要原因，其次蛋白質(zhì)的氧化也增加了肉的韌性，降低肉品質(zhì)，因此調(diào)控肉制品的氧化過程也是改善肉品質(zhì)的關(guān)鍵。PEO常用作天然抗氧化劑用于阻止油脂和脂肪食品中脂質(zhì)的過氧化過程。有關(guān)芳香PEO抗氧化活性的研究表明，富含百里香酚和香芹酚的牛至精油對氧化過程具有較大的抑制作用[85-86]。Kulisic等[87]研究發(fā)現(xiàn)，牛至精油的抗氧化能力與α-生育酚及合成的抗氧化劑丁基化羥基甲苯(BHT)相當(dāng)，并發(fā)現(xiàn)牛至精油與其他抗氧化劑的協(xié)同作用也會增強整體抗氧化能力。在活性食品包裝中使用PEO是未來的趨勢，PEO可以延長儲存期間的食品穩(wěn)定性，抑制腐敗或病原微生物的生長，并防止食品氧化[88-90]。Zhang等[91]在鯉魚真空包裝袋中加入肉桂精油，發(fā)現(xiàn)能夠降低肉中巨型球菌的相對豐度，抑制了氣單胞菌屬的生長，而乳酸菌相對豐度相對較高，其保質(zhì)期延長了約2 d。PEO制成的活性食品包裝的生物可降解薄膜，具有較強的防水性，不會對環(huán)境造成污染，對食品有很好的保鮮作用，具有廣闊的應(yīng)用前景[89]。

5 小 結(jié)

PEO作為天然安全的抗生素替代品，盡管其抗菌性、抗氧化性和抗炎性已經(jīng)得到了驗證，但是PEO中含有復(fù)雜的功能性物質(zhì)，對動物機體產(chǎn)生影響的機制尚未闡釋清楚，例如PEO如何提高動物生長性能等。在畜牧行業(yè)中，為了更加安全有效地使用PEO，未來PEO可能的研究方向集中在以下幾個方向：

① 生物活性物質(zhì)的鑒定和標(biāo)準(zhǔn)化。PEO復(fù)雜的功能性成分存在著協(xié)同和拮抗的作用，明確PEO整體的功能特性與單一化學(xué)成分的研究同樣重要。單一化學(xué)成分的研究有助于確定發(fā)揮關(guān)鍵作用的功能性物質(zhì)，整體研究有助于明確協(xié)同和拮抗的最終結(jié)果。由于不同PEO的成分及含量差異較大，功能性物質(zhì)的鑒定和標(biāo)準(zhǔn)化顯得尤為重要。

② PEO和其他添加劑的聯(lián)合使用。PEO與其他添加劑或混合精油的聯(lián)合使用可能存在著相互作用，這種復(fù)雜的相互作用制約著精油的發(fā)展應(yīng)用，合理的利用協(xié)同作用將PEO的抗菌性和抗氧化性最大化，降低有效作用時的最低添加水平，在當(dāng)下畜牧業(yè)發(fā)展過程中具有重要生產(chǎn)意義。

③ PEO對腸道健康的復(fù)雜調(diào)控機理。PEO能夠改善腸道健康已經(jīng)被眾多學(xué)者所證實。然而，PEO對腸道菌群的調(diào)節(jié)、腸道菌群與宿主腸道健康的相互關(guān)系和潛在的分子機理過于復(fù)雜，不同PEO的作用機理可能存在差異，這些都有待于進(jìn)一步研究探索。