摘 要: 植物精油是植物体次生代谢产物，因其能够促进饲粮中营养物质的消化吸收、抑制肠 道致病菌定植、发挥抗氧化作用及增强动物免疫功能等，而被作为抗生素的替代品广泛应用于 猪和家禽生产中。反刍动物因其复杂的肠道生态系统，导致植物精油促生长机制与单胃动物有 所不同，明晰植物精油的生物活性功能及作用机理对其在反刍家畜中的推广具有重要意义。本 文综述了植物精油对反刍动物生产性能、畜产品品质、免疫状态、肠道微生物区系、甲烷排放以 及复合植物精油的相互作用类型，以期为反刍动物植物源饲料添加剂的开发和应用提供参考 依据。
关键词: 植物精油; 反刍动物; 作用; 瘤胃微生物区系
近年来，健康养殖的重要科学决策理念已经 成为引领现代畜牧业可持续发展的标杆。动物健 康不仅能够降低养殖成本，提高生产者的效益，而 且关乎到消费者的健康。动物饲粮中生产促进剂 等抗生素的添加在最初阶段为生产者带来“福 音”，但随着时间的推移，抗生素的抗药性和残留 等问题已经显露无疑，使其在动物生产中的应用 陷入了死循环，同时也导致了动物机体免疫力和 生产性能的下降。目前世界上很多国家已经宣布 “禁抗令”，我国农业农村部发布第 194 号公告，自 2020 年 7 月 1 日起饲料生产企业停止生产含有促 生长类药物饲料添 加 剂( 中 药 类 除 外) 的 商 品 饲 料，而禁抗之后畜禽面临多重应激所导致的疾病 频发和生产性能下降是广大科技工作者和养殖者 亟待解决的问题。因此，寻找可以替代抗生素的 植物源绿色饲料添加剂在畜牧行业已经达成广泛 共识。
植物精油是植物体次生代谢产物，一类天然 挥发性化合物，主要通过水蒸气蒸馏、冷榨、发酵 和浓缩等工艺提取，广泛用于化妆品和食品工业。 植物精油中最主要的活性成分为萜类和苯丙素 类[1]，二者合成的前体物及代谢途径有所不同，其 中萜类化合物( 分子式: [C5H8 ) n]) 的合成途径为 甲羟戊 酸 途 径[2]，代表化合物为柠檬烯、麝 香 草 酚、香芹酚、芳樟醇等; 苯丙素类化合物的合成途 径为莽 草 酸 途 径[3]，代表化合物为肉桂醛、丁 香 酚、茴香脑等。大量研究表明，植物精油在增强动 物机体血液循环、发挥抗氧化特性、调控消化道微 生物区系、降低甲烷和生物胺的生成、提高营养物 质的消化利用以及缓解机体免疫应激等方面发挥 着重要作用[4-6]。然而也会出现不一致甚至相反 的结果，这可能与植物精油的类型、来源、饲粮中 的添加水平以及基础饲粮组成等因素相关[2，7]。
反刍动物因其消化道结构的复杂性及饲粮组成的 特殊性，植物精油进入消化道发挥多种生物学活 性作用，其作用机制远比单胃动物复杂，因而其应 用及推广度不如猪及家禽产业，因此解析植物精 油对反刍动物生产性能、养分利用、畜产品品质、 免疫抗氧化状态以及消化道菌群的影响和调控机 制，探究复合植物精油相互作用类型，对提升植物精油在 反 刍 动 物 饲 粮 中 的 发 展 前 景 具 有 重 要 意义。
1 对生产性能和营养物质利用的影响
Attri 等[8]在泌乳期水牛饲粮中添加复合饲料 添加剂( 植 物 精 油 含 量: 大 蒜 精 油 0. 6%，芥 末 油 12.6%，棉籽油 12. 5%) 能够在采食量不变的情况 下，显著提高饲粮干物质、有机物和中性洗涤纤维 的消化率，同时牛奶产量及 6%脂肪校正乳产量也 有所提高，从而改善水牛的生产性能和营养物质 利用率。动物采食量的变化受多种因素的影响， 包括基础饲粮的类型、添加剂的剂量和性质等，这 可能是水牛采食量趋于稳定的主要原因[8]。有关 荷斯坦犊牛的一项研究中发现，饲粮中添加复合 植物精油( 主要成分: 香芹酚、石竹烯、桉树脑、萜 品烯 和 百 里 酚) ，能够提高犊牛的平均日增重 ( 0.87 kg / d) 、干物质采食量( 1. 74 kg / d) 、饲料转 化率( 0.65) 、体况评分并且降低犊牛的腹泻率[9]。
植物精油对反刍动物生产性能和营养物质利用的 正向调节作用，其机理研究主要集中在其对瘤胃 微生物区系的影响，认为通过抑制有害微生物所 引发的瘤胃微生物菌群变化对饲粮中营养物质的 消化有促进作用[8]，同时也有学者提出植物精油 通过影响消化道上皮离子转运的能力可能有助于 它们在动物机体内发挥作用[10]。Braun 等[10]研究 发现，以薄荷醇( >80%) 为主要活性成分的植物精 油不仅能够调控瘤胃的发酵类型，还可以通过与 上皮转运蛋白的相互作用，调节牛羊瘤胃上皮对 Na+ 、Ca2+ 和 NH+ 4 等阳离子的吸收，原因是薄荷醇 能够刺激消化道上皮组织瞬时受体电位( TRP) 家 族中的某些非选择性阳离子通道蛋白的表达[11]。 同时受植物精油添加剂量以及适口性问题的 影响也会对反刍动物生产性能和营养物质利用产 生负面效果。Joch 等[12]研究报道了体外试验向瘤 胃液中添加高剂量的混合植物精油( 主要成分: 百 里酚和间甲酚) ，瘤胃氨氮浓度降低 10%，同时伴 随着干物质消化率以及挥发性脂肪酸净产量的降 低; 体内试验研究发现，奶牛饲粮中添加混合植物 精油，其干物质采食量与对照组相比降低 4. 6%， 主要原因是含有百里酚和间本酚的混合植物精油 具有强烈的气味[13]，采食量降低可能是饲粮适口 性与奶牛个体口味偏好相结合的结果; 同时产奶 量和乳脂含量也出现下降的趋势，奶牛产奶量较 低可能与机体对葡萄糖，尤其是与丙酸的利用率 较低有关，而乙酸和丁酸的利用率降低，可能是奶 牛乳中脂肪比例较低的原因。
造成负面影响的原 因可能是复合植物精油对瘤胃微生物没有选择性 抑制特性，瘤胃内饲粮消化率和挥发性脂肪酸浓 度降低，导致可代谢能量和脂质合成前体的可利 用性降低，最终影响牛奶产量和乳脂比例。Joch 等[12]研究报道，饲喂混合植物精油的奶牛其饲料 转化率低，但个体日增重是对照组的 2 倍，原因是 饲粮中混合植物精油的添加导致奶牛机体能量分 配发生变化，较多的能量被分配到身体组织生长 中，较少的能量分配到产奶行为中，这种转变可能 受胰岛素水平调节的影响，高血浆胰岛素浓度可 增强肌肉和脂肪组织对葡萄糖的吸收[14]，而试验 中奶牛瘤胃中挥发性脂肪酸浓度较低，可能是导 致胰岛素敏感性增强的原因之一。总之，这些研 究结果之间的差异可能是由于植物精油的饲喂水 平、主要成分以及动物所处生理阶段的不同造成。
2 对肉和乳品质及风味的影响
De Oliveira M onteschio 等[15]研究发 现，饲 粮 中添加混合植物精油( 主要成分: 丁香酚、麝香草 酚和香草醛) 对内洛尔母牛肉品风味、嫩度以及消 费者的总体可接受性都有显著提高作用，其机理 是精油本身具有的抗氧化特性[16]，能够减少牛肉 氧化阶段中间代谢物的产生，因此减少了牛肉在 贮藏期内风味的恶化，提高总体可接受，另外总体 可接受性与牛肉风味和嫩度高度相关，同时饲粮 中添加植物精油能够提高消费者对牛肉的视觉接 受度，主要原因在于: 一方面植物精油中的活性分 子能够结合到细胞膜上延缓肌红蛋白的氧化[16]; 另一方面活性分子能捕捉脂质氧化过程中形成的 自由基，延缓氧化型球蛋白向高铁血红蛋白的转 化，从而延缓肉色由樱桃红向黄棕色的转变[17]。 3-甲基吲哚( 粪臭素) 是反刍动物瘤胃 L -色氨酸 的代谢产物，且与相关代谢产物吲哚共同具有粪 便气味，能够沉积到动物肉和乳中，产生令人难以 接受的不良风味[18]。米热古丽·伊马木等[19]研 究报道了 0. 5 mL 的薰衣草精油能够降低哈萨克 公羊瘤胃中吲哚及粪臭素的含量，可能的原因是 薰衣草精油能够选择性抑制瘤胃细菌，降低蛋白 质在瘤胃中降解产生的 L -色氨酸的含量，L -色氨 酸能够在瘤胃细菌和原虫的作用下去氨基和去羰基生成 3-甲基吲哚，因其具有亲脂性而可以沉积 到畜体脂肪组织中，从而极大降低了绵羊瘤胃中 吲哚和粪臭素向畜产品中转移的几率。有学者研 究精油和有机钴协同能够显著提高山羊羊肉的大 理石花纹等级评分和肌肉保水性，减轻肌肉因糖 酵解 引 起 的 肌 肉 酸 化，降 低 PSE 肉 形 成 的 可 能性[20]。 大量研究表明，植物精油除了能够影响动物 肉品质 和 风 味，还会对乳品质及风味产生影响。
Yang 等[21]研究发现，奶牛饲粮中添加大蒜精油和 杜松子精油有增加乳脂中有益脂肪酸( CLA t10、 c12) 浓度的趋势，而对乳脂中脂肪酸的总体影响 较小。Kholif 等[22]研究证实大蒜精油、肉桂精油 和生姜精油对山羊乳中不饱和脂肪酸以及共轭亚 油酸( c9、t11) 浓度有显著提升作用，同时生姜精 油对α-亚麻酸浓度的提高有积极影响。Boutoial 等[23]报道迷迭香叶精油同样能够提高羊乳中多不 饱和脂肪酸的比例，并且存在剂量依赖效应。众 多研究结果指向在小型反刍动物( 如山羊) 饲粮中 添加植物精油对乳中脂肪酸组成的影响比在大型 反刍动物( 如奶牛) 中大，主要原因在于小型反刍 动物与大型反刍动物相比饲粮过瘤胃速率高，因 而可能限制瘤胃细菌在瘤胃中完成生物氢化过 程[21]。许多植物精油及其萜类成分还具有独特的 风味和香气，可能会进入牛奶，改善其感官特性。
Lejonklev 等[24]研究报道了牛至精油和香菜精油 能够使牛奶产生香气，进一步研究发现牛至精油 中的活性成分伞花烃、香芹酚和倍半萜，香菜精油 中的活性成分柠檬烯和香芹酮，可能通过呼吸系 统和胃 肠 消 化 系 统 途 径 被 吸 收 并 转 移 到 牛 奶 中[23]，且这一现象在饲喂行为发生后很短时间内 就会出现[25]。 3 对机体抗氧化活性、炎症反应和免疫 状态的影响 氧化应激、炎症反应和免疫失衡是导致动物 机体处于非健康状态、诱发非传染性疾病的主要 原因，三者相互联动，甚至出现叠加反应[26]。植物 精油等天然活性成分的研究以及应用优化了传统 饲粮结构，极大发挥了内外源活性成分的调节功 能。Lakhani 等[27]研究发现单宁、皂苷和精油混合 组水牛血清总蛋白、白蛋白和球蛋白的含量显著 增加，一方面可能是单宁与瘤胃中的蛋白质形成 络合物[28]，降低了蛋白质在瘤胃中的降解，从而提 高蛋白质在瘤胃后肠道的利用率; 另一方面血清 中总蛋白含量较高归因于饲粮中植物精油的添 加，研究表明植物精油对微生物菌体蛋白质的合 成有积极的作用。De Lavor 等[29]认为植物精油能 够阻断丝裂原活化蛋白激酶通路，通过减少氧化 应激有关机制来阻断核因子-κB 的激活，进而减 少炎症的发生。Liu 等[9]在犊牛饲养试验中同样 证实混合精油能够增强机体免疫系统对病原体清 除的能力，同时也可以调节和改善由炎症反应引 起的免疫应激。Attri 等[8]认为含有多种植物精油 成分的复合型饲料添加剂能增强水牛自身免疫力 的主要原因在于，动物机体营养摄入及利用效率 大幅提高，尤其是氮的有效利用改善了细胞的完 整性，从而提高机体免疫力。
植物精油的化学组成决定其具有天然的抗氧 化活性，普通植物精油根据烃骨架分为 2 个结构 家族，一个是由 2 个单萜、3 个倍半萜或 4 个二萜 异戊二烯单元结合形成的萜类化合物，另一个是 苯丙素类化合物，2 个家族都包含酚类化合物[30]。 动物机体中少量活性氧的产生对发挥细胞正常功 能是有益的，但是过量的活性氧就会导致细胞和 组织损伤，造成氧化应激，此时内外源性抗氧化分 子协同机体发挥抗氧化活性，使活性氧保持在较 低水平，以降低自由基产生的毒性作用，同时动物 机体炎 症 反 应 也 与 自 由 基 和 活 性 氧 的 累 积 有 关[31]。Kotsampasi 等[32]研究发现，桔皮精油能够 改善母羊的抗氧化状态，表现为血浆糖皮质激素 水平、谷胱甘肽转移酶和超氧化物歧化酶活性的 增加，原因是桔皮精油中的 D-柠檬烯具有极强的 抗氧化特性，能够提高动物的抗氧化机能。同样， Gumus 等[33]研究发现，羔羊饲粮中添加牛至精油 能够显著改善其肝脏组织和肌肉组织的抗氧化活 性，而不同剂量植物精油对背最长肌超氧化物歧 化酶活 性 和 肝 脏 谷 胱 甘 肽 转 移 酶 活 性 的 影 响 不同。
4 对瘤胃菌群的调节
Zhou 等[34]通过 16s RNA 测序技术研究比较 了不同浓度的牛至精油对体外培养条件下瘤胃菌 群的影响，研究发现随着牛至精油浓度的增加，拟 杆菌类普雷沃氏菌和小类杆菌属的相对丰度随之 线性增加，主要原因在于牛至精油中包含的香芹酚、γ-萜品烯、百里香酚、对苯二酚和芳樟醇等活 性成分具有显著的抑菌功效，能够抑制与拟杆菌 类细菌存在竞争关系的其他细菌的生长，使拟杆 菌类细菌成为瘤胃中的优势菌群，而之所以对普 雷沃氏菌作用效果不明显，原因在于普雷沃氏菌 属于革兰氏阴性菌，一般来说，革兰氏阳性菌细胞 壁周围缺乏保护性外膜对牛至精油的敏感程度高 于革兰氏阴性菌[35]。
Lei 等[36]同样证实了，在山 羊饲粮中添加不同浓度的精油-钴复合物，普雷沃 氏菌的丰度随着精油-钴的添加浓度增加而增加， 但随着精油-钴浓度的增加会降低厚壁菌门细菌 的丰度，同样多数属于革兰氏阳性菌的梭状芽孢 杆菌丰度也有所降低; 另外变形菌荷载值[变 形 菌 /( 拟杆菌+厚壁菌) ]≥0.19，被认为是生物代谢 失调和疾病的潜在诊断标准，并且可被用作判断 胃肠道微生物群落是否失衡的标志[37]，宏基因组 数据显示，添加不同浓度梯度的精油-钴各组变形 菌荷载值均低于 0.19，提示精油-钴复合物的添加 不会引起山羊瘤胃微生物菌群失调，同时能够提 高琥珀酸弧菌的丰度; 菌群与代谢产物的相关性 研究发现，琥珀酸弧菌丰度与瘤胃中挥发性脂肪 酸浓度呈显著正相关关系，琥珀酸弧菌丰度的提 高能够将更多的碳水化合物分解成挥发性脂肪 酸，为机体提供能量，提高饲料利用率，而大量琥 珀酸弧菌存在条件下几乎不产生甲烷，从而降低 由于甲烷生成而造成的能量浪费[38]。
反刍动物瘤胃微生物的定植和演替，是一个 复杂而动态的过程，需要一个漫长的周期才能建 立一个稳定的微生物群落区系，而幼龄期是反刍 动物瘤胃微生物调控的关键窗口期，通过调控其 瘤胃微生物的组成并诱导其尽快形成稳定的微生 物区系，消化道发育形成完整的物理屏障、特异的 化学屏障，以及适度的黏膜免疫并配合强有力的 消化、吸收，对后期生产性能的提高和保持健康有 极大的意义。Poudel 等[39]研究发现，在新生犊牛 代乳粉中添加复合植物精油( 香芹酚、石竹烯、对 伞花烃、桉树脑、萜品烯和麝香草酚) 以及阿拉伯 半乳聚糖，研究结果表明试验组和对照组瘤胃微 生物菌群存在很大的差异，饲喂复合植物精油后 拟杆菌门中普雷沃氏菌的丰度显著升高，而厚壁 菌门中毛螺旋菌科的丰度显著降低，同时一种非 特征性的瘤胃螺旋体菌株的丰度也显著提高，这 一菌种优先代谢阿拉伯半乳聚糖，这也就意味着 阿拉伯半乳聚糖能够诱导形成独特的消化道生态 位，从而实现消化道健康的定向调控。
5 对甲烷排放的影响
反刍动物生产被认为是温室气体排放的一个 重要来源，肠道发酵产生的甲烷有 71%来自瘤胃 发酵。一般来说，饲粮中莫能菌素的添加能够降 低甲烷的产生与排放，提高反刍动物能量的利用 率，但容易使病原菌产生耐药性，近年来，已经报 道了许多通过饲喂植物精油等天然植物源饲料添 加剂来调节瘤胃发酵以减少甲烷排放的研究。 Garcia 等[40]报道了体外试验中瘤胃底物发酵过程 中甲烷产生量的减少与植物精油化学组成成分相 关，特别是氧化物与非氧化合物的比例。Belanche 等[41]一项荟萃分析研究发现，短期饲喂复合植物 精油对奶牛瘤胃发酵及甲烷排放的影响较小且研 究结果不一致，长期饲喂( > 4 周) 相关研究结果趋 于一致，其甲烷产量降低约 10%，且不影响饲料消 化率和产奶量，相关性研究发现甲烷产量的下降 与原虫数量的减少显著相关，原虫能将纤维类物 质消化分解为氢气和丁酸盐，而甲烷生成菌能够 利用氢气和二氧化碳还原生成甲烷。El-Zaiat 等[42] 评估了广藿香精油 ( PEO) 作 为 莫 能 菌 素 ( MON) 的替代品对瘤胃甲烷生成和饲粮降解特 性的影响，结果表明与 MON 相比，PEO 能够显著 降低甲烷的生成，原因是 MON 和 PEO 二者可能 对瘤胃菌群的作用机制不同，PEO 组代谢能高于 MON 组，提示 PEO 组将更多的能量分配到了菌体 蛋白质合成中，而较少的能量用于甲烷的生成，而 MON 则是通过改变瘤胃发酵类型( 转为丙酸型) 来抑制甲烷的生成[43]，因 PEO 对甲烷生成抑制方 面的潜力可作为瘤胃调节剂来替代抗生素。
Soltan 等[44]认为适宜的植物精油剂量对提高反刍动 物能量利用率，降低甲烷排放至关重要，过高剂量 可能对动物饲粮摄入量和营养物质消化产生不利 影响，而将精油以胶囊的形式添加，使植物精油能 够在瘤胃中缓慢释放，可以降低高剂量植物精油 的直接添加带来的不利影响。Wu 等[45]提出间歇 性的饲喂柑橘精油，能够降低湖羊瘤胃微生物的 适应能力，降低产甲烷菌的丰度，从而有效降低甲 烷的产量。然而，另外一些研究发现，并不是所有 植物精油都会对甲烷的生成有显著抑制作用， Benchaar 等[46]研究报道了牛至精油( 活性成分: 香芹酚) 对泌乳奶牛瘤胃发酵、营养物质消化利用、 产奶性能和甲烷排放均无显著影响，推测原因是 饲粮中添加 50 mg / kg 的牛至精油对瘤胃原虫无 抑制作用。
6 复合植物精油活性成分的叠加、协同和拮抗作用
市面上销售的多数植物精油产品是由一种或 者几种活性成分相互复合而成的，但有关活性成 分之间的可加性和协同作用还缺乏有力证据。 Fandio 等[47] 通过体外试验评价了茶树精油 ( TeTr) 、牛至精油、丁香精油( Clo ) 、百 里 香 精 油 ( Thy) 、迷迭香精油( Ros) 和鼠尾草精油( Sag ) 这 6 种植物精油及它们之间不同组合的复合植物精 油对肉牛瘤胃微生物发酵特性的影响，研究发现 TeTr 与 Thy 组合、TeTr 与牛至精油组合、Thy 与牛 至精油组合均能改善瘤胃微生物的发酵状况，但 其作用效果均与单独添加 TeTr 的效果相当，从而 证明这几种植物精油组合所产生的功效不具有叠 加性; 当 Thy 与牛至精油分别于 Clo 组合，这 2 组 复合精油对瘤胃发酵无显著影响，提示不同植物 精油组合存在拮抗作用。Bassolé 等[48]认为具有 叠加效应的混合植物精油，往往其植物精油中含 有相似生物活性成分，例如具有相似结构的酚类 化合物，而含有酚类或者醇类化合物的组合植物 精油表现出协同效应，植物精油之间存在的拮抗 作用则归因于非氧化和氧化单萜烯烃之间的相互 反应。植物精油发挥生物学活性作用往往与细胞 膜相互作用密切相关，同时受发酵条件、底 物 及 pH 等因素的影响，研究发现麝香草酚和香芹酚作 为百里香和牛至精油中的主要活性成分，因其具 有改变细胞膜通透性的作用而具有广谱抗菌性， 但在 pH 为 5.5 环境中的抗菌性高于 pH 为 6.5 的 活性，而复合植物精油活性成分的叠加、协同和拮 抗作用同样受这些因素的影响。
7 小 结
到目前为止，植物精油在动物生产中的应用 已经取得显著成效，但仍然存在一些问题需要我 们深思和探讨。首先，其作用机理和调控机制尚 不十分清楚，主要原因在于植物精油组分中发挥 生理功能的主效因子不明确，而主效因子又有关 键因子和辅助因子之分[49]，应当将主效因子在动 物机体中生物学功能、代谢途径以及生物标记物 的挖掘作为今后重点研究方向。其次，植物精油 的应用及推广仍然存在一定困难，原因在于植物 精油中的活性成分受植物种类、植物生长环境、植 物生长阶段、提取部位、提取方法等多种因素的影 响，没有形成关于植物精油组分、结构及纯度的相 关生产标准及流程，且植物精油本身含有多种易 挥发的活性成分，因而在提取及应用的过程中应 该注意活性成分流失的问题，在今后的研究中，需 加快建立植物精油的指纹图谱数据库; 规范检测 及提取方法。再者，植物精油的配伍问题需要进 一步探索，发挥不同植物精油之间的协同及叠加 效应，开发既具有抗氧化功效又具有抗炎和免疫 调节的复合植物精油产品。最后，迫切需要降低 植物植物精油的生产成本，在提取过程中优化提 取工艺，达到批量化生产要求，为植物精油的推广 奠定坚实基础。
作者：刘旺景 唐德富
推荐阅读：《动物学杂志》1957年创刊，是由中国科学院动物研究所、中国动物学会主办的科技期刊，亦是中国自然科学核心期刊。
