植物精油的生理功能及其在水产饲料中的应用

■刘科文 寇郁蕾 黄钰汀 艾春香

（厦门大学海洋与地球学院，福建厦门 361005）

水产品是人类优质蛋白质和必需微量营养素的重要来源，食用水产品有助于人类健康。自1990 年以来，全世界水产捕获量一直稳定在9 000 万吨左右，水产养殖已成为增加水产品供应的主要途径。2018年全球鱼类产量约为1.79亿吨，其中水产养殖产量为8 200 万吨，占总产量的46%，比2000 年增加了25.7%，2020年我国水产品总量为6 549.02万吨，其中养殖总产量达到5 224.20 万吨。水产养殖业的迅速发展，促进了规范化、标准化、精准化养殖技术广泛应用。然而，随着规模化和集约化水产养殖业快速发展，水产动物面临着大量应激源，免疫力下降，导致病害问题日趋严重。在集约化、半集约化水产养殖模式下，水产动物疾病发生及疾病治疗过程中抗生素的使用是不可避免的，然而，长期或滥用抗生素不仅会导致耐药致病菌的形成，也增加水产动物体内正常菌群对这些药物的耐药性；同时，药物残留不仅影响食品安全，更严重的是养殖环境可能因此成为耐药性细菌和抗药性基因的储存库。鉴于早已禁止抗生素作为水产动物促生长饲料添加剂使用，寻找能够改善水产动物健康和维持正常生长的高效绿色的饲料添加剂对于促进水产养殖业的绿色发展意义重大（如益生元、合生元以及包括中草药在内的免疫增强剂）。植物产品是水产养殖中一种前途广阔的抗生素替代品，植物源性的化合物因资源丰富、安全、有效、环境友好、成本低廉、副作用小等特点而备受关注，其主要有生物碱、色素和精油等。一般而言，植物精油（Plant essential oil，PEO）属于植物次生代谢物的混合物，从植物科属中的芸香科、姜科、菊科、蔷薇科、木兰科、百合科等植物的叶子、花、果实、种子、芽、茎、根、树皮中，采用蒸馏、萃取等方式获得的挥发性芳香物质，其种类繁多，且广布于自然界，对养殖动物、消费者和环境是安全的。研究表明，PEO 对水产动物具有抗菌、抗氧化、抗应激、调节肠道菌群、促进生长、刺激食欲以及免疫调节等有益的生物效应。

1 植物精油的组成及理化性质

大多数PEO可能含有数十种甚至上百种组分，其主要为醇类、醛类、酸类、酚类、丙酮类、单萜、倍单萜及某些芳香族化合物类，占植物湿重的百分之一甚至更少。精油是由两个或三个相对浓度高（20%～95%）的主要成分和其他微量成分组成。PEO 的组分较为复杂，大体可分为四大类：①亲脂性萜类化合物，这是PEO最常见和最具特征的组分；②芳香族化合物，如百里香酚、桂皮醛等，是PEO中的第二大类化合物；③脂肪族化合物，含量一般较少，但几乎存在于所有的PEO中；④含氮含硫化合物，如洋葱中的三硫化物等。

PEO 在常温下多为液体，易挥发；有特殊而强烈的气味；大多数具有较高的折光率和一定的旋光度；密度较低，一般比水轻，密度为0.850～1.065 g/mL；易溶于脂类和有机溶剂，几乎不溶于水；对空气、日光及温度等较敏感，易分解变质；有些PEO 在常温下可析出固体成分。

2 植物精油的生理功能及其作用机理

2.1 抗菌功能及其作用机理

PEO 具有广谱的抗菌、抗病毒活性，能够抑杀一些细菌、真菌和病毒。许多PEO对革兰氏阴性菌和阳性菌均表现出不同程度的抑制作用，且革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌更容易受到PEO 的影响。这可能是由于细胞壁组成不同，革兰氏阴性菌细胞壁含有亲水性脂多糖，限制了疏水性化合物向细胞内扩散，推测革兰氏阴性菌细胞壁可以阻挡疏水的PEO 成分，且革兰氏阴性菌还具有外排系统，可以排出PEO 成分。植物精油的抗菌特性是其成分的协同或附加作用，不是通过单一的机制，涉及整个细菌细胞的一连串反应，这些特性被称为“精油通用性”。一些PEO的抗菌作用机制包括破坏细胞壁和细胞膜，导致细胞内容物流失和细菌溶解。研究表明，冷榨橙子精油能诱导金黄色葡萄球菌细胞壁刺激因子相关基因的表达，进而抑制细胞壁合成，促进细胞裂解。此外，精油的疏水性使其进入细菌细胞膜而引起膜渗透性增加，破坏膜结构，使细胞内容物流失，最终导致细胞死亡。研究显示，香芹酚能够通过释放脂多糖和增加细胞质膜的通透性，破坏革兰氏阴性细菌的外膜。其他的抗菌作用机制包括抑制引起抗生素耐药性的外排泵、引起能量介导细胞活动的ATP平衡紊乱、影响蛋白质合成以及pH紊乱等。PEO成分复杂，不同组分的抗菌机理可能不尽相同，PEO抗菌机制可能是多点作用机制。

2.2 抗氧化功能及其作用机理

许多PEO具有抗氧化功能，PEO发挥抗氧化活性主要依靠其含量丰富的酚类，其抗氧化作用主要通过两类途径：一类是直接抗氧化作用，直接清除H2O2、超氧化物、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH·）、羟基（·OH）等自由基和螯合金属离子；另一类是间接抗氧化作用，包括抑制脂质过氧化和调节抗氧化酶水平。研究发现，香附子（Cyperus rotundus）根茎的精油在体内能够清除DPPH·和2,2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二盐酸盐（AAPH）自由基；体外能够清除DPPH·、2,2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）和二价铁离子自由基，表现出良好的抗氧化活性。甘草（Glycyrrhiza triphylla Fisch）精油仅在清除DPPH·方面显示出高抗氧化活性。PEO 的抗氧化能力主要与特定化合物的存在有关，迷迭香（Rosmarinus officinalis）其具有高度的抗氧化性，其中酚类化合物中的二萜酚类化合物、鼠尾草酚、鼠尾草酸和迷迭香酸是迷迭香抗氧化活性的主要成分。香芹酚是最活跃的氧化单萜烯类之一，是许多PEO发挥抗氧化活性的成分之一；α-萜品烯和γ-萜品烯是单萜烯类碳水化合物中最活跃的成分，具有和香芹酚相似的抗氧化效果，这些成分含量较高的西班牙牛至和希腊牛至，具有高抗氧化能力。罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）投喂含白棘枝（Lippia alba）精油浓度为2 mL/kg的饲料，可提高肝胰腺抗氧化酶活性，改善抗氧化状态。

2.3 抗应激功能及其作用机理

在水产养殖中，一些非生物因素（如温度、盐度、溶解氧、酸碱度、氨氮、硫化物等因子）以及运输、养殖密度等各种应激因子会刺激水产动物的应激系统并对其生理过程产生负面影响，而在应激状态下，动物下丘脑-垂体-间肾组织轴和下丘脑-交感神经-嗜铬细胞轴产生皮质类固醇和儿茶酚胺、皮质醇浓度的升高可被看作是鱼类应激的灵敏信号，长时间处于应激状态会对水产动物的生长、发育、繁殖等生物过程产生不利影响，甚至导致鱼类死亡。研究发现，一些PEO 可以用作镇静剂以降低血浆皮质醇水平并减弱应激反应。用白棘枝精油麻醉暴露于空气中的银鲶（Rhamdia quelen）可以防止血浆皮质醇升高，也有研究显示，低浓度的丁香油酚进行鱼类缓慢麻醉的同时，还可能引起血浆葡萄糖和血浆皮质醇水平的紊乱。幼鱼或者亲鱼的活体运输中，运输的鱼会受到排泄产生的氨和呼吸产生的二氧化碳的影响，引起pH的变化，这可能会改变鱼类的新陈代谢并诱导应激系统的激活。因此，运输期间或者运输前对鱼进行镇静以减轻应激反应是非常必要的。在6 h的运输过程中，水中柠檬马鞭草（Aloysia triphylla）精油浓度为40 μL/L和50 μL/L 可以减少银鲶的净离子流失和排泄量，降低了血浆皮质醇水平；高密度养殖的条件下，1 kg 饲料中添加0.50 mL的白棘枝精油可以抑制银鲶的血浆皮质醇的升高。

2.4 驱虫功能及其作用机理

寄生虫会影响人类健康、动物和食物供应，PEO因其具有驱虫作用，已被广泛应用。体外实验显示，线虫（Haemonchus contortus）的卵暴露在200 mg/L 的唇萼薄荷（Mentha pulegiumL.）精油中，卵的孵化被完全抑制，线虫成虫暴露在1 000 mg/L的精油6 h后，线虫的死亡率达到100%。研究表明，PEO 会干扰线虫的渗透压平衡，从而导致线虫死亡，但不同PEO 的驱虫性的变化可能是PEO 中存在的化学活性物质对寄生虫的作用靶点不同所致。300 mg/L 艳山姜（Alpinia zerumbet)精油的药浴能驱除大盖巨脂鲤（Colossoma macropomum）94%的单殖吸虫，且对鱼类的毒性低。精油因油性而具有低水溶性成为了其应用于水产养殖的缺点，但白棘枝精油与丝素蛋白结合后，增加了精油在水性介质中的生物利用度和分散性，从而提高了精油的驱虫效果。PEO 及其成分对昆虫具有接触毒性和熏蒸毒性，如桉树油对米象虫（Sitophilus oryzae）和赤拟谷盗（Tribolium castaneum）有驱虫作用。此外，在药液中添加芦荟精油，可降低药液表面张力、提高药液的持留量，提高药液的驱虫效果。

2.5 其他功能

迷迭香精油等PEO 具有镇咳、驱风、治疗低血压的作用。甜橙精油、柠檬精油、薄荷精油等PEO 可改善肠胃，促进消化，促使血液循环通畅；甜橙精油、肉桂精油和大蒜精油等PEO 具有降压降固醇作用。每千克罗非鱼（Oreochromis mossambicus）饲料中分别添加5、7.5 g 和10 g 柠檬（Citrus limon）皮精油，可以显著降低罗非鱼的胆固醇和三酰甘油含量，增加总蛋白含量。

3 植物精油在水产饲料中的应用

近些年来，PEO作为饲用抗生素替代品已广泛用于动物饲料中，并且PEO在水产饲料中的应用越来越受到重视。

3.1 促生长剂

水产动物的摄食主要依靠其灵敏的味觉系统和嗅觉系统，PEO 添加到饲料中散发浓郁香气，有利于增强水产动物的摄食行为，促进动物生长。此外，PEO 还能通过刺激肠道分泌物或对肠道菌群产生直接的杀菌作用来改善动物的生长性能，也可以通过增加蛋白质合成来促进消化酶的分泌和促进生长。用含有2 mL/kg的柠檬马鞭草精油的饲料投喂银鲶60 d后，该组银鲶的增重率和特定生长率显著高于对照组，且肠道褶皱的数量更多，有研究表明褶皱数量与吸收营养物质和电解质的能力呈正相关。然而在其他研究中，饲料中添加PEO 可能会起到不同的效果。例如，投喂尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）含牛至精油0.75 g/kg 的饲料64 d，其生长性能与对照组、2.25 g/kg 组和3 g/kg 组相比最好，但差异不显著（P＞0.05）。以牛至精油含量为0.1 g/kg 的饲料投喂欧洲鲈鱼（Dicentrarchus labrax）60 d，其增重率较对照组增加了62.24%，但牛至精油含量提升到0.2 g/kg 时，欧洲鲈鱼的增重率反而有所降低。与此类似，投喂甜橙（Citrus sinensis）精油含量为1 g/kg 的饲料90 d，罗非鱼的增重率相较对照组增加22%，饲料系数从1.69下降至1.31，而将甜橙精油含量提升至3 g/kg 和5 g/kg时，促生长性能却显著降低。由于高含量的PEO 所引发的强烈气味可能会降低饲料的适口性，从而导致不良的生长性能。这可能是PEO 与水产动物饲料配方及水产动物的习性有关，且不同的PEO提取方法会导致精油品质存在差异，同时与添加PEO的剂量也有关：添加量过低无法表现出明显的促生长效果，添加量过高则可能会影响饲料的适口性，进而影响进食量。

3.2 免疫刺激剂

PEO 作为一种安全高效绿色的免疫刺激剂能提高水产动物的免疫机能。与哺乳动物相比，鱼类的特异性免疫尚不完善，非特异性免疫在鱼类等水产动物的防御反应中发挥着重要作用，如促进溶菌酶合成，增强溶菌酶和巨噬细胞活性等。投喂分别添加1、3 g/kg和5 g/kg甜橙精油饲料的罗非鱼90 d，其溶菌酶活性、过氧化物酶活性和吞噬细胞活性较对照组均显著增加。与此类似，以含有不同浓度的Lippia sidoides精油的饲料投喂大盖巨脂鲤60 d 后，采用嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）开展攻毒实验并观察10 d，结果表明0.625 g/kg和1.25 g/kg实验组的大盖巨脂鲤的白细胞的活性增加，进而表现出更强的非特异性免疫反应，且0.625 g/kg组的大盖巨脂鲤的成活率更高，达到40%，而对照组只有20%。研究表明，PEO的抑菌效果良好，对致病菌的抑制作用优于共生菌，可以改善肠道菌群，增加肠道吸收能力，从而提高机体的免疫力。鲤鱼（Cyprinus carpio）饲料中添加4 500 mg/kg 的牛至精油可以调节体内肠道的微生物群落结构，增加肠道内丙酸杆菌属和棒状杆菌属等潜在有益菌群。在水产饲料中使用PEO的主要目标之一是黏膜组织，因为它们构成了抵御环境和致病威胁的物理和生化屏障，包括先天免疫和后天免疫的成分。饲料中添加5 g/kg含有香芹酚、百里香酚和大蒜精油的微胶囊添加剂，能够促进大西洋鲷（Sparus aurata）皮肤的天然免疫和黏液保护能力，鳗弧菌（Vibrio anguillarum）和鳗败血假单胞菌（Pseudomonas anguilliseptica）在投喂含微胶囊添加剂的大西洋鲷皮肤黏液中的生长速率较对照组显著下降。此外，PEO因其抗氧化的作用广泛应用于水产养殖中，其抗氧化作用表现在可以参与调控免疫细胞，增加免疫受体、免疫相关酶的活力，减少对机体组织、细胞和器官的损伤，从而影响动物的免疫系统。目前，PEO 在水产饲料应用的研究相对较少，其对水产动物的免疫调节机制尚不清楚，尚需进一步研究。

3.3 改善水产品品质

水产品品质深受消费者关注。水产动物的品质包括其营养成分、风味物质含量、肌肉物理特性和体色、肉质颜色、感官品质及安全品质等。水产品的肉质和体型外观直接影响水产品的商业价值，其营养价值也颇受人们的关注。海水鱼类是长链多不饱和脂肪酸的主要来源，包括二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）的多不饱和n-3脂肪酸（n-3 PUFA）是人体的必需脂肪酸。研究表明，投喂含250、500 mg/kg和1 000 mg/kg 的葡萄籽油饲料的虹鳟（Oncorhynchus mykiss）60 d，其体内EPA 的比例相较对照组均有提升，1 mg/kg 和1.5 mg/kg 的蜂蜜花粉（富含类黄酮）醇提物加入饲料中可增加虹鳟鱼肌肉的多不饱和n-3脂肪酸的含量。游离氨基酸通常被看作是各种鱼类和甲壳动物类的质量指标，与风味和味道息息相关。小体鲟（Acipenser ruthenus）饲料中添加0.5 g/kg 大蒜提取物能显著提高肌肉中谷氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸含量。此外，胶原蛋白的含量、类型和结构是影响鱼类肌肉质地的重要因素。芦丁及其代谢产物可以抑制Ⅰ型胶原的葡萄糖糖基化，从而增加胶原蛋白的积累，活性氧通过降低前胶原mRNA的转录来减少胶原合成，芦丁作为一种抗氧化剂，能够提高SOD活性和清除自由基的能力，从而降低活性氧的水平，增加胶原蛋白的合成。

3.4 防霉剂

PEO具有天然的防腐特质，可以作为有效的天然防霉剂。饲料中的霉菌毒素主要由曲霉属物种产生的真菌次级代谢产物，由于水产饲料中海洋成分的替代日益增加以及寻求成本最低的饲料配方，这种真菌代谢物更有可能存在于最终水产饲料中。黄曲霉毒素经常污染棉籽、花生和玉米等原料；小麦、向日葵、大豆和鱼粉也可能受到污染。PEO 可以通过对常见霉菌的抑制效果，减少饲料中可能带有霉菌毒素从而对水产养殖鱼类造成的损害，也能增加饲料的存放时间。霍香蓟(Ageratum conyzoidesL.)精油可以抑制黄曲霉的生长和黄曲霉毒素的产生，可以作为一种天然杀菌剂，并且霍香蓟叶的挥发物质也对真菌有一定的抑制作用。肉桂醛和柠檬醛精油通过破坏黑曲霉的菌丝体、孢子细胞壁和质膜结构,并改变黑曲霉细胞膜的选择通透性,最终抑制了黑曲霉的生长。研究发现，500 mg/kg 百里香、夏香薄荷和丁香精油在体外对黄曲霉均具有抗菌活性，百里香的抗黄曲霉活性最高，夏香薄荷次之，丁香活性最低。几种植物精油在水产饲料中的适宜添加量见表1。

表1 植物精油在水产饲料中的研究与应用

4 展望

PEO 作为安全、绿色、高效的植物提取物类的饲料添加剂，因其具有抑菌、抗菌、抗应激、抗氧化、抗炎性，调节免疫，调节肠道健康，调节微生物区系，促生长等多种生物学功能而深受人们关注，其在水产饲料中的应用也取得了良好的效果。然而，PEO应用于水产饲料中仍然存在一些值得深思和探讨的问题。

一是PEO 对水产动物的作用机理。PEO 中的功能性物质复杂，其组分中发挥生理功能的有效成分是醇类、萜类和酚类等物质，其对水产动物机体产生影响的机制尚未能阐释清楚，特别是各种有效成分之间的相互作用及其对水产动物影响及影响机理亟待探明。今后应加强PEO对水产动物作用机理研究，特别是开展各种有效成分在水产动物机体中功效性、代谢与调控途径以及分子标记物的挖掘等的研究，以充分发挥PEO的生物学功能。

二是PEO安全绿色高效提取工艺的问题。目前，PEO的提取方法主要有水蒸气蒸馏、有机溶剂萃取和冷压技术等传统方法以及超临界流体萃取、亚临界萃取液萃取、无溶剂微波萃取等创新方法。传统方法的优点是成本低，缺点是提取效率低且纯度不高，特别是使用有机溶剂萃取可能会使植物精油与有机溶剂分离不完全，不仅可能造成PEO给水产动物带来一定的毒性，而且生产PEO时也易造成环境有机污染。创新方法的优点是提取效率和纯度均较高，但提取所使用的仪器复杂且昂贵，这就导致了PEO的提取成本较高，其应用受到一定的限制。构建一种安全、绿色、高效且成本较低的提取工艺将是PEO 提取技术发展的必然趋势，也是解决高质量PEO 精准应用于水产饲料中待解决的问题之一。多种方法的联合使用（如用微波辅助水蒸气蒸馏）提取PEO也是今后需要关注的重点。

三是PEO 的稳定性问题。PEO 是由各种亲脂性和挥发性成分组成，其中的一些成分易发生转化和降解，尤其是紫外线、温度和pH等被认为对PEO的一些组成成分的完整性和稳定性影响重大，可能导致PEO失去其生物活性，因此，PEO 的稳定性是其在水产饲料中应用需要考虑的问题。PEO 作为添加剂在水产饲料的高温制粒中会造成其损耗和浪费，也可能会影响其活性，以及饲料长时间存放后饲料中PEO 的回收率较低。此外，PEO 可能会被水产动物的胃或者肠道中的消化酶所分解等问题，一些保护技术的应用是必要的，如微胶囊技术（微胶囊技术是用特殊的方法将固体、液体或气体物质包埋封存在一种微型胶囊内而成为固体微粒产品）或者纳米技术，将PEO 与饲料原料以及外界环境分割开，降低了PEO在生产水产饲料以及存放时的损耗，可以将其送到各种水产动物胃或肠道的特定部位，使得PEO 能够发挥其效用。研究表明，用壳聚糖纳米颗粒封装的柠檬精油添加在虹鳟的饲料中改善了虹鳟的生长性能和免疫功能。

四是PEO使用方式的问题。一般而言，PEO具有特殊而强烈的气味，单一的PEO可能会存在对水产动物的刺激气味，从而影响水产动物摄食。此外，单一PEO 具有的功效不强和功能不够全面，限制其在水产饲料中的应用。因此，复合精油、精油与其他饲料添加剂的联合使用成为今后研究的重点。复合型精油可以中和单一精油可能对水产动物的刺激性气味，且不同精油中的成分可能相辅相成，共同发挥作用，从而减少PEO 用量，在价格上更加经济实惠。精油与其他添加剂（如有机酸、益生菌等）联合使用，可能会产生协同作用，增强PEO 自身的生物学功能。研究表明，水产饲料中添加丁酸钠和Lippia origanoides精油比单独添加Lippia origanoides精油的效果更好。

五是PEO产品质量标准的问题。迄今为止，有关PEO 尚缺乏通用的产品质量的国家标准、行业标准，导致市场上的产品质量难以精准评价，其生产、销售和使用难以规范。因此，加大力度制定相关产品的国家标准或行业标准，规范PEO 产品的生产、销售和使用势在必行。首先要加大PEO 功能性物质的鉴定力度，明确PEO 的有效成分（特别是主效因子）。目前，PEO 中约有3 000 种物质已被确认，PEO 的化学成分取决于植物生长的条件和遗传多样性，这为产品质量标准提供了有力的支持；其次要建立PEO主要有效成分的高效检测方法和技术，有效检测出PEO中的有效成分和含量；再次是加强应用基础研究，通过大量试验研究PEO对不同种类、不同生长阶段的水产动物的功能性及其适宜的添加剂，为制定PEO产品主效因子含量提供基础数据，以实现PEO产品的标准化。

随着现代生物技术、分子营养技术的不断进步以及各种提取工艺的完善及生产工艺提升，PEO在水产饲料中应用存在的问题将逐步解决，其未来在水产饲料中的应用更加广泛。