植物精油降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量的研究進(jìn)展

張 奧 趙玉超 白薩茹拉 蔣林樹*

(1.北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 102206;2.北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司,北京 100076)

反芻動物瘤胃內(nèi)微生物降解碳水化合物等營養(yǎng)物質(zhì),產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA),合成微生物蛋白,為宿主提供能量和蛋白質(zhì)。然而,瘤胃發(fā)酵過程中會產(chǎn)生甲烷,每年反芻動物甲烷排放量約占全球人為溫室氣體總排放量的16%[1]。甲烷不僅會加劇溫室效應(yīng),還會造成飼料總能中2%～12%的能量損失[2]。因此,研究降低甲烷排放對提高反芻動物飼料效率和保護(hù)環(huán)境具有雙重意義[3]。植物次生代謝物(如單寧、皂苷、精油和黃酮類化合物等)能夠通過直接影響產(chǎn)甲烷古菌或間接破壞瘤胃原蟲的生物膜來降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量[4]。植物精油作為一種從植物中提取出來的具有揮發(fā)性和芳香性的植物次生代謝物,具有抗菌、抗炎和抗氧化等生物學(xué)功能[5],對降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量有積極作用,具有作為天然甲烷抑制劑的潛力。本文著重對植物精油降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,旨在為植物精油在動物生產(chǎn)中的科學(xué)應(yīng)用提供參考,為降低反芻動物甲烷排放提供理論依據(jù)。

1 植物精油概述

植物精油是一種從植物中蒸餾提取出來的次生代謝物,在植物的根、莖、葉、花、果實(shí)和樹皮中均有分布。根據(jù)生物合成途徑,植物精油被分為萜類化合物和苯丙素類化合物[6],其中萜類化合物主要來源于脫氧木酮糖或甲羥戊酸代謝途徑形成的乙酰輔酶A,如百里香酚、香芹酚和大蒜油等;苯丙素類化合物主要來源于莽草酸代謝途徑合成的苯丙氨酸[7],苯丙素類化合物僅在肉桂、丁香和茴香中大量存在[8]。

植物精油具有良好的抗菌[9-11]、抗炎[12]、抗氧化[13]和抗病毒[14]等生物學(xué)功能,能夠提高動物機(jī)體免疫力[15]、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)[16]、提升動物生產(chǎn)性能[17]等。植物精油在反芻動物生產(chǎn)中有著良好的應(yīng)用效果,在羔羊飼糧添加牛至精油(0.3 g/kg DM)能夠提高羔羊的免疫力和抗氧化能力,促進(jìn)生長發(fā)育,改善瘤胃發(fā)酵和肉品質(zhì)[18];在體外發(fā)酵液中加入100 mg/L的牛至精油能夠提高綿羊?qū)Ω晌镔|(zhì)(DM)、粗蛋白質(zhì)(CP)和中性洗滌纖維(NDF)的消化率,改善瘤胃發(fā)酵,降低甲烷產(chǎn)量,但是添加量高于100 mg/L會對瘤胃微生物活性和瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用,降低飼料養(yǎng)分降解率[19-20];在肉羊飼糧中加入40 mg/kg沙蔥精油能夠提高干物質(zhì)采食量(DMI)、平均日增重和料重比,有效改善肉羊的生長性能和屠宰性能,改善羊肉風(fēng)味和營養(yǎng)價值[21-23];在荷斯坦?fàn)倥ｏ暭Z中加入44.1 mg/kg DM混合植物精油可提高DM、CP、酸性洗滌纖維(ADF)、NDF、淀粉的全消化道消化率,對犢牛生長、瘤胃發(fā)育、腸道健康具有促進(jìn)作用[24];在奶牛飼糧中加入150 mg/kg DM辣椒油樹脂和丁香精油的混合精油能夠提高乳脂率和產(chǎn)奶量,降低甲烷產(chǎn)量和強(qiáng)度,但對乳成分和血液指標(biāo)沒有顯著影響[25-26];向溶血性支原體內(nèi)加入0.025%的茴香精油和百里香精油后發(fā)現(xiàn)對其有抑制作用,可降低牛呼吸道疾病發(fā)病率[27];向奶牛乳腺內(nèi)注射百里香精油和薰衣草精油能夠抑制葡萄球菌和鏈球菌增殖,緩解奶牛乳腺炎[28];在奶牛飼糧中加入300 mg/kg DM柑橘精油能夠降低牛奶中的不飽和脂肪酸含量,提高奶牛DMI、飼料效率、產(chǎn)奶量和乳脂產(chǎn)量[29];在肉牛飼糧中加入4 g/d的丁香精油和迷迭香精油的混合物可改善牛肉品質(zhì)和嫩度,并且不會改變牛肉的脂肪厚度、大理石花紋、肌肉面積、化學(xué)成分和脂肪酸組成[30-31]。

2 植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的機(jī)制

瘤胃是一個復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng),細(xì)菌、古菌和原蟲等微生物相互作用促進(jìn)飼料發(fā)酵,為宿主提供能量、蛋白質(zhì)、維生素等[32]。甲烷是微生物發(fā)酵產(chǎn)生的副產(chǎn)物。

反芻動物瘤胃產(chǎn)生甲烷的過程如圖1所示。反芻動物攝食后,飼糧中的營養(yǎng)物質(zhì)(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物)被瘤胃微生物降解,產(chǎn)生二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)和VFA(包括乙酸、丙酸和丁酸等),產(chǎn)甲烷菌將這些初級發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷。瘤胃產(chǎn)生甲烷的途徑有3種:CO2-H2還原途徑,利用甲酸、乙酸、丁酸等短鏈脂肪酸為底物的合成途徑,以及利用甲醇、乙醇、甲胺和乙胺等甲基化合物為底物的合成途徑[33],其中CO2-H2還原途徑是瘤胃產(chǎn)生甲烷的主要途徑[34]。碳水化合物在瘤胃中分解產(chǎn)生的一部分H2與CO2結(jié)合由產(chǎn)甲烷菌合成甲烷,進(jìn)行一系列與ATP合成耦合的生化反應(yīng)。另一部分H2被細(xì)菌、古菌和原蟲等微生物利用生成VFA,即原蟲利用淀粉、纖維素、半纖維素、果膠和可溶性糖產(chǎn)生VFA和代謝性H2,附著在其表面的古菌利用這些物質(zhì)產(chǎn)生甲烷[4]。瘤胃中存在古菌和原蟲之間的關(guān)聯(lián)[35],古菌產(chǎn)生甲烷作為一種代謝策略,以獲得其生長所需的能量[36]。因此,減少甲烷的合成可以通過抑制H2釋放或促進(jìn)其他途徑消耗H2來實(shí)現(xiàn)。

圖1 反芻動物瘤胃產(chǎn)生甲烷的過程

植物精油因其疏水性而對細(xì)菌的膜細(xì)胞有很高的親和力,能夠通過破壞膜蛋白來破壞細(xì)胞質(zhì)膜,引起膜通透性增加,改變細(xì)胞構(gòu)象,影響細(xì)菌的生長和活性,導(dǎo)致瘤胃菌群發(fā)生變化[37]。植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量可能涉及2種機(jī)制[38](圖2):一是直接抑制產(chǎn)甲烷菌的生長,進(jìn)而減少甲烷產(chǎn)生。例如,百里香精油或肉桂精油通過抑制奶牛瘤胃產(chǎn)甲烷菌生長,從而直接減少甲烷產(chǎn)量[39]。二是通過減少與產(chǎn)甲烷菌共生的細(xì)菌、古菌或原蟲等微生物數(shù)量,間接減少甲烷產(chǎn)量。例如,在水牛飼糧中添加混合精油(青蒿油、檸檬草油和丁香油樹脂)可以通過降低瘤胃古菌甲烷球菌(Methanococcus)和熱原體(Thermoplasma)的相對豐度,間接影響甲烷產(chǎn)量[40]。以奶牛為瘤胃液供體,在體外發(fā)酵液中添加500 mg/L的肉桂油以及1 500 mg/L的肉桂油和留蘭香油均能通過降低發(fā)酵液中的原蟲數(shù)量間接減少甲烷產(chǎn)量[41]。除此之外,也有2種機(jī)制同時發(fā)生的情況,如牛至精油對綿羊瘤胃甲烷產(chǎn)量的抑制,一方面是通過抑制產(chǎn)甲烷菌的生長,從而降低甲烷產(chǎn)量;另一方面是通過降低厚壁菌門(Firmicutes)、月形單胞菌屬(Selenomonas)和光岡菌屬(Mitsuokella)的相對豐度和增加普雷沃氏菌屬(Prevotella)、戴阿利斯特桿菌屬(Dialister)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度影響瘤胃細(xì)菌群落,從而抑制甲烷產(chǎn)生[42],這與Paraskevakis[43]得出的希臘牛至精油降低山羊瘤胃甲烷產(chǎn)量的機(jī)制一致。

圖2 植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的作用機(jī)制

3 植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的效果

3.1 體外試驗研究

近年來,大量體外試驗結(jié)果表明植物精油能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量(表1)。曹玉偉等[44]以綿羊為瘤胃液供體進(jìn)行體外模擬瘤胃發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)添加400 mg/L的香芹酚對甲烷產(chǎn)量具有抑制作用,同時還會導(dǎo)致總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)和丙酸濃度降低,而添加50、100或200 mg/L的香芹酚對甲烷產(chǎn)量無顯著影響。李艷玲等[45]的試驗發(fā)現(xiàn),在肉羊體外發(fā)酵液中添加400 mg/L的香芹酚或百里香酚可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,改變了瘤胃發(fā)酵模式并抑制了瘤胃微生物活性,該試驗結(jié)果與曹玉偉等[44]的試驗結(jié)果一致;該試驗還發(fā)現(xiàn),添加100和200 mg/L的香芹酚或百里香酚可以顯著增加瘤胃甲烷產(chǎn)量,促進(jìn)了瘤胃發(fā)酵。以上體外試驗的結(jié)果說明,植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的效果與植物精油的添加量密切相關(guān)。

表1 植物精油對瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響(體外試驗研究)

植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的效果還與瘤胃液供體動物的種類有關(guān)。張然等[46]以新疆細(xì)毛羊與杜泊羊雜交的公羊為瘤胃液供體,發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵液中添加300或400 mg/L的牛至精油可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,而添加100或200 mg/L的牛至精油則對甲烷產(chǎn)量無顯著影響。同樣是研究牛至精油對公羊瘤胃發(fā)酵的影響,Zhou等[42]的瘤胃液供體選取的是德國美利奴羊與地方綿羊雜交的公羊,在體外發(fā)酵液中加入91或130 mg/L牛至精油時,甲烷產(chǎn)量顯著下降;同時,通過16S rRNA測序發(fā)現(xiàn),Prevotella和Dialister的相對豐度增加,說明添加牛至精油可以通過改變瘤胃細(xì)菌群落來改變瘤胃發(fā)酵,從而改變VFA組成并減少甲烷排放。體外添加相近濃度的同種植物精油的試驗結(jié)果不一致,其原因可能是由于瘤胃液供體動物種類不同,也可能是由于基礎(chǔ)飼糧組成不同所致。張然等[46]的試驗基礎(chǔ)飼糧以44.26%的羊草、22.95%苜蓿干草、10.19%小麥麩為主,而Zhou等[42]的試驗基礎(chǔ)飼糧以65.50%青貯玉米和25.74%玉米為主,基礎(chǔ)飼糧組成不同可能會影響植物精油的作用效果。張然等[46]的試驗中添加100或200 mg/L的牛至精油對瘤胃甲烷產(chǎn)量無顯著影響,可能是由于低劑量下瘤胃微生物對植物精油產(chǎn)生了耐受性。Evans等[47]研究表明,高濃度的牛至精油可以促進(jìn)革蘭氏陽性菌的生成,從而增加乙酸比例,同時能夠抑制革蘭氏陰性菌的生成,從而降低丙酸比例,使乙丙比升高,這表明植物精油對于瘤胃內(nèi)菌群的抑制具有選擇性。

此外,植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量還與發(fā)酵體系中的底物有關(guān)。李嘉秋[48]以湖羊為瘤胃液供體,通過體外產(chǎn)氣試驗發(fā)現(xiàn)添加0.8 mL/L的柚皮精油能夠使甲烷產(chǎn)量下降,但在不同底物下柚皮精油對瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的影響不同,當(dāng)?shù)孜餅橛衩讜r,發(fā)酵液中乙酸濃度下降,H2產(chǎn)量上升,瘤胃球菌屬1(Ruminococcus1)、鏈球菌屬(Streptococcus)和口腔桿菌屬(Oribacterium)的相對豐度增加,密螺旋體屬2(Treponema2)和琥珀酸弧菌屬(Succinivibrio)的相對豐度減少;當(dāng)?shù)孜餅檠虿輹r,發(fā)酵液中乙酸、丙酸、丁酸濃度和H2產(chǎn)量下降,Treponema2和普雷沃氏菌屬1(Prevotella1)的相對豐度減少,Succinivibrio、Ruminococcus1、歐爾森氏菌屬(Olsenella)和瘤胃球菌屬2(Ruminococcus2)的相對豐度均增加,這說明柚皮精油對瘤胃微生物具有選擇性壓力,不同底物下,響應(yīng)和耐受柚皮精油的微生物不同,對瘤胃發(fā)酵與甲烷代謝產(chǎn)生的影響也不同。

不同種類的植物精油對同一品種的動物瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響也不一致。同樣都是以荷斯坦奶牛為瘤胃液供體進(jìn)行體外試驗,加入0.16 g/d的肉桂酸(肉桂醛和大蒜油的商業(yè)混合物)能夠降低甲烷產(chǎn)量,具體機(jī)制可能是肉桂酸通過降低原蟲總數(shù)和NDF消化率,從而影響瘤胃發(fā)酵[49];加入90 μg/g的廣麝香精油能夠降低乙酸和NH3-N濃度,同時還能降低原蟲總數(shù)、提高丙酸濃度并降低甲烷產(chǎn)量,原蟲是瘤胃內(nèi)NH3-N的凈生成微生物,通過降低瘤胃內(nèi)原蟲總數(shù)能夠降低NH3-N濃度,甲烷產(chǎn)量下降可能是由于用來合成甲烷的H2轉(zhuǎn)為合成丙酸[50-52]。將百里酚和香芹酚以6種比例(100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80和0∶100)組合后加入到發(fā)酵液中,發(fā)現(xiàn)總細(xì)菌數(shù)量下降,而甲烷產(chǎn)量均無顯著變化,產(chǎn)甲烷菌種群僅發(fā)生輕微變化[53]。Günal等[54]的研究表明,加入相同劑量、不同種類的植物精油對于抑制奶牛體外瘤胃甲烷生成的效果也不同,丁香油、白百里香油和茴香油都可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,這可能是由于這些植物精油抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長,同時還發(fā)現(xiàn),不同濃度下植物精油對瘤胃發(fā)酵指標(biāo)的影響也不一致,低劑量(125 mg/L)下植物精油(茴香油或白百里香油)對甲烷排放沒有顯著抑制作用,這可能與飼糧的基本營養(yǎng)成分或植物精油對某些微生物的選擇性有關(guān)。低劑量下的植物精油可以通過淀粉水解抑制非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的消化,而不影響纖維的消化[55]。Evans等[47]的試驗表明,90 mg/L的百里香酚能夠有選擇性地抑制反芻月形單胞菌的生長,但不抑制牛鏈球菌的生長,而400 mg/L的百里香酚則會抑制體外瘤胃內(nèi)所有微生物的生長。

3.2 體內(nèi)試驗研究

目前,有關(guān)植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的研究大多集中于體外試驗,體內(nèi)試驗較少,將體外試驗的結(jié)果類推到體內(nèi)試驗的條件有局限性[56]。由于植物精油的種類、添加量以及動物飼糧組成和營養(yǎng)水平不同,體內(nèi)試驗往往會出現(xiàn)不同的結(jié)論,因此很難確定各種植物精油的最佳有效添加量[8]。盡管體外試驗有助于篩選植物精油及其成分的抗菌活性并預(yù)測適宜的添加量,但必須在體內(nèi)評估這些植物精油對調(diào)控瘤胃功能的實(shí)際作用效果[57]。盡管所報道的體內(nèi)試驗有限,但也有部分試驗表明植物精油能夠降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量(表2)。Choi等[58]研究發(fā)現(xiàn),1 g/d紅松球果精油降低了山羊瘤胃內(nèi)甲烷產(chǎn)量,并且降低了瘤胃內(nèi)真菌豐度和瘤胃原核微生物群的均勻度,但產(chǎn)甲烷菌豐度變化不大,一種原因可能是由于真菌豐度的降低限制了H2的可用性,導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌生產(chǎn)的甲烷量減少,另一種原因可能是主要產(chǎn)氫菌的豐度下降,產(chǎn)甲烷菌將更多的能量用于宿主生長與維持需要,減少了能量浪費(fèi)。

表2 植物精油對瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響(體內(nèi)試驗結(jié)果)

Kala等[40]的研究顯示,在水牛飼糧中加入0.75或1.5 mL/kg的混合植物精油(青蒿油、檸檬草油和丁香油樹脂按比例混合制成)能夠降低瘤胃內(nèi)古菌甲烷球菌屬(Methanococcus)和熱原體屬(Thermoplasma)的相對豐度,但未能顯著降低甲烷產(chǎn)量。同樣是以水牛為試驗對象,Pawar等[59]的研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加2 g/d的黃楊籽油或肉桂葉油均能降低水牛瘤胃甲烷產(chǎn)量,并且極顯著降低瘤胃NH3-N和乳酸濃度,同時羧甲基纖維素酶活性顯著升高,蛋白酶活性極顯著降低,但木聚糖酶、抗逆轉(zhuǎn)錄酶和乙酰酯酶活性不受影響;此外,通過16S rRNA測序發(fā)現(xiàn),飼糧中添加2 g/d的黃楊籽油或肉桂葉油后瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobactersuccinogenes)的相對豐度降低,原蟲總數(shù)顯著減少。唐煒軒等[60]的研究顯示,在肉羊飼糧中添加500 mg/d的桉葉油或茴香油能夠降低瘤胃甲烷短桿菌(Methanobrevibacterruminantium)的相對豐度,增加Methanobrevibactereuryarchaeote的相對豐度;盡管2種植物精油對產(chǎn)甲烷菌都有作用,但對肉羊瘤胃甲烷產(chǎn)量影響卻不同,添加500 mg/d的茴香油有降低甲烷產(chǎn)量的趨勢,而添加500 mg/d的桉葉油對甲烷產(chǎn)量無顯著影響,這可能是由于植物精油的添加量低,未達(dá)到發(fā)揮作用的程度,也可能是由于添加植物精油的時間過長,瘤胃微生物產(chǎn)生適應(yīng)性。

盡管部分體外試驗表明牛至精油和香芹酚等植物精油能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,但在體內(nèi)試驗中并未得到積極的效果。Benchaar[61-62]研究發(fā)現(xiàn),在奶牛飼糧中添加50 mg/kg的肉桂油、肉桂醛、牛至精油或香芹酚對瘤胃甲烷產(chǎn)量均無顯著影響,且對瘤胃發(fā)酵參數(shù)均沒有顯著影響,這與添加植物精油后對DMI、瘤胃消化和營養(yǎng)物質(zhì)全消化道表觀消化率沒有顯著影響是一致的;此外,對瘤胃NH3-N濃度和原蟲總數(shù)也沒有顯著影響,這與支鏈VFA(異丁酸和異戊酸的總和)摩爾比沒有變化是一致的。Kolling等[63]和Olijhoek等[64]的體內(nèi)試驗結(jié)果均表明,飼糧中添加0.3、0.56、0.6或0.9 g/kg的牛至精油均未降低奶牛的甲烷產(chǎn)量,并且瘤胃發(fā)酵參數(shù)、瘤胃微生物或產(chǎn)奶性能均沒有發(fā)生顯著變化。因此,體外試驗數(shù)據(jù)并不能完全代表體內(nèi)結(jié)果,仍需要進(jìn)行大量動物試驗來確定植物精油能夠降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量的有效成分、最佳添加量和作用機(jī)制等。

4 植物精油作為瘤胃甲烷抑制劑的挑戰(zhàn)與展望

盡管有大量試驗已經(jīng)證明植物精油能夠降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量,但未來要將植物精油廣泛應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中,仍面臨多種挑戰(zhàn)。

首先,植物精油在體外的研究遠(yuǎn)多于動物體內(nèi),其能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的最佳添加量尚不明確,并且植物精油降低瘤胃甲烷產(chǎn)量是非特異性的,可能會產(chǎn)生一些不良反應(yīng)[8],如可能會導(dǎo)致乳脂率下降[65]等。Yadeghari等[66]通過體外試驗評估了薰衣草精油對體外瘤胃發(fā)酵和甲烷產(chǎn)量的劑量反應(yīng)效應(yīng),表明薰衣草精油的劑量對瘤胃發(fā)酵具有選擇性依賴作用,低劑量(250 μL/L)和中劑量(500 μL/L)的薰衣草精油能夠促進(jìn)瘤胃發(fā)酵,而高劑量(750和1 000 μL/L)的薰衣草精油會抑制瘤胃發(fā)酵。Jiménez-Ocampo等[67]研究了橙精油對飼喂百慕大干草的小母牛瘤胃甲烷產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)體內(nèi)試驗與體外試驗結(jié)果并不一致,體外試驗結(jié)果表明添加0.25%的橙精油能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,但當(dāng)添加劑量達(dá)到0.5%時會增加瘤胃甲烷產(chǎn)量,原因可能是因為高濃度的橙精油對瘤胃微生物群產(chǎn)生了毒性,而體內(nèi)試驗結(jié)果表明橙精油添加劑量為0.5%時能夠降低瘤胃甲烷產(chǎn)量,這之間的差異可能是因為與體內(nèi)試驗相比,體外試驗缺乏對VFA的吸收,以及瘤胃內(nèi)微生物種群組成存在差異。因此,未來仍需進(jìn)一步通過體內(nèi)試驗來確定植物精油能夠產(chǎn)生效果的最佳添加量,并且也要注意減少或消除使用植物精油帶來的不良反應(yīng)。

其次,有關(guān)植物精油在動物不同生長階段的作用的研究較少,瘤胃微生物對植物精油的耐受性和適應(yīng)機(jī)制仍不清楚。反芻動物在不同的生長階段所需營養(yǎng)不同,飼糧結(jié)構(gòu)和飼養(yǎng)管理不同,植物精油發(fā)揮作用的效果也會不同。例如,在奶牛飼糧中添加1 g/d的混合植物精油(丁子香酚和乙酸香葉酯為主要化合物)能夠降低經(jīng)產(chǎn)奶牛每千克產(chǎn)奶量的甲烷排放強(qiáng)度,而對初產(chǎn)奶牛則沒有顯著影響[68]。此外,有關(guān)長期使用植物精油的有效性和穩(wěn)定性,以及長期使用植物精油對反芻動物的影響等缺乏研究[69]。瘤胃微生物可以適應(yīng)植物化學(xué)物質(zhì),這可能使添加植物精油后瘤胃甲烷產(chǎn)量的減少只是一種短暫的反應(yīng)[70]。例如,在湖羊飼糧中添加0.8 mL/L的柚皮精油可以顯著降低甲烷產(chǎn)量,但隨著時間推移,作用效果會減退,甲烷產(chǎn)量在2周后再度上升,但低于初始水平[48]。這說明要保持瘤胃菌群對植物精油的敏感性,或可以采用間歇性飼喂植物精油。未來應(yīng)針對長期使用植物精油而產(chǎn)生的耐受性如何解決,是否需要改變植物精油種類或添加量,如何有效采用間歇性飼喂等開展進(jìn)一步研究。

再次,對植物精油的有效成分尚未確定,有關(guān)混合植物精油之中的不同植物精油之間的相互影響也缺乏大量研究,這對研究植物精油的最佳劑量和最佳組合產(chǎn)生了阻礙[71]。植物精油在不同發(fā)酵底物下發(fā)揮作用效果不同,這與其化學(xué)成分有關(guān)。在低劑量(30 μL/L)下,Lippiaturbinata精油降低甲烷產(chǎn)量效果更好;在高劑量(300 μL/L)下,Tagetesminuta精油對不同發(fā)酵底物中纖維消化率的抑制作用比Lippiaturbinata精油大1.51倍;Lippiaturbinata和Tagetesminuta精油這2種植物精油的作用效果不同可能與其化學(xué)組成的差異有關(guān),Lippiaturbinata精油的含氧萜烯占總成分不到30%,而Tagetesminuta精油的含氧萜烯幾乎占到90%[72]。植物精油減少瘤胃甲烷產(chǎn)生的有效性取決于發(fā)酵底物與在發(fā)酵介質(zhì)中產(chǎn)生不同特性(如pH)的添加劑量之間的相互作用,植物精油的化學(xué)性質(zhì)調(diào)節(jié)了這種反應(yīng)的強(qiáng)度[73]。另外,每種植物精油中存在的活性成分及其不同的組合會產(chǎn)生不同的拮抗或協(xié)同效應(yīng),這會改變它們對瘤胃微生物的作用方式,影響作用效果[74]。例如,在飼糧中添加牛至精油和莫能菌素對1歲荷斯坦公牛的生長性能有拮抗作用[75],同時富馬酸二鈉和百里香精油混合使用比單獨(dú)使用時降低甲烷產(chǎn)量效果更好,并且還能提高飼料利用率,說明富馬酸二鈉和百里香精油之間存在協(xié)同效應(yīng)[76]。未來的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注植物精油在反芻動物應(yīng)用中發(fā)揮作用的有效成分,以便確定植物精油的最佳劑量和最佳組合。

最后,目前植物精油的提取工藝不完善、制備成本高,這是制約植物精油在畜牧生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。植物精油傳統(tǒng)的提取方法包括壓榨法、水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑萃取法等,但隨著科技的進(jìn)步,現(xiàn)階段出現(xiàn)了更多新型的提取方法,包括超臨界流體萃取法、固相微萃取法、無溶劑微波提取法、酶提取法、超聲輔助提取技術(shù)和分子蒸餾法等[77]。其中,在商業(yè)上應(yīng)用最多的是水蒸氣蒸餾法,其優(yōu)勢在于簡單方便、成本較低,但存在著效率低下、受外界環(huán)境影響大和污染環(huán)境等弊端[78]。現(xiàn)階段更多的試驗人員開始嘗試使用新型提取工藝,使效率更高,污染更小,但提取純化的成本高,難以普及,制約了植物精油在畜牧生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。未來應(yīng)將解決植物精油的提取工藝問題列為重點(diǎn)研究方向,降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化提取工藝,減少殘留問題,盡快將新型提取工藝廣泛應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

總之,未來需開展大量體內(nèi)外試驗來確定植物精油發(fā)揮作用的最佳劑量、有效成分以及作用機(jī)制,并進(jìn)一步研究長期使用植物精油而產(chǎn)生的耐受性問題和不良影響,還應(yīng)將解決植物精油的提取工藝問題也列為重點(diǎn)研究方向,降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化提取工藝,減少殘留問題,盡快將新型提取工藝廣泛應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

5 小 結(jié)

植物精油具有降低反芻動物瘤胃甲烷產(chǎn)量的潛力,但要將植物精油作為甲烷抑制劑廣泛應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中,仍面臨巨大挑戰(zhàn)。一方面,要進(jìn)行大量體外試驗,篩選出能夠降低甲烷產(chǎn)生的植物精油種類及其添加量;另一方面,要進(jìn)行大量體內(nèi)試驗,廣泛驗證能夠發(fā)揮作用的植物精油的有效成分和最佳添加量。同時,還應(yīng)探究不同植物精油之間的相互作用,進(jìn)一步明確長期使用植物精油的有效性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性,降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化提取工藝,為開發(fā)新型綠色瘤胃甲烷抑制劑提供科學(xué)支撐。