肉桂醛的生物学作用及其在动物生产中的应用

周 苗， 范馨尹， 李志青， 马晓康

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128）

过去几十年里， 抗生素在集约化动物生产中扮演着举足轻重的角色， 为人类动物源性食品的供应做出了不可磨灭的贡献， 但近年其带来的一系列问题逐步显露并备受关注， 因此欧美发达国家早在本世纪初就相继在动物生产中禁用抗生素类促生长剂，而我国也在2019 年7 月9 日发布农业农村部194 号公告，规定自2020 年7 月1 日起我国饲料生产企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂（中药类除外）的商品饲料。 随着饲料无抗时代的到来， 饲料生产及畜禽养殖面临着巨大挑战， 饲用抗生素替代品的开发探索变得尤为迫切 （印遇龙等，2020；Cheng 等，2020；Chen 等，2020）。 肉桂醛（CA）为丙烯醛衍生物，又名皮桂醛，是肉桂等植物所提精油的主要成分，可通过人工合成其单体物质及其衍生物 （Hajinejad 等，2020）。 CA 具有抑菌、抗炎、免疫调节、抗癌、杀虫等生物功效，并且其来源充足、毒副作用小及绿色环保，在人类医疗、食品、美妆及动植物生产等领域已颇有研究和应用 （Doyle 等，2019；Friedman等，2017；Hong 等，2016）。 本文就 CA 的生物作用及其在动物生产中的研究结果进行概述， 并对其潜在作用机制进行探讨， 以期为其进一步研究开发及在动物生产中广泛应用提供参考。

1 CA 的生物学作用

1.1 抑菌 随着细菌耐药性的增强，细菌性疾病已成为影响动物健康的主要因素， 其防治措施一直是该领域的研究热点（Poolman 等，2020；Wernli等，2020）。 研究表明，CA 可以抑制多种细菌和真菌活性（Behbahani 等，2021），如沙门氏菌、大肠杆菌、葡萄球菌、李斯特菌、黑曲霉菌等，具有良好的广谱抗菌活性（Purkait 等，2020）。 结构完整是细胞正常存活的基础，Yin 等（2020）发现，CA 可以导致嗜水气单胞菌的细胞壁和细胞膜破裂， 致使细胞质缺失、内部空化和异常的二元分裂，并且提高其电导率、 乳酸脱氢酶活性和DNA 外渗水平，这表明CA 可以通过破坏细胞膜和影响蛋白质代谢来达到抑制和杀灭效果。 生物膜是嵌入细胞外基质中的表面附着的微生物群落，具有一定的保护作用，使其更能耐受抗菌剂。 Ali 等（2020）发现，反式CA 能够影响粪球菌生物膜的代谢活性，并且作用效果持久，使其受损生物膜丧失修复能力，效果与1%次氯酸钠和2%洗必泰相当， 可能是由于反式CA 具有穿透和扰乱粪肠球菌疏水细胞膜完整性的能力。 He 等（2019）指出，CA 能增加细胞表面疏水性，减少细菌聚集，抑制产酸和减弱耐酸性，同时 下 调 gtfB、gtfC、gtfD、gbpB、comDE、vicR、ciaH、ldh 和relA 等与生物膜形成和产毒相关基因的表达。CA 可以通过生物膜的多糖基质扩散，使其不稳定，从而改变细胞表面结构，这可能跟CA 分子具有α，β-不饱和羰基结构， 从而能与细胞膜亲水层作用有关（Albano 等，2018）。 此外，CA 与部分抗生素有协同作用， 即提高低浓度的抗生素抗菌效果（Shahverdi 等，2007）。综上，目前主要认为 CA 通过破坏细胞膜完整性， 影响蛋白质代谢和生物膜形成，以及降低群体感应效应来发挥抑菌和杀菌作用（Vasconcelos 等，2018）。

1.2 抗炎 炎症是机体非特异性免疫系统对内源性或外源性刺激原所产生的一种防御性反应，虽然清除了刺激原和坏死组织，维护了机体健康，但一旦炎症过度刺激免疫系统， 过量释放细胞因子，就会危及动物生命。CA 可以通过ERK1/2、p38和NF-κB 等多种信号通路改善神经炎症、 关节炎、过敏性皮炎等炎症。 Li 等（2020）发现，CA 可以抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）、白介素-1β（IL-1β）的表达，阻断 PI3K/ AKT信号通路， 抑制类风湿关节炎成纤维细胞的增殖和转移，从而改善类风湿性关节炎的发展进程。肥大细胞可以释放各种炎症介质，如组胺、蛋白酶、细胞因子、趋化因子和前列腺素、白三烯等类花生酸， 在过敏及其他炎症疾病中起着至关重要的作用。 研究表明，CA 具有抑制细胞因子合成，降低受刺激细胞中组胺的水平，并减弱β-己氨基糖苷酶的释放和细胞脱粒的能力 （Badger-Emeka 等，2020）。 Ahn 等 （2016） 发现，CA 可以通过阻断MAPK 通路，从而减少肥大细胞RBL-2H3 的脱粒生成，降低 TNF-α 环氧化酶-2（COX-2）的相对表达水平。 Mendes 等（2016）观察到，CA 能够改善脂多糖诱导的全身炎症反应综合征小鼠的病状，减少循环单核细胞数量， 增加腹膜单核细胞和多形核细胞数量， 并且提高了小鼠的Ly6Chighand 和Ly6clo 单核细胞/巨噬细胞的比值， 同时降低了NO、TNF-α 水平。 此外，CA 可以通过抑制肠炎型沙门氏菌的几种SPI-1 关键调节蛋白HilA、HilC、HilD 和InvF 的转录，从而减弱其产毒能力，从源头抑制了刺激原的产生（Liu 等，2019）。

1.3 其他作用 研究表明，CA 在诱导细胞凋亡，抑制癌变细胞迁移和侵袭，对抗白血病、肝细胞癌和口腔癌等方面也有不错的功效 （Hong 等，2016）。Huang 等（2020）报道，CA 能够明显抑制体外培养的骨肉瘤细胞增殖，诱导细胞凋亡，并且呈浓度依赖性。 在小鼠模型中，CA 抑制骨肉瘤的生长， 可能是通过抑制骨肉瘤Wnt/β-连环蛋白和PI3K/Akt 的转录活性， 从而实现抑制骨肉瘤细胞的增殖、迁移、侵袭和促进凋亡的目的。 CA 具有减少病原微生物毒素释放的作用。 有报道称，CA破坏链格孢菌细胞壁完整性后， 菌体生长过程中合成的真菌毒素可能在膜破坏后与CA 相互作用， 从而降低了环境中毒素水平 （Xu 等，2018）。Duan 等（2021）发现，CA 可能通过抑制 CYP3A4的转录诱导， 减少翡翠贻贝消化腺中腹泻性贝类毒素的积累。 此外，CA 还具有改善动物认知障碍（Ryu 等，2020）、 减缓氧化应激造成的细胞损伤（Choi 等，2020）、促进伤口愈合（Yuan 等，2018）和驱虫（Abbasi 等，2020）等作用。

2 CA 在动物生产中的应用

以CA 等为核心的植物精油作为植物提取物中的主要成分， 具有特殊芳香气味及多种有益生物活性， 是一类饲用促生长抗生素类药物的潜力替代物质， 近年来一直深受科研机构及生产企业的关注（Stevanoviác等，2018；Omonijo 等，2017）。研究表明，CA 能够积极改善动物饲料适口性、免疫能力、肠道健康及消化功能等，从而提高猪、禽、反刍及水产动物的生产性能（Huang 等，2017）。

2.1 促进营养物消化吸收， 提高生产性能 研究表明，CA 能提高动物干物质（DM）摄入量及产奶量（Wall 等，2014），优化胴体品质，促进微生物蛋白（MCP）转化，减少氮排泻量，利于营养物质消化吸收（Yang 等，2009）。 丁大伟等（2019）在荷斯坦奶牛日粮中添加CA 发现， 可以提高其DM 摄入量、产奶量，同时提高其氮表观消化率，减少尿粪氮排泄量，利于减少环境污染并提高资源利用效率。此外，该研究还发现CA 可以促进荷斯坦奶牛瘤胃MCP合成，提高DM、CP、中性洗涤纤维（NDF）及酸性洗涤纤维（ADF）消化率。柴建亭等（2018）发现，CA 可以提高肉鸡粗脂肪、氮、天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸和色氨酸的消化率，降低料肉比。

研究表明，CA 可以改善猪只生长性能，提高饲料报酬。 邹胜龙等（2015）报道，CA 可以提高断奶仔猪平均日采食量 （ADFI） 及平均日增重（ADG），并改善仔猪皮毛润泽程度。周明等（2019）也证实，CA 能促进肉仔鸡的生长，改善其营养生化代谢，增强鸡体免疫功能，提高鸡肉品质，且效果优于饲用抗生素预混料， 表现出良好的替代饲用促生长抗生素潜能。 此外有报道称，CA 可以替代保育猪饲粮中的抗生素（金霉素、黏杆菌素和杆菌肽锌合剂），并且效果优于抗生素，其在防治猪只腹泻、 提高机体抗氧化能力及饲料转化率方面有着较好效果（周明等，2016；申书婷等，2015），李茜茜等（2017）也得到了类似结果，并且发现CA可以提高肠道有益菌含量。吴东等（2020）证实，肉桂醛可以替代育肥猪饲粮中吉他霉素， 并显著提高猪只血清免疫球蛋白-G（IgG）含量、总抗氧化能力（T-AOC）及谷草转氨酶（AST）活性，这表明CA 可以改善猪只健康状况，提高生产性能。

2.2 防控病原菌， 维护机体健康 疾病一直是制约畜禽生产的首要因素，虽然相关化学合成药物可以有效降低损失，但其不规范使用导致了一定的耐药性及药物残留等问题，降低了防治效果和消费者认同度（Szewc 等，2020）。 Williams 等（2015）报道，CA 可以破坏猪蛔虫肠道微绒毛及其组织完整性，从而有效发挥体内外驱虫特性。细菌呼吸道感染是影响养猪生产的主要健康问题，研究发现，CA 可以有效抑制猪链球菌、猪胸膜肺炎放线杆菌、猪放线杆菌、支气管败血波氏杆菌、副猪嗜血杆菌和多杀性巴氏杆菌等呼吸道病原体（Lebel 等，2019）。

随着家禽集约化规模生产的流行及抗生素使用的不规范， 细菌性疾病在家禽生产中呈现日趋增加的态势， 相关细菌性疾病的日常防控显得尤为重要（Lone 等，2021）。 研究发现，CA 对鸡肠炎沙门氏菌病（SE）（Zhang 等，2019）、耐药性大肠杆菌病 （Roth 等，2019）、 坏死性肠炎 （Abdelli 等，2020） 等疾病有一定防治作用。 Upadhyaya 等（2015）发现，反式CA 能够有效减少人工感染肠道沙门氏菌（SE）蛋鸡的鸡蛋蛋壳、蛋黄及脏器（盲肠、肝脏、输卵管）的SE 数量，可能是通过下调SE附植和侵袭能力相关基因的表达， 从而降低其存活率。Upadhyaya 等（2015）还发现，CA 可以减少种蛋蛋壳表面 SE 含量。 Kollanoor 等（2017）发现，CA可以减少与SE 鞭毛运动，调节致病岛1 表达和对肠上皮细胞侵袭相关的基因PT8 的表达， 同时抑制了编码多转运系统和外膜蛋白的基因转录，此外还刺激了热休克蛋白相关基因的表达，如dnaK、dnaJ、ibpB 和 ibpA， 从而影响 SE 的代谢及合成途径。 此外，CA 对家禽寄生虫有一定驱虫功效，在一定程度上对鸡球虫病和刺螨有防治效果（Abbasi等，2020；Galli 等，2020；周强等，2019）。

乳房炎是奶牛常见疾病之一， 是影响奶牛产奶量和乳品质的重要因素。 有研究显示，CA 对金黄色葡萄球菌（S.aureus）、大肠杆菌（E.coli）和乳房链球菌（S.uberis）三种造成奶牛乳房炎的主要致病菌有着良好的抑制及杀灭作用， 且对奶牛皮肤无刺激影响（胡飞等，2017；程浩等，2017）。

2.3 改善胃肠道健康 动物肠道形态结构、消化酶活性及微生物区系等因素与动物营养物质消化吸收、免疫能力直接相关，健康动物肠道黏膜上皮细胞定期死亡脱落， 并由隐窝产生的新细胞迅速更新，从而保障肠道结构完整性（Singh 等，2021）。有研究指出，CA 可以提高肉鸡十二指肠和空肠肠道绒毛高度（VH）、绒毛高度与隐窝深度的比值（V/C），降低隐窝深度（CD）（刘洋，2014），与宋文静等（2020）在大余麻鸭上进行的试验结果类似。段瑞等（2017）在科宝肉鸡日粮添加不同水平的包被CA 发现， 其可以提高十二指肠VH、 空肠VH和V/C，促进肠道结构完整性；并降低血液中谷丙转氨酶（ALT）和谷草转氨酶（AST）活力，缓解肝肾压力；提高脾脏指数、ADG、ADFI，改善机体免疫能力及生产性能。

断奶仔猪腹泻一直是影响仔猪生产效益的关键因素，通常认为大肠杆菌（ETEC）感染是重要因素之一（Duan 等，2020）。 Jiménez 等（2020）发现，CA 可以减缓ETEC 攻毒处理断奶仔猪的肝、 脾、肠等组织损伤，提高VH、V/C，同时减少肠道固有层炎性细胞数量，促进肠细胞增殖。 CA 可以通过上调肠道紧密连接蛋白-4 及pIgR 表达， 调节细胞氨基酸代谢，加快损伤黏膜组织修复，从而提高肠道黏膜屏障完整性； 同时抑制肠黏膜炎症因子表达，促进有益菌附植（Shen 等，2020 ；Wang 等，2015）。 王雨琼等（2014）也发现，CA 对猪小肠上皮细胞有一定的增殖效果，且无细胞毒性。

瘤胃微生物发酵对反刍动物健康、营养利用、解毒和甲烷排放有着直接或间接的作用。 崔乔等（2021）发现，CA 可以调控肉羊的瘤胃发酵，改善羔羊生长性能， 提高饲粮中DM、NDF、ADF 的瘤胃有效降解率以及饲粮氮在瘤胃中的存留率，降低CH4产量， 从而提高饲粮能量和氮的利用率。此外，CA 可调节荷斯坦奶牛公犊牛瘤胃微生物菌群结构，提高瘤胃总挥发性脂肪酸含量，降低腹泻率（杨云燕，2019）。

在草鱼饲粮中添加适宜CA 可以促进其肠道发育，同时增强肠和肝胰腺消化酶（脂肪酶、糜蛋白酶、胰蛋白酶和淀粉酶）和肠刷状缘酶[肌酸激酶（CK）、钠/钾-三磷酸腺苷酶、γ-谷氨酰转肽酶（γ-GT）和碱性磷酸酶（AKP）]的活性，提高其消化吸收能力， 从而提高生长性能 （Zhou 等，2020）。CA 对半滑舌鳎肠道健康也有积极作用， 能够改善其前肠结构，增加肠绒毛分支以及宽度，扩大乳糜管空间， 有利于营养物质的吸收以及对病原微生物的抵抗（Wang 等，2021）；调节肠道微生物群落及多样性， 增加肠道益生菌数量， 如芽孢杆菌属、乳杆菌属和双歧杆菌属（蒋溥等，2019）。

2.4 改善产品品质 在改善畜禽产品品质方面，CA 也有积极作用。 Luo 等（2020）发现，在育肥猪日粮中添加CA 可以提高背最长肌面积、pH24h、保水率、大理石花纹评分，降低平均背膘厚、剪切力、肌内脂肪、糖酵解潜力，并提出糖酵解潜力降低可能与磷酸甘油酸激酶（PGK）和甘油醛3-磷酸脱氢酶（GAPDH）的活性降低有关。 柴建亭等（2018）发现，CA 能改善肉鸡胸肌嫩度、 胸腿肌含水率。He 等（2014）发现，在肉牛饲粮中添加 CA 可以改善肝脏和肌肉中脂肪酸组成， 提高牛肉营养价值和风味。 另有报道称，CA 可以降低荷斯坦奶牛奶中体细胞水平，提高乳脂率及乳蛋白含量（丁大伟等，2019）。 此外，CA 可以保持鱼肉在贮藏期间的质地特性，有望延长鱼肉货架期（Xu 等，2020）。

2.5 增强抗应激能力 高密度饲养导致的挤压应激、热应激是影响家禽生产效益的重要因素。 研究表明，CA 能够缓解肉鸡及肉鸭热应激及挤压应激，减少环境因素导致的伤亡（宋文静等，2020；Hosseini 等，2018）。此外，CA 能够通过增强超氧化物歧化酶、过氧化氢酶的活性和谷胱甘肽过氧化物酶的水平，降低丙二醛的含量，以及通过提高血清、肝脏、中肾和脾脏中溶菌酶的活性来改善半滑舌鳎鱼体抗氧化能力和免疫状态（Wang 等，2021）。

3 小结

CA 作为一种天然植物提取物，具有抑菌、抗炎等多种生物学作用，并且可以通过与多种物质结合增强其生物活性。 在畜禽生产的后抗生素时代，CA可以有效维护畜禽机体健康， 改善畜禽生产性能，提高养殖效益，是一种颇具应用前景的饲用抗生素替代物。 将来还需在以下方面继续深入探究：（1）CA 的作用机理；（2）CA 衍生物的开发及其活性变化；（3） 饲料加工调制工艺及储存条件对CA 活性的影响；（4）CA 与其他活性成分配伍时的最佳剂量及其配伍效果；（5） 载体工艺对CA 生物活性及其作用靶点的调控；（6）饲用CA 的相关标准制定。 从而确定CA 及其衍生物在不同种属动物、不同生理阶段、不同生产目的、不同饲养水平中的最佳使用剂量和剂型，以促进CA 的推广应用。