張 奧 趙玉超 白薩茹拉 蔣林樹(shù)*

(1.北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;2.北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司,北京 100076)

反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)微生物降解碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA),合成微生物蛋白,為宿主提供能量和蛋白質(zhì)。然而,瘤胃發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生甲烷,每年反芻動(dòng)物甲烷排放量約占全球人為溫室氣體總排放量的16%[1]。甲烷不僅會(huì)加劇溫室效應(yīng),還會(huì)造成飼料總能中2%～12%的能量損失[2]。因此,研究降低甲烷排放對(duì)提高反芻動(dòng)物飼料效率和保護(hù)環(huán)境具有雙重意義[3]。植物次生代謝物(如單寧、皂苷、精油和黃酮類化合物等)能夠通過(guò)直接影響產(chǎn)甲烷古菌或間接破壞瘤胃原蟲(chóng)的生物膜來(lái)降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量[4]。植物精油作為一種從植物中提取出來(lái)的具有揮發(fā)性和芳香性的植物次生代謝物,具有抗菌、抗炎和抗氧化等生物學(xué)功能[5],對(duì)降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量有積極作用,具有作為天然甲烷抑制劑的潛力。本文著重對(duì)植物精油降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,旨在為植物精油在動(dòng)物生產(chǎn)中的科學(xué)應(yīng)用提供參考,為降低反芻動(dòng)物甲烷排放提供理論依據(jù)。

1 植物精油概述

植物精油是一種從植物中蒸餾提取出來(lái)的次生代謝物,在植物的根、莖、葉、花、果實(shí)和樹(shù)皮中均有分布。根據(jù)生物合成途徑,植物精油被分為萜類化合物和苯丙素類化合物[6],其中萜類化合物主要來(lái)源于脫氧木酮糖或甲羥戊酸代謝途徑形成的乙酰輔酶A,如百里香酚、香芹酚和大蒜油等;苯丙素類化合物主要來(lái)源于莽草酸代謝途徑合成的苯丙氨酸[7],苯丙素類化合物僅在肉桂、丁香和茴香中大量存在[8]。

植物精油具有良好的抗菌[9-11]、抗炎[12]、抗氧化[13]和抗病毒[14]等生物學(xué)功能,能夠提高動(dòng)物機(jī)體免疫力[15]、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)[16]、提升動(dòng)物生產(chǎn)性能[17]等。植物精油在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中有著良好的應(yīng)用效果,在羔羊飼糧添加牛至精油(0.3 g/kg DM)能夠提高羔羊的免疫力和抗氧化能力,促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育,改善瘤胃發(fā)酵和肉品質(zhì)[18];在體外發(fā)酵液中加入100 mg/L的牛至精油能夠提高綿羊?qū)Ω晌镔|(zhì)(DM)、粗蛋白質(zhì)(CP)和中性洗滌纖維(NDF)的消化率,改善瘤胃發(fā)酵,降低甲烷產(chǎn)量,但是添加量高于100 mg/L會(huì)對(duì)瘤胃微生物活性和瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用,降低飼料養(yǎng)分降解率[19-20];在肉羊飼糧中加入40 mg/kg沙蔥精油能夠提高干物質(zhì)采食量(DMI)、平均日增重和料重比,有效改善肉羊的生長(zhǎng)性能和屠宰性能,改善羊肉風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[21-23];在荷斯坦?fàn)倥ｏ暭Z中加入44.1 mg/kg DM混合植物精油可提高DM、CP、酸性洗滌纖維(ADF)、NDF、淀粉的全消化道消化率,對(duì)犢牛生長(zhǎng)、瘤胃發(fā)育、腸道健康具有促進(jìn)作用[24];在奶牛飼糧中加入150 mg/kg DM辣椒油樹(shù)脂和丁香精油的混合精油能夠提高乳脂率和產(chǎn)奶量,降低甲烷產(chǎn)量和強(qiáng)度,但對(duì)乳成分和血液指標(biāo)沒(méi)有顯著影響[25-26];向溶血性支原體內(nèi)加入0.025%的茴香精油和百里香精油后發(fā)現(xiàn)對(duì)其有抑制作用,可降低牛呼吸道疾病發(fā)病率[27];向奶牛乳腺內(nèi)注射百里香精油和薰衣草精油能夠抑制葡萄球菌和鏈球菌增殖,緩解奶牛乳腺炎[28];在奶牛飼糧中加入300 mg/kg DM柑橘精油能夠降低牛奶中的不飽和脂肪酸含量,提高奶牛DMI、飼料效率、產(chǎn)奶量和乳脂產(chǎn)量[29];在肉牛飼糧中加入4 g/d的丁香精油和迷迭香精油的混合物可改善牛肉品質(zhì)和嫩度,并且不會(huì)改變牛肉的脂肪厚度、大理石花紋、肌肉面積、化學(xué)成分和脂肪酸組成[30-31]。

2 植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的機(jī)制

瘤胃是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng),細(xì)菌、古菌和原蟲(chóng)等微生物相互作用促進(jìn)飼料發(fā)酵,為宿主提供能量、蛋白質(zhì)、維生素等[32]。甲烷是微生物發(fā)酵產(chǎn)生的副產(chǎn)物。

反芻動(dòng)物瘤胃產(chǎn)生甲烷的過(guò)程如圖1所示。反芻動(dòng)物攝食后,飼糧中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物)被瘤胃微生物降解,產(chǎn)生二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)和VFA(包括乙酸、丙酸和丁酸等),產(chǎn)甲烷菌將這些初級(jí)發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷。瘤胃產(chǎn)生甲烷的途徑有3種:CO2-H2還原途徑,利用甲酸、乙酸、丁酸等短鏈脂肪酸為底物的合成途徑,以及利用甲醇、乙醇、甲胺和乙胺等甲基化合物為底物的合成途徑[33],其中CO2-H2還原途徑是瘤胃產(chǎn)生甲烷的主要途徑[34]。碳水化合物在瘤胃中分解產(chǎn)生的一部分H2與CO2結(jié)合由產(chǎn)甲烷菌合成甲烷,進(jìn)行一系列與ATP合成耦合的生化反應(yīng)。另一部分H2被細(xì)菌、古菌和原蟲(chóng)等微生物利用生成VFA,即原蟲(chóng)利用淀粉、纖維素、半纖維素、果膠和可溶性糖產(chǎn)生VFA和代謝性H2,附著在其表面的古菌利用這些物質(zhì)產(chǎn)生甲烷[4]。瘤胃中存在古菌和原蟲(chóng)之間的關(guān)聯(lián)[35],古菌產(chǎn)生甲烷作為一種代謝策略,以獲得其生長(zhǎng)所需的能量[36]。因此,減少甲烷的合成可以通過(guò)抑制H2釋放或促進(jìn)其他途徑消耗H2來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 反芻動(dòng)物瘤胃產(chǎn)生甲烷的過(guò)程

植物精油因其疏水性而對(duì)細(xì)菌的膜細(xì)胞有很高的親和力,能夠通過(guò)破壞膜蛋白來(lái)破壞細(xì)胞質(zhì)膜,引起膜通透性增加,改變細(xì)胞構(gòu)象,影響細(xì)菌的生長(zhǎng)和活性,導(dǎo)致瘤胃菌群發(fā)生變化[37]。植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量可能涉及2種機(jī)制[38](圖2):一是直接抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng),進(jìn)而減少甲烷產(chǎn)生。例如,百里香精油或肉桂精油通過(guò)抑制奶牛瘤胃產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng),從而直接減少甲烷產(chǎn)量[39]。二是通過(guò)減少與產(chǎn)甲烷菌共生的細(xì)菌、古菌或原蟲(chóng)等微生物數(shù)量,間接減少甲烷產(chǎn)量。例如,在水牛飼糧中添加混合精油(青蒿油、檸檬草油和丁香油樹(shù)脂)可以通過(guò)降低瘤胃古菌甲烷球菌(Methanococcus)和熱原體(Thermoplasma)的相對(duì)豐度,間接影響甲烷產(chǎn)量[40]。以奶牛為瘤胃液供體,在體外發(fā)酵液中添加500 mg/L的肉桂油以及1 500 mg/L的肉桂油和留蘭香油均能通過(guò)降低發(fā)酵液中的原蟲(chóng)數(shù)量間接減少甲烷產(chǎn)量[41]。除此之外,也有2種機(jī)制同時(shí)發(fā)生的情況,如牛至精油對(duì)綿羊瘤胃甲烷產(chǎn)量的抑制,一方面是通過(guò)抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng),從而降低甲烷產(chǎn)量;另一方面是通過(guò)降低厚壁菌門(Firmicutes)、月形單胞菌屬(Selenomonas)和光岡菌屬(Mitsuokella)的相對(duì)豐度和增加普雷沃氏菌屬(Prevotella)、戴阿利斯特桿菌屬(Dialister)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對(duì)豐度影響瘤胃細(xì)菌群落,從而抑制甲烷產(chǎn)生[42],這與Paraskevakis[43]得出的希臘牛至精油降低山羊瘤胃甲烷產(chǎn)量的機(jī)制一致。

圖2 植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的作用機(jī)制

3 植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的效果

3.1 體外試驗(yàn)研究

近年來(lái),大量體外試驗(yàn)結(jié)果表明植物精油能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量(表1)。曹玉偉等[44]以綿羊?yàn)榱鑫敢汗w進(jìn)行體外模擬瘤胃發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)添加400 mg/L的香芹酚對(duì)甲烷產(chǎn)量具有抑制作用,同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)和丙酸濃度降低,而添加50、100或200 mg/L的香芹酚對(duì)甲烷產(chǎn)量無(wú)顯著影響。李艷玲等[45]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在肉羊體外發(fā)酵液中添加400 mg/L的香芹酚或百里香酚可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,改變了瘤胃發(fā)酵模式并抑制了瘤胃微生物活性,該試驗(yàn)結(jié)果與曹玉偉等[44]的試驗(yàn)結(jié)果一致;該試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),添加100和200 mg/L的香芹酚或百里香酚可以顯著增加瘤胃甲烷產(chǎn)量,促進(jìn)了瘤胃發(fā)酵。以上體外試驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明,植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的效果與植物精油的添加量密切相關(guān)。

表1 植物精油對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響(體外試驗(yàn)研究)

植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的效果還與瘤胃液供體動(dòng)物的種類有關(guān)。張然等[46]以新疆細(xì)毛羊與杜泊羊雜交的公羊?yàn)榱鑫敢汗w,發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵液中添加300或400 mg/L的牛至精油可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,而添加100或200 mg/L的牛至精油則對(duì)甲烷產(chǎn)量無(wú)顯著影響。同樣是研究牛至精油對(duì)公羊瘤胃發(fā)酵的影響,Zhou等[42]的瘤胃液供體選取的是德國(guó)美利奴羊與地方綿羊雜交的公羊,在體外發(fā)酵液中加入91或130 mg/L牛至精油時(shí),甲烷產(chǎn)量顯著下降;同時(shí),通過(guò)16S rRNA測(cè)序發(fā)現(xiàn),Prevotella和Dialister的相對(duì)豐度增加,說(shuō)明添加牛至精油可以通過(guò)改變瘤胃細(xì)菌群落來(lái)改變瘤胃發(fā)酵,從而改變VFA組成并減少甲烷排放。體外添加相近濃度的同種植物精油的試驗(yàn)結(jié)果不一致,其原因可能是由于瘤胃液供體動(dòng)物種類不同,也可能是由于基礎(chǔ)飼糧組成不同所致。張然等[46]的試驗(yàn)基礎(chǔ)飼糧以44.26%的羊草、22.95%苜蓿干草、10.19%小麥麩為主,而Zhou等[42]的試驗(yàn)基礎(chǔ)飼糧以65.50%青貯玉米和25.74%玉米為主,基礎(chǔ)飼糧組成不同可能會(huì)影響植物精油的作用效果。張然等[46]的試驗(yàn)中添加100或200 mg/L的牛至精油對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)量無(wú)顯著影響,可能是由于低劑量下瘤胃微生物對(duì)植物精油產(chǎn)生了耐受性。Evans等[47]研究表明,高濃度的牛至精油可以促進(jìn)革蘭氏陽(yáng)性菌的生成,從而增加乙酸比例,同時(shí)能夠抑制革蘭氏陰性菌的生成,從而降低丙酸比例,使乙丙比升高,這表明植物精油對(duì)于瘤胃內(nèi)菌群的抑制具有選擇性。

此外,植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量還與發(fā)酵體系中的底物有關(guān)。李嘉秋[48]以湖羊?yàn)榱鑫敢汗w,通過(guò)體外產(chǎn)氣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加0.8 mL/L的柚皮精油能夠使甲烷產(chǎn)量下降,但在不同底物下柚皮精油對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的影響不同,當(dāng)?shù)孜餅橛衩讜r(shí),發(fā)酵液中乙酸濃度下降,H2產(chǎn)量上升,瘤胃球菌屬1(Ruminococcus1)、鏈球菌屬(Streptococcus)和口腔桿菌屬(Oribacterium)的相對(duì)豐度增加,密螺旋體屬2(Treponema2)和琥珀酸弧菌屬(Succinivibrio)的相對(duì)豐度減少;當(dāng)?shù)孜餅檠虿輹r(shí),發(fā)酵液中乙酸、丙酸、丁酸濃度和H2產(chǎn)量下降,Treponema2和普雷沃氏菌屬1(Prevotella1)的相對(duì)豐度減少,Succinivibrio、Ruminococcus1、歐爾森氏菌屬(Olsenella)和瘤胃球菌屬2(Ruminococcus2)的相對(duì)豐度均增加,這說(shuō)明柚皮精油對(duì)瘤胃微生物具有選擇性壓力,不同底物下,響應(yīng)和耐受柚皮精油的微生物不同,對(duì)瘤胃發(fā)酵與甲烷代謝產(chǎn)生的影響也不同。

不同種類的植物精油對(duì)同一品種的動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響也不一致。同樣都是以荷斯坦奶牛為瘤胃液供體進(jìn)行體外試驗(yàn),加入0.16 g/d的肉桂酸(肉桂醛和大蒜油的商業(yè)混合物)能夠降低甲烷產(chǎn)量,具體機(jī)制可能是肉桂酸通過(guò)降低原蟲(chóng)總數(shù)和NDF消化率,從而影響瘤胃發(fā)酵[49];加入90 μg/g的廣麝香精油能夠降低乙酸和NH3-N濃度,同時(shí)還能降低原蟲(chóng)總數(shù)、提高丙酸濃度并降低甲烷產(chǎn)量,原蟲(chóng)是瘤胃內(nèi)NH3-N的凈生成微生物,通過(guò)降低瘤胃內(nèi)原蟲(chóng)總數(shù)能夠降低NH3-N濃度,甲烷產(chǎn)量下降可能是由于用來(lái)合成甲烷的H2轉(zhuǎn)為合成丙酸[50-52]。將百里酚和香芹酚以6種比例(100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80和0∶100)組合后加入到發(fā)酵液中,發(fā)現(xiàn)總細(xì)菌數(shù)量下降,而甲烷產(chǎn)量均無(wú)顯著變化,產(chǎn)甲烷菌種群僅發(fā)生輕微變化[53]。Günal等[54]的研究表明,加入相同劑量、不同種類的植物精油對(duì)于抑制奶牛體外瘤胃甲烷生成的效果也不同,丁香油、白百里香油和茴香油都可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,這可能是由于這些植物精油抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng),同時(shí)還發(fā)現(xiàn),不同濃度下植物精油對(duì)瘤胃發(fā)酵指標(biāo)的影響也不一致,低劑量(125 mg/L)下植物精油(茴香油或白百里香油)對(duì)甲烷排放沒(méi)有顯著抑制作用,這可能與飼糧的基本營(yíng)養(yǎng)成分或植物精油對(duì)某些微生物的選擇性有關(guān)。低劑量下的植物精油可以通過(guò)淀粉水解抑制非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的消化,而不影響纖維的消化[55]。Evans等[47]的試驗(yàn)表明,90 mg/L的百里香酚能夠有選擇性地抑制反芻月形單胞菌的生長(zhǎng),但不抑制牛鏈球菌的生長(zhǎng),而400 mg/L的百里香酚則會(huì)抑制體外瘤胃內(nèi)所有微生物的生長(zhǎng)。

3.2 體內(nèi)試驗(yàn)研究

目前,有關(guān)植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的研究大多集中于體外試驗(yàn),體內(nèi)試驗(yàn)較少,將體外試驗(yàn)的結(jié)果類推到體內(nèi)試驗(yàn)的條件有局限性[56]。由于植物精油的種類、添加量以及動(dòng)物飼糧組成和營(yíng)養(yǎng)水平不同,體內(nèi)試驗(yàn)往往會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)論,因此很難確定各種植物精油的最佳有效添加量[8]。盡管體外試驗(yàn)有助于篩選植物精油及其成分的抗菌活性并預(yù)測(cè)適宜的添加量,但必須在體內(nèi)評(píng)估這些植物精油對(duì)調(diào)控瘤胃功能的實(shí)際作用效果[57]。盡管所報(bào)道的體內(nèi)試驗(yàn)有限,但也有部分試驗(yàn)表明植物精油能夠降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量(表2)。Choi等[58]研究發(fā)現(xiàn),1 g/d紅松球果精油降低了山羊瘤胃內(nèi)甲烷產(chǎn)量,并且降低了瘤胃內(nèi)真菌豐度和瘤胃原核微生物群的均勻度,但產(chǎn)甲烷菌豐度變化不大,一種原因可能是由于真菌豐度的降低限制了H2的可用性,導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌生產(chǎn)的甲烷量減少,另一種原因可能是主要產(chǎn)氫菌的豐度下降,產(chǎn)甲烷菌將更多的能量用于宿主生長(zhǎng)與維持需要,減少了能量浪費(fèi)。

表2 植物精油對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響(體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果)

Kala等[40]的研究顯示,在水牛飼糧中加入0.75或1.5 mL/kg的混合植物精油(青蒿油、檸檬草油和丁香油樹(shù)脂按比例混合制成)能夠降低瘤胃內(nèi)古菌甲烷球菌屬(Methanococcus)和熱原體屬(Thermoplasma)的相對(duì)豐度,但未能顯著降低甲烷產(chǎn)量。同樣是以水牛為試驗(yàn)對(duì)象,Pawar等[59]的研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加2 g/d的黃楊籽油或肉桂葉油均能降低水牛瘤胃甲烷產(chǎn)量,并且極顯著降低瘤胃NH3-N和乳酸濃度,同時(shí)羧甲基纖維素酶活性顯著升高,蛋白酶活性極顯著降低,但木聚糖酶、抗逆轉(zhuǎn)錄酶和乙酰酯酶活性不受影響;此外,通過(guò)16S rRNA測(cè)序發(fā)現(xiàn),飼糧中添加2 g/d的黃楊籽油或肉桂葉油后瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobactersuccinogenes)的相對(duì)豐度降低,原蟲(chóng)總數(shù)顯著減少。唐煒軒等[60]的研究顯示,在肉羊飼糧中添加500 mg/d的桉葉油或茴香油能夠降低瘤胃甲烷短桿菌(Methanobrevibacterruminantium)的相對(duì)豐度,增加Methanobrevibactereuryarchaeote的相對(duì)豐度;盡管2種植物精油對(duì)產(chǎn)甲烷菌都有作用,但對(duì)肉羊瘤胃甲烷產(chǎn)量影響卻不同,添加500 mg/d的茴香油有降低甲烷產(chǎn)量的趨勢(shì),而添加500 mg/d的桉葉油對(duì)甲烷產(chǎn)量無(wú)顯著影響,這可能是由于植物精油的添加量低,未達(dá)到發(fā)揮作用的程度,也可能是由于添加植物精油的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),瘤胃微生物產(chǎn)生適應(yīng)性。

盡管部分體外試驗(yàn)表明牛至精油和香芹酚等植物精油能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,但在體內(nèi)試驗(yàn)中并未得到積極的效果。Benchaar[61-62]研究發(fā)現(xiàn),在奶牛飼糧中添加50 mg/kg的肉桂油、肉桂醛、牛至精油或香芹酚對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)量均無(wú)顯著影響,且對(duì)瘤胃發(fā)酵參數(shù)均沒(méi)有顯著影響,這與添加植物精油后對(duì)DMI、瘤胃消化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)全消化道表觀消化率沒(méi)有顯著影響是一致的;此外,對(duì)瘤胃NH3-N濃度和原蟲(chóng)總數(shù)也沒(méi)有顯著影響,這與支鏈VFA(異丁酸和異戊酸的總和)摩爾比沒(méi)有變化是一致的。Kolling等[63]和Olijhoek等[64]的體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果均表明,飼糧中添加0.3、0.56、0.6或0.9 g/kg的牛至精油均未降低奶牛的甲烷產(chǎn)量,并且瘤胃發(fā)酵參數(shù)、瘤胃微生物或產(chǎn)奶性能均沒(méi)有發(fā)生顯著變化。因此,體外試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能完全代表體內(nèi)結(jié)果,仍需要進(jìn)行大量動(dòng)物試驗(yàn)來(lái)確定植物精油能夠降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量的有效成分、最佳添加量和作用機(jī)制等。

4 植物精油作為瘤胃甲烷抑制劑的挑戰(zhàn)與展望

盡管有大量試驗(yàn)已經(jīng)證明植物精油能夠降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量,但未來(lái)要將植物精油廣泛應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中,仍面臨多種挑戰(zhàn)。

首先,植物精油在體外的研究遠(yuǎn)多于動(dòng)物體內(nèi),其能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的最佳添加量尚不明確,并且植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量是非特異性的,可能會(huì)產(chǎn)生一些不良反應(yīng)[8],如可能會(huì)導(dǎo)致乳脂率下降[65]等。Yadeghari等[66]通過(guò)體外試驗(yàn)評(píng)估了薰衣草精油對(duì)體外瘤胃發(fā)酵和甲烷產(chǎn)量的劑量反應(yīng)效應(yīng),表明薰衣草精油的劑量對(duì)瘤胃發(fā)酵具有選擇性依賴作用,低劑量(250 μL/L)和中劑量(500 μL/L)的薰衣草精油能夠促進(jìn)瘤胃發(fā)酵,而高劑量(750和1 000 μL/L)的薰衣草精油會(huì)抑制瘤胃發(fā)酵。Jiménez-Ocampo等[67]研究了橙精油對(duì)飼喂百慕大干草的小母牛瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)體內(nèi)試驗(yàn)與體外試驗(yàn)結(jié)果并不一致,體外試驗(yàn)結(jié)果表明添加0.25%的橙精油能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,但當(dāng)添加劑量達(dá)到0.5%時(shí)會(huì)增加瘤胃甲烷產(chǎn)量,原因可能是因?yàn)楦邼舛鹊某染蛯?duì)瘤胃微生物群產(chǎn)生了毒性,而體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明橙精油添加劑量為0.5%時(shí)能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,這之間的差異可能是因?yàn)榕c體內(nèi)試驗(yàn)相比,體外試驗(yàn)缺乏對(duì)VFA的吸收,以及瘤胃內(nèi)微生物種群組成存在差異。因此,未來(lái)仍需進(jìn)一步通過(guò)體內(nèi)試驗(yàn)來(lái)確定植物精油能夠產(chǎn)生效果的最佳添加量,并且也要注意減少或消除使用植物精油帶來(lái)的不良反應(yīng)。

其次,有關(guān)植物精油在動(dòng)物不同生長(zhǎng)階段的作用的研究較少,瘤胃微生物對(duì)植物精油的耐受性和適應(yīng)機(jī)制仍不清楚。反芻動(dòng)物在不同的生長(zhǎng)階段所需營(yíng)養(yǎng)不同,飼糧結(jié)構(gòu)和飼養(yǎng)管理不同,植物精油發(fā)揮作用的效果也會(huì)不同。例如,在奶牛飼糧中添加1 g/d的混合植物精油(丁子香酚和乙酸香葉酯為主要化合物)能夠降低經(jīng)產(chǎn)奶牛每千克產(chǎn)奶量的甲烷排放強(qiáng)度,而對(duì)初產(chǎn)奶牛則沒(méi)有顯著影響[68]。此外,有關(guān)長(zhǎng)期使用植物精油的有效性和穩(wěn)定性,以及長(zhǎng)期使用植物精油對(duì)反芻動(dòng)物的影響等缺乏研究[69]。瘤胃微生物可以適應(yīng)植物化學(xué)物質(zhì),這可能使添加植物精油后瘤胃甲烷產(chǎn)量的減少只是一種短暫的反應(yīng)[70]。例如,在湖羊飼糧中添加0.8 mL/L的柚皮精油可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,但隨著時(shí)間推移,作用效果會(huì)減退,甲烷產(chǎn)量在2周后再度上升,但低于初始水平[48]。這說(shuō)明要保持瘤胃菌群對(duì)植物精油的敏感性,或可以采用間歇性飼喂植物精油。未來(lái)應(yīng)針對(duì)長(zhǎng)期使用植物精油而產(chǎn)生的耐受性如何解決,是否需要改變植物精油種類或添加量,如何有效采用間歇性飼喂等開(kāi)展進(jìn)一步研究。

再次,對(duì)植物精油的有效成分尚未確定,有關(guān)混合植物精油之中的不同植物精油之間的相互影響也缺乏大量研究,這對(duì)研究植物精油的最佳劑量和最佳組合產(chǎn)生了阻礙[71]。植物精油在不同發(fā)酵底物下發(fā)揮作用效果不同,這與其化學(xué)成分有關(guān)。在低劑量(30 μL/L)下,Lippiaturbinata精油降低甲烷產(chǎn)量效果更好;在高劑量(300 μL/L)下,Tagetesminuta精油對(duì)不同發(fā)酵底物中纖維消化率的抑制作用比Lippiaturbinata精油大1.51倍;Lippiaturbinata和Tagetesminuta精油這2種植物精油的作用效果不同可能與其化學(xué)組成的差異有關(guān),Lippiaturbinata精油的含氧萜烯占總成分不到30%,而Tagetesminuta精油的含氧萜烯幾乎占到90%[72]。植物精油減少瘤胃甲烷產(chǎn)生的有效性取決于發(fā)酵底物與在發(fā)酵介質(zhì)中產(chǎn)生不同特性(如pH)的添加劑量之間的相互作用,植物精油的化學(xué)性質(zhì)調(diào)節(jié)了這種反應(yīng)的強(qiáng)度[73]。另外,每種植物精油中存在的活性成分及其不同的組合會(huì)產(chǎn)生不同的拮抗或協(xié)同效應(yīng),這會(huì)改變它們對(duì)瘤胃微生物的作用方式,影響作用效果[74]。例如,在飼糧中添加牛至精油和莫能菌素對(duì)1歲荷斯坦公牛的生長(zhǎng)性能有拮抗作用[75],同時(shí)富馬酸二鈉和百里香精油混合使用比單獨(dú)使用時(shí)降低甲烷產(chǎn)量效果更好,并且還能提高飼料利用率,說(shuō)明富馬酸二鈉和百里香精油之間存在協(xié)同效應(yīng)[76]。未來(lái)的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注植物精油在反芻動(dòng)物應(yīng)用中發(fā)揮作用的有效成分,以便確定植物精油的最佳劑量和最佳組合。

最后,目前植物精油的提取工藝不完善、制備成本高,這是制約植物精油在畜牧生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。植物精油傳統(tǒng)的提取方法包括壓榨法、水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑萃取法等,但隨著科技的進(jìn)步,現(xiàn)階段出現(xiàn)了更多新型的提取方法,包括超臨界流體萃取法、固相微萃取法、無(wú)溶劑微波提取法、酶提取法、超聲輔助提取技術(shù)和分子蒸餾法等[77]。其中,在商業(yè)上應(yīng)用最多的是水蒸氣蒸餾法,其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單方便、成本較低,但存在著效率低下、受外界環(huán)境影響大和污染環(huán)境等弊端[78]?，F(xiàn)階段更多的試驗(yàn)人員開(kāi)始嘗試使用新型提取工藝,使效率更高,污染更小,但提取純化的成本高,難以普及,制約了植物精油在畜牧生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。未來(lái)應(yīng)將解決植物精油的提取工藝問(wèn)題列為重點(diǎn)研究方向,降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化提取工藝,減少殘留問(wèn)題,盡快將新型提取工藝廣泛應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

總之,未來(lái)需開(kāi)展大量體內(nèi)外試驗(yàn)來(lái)確定植物精油發(fā)揮作用的最佳劑量、有效成分以及作用機(jī)制,并進(jìn)一步研究長(zhǎng)期使用植物精油而產(chǎn)生的耐受性問(wèn)題和不良影響,還應(yīng)將解決植物精油的提取工藝問(wèn)題也列為重點(diǎn)研究方向,降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化提取工藝,減少殘留問(wèn)題,盡快將新型提取工藝廣泛應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

5 小 結(jié)

植物精油具有降低反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)量的潛力,但要將植物精油作為甲烷抑制劑廣泛應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中,仍面臨巨大挑戰(zhàn)。一方面,要進(jìn)行大量體外試驗(yàn),篩選出能夠降低甲烷產(chǎn)生的植物精油種類及其添加量;另一方面,要進(jìn)行大量體內(nèi)試驗(yàn),廣泛驗(yàn)證能夠發(fā)揮作用的植物精油的有效成分和最佳添加量。同時(shí),還應(yīng)探究不同植物精油之間的相互作用,進(jìn)一步明確長(zhǎng)期使用植物精油的有效性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性,降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化提取工藝,為開(kāi)發(fā)新型綠色瘤胃甲烷抑制劑提供科學(xué)支撐。