石学刚

欧盟已经禁止在家禽饲料中使用抗生素生长促进剂(AGPs)，随着对食品安全问题的关注，在美国，消费者也向政府施加压力要求在动物饲料中禁止使用抗生素生长促进剂。为了满足市场需求，寻找动物饲料中抗生素生长促进剂的替代物，从2004年开始，丹尼斯克便对不同的精油产品进行体外试验，以筛选出具有潜在的抗病原微生物作用；同时，有利于有益微生物的生长繁殖。其主要目的是为了开发出一种精油复合物，能够促进单胃动物生长，并有效控制病原微生物的繁殖。

精油是一种具有挥发性的芳香族化合物，它是由植物体合成，具有抗细菌、真菌和病毒的作用；同时也有阻止食草昆虫及动物的采食。在草药和香料中，它是一种重要的芳香类化合物，并在食物自然保存过程中起着极其重要的作用。因此，精油的抗菌作用被人们广泛认识(Kalemba等,2003)。

体外试验研究表明，精油复合物的抗菌作用要显著高于单个精油成分，表明不同精油在抗菌作用方面具有协调效应(Burt,2004；Lee等,2004a)。例如经过精心筛选出的两种与天然成分一样的精油复合物——百里香酚和肉桂醛，能够有效维持健康的肠道微生物菌群、改善动物的生产性能。

精油的化学结构及目标菌群细胞膜的形态构造都会影响精油的抗菌作用。精油由不同的化合物组成，具有不同结构和化学特性。因此，精油的抗菌作用没有一个特定的机理，而是作用于多种目标细菌的细胞壁。

单萜苯酚如百里香酚和香芹酚，通过和氢结合与细胞膜相互作用，破坏细胞膜成分，使线粒体更具通透性，致使外部细胞膜破裂，抑制细菌生长，特别是对革兰氏阴性菌作用显著，如大肠杆菌O157：H7、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌、荧光假单胞菌、热杀索丝菌(Di Pasqua等，2007)。

苯丙烷类物质如肉桂醛，它能够通过羰基基团与蛋白质结合，阻止细胞酶的作用，如脱羧酶(Wendakoon 等,1995；cited by Burt,2004)。肉桂醛对产气荚膜梭菌[革兰氏(+)]和脆弱类杆菌[革兰氏(-)]具有显著的抑制作用，但对双歧杆菌和嗜热乳杆菌的抑制作用很弱(Lee 等,1998)。

精油所处基质的pH值能够影响精油的疏水性，从而影响它与细菌细胞膜之间的相互作用，因此，会影响精油在动物肠道不同部位的抗菌作用。Michiels等(2009)在体外模拟猪肠道环境进行试验，结果表明，百里香酚和香芹酚在胃中抑制乳酸杆菌的作用要远高于小肠。百里香酚有效抑制前肠道乳酸杆菌，降低动物发生酸中毒的危险。而肉桂醛对后肠道乳酸杆菌的促进作用对动物有益。pH值对精油生物活性的作用，以及精油对有害微生物生长繁殖的影响使精油成为动物肠道微生物调节物的理想选择。

1 百里香酚和肉桂醛的抗菌作用

在体外厌氧环境下，在不同细菌的纯培养基中增加精油含量，观察不同浓度精油的抑菌效果(Ouwehand等，2010)。通过对产气荚膜梭菌的测定，结果表明产气荚膜梭菌受香芹酚、肉桂醛、柠檬醛、柠檬油精和百里香酚的抑制作用，特别是在高浓度时抑制作用更明显（500mg/l)；同时牛至油、迷迭香油及百里香油也具有抑菌作用。对链球菌的敏感性测定结果表明，精油主要是在高浓度时具有抑菌作用。测定沙门氏菌血清型结果表明，该菌只在精油高浓度下敏感（500mg/l)；大肠杆菌对大部分精油敏感，即使在低浓度下也敏感（5和50mg/l)；长双歧杆菌、短双歧杆菌和罗伊氏乳杆菌对大部分精油缺乏敏感性，而在较低浓度精油含量下，双歧杆菌乳酸亚种和发酵乳酸杆菌对精油具有相对敏感性（5和50mg/l)，尽管精油对细菌生长的抑制作用低于抗生素类促生长剂阿维霉素，除沙门氏菌和大肠杆菌外，所有的测试微生物均对阿维霉素敏感。该结果表明，精油在抑菌方面比抗生素类促生长剂（AGPs）更具有选择性。最初的纯培养基培养及单个的精油测试结果表明，百里香酚和肉桂醛的复合物更具抑菌的潜能。通过后来的测定发现，这种混合物能够抑制至少50%的革兰氏阴性细菌生长（见图1）。特别是对革兰氏阴性菌种，百里香酚和肉桂醛的复合物对大肠杆菌和沙门氏菌属的作用效果更显著。精油对革兰氏阳性菌的作用效果不明显。

图1 与未处理相比，在体外纯培养基中添加百里香酚和肉桂醛复合物或阿维霉素对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌生长抑制作用

在厌氧条件下，进一步测定精油在纯培养基中对不同血清型和不同种沙门氏菌的抑菌作用，结果发现，百里香酚和肉桂醛的复合物能够显著降低沙门氏菌生长，甚至完全抑制了沙门氏菌的生长（见图2）。

图2 百里香酚和肉桂醛复合物对沙门氏菌、大肠杆菌和产气荚膜梭菌的体外生长抑制作用

精油不仅对病原微生物起作用，而且对寄生虫也有作用。研究表明，精油对艾美尔球虫有作用。Remmal(2011)等体外试验研究表明，在精油浓度低于0.5mg/ml时，特别是蒿、丁香、茶树及百里香草对艾美尔球虫虫卵具有致死作用，添加这些精油会杀死一部分虫卵。在杀虫方面，百里香草中最主要的精油成分是百里香酚。同样也测定了肉桂（主要成分是肉桂醛），但发现它的致死性较低，LC50值低于4mg/ml。

研究表明，百里香酚对霉菌和酵母具有抑制作用，而肉桂醛的作用效果更好。当测定与真菌有关的腐烂时，百里香酚和肉桂醛具有良好的抗真菌作用（见表1）。我们的研究结果与其它报道中有关纯精油的抗真菌作用一致(Cheng等,2008；Hsu等,2007；Segvi Klari等,2007；Lopez 等,2007；Tullio 等,2007)。在我们的试验中，所有的真菌菌株对测定的精油均敏感,特别是肉桂醛表现出最小抑菌浓度(MICs)，通常最小抑菌浓度低于0.10mg/ml，抑制霉菌和酵母的平均最小抑菌浓度为0.039mg/ml。百里香酚抑制微生物的平均浓度为0.249mg/ml。

表1 百里香酚(99%)和反式肉桂醛(98%)对真菌目标株的最小抑菌浓度(MICs)(mg/ml)

2 饲料中百里香酚和肉桂醛的稳定性(见图3、图4)

图3 在22℃和35℃条件下肉桂醛在饲料中经过2、3和6个月的贮存稳定性(平均值±标准误，N=7)

包被精油可以降低有效成分的挥发，增加产品在饲料中的稳定性。研究由麦芽糊精包裹的具有挥发性的百里香酚和肉桂醛的微胶囊颗粒的稳定性发现，百里香酚和肉桂醛的添加浓度分别为5mg/kg和15mg/kg时，饲料贮存在22℃和35℃两个温度条件下，在试验开始及2、3和6个月时用气相色谱法分析百里香酚和肉桂醛的浓度。如果复合物的稳定性用初始浓度的百分比表示，经过6个月贮存试验，百里香酚和肉桂醛的回收率在每次测定中均高于93%。

图4 在22℃和35℃条件下百里香酚在饲料中经过2、3和6个月的贮存稳定性（平均值±标准误，N=7）

3 百里香酚和肉桂醛的杀虫特性

小麦基础饲料在库房贮存过程中会遭受病虫害的侵害，这对于原料保存来说是一个比较严峻问题，特别是在炎热和潮湿地区这种危害更大。已经有报道，粉碎的小麦基础原料在库房中贮存会受到昆虫的危害。这些昆虫包括赤拟谷盗(rust-red flour beetle)、杂拟谷盗 (confused flour beetle)和谷蠹 (rust-red grain beetle)，它们会部分或全部在产品中生长繁殖，在热带和温带地区谷物和谷物产品中均发现此类害虫。此类害虫一旦存在，将会持续损害谷物产品，因此，应该首先考虑采取预防措施。为了防止真菌污染，谷物产品被封装在多层纸袋中，只允许谷物与外界环境“透气”。然而，此方法并不能防止害虫对谷物产品的危害。

一项试验研究了以小麦为载体的酶(ENZ)受两种拟谷盗害虫危害时，补充添加百里香酚和肉桂醛复合物，用来评估对害虫成虫杀虫效果和第一代害虫生长抑制（F1）。在处理后84 d，添加精油复合物组和小麦为载体的酶及精油复合物合并添加组(ENZ+精油复合物；1：1，1：2)中锯谷盗的成虫全部死亡 (见图 5)。在所有混合添加组中F1代都没有生长，这表明添加后完全抑制了害虫的生长发育。在整个试验期内，精油复合物组赤拟谷盗的成虫死亡率接近100%，然而，小麦为载体的酶+精油复合物组（1：2）随着试验的进行，成虫死亡率从85%降低到70%，小麦为载体的酶+精油复合物组（1：1）从68%降低到50%（见图6）。只有在84 d时，在小麦为载体的酶+精油复合物（1：1）组中发现了赤拟谷盗的F1代。

精油另一项试验研究了在选择或不选择可替代谷物精油时的抗病虫害作用，在84 d的试验期内，与对照组相比，添加精油复合物处理组能够使害虫锯谷盗的比例降低(P＜0.05)。在试验期内，与加小麦为载体的酶组相比，添加精油复合物能够使杂拟谷盗的比例降低(P＜0.05)。

研究结果表明，在添加小麦为载体的酶基础上补充添加百里香酚和肉桂醛复合物能够对两种拟谷盗起到防虫和驱虫效果。在混合谷物中添加精油复合物，能够对拟谷盗起到杀虫和驱虫的作用。在混合谷物中添加牛至油能够对谷象和杂拟谷盗起到杀虫效果，添加后二者的成虫死亡率分别为68%和37%(Kordali等,2008)。另一项试验研究了混合谷物中添加百里香酚和甲基胡椒酚对谷象、米象和绿豆象害虫的防治作用，结果显示，添加后能够起到防虫和驱虫作用(Ojimelukwe等，2002)。

图5 饲粮添加小麦为载体的酶（ENZ）、百里香酚和肉桂醛的复合物（精油复合物）及小麦为载体的酶+百里香酚和肉桂醛复合物（ENZ+精油复合物；1： 1、1： 2）对锯谷盗成虫死亡率的影响

图6 饲粮添加小麦为载体的酶（ENZ）、百里香酚和肉桂醛的复合物（精油复合物）及小麦为载体的酶+百里香酚和肉桂醛复合物（ENZ+精油复合物；1：1、1：2）对赤拟谷盗成虫死亡率的影响

4 百里香酚和肉桂醛对肠道微生物及代谢的调节作用

上述体外试验结果表明，添加精油复合物百里香酚和肉桂醛具有抗菌特性，可用于抗病菌。在饲料中添加特殊的精油复合物，在肉鸡试验中同样具有抗菌作用。研究结果表明，百里香酚和肉桂醛二者在促进肉鸡肠道健康方面具有协同作用。在饲喂不添加酶制剂的小麦基础饲粮中，补充添加百里香酚和肉桂醛的复合物对肉鸡肠道病原菌具有抑制作用，特别是对大肠杆菌作用更明显，但对肠道有益微生物没有影响(Tiihonen等，2010)。肠道有益微生物菌群的改善与动物的生产性能有关，然而，肠道总菌群组成的改善是由于百里香酚和肉桂醛对特定菌群的作用，从而使全肠道微生物种群向有益菌转移所致 (Tiihonen等，2010)；第二个肉鸡试验同样表明，添加精油对肠道产气荚膜梭菌具有抑制作用，同时能够增加乳酸菌和双歧杆菌的生长(Nurminen等，2010)。试验3表明，添加百里香酚和肉桂醛能够降低41日龄肉鸡盲肠产气荚膜梭菌（见图7）。

图7 在三个肉鸡试验中，与对照组相比，添加精油复合物（百里香酚和肉桂醛）能够使肉鸡盲肠食糜中的产气荚膜梭菌数降低（对数）

不仅肠道菌群对肉仔鸡营养状况和肠道健康有作用，微生物的代谢产物对其也有作用。研究已经证明，肠道微生物的活性与短链脂肪酸 (SCFA)、支链脂肪酸(BCFA)和生物胺的浓度有关。来自碳水化合物(如SCFAs)或蛋白质(如BCFAs、生物胺)的微生物发酵产物能够反映营养物质在动物肠道消化和发酵的过程。在Gleadthorpe(UK)ADAS进行的一项试验研究了在肉鸡豆粕-小麦型基础饲粮中添加百里香酚和肉桂醛复合物对肠道微生物的影响 (Tiihonen等,2010)。饲料添加精油复合物能够增加盲肠中丁酸的比例，丁酸被公认为可以为结肠黏膜提供能量(Roediger，1980)，对小肠健康具有潜在作用 (Cheppach等，2001；Hamer等，2008)。此外，精油处理组降低了乙酸、异戊酸和酪胺的比例，但盲肠胺比例增加。支链脂肪酸和生物胺在胃肠道的生理作用目前尚不完全清楚。Sousadias等(1995)报道，饲喂低浓度生物胺饲粮能够增加肉鸡增重、改善饲料效率。以上试验结果可以为精油在肉鸡饲粮中的使用提供理论参考，添加精油的目的是为了改善肠道微生物组成和活性，从而改善肉鸡的生产性能和健康。

5 百里香酚和肉桂醛的促生长作用

精油具有芳香气味，能够刺激动物食欲，因此它对幼龄动物的健康生长特别重要。有几项关于精油能够刺激动物食欲的假设，即精油的特殊气味、饲料消化率的改善及由于肠道菌群的改善而使后肠道一些未消化的纤维颗粒的发酵程度提高。

研究结果表明，在不添加酶制剂或抗球虫剂的肉鸡小麦基础饲粮中，补充添加百里香酚和肉桂醛能够增加42日龄肉鸡的体增重、降低死亡率(Tiihonen等,2010)。该试验中，生产性能的改善很可能和添加精油后肉鸡采食量提高和肠道健康改善有关(Tiihonen等,2010)。Nurminen等（2010）进行的一项试验表明，在小麦基础饲粮中补充添加百里香酚和肉桂醛能够显著改善肉鸡的生产性能，同时能够改善盲肠微生物菌群(Salam 等，2002；Lee 等，2003、2004a、2004b；Jamroz等,2005)。另一试验中,在肉鸡饲粮中添加外源酶制剂（植酸酶和木聚糖酶）、百里香酚和肉桂醛，能够有效改善前期和全期（42日龄）肉鸡采食量和体增重(Peron等,2009)；在一项1 000只罗斯肉鸡的半商业试验中，在含有抗球虫剂的前期和生长期饲粮中补充添加百里香酚和肉桂醛组与对照组相比，能够使0～31日龄肉鸡的体增重提高5%(Bento等,2008)。同样有研究表明，在不添加抗球虫剂的肉鸡后期饲粮中补充添加百里香酚和肉桂醛能够使肉鸡体增重提高11%。这表明在不添加抗球虫剂的应激阶段，补充添加百里香酚和肉桂醛可以改善肉鸡的生产性能。这些结果表明，在不添加抗球虫剂阶段，补充添加百里香酚和肉桂醛能够维持肉鸡肠道健康，同时改善肉鸡的生产性能。

对16个肉鸡试验采用荟萃分析 (Amerah等,2010)，结果表明，肉鸡饲粮添加精油能够显著改善日采食量，使肉鸡日增重和饲料转化率得到改善。该模型还表明，补充添加木聚糖酶可以使精油的作用效果进一步增加。精油对肠道微生物的调节与肉鸡健康和免疫有关，因此能够改善肉鸡生产性能和福利。三项研究结果表明，在肉鸡饲粮中添加精油能够改善垫料质量和粪便评分、降低肉鸡死亡率。芳香植物精油对断奶母猪也有显著的效果，添加牛至油能降低母猪死亡率，改善母猪繁殖性能，使母猪窝产活仔数增加(Mauch 等，2004)。

几项研究结果表明，无论添加还是不添加酶制剂，添加精油都能有效地改善营养物质的消化率。在进行的两项肉鸡试验结果表明，肉鸡玉米(Cao等，2009)或小麦(Amerah等，2010)基础饲粮中无论是否添加外源酶制剂，添加百里香酚和肉桂醛对营养物质消化率都具有正效应。精油复合物对肉鸡前期的作用效果更显著。

肉鸡试验结果表明，饲粮添加有机酸和精油对肉鸡胴体性能没有影响，如屠宰率和胸肉产量(Zhang等,2005)。这与我们对百里香酚和肉桂醛的研究结果一致。肉鸡饲粮添加百里香酚和肉桂醛对屠宰率、胸肉产量或胸肉感官特性没有影响(Schulze等,2008)。

总之,在无抗生素饲粮中补充添加百里香酚和肉桂醛能够有效改善肉鸡的生产性能、肠道微生物菌群及动物福利。结果表明，精油是抗生素生长促进剂的有效替代物。

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