植物精油的微胶囊化及在养猪生产中的应用研究

聂振昌，程宗佳，李 辉，何楚俐，陶正国

（广州立达尔生物科技股份有限公司，广州510663）

随着经济的快速发展、人们生活水平的提高，对畜产品的品质要求也越来越高。最近30年，由于畜牧业抗生素的滥用，导致了一系列的问题出现，其中在食品上影响最大的为抗生素在畜产品中的药物残留，已经引起的人们的广泛关注，生产无抗动物产品的呼声越来越高，国家在2020年7月1日开始禁止抗生素在饲料中添加，这是维护食品安全、保障国民健康的一个重要里程碑。植物精油具有无残留、无耐药性的特点，且是来源广泛的一类绿色植物提取物，国内外对其研究也日趋活跃，并取得了大量的研究应用成果，已经逐渐深入到细胞、分子水平机理上。综合最近的研究，关于植物精油的特性、制剂的工艺、生物学功效机理、动物生产应用实践等的报道也越来越多，作为新一代的植物提取物，已经能够有效地替代抗生素的部分作用效果，在灭杀有害菌、提高动物健康水平、促进动物生长、提高畜产品品质等方面发挥了积极的作用。

1 植物精油及其理化性质

植物精油是以植物的花、叶、根、果、皮和树胶等为原料，通过蒸汽蒸馏、压榨、溶剂萃取等方法提炼出的植物挥发性油样芳香物质。它是植物体内的一种次生代谢产物，是一类具有特殊香味和颜色的天然化合物[1]。植物精油化学成分复杂，不同来源的植物精油的化学成分存在差异，主要含有醇、醚、酚、醛、内酯、酮等成分，其中以萜烯类、芳香族、脂肪族、含氮和含硫化合物为主。植物精油常温下多为液体、易挥发，有特殊而强烈的气味，一般比水轻，相对密度一般在0.8~1.17，不溶于水，易溶于有机溶剂中，对空气、日光和温度较为敏感，容易分解变质，需贮存于深色容器和阴凉处[2]。

2 饲用植物精油制剂的生产工艺

传统植物精油常温下多处于液体状态，暴露空气中具有易挥发、易氧化、对温度敏感，有些具有强烈的气味等特性，影响了其在饲料中的应用，同时也影响了其在动物体内性能的发挥。因此，提高植物精油的贮存稳定性、高温生产稳定性、性能发挥的稳定性、掩味等生产技术是植物精油向饲用精油改变的一个重要的研究课题，而微胶囊包膜法是有效解决传统精油产品稳定性问题的最常用制剂生产工艺手段[3]。

微胶囊技术是一种利用不同的原理将一些易挥发、不稳定的气、液或固体包封在具有一定成膜性材料里形成微小胶囊的技术。其中被包埋的物质为芯材，包覆芯材的物质为壁材。微囊化制剂技术能够保护植物精油的理化特性，使其从液态向固态转变，提高其稳定性、流动性，能够保护敏感性活性成分，同时避免其在饲料生产中同其他组分的反应，使它们能够共存，并使精油能够在动物体内根据需求定点定时释放[4]，从而使植物精油在饲料加工及畜牧生产中的应用具有更加广阔的前景。

目前，植物精油微囊化制剂工艺主要有物理法、化学法、物理化学法。其中物理法是利用物理和机械原理的方法制备微胶囊，主要有空气悬浮法、喷雾干燥法、包结络合法等；化学法是利用单体小分子发生聚合反应生产高分子或者膜材料并将芯材包覆，主要有界面聚合法和原位聚合法；物理化学法是通过改变条件（温度、pH值、加入电解质等）使溶解状态的成膜材料从溶液中聚沉出来并将芯材包覆形成微胶囊，具体有凝聚法、油相分离法、熔化分散冷凝法等[5-6]。表1中列举了现在主要的微胶囊方法及其特性。

表1 主要的微胶囊方法及其特性

微胶囊壁材的特性影响着微胶囊性能的发挥，因此对壁材的选择至关重要。壁材的选择应综合考虑芯材的特性、壁材的特性、芯材与壁材的结合度、微囊化的经济效益等。选择理想的壁材应该遵守的基本原则有以下几点[6]：1）和芯材不发生化学反应；2）能够避免芯材与外界的接触；3）优良的乳化和分散性能；4）高浓度下具有较低的黏度；5）在微囊化过程中容易与溶剂分离等。目前，用于精油微囊化的壁材主要有碳水化合物、脂肪、蛋白质、胶类、纤维素类衍生物等。其中，碳水化合物壁材主要有麦芽糊精、玉米糖浆、β-环糊精、变性淀粉等；蛋白质类壁材主要有大豆分离蛋白、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白、明胶等；脂肪类壁材主要有氢化植物油、硬脂酸、棕榈油、卵磷脂等；胶类主要有海藻胶、阿拉伯胶、黄原胶等，纤维素衍生物主要有甲基纤维素、乙基纤维素、乙酸丁酸纤维素等[7-8]。微胶囊的单个壁材均有优点，也有缺点，在实际生产应用中，为了更好地起到包被芯材，同时也要根据微胶囊发挥作用的特点以及降低生产成本，一般利用不同壁材的互补作用来联合应用。表2中列举了一些壁材及其特性。

表2 一些主要壁材及其特性

饲用植物精油的一个重要作用就是控制释放。控制释放是指芯材物质（植物精油）在理想的时间和部位以理想的速率从微胶囊内释放出来。K.B.De Roos[9]认为主要有两个因素决定了植物精油从产品中的释放速率：一为挥发性强弱；二为热力学与动力学两者平衡的空气状态。而从胶囊释放出来的机制则取决于溶媒效应，包括熔化、扩散、降解、微粒的破碎等[10]。

研究发现微胶囊化方法的不同会造成释放模式的差异，如挤压法制备的微胶囊主要释放形式为缓慢扩散释放，而喷雾干燥法制备的微胶囊除了扩散释放外，另外一个主要的释放形式为触发释放。这种释放模式主要受pH变化、脱水、机械外力、酶降解等因素影响。其次，不同微胶囊壁材的选择也会导致精油制剂释放方式的不同，因此在饲用精油制剂生产工艺选择上，要根据自身所需的释放方式来挑选相应的壁材[6]。

3 饲用植物精油的主要生物学效用及机理

3.1 抑菌与防霉作用

植物精油具有抑制细菌生长甚至杀灭细菌的作用，已经被越来越多的试验证实。植物精油的多种活性成分比单一精油活性成分的效果好，体现出植物精油的协同增效作用。大量的研究证实，植物精油的抑菌机理大概有以下几种[11]：一是改变病菌细胞形态结构，如细胞膜、细胞壁、细胞质等结构，造成细胞不可逆的损伤，最终导致病菌细胞瓦解死亡；二是改变菌丝体形态结构诱发菌丝体溶解而导致病菌死亡；三是降低或抑制分生孢子的产生和萌发，或破坏其受精作用，减低或阻断病菌后代继续为害的可能。

王新伟等[12]用纸片法和双倍稀释法研究了牛至油、香芹酚、柠檬醛、肉桂醛，发现其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌均有明显的抑制作用，且最低杀菌浓度（MIC）均在0.5μL·mL-1以内。巩卫琪等[13]研究了利用β-环糊精为壁材包膜的香芹酚的抑菌效果，结果表明缓慢释放出的香芹酚具有一定的抑菌作用，当用量达0.05 g时，香芹酚包合物对桔青霉的抑制效果达到极敏。谢小梅等[14]利用微量稀释法研究了柠檬醛和肉桂醛对黄曲霉菌和烟曲霉菌的抑制机理，结果表明柠檬醛和肉桂醛具有抗霉菌活性，其中柠檬醛对黄曲霉菌、烟曲霉菌的MIC分别为2.590、0.648μg·mL-1，肉桂醛对黄曲霉菌、烟曲霉菌的MIC分别为0.109、0.055μg·mL-1。袁瑶等[15]研究了15种市售的复合植物精油添加剂对大肠杆菌和沙门氏菌的抑菌效果，结果表明15种植物精油均具有一定的抑菌效果，并且香芹酚∶百里香酚、丁香酚∶百里香酚分别以2∶1的比例组合时可以获得最佳复配抑菌效果。

3.2 抗氧化作用

植物精油的主要化学成分有酚、醛、醇、烯、酮等，许多研究表明，植物精油具有抗氧化的功能，能缓解氧化应激，减少自由基对机体的侵害。目前抗氧化的植物精油关注较多的是一些来自于唇形科植物、姜科植物和桃金娘科植物，其中唇形科植物酚类，如牛至油的香芹酚和百里香酚；姜科植物的黄酮类物质；桃金娘科的苯丙酯和丁香酚等[16]。植物精油的抗氧化作用主要是通过螯合催化氧化反应的金属离子；提高抗氧化酶活性；抑制细胞膜过氧化反应等机制来清除自由基[17]。植物精油的抗氧化活性有直接和间接途径，直接途径是植物精油通过阻断自由基的产生或者在自由基产生后能够比氧化基质更快地与这些过氧化自由基结合，从而阻断自由基对机体的伤害，如植物精油的多酚类物质通过与金属螯合生成稳定的化合物，从而抑制由这些金属诱导产生的自由基；间接途径是指植物精油不参与氧化反应，而是通过保护氧化基质或者提高机体的抗氧化防御能力来发挥作用，如通过调控Keap1-Nrf/ARE信号通路来调控抗氧化酶的活性，如谷胱甘肽过氧化酶、硫氧还蛋白还原酶、超氧化物歧化酶等，提高其表达水平，从而增强机体的抗氧化活性，发挥抗氧化作用[17]。精油的抗氧化功能可以是以上的一种，或者是几种联合发挥作用。

徐娟娟等[18]研究了斯里兰卡和印尼两种肉桂精油的抗氧化活性，试验表明这两个精油浓度为0.000 1~0.01 mg·mL-1时对羟基自由基有相当好的清除作用。张彦等[19]采用1,1-二苯基苦味肼（DPPH）自由基清除法分析了肉桂精油清除自由基的抗氧化功能，研究结果表明肉桂精油具有良好的抗氧化作用，清除自由基的能力随着肉桂精油浓度的增加而增加，高浓度的抗氧化活性明显高于低浓度的。李娜等[20]研究了牛至精油的抗氧化活性，发现牛至精油对1,1-二苯基苦味肼自由基（DPPH·）和2,2-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐自由基（ABTS+·）均具有清除能力，对ABTS+·的清除能力远强于对DPPH·的清除能力。张丽敏等[21]利用比色法研究了广藿香的体外抗氧化能力，得出广藿香能够清除超氧阴离子自由基、羟基自由基，可以抑制脂质过氧化，具有良好的综合抗氧化能力。

3.3 提高免疫力

动物疾病的发生与机体的免疫水平具有很大的关联性。机体内的免疫物质，如补体、免疫球蛋白和细胞因子等在免疫反应中发挥着重要的作用，其含量的高低直接反映了免疫功能的强弱。根据相关研究，植物精油可以通过提高动物机体免疫器官指数提高机体抗体和补体的水平，从而提高动物的免疫力。刘猛[22]研究了在饲粮中添加了0.01%麝香草酚与肉桂醛为主的植物精油，极显著提高了白细胞吞噬率，IgM、IgA与补体C3和补体C4的含量，显著地提高了总蛋白和IgG的含量。张强等[23]在低蛋白日粮中添加植物精油，显著提高了仔猪白蛋白、免疫球蛋白A、免疫球蛋白C、白介素-6的含量，淋巴细胞增值率也有提高的趋势。周选武等[24]研究发现，以肉桂醛和百里香酚为主要成分的植物精油添加200 mg·kg-1能够有效提高断奶仔猪的免疫球蛋白A、免疫球蛋白G、免疫球蛋白M的含量。

4 植物精油对猪生产性能的影响

4.1 对断奶仔猪的影响

仔猪养殖是养猪生产中十分重要的一个环节，由于仔猪的各项生理机能还不是十分完善，如仔猪的消化系统中某些消化酶的缺乏，仔猪容易产生各种氧化应激，仔猪的免疫机能低下等，因此仔猪主要还是依靠母乳及饲料中某些成分来提高生理功能等。仔猪的生产性能、腹泻率、免疫抗体水平等是仔猪健康成长的核心考虑指标。只有保障仔猪健康才能拥有优秀的生产性能，从而提高养猪生产效益。马明等[25]通过在紫云花仔猪日粮中添加植物精油（肉桂醛、百里香酚、香芹酚复合制剂），发现添加300 g·t-1组相对于不添加组，仔猪的腹泻指数和腹泻率分别减低了71.9%和57.7%，而添加量为400 g·t-1组未出现腹泻现象，证明植物精油可有效抑制有害细菌及病原体，减少仔猪腹泻的发生。周明等[26]在保育猪饲料中用肉桂醛代替金霉素和杆菌肽锌的试验中发现，使用600 mg·kg-1的肉桂醛，腹泻率比抗生素组降低了66%；平均日增重也高于抗生素组，血清中的超氧化歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶活性、总抗氧化能力及猪瘟抗体、蓝耳病抗体、圆环病毒抗体水平均显著高于抗生素组，表明肉桂醛精油能够很好地预防保育猪腹泻，提高其抗氧化能力，提高相关抗体水平，提高了健康水平，促进其生长。李方方等[27]在仔猪饲粮中添加了250 mg·kg-1的植物精油（主要成分为百里香酚和香芹酚），降低了血清中瘦素含量、胆囊收缩素含量；提高了胃饥饿素含量，从而促进了生长激素分泌，增强食欲，促进消化吸收，进而提高断奶仔猪的生产性能；同时也有效提高断奶仔猪的日增重，降低料重比，使仔猪的净利润显著提高40%。

4.2 对育肥猪的影响

育肥阶段是养猪生产中最后一个环节，其主要养殖目标是高生长速度、低料重比、良好的健康水平和高品质的猪肉质量。因此植物精油的应用研究主要集中在对其生长性能和肉品质影响方面。由于植物精油不产生药物残留，因此在预防育肥猪疾病、调节胃肠道菌群平衡、促生长、抗氧化应激、提高屠宰后肌肉品质上具有无可比拟的优势。吴东等[28]在饲粮中添加300 g·t-1的肉桂醛，育肥猪的日增重比抗生素组提高了5.89%，料重比减少了8.85%，提高了总抗氧化能力，提高了血清中IgG水平。单琪涵等[29]通过添加不同含量的植物精油，评估其对肉猪生长性能及肉质的影响，发现添加100 mg·kg-1的植物精油能有效提高肉猪日增重及料重比，降低肌肉的滴水损失、熟肉率以及失水率，而添加量为150 mg·kg-1和200 mg·kg-1的时候，显著提高了肉色黄度值及红度值，表明其对保持猪肉颜色、缓解屠宰过程中应激具有一定生理作用，从而提高肌肉品质。熊双[30]在日粮中添加400 g·t-1的牛至油，发现可以显著降低血清中尿素氮的含量，提高蛋白质的合成代谢，增加背最长肌中的粗脂肪含量，增加眼肌面积，降低背膘厚，从而改善育肥猪胴体品质。以上试验成果表明植物精油不仅能提高生长肥育猪的生长性能，通过对其抗氧化性及色度值的改善来提高猪肉的品质。

4.3 对母猪的影响

植物精油在母猪上的研究主要集中在对母猪生产性能、免疫功能的提升以及乳品质的改善方面。P.Allan等[31]研究发现，在繁殖母猪日粮中添加牛至精油，显著增加了母猪产仔数和仔猪的存活数量，降低了死产率。C.Ariza-Nieto等[32]给母猪饲喂含250 mg·kg-1牛至油的日粮，所产仔猪的常乳摄入量及哺乳前5 d的平均日增重有增加的趋势，常乳中T淋巴细胞数量增多。Tan C.等[33]在经产大白母猪日粮中添加15 mg·kg-1牛至油，发现有增加母猪采食量的趋势，并可显著提高前3周哺乳仔猪平均日增重。也有研究表明，在母猪全阶段饲喂含有精油的饲粮，能够显著提高母猪血清中促生长因子（IGF-1）水平，提高哺乳仔猪的断奶重[34]。周选武等[35]在母猪饲粮中添加200 mg·kg-1的百里香酚与肉桂醛复合型植物精油，增加了母猪产活仔数与初生窝重，降低了死胎率，提高了断奶成活率，缩短了发情间隔，提高了母猪哺乳期间血清IgA的含量，母猪哺乳第14天乳清中IgG、IgM及第21天乳液中乳脂和乳清中IgG含量均有显著提高。综上所述，植物精油能够在一定程度上提高母猪采食量，提高母猪的免疫水平，进而提高母猪的生产性能。

5 展 望

国家已经禁止促生长类抗生素在饲料中添加，各种各样抗生素的替代品如雨后春笋般出现，令人眼花缭乱。植物精油所具有的绿色、安全、无药残等特点，已经成为最有潜力作为抗生素替代品之一，同时也得到了各种各样的应用研究的证实。鉴于植物精油具有易挥发、易氧化的缺点，饲用精油制剂的微囊化加工工艺也很好地克服了这些缺陷，然而现在饲用精油制剂的工艺还相对比较单一，技术含量还不高，市面上同质化产品较多，竞争比较激烈，因此制剂工艺的改良以及开发更先进的工艺仍然大有前景。

混合精油制剂比单一精油的作用效果更加明显，但对混合精油的组合方式以及其具体的协同增效作用原理还有待进一步深入的研究，同时还要针对不同猪及其生长阶段所对应的精油组合应用及原理进行更加细致的研究。植物精油效果的技术评估及应用还没有统一的标准，以上这些都是植物精油作为替抗产品在养猪生产过程中使用所必须要解决的问题。