植物精油對(duì)瘤胃微生物及瘤胃發(fā)酵的調(diào)控
李艷玲 姜成鋼 刁其玉?
?。ㄖ袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所,農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)
摘 要:植物精油具有一定的抗菌活性,主要通過作用于細(xì)胞膜對(duì)細(xì)菌發(fā)揮作用。近年來對(duì)植物精油的研究主要集中在利用其抗菌特性調(diào)節(jié)瘤胃發(fā)酵,包括影響瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量,降低氨的濃度以及甲烷產(chǎn)量等。但不同的研究結(jié)果都不盡相同,主要受植物精油添加劑量、化學(xué)組分、飼料組成以及試驗(yàn)動(dòng)物的影響。如何選擇適當(dāng)?shù)闹参锞?,使其發(fā)揮有利作用的同時(shí)不對(duì)飼料消化產(chǎn)生負(fù)面影響將是一大挑戰(zhàn)。本文著重對(duì)植物精油對(duì)瘤胃微生物及瘤胃發(fā)酵的調(diào)控進(jìn)行了綜述。
關(guān)鍵詞:植物精油;瘤胃微生物;瘤胃發(fā)酵
在動(dòng)物生產(chǎn)中,大量的添加劑,例如抗生素、離子載體及甲烷抑制劑等被用來調(diào)節(jié)反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵、提高采食量、促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)奶量以及改善飼料轉(zhuǎn)化率。然而,這類添加劑往往由于對(duì)動(dòng)物的毒性以及微生物的適應(yīng)性等問題而不能作為常規(guī)飼料添加劑長(zhǎng)期使用。更重要的是,隨著公眾健康意識(shí)的提高,人們認(rèn)識(shí)到這些物質(zhì)在肉和奶中的殘留,以及抗生素在食物鏈中的應(yīng)用增加細(xì)菌耐受性的問題,因而限制它們作為飼料添加劑的應(yīng)用。消費(fèi)者的這種需求促使研究者尋找這些化學(xué)添加劑的天然替代物。一些含有抗菌活性的植物成分,例如植物精油、皂苷和單寧等,被開發(fā)作為飼料添加劑來改善飼料利用率以及動(dòng)物健康。近年來大量的研究集中在開發(fā)這些
天然具有生物活性的飼料添加劑來改善瘤胃發(fā)酵,例如提高氮代謝、降低甲烷產(chǎn)量等,從而改善動(dòng)物的健康和生產(chǎn)效率。本文將綜述植物精油對(duì)瘤胃微生物及瘤胃發(fā)酵的調(diào)控作用
?。?植物精油的組成和結(jié)構(gòu)
多年來,植物精油一直作為香料和防腐劑被廣泛使用。植物精油通常是從植物蒸餾提取獲得的次級(jí)代謝物,可以從植物的許多部位提取,包括葉子、花、莖、種子、根和樹皮。植物精油的活性成分具有多樣化的特點(diǎn),其中,最重要的活性成分包括 2種:萜類化合物(單萜類和倍半萜類)和類苯丙烷。這 2個(gè)組分都是不含氮的碳?xì)浠衔?,來源于不同的代謝前體物并通過不同代謝途徑合成。幾種典型的植物精油活性成分結(jié)構(gòu)見圖 1。萜類是植物次級(jí)代謝物中的主要組分,其化合物均源于一個(gè) 5碳結(jié)構(gòu)(C5H8),通常被稱為異戊二烯單元,而且依據(jù)這些單元在結(jié)構(gòu)中的數(shù)量來分類。植物精油的最重要組分是單萜和倍半萜[1]。萜類主要來源于通過脫氧木酮糖或甲羥戊酸代謝途徑形成的乙酰輔酶 A[1]。類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較大的比例。類苯丙烷是指具有 3碳鏈的化合物結(jié)合到一個(gè) 6碳的芳香環(huán)上。類苯丙烷主要來源于由莽草酸代謝途徑合成的苯丙氨酸(一種芳香族氨基酸)[1]。
2 植物精油的作用機(jī)理
植物精油對(duì)健康具有廣泛的作用,包括對(duì)心血管疾病、癌癥、炎癥以及自由基擴(kuò)散一類的疾病都有積極的效果。這些作用都源自對(duì)自由基的清除能力,抑制膜脂的過氧化反應(yīng)并刺激抗氧化酶的活性。植物精油最重要的活性是作為防腐劑和抗菌劑。關(guān)于防腐功能人們從遠(yuǎn)古時(shí)代就已經(jīng)懂得利用,但對(duì)于抗菌特性直到 20世紀(jì)初才開始逐漸研究。
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2019-5-22 11:31 上傳
圖 1 植物精油中主要的單萜類、倍半萜類和類苯丙烷成分的結(jié)構(gòu)
?。疲椋纾?Structuresofmainmonoterpenoid,sesquiterpenoidandphenylpropanoidcomponentsof plantessentialoils
萜類和類苯丙烷都是通過作用于細(xì)胞膜對(duì)細(xì)菌發(fā)揮作用的。部分活性是由于環(huán)烴的疏水性,允許它們作用于細(xì)胞膜并在細(xì)菌的雙分子脂膜上累積,占用脂肪酸鏈間的空間。這種互作引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)構(gòu)象的改變,導(dǎo)致它的液化和擴(kuò)張,膜穩(wěn)定性的失去使得離子穿過細(xì)胞膜泄露,從而使橫跨膜的離子梯度下降。在大多數(shù)情況下,細(xì)菌可以通過離子泵來平衡,但這個(gè)過程中消耗大量的能量,從而導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)減緩[2-3]。通常,氧化環(huán)烴的抗菌活性最高,尤其在酚醛結(jié)構(gòu)中,例如百里香酚和香芹酚,其中羥基和移位電子通過氫橋作為主要的活性點(diǎn)與水互作,使得它們的抗菌活性尤其活躍[2-4]。通過以上機(jī)制作用的植物精油對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌尤為有效,因?yàn)槠涫杷衔锟梢灾苯幼饔糜?br />
細(xì)胞膜。而革蘭氏陰性菌細(xì)胞膜的外部細(xì)胞壁不允許親脂物質(zhì)的進(jìn)入,大多數(shù)植物精油的化合物是親脂性的,不能 滲 透 進(jìn) 入 革 蘭 氏 陰 性 菌 的 膜內(nèi)[3]。然而,革蘭氏陰性菌外膜也不是完全不能滲透到疏水物質(zhì)中,低分子質(zhì)量的微??梢耘c水作用(通過氫橋),通過脂多糖層的擴(kuò)散或通過膜蛋白緩慢穿過細(xì)胞壁,作用于細(xì)胞的脂質(zhì)雙分子層[2,4]。這適于用一些芳香族烴類化合物,例如香芹酚和百里香酚。Helander等[5]報(bào)道了香芹酚和百里香酚破壞革蘭氏陰性菌外膜的能力,并且觀察到膜脂多糖的釋放和細(xì)胞質(zhì)膜滲透性的增強(qiáng),此類化合物由于具有小分子質(zhì)量使它們對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和陰性菌都能發(fā)揮活性作用,不過這個(gè)特點(diǎn)也降低了其對(duì)具體菌群的選擇性,使得它們難于調(diào)控瘤胃微生物發(fā)酵。盡管植物精油作為抗菌劑的主要功能集中在它對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的作用上,但這并不是它的唯一作用機(jī)制。Gustafson等[6]報(bào)道,植物精油可以通過使蛋白質(zhì)變性來使一些細(xì)胞組分凝結(jié)。大量的研究也報(bào)道了植物精油的一些酚類和非酚類化合物可以與蛋白質(zhì)的化學(xué)組分以及其他生物活性分子(如酶)發(fā)生相互作用[7]。通常,酚類通過氫橋和離子或疏水作用與蛋白質(zhì)相互作用,而非酚類化合物通過其他的功能組發(fā)揮作用,例如肉桂醛的羰基組。其他醛類化合物可能通過交聯(lián)鍵或烷基化與核酸和蛋白質(zhì)相互作用,導(dǎo)致它們失活。Wendakoon等[8]證實(shí),肉桂油和丁香油的活性成分能夠結(jié)合蛋白質(zhì)并且抑制產(chǎn)氣腸桿菌的酶活。
3 植物精油對(duì)瘤胃微生物和瘤胃發(fā)酵的影響
3.1 對(duì)瘤胃細(xì)菌的作用
植物精油可能會(huì)對(duì)瘤胃中超級(jí)產(chǎn)氨菌產(chǎn)生抑制,導(dǎo)致氨基酸的脫氨基作用降低[10]。植物精油對(duì)超級(jí)產(chǎn)氨菌的抑制效果可能與飼糧有關(guān),Wallace[9]報(bào) 道 了 在 綿 羊 低 蛋 白 質(zhì) 飼 糧 中 添 加100mg/d的植物精油會(huì)使超級(jí)產(chǎn)氨菌的數(shù)量下降77%,而當(dāng)供給綿羊高蛋白質(zhì)飼糧時(shí),植物精油的添加對(duì)超級(jí)產(chǎn)氨菌的數(shù)量沒有影響。低劑量的植物精油能夠選擇性地抑制超級(jí)產(chǎn)氨菌,但高濃度時(shí)會(huì)使所有的瘤胃微生物生長(zhǎng)受到影響,例如,
Evans等[10]報(bào)道,百里香酚的添加濃度為 90mg/L時(shí)可以選擇性地抑制反芻月形單胞菌的生長(zhǎng),而當(dāng)濃度為 400mg/L時(shí),所有瘤胃微生物的活性都受到抑制。體外試驗(yàn)中添加大蒜油(50mg/L)可以極顯著地抑制瘤胃產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)[11]。另有研究認(rèn)為,植物精油可能通過抑制淀粉分解菌和蛋白質(zhì)水解菌降低易降解底物的消化而不影響纖維
的消化[12],然而,也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),丁香和茴香提取物會(huì)降低羧甲基纖維素酶和木聚糖酶的活性[13],這可能是提取物中植物精油濃度比較高的緣故。
?。?2 對(duì)瘤胃原蟲和真菌的作用
關(guān)于植物精油對(duì)瘤胃原蟲的影響的報(bào)道結(jié)果不盡 相 同。McIntosh等[14]觀 察 到 當(dāng) 供 給 奶 牛1g/d的混合植物精油時(shí),瘤胃纖毛蟲吞噬細(xì)菌作用 不 受 影 響。 與 之 類 似,綿 羊 飼 糧 中 添 加110mg/d的混合植物精油時(shí),瘤胃原蟲數(shù)量不受影響[15]。Yang等[16也觀察到在閹牛飼糧中添加肉桂醛(0.4~0.6g/d),對(duì)原蟲總數(shù)沒有影響。而 Ando等[17]報(bào)道,飼喂荷斯坦閹牛 200g/d的薄荷油,降低總原蟲數(shù)以及內(nèi)腰蟲、均毛蟲和兩腰蟲的數(shù)量。Patra等[13]觀察到丁香提取物降低原蟲總數(shù)以及小內(nèi)腰蟲和全毛蟲數(shù)量,而對(duì)大內(nèi)腰蟲沒有影響。而 Cardozo等[18]則觀察到肉牛飼糧中添加肉桂醛(180mg/d)和丁子香酚(90mg/d)的混合物,增加全毛蟲數(shù)量,對(duì)內(nèi)腰蟲的數(shù)量沒有影響,更高濃度的肉桂醛(600mg/d)和丁子香酚(300mg/d)混合物對(duì)這些不同種類的原蟲沒有影響。
?。停悖桑睿簦铮螅璧龋郏保矗輬?bào)道,植物精油混合物的濃度超過 20mg/L時(shí),可顯著降低瘤胃厭氧真菌(Neocallimastixfrontalis)的生長(zhǎng)。陸燕等[11]報(bào)道,體外添加大蒜油(50mg/L)可顯著降低瘤胃真菌數(shù)量。然而,關(guān)于植物精油對(duì)瘤胃真菌影響的研究報(bào)道很少。
3.3 對(duì)瘤胃揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量的作用
大多數(shù)研究得出,飼糧中添加植物精油會(huì)降低瘤胃中總揮發(fā)性脂肪酸濃度或?qū)ζ錄]有影響。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總揮發(fā)性脂肪酸的濃度,對(duì)飼料消化有一定的改善作用。比如,Beauchemin等[21]報(bào)道,飼喂肉牛混合植物精油(1g/d)對(duì)瘤胃總揮發(fā)性脂肪酸濃度及各揮發(fā)性脂肪酸的比例沒有影響。而一些體外培養(yǎng)試驗(yàn)中,添加植物精油可以增加總揮發(fā)性脂肪酸的濃度[19-20]?;旌现参锞蛯?duì)總揮發(fā)性脂肪酸濃度的影響可能與飼糧組成有關(guān)。比如,Benchaar等[22]報(bào)道,飼喂泌乳奶?;旌现参锞停ǎ罚担埃恚纾洌?,當(dāng)飼糧中含有苜蓿青貯時(shí),有增加總揮發(fā)性脂肪酸濃度的趨勢(shì),而當(dāng)飼糧中含有玉米青貯時(shí),有降低總揮發(fā)性脂肪酸濃度的趨勢(shì)。植物精油對(duì)揮發(fā)性脂肪酸濃度的影響還可能與其劑量有關(guān)。例如,Busquet等[23]研究了各種植物精油對(duì) 24h體外發(fā)酵的影響。當(dāng)培養(yǎng)液中劑量達(dá)到最高(3g/L)時(shí),大多數(shù)處理都降低了總揮發(fā)性脂肪酸濃度,而且同時(shí)降低了飼料消化率,而其他低劑量的處理組對(duì)揮發(fā)性脂肪酸濃度沒有影響。Castillejos等[24]也有類似的報(bào)道,在體外培養(yǎng)試驗(yàn)中添加不同劑量的丁子香酚、愈創(chuàng)木酚、檸檬油精、百里香酚以及香草精,各低劑量組對(duì)總揮發(fā)性脂肪酸濃度都沒有影響,只有在最高劑量 5g/L時(shí),所有這些化合物都會(huì)降低總揮發(fā)性脂肪酸的濃度。國(guó)內(nèi)學(xué)者林波等[25]用體外法研究了肉桂油、牛至油及其主要成分肉桂醛、香芹酚對(duì)體外瘤胃發(fā)酵和甲烷產(chǎn)生的影響,分別在發(fā)酵液中添加0、50、200、500和 750mg/L,發(fā)現(xiàn)總揮發(fā)性脂肪酸濃度隨植物精油添加量的增加而降低,而且高劑量(500、750mg/L)添加時(shí),整個(gè)發(fā)酵過程受到顯著抑制。如果植物精油的添加不影響揮發(fā)性脂肪酸的濃度,而且降低氨態(tài)氮濃度和甲烷產(chǎn)量,那么可以認(rèn)為對(duì)生產(chǎn)是有利的。然而,如果添加的植物精油在降低氨態(tài)氮濃度和甲烷產(chǎn)量的同時(shí)造成了總揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量的下降,那么總體上認(rèn)為對(duì)營(yíng)養(yǎng)是不利的。因此,如何選擇不同的植物精油以及其活性成分的適當(dāng)劑量,使其對(duì)瘤胃發(fā)酵和代謝產(chǎn)生有利影響的同時(shí)沒有降低總揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量,這將是一種挑戰(zhàn)。一些研究發(fā)現(xiàn),某些植物精油及其組分會(huì)改變各揮發(fā)性脂肪酸的比例,作用與莫能菌素類似(比如降低乙酸比例,增加丙酸比例),這些被視為是添加植物精油的有利影響。Busquet等[26]使用了 2 個(gè) 劑 量 (培 養(yǎng) 液 中 濃 度 為 31.2 和312.0mg/L)的肉桂醛和大蒜油,低劑量的肉桂醛和高劑量的大蒜油都使得乙酸比例下降而丙酸比例上 升。陸 燕 等[11]在 體 外 試 驗(yàn) 中 添 加 30、50、100、300和 500mg/L的大蒜油,除 30mg/L的大蒜油外,其他劑量組均顯著降低乙酸比例,增加丙酸和丁酸比例,降低乙酸 /丙酸。而也有一些研究發(fā)現(xiàn),添加一些植物精油會(huì)對(duì)單個(gè)揮發(fā)性脂肪酸的比例產(chǎn)生不理想的改變,比如總揮發(fā)性脂肪酸的濃度未改變而丙酸比例下降[24]。植物精油和它們的活性成分對(duì)揮發(fā)性脂肪酸比例的影響可能跟pH有關(guān),例如,桂皮提取物和它的主要活性成分肉桂醛在 pH=7.0時(shí),會(huì) 提 高 乙 酸 /丙 酸,而 在pH=5.5時(shí),會(huì)降低乙酸 /丙酸[27]。
3.4 對(duì)瘤胃氮代謝的調(diào)控作用
瘤胃超級(jí)產(chǎn)氨菌占瘤胃細(xì)菌的數(shù)量?jī)H有 1%左右,但卻具有非常高的脫氨基活性[9]。植物精油能夠抑制瘤胃超級(jí)產(chǎn)氨菌,可在一定程度上降低脫氨酶的活性和氨的濃度,增加瘤胃蛋白質(zhì)利用效率來提高營(yíng)養(yǎng)利用率。不同類型的植物精油成分影響瘤胃氮代謝時(shí)的最適劑量不同。如 Castillejos等[24]研究發(fā)現(xiàn),愈創(chuàng)木酚的添加量為 5mg/L可降低氨的濃度,檸檬油精和百里香酚需要 50mg/L,而香草精和丁子香酚在 500mg/L時(shí)對(duì)瘤胃中氨的濃度沒有影響。
通常,植物精油對(duì)瘤胃氮代謝的影響在短期試驗(yàn)中效果比較明顯,比如體外批次培養(yǎng)試驗(yàn)中。而在較長(zhǎng)期的試驗(yàn)中的效果則不太明顯,比如體外連續(xù)培養(yǎng)、瘤胃尼龍袋試驗(yàn)以及體內(nèi)試驗(yàn)。其原因可能是長(zhǎng)期的耐受性導(dǎo)致了瘤胃微生物菌群的改變,也可能是一些植物精油化合物受到瘤胃細(xì)菌作用而降解。
3.5 對(duì)瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響
甲烷是一種潛在的溫室氣體,直接與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān),尤其是反芻動(dòng)物生產(chǎn)。目前對(duì)植物精油的研究很大一部分興趣集中在其化合物能否抑制瘤胃產(chǎn)甲烷菌,其挑戰(zhàn)在于如何選擇植物精油,在降低甲烷產(chǎn)量的同時(shí)不造成飼料消化率的下降。Evans等[10]觀察到,在體外試驗(yàn)中添加百里香酚(400mg/L)可大大地抑制甲烷的產(chǎn)生,但同時(shí)降低了乙酸和丙酸的濃度。陸燕等[11]在體外試驗(yàn)中添加 30~500mg/L的大蒜油,使甲烷產(chǎn)量降低了 65.0% ~98.3%,但總揮發(fā)性脂肪酸的濃度也隨之下降。米熱古麗等[28]的體外培養(yǎng)試驗(yàn)中添加 100、150和 250μL/L葡萄籽精油,低濃度添加時(shí)甲烷產(chǎn)量分別下降了 10.79%和 15.30%,最高濃度時(shí)甲烷產(chǎn)量升高了 7.17%,表明適宜濃度的葡萄籽精油能降低瘤胃中甲烷的產(chǎn)生,但各組均顯著降低總揮發(fā)性脂肪酸濃度。林波等[25]報(bào)道,體外添加不同濃度的牛至油和肉桂油,瘤胃甲烷產(chǎn)量隨添加濃度的增加而降低,添加 50mg/L的牛至油 和 肉 桂 油 甲 烷 產(chǎn) 量 分 別 降 低 13.3% 和21.2%,而對(duì)總揮發(fā)性脂肪酸影響較小,說明該濃度植物精油發(fā)揮了理想的瘤胃調(diào)控作用。在選擇植物精油的化合物來抑制原蟲數(shù)量方面還有一定的研究潛力,因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌和原蟲存在共生關(guān)系,是降低甲烷產(chǎn)量的一條途徑。但如前所述,不同植物精油及其活性成分的抗原蟲效果不盡相同。目前,有關(guān)體內(nèi)試驗(yàn)研究植物精油及其主要成分對(duì)甲烷產(chǎn)量影響效果的報(bào)道很少。Beauchemin等[21]報(bào)道,給肉牛飼喂混合植物精油(1g/d)時(shí),飼料消化率下降,但對(duì)甲烷產(chǎn)量沒有影響。而在早期使用同樣的商品植物精油進(jìn)行的體外純培養(yǎng)試驗(yàn)中,McIntosh等[14]報(bào)道了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)受到抑制,但用量是上述動(dòng)物試驗(yàn)的 33倍,該用量將大大影響飼糧消化率,在實(shí)際生產(chǎn)中并不現(xiàn)實(shí)。Mohammed等[29]觀察到飼喂閹牛一種高劑量的(20g/kg干物質(zhì)采食量)山葵膠囊,甲烷產(chǎn)量降低 19%,但沒有降低原蟲數(shù)量以及飼料消化率。由此可見,需要選擇適當(dāng)?shù)闹参锞停⑶姨砑恿窟_(dá)到一定水平時(shí),可以選擇性地降低甲烷產(chǎn)量而不影響飼料利用。
?。?小 結(jié)
近年來,有關(guān)植物精油對(duì)瘤胃發(fā)酵和動(dòng)物生產(chǎn)性能的調(diào)節(jié)作用有大量的研究工作,但目前大多數(shù)研究都集中在體外試驗(yàn)上,還需要更多的體內(nèi)試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證。一些植物精油能特定地抑制超級(jí)產(chǎn)氨菌及產(chǎn)甲烷菌等,可以對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生積極的影響,如增加揮發(fā)性脂肪酸濃度、降低氨的濃度和甲烷產(chǎn)量等,但需選擇具體的化合物成分及其活性成分的最適劑量以及飼糧組成和比例等。如何綜合考慮以上因素,使得其對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生積極影響的同時(shí)對(duì)飼料消化沒有負(fù)面影響,這將是未來的研究以及生產(chǎn)應(yīng)用上面臨的一種挑戰(zhàn)。
來源:動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)
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