大蒜素的生物学活性及在养殖生产中的应用

■陈璟怡苏奕婧孙弟芬舒 刚*

（1.四川农业大学动物医学院，四川成都 611130；2.四川庆琳农业技术开发有限公司，四川内江 641100）

随着禁抗进程深入，市场对安全、高效的饲用替抗产品需求度激增，植物及其提取物以中草药为原料，是具有防病保健、改善动物产品及饲料产品质量作用的添加剂，为很重要的饲用替抗产品和技术来源（Stevanovic 等，2018）。大蒜素是大蒜中最具活性的防御分子，可以作为杀虫杀菌剂、保健增产剂及品质改善剂等应用在动物生产和绿色食品中（Bahare 等，2019）。目前市面上的大蒜素为天然提取和人工合成两种类型，人工合成大蒜素具有效果好、合成容易、造价低廉等优点，并因大蒜素的抗菌消炎、健胃消食、抗应激、防病功能，在养殖业中取得广泛认可。文章旨在综述近年来关于大蒜素的研究，总结其生物活性及在畜禽养殖生产中的应用效果与可能机制，为大蒜素与替抗产品深入研究和临床应用提供新的思路。

1 大蒜素的来源及理化性质

1.1 来源

大蒜素是一种有机硫化合物，是大蒜成分中最具广泛生物活性的有效成分，具有独特的气味和味道。大蒜素固体为黄色粉末，液体为挥发性油状物，由蒜的球形鳞茎提取而成，也存在于洋葱和其他葱科植物中，可以人工合成。新鲜大蒜中并没有游离的大蒜素，当大蒜受到破坏（切开、粉碎），大蒜内源酶随即催化蒜氨酸转化为大蒜素（El-Saber 等，2020）。大蒜素的有效成分为大蒜油，是大蒜辣素、大蒜新素及多种烯丙醛硫醚化合物等成分的总称，在微生物、植物和哺乳动物细胞中具有多种生物活性（Zhang等，2017）。

1.2 理化性质

大蒜素又名二烯丙基硫代亚磺酸酯，化学式C6H10OS2，分子量162.27 u（见图1）。为淡黄色油状液体或淡黄色粉末，具有刺激性蒜臭味，食之有灼烧和刺痛感（Okada等，2005）。大蒜素在0.2 kPa压力下沸点为80～85 ℃，相对密度为1.112 g/cm3，折光率1.561。难溶于水，易溶于苯、乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。大蒜素挥发性较强，非常不稳定，因此在室温下也很容易分解，其水中溶解度2.5%（10 ℃），水溶液pH 为6.5，故不受稀酸影响，高温（高于80 ℃）和碱性条件都会对其稳定性造成较大的影响，使其失去抗菌活性（Dušica等，2015）。

图1 大蒜素的化学结构（Borlinghaus等，2014）

2 大蒜素生物学功能及其作用机制

2.1 抗菌活性

目前已知大蒜素发挥抗菌作用的方式涉及RNA合成和脂质生物合成等生理过程（Shafiur 等，2007）。大蒜素具有广谱抗菌特性，抗菌谱包含真菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌，均表现显著抑菌作用，例如大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、链球菌、弧菌、分枝杆菌、普通变形杆菌和粪肠球菌等（Wallock等，2014；Ross等，2001；Kuda等，2004），是目前天然植物所表现出的最强抗菌作用之一。

抗菌活性主要在于：大蒜素的有效成分二硫醚、三硫醚（Torpol等，2018）能够穿过致病菌细胞膜与含有巯基的酶相互作用，导致蛋白解折叠，不可逆地抑制巯基蛋白酶的活性，通过影响细菌正常生物代谢、降低细菌分泌物生成和黏附能力发挥抗菌活性，例如大蒜素可以使白念珠菌停留在酵母相，抑制其形态转化（熊延靖等，2021）。大蒜素很容易被细菌细胞吸收，不可逆地损害菌体膜的超微结构，破坏细胞膜的完整性，进而导致细胞溶解并最终死亡，如大蒜素水提物可以溶解菌体外膜组分导致通透性增加，进而内容物外流细胞死亡，并抑制蛋白质合成能力，从而影响菌的生理代谢及呼吸代谢过程（姜慧，2020）。也有研究报道，大蒜提取物通过影响真菌细胞壁并导致真菌细胞发生不可逆的超微结构变化，这些变化更会导致细胞核和细胞器受损（Bulti 等，2019）。综上，虽然大蒜素的抑菌机制未充分阐明，但大蒜素可以攻击不同细菌（有害或潜在有害），破坏必要生存结构和抑制细菌代谢途径，发挥程度各异的抑制作用已取得共识（Roshan等，2017）。

2.2 抗氧化作用

当发生外源、内源性刺激时，机体平衡打破形成应激状态。低剂量的大蒜素可以发挥抗氧化作用。大蒜素可以减少氧自由基含量，进而减少对细胞DNA和蛋白质的损伤。摄入大蒜素可增加内源性抗氧化剂合成或减少氧化剂的产生来增强内部抗氧化活性并减少氧化不利影响（Mohammed 等，2011）。大蒜素可以上调核因子E2 相关因子2（NF-E2-related factor 2，Nrf2）的有关抗氧化酶和解毒因子的表达，通过Nrf2-ARE 抗氧化反应通路缓解氧化应激（Albrakati，2021）。许多疾病最初都由氧化损伤而引发炎症，成熟大蒜通过调节乙酰胆碱酶来改善糖尿病患病大鼠，抑制其氧化应激、炎症（Baluchnejadmojarad 等，2017），大蒜素也可通过独立机制刺激Nrf2，以对抗阿茨海默症（Kedar 等，2016）。但是目前关于大蒜素的抗氧化机制仍存在一些争议，Dušica等（2005）对比了合成大蒜素与其转化产物的抗氧化活性强弱，得出大蒜素抗氧化活性更强的结论，与之相反，有研究认为大蒜素代谢产物2-丙烯磺酸清除自由基发挥抗氧化的功能大于大蒜素（Philip等，2011）。

2.3 免疫调节及抗炎作用

大蒜及其成分，如有机硫化合物，已被报道通过多种机制在免疫系统和抑制炎症中发挥积极作用。例如，在雄性小鼠肝损伤中应用大蒜素，通过T细胞和黏附分子防止活体损伤，同时抑制NF-κB的激活，以及T淋巴细胞和巨噬细胞下调肿瘤坏死因子α（TNF-α）的产生，显示出免疫调节作用（Bruck等，2005）。NF-κB与激活和调节炎症、癌症有关的关键分子密切相关，TNF-α是免疫和炎症反应的中心调节因子（Lang，2004），大蒜素通过抑制NF-κB激活，减少TNF-α促炎细胞因子的释放，减轻炎症反应（Parameswaran等，2010）。此外，大蒜素还可以通过直接抑制巨噬细胞中Toll样受体4信号级联激活，降低核NF-κB水平（You等，2019）。

在实际生产中，氧化应激与炎症反应呈现出紧密的联动链，并会进一步引起免疫失衡，严重影响动物健康。综上可见，大蒜素可激活Nrf2反应通路并抑制NF-κB 的激活，有效解除氧化、炎症与免疫失衡的联动反应。

2.4 其他作用

大蒜素和大蒜提取物具有显著的杀虫和驱虫作用，主要针对合成化学药物产生抗药性的寄生虫（Raza等，2016）。抗癌症方面，大蒜素可以对抗不同的癌细胞而不影响非癌细胞（Li 等，2018），大蒜提取物的抗癌机制归因于抑制细胞生长和增殖，调节致癌物质代谢，刺激细胞凋亡，防止癌细胞继续生成、侵袭和迁移，从而减少抗癌剂的负面作用（Shang等，2019）。抗病毒方面，大蒜提取物对乙型流感病毒、人鼻病毒2型、人巨细胞病毒（HCMV）、副流感病毒3 型、单纯疱疹病毒1 型和2 型等的抗病毒活性进行了评估，体内试验显示了抗病毒活性（Martin 等，2016）。大蒜素还可以控制心血管危险因素，其制剂已被广泛用于抑制和缓解心血管疾病（如高血压、心律失常、血栓形成、高脂血症（Varshney 等，2016），如大蒜提取物可通过降低血脂水平以及颈动脉内中膜厚度，减少动脉粥样硬化和纤维斑块的形成）（Liu 等，2017）。综上，大蒜素可以在动物生产中发挥丰富的生物学效应。

3 大蒜素在畜禽养殖生产中的应用

大蒜素的抗菌谱较广，价格低廉，来源及工艺简单，且无动物体内残留，是“环保型”添加剂。到目前为止，还未发现对大蒜素有耐药性的菌株，且在剂量范围内属低毒物质，使用安全（Rana 等，2011），作为饲料添加剂有极大优越性。

3.1 大蒜素在养猪生产上的应用

3.1.1 大蒜素在仔猪生产中的应用

现代畜牧业中，仔猪断奶后腹泻是养猪生产面临的严重问题，它会导致仔猪生长性能下降，并且会因腹痛、虚弱、奔跑甚至死亡而致使动物福利恶化。大蒜素作为绿色添加剂，含有种类丰富的含硫化合物（发酵大蒜具有更高的含硫化合物），发挥极强的抗菌作用，可以通过抑制大肠杆菌等病原菌的增殖来改善仔猪的多种性能。有助于：①提高生长性能。通过促进哺乳、断奶仔猪小肠的发育来提高营养物质的利用率和提高断奶仔猪的平均日增重。②改善胃肠道状态。减轻由断奶引起的肠道炎症和肠道功能障碍，降低仔猪断奶后腹泻的发病率。③改善免疫性能。大蒜素可以改善仔猪的非特异性防御机制，有效提高仔猪的免疫性能。在生产中的应用具体见表1。

表1 大蒜素在仔猪生产中的应用

除上述应用外，补充大蒜素还可以减少粪便对苍蝇的吸引力，有效地改善猪舍环境条件，减少病原体的传播（Huang等，2011）。然而，不同研究的结果并不总是一致的，Ayrle等（2019）发现补充大蒜可提高生长性能并改善临床健康状况，但并未降低仔猪断奶后腹泻的发生率和严重程度，这些差异可能是由于大蒜产品类型、质量以及动物种类和年龄的差异而造成的。

综合上述研究，大蒜素对仔猪生长性能和免疫性能具有积极作用，同时对猪舍环境具有改善作用，具有替代抗生素的良好潜力，但相关作用机制仍需进一步研究。

3.1.2 大蒜素在生长育肥猪生产中的应用

大蒜素对于生长猪和育肥猪的生长促进、提高营养利用、健康改善以及肉质提高等有积极作用：①促进生长性能。以单一饲料添加剂或不同饲料添加剂的组合作为生长促进剂的饲料添加剂已得到广泛研究，在生产中常通过营养策略来提高育肥猪最终体重和平均日增重。②提高营养利用。酵母培养物与大蒜混合发酵物可以提高营养物质的消化率，减少肥育猪粪便硫化氢（H2S）排放，畜禽养殖场排放的氨气（NH3）、H2S 等气态化合物等有害气体不仅对环境造成严重污染，而且还会影响动物和工人的健康。③改善免疫性能。大蒜素除了抑制有害菌，还可以促进乳酸杆菌等有益菌的增殖。④提高膳食价值。大蒜中所含的皂苷可能会抑制胆固醇和脂质生物合成途径中的关键酶，与阻止脂质合成和减少脂肪沉积有关，大蒜引起的胆固醇含量下降可能与该化合物的肝脏合成减少有关，可限制极低密度脂蛋白的形成，并改变猪肉脂肪的脂肪酸谱，这对其膳食价值有益，也对改善胴体品质、性状和其他与脂肪营养相关的参数方面有效。在生产中的应用具体见表2。

表2 大蒜素在生长育肥猪生产中的应用

由此表明，大蒜素及其添加剂组合在生长育肥猪生产中发挥积极作用，值得应用推广。

3.1.3 大蒜素在母猪生产中的应用

大蒜素在母猪生产中的应用主要表现在：①卵母细胞的体外研究，将大蒜素添加进母猪卵巢原代颗粒细胞的培养液24 h，与过氧化氢处理组相比，大蒜素组的孕酮含量显著降低、雌激素水平显著上升，细胞增殖活性也显著增加，为大蒜素改善母猪繁殖性能提供了科学的理论依据（丁威等，2018）。②通过改善分娩母猪肠道微生物群，促进母猪的生长性能，并对其产下仔猪的生长发育发挥积极作用。在生产中的应用具体见表3。

表3 大蒜素在母猪生产中的应用

综上说明大蒜素对母猪繁殖性能具有积极作用，但作用机制仍不明朗，需加大对应用的研究以及机理的研究。

3.2 大蒜素在反刍动物生产上的应用

3.2.1 对生产性能、营养水平、免疫性能及肉品质的影响

提高动物生产性能是畜牧生产与科研工作的重要目标之一。在反刍动物生产中，大蒜素或含有大蒜素的副产物对反刍动物均显示出提高生产性能的特点。早期胃肠道微生物群的正常发育对新生反刍动物至关重要，大蒜素补充剂将促进各种有益细菌的生长。大蒜素也可作为炎热条件下反刍动物饮食中的替代抗应激剂，以提高抗氧化性和动物产品的产量及品质。

消化代谢是反映反刍动物营养物质消化情况的重要指标。大蒜素可以提高反刍动物日粮中营养物质消化率的原因主要有：改善体内蛋白质代谢，大蒜素成分会增加与蛋白质合成代谢相关的激素（如促黄体生成素和睾酮），并减少负责蛋白质分解代谢的激素（如皮质酮）。大蒜素可提高消化道内消化酶的活性，通过特殊气味刺激诱导消化液提前分泌，并增强肠胃蠕动提高饲料的消化（杨坤等，2016）。大蒜素抑制甲烷菌和原虫的生长，使得摄入能量能供给有益细菌，提高反刍动物饲粮消化率。提示含有大蒜素的饲料可以作为潜在的反刍动物饲料，这将有助于正确利用残留物并减少饲料短缺，最大限度地减少环境污染。

大蒜素同样对反刍动物的免疫性能有一定积极作用。大蒜中的生物活性成分蒜氨酸通过硫醇交换机制清除羟基自由基，使含有大蒜素饮食的反刍动物具有更高的免疫调节及抗氧化能力。

在改善反刍动物肉质的同时，日粮中加入大蒜素不会对肉产品的风味产生负面影响（Strickland 等，2011）。对反刍动物生产性能的影响具体见表4。

表4 大蒜素对反刍动物生产性能的影响

3.2.2 对瘤胃发酵与甲烷产量的影响

研究瘤胃发酵调控是反刍动物营养代谢的关键，反刍动物借助瘤胃微生物所发酵营养物质提供的能量可达到总需求量的70%～80%。

大蒜素的抗菌特性可以改变瘤胃发酵参数，提高营养物质消化率；与各种代谢途径及生长性能和健康状况的改善密切相关，反刍动物产生的甲烷量约占每年人为甲烷排放量的15%～20%。体外试验模拟了瘤胃发酵过程，发现添加2.0%大蒜素时，瘤胃内甲烷产量显著下降（薛艳锋等，2015），而不会对采食量、瘤胃发酵或消化率有任何负面影响，从而改善动物福利。减少瘤胃原虫数量，并减少甲烷排放。大蒜素可以对原生动物数量产生影响。补充大蒜素可以显著增加绵羊胃中金黄色葡萄球菌和纤维分离杆菌、产琥珀酸杆菌数量（Ma等，2016）；大蒜皮作为补充剂增加了普雷沃氏菌、布利德氏菌、霍华德氏菌和甲烷孢子菌的属级相对丰度，减少了自由菌的丰度（Zhu等，2021）。然而与上述试验相反，Patra等（2012）报道大蒜油会降低金黄色葡萄球菌、产琥珀酸杆菌和产甲烷菌的体外丰度。造成结果差异的原因可能是体外模拟不能完全类比瘤胃内的复杂情况，也可能是体内研究中不同添加剂种类和添加剂量因素造成如此差异，还需要进一步的研究。

对反刍动物瘤胃发酵与甲烷产量的影响具体见表5。

表5 大蒜素对反刍动物瘤胃发酵与甲烷产量的影响

3.3 大蒜素在家禽生产上的应用

3.3.1 大蒜素在蛋鸡生产中的应用

大蒜素作为一种绿色的添加剂，在现代畜禽养殖业中具有较好的应用前景：提高产蛋性能，大蒜素可以作为孵化蛋的潜在消毒剂，因为其减少了蛋表面微生物数量，从而提高受精卵的孵化率，并对孵化或孵化后的雏鸡参数无负面影响。提高鸡蛋质量，且不会对母鸡的性能、消费者口味或偏好产生负面影响。在蛋鸡生产中的应用具体见表6。

表6 大蒜素在蛋鸡生产中的应用

3.3.2 大蒜素在肉鸡生产中的应用

大蒜素已被广泛应用于肉鸡的饲料添加。提高生产性能，大蒜素可以有效地用于肉鸡饲养，增加饲料的适口性，提高畜禽的采食量和饲料消化率，畜禽生长速度快，可以作为肉鸡饲养中抗生素生长促进剂的可行替代品。大蒜素的抗氧化特性可以改善鸡肉的品质。改善免疫性能，大蒜素可以通过增加Toll样受体的mRNA表达来影响肉鸡的免疫力，因此可以通过增强T细胞介导的免疫反应来提高肉鸡的生产性能和免疫状态，从而在不降低生长特性的情况下保护它们免受疾病侵害。同时有研究发现，模拟肉鸡盲肠环境的发酵系统，在体外试验中筛选大蒜素抗空肠弯曲菌活性，发现50 mg/kg大蒜素可以抑制空肠弯曲菌的数量（Robyn等，2013），并在24 h后将其数量降至低于可检测水平，进而可替代传统抗菌素。在肉鸡生产中的应用具体见表7。

表7 大蒜素在肉鸡生产中的应用

除上述研究外，发酵大蒜可降低血液中的胆固醇和皮质醇，皮质醇浓度降低也暗示大蒜素具有缓解压力的潜在特性，提示在热应激条件下添加大蒜素或许可以提高肉鸡的生长性能。Elbaz等（2001）的研究佐证了这个观点，大蒜粉及其与益生菌、柠檬酸的膳食补充剂，可以改善暴露于循环热应激的肉鸡的生产性能、肠道菌群和组织形态学。大蒜素可作为炎热条件下禽类动物饮食中的替代抗应激剂。

4 小结与展望

目前化学大蒜素的合成率为85%～90%，而鲜大蒜的提取率仅为0.3%（Nakamoto 等，2000），因此，化学合成的大蒜素因其价格低廉、活性成分纯度高和显著的药用特性而被广泛应用于动物生产。大蒜素无论是应用于绿色无公害，还是提高其副产品的综合利用，都是未来的重要发展方向，潜力巨大。国内外研究人员对大蒜及其提取物进行了深入研究，特别是在动物生产和人体临床研究中的应用，但大蒜素提取率低，不稳定导致的不易储存等缺点限制了其开发利用，因此可以加强对大蒜素基因的功能研究，将大蒜素的开发与药物配方相联系，进而实现大蒜素和其副产品的最佳应用。