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植物精油对瘤胃微生物及瘤胃发酵的调控

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发表于 2019-5-22 11:33:23 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式


  植物精油对瘤胃微生物及瘤胃发酵的调控

  李艳玲 姜成钢 刁其玉


  (中国农业科学院饲料研究所,农业部饲料生物技术重点开放实验室,北京 100081)

  摘 要:植物精油具有一定的抗菌活性,主要通过作用于细胞膜对细菌发挥作用。近年来对植物精油的研究主要集中在利用其抗菌特性调节瘤胃发酵,包括影响瘤胃内挥发性脂肪酸产量,降低氨的浓度以及甲烷产量等。但不同的研究结果都不尽相同,主要受植物精油添加剂量、化学组分、饲料组成以及试验动物的影响。如何选择适当的植物精油,使其发挥有利作用的同时不对饲料消化产生负面影响将是一大挑战。本文着重对植物精油对瘤胃微生物及瘤胃发酵的调控进行了综述。

  关键词:植物精油;瘤胃微生物;瘤胃发酵

  在动物生产中,大量的添加剂,例如抗生素、离子载体及甲烷抑制剂等被用来调节反刍动物瘤胃发酵、提高采食量、促进动物生长、提高产奶量以及改善饲料转化率。然而,这类添加剂往往由于对动物的毒性以及微生物的适应性等问题而不能作为常规饲料添加剂长期使用。更重要的是,随着公众健康意识的提高,人们认识到这些物质在肉和奶中的残留,以及抗生素在食物链中的应用增加细菌耐受性的问题,因而限制它们作为饲料添加剂的应用。消费者的这种需求促使研究者寻找这些化学添加剂的天然替代物。一些含有抗菌活性的植物成分,例如植物精油、皂苷和单宁等,被开发作为饲料添加剂来改善饲料利用率以及动物健康。近年来大量的研究集中在开发这些

  天然具有生物活性的饲料添加剂来改善瘤胃发酵,例如提高氮代谢、降低甲烷产量等,从而改善动物的健康和生产效率。本文将综述植物精油对瘤胃微生物及瘤胃发酵的调控作用

  1 植物精油的组成和结构

  多年来,植物精油一直作为香料和防腐剂被广泛使用。植物精油通常是从植物蒸馏提取获得的次级代谢物,可以从植物的许多部位提取,包括叶子、花、茎、种子、根和树皮。植物精油的活性成分具有多样化的特点,其中,最重要的活性成分包括 2种:萜类化合物(单萜类和倍半萜类)和类苯丙烷。这 2个组分都是不含氮的碳氢化合物,来源于不同的代谢前体物并通过不同代谢途径合成。几种典型的植物精油活性成分结构见图 1。萜类是植物次级代谢物中的主要组分,其化合物均源于一个 5碳结构(C5H8),通常被称为异戊二烯单元,而且依据这些单元在结构中的数量来分类。植物精油的最重要组分是单萜和倍半萜[1]。萜类主要来源于通过脱氧木酮糖或甲羟戊酸代谢途径形成的乙酰辅酶 A[1]。类苯丙烷不是植物精油中普遍存在的化合物,但在一些植物中占有较大的比例。类苯丙烷是指具有 3碳链的化合物结合到一个 6碳的芳香环上。类苯丙烷主要来源于由莽草酸代谢途径合成的苯丙氨酸(一种芳香族氨基酸)[1]。

  2 植物精油的作用机理

  植物精油对健康具有广泛的作用,包括对心血管疾病、癌症、炎症以及自由基扩散一类的疾病都有积极的效果。这些作用都源自对自由基的清除能力,抑制膜脂的过氧化反应并刺激抗氧化酶的活性。植物精油最重要的活性是作为防腐剂和抗菌剂。关于防腐功能人们从远古时代就已经懂得利用,但对于抗菌特性直到 20世纪初才开始逐渐研究。


  图 1 植物精油中主要的单萜类、倍半萜类和类苯丙烷成分的结构
  Fig.1 Structuresofmainmonoterpenoid,sesquiterpenoidandphenylpropanoidcomponentsof plantessentialoils

  萜类和类苯丙烷都是通过作用于细胞膜对细菌发挥作用的。部分活性是由于环烃的疏水性,允许它们作用于细胞膜并在细菌的双分子脂膜上累积,占用脂肪酸链间的空间。这种互作引起细胞膜结构构象的改变,导致它的液化和扩张,膜稳定性的失去使得离子穿过细胞膜泄露,从而使横跨膜的离子梯度下降。在大多数情况下,细菌可以通过离子泵来平衡,但这个过程中消耗大量的能量,从而导致细菌生长减缓[2-3]。通常,氧化环烃的抗菌活性最高,尤其在酚醛结构中,例如百里香酚和香芹酚,其中羟基和移位电子通过氢桥作为主要的活性点与水互作,使得它们的抗菌活性尤其活跃[2-4]。通过以上机制作用的植物精油对革兰氏阳性菌尤为有效,因为其疏水化合物可以直接作用于

  细胞膜。而革兰氏阴性菌细胞膜的外部细胞壁不允许亲脂物质的进入,大多数植物精油的化合物是亲脂性的,不能 渗 透 进 入 革 兰 氏 阴 性 菌 的 膜内[3]。然而,革兰氏阴性菌外膜也不是完全不能渗透到疏水物质中,低分子质量的微粒可以与水作用(通过氢桥),通过脂多糖层的扩散或通过膜蛋白缓慢穿过细胞壁,作用于细胞的脂质双分子层[2,4]。这适于用一些芳香族烃类化合物,例如香芹酚和百里香酚。Helander等[5]报道了香芹酚和百里香酚破坏革兰氏阴性菌外膜的能力,并且观察到膜脂多糖的释放和细胞质膜渗透性的增强,此类化合物由于具有小分子质量使它们对革兰氏阳性和阴性菌都能发挥活性作用,不过这个特点也降低了其对具体菌群的选择性,使得它们难于调控瘤胃微生物发酵。尽管植物精油作为抗菌剂的主要功能集中在它对细菌细胞膜的作用上,但这并不是它的唯一作用机制。Gustafson等[6]报道,植物精油可以通过使蛋白质变性来使一些细胞组分凝结。大量的研究也报道了植物精油的一些酚类和非酚类化合物可以与蛋白质的化学组分以及其他生物活性分子(如酶)发生相互作用[7]。通常,酚类通过氢桥和离子或疏水作用与蛋白质相互作用,而非酚类化合物通过其他的功能组发挥作用,例如肉桂醛的羰基组。其他醛类化合物可能通过交联键或烷基化与核酸和蛋白质相互作用,导致它们失活。Wendakoon等[8]证实,肉桂油和丁香油的活性成分能够结合蛋白质并且抑制产气肠杆菌的酶活。

  3 植物精油对瘤胃微生物和瘤胃发酵的影响

  3.1 对瘤胃细菌的作用

  植物精油可能会对瘤胃中超级产氨菌产生抑制,导致氨基酸的脱氨基作用降低[10]。植物精油对超级产氨菌的抑制效果可能与饲粮有关,Wallace[9]报 道 了 在 绵 羊 低 蛋 白 质 饲 粮 中 添 加100mg/d的植物精油会使超级产氨菌的数量下降77%,而当供给绵羊高蛋白质饲粮时,植物精油的添加对超级产氨菌的数量没有影响。低剂量的植物精油能够选择性地抑制超级产氨菌,但高浓度时会使所有的瘤胃微生物生长受到影响,例如,

  Evans等[10]报道,百里香酚的添加浓度为 90mg/L时可以选择性地抑制反刍月形单胞菌的生长,而当浓度为 400mg/L时,所有瘤胃微生物的活性都受到抑制。体外试验中添加大蒜油(50mg/L)可以极显著地抑制瘤胃产甲烷菌的生长[11]。另有研究认为,植物精油可能通过抑制淀粉分解菌和蛋白质水解菌降低易降解底物的消化而不影响纤维

  的消化[12],然而,也有学者研究发现,丁香和茴香提取物会降低羧甲基纤维素酶和木聚糖酶的活性[13],这可能是提取物中植物精油浓度比较高的缘故。

  3.2 对瘤胃原虫和真菌的作用

  关于植物精油对瘤胃原虫的影响的报道结果不尽 相 同。McIntosh等[14]观 察 到 当 供 给 奶 牛1g/d的混合植物精油时,瘤胃纤毛虫吞噬细菌作用 不 受 影 响。 与 之 类 似,绵 羊 饲 粮 中 添 加110mg/d的混合植物精油时,瘤胃原虫数量不受影响[15]。Yang等[16也观察到在阉牛饲粮中添加肉桂醛(0.4~0.6g/d),对原虫总数没有影响。而 Ando等[17]报道,饲喂荷斯坦阉牛 200g/d的薄荷油,降低总原虫数以及内腰虫、均毛虫和两腰虫的数量。Patra等[13]观察到丁香提取物降低原虫总数以及小内腰虫和全毛虫数量,而对大内腰虫没有影响。而 Cardozo等[18]则观察到肉牛饲粮中添加肉桂醛(180mg/d)和丁子香酚(90mg/d)的混合物,增加全毛虫数量,对内腰虫的数量没有影响,更高浓度的肉桂醛(600mg/d)和丁子香酚(300mg/d)混合物对这些不同种类的原虫没有影响。

  McIntosh等[14]报道,植物精油混合物的浓度超过 20mg/L时,可显著降低瘤胃厌氧真菌(Neocallimastixfrontalis)的生长。陆燕等[11]报道,体外添加大蒜油(50mg/L)可显著降低瘤胃真菌数量。然而,关于植物精油对瘤胃真菌影响的研究报道很少。

  3.3 对瘤胃挥发性脂肪酸产量的作用

  大多数研究得出,饲粮中添加植物精油会降低瘤胃中总挥发性脂肪酸浓度或对其没有影响。然而,有部分研究表明,添加植物精油或其化合物可以增加瘤胃总挥发性脂肪酸的浓度,对饲料消化有一定的改善作用。比如,Beauchemin等[21]报道,饲喂肉牛混合植物精油(1g/d)对瘤胃总挥发性脂肪酸浓度及各挥发性脂肪酸的比例没有影响。而一些体外培养试验中,添加植物精油可以增加总挥发性脂肪酸的浓度[19-20]。混合植物精油对总挥发性脂肪酸浓度的影响可能与饲粮组成有关。比如,Benchaar等[22]报道,饲喂泌乳奶牛混合植物精油(750mg/d),当饲粮中含有苜蓿青贮时,有增加总挥发性脂肪酸浓度的趋势,而当饲粮中含有玉米青贮时,有降低总挥发性脂肪酸浓度的趋势。植物精油对挥发性脂肪酸浓度的影响还可能与其剂量有关。例如,Busquet等[23]研究了各种植物精油对 24h体外发酵的影响。当培养液中剂量达到最高(3g/L)时,大多数处理都降低了总挥发性脂肪酸浓度,而且同时降低了饲料消化率,而其他低剂量的处理组对挥发性脂肪酸浓度没有影响。Castillejos等[24]也有类似的报道,在体外培养试验中添加不同剂量的丁子香酚、愈创木酚、柠檬油精、百里香酚以及香草精,各低剂量组对总挥发性脂肪酸浓度都没有影响,只有在最高剂量 5g/L时,所有这些化合物都会降低总挥发性脂肪酸的浓度。国内学者林波等[25]用体外法研究了肉桂油、牛至油及其主要成分肉桂醛、香芹酚对体外瘤胃发酵和甲烷产生的影响,分别在发酵液中添加0、50、200、500和 750mg/L,发现总挥发性脂肪酸浓度随植物精油添加量的增加而降低,而且高剂量(500、750mg/L)添加时,整个发酵过程受到显著抑制。如果植物精油的添加不影响挥发性脂肪酸的浓度,而且降低氨态氮浓度和甲烷产量,那么可以认为对生产是有利的。然而,如果添加的植物精油在降低氨态氮浓度和甲烷产量的同时造成了总挥发性脂肪酸产量的下降,那么总体上认为对营养是不利的。因此,如何选择不同的植物精油以及其活性成分的适当剂量,使其对瘤胃发酵和代谢产生有利影响的同时没有降低总挥发性脂肪酸的产量,这将是一种挑战。一些研究发现,某些植物精油及其组分会改变各挥发性脂肪酸的比例,作用与莫能菌素类似(比如降低乙酸比例,增加丙酸比例),这些被视为是添加植物精油的有利影响。Busquet等[26]使用了 2 个 剂 量 (培 养 液 中 浓 度 为 31.2 和312.0mg/L)的肉桂醛和大蒜油,低剂量的肉桂醛和高剂量的大蒜油都使得乙酸比例下降而丙酸比例上 升。陆 燕 等[11]在 体 外 试 验 中 添 加 30、50、100、300和 500mg/L的大蒜油,除 30mg/L的大蒜油外,其他剂量组均显著降低乙酸比例,增加丙酸和丁酸比例,降低乙酸 /丙酸。而也有一些研究发现,添加一些植物精油会对单个挥发性脂肪酸的比例产生不理想的改变,比如总挥发性脂肪酸的浓度未改变而丙酸比例下降[24]。植物精油和它们的活性成分对挥发性脂肪酸比例的影响可能跟pH有关,例如,桂皮提取物和它的主要活性成分肉桂醛在 pH=7.0时,会 提 高 乙 酸 /丙 酸,而 在pH=5.5时,会降低乙酸 /丙酸[27]。

  3.4 对瘤胃氮代谢的调控作用

  瘤胃超级产氨菌占瘤胃细菌的数量仅有 1%左右,但却具有非常高的脱氨基活性[9]。植物精油能够抑制瘤胃超级产氨菌,可在一定程度上降低脱氨酶的活性和氨的浓度,增加瘤胃蛋白质利用效率来提高营养利用率。不同类型的植物精油成分影响瘤胃氮代谢时的最适剂量不同。如 Castillejos等[24]研究发现,愈创木酚的添加量为 5mg/L可降低氨的浓度,柠檬油精和百里香酚需要 50mg/L,而香草精和丁子香酚在 500mg/L时对瘤胃中氨的浓度没有影响。

  通常,植物精油对瘤胃氮代谢的影响在短期试验中效果比较明显,比如体外批次培养试验中。而在较长期的试验中的效果则不太明显,比如体外连续培养、瘤胃尼龙袋试验以及体内试验。其原因可能是长期的耐受性导致了瘤胃微生物菌群的改变,也可能是一些植物精油化合物受到瘤胃细菌作用而降解。

  3.5 对瘤胃甲烷产量的影响

  甲烷是一种潜在的温室气体,直接与农业生产有关,尤其是反刍动物生产。目前对植物精油的研究很大一部分兴趣集中在其化合物能否抑制瘤胃产甲烷菌,其挑战在于如何选择植物精油,在降低甲烷产量的同时不造成饲料消化率的下降。Evans等[10]观察到,在体外试验中添加百里香酚(400mg/L)可大大地抑制甲烷的产生,但同时降低了乙酸和丙酸的浓度。陆燕等[11]在体外试验中添加 30~500mg/L的大蒜油,使甲烷产量降低了 65.0% ~98.3%,但总挥发性脂肪酸的浓度也随之下降。米热古丽等[28]的体外培养试验中添加 100、150和 250μL/L葡萄籽精油,低浓度添加时甲烷产量分别下降了 10.79%和 15.30%,最高浓度时甲烷产量升高了 7.17%,表明适宜浓度的葡萄籽精油能降低瘤胃中甲烷的产生,但各组均显著降低总挥发性脂肪酸浓度。林波等[25]报道,体外添加不同浓度的牛至油和肉桂油,瘤胃甲烷产量随添加浓度的增加而降低,添加 50mg/L的牛至油 和 肉 桂 油 甲 烷 产 量 分 别 降 低 13.3% 和21.2%,而对总挥发性脂肪酸影响较小,说明该浓度植物精油发挥了理想的瘤胃调控作用。在选择植物精油的化合物来抑制原虫数量方面还有一定的研究潜力,因为产甲烷菌和原虫存在共生关系,是降低甲烷产量的一条途径。但如前所述,不同植物精油及其活性成分的抗原虫效果不尽相同。目前,有关体内试验研究植物精油及其主要成分对甲烷产量影响效果的报道很少。Beauchemin等[21]报道,给肉牛饲喂混合植物精油(1g/d)时,饲料消化率下降,但对甲烷产量没有影响。而在早期使用同样的商品植物精油进行的体外纯培养试验中,McIntosh等[14]报道了产甲烷菌的生长受到抑制,但用量是上述动物试验的 33倍,该用量将大大影响饲粮消化率,在实际生产中并不现实。Mohammed等[29]观察到饲喂阉牛一种高剂量的(20g/kg干物质采食量)山葵胶囊,甲烷产量降低 19%,但没有降低原虫数量以及饲料消化率。由此可见,需要选择适当的植物精油,并且添加量达到一定水平时,可以选择性地降低甲烷产量而不影响饲料利用。

  4 小 结

  近年来,有关植物精油对瘤胃发酵和动物生产性能的调节作用有大量的研究工作,但目前大多数研究都集中在体外试验上,还需要更多的体内试验来进一步验证。一些植物精油能特定地抑制超级产氨菌及产甲烷菌等,可以对瘤胃发酵产生积极的影响,如增加挥发性脂肪酸浓度、降低氨的浓度和甲烷产量等,但需选择具体的化合物成分及其活性成分的最适剂量以及饲粮组成和比例等。如何综合考虑以上因素,使得其对瘤胃发酵产生积极影响的同时对饲料消化没有负面影响,这将是未来的研究以及生产应用上面临的一种挑战。


来源:动物营养学报

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