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植物提取物的抗氧化特性及其在动物无抗饲料中的应用研究进展

返回列表 来源: 发布日期: 2020.05.09
摘 要:植物提取物饲料添加剂具有较强的抗菌特性、抗氧化特性,在动物无抗饲料中替代抗生素和改善动物产品质量具有广阔的应用前景。本文综述了最新的植物提取物饲料添加剂的抗氧化特性及其作用机制,并总结了近十年来植物提取物饲料添加剂在动物无抗饲料中替代抗生素及其在改善动物产品质量上的应用研究进展。
关键词:植物提取物;抗氧化;抗菌;无抗饲料;止痢草
作者:金立志,杨江涛

近十几年来,由于抗生素耐药性和残留问题日益凸显,作为抗生素重要替代物之一的植物提取物饲料添加剂,在动物饲料生产和畜禽养殖中越来越受到重视。尤其 2006 年欧洲禁止抗生素作为饲料添加剂以来,植物提取物饲料添加剂在作用机制方面研究更加深入,学术
界和产业界对植物提取物在动物营养和饲料领域的应用研究也越来越多。大量研究结果表明,植物提取物添加剂在动物饲料与养殖中具有抗菌杀菌、提高动物自身免疫机能、促进唾液和消化液的分泌、改善适口性提高采食量、改善体内抗氧化活性等作用[1-2] 。朴香淑 [3] 、金立志[4-5]就植物提取物的抗菌杀菌及其作用机制已经做了详细阐述。有关植物提取物添加剂的名称和定义非常混乱,如草药(Herbs)、药用植物(Phytoceuticles)、中草药添加剂(Chinese traditional medicine)、阳生素(Phytobiotics)等。本文采用“植物提取物饲料添加剂(Phytogenic feed additive)”一词,定义为从植物中提取(非化工合成),活性成分明确、含量稳定并且可以测定,对动物和人类没有任何毒副作用,并已通过动物试验证明可以提高动物生产性能的饲料添加剂[4] 。本文就植物提取物饲料添加剂的抗氧化功能及其作用机制、植物提取物饲料添加剂在“后抗生素时代”替代抗生素促生长剂的实际研究应用做一综述,重点阐述止痢草提取物的相关研究结果,兼谈其他相关植物提取物的重要研究结果。

1 植物提取物饲料添加剂的抗氧化作用机制
1.1 植物提取物饲料添加剂的抗氧化机制分析 
有关植物提取物饲料添加剂抗氧化作用机制的研究近年来越来越多。植物提取物中的组分主要为萜烯化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物、含硫含氮化合物。植物提取物中存在的天然抗氧化物质多种多样,但主要通过以下几种方式发挥抗氧化作用:①抑制氢化氧化物生成,清除活性氧[6] ;②中断氧化过程中的链式反应,阻止氧化过程进一步进行[7] ;③抑制氧化酶的活性,使其不能催化氧化反应的进行[8] ;④螯合起催化作用的金属离子等 [9] 。

植物中唇形科类植物提取物具有较强的抗氧化活性,如止痢草(Origanum Vulgare ssp Hirtum)、牛至草(Oregano)、百里香、迷迭香、丁香和肉桂等。Franz 等[2]以猪油作为载体,对迷迭香及其提取物、橄榄油及橄榄叶提取物、不同质量茶叶样本的抗氧化能力进行酸败试验,结果显示迷迭香提取物抗氧化能力最强。Milos 等[10]系统评估了一系列物质的抗氧化性能,包括止痢草的挥发性糖苷、止痢草精油、纯百里香酚、百里醌和维生素E( α - 生育酚),在没有抗氧化剂的情况下(对照组)过氧化氢的生成速度在储藏 10 d 后即显著飙升;添加止痢草 / 牛至提取物和糖苷配基组即使是在储藏了 80 d 后还可以抑制过氧化氢的形成,而纯化的百里香酚和百里醌则抗氧化效果很低。Kacaniova 等[11]通过 DPPH 法研究止痢草与百里香提取物对氧自由基清除能力(30 min和 60 min 测定 DPPH 清除率)的结果表明,不同浓度的止痢草提取物具有更强的 DPPH 清除能力,且对DPPH 的清除率随浓度的增加和作用时间的延长而增加;通过相同时间内清除 50% 的 DPPH 所需试剂浓度的试验结果显示,止痢草提取物的 DPPH 清除活性不仅高于维生素 C,也高于化工合成抗氧化剂 BHT

近年来,Wei 等[6]比较了止痢草提取物(该提取物含有 30 多种有效成分,主要成分为香芹酚和百里香氛,以及叶绿素合成二者的前体,由广州美瑞泰科公司提供)、维生素 E、维生素 C 和 α - 硫辛酸对大鼠肝匀浆脂质自氧化抑制率,发现止痢草提取物的体内抗氧化能力(以抑制脂质自氧化能力计,IC50 为 0.03 mg/mL)优于维生素 E(0.21 mg/mL)、维生素 C(0.756 mg/mL)与 α - 硫辛酸。Milos 等[10]通过比较猪油储藏中的过氧化值变化,系统评估了止痢草提取物、止痢草成分、化工合成百里香酚、百里醌和维生素 E( α - 生育酚)的抗氧化性能,结果发现止痢草精油和其糖苷配基比维生素E 更能抑制过氧化氢的形成,化工合成百里香酚和百里醌对过氧化氢形成的抑制能力比维生素 E 弱,这说明止痢草精油中的其他次要成分很可能也在抗氧化方面发挥着重要的协同作用。

Youdim 等[8]发现,麝香草提取物及其主要成分百里香酚可有效清除自由基,从而影响体内的抗氧化防御系统,如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和维生素 E。麝香草精油中起抗氧化作用的主要是百里香酚和甲基异丙基苯 -2,3- 二醇[8] 。Farag 等[12]研究发现,百里香酚结构苯环上的羟基为脂肪氧化中第一步产生的自由基提供氢离子,以延缓过氧化过程,这可能是百里香酚具有高抗氧化活性的原因。除了香芹酚和百里香酚之外,其他酚类(咖啡酸、对聚伞花素 -2,3- 二醇及一些双酚和类黄酮)化合物也有抗氧化活性,其中有些酚类化合物的抗氧化性能比维生素 E 的抗氧化功能还要高。

1.2 植物提取物饲料添加剂抗氧化应激的机制分析 
从2011 年至 2015 年,根据中国与欧盟的科技合作协议,华中农业大学彭健教授的研究团队与欧洲 Aristotle 大学合作,对植物提取物在动物体内减少氧化应激损伤及其作用机制做了大量研究[6,13-16] 。陈刚 [13]利用 Diquat诱导的大鼠氧化应激模型研究了植物提取物饲料添加剂缓解断奶仔猪肠道氧化应激损伤及其作用机制,结果发现,止痢草提取物能显著增强断奶仔猪肠道抗氧化酶的活性,降低丙二醛(MDA)含量,抑制血浆皮质醇水平的提高和促炎性因子的表达,降低食糜中大肠杆菌数量,提高乳酸杆菌数量,修复受损的肠黏膜上皮,增强上皮紧密连接中咬合蛋白 Occludin 的表达,结果说明止痢草提取物能缓解断奶造成的仔猪肠道氧化应激,并能改善肠道通透性,从而提高仔猪的生长性能。止痢草提取物对断奶仔猪肠道屏障功能发挥保护作用的主要作用机制可能是通过抑制产活性氧(ROS)菌数量、增强肠道抗氧化酶活性、发挥其清除自由基能力,减少肠黏膜 ROS 含量及其对肠上皮紧密连接的氧化损伤,从而降低 MDA 水平。

运输性应激也是动物肠道氧化应激损伤和肉质变差以及动物福利所关注。Wei 等[6]利用大鼠作为模型,发现大鼠经历运输应激后,体温升高,体重下降,激素水平上升,Hsps mRNA 表达量升高,氧化还原状态改变,表明大鼠处于应激状态;在其日粮中添加止痢草提取物、维生素 C、维生素 E、槲皮素和硫辛酸可以具有较好的清除 DPPH 自由基和抑制脂质自氧化的能力,降低脂质过氧化水平,能够改善机体的氧化还原状态,提高抗氧化酶活性,增强大鼠机体抗氧化能力,抑制肠道黏膜结构的损伤,降低空肠组织热休克蛋白基因表达量。该试验结果表明在日粮中添加止痢草提取物等抗氧化剂,一定程度上缓解了运输应激对大鼠机体的损伤,其中止痢草提取物、槲皮素和维生素 E 可显著改善大鼠的生长性能。Zou 等[14,17]的研究结果发现,在育肥猪屠宰前 30 d 内日粮中添加止痢草油提取物,能提高育肥猪生长性能,同时改善育肥猪运输应激过程中失重增加、胴体性状下降、肉品质降低和肠道氧化损伤,止痢草提取物主要通过提高 IPEC-J2 细胞适应性抗氧化的能力,增加胞内超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽(GSH)的水平,其中转录因子 Nrf2 在止痢草提取物介导的IPEC-J2 细胞保护中起了关键性调控作用;通过体外试验进一步证实,免疫细胞活化产生的 ROS 是诱导上皮细胞氧化损伤的重要原因,预处理止痢草油提取物能抑制脂多糖(LPS)诱导的 RAW264.7 细胞 NADPH 氧化酶的表达,从而降低活性氧的产生。

正常怀孕的母猪在妊娠后期和泌乳前期更容易产生氧化应激。Tan 等[15]发现,母猪日粮添加止痢草提取物能在一定程度上缓解妊娠引起的氧化应激,可能是通过改善母猪泌乳期胰岛素敏感性来提高母猪泌乳期采食量,从而提高母猪繁殖性能;而对母猪体重背膘及断奶至发情间隔、母猪血液和初乳抗体水平及乳常规成分、产仔性能及产程等无显著影响。近 10 年的研究结果表明,止痢草提取物可以减少体内氧化应激带来的机体损伤(图 1) [15] ,对动物生产性能的改善与畜产品质量的改善大有裨益[17] 。
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2 植物提取物饲料添加剂在动物无抗饲料营养中的应用
2.1 植物提取物饲料添加剂在仔猪上的应用
腹泻是仔猪断奶后最常见的一种临床症状,往往导致猪的生长抑制甚至死亡,给养猪生产造成严重的经济损失。目前治疗猪腹泻的主要手段是应用抗生素,然而因为细菌不断产生耐药性,使得抗生素疗效甚微。因此,许多研究者将目光转移到天然植物提取物上,研究了植物提取物完全或部分取代抗生素对断奶仔猪生长性能和肠道健康的影响。Tsinas [18] 早期的研究发现,饲喂添加 250 g/t 止痢草提取物(商品名:好力高)日粮的断奶仔猪其日增重、饲料转化率与硫酸粘杆菌素组基本相当,腹泻指数和死亡率略优于硫酸粘杆菌素组;而饲喂添加 500 g/t 止痢草提取物日粮的断奶仔猪的上述几个指标则优与硫酸粘杆菌素组。史东辉等[19]也比较了止痢草提取物与复配抗生素对断奶仔猪生产性能的影响,发现日粮添加止痢草提取物替代 50% 抗生素(杆菌肽锌 40 g/t 和金霉素 70 g/t)可以提高断奶仔猪的生产性能;替代全部抗生素有提高断奶仔猪生产性能的趋势。近十年来,使用止痢草植物提取物(250~500 g/t)饲料分别全部或部分替代抗生素促生长剂包括硫酸粘杆菌素、黄霉素、阿维拉霉素、金霉素、土霉素(钙)等单一的或复合的抗生素促生长剂的研究发现,与对照组相比,止痢草提取物组的仔猪增重提高 1.6%~8.6%,饲料转化效率几乎相似(0.6%~2.3%);死亡率也相差不大(0%~2.78%)(表 1)。这些研究结果说明,止痢草提取物取代仔猪饲料中的抗生素添加剂,仔猪腹泻控制和生长性能不会受到影响。
止痢草提取物与抗生素在乳仔猪的平均日增重、饲料报酬、腹泻率和死亡率等方面的效果基本一致,说明使用植物提取物添加剂替代抗生素是可行的方式之一[22] 。在乳仔猪无抗饲料中尽量使用优质蛋白与油脂原料,选择使用惰性纤维和优质复合酸化剂等综合措施提高仔猪生长性能。
植物提取物的抗氧化特性及其在动物无抗饲料中的应用研究进展2
2.2 植物提取物饲料添加剂在育肥猪无抗低蛋白饲料中的应用
植物提取物饲料添加剂能够增进猪的食欲,增加采食量;兴奋动物胃肠道,促进消化腺分泌,提高消化吸收功能;稳定消化道内微生态环境的平衡,促进猪生长发育,提高饲料利用率[2] 。Zou 等 [22] 研究结果显示,在育肥猪饲粮中添加 300 g/t 止痢草提取物,改善了肠道的屏障功能,降低了空肠、回肠和结肠中大肠杆菌的数量,改善了生长育肥猪的肠道健康。曾代勤等[23]研究发现,与抗生素组相比,混合植物添加剂组猪的日增重、饲料报酬、经济效益都得到提高。刘家国等[24]以 75~80 日龄体重相近生长猪为研究对象,结果显示,植物添加剂(1%)组肉猪在净增重、日增重及耗料增重比方面都显著优于金霉素组(25 mg/kg)和对照组。
随着无抗时代的来临以及行业对环境污染压力的关注,生长肥育猪使用低蛋白平衡氨基酸日粮成为解决无抗饲料的措施之一,使用低蛋白日粮也可以减轻猪粪严重的氮排放污染。Cheng 等[21]研究结果表明,在生长肥育猪饲料粗蛋白质水平降低 2% 同时平衡前 4 种限
制性氨基酸,猪生长速度得以维持但饲料转化率降低。Kerr 等[25]报道,日粮粗蛋白质浓度与净能对猪增重耗料比的影响存在相互作用,长期饲喂净能较低的低蛋白日粮会降低生长肥育猪的饲料转化率。Cheng 等[21]进一步比较了在低蛋白平衡氨基酸日粮中添加止痢草提取物和金霉素对猪生产性能的影响,结果发现,金霉素和止痢草提取物都可以提高生长育肥猪的生长速度和改善饲料转化率,缩短出栏时间,与抗生素组相比,止痢草提取物组日增重略优,饲料利用率略差,但统计差异不显著,止痢草提取物组的出栏时间比金霉素组提前 4 d [17] 。研究者把止痢草提取物对生长育肥猪生产性能的提高归结于其对消化功能的改善。该研究进一步发现,止痢草提取物通过改善粗蛋白质消化和吸收来促进肌肉中蛋白质的沉积,促进瘦肉生长,改善了生长育肥猪空肠和回肠的绒毛高度、系统性抗氧化酶活性(如 T-SOD、T-AOC和 GPx)和回肠食糜中乳酸杆菌的数量,并降低了猪血浆硫代巴比妥酸还原值(TBARS)的水平。这为生长育肥猪应用低蛋白平衡氨基酸日粮技术进行无抗生产提供了重要的理论参考。

2.3 植物提取物饲料添加剂在家禽无抗饲料营养的应用
在实际养殖过程中,由于细菌产生抗药性,许多营养师或配方师不得不超倍使用和使用多种抗生素。但即使如此,由于 50%~60% 以上的致病菌已经产生抗药性,畜禽下痢和肠道亚健康的情况仍频繁发生,不仅给养殖业带来巨大损失,也使养殖企业面临食品安全及成本的压力。大多数研究表明,植物提取物饲料添加剂对家禽的采食量没有显著影响,而对增重与饲料报酬则有显著改善。朴香淑[3]综述中指出,日粮中添加止痢草或牛至草提取物添加剂的结果比较一致,平均改善饲料报酬3.1%(幅度 1%~9%),而对日增重和采食量方面的影响结果并不一致。
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大多数植物提取物饲料添加剂具有高效的杀菌、抑菌作用,能明显改善动物肠道健康,提高动物的抗病力,进而提高动物生产性能。在肉鸡日粮中使用止痢草提取物(商品名:好力高,150~300 g/t 饲料)替代抗生素包括阿维拉霉素、黄霉素、恩拉霉素、硫酸粘杆菌素、杆菌肽(锌)和吉他霉素等,止痢草提取物组肉鸡平均增重、饲料报酬等与使用抗生素的效果相仿,并且止痢草提取物组能够降低肉鸡死亡率(表 2)。

另外,美国普渡大学的 Lu 等[31]研究结果发现,与盐霉素组相比,植物提取物(好力高)组在肉鸡生长前期(0~21 d)的增重和饲料报酬方面表现最好,植物提取物与盐霉素组 21 日龄肉鸡能量和干物质的回肠表观消化率显著高于干酵母组;盐霉素和植物提取物组肉
鸡的氮和磷的消化率较益生素乳酸菌和干酵母组也有显著提高。

3 总 结
综上,植物提取物饲料添加剂可以有效改善猪禽的小肠组织形态和机体抗氧化酶活性,提高营养物质消化率和生长性能,长期添加植物提取物饲料添加剂获得的生产性能与各种抗生素添加剂相似,并在动物产品品质方面有所改善。除欧盟之外,韩国、中国、印尼、越南等国家都已经提出了明确的法律上禁止使用抗生素促生长添加剂的具体时间表。美国也严格限制饲料使用抗生素添加剂。通过严格的生物安全措施、饲料配方的调整、选用适当的替抗减抗饲料添加剂已经迫在眉睫。这些替抗的饲料添加剂必须成分清晰、作用机制明确,在大学与研究机构都已经进行科学严谨的细致研究,并在实际生产中得到了验证。

参考文献略

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