植物精油在肉牛生產(chǎn)中的應(yīng)用及其作用機(jī)制

2021-03-30 14:17:33周振明

動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào) 2021年10期

易鑫周振明吳浩

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

植物精油是從植物的花、芽、種子、葉、樹(shù)皮及根等部位通過(guò)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(jí)代謝產(chǎn)物[1]。由于次級(jí)代謝物源于初級(jí)代謝的不同前體，通過(guò)不同的代謝途徑合成，因此次級(jí)代謝物是含有各種成分的混合物，包括酚類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)、萜類(lèi)和苯丙素類(lèi)等。其中最主要的化合物有2類(lèi)：來(lái)源于甲羥戊酸和脫氧核糖酯的萜烯類(lèi)和來(lái)源于莽草酸途徑的苯丙素類(lèi)[2]。近年來(lái)，植物精油被引入飼料行業(yè)中并得到廣泛應(yīng)用。最初在單胃動(dòng)物上開(kāi)展研究，結(jié)果表明植物精油能夠提高畜禽生長(zhǎng)性能以及機(jī)體抗氧化和免疫能力[3-6]，而后延伸到復(fù)胃動(dòng)物。在肉牛上的研究表明，植物精油具有提高肉牛生長(zhǎng)性能、調(diào)控瘤胃發(fā)酵、降低甲烷(CH4)產(chǎn)量及改善牛肉品質(zhì)等作用[7-10]。并且，植物精油來(lái)源廣泛，綠色安全，在肉牛生產(chǎn)中發(fā)展?jié)摿薮螅瑧?yīng)用前景廣闊。本文綜述了植物精油在肉牛生產(chǎn)中的應(yīng)用及其作用機(jī)制。

1 植物精油對(duì)肉牛生長(zhǎng)性能和營(yíng)養(yǎng)代謝的影響

植物精油是揮發(fā)性芳香物質(zhì)，有研究表明植物精油會(huì)對(duì)動(dòng)物適口性產(chǎn)生影響[11-15]。適口性不好的植物精油會(huì)降低動(dòng)物的采食量，適口性好的植物精油則會(huì)增加動(dòng)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(zhuǎn)化率的情況下提高采食量[16-17]。Yang等[18]研究了肉桂醛對(duì)肉牛的劑量效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加0.40 g/d的肉桂醛有提高肉牛采食量的趨勢(shì)，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(shì)。與此同時(shí)，也有結(jié)果表明飼糧中添加植物精油對(duì)肉牛采食量沒(méi)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(yǎng)過(guò)程。Geraci等[21]研究發(fā)現(xiàn)，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(méi)有顯著差異，表明植物精油可以作為肉牛飼養(yǎng)過(guò)程中潛在的抗生素的替代物。

蛋白質(zhì)是反芻動(dòng)物飼糧中最昂貴的成分，飼養(yǎng)過(guò)程中可以通過(guò)減少瘤胃蛋白質(zhì)降解或增加瘤胃微生物對(duì)氮的利用來(lái)減少蛋白氮的損失，提高生長(zhǎng)性能。反芻動(dòng)物瘤胃中的氨態(tài)氮主要由高產(chǎn)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(yáng)性菌，并且對(duì)莫能菌素等離子載體高度敏感[22]。Onel等[9]用瑞士褐牛進(jìn)行體外產(chǎn)氣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵底物中添加月桂油能夠降低氨態(tài)氮濃度。Ferme等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在體外瘤胃模擬系統(tǒng)中添加肉桂醛可以減少普雷沃氏菌屬(Prevotella)的相對(duì)豐度，這是一組已知的HAP。同時(shí)，也有其他試驗(yàn)證實(shí)了植物精油對(duì)普雷沃氏菌屬的抑制作用[24-25]。除此之外，還有結(jié)果表明植物精油可以通過(guò)抑制嗜淀粉瘤胃桿菌(Ruminobacteramylophilus)來(lái)減少淀粉和蛋白質(zhì)等易降解底物的快速降解，從而影響蛋白質(zhì)分解菌的活性[26]。但是，也有試驗(yàn)結(jié)果表明植物精油對(duì)肉牛瘤胃氨態(tài)氮濃度沒(méi)有顯著影響[16,20]。導(dǎo)致體內(nèi)或者體外試驗(yàn)研究結(jié)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(lèi)及劑量等有關(guān)。

一些試驗(yàn)結(jié)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(jìn)肉牛生長(zhǎng)，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(tuán)有所差異，可能會(huì)產(chǎn)生協(xié)同或是拮抗作用[29-30]。De Souza等[28]研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(dú)添加迷迭香精油(4.00 g/d)則降低了肉牛的生長(zhǎng)性能。另外，植物精油的作用效果也存在劑量效應(yīng)，在一定范圍內(nèi)隨著植物精油劑量的增加產(chǎn)生的作用效果也更明顯，但超過(guò)一定劑量可能會(huì)造成負(fù)面影響。Ornaghi等[17]試驗(yàn)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(guān)系。其他學(xué)者也證實(shí)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(shì)，而飼糧中添加1.60 g/d的肉桂醛有降低養(yǎng)分消化率的趨勢(shì)[18]。

2 植物精油對(duì)肉牛瘤胃發(fā)酵的影響

許多研究表明植物精油能改變瘤胃的發(fā)酵模式。體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在底物中添加茶樹(shù)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(nèi)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(nèi)洛牛瘤胃丙酸摩爾百分比的趨勢(shì)。在肉牛生產(chǎn)中，如果能夠增加瘤胃發(fā)酵中丙酸鹽比例，同時(shí)降低乙酸、丁酸鹽比例，就能夠改善能量狀況，提高飼料轉(zhuǎn)化率。

造成這類(lèi)結(jié)果的原因可能是植物精油具有抗菌性，通過(guò)影響肉牛瘤胃微生物區(qū)系從而導(dǎo)致瘤胃發(fā)酵類(lèi)型的改變。植物精油種類(lèi)繁多，它們的抗菌活性很可能不是歸因于某一特定機(jī)制，而在細(xì)胞中存在多個(gè)靶點(diǎn)，甚至這些靶點(diǎn)并不獨(dú)立作用，可能存在交互作用。一般來(lái)說(shuō)植物精油具有疏水性，在細(xì)菌細(xì)胞膜上聚集，通過(guò)與細(xì)菌膜的相互作用，改變其對(duì)氫離子和鉀離子等陽(yáng)離子的滲透率，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡[31-32]。Ultee等[33]提出一種質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制，解離的香芹酚通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜向細(xì)胞質(zhì)擴(kuò)散并解離，從而向細(xì)胞質(zhì)釋放質(zhì)子，然后，它通過(guò)攜帶細(xì)胞質(zhì)中的鉀離子(或其他陽(yáng)離子)以未解離的形式返回，鉀離子通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)酵獠凯h(huán)境。Ultee等[31]在香芹酚對(duì)蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)作用的試驗(yàn)中也觀察到了鉀離子流出和氫離子進(jìn)入的現(xiàn)象，這個(gè)機(jī)制與離子載體抗生素的作用機(jī)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(jié)果表明二者在瘤胃發(fā)酵方面沒(méi)有顯著差異。

除此以外，細(xì)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(yáng)性菌相比存在脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)層，這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠讓革蘭氏陰性菌對(duì)親水分子和疏水分子的滲透都有顯著的調(diào)節(jié)作用[34]，導(dǎo)致革蘭氏陰性菌對(duì)大部分植物精油不敏感。瘤胃中產(chǎn)乙酸、丁酸的多是革蘭氏陽(yáng)性菌，而產(chǎn)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(jié)構(gòu)，增加細(xì)胞膜對(duì)ATP的通透性[35-36]，達(dá)到抑制革蘭氏陰性菌的作用。體外試驗(yàn)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(duì)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(duì)豐度[38]。體內(nèi)試驗(yàn)中，在荷斯坦閹牛飼糧中添加百里香酚，降低了瘤胃產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobcatersuccinogenes)的相對(duì)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(duì)豐度[39]。反芻獸半月形單胞菌和鏈球菌是主要的產(chǎn)丙酸菌，白色瘤胃球菌、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌是主要的產(chǎn)乙酸菌。由此推論，植物精油對(duì)肉牛瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸濃度的影響可能是通過(guò)改變瘤胃微生物區(qū)系所造成的。

在肉牛生產(chǎn)后期，往往通過(guò)高精料飼糧達(dá)到育肥效果。然而大量添加精料會(huì)導(dǎo)致瘤胃酸中毒[40]，從而影響肉牛的生長(zhǎng)性能，造成飼料轉(zhuǎn)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(shí)，牛鏈球菌生長(zhǎng)不再受能量限制，隨著其生長(zhǎng)速度的增加，細(xì)菌內(nèi)1,6-二磷酸果糖和丙酮酸濃度可能會(huì)增加，這些中間產(chǎn)物會(huì)激活乳酸脫氫酶，同時(shí)磷酸三糖濃度也可能隨之增加，導(dǎo)致丙酮酸甲酸裂解酶活性被抑制，這些變化導(dǎo)致更多的淀粉用于生產(chǎn)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(zhǎng)期低于6.0則會(huì)導(dǎo)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?qū)⑷樗岚l(fā)酵為丁酸和通過(guò)丙烯酸酯途徑生成丙酸[42]，還能與乳酸產(chǎn)生菌競(jìng)爭(zhēng)底物從而抑制產(chǎn)乳酸菌生長(zhǎng)，緩解瘤胃pH[43]。Zotti等[44]試驗(yàn)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)豐度，而且還能顯著增加瘤胃埃氏巨型球菌的相對(duì)豐度。

3 植物精油對(duì)肉牛甲烷產(chǎn)量的影響

產(chǎn)甲烷菌在瘤胃中通過(guò)與其他瘤胃微生物相互作用，利用其他微生物發(fā)酵產(chǎn)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(dòng)物生產(chǎn)過(guò)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(dòng)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(chǎn)量不僅對(duì)環(huán)境友好，而且能夠降低成本。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物精油能否降低肉牛甲烷產(chǎn)量產(chǎn)生了濃厚的興趣。

Onel等[9]用瑞士褐牛瘤胃液進(jìn)行體外產(chǎn)氣試驗(yàn)，結(jié)果表明添加0.05 g/L月桂油能夠顯著降低甲烷產(chǎn)量。Evans等[46]在以海福特閹牛的瘤胃液進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)添加0.40 g/L百里酚降低了甲烷產(chǎn)量。一般來(lái)說(shuō)，影響甲烷產(chǎn)生的原因有2個(gè)，其一是抑制了產(chǎn)甲烷菌和原蟲(chóng)數(shù)量，其二是減少了合成甲烷的底物含量。大多數(shù)甲烷菌與原生生物無(wú)關(guān)，但一些纖毛蟲(chóng)存在產(chǎn)氫體，能夠吸引部分產(chǎn)甲烷菌作為共生菌[47]。有研究認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌與原生生物的共生關(guān)系對(duì)甲烷排放有37%的貢獻(xiàn)率[48]。研究表明，飼糧中添加植物精油可以降低瘤胃原蟲(chóng)和產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度[20,39,49]。植物精油與細(xì)菌通過(guò)膜互作，尤其是對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌，通過(guò)抑制纖維素降解菌從而使得糖發(fā)酵的產(chǎn)物由乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，從而減少合成甲烷的底物含量。一些試驗(yàn)結(jié)果顯示在飼糧中添加植物精油會(huì)降低肉牛瘤胃中H2和CO2濃度[46,50]。與此同時(shí)，也有試驗(yàn)表明飼糧中添加植物精油對(duì)肉牛瘤胃中甲烷產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響[27]?？赡艿脑蛟谟谑褂玫闹参锞偷姆N類(lèi)和劑量、飼糧的組成和結(jié)構(gòu)等有所差異所導(dǎo)致。

4 植物精油對(duì)牛肉品質(zhì)的影響

植物精油對(duì)肉品質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在其抗氧化活性上。肉牛經(jīng)過(guò)屠宰后肌肉的抗氧化能力逐漸降低，氧化反應(yīng)占主導(dǎo)地位，產(chǎn)生大量自由基，而自由基的產(chǎn)生與抗氧化防御機(jī)制之間存在平衡[51]，過(guò)量的活性氧會(huì)導(dǎo)致肉品質(zhì)包括其營(yíng)養(yǎng)和感官品質(zhì)的惡化。植物精油具有抗氧化活性，其中酚類(lèi)可以消除或減少自由基，酚羥基與金屬離子螯合，萜烯類(lèi)能上調(diào)抗氧化酶的活性，減少脂質(zhì)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(zhì)。丙二醛(malondialdehyde，MDA)是脂質(zhì)氧化的終產(chǎn)物，常用來(lái)反映肌肉氧化程度，并將其含量作為動(dòng)物抗氧化能力的重要指標(biāo)。有試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)，在犢牛飼糧中添加3.50 g/d植物精油可減少脂質(zhì)氧化，然而，飼糧中添加7.00 g/d植物精油對(duì)熟化過(guò)程中的牛肉具有促進(jìn)氧化作用。高劑量的植物精油促進(jìn)氧化可能是由于高劑量下精油能與線粒體相互作用，并對(duì)其造成損傷，產(chǎn)生更多的自由基加快脂質(zhì)氧化[14]。此外，屠宰后牛肉不斷氧化會(huì)破壞細(xì)胞膜，進(jìn)而使得細(xì)胞脆性增加及系水力降低等[54]。Pukrop等[55]的研究結(jié)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(jié)構(gòu)的影響，有試驗(yàn)表明，在內(nèi)洛牛肥育飼糧中添加植物精油混合物，能通過(guò)增加牛肉肌節(jié)長(zhǎng)度、可溶性膠原蛋白含量，降低Ⅲ型膠原蛋白含量來(lái)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(huì)影響肉的嫩度，在烹飪過(guò)程中直接受到熱量的影響，Ⅲ型膠原蛋白在加熱時(shí)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(nèi)膜鞘之間邊界的形成，這對(duì)肉的紋理特性有一定作用[58]。同時(shí)，肌肉的嫩度與鈣蛋白酶有關(guān)，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(biāo)與鈣蛋白酶活性顯著相關(guān)[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(huì)促進(jìn)脂質(zhì)氧化，也會(huì)促進(jìn)許多致病菌如大腸桿菌(Escherichiacoli)、單核增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)、腸炎沙門(mén)氏菌(Salmonellaenteritidis)、鼠傷寒沙門(mén)氏菌(Salmonellatyphimurium)和腸炎耶爾森菌(Yersiniaenteritidis)的滋生。在食品工業(yè)中，利用植物精油的抗菌性和抗氧化性，在牛肉包裝儲(chǔ)存的過(guò)程中可有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)及脂質(zhì)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(zhǎng)牛肉的貨架期[62-66]。

5 小結(jié)