植物挥发油的生物学活性及其在反刍动物生产中的应用研究进展

山东省昌乐县畜牧局 王建宝 赵瑞芳 丛志慧＊

植物挥发油又称精油，是存在于植物中的一类具有芳香气味、可随水蒸气蒸馏出来而又与水不相混溶的挥发性油状成分的总称。挥发油是植物的一种次级代谢产物，用于抵御传染性或寄生性病虫害、应对环境应激、降低草食动物对植物的适口性等。研究表明，在单胃动物饲料中添加牛至油、大蒜油等挥发油具有提高饲料消化率、抗菌促生长等功能，而在反刍动物饲料中添加挥发油，则可调控瘤胃发酵、降低甲烷排放、提高瘤胃氮存留率。可见，挥发油在除作为防腐剂应用于饲料工业外，还可作为一种潜在的促生长添加剂，具有广阔的应用前景。

1 植物挥发油主要成分及其应用现状

植物挥发油是由复杂天然化合物混合而成，成分复杂且多样，一般有20～60种含量不同的成分。其特点是组成中有2种或3种成分含量非常高（20%～70%），而其余组分则含量较少。例如，香芹酚（约30%）和麝香草酚（约27%）是牛至挥发油的主要成分。总体而言，挥发油的主要成分决定了挥发油的生物学特性。挥发油若按化学成分则可细分为4类，一类是萜烯类化合物，是精油的主要成分，包括单萜衍生物，如熏衣草类、茴香醇类；倍半萜衍生物，如金合欢烯、广藿香酮等；二萜衍生物，如油杉醇等。第二类是芳香族化合物，如百里草等。第三类是脂肪族化合物，如烃、醇、醛、酮、酯等。第四类是含硫含氮化合物，如大蒜素，洋葱中的三硫化物，黑芥子中的异硫氰酸酯等。

挥发油主要应用于香料行业 （如香水或洗漱用品）、食品行业（调味剂或防腐剂）、医药行业（治疗或预防）等。近年来，世界市场对挥发油的需求每年以4%的速度增长，可以预见植物挥发油在未来定将会形成一个庞大的产业 （Koroch等，2007）。

2 植物挥发油的生物学活性

2.1 植物挥发油的抗细菌活性 挥发油是多种小分子成分的混合物，其所含的萜类、醇类、酚类等成分的结构及功能性基团决定了其抗菌活性。Ozturk和Ercisli（2006）对唇香草地上部分精油对与食品相关的52种革兰氏阳性和阴性细菌进行抗菌活性研究，表明其对芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、短芽孢杆菌和产氨棒杆菌等均有抑制作用，因此具有广谱性。He等（2007）通过扫描电镜观察丁香精油的主要成分丁香酚对白色念珠菌的生物膜细胞形态建成等的作用，表明丁香油对白色念珠菌的纤维状生长有抑制作用。此外，一些研究认为，植物挥发油的抗菌机制主要在于破坏细菌细胞膜，抑制细菌DNA的转录，但不同种类的挥发油因其主要活性成分不同而表现出不同的抗菌活性和机制（Bakkali等，2008；Chaieb 等，2007）。

2.2 植物挥发油的抗真菌活性 研究表明，多种植物挥发油均具有抗真菌的活性 （刘洪波等，2009）。莫小路等（2004）研究表明，大叶桉、广藿香和香茅精油对串珠镰刀病菌、玉米弯孢霉菌等多种病原真菌有明显抑制作用。应用同位素标记法结合扫描镜观察对肉桂醛和柠檬醛的真菌作用的研究表明，其抑制真菌的机制可能存在两个方面原因：一是破坏细胞膜和真菌正常形态，柠檬醛和肉桂醛的添加使曲霉菌形态发生变化，机制可能是破坏细胞壁、细胞膜结构，导致细菌细胞对营养物质吸收降级、生物大分子合成受阻，抑制分生孢子的形成，其他的研究也进一步证实了挥发油对真菌细胞膜的破坏作用 （Cabral等，2009；Pinto等，2006）。二是进入细胞内抑制蛋白和核酸的合成（Chaieb 等，2007），同位素标记法则表明，肉桂醛和柠檬醛的抗菌机制可能是通过影响曲霉菌的DNA、RNA和蛋白质的合成。因此，由于挥发油成分的多样性，其抗真菌活性可能是多种机制共同作用的结果。

2.3 植物挥发油的抗氧化作用及细胞毒性作用氧化应激是由体内由自由基不能及时清除而引发的组织细胞损伤的现象，它是引起动物肿瘤等疾病以及衰老的重要原因。研究表明，植物挥发油由于成分多样，因而可提供电子以消除自由基、与自由基结合成稳定物质以及与金属元素结合以降低自由基活性多种机制下发挥抗氧化作用（Maria等，2010）。部分植物挥发油的抗氧化活性在适宜的浓度下强于常用的抗氧化剂。冯雪等（2010）从总抗氧化能力、清除超氧阴离子自由基能力和清除羟基自由基能力三个方面测定了草果挥发油的抗氧化活性，并与没食子酸丙酯（PG）比较表明，在一定浓度范围内草果挥发油清除超氧阴离子自由基的能力和清除羟基自由基的能力均强于PG，说明其具有良好的抗氧化效果。赵晨等（2008）采用脂质过氧化方法和DPPH方法分别检测了草蔻和桂丁挥发油抗脂质过氧化活性和清除自由基活性，并与维生素E和维生素C的比较发现在一定浓度下两种挥发油的抗脂质过氧化能力和清除自由基活性高于维生素E和维生素C。

由于挥发油种类多且成分复杂，挥发油似乎没有特异性的细胞目标（Carson等，2002），作为一个典型的亲脂性物质，挥发油可以穿过细胞膜，破坏不同细胞膜层的多糖组、脂肪酸和磷脂，使膜穿孔，因而表现出一定细胞毒性。此外，精油还可与细胞膜共价结合，破坏膜脂类和蛋白质导致胞内大分子的流出和溶解。对真核细胞而言，植物挥发油可降低膜电势而引起线粒体膜的去极化，从而影响钙离子的循环和其他离子通道，最终导致自由基、细胞色素C、钙离子和蛋白质的泄露，结果就如同氧化应激或生物获能的失败，引起细胞凋亡或坏死（Bakkali等，2008）。可见，高浓度的挥发油对动物细胞具有毒性作用。

3 植物挥发油对反刍动物瘤胃发酵和生产性能的影响

3.1 对瘤胃发酵的影响 目前，关于植物挥发油对反刍动物瘤胃发酵调控方面已有较多的研究报道，多数报道均表明，挥发油的瘤胃调控功能主要集中在减少瘤胃蛋白降解，降低瘤胃甲烷的排放，改变瘤胃发酵乙酸和丙酸比例等方面（Calsamiglia 等 ，2007；Cardozo 等 ，2006；McIntosh 等2003）。Bodas等（2008）将 6种富含挥发油的植物细粉添加到体外发酵底物中，瘤胃甲烷产量降低25%以上。Calsamiglia等（2007）报道，挥发油可通过抑制原虫间接抑制甲烷菌而降低甲烷。Flythe（2009）的体外纯培养研究发现，三种产氨细菌对蛇麻子的提取物均敏感，同时采用瘤胃液体外培养试验也表明，添加蛇麻子的提取物可降低瘤胃氨的产量。Newbold等（2004）报道，对成年绵羊添加110 mg/d的混合挥发油，主要成分为麝香草酚、guajacol和柠檬醛等，结果表明，添加挥发油提高了瘤胃原虫数量，降低了瘤胃脱氨基酶的活性，且可减少豆粕蛋白的降解。可见挥发油的作用效果与莫能菌素具有较好的一致性，因此可作为一种莫能菌素的潜在替代品。

目前，大部分对挥发油抑制甲烷产生的研究是在体外条件下开展的，然而动物体内的瘤胃环境比人工瘤胃环境复杂得多。Calsamiglia等（2007）综述也认为，挥发油在体内试验中对瘤胃发酵的影响与体外试验有较大的差异。Beauchemin和McGinn（2006）研究表明，对肉牛添加1 g/d的挥发油没有影响瘤胃甲烷产量。Chaves（2007）报道，对羔羊日粮添加0.2 g/kg的香芹酚或肉桂醛，结果表明，挥发油活性成分的添加没有影响瘤胃氨氮浓度和挥发酸组成。造成体外试验与体内试验结果不同的原因可能在于体内试验添加量不足 （Benchaar等，2008；Benchaar等，2007；Yang等，2007；Benchaar等，2006）。 Hart等（2008）报道，挥发油之所以能调控瘤胃发酵，其机制在于适宜浓度下，挥发油可选择性地抑制瘤胃甲烷菌和原虫，而这种选择性与挥发油种类有密切关系，因此有必要对挥发油适宜种类和添加水平进行筛选。

3.2 对生产性能的影响 研究表明，在奶牛日粮中添加2 g/d的挥发油仅提高了奶牛瘤胃pH值和酸性洗涤纤维的表观消化率，对其他瘤胃发酵指标如原虫数目、TVFA含量和VFA组成等均无显著影响，对牛奶产量和乳成分等也无显著影响（Benchaar等，2006）。 Benchaar等（2007）报道，添加挥发油仅增加了瘤胃pH值和牛奶乳糖产量，对奶产量、奶品质、采食量、营养物质消化率、瘤胃发酵终产物、瘤胃微生物区系等均无显著影响。此外，Yang等（2007）报道，在泌乳奶牛日粮中添加5 g/d·牛大蒜素和2 g/d·牛杜松子挥发油对奶牛瘤胃VFA、氨氮浓度、奶产量、饲料总消化率等也均无显著影响。动物试验的研究结果表明，植物挥发油对瘤胃发酵的各项指标影响程度都不如体外试验显著，实际生产中添加挥发油效果并不理想。虽然动物试验不能直接检测挥发油是否降低了甲烷的产量，但从影响程度来看，挥发油在体内的作用比较有限，其原因可能与挥发油的添加浓度和体内与体外环境的差异等有关，仍然需要进一步研究。

虽然也有一些研究表明，奶牛日粮中添加挥发油并无显著效果，但也有研究发现，奶牛日粮中添加1.2 g/d·牛的混合挥发油，可显著提高奶牛采食量 1.9 kg/d和产奶量 2.7 kg/d（Kung等，2008），对小公牛饲料添加植物提取物与莫能菌素，结果表明，二者对小公牛生长具有相似的作用（Devant等，2007）。 meta分析也表明，植物挥发油的添加具有提高奶牛生产性能的功能（Tassoul和Shaver，2008；Bravo 等，2008）。 有研究表明，挥发油的作用效果可能与日粮组成有关，在高精料条件下，挥发油的作用更明显（Devant等，2007），因此在应用植物挥发油调控瘤胃时应注意与日粮的搭配。

4 研究和应用前景

由于植物挥发油种类繁多，且成分多样，在同等添加水平下，不同类型的挥发油或活性成分（以酚为主和以醛为主）表现出了对瘤胃发酵不同的影响，以酚为主要成分的组合比醛为主要成分的组合具有更高的甲烷抑制潜力 （Lin等，2009）。Macheboeuf等（2008）也获得了相似的结论。可见，造成动物试验结果差异的原因可能与添加的挥发油种类不同有关，单种挥发油可能由于抗菌谱窄而难以达到调控瘤胃发酵的效果，不同挥发油或挥发油活性成分的组合对瘤胃发酵调控的能力有可能更强。Spanghero等（2008）研究了几种挥发油活性成分的混合物对瘤胃发酵的影响，结果表明，挥发油降低了瘤胃蛋白的降解和脱氨基作用，在低瘤胃pH值条件下，活性成分组合的作用更有效。Newbold等（2004）也认为将不同作用机制的挥发油或活性成分组合是一种更好应用挥发油调控瘤胃发酵的手段之一。

挥发油由于其强烈的气味，添加到饲料中有可能影响饲料适口性。Cardozo等（2006）报道，对肉牛饲喂由肉桂醛（180 mg/d）和丁香酚（90 mg/d）组成的混合物降低了采食量，而添加500 mg/d肉桂醛也降低了奶牛采食量 （Busquet等，2003），表明这些活性成分影响了饲料适口性。Spanghero等（2009）对奶牛饲喂 0、0.32、0.64 g/d 和 0.96 g/d 的包被挥发油混合物，发现包被挥发油也没有影响动物采食量，表明包被是一种有效屏蔽挥发油特殊气味，减少其对饲料适口性影响的措施之一。同时挥发油的包埋可将挥发油由液态转变成固态，进而有利于其添加和应用。

目前，由天然挥发油成本高且成分难以稳定，限制了其在生产中广泛应用。体外试验表明，丁香油、香芹油、百里香油、柠檬油及其主要活性成分，丁香酚、香芹酚、百里香酚、肉桂醛、柠檬醛等均具有显著的调控瘤胃发酵的功能 （Busquet等，2006），而挥发油活性单体成分如丁香酚、百里香酚、肉桂醛等已可化工合成（Koeduka等，2006），这些单体活性成分的应用可大幅度降低植物挥发油的成本，且可较好地控制挥发油成分的组成，但挥发油活性成分能否替代挥发油尚需要大量的研究。

5 小结

综上所述，挥发油具有丰富的生物学活性，应用得当可发挥瘤胃调控功能，抗氧化应激，保护动物健康，进而提高反刍动物生产性能。今后，要对挥发油进行筛选、作用机制、应用挥发油活性成分替代挥发油或将不同挥发油合理组合等手段，并结合挥发油包埋技术进行深入研究，促挥发油在反刍动物生产中的应用。

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