植物提取物在家禽和豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展

李 鵬，高銘坤，咼于明

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

在飼料無抗的推進過程中，業(yè)界通過改進飼養(yǎng)管理條件、選優(yōu)繁育、優(yōu)化免疫程序、改進飼料配方技術(shù)、合理使用飼料添加劑等手段來改善畜禽生產(chǎn)水平和健康狀況[1]。目前，學(xué)者們試圖尋找安全、高效的飼料添加劑產(chǎn)品及利用飼料添加劑之間的配伍作用替代抗生素的功能[2-3]。植物提取物（Plant Extracts，PE）作為一種綠色、安全的飼料添加劑，在改善畜禽生產(chǎn)性能與腸道健康等方面的作用可以替代抗生素的部分功能。PE 的種類較多，大致可分為黃酮類、精油類、生物堿、多酚、多糖、皂苷類等。PE 對畜禽的生物學(xué)作用主要為抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)、抗炎、抗病毒等[4]，但PE 發(fā)揮生物學(xué)作用的途徑尚需進一步挖掘。筆者認為，PE 的精準使用需對其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性、作用劑量、PE 與腸道菌群的互作關(guān)系等進行全面評估。為此，本文綜述了PE 的分類及其對豬和家禽的作用機理，并對未來PE 在畜禽生產(chǎn)中的研究與運用策略進行了展望，以期為PE 在家禽和豬生產(chǎn)中的精準使用提供思路。

1 PE 的作用機制

1.1 抗氧化 氧化應(yīng)激是細胞或組織的氧化和抗氧化系統(tǒng)之間的不平衡，氧化自由基和相關(guān)活性氧（ROS）的大量產(chǎn)生進而造成的一種應(yīng)激反應(yīng)。日糧中過高的脂肪或碳水化合物水平、機體的炎癥狀態(tài)等都易導(dǎo)致機體過氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生，如丙二醛（MDA）、髓過氧化物酶（MPO）等[5]。氧化應(yīng)激往往影響畜禽的肉品質(zhì)、蛋雞的產(chǎn)蛋率、腸道健康等，最終直接導(dǎo)致養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟損失。Kelch 樣相關(guān)蛋白-1（Keap-1）-Nrf-2 信號通路被認為是細胞緩解氧化應(yīng)激損傷的重要途徑之一[6]。研究報道，茶多酚通過調(diào)節(jié)Keap-1-Nrf-2 通路，提高抗氧化酶的表達，進而改善機體抗氧化功能[7]。植物皂苷和白藜蘆醇可通過提高超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶的含量，降低MDA 的水平來改善雞的抗氧化功能[8-9]。除上述抗氧化途徑外，部分PE 自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性也有助于改善畜禽的抗氧化功能。有報道稱，部分多酚、多糖類物質(zhì)一方面通過抑制蛋白激酶C 的活性，抑制氧自由基的產(chǎn)生；另一方面其自身的酚羥基、糖基側(cè)鏈等結(jié)構(gòu)可中和過氧陰離子進而發(fā)揮抗氧化作用[10]。

1.2 調(diào)節(jié)免疫 畜禽的免疫系統(tǒng)包含3 道屏障。第一道屏障以皮膚、黏膜及其分泌液組成；第二道屏障以固有免疫細胞（包括單核/巨噬細胞、樹突狀細胞等）、固有免疫活性分子（如溶菌酶、補體、防御素、細胞因子等）構(gòu)成；第三道屏障由免疫器官和免疫細胞借助于血液和淋巴循環(huán)系統(tǒng)形成[11]。免疫系統(tǒng)無時無刻不行使著免疫監(jiān)視、防御和自穩(wěn)的職責。細胞因子在調(diào)節(jié)機體免疫穩(wěn)態(tài)的過程中發(fā)揮重要作用。有學(xué)者認為，促炎因子[如白細胞介素1β（IL-1β）、白細胞介素6（IL-6）和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）]的適度表達會激活機體的免疫系統(tǒng)，這有助于畜禽抵抗病原微生物的感染；然而促炎因子過度表達會引起機體炎癥反應(yīng)[12]?？寡滓蜃覽如IL-4、IL-10、轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）等] 參與免疫耐受和抗體合成，但抗炎因子的過度表達會導(dǎo)致機體疾病易感[13]?？寡着c促炎細胞因子的協(xié)同表達維持機體的免疫穩(wěn)態(tài)。免疫穩(wěn)態(tài)一旦被打破，畜禽將對疾病易感，這直接造成畜牧業(yè)巨大的經(jīng)濟損失。大部分PE 通過改善上述3 道免疫屏障，調(diào)節(jié)畜禽的免疫功能。以黃酮類為例，日糧中添加300、400 mg/kg 姜黃素可促進腸道緊密連接蛋白（ZO-1、Claudin-1 等）的表達，提高腸道杯狀細胞數(shù)量、sIgA 含量及血清IL-4、IL-10 等水平，改善斷奶仔豬免疫功能[14-15]。日糧中添加25 mg/kg 槲皮素通過調(diào)節(jié)TLR4-NF-κB 途徑，抑制IL-1β、TNF-α等表達，降低血清內(nèi)毒素的水平，緩解脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的仔豬腸道損傷[16]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，種雞日糧中添加20 mg/kg 大豆異黃酮通過刺激B 細胞的增殖，提高血清IgG、IL-4 等水平，改善種雞及其子代的免疫功能[17]。一些PE 與疫苗聯(lián)合使用可以提高疫苗的免疫效價，如止痢草提取物對球蟲疫苗、大豆皂苷對新城疫疫苗免疫效價具有改善作用[18]。

1.3 改善腸道菌群結(jié)構(gòu) 腸道菌群在維持腸道健康過程中扮演著極其重要的角色。有學(xué)者認為，腸道細菌通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與轉(zhuǎn)運、激素分泌等腸道生理機能，進而與大腦形成連接回路，影響機體的情緒、行為等[19]。腸道菌群對腸道免疫機能的影響最為直接。研究表明，腸道80% 的免疫反應(yīng)都是由腸道菌群誘導(dǎo)的，腸道菌群參與塑造和指導(dǎo)宿主局部和系統(tǒng)的免疫發(fā)育[20]。PE調(diào)節(jié)腸道菌群的途徑一般以抑制有害菌的生長、促進有益菌的增殖為主。PE 的抑菌機制一般可歸納為以下幾類。其一，抑制細菌細胞壁肽聚糖的形成，如千金藤提取物的抗菌機制主要是通過抑制細菌肽聚糖的合成[21]。其二，改變細菌細胞膜的結(jié)構(gòu)以改變細胞膜內(nèi)外的滲透壓。研究表明，牛至提取物通過改變細胞膜的通透性，抑制金黃色葡萄球菌與綠膿桿菌增殖[22]；香芹酚因其具有芳香族的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性，表現(xiàn)出對細菌細胞膜磷脂分子層的親脂特性，抑制病原菌[23]。其三，改變細菌細胞質(zhì)內(nèi)蛋白的結(jié)構(gòu)、使細菌細胞質(zhì)凝聚等途徑抑制病原菌[24]。其四，通過抑制細菌三羧酸循環(huán)，引起細菌能量代謝受阻，裂解細菌DNA、抑制其擴增等[25]。PE可促進有益菌增殖，一方面在于其抑制有害菌的增殖，有助于有益菌發(fā)展為優(yōu)勢菌群；另一方面腸道菌群代謝PE 的產(chǎn)物可作為有益菌的能源物質(zhì)。如香菇多糖被腸道菌群代謝產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，促進乳酸菌、雙歧桿菌等生長[26]。

1.4 改善胃腸道消化、吸收功能 PE 改善畜禽腸道消化、吸收功能的途徑主要包括：促進內(nèi)源消化酶（如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶）分泌；為小腸上皮細胞提供能源物質(zhì)[如短鏈脂肪酸（SCFAs）]；調(diào)節(jié)腸道上皮細胞營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運載體的表達等。研究發(fā)現(xiàn)，辣椒素、胡椒堿、植物精油、絲蘭提取物等均可提高蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的分泌[28]，這些物質(zhì)被腸道菌群代謝的產(chǎn)物（如SCFAs）一般呈酸性，有助于降低胃腸道pH，改善消化酶的活性[27-28]。大部植物多糖可被腸道菌群代謝產(chǎn)生SCFAs，以促進小腸上皮細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。如肉桂油具有改善腸道鈉/ 葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白 1、2（SLC5A1、SLC2A2）基因轉(zhuǎn)錄的作用[29]。

1.5 抗炎、抗病毒 PE 抗炎的途徑多種多樣，主要包括花生四烯酸途徑、細胞因子及其受體途徑、血栓素及前列腺素（COX）的形成途徑等。此外，PE 還作用于下丘腦體溫調(diào)節(jié)中樞以緩解熱應(yīng)激對機體的負面影響[30]。多種植物黃酮被證實具有改善機體炎癥的作用。PE 抗病毒的機制一是通過調(diào)節(jié)I-型干擾素信號通路，促進抗病毒基因和蛋白的轉(zhuǎn)錄和表達，抑制病毒的增殖；另一種是通過促進畜禽B 細胞的成熟，分泌抗體殺滅病毒。研究發(fā)現(xiàn)，魚腥草、馬德蘭提取物類黃酮具有較好的抗禽流感病毒作用[31-32]。Wu 等[33]發(fā)現(xiàn)，葛根素通過調(diào)控I-型干擾素信號通路發(fā)揮抗豬流行性腹瀉病毒（PEDV）的作用。

PE 除上述作用途徑外，還具有改善畜禽代謝、降低家禽尿酸和尿素氮、降低排泄物中氨氣以改善飼養(yǎng)環(huán)境條件等作用[34]。筆者整理繪制了已報道的PE 生物學(xué)作用機制，見圖1。自然界中PE 種類繁多、功效各異，其更多的生物學(xué)作用機制亟待進一步挖掘。

圖1 植物提取物生物學(xué)作用機制匯總（并不代表所有的提取物均具有上述各功能）

2 PE 的分類及其對豬和家禽的生物學(xué)作用

2.1 植物黃酮類 植物黃酮類提取物是一類以2-苯基色原酮為基礎(chǔ)單元的物質(zhì)的統(tǒng)稱。植物黃酮類提取物包括黃酮類、異黃酮類、黃酮醇類及黃烷酮類等[32]。在畜牧領(lǐng)域黃酮類物質(zhì)被證實具有改善畜禽生產(chǎn)性能、提高免疫力、抗炎等作用。在豬上的研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加大豆異黃酮和染料木黃酮可改善斷奶仔豬的腸道健康狀況[35-36]；Cui 等[37]發(fā)現(xiàn)，苦蕎黃酮和藤茶黃酮具有改善仔豬平均日增重（ADG）和平均日采食量（ADFI）的作用，當它們與一些益生菌聯(lián)合使用時效果更佳；Choy 等[38]認為，原花青素通過提高母豬結(jié)腸中毛螺菌科、乳桿菌和瘤胃球菌科的相對豐度改善母豬腸道健康。在家禽生產(chǎn)中，F(xiàn)an 等[17]發(fā)現(xiàn)，種雞日糧中添加20 mg/kg 大豆異黃酮可改善種雞的免疫功能，并且種雞免疫功能的改善可遺傳給子代；日糧中添加15～60 mg/kg大豆異黃酮和染料木黃酮可提高蛋雞的產(chǎn)蛋性能[39-40]。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，日糧中添加50 mg/kg 大豆苷元可顯著提高雞卵巢組織中的卵泡刺激素受體（FSHR）的表達，但劑量超過100 mg/kg 時FSHR的表達被抑制[41]。在體外試驗中發(fā)現(xiàn)，沒食子酸和原花青素等一些植物黃酮可中和金黃色葡萄球菌和致病性大腸桿菌內(nèi)毒素[42-43]。另有報道證實，植物黃酮可誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡等[44]。黃酮類PE 種類繁多，大部分已被證實具有抗氧化、抑菌、抗炎、調(diào)節(jié)免疫、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)、促生長等生物學(xué)作用[35-38]。但其具體的生物學(xué)作用機制有待深入挖掘，黃酮類提取物與腸道菌群的互作機制可以作為一個研究角度。

2.2 植物精油類 植物精油是從植物中提取得到的一類含芳香氣味的油性分子，廣泛應(yīng)用于化妝品、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。植物精油具有抗氧化、促生長、調(diào)節(jié)免疫、抑菌、抗炎等作用。在畜禽研究領(lǐng)域，常見的植物精油包括牛至油、百里香油、肉桂油等。在豬方面的研究顯示，日糧中添加25 mg/kg 牛至油可改善肥育豬空腸屏障功能[45]；肉桂油和復(fù)合植物精油（香芹酚與百里香酚按照1:1 混合）可改善斷奶仔豬的抗氧化和免疫功能[46-47]。此外，辣椒油、橄欖油、姜黃油、茶樹油等也具有緩解斷奶仔豬腹瀉、改善腸道屏障等作用[48-49]。在家禽方面，給肉雞日糧中添加100 mg/kg 牛至油、300 mg/kg 肉桂油、400 mg/kg 姜黃油可通過調(diào)節(jié)Nrf-2-ARE 通路，提高SOD、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH）等抗氧化酶的含量，降低MDA 水平，改善肉雞抗氧化功能[50-52]；日糧中添加薰衣草精油、香芹酚、孜然精油可以緩解LPS誘導(dǎo)的肉雞促炎因子（如IL-1β、IL-6、TNF-α）的升高，緩解肉雞炎癥反應(yīng)[53-54]。但Botsoglou 等[55]在日糧中添加50～100 mg/kg 牛至油對肉雞生產(chǎn)性能、免疫性能等無影響。植物精油化學(xué)成分復(fù)雜，探明其中的主要活性成分對其應(yīng)用于飼料及畜禽生產(chǎn)具有重大意義。由于植物精油具有油性、氣味大等特點，其在飼料中的使用也需要考慮采用包被、包埋技術(shù)等。另外，確定精油的最適宜添加劑量也是合理使用植物精油的關(guān)鍵。

2.3 植物多糖 植物多糖是一類由糖苷鍵將醛糖和酮糖連接而成的高分子化合物，具有促進動物生長、抗氧化、抗病毒、調(diào)節(jié)免疫等多種生物學(xué)作用。在豬研究領(lǐng)域，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在斷奶仔豬日糧中添加800 mg/kg 黃芪多糖可改善仔豬腸道屏障功能和腹瀉率[56]；香菇多糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，上調(diào)小腸上皮細胞緊密連接蛋白的表達，進而改善仔豬腸道健康[26]。在家禽研究領(lǐng)域，有學(xué)者給雞胚注射黃芪多糖以改善肉雞21 日齡時腸道的屏障和免疫功能[57]；日糧中添加800 mg/kg 黃芪多糖和1g/kg 刺五加多糖可改善雞只腸道菌群結(jié)構(gòu)，改善其生產(chǎn)性能及免疫功能[58-59]。相較于植物黃酮與植物精油，植物多糖在畜禽生產(chǎn)中的研究較少。關(guān)于多糖類的研究大部分集中在體外細胞與鼠上，如體外研究發(fā)現(xiàn)綠藻多糖可抑制流感病毒的增殖[60]。植物多糖在醫(yī)藥領(lǐng)域的研究較多，其在畜牧行業(yè)的使用具有較大潛力。

2.4 生物堿類 生物堿是PE 分子結(jié)構(gòu)中含氮的一類物質(zhì)。生物堿在畜禽生產(chǎn)中的生物學(xué)作用機制尚不清楚?，F(xiàn)有研究表明，生物堿通過抑制病原菌的增殖，在調(diào)節(jié)畜禽腸道健康方面具有積極作用[61-65]。豬上的研究表明，50 mg/kg 血根堿對斷奶仔豬腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)及免疫功能的改善作用與金霉素基本一致[61]。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)苦參堿通過抑制病原菌的增殖改善豬的腹瀉[62]。在家禽方面，可能由于家禽種屬之間的差異，甜菜堿可改善肉雞的腸道發(fā)育，而非肉鴨[63]。有學(xué)者基于球蟲感染模型，發(fā)現(xiàn)甜菜堿可減少肉雞腸道中球蟲的數(shù)量以緩解腸道炎癥反應(yīng)[64-65]，這可能與甜菜堿調(diào)節(jié)腸道菌群進而調(diào)控腸道內(nèi)環(huán)境有關(guān)。Chen 等[66]發(fā)現(xiàn)甜菜堿可提高肉雞抗氧化功能、改善肉品質(zhì)，然而Wen 等[67]卻認為甜菜堿對肉雞的氧化應(yīng)激無顯著改善作用。這些研究結(jié)果不一致可能與熱應(yīng)激的時間、雞的品種有關(guān)。生物堿在畜禽生產(chǎn)中的研究較少，其作用機制也不明確?，F(xiàn)有的一些報道都是基于生物堿調(diào)節(jié)腸道菌群的研究，生物堿對畜禽生產(chǎn)性能的影響鮮有報道。

2.5 其他 除植物黃酮外，植物多酚類物質(zhì)還包括單寧、酚酸類物質(zhì)等。Gan 等[14]報道，300 mg/kg 白藜蘆醇通過改善腸道的抗氧化功能，抑制腸道炎性因子的釋放，緩解仔豬斷奶應(yīng)激。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，單寧酸通過上調(diào)仔豬空腸乳酸菌的豐度，進而提高丁酸的產(chǎn)量，改善腸道屏障及免疫功能[68]。皂苷類物質(zhì)在畜禽生產(chǎn)中的研究報道有限，有學(xué)者給肉雞口服5 mg/kg 大豆皂甙可提高肉雞血清中新城疫疫苗的抗體水平[18]。

3 PE 在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用展望

目前，PE 中的黃酮類、精油類、多糖類在畜禽生產(chǎn)中報道較多，但作用機制有待進一步明確。生物堿、酚酸類、皂苷類物質(zhì)及單寧酸等鮮有報道。其原因一方面可能在于業(yè)界對其認識還未及時轉(zhuǎn)變，譬如單寧酸、皂甙等在傳統(tǒng)的動物營養(yǎng)學(xué)觀念里被視為抗營養(yǎng)因子，然而它們在醫(yī)學(xué)上顯示出較好的免疫調(diào)節(jié)、抗氧化等作用。另一方面可能與這些物質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)作用依賴于腸道菌群的調(diào)控相關(guān)。關(guān)于PE 在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用筆者有如下思考。

3.1 開發(fā)現(xiàn)有物質(zhì)的篩選策略，挖掘新型PE 目前已知的PE 種類繁多，但其對畜禽的生物學(xué)作用報道有限。盲目地進行體內(nèi)試驗篩選耗時耗力，開發(fā)PE 體外篩選策略對PE 的在體研究意義較大。筆者認為可根據(jù)提取物本身特點（如特殊的生物活性基團、腸道上皮細胞吸收效率等），采用高通量培養(yǎng)組學(xué)、體外細胞試驗等技術(shù)進行研究；明確該類提取物發(fā)揮生物學(xué)作用的初步機制，為后續(xù)開發(fā)具備生物活性提取物的產(chǎn)品，或采用益生菌產(chǎn)品與提取物復(fù)配使用等提供理論支撐。

潛在的PE 舉不勝舉，開發(fā)新型PE 任重道遠但意義重大。對于新型PE 的開發(fā)，筆者認為以中草藥為契入點，注意民間采風(fēng)可能較為合適。如醫(yī)學(xué)上青蒿素的開發(fā)、畜牧行業(yè)刺五加提取物、天蠶毒素的使用等都在民間有據(jù)可循。另外，開發(fā)新型PE 的原材料在未來也可能作為新型飼料原料。對于現(xiàn)有的PE 及未來開發(fā)的新型PE，可根據(jù)提取物的主要活性成分，改良植物培育技術(shù)、改進活性成分的提取加工工藝等，為其在畜牧、食品或者醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。開發(fā)PE 的初步思路如圖2 示。

圖2 植物提取物從原料到商業(yè)產(chǎn)品的流程描述

3.2 合理使用新技術(shù)、方法，探明PE 的作用機制 大多數(shù)PE 的作用途徑目前尚不清晰，筆者大致總結(jié)了以下3 個可能的途徑。首先，提取物本身具備酚羥基、糖基側(cè)鏈等生物活性官能團，這些PE 自身即可發(fā)揮生物學(xué)作用；其二，提取物通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，被改善的腸道菌群發(fā)揮生物學(xué)作用；其三，提取物被腸道菌群代謝產(chǎn)生一些生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)作用。有的提取物作用途徑可能基于上述一種或多種?；谏鲜? 個途徑，腸道菌群可能在PE 對畜禽發(fā)揮生物學(xué)作用的途徑中發(fā)揮重要作用。一些報道發(fā)現(xiàn)PE 通過改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，或通過腸道菌群與其互作等途徑來發(fā)揮生物學(xué)作用，如白芍總苷、猴頭菇多糖、花青素、黃柏酮、綠茶多酚、茶褐素等[69-74]。因此，探明PE 與腸道菌群的互作機制有助于其在生產(chǎn)中的運用。

PE 的3 個作用途徑整理見圖3。一些試驗技術(shù)（如細胞試驗、抑菌試驗、糞菌移植等）、動物模型（如無菌動物、SPF 動物、抗生素處理腸道菌群紊亂模型等）可作為探明PE 與菌群互作關(guān)系的思路。此外，新一代測序技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對探明PE 的作用機制不可或缺。未來的研究可基于宏基因組、代謝組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等手段，探究特定細菌與PE 的互作關(guān)系、PE 調(diào)節(jié)機體的生物學(xué)作用途徑等。

圖3 植物提取物對畜禽發(fā)揮生物學(xué)作用的途徑描述

3.3 明確提取物的生物學(xué)作用差異，合理搭配不同添加劑共同使用 一些PE（如生物堿類、皂苷類等）可能無法改善畜禽生產(chǎn)性能，但可以調(diào)節(jié)免疫功能。在生產(chǎn)中可以將生物堿類、皂苷類等提取物與能改善生產(chǎn)性能的添加劑聯(lián)合使用。生產(chǎn)中還可以采用其他的復(fù)配組合，如生物堿與黃酮類、植物精油類復(fù)配，PE 與酶制劑、益生菌等添加劑復(fù)配使用等。此外，PE 的使用需要進行成本評估，確保選擇性價比高的提取物或復(fù)配方式等。