植物精油在肉牛生產中的應用及其作用機制

易 鑫 周振明 吳 浩

(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)

植物精油是從植物的花、芽、種子、葉、樹皮及根等部位通過溶劑浸提、分子蒸餾、蒸汽蒸餾、超臨界二氧化碳萃取等方法提取的植物體次級代謝產物[1]。由于次級代謝物源于初級代謝的不同前體，通過不同的代謝途徑合成，因此次級代謝物是含有各種成分的混合物，包括酚類、酮類、酯類、醛類、萜類和苯丙素類等。其中最主要的化合物有2類：來源于甲羥戊酸和脫氧核糖酯的萜烯類和來源于莽草酸途徑的苯丙素類[2]。近年來，植物精油被引入飼料行業中并得到廣泛應用。最初在單胃動物上開展研究，結果表明植物精油能夠提高畜禽生長性能以及機體抗氧化和免疫能力[3-6]，而后延伸到復胃動物。在肉牛上的研究表明，植物精油具有提高肉牛生長性能、調控瘤胃發酵、降低甲烷(CH4)產量及改善牛肉品質等作用[7-10]。并且，植物精油來源廣泛，綠色安全，在肉牛生產中發展潛力巨大，應用前景廣闊。本文綜述了植物精油在肉牛生產中的應用及其作用機制。

1 植物精油對肉牛生長性能和營養代謝的影響

植物精油是揮發性芳香物質，有研究表明植物精油會對動物適口性產生影響[11-15]。適口性不好的植物精油會降低動物的采食量，適口性好的植物精油則會增加動物的采食量。研究表明，在肉牛飼糧中添加混合植物精油能在不影響飼料轉化率的情況下提高采食量[16-17]。Yang等[18]研究了肉桂醛對肉牛的劑量效應，結果發現，飼糧中添加0.40 g/d的肉桂醛有提高肉牛采食量的趨勢，而飼糧中添加1.60 g/d的肉桂醛則有降低肉牛采食量的趨勢。與此同時，也有結果表明飼糧中添加植物精油對肉牛采食量沒有顯著影響[19-20]。在目前的管理體制下，莫能菌素作為飼料添加劑逐漸退出肉牛飼養過程。Geraci等[21]研究發現，在肉牛飼糧中添加植物精油與添加莫能菌素的作用效果沒有顯著差異，表明植物精油可以作為肉牛飼養過程中潛在的抗生素的替代物。

蛋白質是反芻動物飼糧中最昂貴的成分，飼養過程中可以通過減少瘤胃蛋白質降解或增加瘤胃微生物對氮的利用來減少蛋白氮的損失，提高生長性能。反芻動物瘤胃中的氨態氮主要由高產氨菌(hyper ammonia-producing bacteria，HAP)降解飼料中的含氮化合物生成，所有已知的HAP都是革蘭氏陽性菌，并且對莫能菌素等離子載體高度敏感[22]。Onel等[9]用瑞士褐牛進行體外產氣試驗發現，發酵底物中添加月桂油能夠降低氨態氮濃度。Ferme等[23]研究發現，在體外瘤胃模擬系統中添加肉桂醛可以減少普雷沃氏菌屬(Prevotella)的相對豐度，這是一組已知的HAP。同時，也有其他試驗證實了植物精油對普雷沃氏菌屬的抑制作用[24-25]。除此之外，還有結果表明植物精油可以通過抑制嗜淀粉瘤胃桿菌(Ruminobacteramylophilus)來減少淀粉和蛋白質等易降解底物的快速降解，從而影響蛋白質分解菌的活性[26]。但是，也有試驗結果表明植物精油對肉牛瘤胃氨態氮濃度沒有顯著影響[16,20]。導致體內或者體外試驗研究結果差異的原因有很多，可能與肉牛品種、飼糧組成、植物精油種類及劑量等有關。

一些試驗結果顯示，在肉牛飼糧中添加植物精油能夠提高飼料消化率[18,27]。此外，植物精油能促進肉牛生長，有提高肉牛平均日增重的作用[7,17,28]。植物精油除單一使用外，不同的植物精油官能團有所差異，可能會產生協同或是拮抗作用[29-30]。De Souza等[28]研究發現，飼糧中添加丁香酚(1.33 g/d)、百里酚(1.33 g/d)和香草醛(1.33 g/d)混合物能夠增加肉牛干物質采食量，提高飼料效率和平均日增重，而且添加丁香酚、百里酚和香草醛混合物(2.00 g/d)和丁香油(2.00 g/d)的效果更為顯著，而單獨添加迷迭香精油(4.00 g/d)則降低了肉牛的生長性能。另外，植物精油的作用效果也存在劑量效應，在一定范圍內隨著植物精油劑量的增加產生的作用效果也更明顯，但超過一定劑量可能會造成負面影響。Ornaghi等[17]試驗表明，飼糧中添加肉桂醛和丁香酚提高了犢牛的平均日增重，且存在線性關系。其他學者也證實肉牛飼糧中添加0.40 g/d的肉桂醛有增加飼料消化率的趨勢，而飼糧中添加1.60 g/d的肉桂醛有降低養分消化率的趨勢[18]。

2 植物精油對肉牛瘤胃發酵的影響

許多研究表明植物精油能改變瘤胃的發酵模式。體外試驗發現，在底物中添加茶樹油、百里香油和牛至油降低了乙酸比例，增加了丙酸和丁酸比例，降低了乙酸/丙酸[8]。體內試驗中也證明在荷斯坦閹牛飼糧中添加植物精油能增加瘤胃丙酸比例，降低瘤胃乙酸/丙酸[20]。Meschiatti等[16]試驗結果表明，與飼糧中添加莫能菌素相比，飼糧中添加植物精油混合物有提高肥育內洛牛瘤胃丙酸摩爾百分比的趨勢。在肉牛生產中，如果能夠增加瘤胃發酵中丙酸鹽比例，同時降低乙酸、丁酸鹽比例，就能夠改善能量狀況，提高飼料轉化率。

造成這類結果的原因可能是植物精油具有抗菌性，通過影響肉牛瘤胃微生物區系從而導致瘤胃發酵類型的改變。植物精油種類繁多，它們的抗菌活性很可能不是歸因于某一特定機制，而在細胞中存在多個靶點，甚至這些靶點并不獨立作用，可能存在交互作用。一般來說植物精油具有疏水性，在細菌細胞膜上聚集，通過與細菌膜的相互作用，改變其對氫離子和鉀離子等陽離子的滲透率，最終導致細菌死亡[31-32]。Ultee等[33]提出一種質子轉移機制，解離的香芹酚通過細胞質膜向細胞質擴散并解離，從而向細胞質釋放質子，然后，它通過攜帶細胞質中的鉀離子(或其他陽離子)以未解離的形式返回，鉀離子通過細胞質膜運輸到外部環境。Ultee等[31]在香芹酚對蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)作用的試驗中也觀察到了鉀離子流出和氫離子進入的現象，這個機制與離子載體抗生素的作用機制相似。Geraci等[21]在安格斯肉牛飼糧中分別添加莫能菌素和植物精油，結果表明二者在瘤胃發酵方面沒有顯著差異。

除此以外，細菌耐受植物精油的能力也有所不同，革蘭氏陰性菌與革蘭氏陽性菌相比存在脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)層，這個結構能夠讓革蘭氏陰性菌對親水分子和疏水分子的滲透都有顯著的調節作用[34]，導致革蘭氏陰性菌對大部分植物精油不敏感。瘤胃中產乙酸、丁酸的多是革蘭氏陽性菌，而產丙酸和琥珀酸的則多為革蘭氏陰性菌。也有研究顯示，百里香酚和香芹酚能夠分解革蘭氏陰性菌的LPS層結構，增加細胞膜對ATP的通透性[35-36]，達到抑制革蘭氏陰性菌的作用。體外試驗表明，在肉牛肥育飼糧中添加植物精油顯著提高了反芻獸半月形單胞菌(Selenomonasruminantium)的相對豐度[37]，在波爾山羊肥育飼糧中添加百里香酚顯著提高了鏈球菌(Streptococcus)的相對豐度[38]。體內試驗中，在荷斯坦閹牛飼糧中添加百里香酚，降低了瘤胃產琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobcatersuccinogenes)的相對豐度[20]，在雜交犢牛飼糧中添加植物精油降低了瘤胃中白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)的相對豐度[39]。反芻獸半月形單胞菌和鏈球菌是主要的產丙酸菌，白色瘤胃球菌、產琥珀酸絲狀桿菌是主要的產乙酸菌。由此推論，植物精油對肉牛瘤胃中揮發性脂肪酸濃度的影響可能是通過改變瘤胃微生物區系所造成的。

在肉牛生產后期，往往通過高精料飼糧達到育肥效果。然而大量添加精料會導致瘤胃酸中毒[40]，從而影響肉牛的生長性能，造成飼料轉化率降低。牛鏈球菌(Streptococcusbovis)是引起瘤胃酸中毒的主要菌種，飼喂肉牛高精料飼糧時，牛鏈球菌生長不再受能量限制，隨著其生長速度的增加，細菌內1,6-二磷酸果糖和丙酮酸濃度可能會增加，這些中間產物會激活乳酸脫氫酶，同時磷酸三糖濃度也可能隨之增加，導致丙酮酸甲酸裂解酶活性被抑制，這些變化導致更多的淀粉用于生產乳酸[41]。不能被充分利用的乳酸滯留在瘤胃中，致使瘤胃液pH降低，瘤胃液pH長期低于6.0則會導致瘤胃酸中毒。埃氏巨型球菌(Megasphaeraelsdenii)是瘤胃中重要的乳酸利用菌，不僅能夠將乳酸發酵為丁酸和通過丙烯酸酯途徑生成丙酸[42]，還能與乳酸產生菌競爭底物從而抑制產乳酸菌生長，緩解瘤胃pH[43]。Zotti等[44]試驗表明，飼糧中添加蓖麻油和腰果殼油能降低肉牛瘤胃乳酸的濃度；進一步研究發現，飼糧中添加植物精油可以顯著降低肉牛瘤胃牛鏈球菌的相對豐度，而且還能顯著增加瘤胃埃氏巨型球菌的相對豐度。

3 植物精油對肉牛甲烷產量的影響

產甲烷菌在瘤胃中通過與其他瘤胃微生物相互作用，利用其他微生物發酵產生的氫氣(H2)、二氧化碳(CO2)作為底物，還原成甲烷。甲烷的全球升溫潛在值是CO2的21～25倍，是主要的溫室氣體之一，反芻動物生產過程中的溫室氣體排放量占全球的16%～25%，占人為甲烷排放量的33%[45]。不僅如此，反芻動物攝入的飼料能量有2%～12%以甲烷的形式流失。如果能夠有效降低甲烷產量不僅對環境友好，而且能夠降低成本。因此，國內外學者對植物精油能否降低肉牛甲烷產量產生了濃厚的興趣。

Onel等[9]用瑞士褐牛瘤胃液進行體外產氣試驗，結果表明添加0.05 g/L月桂油能夠顯著降低甲烷產量。Evans等[46]在以海福特閹牛的瘤胃液進行連續培養，發現添加0.40 g/L百里酚降低了甲烷產量。一般來說，影響甲烷產生的原因有2個，其一是抑制了產甲烷菌和原蟲數量，其二是減少了合成甲烷的底物含量。大多數甲烷菌與原生生物無關，但一些纖毛蟲存在產氫體，能夠吸引部分產甲烷菌作為共生菌[47]。有研究認為產甲烷菌與原生生物的共生關系對甲烷排放有37%的貢獻率[48]。研究表明，飼糧中添加植物精油可以降低瘤胃原蟲和產甲烷菌的相對豐度[20,39,49]。植物精油與細菌通過膜互作，尤其是對革蘭氏陽性菌，通過抑制纖維素降解菌從而使得糖發酵的產物由乙酸轉變為丙酸，從而減少合成甲烷的底物含量。一些試驗結果顯示在飼糧中添加植物精油會降低肉牛瘤胃中H2和CO2濃度[46,50]。與此同時，也有試驗表明飼糧中添加植物精油對肉牛瘤胃中甲烷產量沒有顯著影響[27]。可能的原因在于使用的植物精油的種類和劑量、飼糧的組成和結構等有所差異所導致。

4 植物精油對牛肉品質的影響

植物精油對肉品質的影響主要體現在其抗氧化活性上。肉牛經過屠宰后肌肉的抗氧化能力逐漸降低，氧化反應占主導地位，產生大量自由基，而自由基的產生與抗氧化防御機制之間存在平衡[51]，過量的活性氧會導致肉品質包括其營養和感官品質的惡化。植物精油具有抗氧化活性，其中酚類可以消除或減少自由基，酚羥基與金屬離子螯合，萜烯類能上調抗氧化酶的活性，減少脂質氧化[52]。Monteschio等[10]研究表明，在肉牛肥育期飼糧中添加植物精油能降低脂肪氧化，改善貨架期肉品質。丙二醛(malondialdehyde，MDA)是脂質氧化的終產物，常用來反映肌肉氧化程度，并將其含量作為動物抗氧化能力的重要指標。有試驗表明飼糧中添加植物精油能顯著降低牛肉MDA含量[10]。Rivaroli等[53]研究發現，在犢牛飼糧中添加3.50 g/d植物精油可減少脂質氧化，然而，飼糧中添加7.00 g/d植物精油對熟化過程中的牛肉具有促進氧化作用。高劑量的植物精油促進氧化可能是由于高劑量下精油能與線粒體相互作用，并對其造成損傷，產生更多的自由基加快脂質氧化[14]。此外，屠宰后牛肉不斷氧化會破壞細胞膜，進而使得細胞脆性增加及系水力降低等[54]。Pukrop等[55]的研究結果表明，飼糧中添加植物精油能顯著減少牛肉的貯存損失，從而維持系水力。

牛肉的嫩度在一定程度上受到肌纖維結構的影響，有試驗表明，在內洛牛肥育飼糧中添加植物精油混合物，能通過增加牛肉肌節長度、可溶性膠原蛋白含量，降低Ⅲ型膠原蛋白含量來改善牛肉嫩度[56]。骨骼肌中Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白最為豐富，Ⅰ型膠原蛋白與Ⅲ型膠原蛋白的比例會影響肉的嫩度，在烹飪過程中直接受到熱量的影響，Ⅲ型膠原蛋白在加熱時可能比Ⅰ型膠原蛋白更難溶解[57]，并且Ⅲ型膠原蛋白可能參與肌包膜纖維和肌內膜鞘之間邊界的形成，這對肉的紋理特性有一定作用[58]。同時，肌肉的嫩度與鈣蛋白酶有關，鈣蛋白酶是肌原纖維蛋白降解的限速酶，剪切力、肌纖維直徑等指標與鈣蛋白酶活性顯著相關[59-61]。植物精油的抗氧化性可能抑制鈣蛋白酶的氧化，從而改善肌肉嫩度。

牛肉包裝后貯藏期間，高含量的水分、氧氣會促進脂質氧化，也會促進許多致病菌如大腸桿菌(Escherichiacoli)、單核增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)、腸炎沙門氏菌(Salmonellaenteritidis)、鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)和腸炎耶爾森菌(Yersiniaenteritidis)的滋生。在食品工業中，利用植物精油的抗菌性和抗氧化性，在牛肉包裝儲存的過程中可有效抑制細菌生長及脂質氧化，而且能夠提高牛肉顏色、氣味及整體可接受性等感官特性，從而延長牛肉的貨架期[62-66]。

5 小 結

植物精油是一種應用前景廣闊的飼料添加劑，能夠提高肉牛生長性能，改善瘤胃發酵，減少瘤胃甲烷的產生，改善牛肉品質，而且與莫能菌素相比還具有抗氧化活性的優點。此外，植物精油中活性成分不僅存在協同和拮抗作用，而且種類繁多，因此多種能夠促進肉牛生長且具有協同作用的植物精油混合使用更被看好。同時，植物精油的添加劑量更多的是根據體外試驗或是測定最低抑菌濃度等方法得到的結果進行確定，可能與體內發揮作用的最佳劑量存在差異。而且研究表明植物精油存在劑量效應，在一定范圍內有利于肉牛生產，超過限度則對其有負面影響。未來通過體內試驗確定植物精油的最佳組合和最佳劑量對肉牛生產意義深遠。