植物提取物對家禽腸道健康的控及其作用機制

畜牧編輯

　　作者：郭愛偉, 熊春梅, 周杰瓏 李青青, 陳玉芹, 楊亞晉 鄭琛
　　轉自：動物營養學報
　　摘要: 植物提取物中的活性物質有黃酮類、植物精油、生物堿、茶多酚、皂苷和多糖等，這些活性物質在動物機體內具有抗菌、抗氧化、增強腸道免疫、促進消化酶分泌及改善腸道健康等多種生理功能，且具有無殘留和無耐藥性等特點，是抗生素的理想替代品之一。本文借鑒國內外學者近年來的植物提取物在家禽腸道健康調控方面的研究成果，對植物提取物的抑菌活性成分及抗菌機制進行了概括和闡述，重點綜述了植物提取物對家禽腸道消化生理、腸道發育及黏膜形態、腸道菌群、腸道免疫和腸道有害代謝產物的影響及其作用機制，以期為今后在家禽生產中合理使用植物提取物提供科學依據。

　　關鍵詞: 植物提取物     家禽     腸道健康     作用機制

　　在畜禽飼料中長期添加抗生素給人類自身健康和環境安全帶來了嚴重的負面影響，濫用抗生素會破壞畜禽腸道內的微生態平衡，并引發細菌的耐藥性，此外，畜產品中抗生素殘留也會威脅人體健康[1]。因此，很多國家已經開始禁止在畜禽飼料中添加抗菌素，沒有禁用的國家也立法嚴格限制使用，并規定停藥期和休藥期[2]。因此，在家禽配合飼料中添加低劑量的抗生素作為腸道微生態調節劑已不再受歡迎，探尋新的抗生素替代品來調節家禽腸道微生物區系和維持腸道健康是后抗生素時代的緊迫任務。植物提取物(plant extracts，PE)就是在這種背景下成為家禽營養學研究的一個熱點，其主要原因在于植物提取物中的活性物質可以通過抗菌以及對細菌選擇性抑制來維持消化道菌群的微生態平衡，植物提取物還可以通過改善家禽腸道免疫、促進腸道黏膜的發育和消化酶的分泌等方面來保證家禽腸道健康[3]。在當前人們對畜產品安全高度關注和實現畜牧業可持續發展的背景下，植物提取物以其安全、高效、無殘留、不產生抗藥性等優勢[4-6]，成為一種新型抗生素替代品。本文就植物提取物的抗菌機制，對家禽腸道消化生理、腸道發育及黏膜形態、腸道菌群、腸道免疫、腸道有害代謝產物等方面的影響及其作用機制進行了綜述，為今后家禽腸道健康調控及家禽生產提供依據。

　　1 植物提取物概述

　　植物提取物是指來源于植物，具有一種或多種生物學功能的物質，添加在飼料中具有提高畜禽生產性能、改善畜產品品質、增強免疫力、預防某些畜禽疾病、保證腸道健康等多種作用[7-9]。植物提取物中含有豐富而復雜的有機成分，包含多達60多種化學成分[5]，現已證明具有生物活性的物質有黃酮類、植物精油、生物堿、茶多酚、皂苷和多糖等。黃酮類化合物是一類存在于植物中的具有2-苯基色原酮結構的化合物，它們分子中含有1個酮式羰基，第1位上的氧原子具有堿性，能與強酸成鹽，其羥基衍生物呈黃色，故又稱黃堿素或黃酮，目前已證實黃酮類化合物具有抗氧化、抑菌等功效，黃酮類化合物的抑菌生物學活性一直是科學家研究的熱點；生物堿是天然植物中一類重要的含氮有機化合物，呈堿性，可與酸結合成鹽，已經證明天然植物中的生物堿具有抑菌的生物學活性；植物精油(essential oils，EOs)是廣泛存在于天然植物中，植物精油具有抗菌、抗氧化、降血脂等優點，已經引起廣泛的關注，國內外對不同植物精油的抗菌活性做了大量的研究，EOs的抗菌機制也正處于積極的探索當中[10-11]。

　　2 植物提取物的抗菌機制
　　2.1 增強腸上皮防御功能
　　現已證實，一些植物提取物在體外并不直接抑殺病原菌，但經過畜禽攝入后能抵抗病原微生物引起的腹瀉，其可能主要是通過提高腸道上皮自身防御功能來實現的。例如，大蒜素不能直接抑殺大腸桿菌，但可以增強腸上皮細胞對K88大腸桿菌侵染的抵抗力，并降低大腸桿菌引起的腸上皮細胞通透性增加[12]。

　　2.2 增強細菌細胞膜通透性

　　植物提取物的一個重要的特點是疏水性(hydrophobicity), 這使得植物提取物可以讓細菌細胞膜和線粒體上的磷脂結構分開，破壞細胞結構，增強細胞膜通透性[13-14]，從而導致細胞內離子和其他物質的泄露[15-17]。如果胞內大量細胞內容物或者重要離子或分子泄露，可能會導致細菌細胞死亡[18]。Lambert等[19]已證實，牛至(Origanum vulgare L.)中香芹酚使金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)細胞中的磷酸分子泄漏，牛至中香芹酚的抑制或殺滅微生物的特性與其親脂性質和芳香族的化學結構有關[20]。

　　2.3 抑制細菌肽聚糖的合成
　　一些體外研究表明，植物提取物可以抑制細菌肽聚糖的合成而使細菌形態受損，千金藤屬(Stephania suberosa)植物提取物的抗菌機制主要是抑制了細菌肽聚糖的合成，使細菌形態受損[21]。

　　由于植物提取物成分復雜，其具體的抗菌機制目前仍未明了。除了以上的3種外，植物提取物還可以破壞或降解細菌的細胞壁、破壞細胞質膜，并破壞細胞膜蛋白質結構，還可以使細菌細胞質凝聚，使細菌質子運動力(proton motive force，PMF)減弱[22-25]。以上所述植物提取物的幾種抗菌機制并非孤立的，它們之間可以相互影響，一種機制的反應可能受到另一種機制中的反應物或生成物的影響。此外，已證實使用完整的植物提取物其抗菌功效要比主要成分大的多，說明了植物提取物中的非主要活性成分也起重要的作用，主要活性成分與非主要成分有疊加效應，今后應加強此方面的研究。

　　3 植物提取物對家禽腸道健康的影響及其作用機制
　3.1 對腸道消化生理的影響
　　研究表明，植物提取物會刺激家禽腸道消化酶的分泌，增強消化酶的活性，從而可以改善家禽腸道的消化機能[26-28]。辣椒素和胡椒堿等主要通過刺激消化酶的活性而促進消化[29]，其主要原因是一些香料提取物中的活性物質會刺激膽鹽的分泌[30]。William等[31]研究表明，植物精油能增加肉雞腸道淀粉酶等內源酶的分泌，提高腸道中消化酶的活性，并能改變飼料在腸道中的形態，降低腸道食糜黏度，從而提高飼料中營養物質的消化率，增加營養物質的吸收，提高家禽的生產性能。山楂提取物能提高肉雞十二指腸蛋白酶活性、胰腺的蛋白酶和脂肪酶活性，使營養物質的消化率提高[32]。在肉雞飼糧中添加200 mg/kg絲蘭提取物(YSE)后，顯著提高了42日齡肉仔雞回腸食糜胰蛋白酶及脂肪酶活性和十二指腸食糜脂肪酶活性，也顯著提高了肉仔雞對粗蛋白質的表觀代謝率[33]。此外，黑孜然(Nigella sativa L.)種子提取物能夠顯著提高雞肌胃pH，但對腺胃、十二指腸、回腸和空腸pH的影響不顯著。在肉雞飼糧中添加蒿(Artemisia sieberi)和黑孜然(Nigella sativa L.)種子提取物的混合物后能顯著增加空腸pH，對肌胃、十二指腸、回腸pH的影響不顯著[34]。綜上所述，植物提取物可能通過刺激胃腸道分泌黏液(包括一部分消化酶)，破壞病原菌在腸道的黏附，進而減少病原菌對腸道的損害，提高腸道營養物質的消化與吸收，維持腸道健康。但也有報道植物提取物對家禽消化道消化酶的分泌影響不顯著的，如Lee等[35]報道，在飼糧中添加100 mg/kg的百里香酚(thymol)和肉桂醛(cinnamaldehyde)后發現，添加百里香酚和肉桂醛對雞胰腺和小腸分泌的淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶、凝乳蛋白酶等酶的活性的影響不顯著，這可能與植物提取物的種類和添加水平有關，今后應繼續加強此方面的研究。

　　3.2 對腸道發育及黏膜形態的影響

　　腸道黏膜作為營養物質吸收的主要部位及機體的第1道免疫屏障，黏膜形態結構及功能的完整性對維持家禽腸道健康和生產具有重要的意義。用0.1%、0.2%和0.3%的主要成分為半乳葡甘露寡糖(galactoglucomannan oligosaccharides)的松木(Pinus brutia)提取物飼喂肉雞，結果表明，0.2%半乳葡甘露寡糖能夠提高小腸絨毛高度和絨毛表面積，降低鼠傷寒沙門氏菌(S. typhimurium)感染的風險[36]。植物提取物會影響病原菌在腸道的黏附，維護家禽腸道微生態平衡，還可以改善空腸和結腸黏膜形態，增加絨毛高度和隱窩深度[37]。Khalaji等[34]研究表明，飼糧中添加山茶(Camellia L.)提取物可顯著提高肉雞絨毛高度和隱窩深度。王勉超[38]在肉雞飼糧中添加125 mg/kg的絲蘭屬(Yucca)提取物，結果表明，試驗組十二指腸及空腸絨毛長度均顯著高于對照組，與抗生素組差異不顯著，絲蘭屬提取物使小腸黏膜結構完整，絨毛排列整齊，黏膜上皮更新明顯。生物堿能促進某些有益菌的增殖，抑制有害菌的生長，促進雞小腸絨毛結構的發育，改善小腸的吸收功能，從而提高雞的生產性能[39]。在飼糧中添加植物提取物后，在一定程度上提高了肉雞回腸和盲腸的絨毛高度以及絨毛高度/隱窩深度，改善了腸道黏膜的消化吸收功能，促進了肉雞的生長發育[40]，這與蘇俊玲等[33]報道的結果相一致。飼糧中添加植物提取物可以提高肉雞小腸各段絨毛高度及回腸、空腸的隱窩深度[41]。在北京鴨飼糧中添加絲蘭提取物，使十二指腸、空腸、回腸的絨毛高度增高，絨毛深度增加，絨毛高度/隱窩深度增大，絨毛面積增大，提高了小腸對養分的吸收[42]。此外，植物提取物還具有修復損傷的腸道黏膜以及調控黏膜細胞因子表達的功能，腸道黏膜損傷后，腸道的修復受多種活性生長因子的調節，主要有表皮生長因子(EGF)、轉化生長因子α(TGFα)、轉化生長因子β(TGFβ)、細胞增殖核抗原(PCNA)等。四君子湯能顯著增強腹瀉小鼠腸道黏膜修復因子PCNA、EGFR、TGFβ1的表達，調控黏膜修復因子的表達，加速小鼠腸道黏膜損傷的修復[43]。植物提取物可能通過影響腸道上皮細胞的增殖分化和腸道上皮相關基因的表達來影響腸道黏膜形態。在仔豬上的研究證實，植物精油使空腸和回腸中與細胞增殖有關的細胞周期蛋白D1(cyclin D1) mRNA的表達量下調，使絨毛高度降低?？紤]到植物精油對腸道形態影響的不同報道，可以假設，植物精油可能的一個作用效果是刺激腸組織，使腸道表面損傷，而其他有益腸道健康的影響如減少腸道病原微生物，則可能有利于增大腸道絨毛高度，進而改善其腸道形態。因此，植物精油對腸道形態的影響取決于腸道組織的刺激程度和腸道環境有益影響間的平衡[44]，其具體作用機制還不清楚，今后應加強從分子水平探討植物提取物對家禽腸道黏膜相關細胞因子方面的研究。

　　3.3 對腸道菌群的影響

　　腸道菌群是腸黏膜屏障的重要組成部分，又稱為生物學屏障，腸道菌群失調會引起家禽腹瀉、免疫力低下，甚至引發全身炎性反應綜合征(SIRS)。在肉雞飼糧中添加60、120、180 mg/kg的絲蘭屬(Yucca)植物提取物，結果表明，60 mg/kg絲蘭屬植物提取物使腸道中厚壁菌門(Firmicutes)的數量增加，120和180 mg/kg絲蘭屬植物提取物使腸道中厚壁菌門的數量減少；60 mg/kg絲蘭屬植物提取物使腸道中芽孢桿菌門(Bacillus)的數量減少，120和180 mg/kg絲蘭屬植物提取物使腸道中芽孢桿菌門的數量增加；60和180 mg/kg絲蘭屬植物提取物使腸道中變形菌門(Proteobacteria)的數量減少，120 mg/kg絲蘭屬植物提取物使腸道中變形菌門的數量增加；腸道中擬桿菌屬(Bacteroides)和真桿菌屬(Eubacterium)等有害菌的數量隨著絲蘭屬植物提取物添加量的提高而減少，而腸道中螺桿菌屬(Helicobacter)的數量隨絲蘭屬植物提取物添加量的提高而增加；腸道中瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、柔嫩梭菌(Clostridium leptum)、奇異菌屬(Atopobium)等有益菌的數量隨著絲蘭屬提取物添加量的提高而增加[45]。蘆薈(Aloe secundiflora)提取物能減少肉雞因沙門氏菌(Salmonella)感染而引起的死亡，提高機體的抗體水平，降低腸道中沙門氏菌的數量[46]。Zhao等[47]在肉雞飼糧中添加馬齒莧(Portulaca oleracea)提取物后發現，42日齡時，添加2 g/kg馬齒莧提取物組盲腸中乳酸桿菌(Lactobacillus)和雙歧桿菌(Bifidobacterium)的數量顯著高于對照組，而大腸桿菌(Escherichia coli)的數量顯著低于對照組，對肉雞腸道pH沒有顯著影響。魏建東[41]研究發現，在肉雞飼糧中添加植物提取物和恩拉霉素均可以使盲腸總非厭氧菌和大腸桿菌等有害菌的數量減少，乳酸菌(Lactobacillus)等有益菌的數量增加，表明植物提取物具有調控雞腸道微生態的功能，隨著肉雞飼養后期飼糧中植物提取物添加量的增加，回腸pH顯著降低。此外，在肉仔雞飼糧中添加植物精油后能改善腸道微生物區系，降低腸道中產氣莢膜梭菌(Clostridium perfringens)的數量，促進乳酸菌和雙歧桿菌等有益菌的定植[31]。Kavoosi等[48]研究了印度藏茴香(Carum copticum)種子精油(茴香精油)和竹板阿魏(Ferula assafoetida)精油(阿魏精油)的抗菌作用，發現茴香精油可極顯著地抑制革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的生長，而阿魏精油只能顯著抑制革蘭氏陽性菌的生長，同時還發現這2種植物精油均具有抗真菌作用。添加2 g/kg牛至水提物可以顯著降低回腸和盲腸中大腸桿菌的數最，盲腸中腸球菌(Enterococcus)、乳酸菌和葡萄球菌(Staphylococcus)的數量各組間差異不顯著，回腸中乳酸菌的數量沒有顯著下降[49]。在日本鵪鶉飼糧中添加百里香精油(thyme essential oil)結果表明，百里香精油可以顯著增加回腸乳酸桿菌的數量，降低大腸桿菌的數量[50]。然而，在7~28日齡的雞飼糧中添加植物精油對小腸菌群的影響不顯著[51]。以上研究表明，不同植物提取物對腸道菌群的調節方式不同，有些可以直接通過不同途徑抑殺有害菌，也有促進益生菌生長而間接抑制有害菌繁殖的，植物提取物中的有些成分如寡糖，具有明顯益生作用，在體內和體外都表現出促進雙歧桿菌、乳酸菌等有益菌生長繁殖的作用[52]，因為雙歧桿菌和乳酸菌等厭氧菌能利用寡糖進行合成代謝，而需氧的致病菌卻不能夠利用寡糖。不同來源的植物提取物在體內對腸道微生態的影響的作用機制不盡相同，多種植物提取物可能表現更強或更廣譜的抗菌作用，未來應加大其篩選與有效組合的研究，以期可以全面解釋植物提取物對家禽腸道菌群的影響機制。

　　3.4 對腸道免疫的影響

　　腸道具有雙重功能，一方面作為營養物質消化和吸收的重要器官，另一方面又是維持機體內環境穩定的先天性免疫屏障，是機體最為復雜的免疫系統。當腸道免疫屏障被破壞時，微生物和毒素等便可進入血液循環，從而引起細菌和毒素的移位，易引發腸原性感染，甚至導致全身性炎癥反應或器官功能的衰竭?，F已證明，植物提取物能與免疫細胞膜上的特異受體結合，介導免疫細胞激活的信號通路，來調控巨噬細胞、T/B淋巴細胞和樹突狀細胞等細胞因子的分泌[3, 53]，通過增強動物機體的免疫及消除炎癥的能力來維護動物腸道健康(圖 1)。目前已發現維護腸道健康的細胞因子有白細胞介素-6(IL-6)、干擾素-γ(IFN-γ)和TNF-α，它們在機體炎癥反應和免疫應答的過程中具有十分重要的作用，在對抗體內各種致病菌方面也起著重要作用[54]。研究表明，野薔薇(Zataria multiflora Boiss)提取物可顯著增加機體內IFN-γ的表達量，顯著降低白細胞介素-4(IL-4) 的表達量，同時可提高IFN-γ與IL-4的比例，即野薔薇提取物可顯著改善輔助性T細胞(Th)1/Th2平衡，可作為過敏等炎癥反應過程的免疫調節劑[55]。七味白術散可提高乳鼠腸道黏膜上皮白細胞介素-2(IL-2)、白細胞介素-10(IL-10) 和IFN-γ mRNA的表達量，抑制輪狀病毒引起的乳鼠腹瀉，其機理可能與調節T細胞亞群有關[56]。Romier-Crouzet等[57]研究了葡萄籽提取物、可可提取物、甘蔗提取物、橡木提取物、山竹提取物和石榴提取物對人腸道細胞炎癥介質的影響，結果表明，甘蔗提取物、橡木提取物和石榴提取物能夠抑制核轉錄因子-κB(NF-κB)的活性，石榴提取物能夠抑制細胞外調節蛋白激酶(Erk)1/2的激活能力，橡樹提取物和石榴提取物降低一氧化氮(NO)和白細胞介素-8(IL-8) 的合成，石榴提取物和可可提取物降低了前列腺素E2(PGE2)的合成。在小鼠上的試驗證明，植物提取物使NF-κB1和NF-κB 2的基因表達量下調，從而使NF-κB1抑制因子的表達量增多，對NF-κB1的結合增多，并將NF-κB1從細胞核排到細胞質中，使一氧化氮合酶(NOS)和環氧合酶(COX-2) 基因的表達量減少，NOS和COX-2分別誘導的炎癥因子NO和PGE2的含量也相應減少，從而可以減輕機體的炎癥反應[58]。這種既提高感染動物的免疫力又防止過度敏感導致自身炎癥的作用，體現了植物提取物雙向調節的優勢，但植物提取物對家禽腸道免疫或降低腸道炎癥的確切作用機制尚不清楚，需進一步研究。

　　圖一

　　3.5 對腸道有害代謝產物的影響

　　植物提取物還可以降低消化道及糞便中有害代謝產物來維護腸道健康及改善養殖場環境質量。在肉雞飼糧中添加150、250和350 mg/kg的樟科植物提取物，結果表明，試驗組肉雞腸道內容物中尿酸(UA)和尿素氮(UN)的含量低于對照組，各試驗組腸道內容物中UA的含量分別比對照組降低了0.25%、23.9%和41.3%，減少了氨氣(NH3)的排放[59]。將一串紅提取物、桂花提取物、肉桂提取物和絲蘭提取物添加到肉雞飼糧中，結果表明，添加植物提取物后腸道和排泄物中UA、UN及氨態氮(ammonia nitrogen，AN)的含量顯著下降，使雞舍空氣質量得到有效改善，并提高了肉雞的生產性能[47]。陳華潔[60]對樟科植物提取物、蒜屬植物提取物、絲蘭屬植物提取物對肉雞排泄物中氨揮發的影響進行了研究，結果表明，42日齡時，樟科植物提取物、蒜屬植物提取物、絲蘭屬植物提取物組腸道內容物中UN含量分別比對照組降低了31.08%、28.34%、28.52%；而腸道內容物中UA含量分別比對照組降低了22.48%、22.13%、38.85%。研究表明，在肉雞飼糧中添加0.1%的胡蘆巴(Trigonella foenumgraecum)種子提取物(fenugreek seed extract, FSE)可提高氮(N)和干物質(DM)的消化率；同時，0.1%的FSE還可以降低排泄物中NH3的釋放量[61]，這與蘇俊玲等[33]報道的結果相一致。植物提取物降低腸道有害代謝產物一方面是通過抑制黃嘌呤氧化酶(XO)的活性實現的，并減少UA的產生；另一方面，植物提取物在家禽腸道內抑制脲酶、尿酸酶等酶的活性[62]，使家禽腸道中UA、UN及AN的含量降低，被排泄到消化道外的植物提取物仍具有抑制脲酶、尿酸酶等酶的作用，使排泄物中UA、UN及AN的含量也降低。此外，某些植物提取物可以刺激消化道中蛋白酶的分泌，提高了蛋白質的利用效率，從而減少了氮的排放，提高了環境質量。

　　4 小結
　　維護家禽腸道健康是后抗生素時代家禽養殖的重要使命，植物提取物具有營養與保健的雙重功效，是抗生素的理想替代品。目前，研究人員在植物提取物對家禽消化生理、腸道發育、腸道菌群及腸道有害代謝產物影響等方面做了很多工作，但不同來源、不同提取方法、不同植物生長階段提取物對家禽腸道健康調控的影響機制仍不清楚，未來應加大其篩選與有效組合的研究，從細胞和分子水平闡明其在體內作用和影響腸道黏膜相關基因表達的分子通道，為植物提取物在家禽生產中的應用提供理論基礎。