植物單寧及其對動物的作用研究進展

王妍君 謝開云 趙祥 董寬虎

作者簡介： 王妍君(1986-)，女，山西壽陽人，在讀碩士。E-mail:wangyanjun5471@126.com董寬虎為通訊作者。

摘要： 對植物中單寧含量、單寧對動植物的影響及降低單寧含量的方法進行了綜述。植物單寧是廣泛存在于植物體內的一類多元酚化合物，是植物進化過程中由碳水化合物代謝衍生出來的一種自身保護性物質。一般認為單寧在維管植物中有兩種存在形式既水解單寧和縮合單寧。單寧的含量與基因、部位、植物生長階段、植物病蟲害等有關；植物含有高度單寧可保護植物不被采食，適當濃度單寧可減少動物胃脹氣，因此，對動物的影響有利有弊；可以通過多種方法來降低植物中單寧的含量。

關鍵詞： 植物單寧；含量；動植物

中圖分類號： Q 946;S 816文獻標識碼： A文章編號： 1009-5500(2011)03-0082-06

植物單寧（vegetable tannin）又稱植物多酚，是廣泛存在于植物體內的一類多元酚化合物，是植物進化過程中由碳水化合物代謝衍生出來的一種自身保護性物質。不同植物所含單寧的種類、含量、分子量和分子結構都不相同，并且隨著生態環境的不同而改變。在豆科牧草、油菜籽、高粱籽實、柳安籽粉、櫟葉、橡樹葉和蠶豆等籽實及其加工副產品中含量較高，小麥、白苜蓿、黃苜蓿的含量較低，大多熱帶豆科牧草和灌木都含有數量不等的單寧。植物單寧的含量受氣候、季節、土壤肥力等環境因素的影響而發生相應的變化^[1]。長期以來，單寧一直被認為是飼料中的抗營養因，隨著研究深入，發現單寧對動物的生長還具有多種生理活性，如止血、抑制微生物、抗過敏、抗突變、抗衰老等作用^[2]。

1 單寧的組成和結構

“Tannin”一詞起源于18世紀后期，用來描述幫助鞣制動物皮革的植物成分，因此，又稱為鞣酸。單寧是能使蛋白質沉淀的多酚化合物，是草酸途徑的次級產物，一般認為單寧在維管植物中有兩種存在形式既水解單寧和縮合單寧。

水解單寧（HT）是指酚酸或其衍生物與葡萄糖或多元醇主要通過酯鍵形成的多酚，特點是遇酸、堿或酶易水解生成小分子量的產物，主要存在于櫟樹植物中。縮合單寧（CT）是以羥基黃烷-3-醇（其衍生物稱為兒茶素類）、黃烷-3,4-二醇（其衍生物稱為無色花色素類）為基本結構單元的聚合物（3個單體以上聚合），單體間以C-C鍵相連，不能被水解，在酸、堿或酶的作用下，易發生分子間的縮合，產生大分子產物^[3]，主要存在于高粱和豆科籽實中，包括可溶性縮合單寧、蛋白質結合縮合單寧和纖維素結合縮合單寧。縮合單寧為抗營養因子，在消化道中可與蛋白質結合形成不溶性化合物，也可與鈣、鐵和鋅等金屬離子化合物形成沉淀，從而降低其利用率；單寧還可和消化酶結合，影響酶的活性和功能，不利于營養物質的消化和吸收。另外單寧具有澀味，適口性差，日糧中含量高會影響動物的食欲，降低采食量^[4]。

不同植物種之間植物單寧含量不同，丁學智等^[5]對甘肅天祝金強河高寒地區5種灌木中的酚類物質含量進行了測定和比較分析。結果表明，不同的灌木品種其酚類物質的含量不同，沙棘總酚，單寧和縮合單寧的干物質含量均高于其他灌木。

基因決定了植物單寧的含量，種源影響著外來種質中濃縮單寧的含量，低濃度單寧植物來源于埃及、西班牙、伊朗、土耳其和烏茲別克斯坦，高濃度單寧植物來源于南美洲。含有單寧的植物有兩種基因型：無單寧基因型和高單寧基因型。Dalrymple等^[6]，發現縮合單寧的表達由一個單一的顯性基因控制。Goplen等^[7]調查大量豆科植物發現，許多種紫花苜蓿中不含有單寧，在28種多年生苜蓿屬（Medicago spp.）植物（既有二倍體植株，也有通過化學突變形成的同源四倍體），33種一年生苜蓿屬植物和30種胡蘆巴屬（Trigonella）植物的葉中，單寧均不表達，而小冠花(Coronilla varia)、絹毛胡枝子（Lespedeza cuneata）、百脈根（Lotus corniculatus）、兔足三葉草（Trifolium arvense）、大合三葉草（Large hop clover）、小合三葉草（Small hop clover）和紅豆草（Onobrychis spp.）都含有單寧。Roberts等^[8]研究百脈根發現,其種質中單寧含量的變化范圍很大（0%～13%）。當與摩洛哥的根莖型的基因型雜交時，百脈根不僅表現為根莖型，也可表達2倍的濃縮單寧^[9]。

同種植物不同品種之間單寧含量變化不大，張磊等^[10]通過奇臺紅豆草的品比試驗發現，奇臺紅豆草與甘肅紅豆草的營養成分基本相同，粗蛋白含量20%，單寧含量1.58%。

2 單寧與植物的關系

2.1 單寧與植物部位的關系

縮合類單寧存在于一些飼草中，是一些豆科飼草和灌木中最常見的單寧類型^[3]。單寧存在于植物的葉片、根部、木材、樹皮、果實和芽中^[11]，據估計單寧是維管植物組織產生的除纖維素、半纖維素、木質素之外的第4大生化產物^[12]。

不同的植物單寧存在于不同的器官。紫花苜蓿（Medicago sativa）濃縮單寧僅存在于種皮中，其他器官中沒有，這可能是在植物進化過程中下調了產生單寧的機制。如無瓣海桑（Sonneratia apetala）花的可溶性縮合單寧含量為最低(17.56±2.61) mg/g，果實與皮中的含量最高，分別為(276.48±9.62) mg/g和(254.71±5.62) mg/g；幼葉(108.44±13.10) mg/g，成熟葉(118.61±25.66) mg/g低于衰老葉(163.75±4.57) mg/g；細根(58.84±9.57) mg/g與中根(70.51±19.01) mg/g含量差異不顯著（P＜0.05）。無瓣海桑各部位的蛋白質結合縮合單寧含量中，花的含量(3.84±0.63) mg/g與細根(3.92± 0.40) mg/g最低；果(14.77±0.22) mg/g與樹皮(14.41±0.78) mg/g含量最高；細根的蛋白質結合縮合單寧含量低于中根(6.90±1.25) mg/g。無瓣海桑不同部位的纖維素結合縮合單寧含量中，樹皮的纖維素結合縮合單寧含量為(26.44±6.18) mg/g與果(25.47±14.37) mg/g最高，花最低為(1.96±0.19) mg/g。無瓣海桑各組分總縮合單寧含量介為(15.04～298.62) mg/g，由于可溶性縮合單寧在總縮合單寧中占較大比重，因此，各組分總縮合單寧含量與可溶性縮合單寧的變化趨勢相似；樹皮的含量最高，果的次之；花的最低；不同發育階段葉片居中^[13]。

2.2 單寧與植物生長階段的關系

隨著植物的成熟，單寧逐步由水解性轉為凝集性，單寧的含量與植物的生長階段、環境溫度、土壤酸堿度有關^[3]。絹毛胡枝子單寧的含量在溫暖的條件下迅速增加，在高單寧栽培種增加更明顯^[14]。百脈根，春季濃縮單寧含量上升^[9]，夏季到秋季呈下降趨勢^[8]。土壤肥力較低時，單寧含量可能增加。新西蘭的酸性土壤中，當S和P充足時，大三葉的單寧含量為2.0%～3.2%，當S和P受到限制時為5.1%～7.8%^[15]。當百脈根和禾草混播時，單寧含量增加^[9]。

紅樹葉嫩葉中總酚酸、可提取的濃縮單寧、總濃縮單寧、可沉淀蛋白的酚醛含量及蛋白質沉淀能力高于成熟和衰老的葉子。隨著葉子的成熟和衰老，總酚酸含量降低。用提純的單寧和用單寧酸做標準測定的總酚酸含量之間有著明顯的線性關系(y=1.938 1x-7.857 1，r2=0.999 9，n=84，P＜0.01)。前者是后者的兩倍。在生長發育的不同階段，嫩葉中可提取濃縮單寧（CT）含量顯著高于成熟葉片(P＜0.000 05)和衰老葉片(P＜0.05)；在降解的不同階段，可提取CT含量顯著降低。隨著葉片的成熟，蛋白質結合CT和纖維結合CT呈上升趨勢，在衰老時期呈下降趨勢(P＜0.005)。隨著葉片的降解，蛋白質結合CT和纖維結合CT含量增加，但蛋白質結合CT在腐爛時降低。嫩葉中總CT含量明顯高于成熟葉片(P＜0.000 05)和衰老葉片(P＜0.05)。在降解的不同階段，總CT的含量有規律的下降^[16]。

2.3 單寧與植物抗性的關系

單寧影響植物與生物環境之間的互作，濃縮單寧能阻止動物和鳥類的采食，也顯示抗微生物活性并與植物抗病性有關。單寧是抵抗害蟲侵害的一種防御性物質，孫萍等^[17]對不同楊樹品種或無性系生長期單寧含量與天牛危害程度的相關分析表明，楊樹各品種或無性系被害率與健康韌皮部、被害木質部的單寧含量均成負相關性，相關系數分別為-0.87和-0.61，即健康韌皮部和被害木質部單寧含量越高被害率越低，韌皮部單寧含量高則抑制卵孵化量，一旦初孵幼蟲進蛀到木質部，被害后的木質部單寧含量又直接影響幼蟲的生長發育。另外，濃縮單寧通過阻止硝化作用來阻止植物凋落物的降解^[18]。

王靜等^[19]應用植物葉片膜透性的測定方法研究了外施單寧酸溶液對紫花苜蓿幼苗膜透性的影響，結果表明，隨著低溫處理時間的延長，不同濃度的單寧酸處理的苜蓿葉片膜透性都有所增加，隨著單寧酸溶液濃度的增加，每個處理時間上苜蓿幼苗的膜透性逐漸減小，保護性作用逐漸加強。為單寧酸溶液能提高苜蓿抗寒性，減輕低溫傷害提供有效的理論依據。

3 單寧與動物的關系

在單寧和多酚中，濃縮單寧是與飼草質量和家畜表現最相關的物質。不同植物中單寧的成分有明顯的差異，這可以部分的解釋家畜和哺乳動物采食的不同反應。濃縮單寧與蛋白質的反應及形成的化合物在營養和生理上有重要作用^[20,21]。

單寧對反芻動物的影響表現為兩面性：(1)單寧味苦有收斂性，影響動物的適口性，單寧含量高的植物可使動物的進食量大減，并引起家畜中毒和其他的一些不良反應，如日增重、消化率、凈毛率和酮體品質降低等，從而影響其生產性能；(2)單寧可與植物蛋白結合，當反芻動物采食適量的含單寧飼料后，減少了瘤胃可降解蛋白質的數量，從而提高反芻動物利用蛋白質的效率，同時還能減少膨脹病的發生^[3]。

3.1 單寧對動物消化和利用植物的抑制作用

高濃度單寧（5% DM以上）由于較澀降低了適口性，減少了動物的采食量，降低了反芻動物的消化率^[22]，濃縮單寧的濃度與飼草中其他優質的和劣質的成分有關。在百脈根中，單寧含量與氫氰酸^[23]、消化率和粗蛋白^[24]呈負相關，與木質素呈正相關，這說明高單寧飼草能減少消化力。

單寧能使植物在動物瘤胃降解率降低，抑制酶和微生物的活性。單寧抑制微生物和飼料蛋白與瘤胃微生物所需離子絡合，濃縮單寧可抑制分解蛋白的細菌^[25]，對甲烷細菌表現出毒害作用，瘤胃糖代謝所必須的真菌也對單寧敏感。主要是單寧抑制了蛋白分解，使得細菌在發酵過程中活性變小，表現為體外氣體和揮發性脂肪酸的減少和干物質降解率降低^[26]。

單寧被認為會影響維生素和礦物質的利用，膳食中含有單寧酸時會導致維生素A含量減少，并干擾維生素B的利用。單寧與Fe2+形成不溶性復合物，從而導致Fe2+不容易被吸收，人若攝食超過1 500 mg/kg單寧的蠶豆，就會顯著降低鐵的吸收。單寧能與皮下蛋白質結合而產生沉淀，甚至能滲透過肝表皮細胞而產生沉淀，而單寧酸能導致人體肝壞疽，導致肝損壞^[27]。當用高單寧含量的樹葉飼養動物后，在其尿液中會出現片狀沉淀物，其中富含蛋白質，同時動物伴有水腫現象，這表明動物未能有效利用飼料中的蛋白質，出現了嚴重的低蛋白血癥^[27]。

3.2 單寧對動物利用植物的有益作用

適當濃度的單寧對動物有著有利的影響，由于濃縮單寧有收斂作用，可以幫助動物減少胃氣脹，有時能通過與瘤胃中的蛋白混合來提高蛋白質利用率，在后消化道的低pH環境中釋放,使得植物蛋白氨基酸被吸收，這種提高氨基酸吸收率的機制已經被用來解釋母羊乳產量和乳蛋白提高^[26]。

汪海峰^[28]研究表明，由于反芻動物特殊的生理和消化特點，單寧在小腸中的降解產物對反芻動物不具有毒性，在反芻動物飼糧中合理搭配含單寧的牧草可起到保護蛋白質的作用。

動物適應的最適宜單寧濃度隨飼草中單寧成分的不同而不同，一般說來飼草作物中單寧含量為20～40 g/kg是理想的^[30]。

3.3 減少植物單寧對抑制動物利用的方法

在放牧系統中，通過提高草地上低單寧植物的比例來限制單寧的攝取。通過植物育種也能減少高單寧植物的單寧含量^[26]。另外，還可以通過物理、化學、生物方法去除飼料中的單寧或改變家畜的微生物活性來減少植物單寧對動物利用的抑制。

對可溶于水的如縮合單寧和可溶性非淀粉糖（NSP）可用浸泡的方法除去單寧。將高粱用水浸泡再煮沸可除去70%的單寧，但是，水處理會導致大量水溶性營養物質的散失，再者水浸后烘干較為麻煩費工，使成本增高，而且單純水處理不能完全消除NSP的抗營養作用^[4]。

很多抗營養因子集中存在于作物種子的表皮里，通過機械加工去皮處理，可減少其抗營養作用。如采取機械加工方法除去高粱和蠶豆的外皮可除去大部分單寧。但廢棄種皮將提高飼料成本^[4]。飼料中加入適量的氮氨酸或膽堿作為甲基供體，可促單寧甲基化作用后使其經代謝排出體外^[4]。

Lorusso等^[31]通過從變色栓菌中提取一種酶制劑來減少菜籽粕中的單寧含量，菜籽粕中可提取單寧的最大含量為2.80 g/kg，甲醇與菜籽粕比值為4.36時能提取菜籽粕的可提取單寧含量的一半。

張立華等^[32]研究報道，通過對短枝木麻黃幼苗施用氮肥和磷肥的研究發現，施加氮肥使短枝木麻黃幼苗小枝的總酚（TP）和可溶性縮合單寧（ECT）含量顯著降低，施加磷肥對TP和ECT含量沒有顯著影響，隨著處理時間的延長,短枝木麻黃幼苗小枝TP含量升高了9.91%～14.32%，而ECT含量降低了14.32%～298.88%。

針對單寧的抗營養作用，許多學者已采用不同途徑分離選育出多種單寧抗性菌或單寧降解菌，從而使飼料中的單寧含量降低。利用生物技術手段，從這些微生物中分離出能抑制單寧副作用的酶，進行序列分析，提取基因片段，然后將其轉移到其他動物體內或瘤胃微生物內，以解決單寧對蛋白質吸收代謝的副作用。Nelson^[33]給山羊飼喂單寧含量為17%的金錢草，從瘤胃液中可分離出一種能降解單寧的厭氧雙球菌，該菌在厭氧條件下，3～4 h可將濃度為30 g/L的單寧酸降解為焦倍酚，其對單寧酸的耐受濃度可達70 g/L。Mcsweeney等^[34]從飼喂高含量縮合單寧飼料的綿羊和山羊體內分離到15種能分解蛋白質的瘤胃菌，它們能在單寧存在時分解蛋白質和多肽。其中1株肉毒梭狀芽孢桿菌，在無其他糖類物質存在的條件下，它能以單寧作為唯一碳源在含蛋白質或多肽的培養基上快速生長。將這些微生物菌體或單寧酶添加到飼料中，可達到消除其抗營養性的目的。

飼草中的單寧對反芻動物既有營養作用又有抗營養作用。由于所用試驗動物、飼料作物的種類、飼料加工調制以及試驗方法不同試驗結果也不一致。即使同一飼料作物，由于所在地的生長條件不同，其單寧含量與種類也不同。目前，對單寧的研究主要基于動物飼養對比試驗和體外模擬消化試驗，對其作用機理的認識還不夠深入。隨著生物技術快速發展及應用，單寧在反芻動物營養中將發揮越來越重要的作用。

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Research progress on vegetable tannins and its effect on animals

WANG Yan-jun,XIE Kai-yun,ZHAO Xiang,DONG Kuai-hu

(Grassland Research Institute,College of Animal Science,Shanxi Agricultural University,Taigu,030801)

Abstract: This article summarized the content of vegetable tannins,the impact of tannins on plants and animals,and the approaches to reduce the content of tannins.Vegetable tannins are common polyphenolic in plants and it is self-protective substances derived from the carbohydrate metabolism in plant evolution.There are two types of tannins in vascular plants,hydrolysis tannin and condensed tannin.The content of vegetable tannins is concerned with genes,location, growth stage, and diseases of plant. The impacts of tannins on animals are in many aspects, high content tannins can protect the plant from herbivore and appropriate content tannins can reduce animal bloat. There are many ways to reduce the content of vegetable tannins.

Keywords: tannins；plant and animal；content