植物提取物在反芻動物飼養中的應用

李德勇 孟慶翔 任麗萍解祥學

(中國農業大學動物科學技術學院，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193)

反芻動物消化系統具有特殊的發酵功能，這使得反芻動物在飼料的采食及營養成分的消化吸收上不同于單胃動物，尤其是瘤胃內復雜的微生物使反芻動物能夠很好地消化秸稈等粗飼料，并利用發酵產物為自身提供大約80%的能量及60%～85%的蛋白質［1］。20世紀50年代開始在反芻動物營養調控中引入了抗生素，如莫能菌素、泰樂菌素、維吉妮菌素等。抗生素在提高反芻動物對粗飼料的消化、增加小腸蛋白質流量、抑制甲烷生成、改善畜產品品質等方面作用顯著，極大地提高了反芻動物的生產性能［2－4］。但由于抗生素的不合理使用，動物的抗藥性及藥物殘留對食品安全及人類健康產生了巨大的威脅，因此，尋求能夠替代抗生素的天然、無副作用的動物飼料添加劑成為近些年動物營養界研究的重點領域之一。

植物提取物是以植物為原料，經過一系列物理化學提取過程，得到的一種或多種有營養活性成分的混合物。研究表明，植物提取物具有抗菌、促生長、提高免疫力和抗氧化等功能，從而在醫藥、飼料添加劑等領域得到廣泛關注。每種植物中都含有多種成分，其中主要包括有生物堿類、揮發油類、皂苷、單寧及多糖等幾種。本文主要介紹植物提取物在反芻動物飼養中的應用，并對目前存在的問題加以討論。

1 植物提取物在反芻動物飼養中的應用

植物提取物的種類繁多，活性成分復雜，具有多種功能。目前研究發現一些植物提取物可以提高飼料適口性，改善飼料消化率，降低糞便及肥料中不良氣味。同時也有研究表明，植物提取物具有調控甲烷產量，延緩蛋白質降解，改善瘤胃發酵的功能［5－13］。近年來，植物提取物作為飼料添加劑在反芻動物營養研究主要集中在提高采食量和飼料消化率、抑制甲烷生產、提高過瘤胃蛋白數量、調控瘤胃脂肪酸發酵模式及改善產品品質上。

1.1 提高采食量和飼料消化率

動物的采食量和飼料消化率直接影響攝入到動物體內營養物質的數量及被利用的效率，進而影響動物的生產性能。為了提高動物的采食量和飼料消化率，在生產實踐中除了考慮飼料原料的質量及配合方式外，天然的飼料添加劑也逐漸被廣泛應用于生產實踐中［14］。眾多研究顯示，植物提取物能夠提高反芻動物的采食量和飼料消化率。

Laswai等［15］研究顯示，給 Boran(一種非洲牛品種)閹牛飼喂五葉銀蓮花提取物，經10 d預飼后干物質(dry matter，DM)采食量提高了 5.4%，DM、有機物(organic matter，OM)以及中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)的消化率分別提高了 13.2%、10.8%、19.8%，均達到顯著水平(P ＜0.05)。Salema等［16］將垂柳和銀百合的提取物以30 mL/d的劑量添加到羔羊的全混合日糧(total mixed ration，TMR)中，研究其對 DM、OM采食量及消化率的影響。結果顯示，與對照組相比，3期試驗后(每期21 d)垂柳添加組的DM、OM的平均日采食量分別由1 039、912 kg提高到1 104、966 kg，消化率分別由 81.0%、82.1% 提高到 85.2%、86.0%，均達到顯著水平(P ＜0.05)。同時，粗蛋白質(crude protein，CP)和粗脂肪(ether extract，EE)的采食量和消化率也顯著提高(P＜0.05)。植物提取物之所以能提高反芻動物對飼料的采食量和消化率，可能是因為提取物的添加改善了飼糧的適口性，同時改變了瘤胃微生物菌群，使得降解粗飼料的微生物數量增多，從而改善了其發酵類型。

植物提取物的作用效果與飼糧類型有關。Chaves等［17］和 Kruegera 等［18］研究發現，將由洋薊素和葫蘆巴提取物制成的商品添加劑添加到高精料的荷斯坦奶牛的飼糧中，與對照組比較，采食量有所提高，但未達到顯著水平(P＞0.05)。Molero等［19］將植物精油添加到小母牛的飼糧中，結果顯示在高粗料飼喂條件下，CP的消化率低于對照組。研究者認為，造成采食量變化不顯著或消化率下降的原因可能是由于高精料或高粗料的飼喂影響了瘤胃的正常發酵。

1.2 抑制甲烷的生成

甲烷是一種長壽命溫室氣體，每年家畜所產生的溫室氣體大約占溫室氣體排放總量的18%，其中73%是反芻動物所排放的，而瘤胃發酵產生的甲烷占反芻動物甲烷總產量的90%以上。甲烷的產生是瘤胃發酵能量損失的主要原因，依據飼養水平、飼糧組成等的差異，以甲烷形式損失的能量占飼料總能的2% ～15%［20］。因此，研發新的植物提取物添加劑，抑制瘤胃甲烷產生，不僅能夠降低反芻動物甲烷生成對環境的影響，而且可以減少瘤胃發酵過程中的能量損失，提高飼料的利用率。

研究顯示，植物提取物單寧具有降低瘤胃甲烷生成的作用。Carulla等［21］分別以三葉草和苜蓿為發酵底物，研究富含縮合單寧的黑荊樹提取物(0.615 g/g)對甲烷生成的影響，結果顯示，甲烷生成量較對照組平均下降13%。Puchala等［22］分別用胡枝子和牛茅草替代部分飼糧飼喂安哥拉羊，結果顯示，胡枝子組較牛茅草組甲烷生成量極顯著降低(P＜0.01)，造成如此大差異的原因在于二者縮合單寧含量不同：胡枝子中縮合單寧含量達到17.7%，而后者含量只有0.5%。單寧降低甲烷產量的可能機制有以下2方面：一是直接抑制產甲烷菌和原蟲的活性;二是單寧與纖維形成復合物，降低了纖維的降解率，從而減少了用于甲烷合成的氫氣的產生，間接抑制了甲烷的生成。

植物揮發油在單胃動物上已經被廣泛用作添加劑，但近來的研究發現，植物揮發油也具有降低瘤胃甲烷產量的作用。Bodas等［23］在研究植物提取物對瘤胃發酵的影響時，篩選的樣品中有35種提取物使甲烷產量平均降低15%，其中6種富含植物油的提取物達到25%以上，而這些提取物對瘤胃發酵的其他指標并無顯著影響。揮發油作用的機制可能是脂類的揮發油通過與細菌的細胞膜相互作用，尤其對革蘭氏陽性菌，破壞其細胞結構而影響產甲烷菌和原蟲的繁殖，從而減少甲烷的生成。

大量研究結果顯示，皂苷能改變瘤胃微生物發酵模式，對瘤胃細菌、產甲烷菌和原蟲等有不同的作用。Hu等［24］以玉米面和干草粉為發酵底物，經24 h發酵后，添加1%、2%、3%、4%的茶皂苷后甲烷含量分別降低了13%、22%、25%、26%，且原蟲數量相應地降低了19%、25%、45%、79%。也有學者報道茶皂素能夠減少原蟲數量和甲烷產量，對產甲烷菌卻沒有影響。Mao等［25］將茶皂苷以3 g/d的劑量添加到50日齡的羊羔飼糧中，經過2個月的飼喂后，平均日產甲烷量減少了27.7%，顯著低于對照組(P ＜0.05)，且原蟲數量減少了41%，但產甲烷菌數量沒有變化。這些研究結果說明，皂苷的抗原蟲作用是減少甲烷生成的一種潛在機制，推測可能是由于皂苷與原蟲細胞膜中的膽固醇結合，改變了原蟲細胞膜的通透性，使原蟲細胞膜破裂而最終減少瘤胃原蟲數量。因產甲烷菌和原蟲存在共生關系，原蟲數量的減少降低了產甲烷菌賴以生存的底物氫的濃度，間接抑制了甲烷的產生。

1.3 提高過瘤胃蛋白數量

反芻動物攝入飼糧中的蛋白質，一部分在瘤胃中被微生物降解并用于合成微生物蛋白質，一部分飼糧的瘤胃非降解蛋白質和瘤胃微生物蛋白質進入小腸，被消化、吸收和利用。由于瘤胃微生物蛋白質合成量有限，微生物的降解作用造成了飼料中優質蛋白質的大量損失，因此，通過瘤胃調控，降低蛋白質的瘤胃降解率是提高飼料蛋白質利用率的途徑之一。研究表明，植物提取物可通過不同的途徑提高過瘤胃蛋白的數量。

植物提取物可與蛋白質結合形成不易被瘤胃微生物降解的復合物，從而提高過瘤胃蛋白的數量。單寧是一種天然的過瘤胃蛋白保護劑，在瘤胃發酵過程中，pH在5～7時單寧和蛋白質結合成穩定的復合物，不易被瘤胃微生物降解。當復合物流經真胃(pH 2.5)和小腸(pH 8～9)時，蛋白質與單寧分離，被胃蛋白酶和胰蛋白酶分解成容易被機體吸收的小分子物質，即起到過瘤胃保護作用［26－27］。張曉慶等［28］用尼龍袋法測定了經6 個濃度(0、5%、10%、15%、25%、35%)單寧酸水溶液處理的高蛋白質豆粕(CP含量為45.46%)和3組不同單寧含量的紅豆草飼糧在綿羊瘤胃中的蛋白質降解率，結果顯示，隨著單寧含量的增加，蛋白質的降解率逐漸降低。當綿羊飼糧中每千克干物質含3.4 g單寧時，氮的存留率比不含單寧處理的氮的存留率提高了40.7%，而且此水平的單寧對氮的消化率和瘤胃細菌蛋白質合成無負面影響。

植物提取物可以通過抑制原蟲或與蛋白降解有關的微生物的生長，從而減少蛋白質在瘤胃中的降解。Alexander等［29］報道，在對辣木籽(皂苷含量40.9 g/kg DM)和胡黃連根(單寧含量97.6 g/kg DM)的提取物進行體外發酵時，二者瘤胃液氨態氮濃度分別降低了14%和35%，且不影響飼料消化率。可能的機制在于，提取物抑制了瘤胃內的氨化菌的繁殖。Hu等［24］將皂苷以1%、2%、3%、4%添加到發酵底物中，24 h發酵后，原蟲數量分別降低了19%、25%、45%、79%。原蟲在瘤胃內持續地分泌脫氨酶，此酶能將瘤胃中的蛋白質降解生成氨態氮，而茶皂苷具有抑制瘤胃原蟲繁殖的作用，植物提取物通過抑制原蟲的生長而間接降低過瘤胃蛋白的降解。

植物提取物可增加瘤胃微生物對氨態氮的利用，即提高微生物蛋白質合成效率，從而提高過瘤胃蛋白的數量。Alexander等［29］將辣木籽(皂苷含量40.9 g/kg DM)以2 mg/mL添加到白三葉底物中進行體外發酵，經24 h發酵后，和對照組比較，氨態氮濃度降低了13.6%，同時微生物蛋白質合成量提高了44%。氨態氮濃度降低的原因可能是微生物提高了對氨態氮的攝取和利用。

1.4 調控瘤胃發酵模式

乙酸/丙酸值在一定程度上反映了瘤胃發酵類型，常被用于飼糧的比較和相對營養價值的評定，在生產實踐中也常作為調節精粗料飼喂比例的參考。植物提取物的添加可降低乙酸/丙酸值，提高丁酸的含量，可以在一定程度上維持反芻動物葡萄糖代謝平衡，特別是高粗料飼糧，可以緩解葡萄糖合成不足而導致的一些問題［30－31］。

Alexander 等［29］將 辣 木 籽(皂 苷 含 量40.9 g/kg DM)以2 mg/mL添加到白三葉中進行體外發酵試驗，結果顯示辣木籽組乙酸的產量降低了14%，而丙酸產量無顯著變化(P＞0.05)，從而降低乙酸/丙酸值。Devant等［32］給高精料飼養的荷斯坦公牛飼喂適量的洋薊、刺五加和葫蘆巴混合物的提取物，與對照組相比，提高了瘤胃丙酸比例，且這種效果在高精料飼喂的情況下更顯著。上述試驗研究中所用植物提取物的活性成分主要是皂苷，皂苷對纖毛原蟲、纖維素分解菌等有很好地抑制作用，而這些細菌在瘤胃內主要合成乙酸，這些微生物數量的減少影響了乙酸的生成，從而使乙酸/丙酸值降低。

茶皂素調控瘤胃發酵還存在另一種可能的機制。Zhou等［33］將茶皂苷以3 g/d添加到湖羊飼糧中，經3周的飼喂后，丙酸產量顯著增加(P＜0.05)，而乙酸/丙酸值降低。經16S rDNA檢測，產甲烷菌數量也顯著降低(P＜0.05)。丙酸含量之所以增加可能是因為茶皂苷提取物選擇性地改變了瘤胃微生物區系，抑制了瘤胃產甲烷菌活性后，瘤胃內過剩的氫被用作丙酸的合成，從而提高了丙酸濃度。

植物提取物對瘤胃揮發性脂肪酸(VFA)的調控不僅和提取物的種類有關，還和瘤胃內環境及提取物添加量有著密切的聯系。Spanghero等［34］試驗結果表明，揮發油主要在酸性的瘤胃環境中(如pH 5.5)對瘤胃發酵的VFA組成產生影響，即揮發油主要在高精料飼喂情況下對瘤胃微生物起著選擇性抑制作用。Busquet等［35］研究大蒜對體外發酵的影響時發現，添加312 mg/L大蒜油時，總揮發性脂肪酸(TVFA)濃度反而會下降，隨著添加劑量增加，VFA的產量及組成并沒有發生變化。這可能是由于長期的添加導致瘤胃微生物有了一定的適應性而最終減弱了添加效果。

1.5 改善畜產品品質

隨著生活水平的提高和膳食健康意識的增強，人們對畜產品的追求逐漸由數量轉為對品質的追求。生產上常用的化學合成防腐劑不僅增加了生產成本，而且合成添加劑的使用也影響肉質的風味。目前，植物提取物作為一種天然的添加劑，已被廣泛用于改善畜產品品質。

Rituparna等［36］將椰菜粉提取物以 1.0%、1.5%和2.0%的比例添加到羊肉中研究其對肉質的影響，設二丁基羥基甲苯添加組為對照組，結果顯示，添加1.5%和2.0%試驗組的羔羊肉pH降低的速度顯著低于對照組(P＜0.05)，說明提取物有抑制肌糖原降解的作用;硫代巴比妥酸反應物含量也顯著低于對照組(P＜0.05)，且2.0%的添加量效果最好。Gema等［37］的試驗得到了相同的結果，將百里香葉的提取物添加到母羊的飼糧中(3.7%和7.5%)，研究其對所產羔羊羊肉品質的影響，結果顯示，試驗組羔羊肉顏色變暗的時間較對照組顯著延長(P＜0.05)，脂肪的氧化腐敗和有害菌的數量也顯著低于對照組(P＜0.05)，同時獲得較好的感官品質。研究認為，植物提取物發揮其抗氧化作用與其含的酚類物質有關。酚類物質可能通過在油脂氧化的不同階段，減少脂肪氧化第一步產生過氧化物基團的氫供體——羥基基團，從而終止油脂氧化鏈反應過程中的某個環節。

在貯存銷售條件下，植物提取物也具有改善肉品質的作用。Sancho等［38］將迷迭香提取物以600 mg/kg飼糧的劑量添加到新生羔羊飼糧中，羔羊飼喂至2月齡屠宰，研究提取物在零售條件下(70%O2，30%CO2，溫度 2 ℃;光照 1 600 lx)對羔羊肉品質的影響。結果顯示，經21 d儲存后，添加組的硫代巴比妥酸反應物顯著低于對照組(P＜0.05)，嗜寒性細菌總數顯著低于對照組(P＜0.05)，雖然 pH 沒有顯著差異(P ＞0.05)，但添加組pH較對照組穩定。

2 植物提取物研究中存在的問題

隨著近年來國內外學者的大量試驗研究，在植物提取物的活性成分、特點及其在畜禽養殖上的應用等方面取得了很多研究進展，為畜牧業的發展提供了重要參考，但仍然存在很多問題亟待解決。

2.1 植物提取物有效成分的加工工藝需要規范

不同來源、不同種植條件的植物提取物在組成、含量、比例上差異很大。每一種植物中往往含有30種以上的成分，而主要活性成分通常只有4～6種，且每種成分之間存在著協同或者拮抗作用，所以很難確定真正起作用的成分。Bodas等［23］從450種植物中篩選能夠調控瘤胃發酵的品種，結果只有35種能夠降低15%甲烷產量，其中只有6種能夠降低25%的甲烷產量。

目前，市場上的植物提取物大多都是按照比例提取，提供的產品參數比較籠統，同時由于植物提取物組分種類復雜、差異大，嚴重阻礙了植物提取物的應用研究。盧德勛等［39］提出的“營養活性物質組學”理論為植物提取物應用研究提出了一個新思路，即應用膜分離技術、樹脂分離技術以及現代色譜技術等營養活性物質加工工藝和分析手段，確定植物提取物產品的活性成分圖譜，研究各活性成分的組合效應。該工藝的提出既降低了研究單一組分作用的工作量和成本，同時也避免了因缺少行業規范而出現的不同產品之間的差異性，極大地促進了植物提取物的研究進展。

2.2 植物提取物作用效果研究不夠深入，作用機理不明確

目前，對于植物提取物在反芻動物生產中的應用研究，主要是通過體外模擬瘤胃內環境的試驗方法來完成，例如產氣量法、連續培養等。雖然體外法能夠直觀地反映提取物對瘤胃發酵的調控效果，但反芻動物的瘤胃內環境復雜，影響因素多，變化快，體內環境和體外環境存在著較大的差異，已有報道動物飼養試驗的效果并沒有體外試驗顯著。Zhou等［33］將茶皂苷添加到湖羊飼糧中，添加的前6 h內表現出很好的抑制甲烷生成的作用，但10 h后甲烷產量逐漸恢復到對照組水平。可能是植物提取物因其自身不穩定，在瘤胃內被微生物逐漸降解，或是隨著時間延長，微生物對提取物產生了抗性和適應性，導致達不到預期的添加效果。

2.3 安全問題沒有引起重視

某些植物原料本身對動物具有毒性，如起抗菌、殺蟲作用和激素樣作用的植物對動物存在一定的安全隱患。單寧、揮發油等提取物存在一定的抗營養作用，如果添加過量反而會降低動物采食量，對瘤胃發酵起負作用。目前，有關植物提取物作用的研究多集中在功效方面，植物提取物及其代謝產物作為飼料添加劑的安全問題還沒有引起重視。因此，在研究植物提取物的作用及制定質量標準時，應更多的開展動物飼養試驗，以確定準確、安全的添加劑量。

3 小結

植物提取物作為一種綠色新型的添加劑，在降低甲烷產量、過瘤胃蛋白的保護、調控瘤胃發酵、改善畜產品品質上確有很好的應用前景，但由于提取物的純化、活性成分的確定等限制了對其作用機理的深入探索。隨著現代生物技術、分子營養技術等的不斷提高，限制植物提取物應用的問題將逐步解決。我國植物資源豐富，植物提取物作為反芻動物營養調控劑的理論研究和生產應用將會不斷深入，植物提取物也將最大限度地發揮在畜禽營養方面的調控作用。

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