植物精油在水產養殖中的研究進展

■劉玉廷 劉文舒 郭小澤 陳彥良 唐艷強 肖海紅 黎德兵 李思明*

（1.四川農業大學動物科技學院，四川成都611130；2.江西省農科院畜牧獸醫研究所，江西南昌330200）

我國是水產養殖大國和水產品貿易大國，每年生產抗生素原料約21萬噸，其中約9.7萬噸用于養殖業，水產養殖抗生素濫用達1萬噸/年。抗生素濫用嚴重將破壞水域微生態穩定，導致水環境中細菌、病原菌耐藥性增強，甚至將誘導耐藥菌株/質粒向人體轉移，進而可能誘導成為超級耐藥細菌[1]。同時，由于越來越嚴格的國外綠色壁壘攔截及國家綠色養殖、綠色生產的號召，水產品銷售深受抗生素影響。因此，全面減少乃至禁止水產養殖抗生素飼用勢在必行。

為應對集約化生產與抗生素濫用帶來的危害，植物精油成為替代抗生素的熱門選擇。在生產方面，植物精油具有資源豐富、安全、無毒等優點[2]，在應用方面，植物精油可以作為免疫和生理反應的調節劑，具有抗應激、抗氧化、促進胃腸道健康和治療的優點[3-4]。當前，植物精油的研究方向大多集中在畜禽養殖方向，在水產養殖上的研究相對較少，但有限的信息讓人們知道植物精油對魚的健康具有潛在的促進作用。故本文對植物精油的組分特性，及其對水產動物生產性能、免疫、健康的影響進行闡述，并探討了精油的作用機制及推廣應用中存在的問題，為水產養殖中的應用提供參考。

1 精油的組成及特性

植物精油（Essential oils，EOs）被 Paracelsusvon Hohenheim稱為“本質”，強調了它們在生物學功能中的重要性[5]。精油一般是以芳香族植物的各個部位包括葉子、花、果實、種子、芽、莖、根、樹皮為原料，通過蒸餾、萃取等方式獲得的一種具有芳香特征的揮發性液體，他們可溶于脂類和有機溶劑，不溶于水，密度一般比水低[6]。植物精油的化學成分極其復雜，可歸納為四大類，其中最為常見且量最多為萜類，主要包括單萜、倍半萜跟雙萜，如檸檬烯、β-欖香烯、薄荷酮等；芳香族類是排名第二大類的化合物，主要是一些酚類、醛類、酮類、酯類、萜源衍生物及苯丙環類衍生物，如百里酚、丁香酚等；脂肪族化合物在植物精油中量很少，常見的有異戊醛和異戊酸；含氮含硫化合物則主要見于辛香料植物中，如大蒜精油中的大蒜素[7-8]。

精油所含化學成分的種類、所占比例的不同是導致精油生物學功能性差異的主要原因。一般來說，每一種精油可能含有數十種不同的成分，其中有2～3種成分所占比例較大，這2～3種主要的成分決定了精油的生物學特性。如柑橘皮油中因含檸檬烯（80%），具有良好的鎮咳、祛痰、抑菌作用，在臨床上可用于利膽、溶石、促進消化液分泌和排除腸內積氣；牛至致密油含香芹酚（30%）和百里香酚（27%），而具有殺菌、抗病毒、驅蟲的作用。此外，研究發現精油成分間具有協同作用，主要表現在兩個方面：一是多靶位效應。Galindo等[9]對丁香羅勒精油中丁香酚、1，8桉葉素和反噬石竹烯三種主要組分進行單獨試驗和精油試驗，結果表明丁香羅勒精油的生物學效應是多元化化合物協同作用的結果，單一組分不具有免疫應激的作用。二是“藥代動力學效應”。貫葉連翹精油（金絲桃素）曾被認為是抗抑郁藥的主要制劑，但由于受單胺氧化酶（MAO）抑制，表現出生物利用度低的結果，Butterweck等人[10]在小鼠游泳實驗中證明，金絲桃素結合茶多酚、兒茶素、蘆丁后均有極強的抗抑郁效果；顛茄提取物具有較強的藥物療效，在于其黃酮類物質可促進其他活性物質吸收利用，這種“藥代動力學的協同效應”在實際生產中得到應用。

2 植物精油對水產動物的影響

2.1 植物精油對水產動物生產性能的影響

水產動物的攝食行為主要依靠其靈敏的嗅覺系統和味覺系統，尤其是魚類的味蕾幾乎遍布其全身各個部位。植物精油添加到飼料中散發出濃郁的香氣，感染到周圍水環境從而刺激水產動物的嗅覺器官，誘導主動進食。進食后又可以刺激味覺器官促進采食并且使胃腸道興奮，促進膽汁、消化道黏液、消化酶分泌來改進營養物質吸收，從而提高對飼料的消化利用率，提高了水產動物的生產性能。如表1所示。王猛強等[15]在研究精油補償代謝時發現：植物精油（柑橘油、牛至油等的混合油）可以補償低含量魚粉飼料造成的生長阻礙，同時蝦的生長性能如增重率、特定生長率、蛋白質效率均有1.1%的提升，而Kim等[16]研究發現牛至油、芬多精油不能改善南美白對蝦的生長性能、死亡率和白腿蝦肉產量。Acar等[17]通過實驗發現飼料中添加柑橘精油（主要成分檸檬烯）會顯著降低羅非魚血清中葡萄糖、甘油三酯、總膽固醇的含量，并且提升蛋白質含量；Wigraiboon等[18]研究魚腥草油對紅羅非魚影響時也發現：精油不僅可以促進生長指標，還可以提高魚肉蛋白質含量，降低脂質含量，改善魚肉品質，這是由于精油中烯類化合物可以提高參與肝脂肪代謝和脂肪細胞分化的過氧化物酶增殖激活受體的活性，并能降低LXRβ的表達水平來防止脂肪積累，此外精油中羥基團可直接淬滅自由基，降低脂質氧化的可能，提升魚肉品質[19]。Zheng等在研究牛至油對鯰魚免疫影響時發現，牛至油不僅可以提高鯰魚的抗氧化能力，抗嗜水氣單胞菌感染力，還可以促生長、改善肝胰腺指數、臟體比和肥滿度[20]，而飼料添加過江藤油對鯰魚生長性能無影響[21]，這可能由于不同精油有效成分的不同造成結果的差異。

2.2 植物精油對水產動物免疫的影響

免疫調節機制是維持機體內環境穩定的關鍵，對于機體的各項功能的正常運行有重要的意義。植物精油因其免疫抗氧化的作用廣泛的應用于水產養殖中，植物精油的抗氧化作用表現在可以參與調控免疫細胞，增加免疫受體、免疫相關酶的活力，減少對機體組織、細胞和器官的損傷，從而影響動物的免疫系統[19，22]。如表2所示。研究表明，建鯉的飼料中添加牛至油，將顯著提高血清中抗氧化酶的含量，清除過量的自由基對機體的侵害及提高自身抗氧化免疫能力[23]，Emh S等[21]發現過江藤油盡管沒有改善生長或血液參數，但通過降低脂質過氧化作用，增加糖原和乳酸儲備，增強了組織抗氧化能力。檸檬馬鞭草精油通過提高血清超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和非蛋白巰基，降低銀鯰魚的應激反應[24]，而白千層精油對銀鯰魚肝、腎功能生物標志物血液參數均無改善效果[25]，隨后Baldissera等[26]發現白千層精油可通過膽堿能系統，影響乙酰膽堿（Ach）分泌從而抑制炎癥，從分子水平增強銀鯰魚抗氧化能力。Da Silva等[27]也表明肝膽堿酯酶在其他細菌病原體的免疫反應的調節中發揮重要作用，而且反應體系中腺苷脫氨酶是先天的內源性免疫調節因子，保護宿主組織免受過度損傷，對T淋巴細胞增殖起重要作用[28]。精油成分不僅可以增加抗氧化活性，還可以有效地促進血液中免疫球蛋白提高。Ngugi等[29]在研究野檸檬精油對鯪魚感染嗜水氣單胞菌的影響時發現，血清中免疫球蛋白、溶菌酶及呼吸爆發活性白細胞、中性粒細胞等指標都有所增加，可以減弱細菌對腸道、免疫器官帶來的損害。

2.3 植物精油對水產動物健康的影響

2.3.1 對水產動物腸道健康的影響

腸道是營養物質消化吸收的主要場所，它的結構（長度、重量、腸道絨毛數量）和內部菌群是影響消化吸收率的主要內在原因，對機體的生長發育起著關鍵作用，棲息環境和餌料的選擇對機體腸道結構變化和腸道菌群分布影響顯著。在飼料中添加香芹酚和百里香酚會使羅非魚腸道絨毛數量提升并加速成熟的腸上皮細胞更新，從而增加了與營養物質接觸的表面積，促進了營養物質的吸收；兩者單獨使用，均可減少虹鱒腸道總厭氧菌數量，增加虹鱒腸道乳酸桿菌數量，促進腸道微生物多樣性[11，30]。王猛強等[15]通過透射電鏡觀察中腸超微結構發現，與未添加植物精油組相比，飼料中添加植物精油（柑橘油、牛至油等的混合油）能顯著改善凡納濱對蝦腸道絨毛脫落狀況，這可能與精油能有效抑制對蝦腸道有害細菌，調節菌落的平衡，提高營養吸收效率有關。Zeppenfeld等[24]從組織免疫學分析研究發現飼料中添加檸檬馬鞭草可使得腸道褶皺高度跟數量明顯高于對照組，試驗組腸上

皮細胞、杯狀細胞密度更高，并且刺激腸道中各種消化酶的分泌，改善動物的消化吸收功能。植物精油對不正常菌生長起到顯著的抑制作用，如牛至油、肉桂油對大腸桿菌、腸出血性大腸桿菌、致瀉性大腸桿菌均有抑制作用，而且對黃曲霉的抗菌效果遠遠優于抗生素，牛至與肉桂復配的結果表明，其對腸道致病菌的抑制效果表現為相加作用，可與抗生素媲美，且具有抗生素不可替代的抗真菌效果[31]。因此，植物精油可以改善腸道形態，選擇性抑制某些有害菌群，促進其他有益菌的生長，維系腸道系統的穩定性，從而有助于營養物質的吸收。

表1 植物精油對水產動物生長性能的影響

表1（續） 植物精油對水產動物生長性能的影響

表2 植物精油對水產動物免疫功能的影響

表2（續） 植物精油對水產動物免疫功能的影響

2.3.2 對水產動物疾病防治作用

植物精油因具有廣譜抗菌性已受到科學家的熱切關注，其不僅可以有效防止飼料保存過程中青霉菌、曲霉菌等霉菌的滋生，還能調控機體內大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌等有害菌的增長，目前植物精油已廣泛應用于水產動物疾病防治中。Thomas等[32]給胡鯰肌肉注射印度苦楝油乳劑，可有效防治嗜水氣單胞菌引起的潰瘍性病變；Baba等[33]研究發現柑桔精油對愛德華病菌具有很強的抑制活性，日糧中添加0.5%柑桔精油可以使羅非魚相對存活率達到54.20%，而且血清中白細胞吞噬率、血清溶菌酶、過氧化物氫酶水平都顯著提升，并在一定程度上改善了腸道黏膜免疫系統。同樣的，用添加茶樹油的飼料飼喂銀鯰魚發現，50 μl/l的茶樹油可延長并治療感染嗜水氣單胞菌魚的壽命，治愈率達88%[34]，另外Baldissera等[26]利用茶樹油抵制嗜水氣單胞菌的研究發現，茶樹油可通過影響膽堿能系統，抑制炎癥的方式來抵制嗜水氣單胞菌的感染，同時產生抗氧化酶，如CAT和超氧化物歧化酶，以清除過量的自由基，減輕細菌引起的肝損傷。綜合上述研究結果，動物感染致病菌后，植物精油（檸檬烯、γ-松油烯等萜類化合物）自身不僅可以抑制病原菌的過度繁殖，還可進一步調控腸道系統和免疫系統減少炎性滲出，抵抗病原菌的侵害。

植物精油除了具有抑制病原微生物的作用，對防治寄生蟲也具有一定的積極作用。據報道，丁香羅勒精油（丁香酚）可以緩解大蓋巨脂鯉感染寄生蟲的病情[39]。Soares等[36]也發現檸檬馬鞭草精油（傘花烴、檸檬烯）可以提高魚抗寄生蟲活性，但高濃度精油會對魚造成嚴重或不可逆轉的損害，表現在血管擴張脫離，黏液細胞和氯細胞的增生、壞死和板層肥厚等；研究結果顯示紅細胞數量、血紅蛋白及紅細胞壓積降低誘發出血性鰓病的產生，嚴重者引起肝動脈變化，對魚造成不可逆損害。所以，在植物精油大面積推廣前，要做好臨床試驗，進一步探究作用機理及用量水平。但不可否認，植物精油的應用為水產動物疾病防治開辟了一條新的途徑。

3 植物精油的作用機理

3.1 抑菌作用

植物精油的抗菌活性并不能是一個獨特的作用機制，而是一系列涉及整個細菌細胞反應，這些特性被稱為“精油通用性”。一般來說，植物精油可以抑制細菌細胞的生長，也能抑制有毒細菌代謝物的產生。植物精油和/或其成分不僅能夠破壞細胞膜形態結構，還影響細菌中的蛋白質的活性。如香草酚、香芹酚、丁香酚等酚類化合物不僅能增加大腸桿菌細胞膜飽和C16、飽和C18脂肪酸量，降低不飽和脂肪酸的量，還會影響參與脂肪酸合成的脫氫酶的活性，加大生物膜通透性，進而影響細胞膜的生理功能[37]；肉桂醛一方面結合細胞分裂蛋白（FtsZ），擾亂其反應進程，另一方面抑制GTP水解速率，減弱其裝配動力，最終達到抑制蠟樣芽孢桿菌細胞分離的目的[38]。Domadia等[39]研究發現麝香草酚可以影響參與谷氨酰胺轉運的相關酶的表達，并且下調與DNA結合的蛋白H-NS、50S核糖體蛋白L7/L12的表達，最終達到抑制細菌蛋白質合成的目的。

此外，Turgis M等發現植物精油滅菌可能與電子流有關，植物精油和/或其成分通過破壞細胞膜改變細胞內外ATP[40]，繼而細胞內無機磷酸鹽流失，K+和H+等基本離子的失衡，導致質子動力發生變化，進一步加劇細胞內ATP耗竭。對一些病原體如大腸桿菌和單核細胞增生李斯特氏菌的治療時發現，丁香酚、肉桂醛、香芹酚可抑制葡萄糖產生三磷酸腺苷的活性，繼而破壞細胞膜結構，從細胞內、外ATP水平分析，肉桂醛、香芹酚不僅影響細胞膜ATP酶活性，還影響ATP轉運蛋白酶(F1F0-ATP)的活性[41]。最新研究表明，植物精油和/或其成分還可以從分子水平上抑制細菌毒力因子和/或賦予抵抗細菌的細胞，來減少病原體的運動和侵襲。Sutili等[42]發現植物精油不僅可以抑制細胞膜的形成，還可以通過抑制溶血素產生外毒素，減少細菌的致病性。Qiu等[43]研究表明，亞抑菌濃度的紫蘇精油可以抑制金黃色葡萄球菌的毒力因子腸毒素A型、B型和α毒素的基因表達。Brackman等[44]利用秀麗隱桿線蟲線蟲模型，表明3,4-二氯肉桂醛通過影響LuxR調控蛋白降低群體感應系統，從而降低V.harveyi和創傷弧菌、鰻弧菌對黏膜系統的侵附，降低毒性。

3.2 抗炎作用

研究證實，植物精油的抗炎抗氧化作用會影響動物的免疫系統。它們參與調控細胞因子與轉錄因子的信號轉導通路，從分子水平上抑制促炎基因的表達。一氧化氮(NO)、前列腺素和細胞因子都參與了炎癥反應。核因子-κB（NF-κB）和絲裂原活化蛋白激酶（MAPKs）通過調控環氧化酶-2（COX-2）和誘導型一氧化氮合酶(iNOS)來誘導合成NO和前列腺素的一氧化氮合酶和環氧合酶。Kroismayr等[45]發現低濃度植物精油顯著降低NF-κB和細胞凋亡中標記腫瘤壞死因子α的表達及增加結腸、腸系膜淋巴結和脾臟中細胞周期蛋白D1的表達，加快抗炎進程，實現了對這些細胞因子的調控。檸檬烯也通過誘導細胞內活性氧（ROS）產生、降低線粒體膜電位（MMP）、抑制環氧化酶-2（COX-2）和白細胞介素-6（IL-6）的表達等相關途徑發揮抗癌作用[46]。利用廣藿香醇對小鼠巨噬細胞處理時發現，它的抗炎過程是通過下調TNF-α、IL-1β、IL-6、誘導型一氧化氮合酶（iNOS）和COX-2的表達等方式實現的[47]。

4 植物精油在水產養殖中的推廣瓶頸與展望

植物精油的投放使用不僅合理的利用資源，還為水產養殖業的健康發展提供的保障。從上述論述中我們可以發現，相同的精油對不同物種的生長免疫表達不同[16-17]，同一物種對不同精油的生長免疫表達亦不同[21，25-26]；精油試驗添加量最大達到6 000 mg/kg，有效劑量是藥物添加劑幾倍甚至幾十倍[12]，而且由于精油的不穩定性，試驗劑量與實際生產的劑量也存在差異，并且過量投放還會引起動物自身的不良反映，故后續的研究可以分為兩大方面：一是減少植物精油在加工和投餌時的損耗，同時提高植物精油在水產動物腸道精準釋放。結合精油的不穩定性，可以加深微膠囊包被技術的研究。二是對于復雜成分的精油，我們還需對單一成分進行提煉研究，探究精油間如何配伍，以提高生物活性等問題，同時從分子、基因水平深度研究精油抗菌、抗病毒的作用機理，尤其是水產動物領域，積極開發新型復方精油并對精油進行臨床安全性評價試驗。總之，完善植物精油水產養殖中的開發與研究，將更好地促進水產行業的可持續發展。