皂苷对瘤胃微生物菌群影响的研究进展

河北农业大学 冯志华 高艳霞 曹玉凤 李建国＊ 李秋凤

反刍动物瘤胃是一个复杂的微生态系统，其中瘤胃微生物与宿主之间、微生物与微生物之间处于一种既协同又制约的动态平衡状态。微生物间的关系会直接或间接影响反刍动物对饲料的消化和利用，进而影响反刍动物的健康。因此，调控瘤胃微生物区系使饲料养分最大程度地被利用显得尤为重要。皂苷具有多种生物活性，如抗肿瘤、抗真菌、防治心血管疾病、降血糖和调节免疫功能等，本文就皂苷的化学结构、存在形式及分布，皂苷或富含皂苷植物对反刍动物瘤胃微生物菌群的影响作一综述。

1 皂苷的化学结构、存在形式与分布

皂苷又名皂甙或皂素，是一类比较复杂的苷类化合物，主要由植物产生，少数低等海生动物和细菌亦可以产生，因其水溶液振摇时能产生大量持久的肥皂样泡沫而得名。皂苷由皂苷元和糖、糖醛酸或其他有机酸组成。组成皂苷的常见糖有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖及其他戊糖类。皂苷的多样性和复杂性是由糖链结构的差异决定的。根据皂苷被水解后生成皂苷元的化学结构不同，将皂苷分为两大类：甾体皂苷和三萜皂苷。三萜皂苷又可分为四环三萜皂苷和五环三萜皂苷两类，而以五环三萜最为常见。

皂苷存在于植物体的树皮、根、茎、叶、种子和果实中，分布不一。在自然界中三萜烯皂苷比甾体皂苷分布范围广。已发现含有三萜皂苷的植物有600多种，其中在豆科、五加科、伞形花科、报春花科、葫芦科等植物中比较普遍；植物中已发现的甾体皂苷元有近百种，它们主要存在于单子叶植物百合科的丝兰属、知母属、菝葜科、薯蓣科、龙食兰科等；双子叶植物也有发现，如豆科、玄参科、茄科等。近年来，从海洋生物如海星中也分离得到了皂苷，而且具有很强的生物活性。

2 皂苷对瘤胃微生物菌群的影响

2.1 皂苷对瘤胃原虫的影响 大量研究证实，许多皂苷或富含皂苷的植物对瘤胃原虫具有抑制作用。Valdez等（1986）研究表明，添加丝兰皂苷后原虫的数量减少，同时细菌的数量略有增加。Wallace等（1994）利用体外实验也证明丝兰皂苷能够抑制瘤胃纤毛虫的生长；另有资料报道，印度田箐叶子和豆科植物中存在的皂苷，均能够抑制原虫的活性（Goel等，2008；Newbold 等，1997）。 然而，不同部位印度田箐的抗原虫活性也不同，这表明植物的不同部位存在的皂苷类型可能不同（Teferedegne，1999）。与此类似，其他体外实验也证明皂树皂苷、大叶相思叶皂苷、无患子皂苷和葫芦巴籽皂苷均具有抗原虫活性 （Goel等，2008；Hristov等，2003；Hess等，2003a；Makkar等，1998）。Hu 等（2005）研究表明，添加茶皂素可以显著抑制瘤胃原虫的生长（P＜0.01）。陈旭伟和王洪荣（2009）研究结果表明，0.3%茶皂素+0.03%丝兰皂苷能极显著降低瘤胃原虫数量 （P＜0.01）。许多体内实验也证实皂苷或富含皂苷的植物具有抗原虫的效果。Hristov等（1999）报道，丝兰皂苷降低了青年母牛瘤胃原虫的数量。日粮中添加2%和4%的苜蓿皂苷可使绵羊瘤胃原虫数量分别减少34%和 66%（Lu 和 Joyrnal，1987）。 此外，饲喂富含皂苷的植物如印度田箐和无患子均可减少绵羊瘤胃内原虫的数量 （Goel等，2008；Hess 等，2004b；Newbold等，1997）。一般认为，皂苷通过与原虫细胞膜甾醇部分相互作用，使细胞膜遭到破坏，导致细胞内容物的渗漏，这可能是皂苷具有抗原虫作用的主要原因（Francis等，2002）。

但也有一些研究表明，皂苷对原虫的数量没有影响。Hristov等（2003）体外实验证明，在培养液中添加0.1%、0.2%和 0.4%的富含皂苷的丝兰提取物对原虫的数量没有影响。Benchaar等（2008）研究表明，给奶牛饲喂60 g富含10%皂苷的丝兰提取物并未显示抗原虫的效果。关于皂苷不能抑制原虫的具体原因还不清楚，一些因素诸如皂苷的结构、剂量、日粮组成、微生物区系组成及其对皂苷的适应性均会影响皂苷的效果。此外，对植物或植物提取物中皂苷含量的测定方法不同，也会导致相同剂量的皂苷产生不同效果（Cheeke，1996）。 Klita 等（1996）报道，利用高效液相色谱法（HPLC）测定的皂苷含量通常比生物学测定方法低（例如溶血性微量方法）。

2.2 皂苷对瘤胃细菌和真菌的影响 瘤胃中的细菌和真菌亦受皂苷的影响，但瘤胃细菌和真菌所受影响程度不同。Wina等（2005）体外实验研究了粗料型基础日粮中添加用甲醇提取的毛瓣无患子皂苷0、1.0、2.0 mg/mL和4.0 mg/mL的效果。薄膜杂交分析表明，细菌RNA的浓度在皂苷剂量为1 mg/mL时较高，但是高剂量的皂苷并没有影响总细菌的数量。2.0 mg/mL和4.0 mg/mL毛瓣无患子的甲醇提取物皂苷对白色瘤胃球菌（R.albus）和黄色瘤胃球菌（R.flavefaciens）具有抑制作用。相反，real-time PCR定量分析表明，来自葫芦巴籽和印度田菁叶子的皂苷提取物使产琥珀酸丝状杆菌 （F.succinogenes）的数量分别提高 42%和45%，而飞廉属植物叶子和葫芦巴籽皂苷使黄色瘤胃球菌 （R.falvefaciens）的数量提高了40%（Goel等，2008）。另有研究表明，丝兰提取物中的甾体皂苷对纤维分解菌的活性具有抑制作用，但是对于淀粉分解菌的抑制作用因种属差异变化较大。由于皂苷的存在使细菌的细胞壁发生了变化，导致牛链球菌（Streptococcus bovis）、栖瘤胃普雷沃氏菌（Prevotella ruminicola）和嗜淀粉瘤胃杆菌（Ruminobacter amylophilus）的生长受到抑制，而反刍兽新月形单胞菌的生长得到加强 （Wang等，2000）。以上研究表明，皂苷对瘤胃细菌的影响具有种类依赖性，生产中可以利用皂苷对瘤胃代谢进行调控。例如，反刍月形单胞菌是瘤胃内常见的革兰氏阴性菌，占瘤胃可培养总细菌数的50%，该菌可以利用乳酸。因此，促进该菌的生长对于防治酸中毒具有重要意义。此外，牛链球菌的数量随着精料浓度的升高而快速增长，使可溶性淀粉发酵成为乳酸，乳酸进一步增多，从而引发急性瘤胃酸中毒。因而在高精料日粮中添加皂苷会减少酸中毒的发生率（Russell和 Rychlik，2001）。

关于皂苷对一些细菌的促生长机制还不清楚。Sen等（1998）认为可能是低剂量的皂苷以某种可调控的方式促进细胞膜的渗透，使细菌细胞吸收更多的养分。一些混合培养研究表明，富含皂苷的植物能够提高细菌数量，主要是因为皂苷抑制了原虫的数量 （Hess等，2004；Newbold等，1997）。

目前，关于皂苷对真菌影响的研究还比较少，结论也往往不一致。纯培养实验表明，丝兰提取物中的甾体皂苷对真菌的活性具有抑制作用（Wang等，2000）。 Goel等（2008）报道，葫芦巴和印度田菁使厌氧总真菌数量分别减少65%和38%。Wina等 （2005）体外研究表明，毛瓣无患子（S.rarak）提取物浓度为4 mg/mL时，壶菌纲的数量减少，浓度为1 mg/mL和2 mg/mL时对壶菌纲菌的数量没有影响。Wina等（2006）给绵羊长期饲喂（105 d）0.24、0.48 g/kg 和 0.72 g/kg 体重的毛瓣无患子皂苷，结果表明，低剂量的毛瓣无患子皂苷对壶菌纲具有正面效应，而高浓度则没有效果。

2.3 皂苷对瘤胃产甲烷菌的影响 甲烷是与全球气候变化密切相关的温室气体，对全球气候变暖作用占到所有影响气候变暖因素作用的15%～20%，其增温潜势是二氧化碳的62倍。据估计，每年进入大气层中由家畜产生的甲烷总量为7.7×107t，其中很大部分来源于反刍动物（Johnson和 Ward，1996），占散发到大气中甲烷总量的15%，而且每年还以1%的速度递增 （Moss等，2000）。因此，研究皂苷如何影响产甲烷菌的数量和减少甲烷产量具有十分重要的意义。虽然很多学者也作了这方面的研究，但主要集中在皂苷对甲烷产量的影响方面，关于皂苷对产甲烷菌影响的报道还很少。

Hess等（2003）纯培养实验表明，在去原虫状态下无患子能够减少甲烷的产生，但对甲烷杆菌的数量没有影响，表明皂苷可能直接影响了甲烷杆菌的活性。Guo等（2008）报道，400 mg/L茶皂素对甲烷短杆菌的甲基辅酶-M还原酶mcrA基因的生长和表达没有影响。瘤胃液混合培养时，茶皂素对产甲烷菌数量没有影响，但mcrA基因的表达量降低了76%（P＜0.05），甲烷产量降低了8%（P＜0.05）。皂苷对瘤胃产甲烷菌的抑制效果与日粮中皂苷的水平和日粮组成有关。高剂量（4 mg/mL）的毛瓣无患子果实皂苷能够降低甲烷杆菌RNA的浓度，而低剂量时对甲烷杆菌没有影响（Wina 等，2005）。 Wina 等（2005）研究认为，甲烷杆菌RNA浓度的降低可能与抑制原虫活性有关。然而也有研究证明，无患子果实富含的皂苷虽然使甲烷产量有所降低，却提高了绵羊甲烷杆菌的数 量 （Ivan 等 ，2004；Hess 等 ，2004）。 Goel等（2008）报道，精料型基础日粮中添加田菁皂苷和葫芦巴皂苷抑制甲烷的效果比粗料型基础日粮显著。从田菁叶、葫芦巴籽和山萝卜属叶中提取的皂苷使产甲烷菌数量分别减少78%、22%和21%，但对甲烷产量没有影响，这可能是由于发酵模式和微生物多样性的改变导致甲烷生成的速度改变所致。

综上所述，皂苷对瘤胃微生物菌群的作用效果，取决于皂苷的类型、添加剂量、日粮组成和微生物菌群对皂苷的适应性等因素。

3 瘤胃微生物对皂苷的适应性及皂苷的降解

利用皂苷或富含皂苷植物的问题之一是其抗原虫的活性是短暂的（Teferedegne等，1999；Newbold等，1997）。持续饲喂田菁10 d和象耳豆14 d后，这些植物中存在的皂苷对绵羊的抗原虫活性就消失了（Ivan 等，2004；Newbold 等，1997）。 Wina等（2006）研究表明，在短期内毛瓣无患子皂苷对白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）、黄色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）和壶菌纲具有负面效应，而这种效应在长期添加后则会消失，可能由于长期添加导致瘤胃白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌和真菌壶菌纲对皂苷产生了适应性。据观察，丝兰皂苷会使布氏普雷沃氏菌 （Prevotella bryantii）细胞壁厚度增加，证明这些细菌对皂苷的适应性（Russell和 Rychlik，2001）。 关于微生物对皂苷产生适应性的具体机制还不清楚，可能与微生物会迅速产生降解皂苷的能力而导致皂苷抗原虫活性的丧失有关。饲喂丝兰皂苷几天后由瘤胃球菌（Ruminococci）产生的高活性糖苷酶，可能参与了适应过程（Wang等，2000）。此外，微生物从前接触过富含皂苷的植物也有利于其对皂苷快速反应并减弱富含皂苷植物的抗原虫活性（Teferedegne等，1999）。动物品种和饲养制度不同或动物所处环境不同，都可能会降低皂苷的抗原虫活性。埃塞俄比亚绵羊瘤胃微生物种群能够对皂苷的抗原虫活性结构进行降解，而苏格兰绵羊则不能（Teferedegne等，1999）。 Odenyo 等（1997）观察到直接把印度田菁投进瘤胃对原虫仍然保持毒性，但是日粮中添加则不然，这说明咀嚼过程产生的唾液可能对皂苷进行了降解，起到解毒作用。

目前关于皂苷对瘤胃微生物影响的报道较多，但关于瘤胃微生物对皂苷降解方面的研究较少。皂苷在瘤胃中的代谢包括去糖基化作用和皂苷元核心部分结构的变化。体外批次培养试验证明皂苷能被降解生成皂苷元，皂苷元再经过缓慢的氧化还原过程而导致结构的变化 （Wang等，2000、1998）。不同种类的皂苷在瘤胃中的降解率及其变化幅度较大。苜蓿皂苷在绵羊消化道中的降解率达96% ～98%（Mathison等，1999）。 与此相似，Ogura 和 Sugawara（1998）报道，白三叶草在瘤胃尼龙袋内培养24 h后，残余物中未检测到白三叶皂苷的存在。Makkar等（1997）利用奶牛瘤胃液体外培养发现，皂树皂苷在培养液中孵化24 h后被100%降解，而6 h孵化后没有被降解。由此得知，自然界中可能存在一些不易被降解的皂苷，具有持久的抗菌效果。

4 结语

综上所述，皂苷能有效控制瘤胃微生物菌群的组成和数量，从而进一步调控瘤胃发酵，提高反刍动物生产效率，减少环境污染。但反刍动物瘤胃微生物对皂苷会产生适应性，导致皂苷的抗原虫效应不能持久，关于这一问题的解决措施及瘤胃微生物菌群对皂苷的适应机制尚待进一步研究。此外，不同来源植物皂苷的含量和组成有较大差异，生物活性也不同。因此，今后应着手从众多天然植物中提取一种有效皂苷，能够特异性地抑制原虫和产甲烷菌的数量及活性，促进有益菌和真菌的生长，提高动物的生产性能，降低其负面效应。

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