林 波 陆 燕
摘 要 植物提取物中的挥发油、皂苷、生物碱、萜类等化学物质具有抗菌、促生长、提高免疫力和抗氧化等功能。近年来研究发现，植物提取物还可以调控反刍动物瘤胃发酵模式，提高氮存留，减少甲烷排放的功能，因此，植物提取物作为调控反刍动物瘤胃发酵的一种重要添加剂得到了广泛的研究与应用。目前国内外的学者已经在有效植物品种的筛选和植物提取物作用机理、剂量效应等方面的研究取得了较大进展。文中就目前植物提取物对反刍动物瘤胃发酵调控的最新研究进展作一综述，为我国开展植物提取物作为反刍动物瘤胃发酵调控添加剂的研究提供参考。
关键词 植物提取物；反刍动物；瘤胃发酵；调控
中图分类号 S816.7
Research progress of using plant extract to regulat rumen fermentation
Lin Bo, Lu Yan
Abatract The essencial oil, saponin, alkaloids, terpenoid and other compostion in plant extract have function of growth promotion, improve immunity, anti-oxidiation and so on when feed to unistomach animals. Research during recent years also discovered that plant extracts can manipulate rumen fermentation pattern, improve nitrogen reservation, decrease methane release when feed to ruminants. Therefore, plant extracts are widely studied and applied as an important feed additive to regulate rumen fermentation of ruminant animal. Until recently, great progrss has been made in selection of effective plant species, function mechanism revelation, and dose effect of plant extract, in this aticle, research progress of plant extract was reviewed, aimed to supply reference for utiliztion of plant extract to manipulate rumen metanbosim.
Key words plant extract；ruminant animal；rumen fermentation；manipulation.
植物提取物是以植物为原料，经过一系列物理化学提取过程，得到的一种或多种有效成分的混合物。植物提取物主要由少量植物的组成成分及其代谢产生的次级代谢产物组成。植物的次级代谢产物是一些不参与植物主要的生物化学过程(诸如生殖生长)的化学物质，许多植物都会产生一些次级代谢产物以保护植物免受病虫害和草食动物的采食(Kamra等,2006)。到目前为止已经发现了上千种的植物次级代谢产物，它们包括酚类化合物、挥发油、皂甙、生物碱、低聚糖等。Wallace等(2004)报道植物次级代谢产物中的某些物质在饲喂单胃动物后具有抗菌、抗氧化、调控消化代谢、促进动物生长等功能。然而，近年来的研究表明植物提取物不但有利于单胃动物生长和健康，而且对反刍动物瘤胃调控也具有积极作用。
Greathead等（2003）报道植物的次级代谢产物可以用于替代反刍动物饲料中的抗生素，如离子载体等，从而成为新型的瘤胃发酵调控剂。某些植物提取物可以改变反刍动物的瘤胃发酵动态，从而增加饲料能量和蛋白的利用效率，并减少甲烷气体的排放(Busquet等,2006;Benchaar等，2008)。近年来，利用植物提取物，特别是其中一些功能性次级代谢产物，调控瘤胃发酵功能的机理等方面已取得了较大的研究进展。
目前，植物提取物对瘤胃功能调控的研究主要集中在减少瘤胃蛋白降解，降低瘤胃甲烷的排放，改变瘤胃发酵乙酸和丙酸比例等方面。现就植物提取物在瘤胃发酵功能调控方面的研究进展作一综述，为植物提取物在反刍动物营养上的应用提供参考。
1 抑制甲烷的生成
植物挥发油（essential oil，EO）是植物提取物中重要的活性成分之一，具有抗菌、抗氧化、提高免疫力等功能。挥发油又称精油，是存在于植物中的一类具有芳香气味、可随水蒸气蒸馏出来而又不溶于水的挥发性油状物质的总称。挥发油是一种混合物，以酚类、萜类、酯类、醛类衍生物最为常见，同时还存在一些小分子脂肪族化合物和小分子芳香族化合物，常见的挥发油有大蒜素和牛至油等（Greathead等，2003）。挥发油在有些植物中含量丰富，如辣木提取物中含有69种挥发油成分，占总挥发性成分质量分数的89.19%（饶之坤，2007）。
目前挥发油已经作为一种植物提取物应用于保健品和单胃动物饲料添加剂中。后来，研究发现在反刍动物饲料中添加植物提取物有降低瘤胃甲烷产量的趋势，Evans等（2000）和García-González等(2008)在这方面做了很多研究并得到验证。Kamra等(2005)进一步用体外产气法对茴香、苜蓿、大蒜、洋葱、生姜的乙醇提取物抑制瘤胃甲烷生成的效果进行了研究，结果表明，大蒜的乙醇提取物降低了64%的甲烷产量且对饲料消化率没有负效应。Bodas等(2008)筛选出6种富含挥发油等植物次级代谢产物的植物，将其细粉添加到体外发酵底物中，均可降低瘤胃甲烷产量25％以上，并且对瘤胃发酵的其它指标无显著影响。可见植物挥发油具有显著的降低体外发酵甲烷产量的功能。因此，挥发油已经被推荐在适当的浓度下被用于调控瘤胃发酵，减少瘤胃甲烷的排放。
此外，有研究显示，植物单宁也有降低瘤胃甲烷产生的功能(Carulla等,2005；Puchala等,2005)。Animut(2008)在山羊日粮中添加从胡枝子中提取出的不同浓度的浓缩单宁，通过呼吸室测定甲烷产量，结果表明在各浓度梯度下浓缩单宁均有降低山羊瘤胃甲烷产量的趋势，进一步证实了单宁的实际应用效果。单宁降低甲烷趋势的机理可能与直接抑制甲烷菌和原虫的活性有关，也可能是单宁与纤维素形成复合物，降低了纤维的降解率,从而减少了用于甲烷合成的H2的产生，这样产生的间接抑制作用（Michael等，2005；Bento等，2005）。
植物提取物的抗菌机制是通过改变微生物的细胞通透性而抑制细菌生长的（Helander等，1998）。挥发油降低瘤胃甲烷产量的机制可能与其抗菌活性和选择性地改变瘤胃微生物区系有关。其机理可能有两种，第一是挥发油选择性地抑制了瘤胃产甲烷菌和原虫的生长，比如大蒜素抑制甲烷机理是抑制甲烷菌HMG-CoA还原酶的活性，这种酶是催化合成甲烷生成菌细胞膜的主要成分类异戊二烯的酶（Miller等，2001），HMG-CoA还原酶活性的抑制会导致甲烷菌细胞膜的破坏并最终抑制甲烷菌。瘤胃内的甲烷主要由甲烷菌产生,瘤胃原虫自身并不产生甲烷,但由于原虫与甲烷菌具有内共生或外共生的关系,原虫数量的减少就降低了甲烷菌赖以生存的底物氢的数量,因此原虫数量的变化常引起瘤胃甲烷产量的变化,植物提取物中的挥发油具有抑制原虫的作用,也就降低了与原虫共生的这部分甲烷菌的数量(Sch?觟nhusen等，2003)。第二种机制是本课题组的研究发现,从山茶科植物种子提取的茶皂素这类萜类的天然非离子表面活性剂也能显著降低甲烷产量，但其机理却在于抑制了甲烷菌的甲烷合成关键酶基因mcrA（methyl coenzyme-M reductase subunit A）的表达，但甲烷菌的数量并无显著减少，即茶皂素的抑甲烷的主要机理是降低了甲烷菌的活性（Guo等，2008）。
目前，大部分对植物提取物抑制甲烷产生的研究多是在体外条件下开展的，然而动物体内的瘤胃环境比人工瘤胃环境复杂得多。动物试验研究表明，在奶牛日粮中添加2 g/d的挥发油仅提高了奶牛瘤胃pH值和酸性洗涤纤维的表观消化率，对其它瘤胃发酵指标诸如原虫数目、TVFA含量和VFA组成等瘤胃发酵指标均无显著影响，对牛奶产量和乳成分等也无显著影响（Benchaar等，2006）。Benchaar等（2007）报道添加挥发油仅增加了瘤胃pH值和牛奶乳糖产量，对奶产量、奶品质、采食量、营养物质消化率、瘤胃发酵终产物、瘤胃微生物区系等均无显著影响。此外，Yang等(2007)报道，在泌乳奶牛日粮中添加5 g/（头·d）大蒜素和2 g/（头·d）杜松子挥发油对奶牛瘤胃VFA、氨氮浓度、奶产量、饲料总消化率等也均无显著影响。动物试验的研究结果表明，植物提取物中的挥发油对瘤胃发酵的各项指标影响程度都不如体外试验显著，实际生产中添加挥发油效果并不理想。虽然动物试验不能直接检测挥发油是否降低了甲烷的产量，但从影响程度来看，挥发油在体内的作用比较有限，其原因可能与挥发油的添加浓度和体内瘤胃环境与体外的差异等有关，仍然需要进一步研究。
2 提高瘤胃氮存留率
瘤胃氮存留率是评价反刍动物饲料蛋白利用率的重要指标，较高的氮存留率可以提高反刍动物对饲料蛋白的利用效率，减少粪氮和尿氮的排出。瘤胃发酵氨氮的浓度往往作为评价瘤胃氮存留率的一个重要指标。氨氮浓度的降低可能有两种原因，一是瘤胃氮降解率的降低，二是瘤胃微生物对氨氮的利用提高。因此，结合氨氮浓度和支链脂肪酸含量才是评价瘤胃蛋白氮存留率的合理指标（Selje-Assmann等，2008）。
有研究表明，植物提取物中的活性成分如皂苷、间苯二酚、麝香草酚、愈疮木酚、百里香酚等酚类物质均具有提高瘤胃氮存留的能力（Wallace等，2004；Castillejos等，2006），此外，体外试验也显示丁香油、大蒜素、百里香油、薄荷油、茶树油、茴香油、香芹油等提取物均具有降低体外发酵瘤胃液氨氮和支链脂肪酸浓度的能力，其中以百里香油、薄荷油效果最佳，说明这些物质可有效抑制饲料蛋白在瘤胃内的降解(Busquet等,2005;Cardozo等,2005;Castillejos等,2008)。Alexander等(2008)进一步研究表明辣木籽(M.oleifera)和库洛胡黄连的根（P. kurroa）提取物也可显著降低体外发酵瘤胃液氨氮浓度且不影响饲料消化率。研究者认为挥发油这类植物提取物降低氨氮的机制在于其抑制瘤胃内的氨化菌（如斯蒂克兰德氏梭菌，厌氧消化链球菌等）的繁殖。此外，Hu等（2005）报道茶皂素这类萜类植物提取物可降低体外发酵的瘤胃氨氮浓度，并提高微生物氮的含量，他们认为氨氮降低的机理是提高了微生物对氨氮的摄取。可见，植物提取物降低瘤胃氨氮浓度，可能存在两种机制，一种是抑制瘤胃氨化细菌而降低蛋白氮的降解，一种是提高微生物对氨态氮的摄取和利用。还有一种潜在的机制可能是植物提取物在瘤胃内发挥了驱原虫的作用，由于原虫在瘤胃内分泌脱氨酶不断降解饲料中的蛋白生成氨氮，而本身又不能利用氨氮合成自身的蛋白质，因此原虫是NH3的净生产者，抑制原虫数量也可能是降低瘤胃中氨氮浓度的原因之一。
但也有表明挥发油不会影响瘤胃氮代谢或反而降低了瘤胃氮存率的研究报道。Castillejos等(2007)添加挥发油（0、50、500 mg/l）到连续培养系统中，在恒定pH值条件下培养9 d后，对瘤胃氮降解率也无影响。Yang等(2007)报道，在泌乳奶牛日粮中添加5 g/(头·d)大蒜素和2 g/(头·d)杜松子挥发油反而增加了瘤胃内氮的消化率11％，降低了瘤胃氮存留率和十二指肠氮流量。这与许多体外产气试验的结果相反，说明挥发油的作用与瘤胃环境和动物日粮有关，例如，Cardozo等（2005）和Spanghero等（2008）报道挥发油（EO）在较低的pH值下，才能对瘤胃微生物产生选择性的抑制作用。此外，在不断流通的实际瘤胃环境中，按照体外产气试验所确定的浓度添加可能使得挥发油浓度不足而导致无效。
一种可提高瘤胃氮存留率的重要化学物质是植物单宁。单宁是多酚中高度聚合的化合物，化学成分比较复杂,大致可分为两种,一种是缩合单宁,是黄烷醇衍生物,分子中黄烷醇的第2位通过C－C键与儿茶酚或苯三酚结合。一种是可水解的单宁，分子中具有酯键,是葡萄糖的没食子酸酯（McSweeney等，2001）。单宁在单胃动物中是一种抗营养因子，它们能与蛋白质和消化酶形成难溶于水的复合物，影响蛋白的消化吸收，且单宁的苦涩味会限制动物对饲料的采食。但单宁对反刍动物却有一定的营养作用。体内消化代谢试验显示，饲喂绵羊每千克日粮干物质含3.40 g单宁的饲粮，氮的存留率比不含单宁处理的氮的存留率高40.7％，而且此水平的单宁对氮的消化率和瘤胃细菌蛋白质合成无负面影响（张晓庆，2005）。在pH值5～7的瘤胃环境内，单宁与饲料蛋白形成稳定的复合物，不易被微生物降解。当此复合物流经真胃（pH值2.5）和小肠（pH值8～9）时，蛋白质与单宁立即分离，经胃蛋白酶和胰蛋白酶分解，形成容易吸收的小分子物质，在某种程度上起到了过瘤胃蛋白保护作用（Getachew等，2000）。此外，单宁还可以抑制瘤胃内一些蛋白水解细菌和纤维降解菌，在适当的浓度下，可抑制饲料蛋白的瘤胃降解。McSweeney等（2001）发现单宁在体外试验中显著的降低了瘤胃氮的降解率，但动物试验的结果却显示添加单宁提高了动物对饲料整体氮的利用效率，原因是瘤胃内未降解的氨提高后，增加了后肠可利用氮的含量，说明单宁对反刍动物氮代谢的正效应是瘤胃和后肠道共同作用的结果。
Selje-Assmann等（2007）筛选了8种植物，其中：欧洲山萝卜（Knautia arvensis）、半日花（Helianthemum canum）、草莓树（Arbutus unedo）、熊果（Arctostaphylos uva-ursi）、天竺葵（Peltiphyllum）5种均具有降低瘤胃蛋白降解的功能，欧洲山萝卜的功能是由于延迟了可溶性蛋白的降解时间，而其余4种是由于蛋白与植物单宁组成了复合物而保护了蛋白的原因。可见，植物提取物中的单宁是提高瘤胃氮存留率的主要因素之一，国外现代牧草育种中也把适宜的单宁含量作为育种的目标(McSweeney等，2005)。但反刍动物饲料中的单宁含量不宜过多，单宁含量过多同样会影响反刍动物的采食量，此外，单宁过多还会对瘤胃发酵产生负效应，会明显降低饲料干物质的降解率，减少体外产气量，降低氨的溶解性（McSweeney等，2001）。
综合目前的研究，植物提取物提高瘤胃氮存留率，促进饲料氮利用率的机制可能有三种。一是与蛋白结合形成不易被瘤胃微生物降解的复合物，如植物单宁。二是抑制原虫或与蛋白降解有关的微生物，从而减少其对蛋白的降解。三是提高瘤胃微生物对氨氮的利用，提高微生物蛋白合成效率，如茶皂素、辣木。对于不同的植物提取物，成分不同，作用机制也各有不同。
3 调控瘤胃发酵VFA组成
植物提取物能改变瘤胃发酵产生的VFA组成，从而调控瘤胃发酵模式。植物提取物正效应主要是由于降低了乙酸：丙酸的比例，提高了丁酸的含量（Mohammed等，2004）。降低乙酸：丙酸比例可以在一定程度上维持反刍动物葡萄糖代谢平衡，特别是高粗料饲料，可以缓解葡萄糖合成不足而导致的一些问题。Busquet等(2005)报道在双外流连续培养系统中，添加肉桂醛（31.2～312 mg/l）可显著降低乙酸比例，增加丙酸和丁酸的比例。挥发油的独特作用是可以提高VFA中丁酸比例，这种趋势说明其作用机制与莫能菌素改变瘤胃发酵模式的机制有较大的差异（Benchaar等，2008）。植物提取物中的挥发油降低乙酸与丙酸比例的机制：一是与挥发油选择性地改变了瘤胃微生物区系有关，二是由于植物提取物抑制瘤胃甲烷菌活性后，瘤胃内过剩的氢被转移到丙酸合成过程，从而提高了丙酸浓度。Spanghero等(2008)利用几种混合挥发油的体外实验结果表明，挥发油主要在酸性的瘤胃环境中(如pH值5.5)对瘤胃发酵最终的VFA组成产生影响，说明挥发油对瘤胃微生物的选择性抑制主要在高精料饲喂情况下表现更为显著。Devant等(2007)对高精料饲养的荷斯坦公牛添加洋蓟、刺五加、胡芦巴混合物的提取物，与对照组相比，提高了公牛增重，但差异不显著，同时提高了瘤胃丙酸比例和血清胰岛素含量，结论认为该植物提取物可作为替代莫能菌素的添加剂。
植物提取物添加的浓度非常重要，因为高浓度的植物提取物可能引起瘤胃的发酵抑制。Busquet（2006）报道了不同浓度的12种不同挥发油和6种植物次级代谢产物对瘤胃发酵的影响，结果显示在最高浓度下绝大多数处理均降低了瘤胃总VFA的产量，表现出抑制瘤胃发酵的趋势。目前多数的研究表明植物提取物对瘤胃总挥发酸表现出抑制或无影响的作用，只有少数几项研究发现提高了总挥发酸产量（Castillejos等，2005；Benchaar等，2008；Selje-Assmann等，2008）。Hoffmann(2008)报道欧洲山萝卜(Knautia arvensis)的甲醇提取物可降低VFA浓度和气体产量,但却提高了瘤胃微生物含量,总体上没有降低瘤胃干物质和有机物降解率。因此,植物提取物降低产气量和VFA浓度的机制可能是由于高浓度抑制了瘤胃微生物生长,也有可能是提高了瘤胃微生物对发酵终产物利用的原因,但就目前多数研究结果而言,植物提取物降低VFA的主要原因可能是抑制瘤胃微生物,从而抑制瘤胃发酵。
此外，植物提取物的高浓度其实也是相对的，在研究大蒜油对体外产气影响时发现，当添加312 mg/l大蒜油时，总挥发酸浓度就会显著下降，随着试验的进行，添加312 mg/l大蒜油对总挥发酸浓度无显著影响，说明随着植物提取物的长期添加，瘤胃微生物会对其逐渐产生适应性，最终高浓度的植物提取物会失去改变瘤胃发酵模式的作用（Busquet等，2005）。
4 植物提取物应用现存的困难
提取物的活性成分含量和组成对不同来源植物有较大差异，如生物碱分布于植物的50多个科120多个属中,从不同植物提取的生物碱具有不同的生物活性。并非所有植物提取物都具有调控瘤胃发酵的功能，因此，对于不同的植物需要进行试验筛选以验证其效果。Bodas等(2008)通过体外试验从450种植物中筛选可降低甲烷产量的品种，结果表明只有35种能降低15％的甲烷产量，其中有6种能降低25％的甲烷产量，且这6种植物不影响饲料消化率和VFA产量。García-González（2008）对158种植物的筛选结果也显示只有少数的几种植物具有降低甲烷，调控瘤胃发酵的功能。可见，具有调控瘤胃发酵功能的植物种类还是比较少的。因此，开发可以大规模、快速、准确的筛选可调控瘤胃发酵的有效植物提取物的筛选方法和体系是尚待解决的问题之一。Selje-Assmann等(2008)对压力传感器式体外产气试验系统进行了改进,用离心法分离底物蛋白，蛋白电泳技术来评定底物蛋白的降解程度。该系统被用于从20种植物中筛选可提高瘤胃氮存留率的品种，取得了良好的应用效果。
植物提取物实际应用效果不稳定性问题是限制其在生产中应用的重要因素。目前关于植物提取物在反刍动物生产中的筛选和研究多采用体外试验的方法，虽然可以深入地研究植物提取物对瘤胃发酵的影响机制，但由于体外环境和体内环境存在的较大差异，动物试验的效果却不如体内试验效果。原因可能是植物提取物的作用受到瘤胃内环境、饲料精粗比及瘤胃微生物对其耐受性和适应性的影响（Spanghero等，2008）。此外，Cardozo等(2004)报道向连续培养系统中添加桂皮油、大蒜油和茴芹油(7.5 mg/kg DM)，结果表明在发酵的前6 d挥发油改变VFA比例的趋势比较明显，但其后由于瘤胃微生物对挥发油产生适应性后就无作用了。Kamel等（2008）的研究表明，大蒜素在体外发酵的前6 h表现出良好的降低甲烷，调控瘤胃发酵模式的作用，但在12和24 h时，作用就显著的减弱了。可见，在初始阶段，添加植物提取物可能会取得良好的效果，但长期添加，一是植物提取物在瘤胃内自身不稳定，导致作用短暂；二是瘤胃微生物会对其产生抗性和适应性，最终达不到预期的效果（Benchaar等，2008）。这个问题将是今后植物提取物在反刍动物营养应用中需要解决的首要问题。
此外,限制植物提取物应用的重要因素之一就是选择适宜的浓度。因为有的植物提取物如单宁、挥发油等如果添加过多,会降低动物采食量,对动物或瘤胃微生物产生毒性,从而产生负作用。目前,对植物提取物多采用体外方法来进行研究,体外法得出的结论虽然可以揭示植物提取物的作用机理,但其得出的适宜浓度尚难以应用于生产实际中。因此,未来的研究在制定植物提取物质量标准的基础上,还需要开展动物实验,以探讨不同植物提取物对促进动物生产的最佳浓度。
在植物提取物调控瘤胃发酵的应用方面，提取工艺和提取过程中活性物质的功效维护问题也应该受到足够的重视。定向提取植物提取物中的活性成分，并保持其功能和活性虽然已取得较大的研究进展，但从总体上看，还存在着产率低、成本高等一系列技术问题。将植物提取物应用到反刍动物瘤胃发酵调控之中，应在进一步筛选作用强、成本低廉的植物品种的基础上，加强提取技术的高效化和标准化，形成质量稳恒的产品。
5 小结
综合而言，虽然目前植物提取物在反刍动物瘤胃发酵调控的应用中尚存在许多难题，但其在抑制瘤胃甲烷产生、提高瘤胃氮存留率、调控瘤胃发酵模式方面的确有较好的应用前景。目前在欧盟委员会资助下，由欧洲的多个国际组织和研究所共同参与的一项名为“Rumen-up”的国际项目已经展开，该项目的目的正是筛选可降低瘤胃甲烷排放，提高反刍动物生产性能的植物提取物添加剂。我国植物品种丰富，中草药资源和研究均处于世界前列，在此基础上筛选有利于反刍动物瘤胃发酵调控的植物提取物添加剂，加强这方面的研究将是未来的研究热点之一。
（参考文献38篇，刊略，需者可函索）
（编辑：张学智，）
林波，浙江大学动物科学学院教育部分子营养学重点实验室，310029，浙江省杭州市凯旋路268号。
陆燕，南京农业大学动物科技学院。
收稿日期：2009-08-08 |
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