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肉桂醛的抑菌作用及其生物安全性

2015-01-23贾安峰邹胜龙石广州市信农生物科技有限公司广东广州510663

中国猪业 2015年12期
关键词:作用机理

贾安峰 邹胜龙石 林 龚 红(广州市信农生物科技有限公司,广东广州510663)

饲养饲料

肉桂醛的抑菌作用及其生物安全性

贾安峰邹胜龙*石林龚红
(广州市信农生物科技有限公司,广东广州510663)

摘要:肉桂醛是传统中药肉桂油的主要活性成分,因其独特的生理功能,已广泛应用于医疗、食品和日化香料等领域。因其具有广谱抗菌的作用,在饲料行业也开始受到广泛关注。本文对肉桂醛的抑菌作用及其生物安全性进行总结和分析,为今后进一步开发抗生素替代品添加剂提供参考依据。

关键词:肉桂醛;抑菌作用;作用机理,生物安全性

近年来,抗生素在畜牧养殖行业的大量使用,特别是不科学的滥用,使细菌的耐药性增加。目前,欧盟已颁发了禁止在饲料中添加抗生素的规定;美国也从2014年起,计划用3年时间禁止在牲畜饲料中使用预防性抗生素。我国限制抗生素在畜禽饲粮中的使用也势在必行。绿色、安全、无污染的饲料添加剂将成为饲料行业的宠儿。大量研究表明肉桂醛具有广谱抗菌作用[1-3],现将其抗菌机制及生物安全性报告如下。

1肉桂醛概述

肉桂醛,又名桂皮醛、β-苯丙烯醛、3-苯基-2-丙烯醛,为黄色黏稠状液体,具有强烈的肉桂油香气,是肉桂等植物的提取物,亦可人工合成。肉桂醛难溶于水、甘油和石油醚,易溶于醇、醚,易挥发,在空气中易被氧化。

2肉桂醛的抑菌作用

2.1肉桂醛的抗细菌作用

近年来,大量研究表明,肉桂醛对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有较强的抑菌效果。Shang-Tzen Chang等[4]的研究结果表明,肉桂精油对大肠杆菌、绿脓杆菌、粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、肺炎杆菌、沙门氏菌和肠炎弧菌等9种致病菌均有良好的抑制效果。胡刘岩[5]研究了6种常见香辛料精油主要成分对5种冷鲜肉常见的腐败菌(包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、酿酒酵母、产气杆菌以及热杀索丝菌)的抑制作用,发现肉桂醛的综合抗菌能力最强。汪中兴等[6]采用微板指示剂测定3种植物精油中的主要成分对2种猪源致病菌的体外抑菌活性,结果表明,3种植物精油及其主要成分的抑菌活性按从大到小的顺序为:肉桂醛>肉桂油>百里香酚和百里香油≥香芹酚和牛至油,其中,肉桂油和肉桂醛对猪源产肠毒素大肠杆菌K88和霍乱沙门氏菌A72的最小抑菌浓度(MIC)分别为800 μL/L和400 μL/L,表明肉桂油中主要是肉桂醛在起抑菌作用。

王帆等[7]采用肉汤稀释法测得肉桂醛对大肠杆菌和绿脓杆菌的MIC分别为2.5和5.0 mmol/L,经10.0mmol/L的肉桂醛分别处理2小时和3小时后,大肠杆菌和绿脓杆菌的生长完全被抑制。张文艳[8]研究表明,肉桂醛在浓度达0.1 μg/mL时开始抑制混合菌(金黄色葡萄球菌和肠炎沙门氏菌混合培养)生物被膜的形成,对金黄色葡萄球菌和肠炎沙门氏菌的最小抑菌浓度均为0.4 μg/mL。薛京昌等[9]体外抑菌试验结果也表明,肉桂醛对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC为0.4μg/mL,对枯草芽孢杆菌的MIC为0.3μg/mL,对沙门氏菌的MIC为0.2μg/mL;且肉桂醛的热稳定性良好,在121℃湿热条件下处理60分钟,对4种细菌的抑菌效果几乎不受影响。MIC的测定方法主要包括肉汤稀释法和琼脂扩散法,这些方法都存在一些漏洞,其结果高度依赖其自身的水溶性和测试成分在琼脂中的扩散能力[10],所以研究者测定的MIC值之间是有差异的,很难直接去比较。

此外,研究证实肉桂醛的衍生物α-溴代肉桂醛、肉桂酸对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和炭疽杆菌也均具有明显的抑菌活性,而肉桂醇仅对金黄色葡萄球菌具有明显的抑菌活性[11]。Joris[12]研究了肉桂醛及其10种衍生物对大肠杆菌和乳酸杆菌的抑制效果,结果表明,2-硝基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、苯基丙醛、4-硝基肉桂酸和2-硝基肉桂醛对大肠杆菌有中等的抑制作用,3,4,5-三甲氧基肉桂酸对大肠杆菌有微弱的抑制作用,2-甲氧基肉桂醛、4-甲氧基肉桂醛、肉桂醛和2-羟基肉桂醛对大肠杆菌有很强的抑制作用,且对乳酸杆菌有明显的抑制作用,因此,此4种化合物可有选择性地抑制细菌,在平衡肠道微生物方面有较好的作用,4-硝基肉桂醛对大肠杆菌的抑制作用极显著,但是这种化合物有致癌作用。

2.2肉桂醛的抗真菌作用

肉桂醛不仅对细菌具有抑制作用,还具有较强的抗真菌作用,在饲料防腐和食品保鲜上具有广阔的应用前景。谢小梅等[13]研究表明,肉桂醛对黄曲霉菌、烟曲霉菌的MIC分别是0.100和0.050 μg/mL,这与张文平等[14]的研究结果一致;通过电镜扫描发现,肉桂醛处理之后的黄曲霉菌和烟曲霉菌,菌丝扭曲、折断,分生孢子梗萎缩,分生孢子形态不一,表面平坦并黏连,说明肉桂醛可能破坏了霉菌的细胞壁、细胞膜结构,抑制了孢子的形成。对不同的菌种,肉桂醛的抑菌效力有所差异。王新伟等[15]指出,对面包酵母的抑制效果:肉桂醛>香芹酚>牛至油>柠檬醛;对黑曲霉的抑制效果:香芹酚>牛至油>肉桂醛>柠檬醛。Fuguo Xing等[16]指出肉桂油的抗真菌能力与其肉桂醛的含量有关,肉桂油(肉桂醛含量85%)、天然肉桂醛(95%)和合成肉桂醛(99%)对轮状镰刀霉菌的MIC分别为60、50、45 μL/L,在最小抑菌浓度下,其丝状真菌的超微结构发生了不可逆转的损伤。

3肉桂醛抑菌的作用机制

肉桂醛具有广谱抗菌作用,对多种细菌或真菌引起的疾病具有良好的预防和治疗作用。众多学者对其抗菌抑菌机制进行了研究,研究成果主要如下。

肉桂醛能破坏细菌或真菌结构和功能的完整性。肉桂醛结构中的醛基是亲水基,易被真菌表面的亲水基吸附,破坏其细胞壁的多糖结构而穿透细胞壁[14];肉桂醛还能影响黄曲霉菌细胞膜麦角甾醇的生物合成,破坏其细胞膜的正常功能,甚至使其细胞破裂,抑制黄曲霉的生长繁殖[17]。谢小梅等[13]通过电镜扫描和同位素标记技术发现肉桂醛作用于黄曲霉菌和烟曲霉菌后,其细胞壁、细胞膜结构被破坏,霉菌细胞不能维持正常的细胞形态,胞内外物质交换受阻,营养物质吸收降低,胞内生物大分子的合成减少,从而抑制了霉菌的生长和繁殖。汪琨等[18]通过构建酿酒酵母的一系列细胞壁合成酶基因敲除菌株(1,GHS020和GHS003)作为模型,发现肉桂醛能特异性地抑制真菌细胞壁葡聚糖和几丁质的合成,能透过细胞壁等屏障,作用于位于细胞膜上的葡聚糖合酶和几丁质合酶,从而抑制真菌细胞的生长。Suxia Shen等[19]经电子扫描显微镜和透射电子显微镜观察到,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在被肉桂醛最小抑菌浓度(0.31 mg/mL)处理时,其细胞形态、细胞膜的完整性和渗透性都受到一定损伤,浓度越高,损伤越大。另一方面,肉桂醛可作用于黄曲霉的细胞膜,致使其细胞膜氧化损伤,肉桂醛进入黄曲霉细胞后,形成膜脂质过氧化物,干扰了黄曲霉细胞的有序级联反应,破坏其线粒体内膜上的氧化还原系统,降低其自由基清除能力,致使其自由基含量增高[20]。王帆等[7]研究也表明,肉桂醛通过氧化胁迫作用使大肠杆菌菌体内H2O2含量、丙二醛(MDA)含量升高,超氧化物歧化酶(SOD)活力增强,引发细胞内脂质、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤,从而破坏菌体结构而使其死亡。而绿脓杆菌在肉桂醛的胁迫作用下形成了菌膜,保护了菌体免受氧化损伤,但依然抑制了绿脓杆菌的生长,其作用机理还有待进一步研究。

另一些研究者认为,肉桂醛主要是通过进入细胞内干扰胞内代谢以及影响基因的正常表达,发挥其抑菌作用。Helander[21]研究发现肉桂醛可以通过孔蛋白进入到细菌细胞的深层部位。Becerril[22]在死亡的大肠杆菌中重新提取出了肉桂醛,所以可以认为,在大肠杆菌降解之前,肉桂醛已经进入到细菌胞内。不饱和醛化合物带有很高的负电性(如肉桂醛),它可以干扰电子转移的生物学过程,还可以与一些重要的含氮化合物(如一些功能性蛋白和核酸)反应,从而抑制微生物的生长[23]。肉桂醛结构中的醛基还能与菌体蛋白质功能基团-SH、-NH2、-CH及-COOH等发生化学作用,不仅抑制了代谢途径中相关酶的活性,还可能与相关酶发生了不可逆的结合,甚至改变了酶的空间结构,使其蛋白完全失活[1,20]。肉桂醛抑菌机制是一系列相互独立的因素,同时还涉及到物种特异性的靶位点。用肉桂醛处理芽样芽胞杆菌不会导致显著的胞内蛋白泄漏,但是可以强烈地抑制细胞分裂[24]。Gill和Holley[25]认为肉桂醛抑制产单核细菌能量的生成可能是由于抑制了细菌细胞对葡萄糖的摄入和利用,并影响了细菌细胞膜的通透性。Gill和Holley[26]发现,肉桂醛可以显著抑制大肠杆菌和产单核细菌ATP酶活性(>750 mg/L)。肉桂醛可以抑制产气脱羧杆菌的组氨酸脱羧酶活性[27]。肉桂醛的羰基可以绑定蛋白,从而阻止产气菌的氨基酸脱羧反应,肉桂醛可绑定到FtsZ蛋白,从而抑制芽样芽胞杆菌的细胞分裂[28]。张文平等[14]运用同位素掺入技术探索肉桂醛对曲霉菌的作用机制,发现肉桂醛可能通过抑制曲霉菌的DNA、RNA、蛋白质的合成前体TdR、UdR及亮氨酸的掺入,导致曲霉菌细胞内生物大分子的合成受阻,从而表现出杀菌作用。谢小梅等[29]通过激光扫描共聚焦显微镜直接对肉桂醛处理后的黄曲霉菌和烟曲霉菌单个细胞的DNA、RNA进行定量和定位观察,结果发现肉桂醛处理黄曲霉后,视野中有大量多核细胞,DNA水平增加;而处理烟曲霉后,DNA水平减少;肉桂醛处理黄曲霉和烟曲霉后RNA均减少。由此推测,肉桂醛处理黄曲霉后分生孢子出现多核现象,可能是肉桂醛影响了黄曲霉分生孢子梗在分化过程中核迁移、胞质分裂和横隔形成的协调进行,从而影响了黄曲霉的繁殖,DNA水平增加可能是肉桂醛干扰了DNA的正常合成,使细胞周期在G2期到M期重复复制。而肉桂醛作用烟曲霉后,DNA水平降低,细胞核模糊不清,说明肉桂醛对烟曲霉的直接作用靶位不是DNA,但也干扰了DNA的正常合成或导致细胞周期停止在G1期。肉桂醛作用黄曲霉和烟曲霉后,其RNA水平均减少,可能是肉桂醛抑制了RNA的合成或加快了RNA的降解,RNA代谢异常,最终导致蛋白质代谢异常,抑制了霉菌的生长和繁殖。

肉桂醛对有害菌的作用方式,不仅表现在抑制其生长和繁殖,还能降低霉菌毒素的毒性,减小其危害性。烟曲霉色素存在于烟曲霉菌细胞壁上,且是目前已明确的关键毒力因子。研究发现烟曲霉菌的色素仅局限在分生孢子上,能抵抗哺乳动物宿主的防御系统,从而使其能在宿主体内存活并引发疾病。龙凯等[30]选择烟曲霉色素合成的关键基因alb1为研究对象,探索肉桂醛对alb1基因表达的影响,结果表明,肉桂醛对alb1基因mRNA表达具有明显的抑制作用,且随着浓度的增加,抑制作用增强,菌苔逐渐变稀、薄且烟绿色色素逐渐变淡,甚至白化,毒性降低。

4肉桂醛的协同作用

肉桂醛与其他植物提取物复配后具有累加效应,同样与一些酸化剂也有协同作用。王帆等[31]研究报道,四种植物源杀菌剂(肉桂醛、丁香酚、麝香草酚和单宁酸)对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、肠炎沙门氏菌和单核细胞增生李斯特氏菌5种致病菌均表现出较强的抑制活性,且两两复配后各成分都表现出协同增效或效果叠加的作用,最小抑菌浓度比单独作用时有所降低。Didry[32]研究发现,仅仅混合百里香酚和香芹酚的效果要好与单独使用肉桂醛、百里香酚和香芹酚的效果,这表明植物提取物之间存在协同作用。大量的研究发现,植物提取物和其他一些酸类(醋酸、柠檬酸和EDTA)混合,可以更好地抑制一些细菌[33]。Santiesteban[34]研究发现,植物提取物可以与有机酸协同抑制食物源病原菌。这种协同作用的机制尚不清楚。这种机制可能是有机酸可以加强植物提取物的抑菌效果,也可能是植物提取物加强了有机酸的抑菌效果。在酸性环境中,植物提取物是不游离的,且是亲脂性的,这可能会提高植物提取物穿过细胞膜的能力,并使细胞膜通透性增加,这是支持前一种假设的。另一方面,与后一种假设一致,有机酸可以打破细胞内酸碱平衡,而植物提取物可以破坏细胞膜的质子泵,使细胞进一步失去维持酸碱平衡的能力。也有些研究者发现,肉桂醛与氨基酸的加成物对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌也有良好的抗菌作用,且在酸性环境下,其抗菌作用增强[35]。

5与肉桂醛抑菌作用的关联因子

蛋白质可能会影响植物提取物的抑菌效果[36]。在体外抑菌试验中发现,用175 mg/L的百里香酚处理沙门氏菌,然后在培养基中加入9 mL/L的牛血清蛋白,结果发现,百里香酚的抑菌效果被消除[37]。在猪的日粮中加入肉汤,百里香酚、香芹酚、丁香酚和肉桂醛的抑菌效果都会消失[38]。众所周知,肉桂醛可以在任何地方与蛋白反应。脂肪也可以影响到植物提取物的抗菌活性。如果植物提取物溶解在油脂中,那么在水相中只有较少的植物提取物与细菌反应[23]。相反,食物中的糖类不会影响植物提取物的抑菌活性[39]。Smith-Palmer[40]研究发现,低水分食物会影响植物提取物进入细胞中的靶位点。肉桂醛在低pH值条件下对嗜酸耐热菌孢子的抑制作用更强[41]。

6肉桂醛药物代谢动力学和体内残留

在人类和啮齿动物类的试验中发现,肉桂醛可以迅速和完全地被肠道吸收,随后通过依赖于NAD的醛脱氢酶氧化成肉桂酸,或结合在其他盐类上排出体外,或经进一步β-氧化后,再和其他化合物结合,然后排除体外(主要以马尿酸的形式排出)[42,43]。Sapienza[44]研究发现,用5和50 mg/kg·BW的肉桂醛处理雌性大鼠,连续8天,在尿中的主要代谢物是马尿酸,并有少量的肉桂酸和苯甲酸。用高剂量500 mg/kg·BW肉桂醛处理后发现,苯甲酸是最主要的代谢产物,这表明多次大剂量的肉桂醛处理,会引起甘氨酸结合通道的饱和。不管是口服多少剂量的肉桂醛,24小时之后,80%的放射性标记物质由尿排出,低于7%的代谢产物由粪便排出。肉桂醛新陈代谢的第二条通路是:与还原性谷胱甘肽反应形成硫醚氨酸衍生物[45]。肉桂醛代谢性解毒的主要通路是通过β-氧化。在许多研究中发现,口服的肉桂醛主要通过尿液的形式排出体外,在尿和粪中回收的代谢物总和超过85%。口服单一剂量的用C14标记的500 mg/kg·BW肉桂醛,24小时之后,在脂肪组织和肌肉中的残留量分别在0.31%~0.90%和0.13%~0.26%之间[44]。

这些数据表明,肉桂醛可以快速地代谢掉,机体可以快速地清除这些化合物或者代谢物,因此,残留基本上不会出现。然而,仅有的数据表明这些化合物或代谢物可能在猪的组织中残留,尤其是在饲料中加入高剂量的植物提取物时。

7肉桂醛的生物安全性

植物提取物在有氧环境中能够被土壤中微生物降解[46],在缺氧的条件下能够被好几种途径分解掉[47]。21天后,肉桂醛能够100%被微生物降解[48]。Bock(1988)发现,真菌可以使肉桂醛降解成相应的醇。肉桂醛的微生物降解类似于丁香酚的微生物降解[49]。肉桂醛主要分布在环境中的土壤和水中,持续时间也比较短,大约279小时[50]。Vokou和Liotiri[51]认为植物提取物在土壤中主要作为微生物的碳源和能量,如果环境中的微生物生长良好,那么植物提取物就不会在土壤中累积。

肉桂醛被美国食品和药物管理局(FDA)公认为安全、无毒的物质(21 CFR 182.60);美国香味料和萃取物制造者协会(FEMA)认为其是安全无毒的食品香料成分(FEMA,1965);食品添加剂联合专家委员会(JECFA)也认为肉桂醛作为食品添加剂是安全的(JECFA NO.656)。

8前景展望

肉桂醛作为一种新型的绿色饲料添加剂,目前正处于迅猛发展期,不少饲料企业和科研院所对肉桂醛的研究也不断深入,对其生理功能和作用机理研究得更加透彻。随着畜牧行业健康发展的时代要求,抗生素将逐渐被停用或禁用,肉桂醛无疑将成为一种可供选择的抗生素替代品,在饲料工业中具有广阔的发展前景。

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中图分类号:S816.73

文献标识码:A

文章编号:1673-4645(2015)12-0058-06

收稿日期:2015-11-03

基金项目:科技型中小企业技术创新资金专项资助(201504291655393)

作者简介:贾安峰(1989-),安徽六安人,硕士研究生,从事饲料添加剂研究;E-mail:714725789@qq.com*通讯作者:邹胜龙(1975-),安徽安庆人,硕士,主要从事饲料添加剂的研究;E-mail:zoushl@163.com

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