植物单宁及其对动物的作用研究进展

王妍君 谢开云 赵祥 董宽虎

作者简介： 王妍君(1986-)，女，山西寿阳人，在读硕士。E-mail:wangyanjun5471@126.com董宽虎为通讯作者。

摘要： 对植物中单宁含量、单宁对动植物的影响及降低单宁含量的方法进行了综述。植物单宁是广泛存在于植物体内的一类多元酚化合物，是植物进化过程中由碳水化合物代谢衍生出来的一种自身保护性物质。一般认为单宁在维管植物中有两种存在形式既水解单宁和缩合单宁。单宁的含量与基因、部位、植物生长阶段、植物病虫害等有关；植物含有高度单宁可保护植物不被采食，适当浓度单宁可减少动物胃胀气，因此，对动物的影响有利有弊；可以通过多种方法来降低植物中单宁的含量。

关键词： 植物单宁；含量；动植物

中图分类号： Q 946;S 816文献标识码： A文章编号： 1009-5500(2011)03-0082-06

植物单宁（vegetable tannin）又称植物多酚，是广泛存在于植物体内的一类多元酚化合物，是植物进化过程中由碳水化合物代谢衍生出来的一种自身保护性物质。不同植物所含单宁的种类、含量、分子量和分子结构都不相同，并且随着生态环境的不同而改变。在豆科牧草、油菜籽、高粱籽实、柳安籽粉、栎叶、橡树叶和蚕豆等籽实及其加工副产品中含量较高，小麦、白苜蓿、黄苜蓿的含量较低，大多热带豆科牧草和灌木都含有数量不等的单宁。植物单宁的含量受气候、季节、土壤肥力等环境因素的影响而发生相应的变化^[1]。长期以来，单宁一直被认为是饲料中的抗营养因，随着研究深入，发现单宁对动物的生长还具有多种生理活性，如止血、抑制微生物、抗过敏、抗突变、抗衰老等作用^[2]。

1 单宁的组成和结构

“Tannin”一词起源于18世纪后期，用来描述帮助鞣制动物皮革的植物成分，因此，又称为鞣酸。单宁是能使蛋白质沉淀的多酚化合物，是草酸途径的次级产物，一般认为单宁在维管植物中有两种存在形式既水解单宁和缩合单宁。

水解单宁（HT）是指酚酸或其衍生物与葡萄糖或多元醇主要通过酯键形成的多酚，特点是遇酸、碱或酶易水解生成小分子量的产物，主要存在于栎树植物中。缩合单宁（CT）是以羟基黄烷-3-醇（其衍生物称为儿茶素类）、黄烷-3,4-二醇（其衍生物称为无色花色素类）为基本结构单元的聚合物（3个单体以上聚合），单体间以C-C键相连，不能被水解，在酸、碱或酶的作用下，易发生分子间的缩合，产生大分子产物^[3]，主要存在于高粱和豆科籽实中，包括可溶性缩合单宁、蛋白质结合缩合单宁和纤维素结合缩合单宁。缩合单宁为抗营养因子，在消化道中可与蛋白质结合形成不溶性化合物，也可与钙、铁和锌等金属离子化合物形成沉淀，从而降低其利用率；单宁还可和消化酶结合，影响酶的活性和功能，不利于营养物质的消化和吸收。另外单宁具有涩味，适口性差，日粮中含量高会影响动物的食欲，降低采食量^[4]。

不同植物种之间植物单宁含量不同，丁学智等^[5]对甘肃天祝金强河高寒地区5种灌木中的酚类物质含量进行了测定和比较分析。结果表明，不同的灌木品种其酚类物质的含量不同，沙棘总酚，单宁和缩合单宁的干物质含量均高于其他灌木。

基因决定了植物单宁的含量，种源影响着外来种质中浓缩单宁的含量，低浓度单宁植物来源于埃及、西班牙、伊朗、土耳其和乌兹别克斯坦，高浓度单宁植物来源于南美洲。含有单宁的植物有两种基因型：无单宁基因型和高单宁基因型。Dalrymple等^[6]，发现缩合单宁的表达由一个单一的显性基因控制。Goplen等^[7]调查大量豆科植物发现，许多种紫花苜蓿中不含有单宁，在28种多年生苜蓿属（Medicago spp.）植物（既有二倍体植株，也有通过化学突变形成的同源四倍体），33种一年生苜蓿属植物和30种胡芦巴属（Trigonella）植物的叶中，单宁均不表达，而小冠花(Coronilla varia)、绢毛胡枝子（Lespedeza cuneata）、百脉根（Lotus corniculatus）、兔足三叶草（Trifolium arvense）、大合三叶草（Large hop clover）、小合三叶草（Small hop clover）和红豆草（Onobrychis spp.）都含有单宁。Roberts等^[8]研究百脉根发现,其种质中单宁含量的变化范围很大（0%～13%）。当与摩洛哥的根茎型的基因型杂交时，百脉根不仅表现为根茎型，也可表达2倍的浓缩单宁^[9]。

同种植物不同品种之间单宁含量变化不大，张磊等^[10]通过奇台红豆草的品比试验发现，奇台红豆草与甘肃红豆草的营养成分基本相同，粗蛋白含量20%，单宁含量1.58%。

2 单宁与植物的关系

2.1 单宁与植物部位的关系

缩合类单宁存在于一些饲草中，是一些豆科饲草和灌木中最常见的单宁类型^[3]。单宁存在于植物的叶片、根部、木材、树皮、果实和芽中^[11]，据估计单宁是维管植物组织产生的除纤维素、半纤维素、木质素之外的第4大生化产物^[12]。

不同的植物单宁存在于不同的器官。紫花苜蓿（Medicago sativa）浓缩单宁仅存在于种皮中，其他器官中没有，这可能是在植物进化过程中下调了产生单宁的机制。如无瓣海桑（Sonneratia apetala）花的可溶性缩合单宁含量为最低(17.56±2.61) mg/g，果实与皮中的含量最高，分别为(276.48±9.62) mg/g和(254.71±5.62) mg/g；幼叶(108.44±13.10) mg/g，成熟叶(118.61±25.66) mg/g低于衰老叶(163.75±4.57) mg/g；细根(58.84±9.57) mg/g与中根(70.51±19.01) mg/g含量差异不显著（P＜0.05）。无瓣海桑各部位的蛋白质结合缩合单宁含量中，花的含量(3.84±0.63) mg/g与细根(3.92± 0.40) mg/g最低；果(14.77±0.22) mg/g与树皮(14.41±0.78) mg/g含量最高；细根的蛋白质结合缩合单宁含量低于中根(6.90±1.25) mg/g。无瓣海桑不同部位的纤维素结合缩合单宁含量中，树皮的纤维素结合缩合单宁含量为(26.44±6.18) mg/g与果(25.47±14.37) mg/g最高，花最低为(1.96±0.19) mg/g。无瓣海桑各组分总缩合单宁含量介为(15.04～298.62) mg/g，由于可溶性缩合单宁在总缩合单宁中占较大比重，因此，各组分总缩合单宁含量与可溶性缩合单宁的变化趋势相似；树皮的含量最高，果的次之；花的最低；不同发育阶段叶片居中^[13]。

2.2 单宁与植物生长阶段的关系

随着植物的成熟，单宁逐步由水解性转为凝集性，单宁的含量与植物的生长阶段、环境温度、土壤酸碱度有关^[3]。绢毛胡枝子单宁的含量在温暖的条件下迅速增加，在高单宁栽培种增加更明显^[14]。百脉根，春季浓缩单宁含量上升^[9]，夏季到秋季呈下降趋势^[8]。土壤肥力较低时，单宁含量可能增加。新西兰的酸性土壤中，当S和P充足时，大三叶的单宁含量为2.0%～3.2%，当S和P受到限制时为5.1%～7.8%^[15]。当百脉根和禾草混播时，单宁含量增加^[9]。

红树叶嫩叶中总酚酸、可提取的浓缩单宁、总浓缩单宁、可沉淀蛋白的酚醛含量及蛋白质沉淀能力高于成熟和衰老的叶子。随着叶子的成熟和衰老，总酚酸含量降低。用提纯的单宁和用单宁酸做标准测定的总酚酸含量之间有着明显的线性关系(y=1.938 1x-7.857 1，r2=0.999 9，n=84，P＜0.01)。前者是后者的两倍。在生长发育的不同阶段，嫩叶中可提取浓缩单宁（CT）含量显著高于成熟叶片(P＜0.000 05)和衰老叶片(P＜0.05)；在降解的不同阶段，可提取CT含量显著降低。随着叶片的成熟，蛋白质结合CT和纤维结合CT呈上升趋势，在衰老时期呈下降趋势(P＜0.005)。随着叶片的降解，蛋白质结合CT和纤维结合CT含量增加，但蛋白質结合CT在腐烂时降低。嫩叶中总CT含量明显高于成熟叶片(P＜0.000 05)和衰老叶片(P＜0.05)。在降解的不同阶段，总CT的含量有规律的下降^[16]。

2.3 单宁与植物抗性的关系

单宁影响植物与生物环境之间的互作，浓缩单宁能阻止动物和鸟类的采食，也显示抗微生物活性并与植物抗病性有关。单宁是抵抗害虫侵害的一种防御性物质，孙萍等^[17]对不同杨树品种或无性系生长期单宁含量与天牛危害程度的相关分析表明，杨树各品种或无性系被害率与健康韧皮部、被害木质部的单宁含量均成负相关性，相关系数分别为-0.87和-0.61，即健康韧皮部和被害木质部单宁含量越高被害率越低，韧皮部单宁含量高则抑制卵孵化量，一旦初孵幼虫进蛀到木质部，被害后的木质部单宁含量又直接影响幼虫的生长发育。另外，浓缩单宁通过阻止硝化作用来阻止植物凋落物的降解^[18]。

王静等^[19]应用植物叶片膜透性的测定方法研究了外施单宁酸溶液对紫花苜蓿幼苗膜透性的影响，结果表明，随着低温处理时间的延长，不同浓度的单宁酸处理的苜蓿叶片膜透性都有所增加，随着单宁酸溶液浓度的增加，每个处理时间上苜蓿幼苗的膜透性逐渐减小，保护性作用逐渐加强。为单宁酸溶液能提高苜蓿抗寒性，减轻低温伤害提供有效的理论依据。

3 单宁与动物的关系

在单宁和多酚中，浓缩单宁是与饲草质量和家畜表现最相关的物质。不同植物中单宁的成分有明显的差异，这可以部分的解释家畜和哺乳动物采食的不同反应。浓缩单宁与蛋白质的反应及形成的化合物在营养和生理上有重要作用^[20,21]。

单宁对反刍动物的影响表现为两面性：(1)单宁味苦有收敛性，影响动物的适口性，单宁含量高的植物可使动物的进食量大减，并引起家畜中毒和其他的一些不良反应，如日增重、消化率、净毛率和酮体品质降低等，从而影响其生产性能；(2)单宁可与植物蛋白结合，当反刍动物采食适量的含单宁饲料后，减少了瘤胃可降解蛋白质的数量，从而提高反刍动物利用蛋白质的效率，同时还能减少膨胀病的发生^[3]。

3.1 单宁对动物消化和利用植物的抑制作用

高浓度单宁（5% DM以上）由于较涩降低了适口性，减少了动物的采食量，降低了反刍动物的消化率^[22]，浓缩单宁的浓度与饲草中其他优质的和劣质的成分有关。在百脉根中，单宁含量与氢氰酸^[23]、消化率和粗蛋白^[24]呈负相关，与木质素呈正相关，这说明高单宁饲草能减少消化力。

单宁能使植物在动物瘤胃降解率降低，抑制酶和微生物的活性。单宁抑制微生物和饲料蛋白与瘤胃微生物所需离子络合，浓缩单宁可抑制分解蛋白的细菌^[25]，对甲烷细菌表现出毒害作用，瘤胃糖代谢所必须的真菌也对单宁敏感。主要是单宁抑制了蛋白分解，使得细菌在发酵过程中活性变小，表现为体外气体和挥发性脂肪酸的减少和干物质降解率降低^[26]。

单宁被认为会影响维生素和矿物质的利用，膳食中含有单宁酸时会导致维生素A含量减少，并干扰维生素B的利用。单宁与Fe2+形成不溶性复合物，从而导致Fe2+不容易被吸收，人若摄食超过1 500 mg/kg单宁的蚕豆，就会显著降低铁的吸收。单宁能与皮下蛋白质结合而产生沉淀，甚至能渗透过肝表皮细胞而产生沉淀，而单宁酸能导致人体肝坏疽，导致肝损坏^[27]。当用高单宁含量的树叶饲养动物后，在其尿液中会出现片状沉淀物，其中富含蛋白质，同时动物伴有水肿现象，这表明动物未能有效利用饲料中的蛋白质，出现了严重的低蛋白血症^[27]。

3.2 单宁对动物利用植物的有益作用

适当浓度的单宁对动物有着有利的影响，由于浓缩单宁有收敛作用，可以帮助动物减少胃气胀，有时能通过与瘤胃中的蛋白混合来提高蛋白质利用率，在后消化道的低pH环境中释放,使得植物蛋白氨基酸被吸收，这种提高氨基酸吸收率的机制已经被用来解释母羊乳产量和乳蛋白提高^[26]。

汪海峰^[28]研究表明，由于反刍动物特殊的生理和消化特点，单宁在小肠中的降解产物对反刍动物不具有毒性，在反刍动物饲粮中合理搭配含单宁的牧草可起到保护蛋白质的作用。

动物适应的最适宜单宁浓度随饲草中单宁成分的不同而不同，一般说来饲草作物中单宁含量为20～40 g/kg是理想的^[30]。

3.3 减少植物单宁对抑制动物利用的方法

在放牧系统中，通过提高草地上低单宁植物的比例来限制单宁的摄取。通过植物育种也能减少高单宁植物的单宁含量^[26]。另外，还可以通过物理、化学、生物方法去除饲料中的单宁或改变家畜的微生物活性来减少植物单宁对动物利用的抑制。

对可溶于水的如缩合单宁和可溶性非淀粉糖（NSP）可用浸泡的方法除去单宁。将高粱用水浸泡再煮沸可除去70%的单宁，但是，水处理会导致大量水溶性营养物质的散失，再者水浸后烘干较为麻烦费工，使成本增高，而且单纯水处理不能完全消除NSP的抗营养作用^[4]。

很多抗营养因子集中存在于作物种子的表皮里，通过机械加工去皮处理，可减少其抗营养作用。如采取机械加工方法除去高粱和蚕豆的外皮可除去大部分单宁。但废弃种皮将提高饲料成本^[4]。饲料中加入适量的氮氨酸或胆碱作为甲基供体，可促单宁甲基化作用后使其经代谢排出体外^[4]。

Lorusso等^[31]通过从变色栓菌中提取一种酶制剂来减少菜籽粕中的单宁含量，菜籽粕中可提取单宁的最大含量为2.80 g/kg，甲醇与菜籽粕比值为4.36时能提取菜籽粕的可提取单宁含量的一半。

张立华等^[32]研究报道，通过对短枝木麻黄幼苗施用氮肥和磷肥的研究发现，施加氮肥使短枝木麻黄幼苗小枝的总酚（TP）和可溶性缩合单宁（ECT）含量显著降低，施加磷肥对TP和ECT含量没有显著影响，随着处理时间的延长,短枝木麻黄幼苗小枝TP含量升高了9.91%～14.32%，而ECT含量降低了14.32%～298.88%。

针对单宁的抗营养作用，许多学者已采用不同途径分离选育出多种单宁抗性菌或单宁降解菌，从而使饲料中的单宁含量降低。利用生物技术手段，从这些微生物中分离出能抑制单宁副作用的酶，进行序列分析，提取基因片段，然后将其转移到其他动物体内或瘤胃微生物内，以解决单宁对蛋白质吸收代谢的副作用。Nelson^[33]给山羊饲喂单宁含量为17%的金钱草，从瘤胃液中可分离出一种能降解单宁的厌氧双球菌，该菌在厌氧条件下，3～4 h可将浓度为30 g/L的单宁酸降解为焦倍酚，其对单宁酸的耐受浓度可达70 g/L。Mcsweeney等^[34]从饲喂高含量缩合单宁饲料的绵羊和山羊体内分离到15种能分解蛋白质的瘤胃菌，它们能在单宁存在时分解蛋白质和多肽。其中1株肉毒梭状芽孢杆菌，在无其他糖类物质存在的条件下，它能以单宁作为唯一碳源在含蛋白质或多肽的培养基上快速生长。将这些微生物菌体或单宁酶添加到饲料中，可达到消除其抗营养性的目的。

饲草中的单宁对反刍动物既有营养作用又有抗营养作用。由于所用试验动物、饲料作物的种类、饲料加工调制以及试验方法不同试验结果也不一致。即使同一饲料作物，由于所在地的生长条件不同，其单宁含量与种类也不同。目前，对单宁的研究主要基于动物饲养对比试验和体外模拟消化试验，对其作用机理的认识还不够深入。随着生物技术快速发展及应用，单宁在反刍动物营养中将发挥越来越重要的作用。

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Research progress on vegetable tannins and its effect on animals

WANG Yan-jun,XIE Kai-yun,ZHAO Xiang,DONG Kuai-hu

(Grassland Research Institute,College of Animal Science,Shanxi Agricultural University,Taigu,030801)

Abstract: This article summarized the content of vegetable tannins,the impact of tannins on plants and animals,and the approaches to reduce the content of tannins.Vegetable tannins are common polyphenolic in plants and it is self-protective substances derived from the carbohydrate metabolism in plant evolution.There are two types of tannins in vascular plants,hydrolysis tannin and condensed tannin.The content of vegetable tannins is concerned with genes,location, growth stage, and diseases of plant. The impacts of tannins on animals are in many aspects, high content tannins can protect the plant from herbivore and appropriate content tannins can reduce animal bloat. There are many ways to reduce the content of vegetable tannins.

Keywords: tannins；plant and animal；content