植 物 精 油 替 抗 的 研 究 进 展 及 机 理

唐镇海 袁建敏

（中国农业大学动物科技学院，动物营养国家重点实验室，北京100193）

抗生素作为一种生长促进剂在畜禽业中广泛应用多年，但由于长期亚治疗添加量导致细菌耐药性的产生，给畜禽生产和人类健康带来了严重威胁，因此，自2020年7月1日起，中国禁止使用除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂。全面禁抗容易导致畜禽肠道疾病高发，造成死亡率增加，降低养殖业生产水平和效益，不利于养殖业健康发展，所以寻求安全高效的替抗药物刻不容缓。

要开发新的替抗物质，一个重要的思路就是了解AGP(antibiotic growth promoter)的生理功能和所涉及的机制，再寻找与AGP在动物体内生理反应相近的替抗物质。近年来的研究表明，AGP可能是通过直接或间接调节宿主免疫系统来发挥促生长作用。植物精油(essential oil，EO)是植物次生代谢产物，具有抗氧化、缓解炎症和促进动物生长发育的作用，这是一类具有良好替抗潜力的天然绿色添加剂。因此，本文就AGP 的促生长作用机制和植物精油对家禽肠道消化生理、黏膜形态、屏障功能等方面的影响及其替抗潜力进行综述，为家禽肠道健康调控及无抗生产提供理论依据。

1 抗生素生长促进剂对动物健康的影响及作用机制

AGP又称饲料药物添加剂或饲用抗生素，在饲料中长期添加用于改善动物健康、减少疾病，研究表明抗生素在促进生长、改善饲料效率和降低临床疾病死亡率方面具有良好效用。

1.1 抗生素生长促进剂对肠道健康的影响

肠道是营养物质消化吸收的主要场所，是家禽免疫和内分泌系统的重要组成部分。肠道健康涵盖了许多生理和功能特征，包括营养物质的高效消化吸收、稳定的微生物群落、有效的免疫状态、完整的屏障功能等，是一种维持肠道正常生理功能和稳态、抵抗感染和非传染性疾病的能力[1]。

1.1.1 对肠道形态的影响

肠道黏膜是形成肠道营养功能和屏障保护功能的组织学基础，在营养物质吸收和防止微生物、毒素侵入机体方面有着非常重要的作用。肠道黏膜形态结构主要由肠道黏膜上皮细胞及其紧密的连接组成，肠道黏膜上皮细胞主要与营养吸收、肠道内分泌有关，而紧密连接与肠道机械屏障关系密切。AGP的使用能够改善肠道黏膜形态、促进黏膜发育，例如黏杆菌素的补充能增大空肠绒毛面积，降低黏膜肌层厚度，泰乐菌素则能够降低空肠隐窝深度[2]。

1.1.2 对消化吸收功能的影响

AGP 的促生长作用与其对肠道消化生理的改善有密切关联，AGP能够显著提高动物肠道消化酶的活性，增强对养分的消化能力。肽菌素（BMD）能显著提高肉鸡脂肪酶活性和淀粉酶活性，提高粗蛋白和粗脂肪的表观消化率[3]。养分的吸收依赖于肠道营养转运载体。禽类肠道中的葡萄糖吸收主要是由钠依赖性葡萄糖转运蛋白1（SGLT-1）和葡萄糖转运蛋白2（GLUT-2）负责[4]。饲料中添加BMD能显著提高肉鸡空肠的葡萄糖转运蛋白5（GLUT-5）、SGLT-1、二肽和三肽转运蛋白（PepT1）的表达[2]。AGP 能提高肠道营养物质转运蛋白的合成，提高养分利用率，从而促进动物生长。

1.1.3 对肠道屏障功能的影响

肠道屏障是指肠道能够防止肠腔内的有害物质(如细菌和各种毒素)穿过肠黏膜进入体内其他组织器官和血液循环的结构和功能的总和，由机械屏障、化学屏障、微生物屏障和免疫屏障组成。当肠道屏障被破坏时，肠道微生物和毒素等便可进入血液循环，从而引起细菌和毒素的移位，易引发肠源性感染，甚至导致全身性炎症反应或多器官功能的衰竭[5]。

以亚临床剂量添加在饲料中的AGP 对肠道屏障功能的主要影响集中在免疫屏障和肠道菌群方面。AGP 具有良好的抗炎效果，例如多西环素[6]和达托霉素[7]可以降低脂多糖（LPS）诱导的炎症反应强度。部分AGP 对于盲肠的部分低丰度细菌具有较强的影响，例如恩拉霉素和阿维霉素能引起盲肠菌群成员的显著变化，但菌群结构却没有显著变化[8]。莫能菌素和沙利诺霉素能够显著减少很多低丰度细菌，从而导致盲肠菌群的丰富度显著降低，均匀度随之提高[9]。有的AGP会降低肠道菌群多样性，并具有提高产生丁酸和乳酸的细菌丰度和减少产生胆盐水解酶（BSH）的细菌（部分乳酸杆菌[10]）的强烈趋势。例如饲料中添加阿维霉素的肉鸡盲肠中α多样性显著下降[11]，恩拉霉素[12]和杆菌肽[13]导致的乳酸杆菌、双歧杆菌数量减少。维吉尼亚霉素能够促进回肠丙酸杆菌属和棒状杆菌丰度的增加，并提高盲肠中乙酸和丙酸盐的浓度[9]。乳杆菌数量的减少，将提高结合胆汁酸盐的相对丰度，增强脂质代谢和能量利用[14]，虽然这类改变有利于生产性能的提高，但却使肠道菌群朝着脆弱和不健康的方向发展，降低了微生态的稳定性，容易导致肠道中潜在性病原体的定植和入侵。

1.2 抗生素生长促进剂的作用机制

1.2.1 免疫调节假说

炎症是宿主对组织稳态变化的反应中最主要的防御表现，是先天性免疫的重要组成部分，同时也是一种适应特定环境条件的适应性反应[15]，例如组织损伤、营养代谢失衡、毒素或感染等导致大范围的炎症反应。炎症的发生指导许多免疫细胞和分子的产生，这对于动物机体健康意义重大。营养和生理成本与免疫反应有关，维持免疫系统机能和增强免疫应答需要大量营养，因此必须在竞争的营养需求之间进行权衡，以进行生长、繁殖、温度调节以及其他生命活动。Jiang 等[16]给肉鸡注射LPS 后，14～21 d 的体增重显著降低了22%，其中生长抑制的41%主要归因于免疫应答反应，因此必须限制免疫炎症介质产生和炎症反应强度。

免疫调节假说认为由于畜禽的生活环境中存在大量病原微生物和环境应激源，所以肠道持续处于病理性炎症状态，活性氧（ROS）以及大量促炎因子的产生会加剧炎症反应，随即发生免疫级联反应产生全身性免疫反应。炎症反应必须由大量营养素支持，营养必须从生产目的转移以支持免疫反应，而炎症介质会抑制食欲，进一步导致生产所需营养成分减少，并诱导宿主组织分解代谢，从而导致生产性能的下降[17]。AGP 能够在免疫细胞中富集并直接作用于免疫细胞，降低吞噬细胞的活性，降低炎症反应并减少炎症反应诱导产生的促炎细胞因子，限制免疫级联反应，减少免疫反应的能量消耗，并将其引导到生产中[18]。该理论回答了为什么亚治疗剂量（Sub-MIC）的AGP 在不具备抑菌能力的情况下却能够对肠道微生物、肠道形态和生产性能产生影响，且不与以往菌群理论所观察到的现象相冲突，因此具有较高可信度。

AGP也很可能既对宿主免疫有直接影响，又通过微生物区系产生间接影响[19]。因为胃肠道中微生物和宿主细胞通过代谢、免疫学和生理过程联系在一起，二者的共生关系使得很难将其分离成单独的实体，彼此的动态相互作用能够创造有利于某些细菌种类和宿主反应的微环境，而这个动态过程很可能有AGP的参与。

1.2.2 亚抑制理论

该理论认为AGP 的主要作用方式是通过改变肠道微生物组来介导[20]。Broom[21]指出，虽然AGP 在饲料中的浓度低于最小抑菌浓度（MIC），但仍可影响肠道微生物的生长曲线、致病因子的产生以及宿主防御的敏感性，从而对肠道微生物区系和机体免疫进行调控。AGP引起的细菌群落变化通过调节微生物群来创建更有效的系统，从而导致生长加快，这可能包括改变营养竞争、防止病原体定殖、选择特定有益菌种[22]。例如Sub-MIC 的头孢他啶能够抑制铜绿假单胞菌的运动和生物膜的形成，并降低它的黏附能力和感染能力[23]，非达霉素能够延缓艰难梭菌的生长[24]。

综上，免疫调节假说和亚抑制理论作为彼此的补充使我们更清楚地认识到AGP 在机体内有着复杂的作用方式，但主要的作用点着落在免疫调节和菌群调节两个大的方面。所以有效的抗生素替代品，它们应该具有良好的抗炎效果，并能对肠道微生物区系产生积极影响。

2 植物精油对家禽肠道健康的影响

2.1 对消化生理的影响

添加300～600 mg/kg牛至精油的饲料能显著降低肉鸡空肠的隐窝深度，提高绒毛高度与隐窝深度比[25]。添加200 mg/kg八角精油的饲料显著提高了肉鸡空肠的相对长度、相对重量以及十二指肠和空肠的绒毛高度，从而提高肉鸡的体增重和采食量[26]。含有50 mg/kg 精油共混物的日粮可以提高Cobb肉鸡小肠中氨肽酶-N（APN）、碱性磷酸酶（IAP）等消化酶的活性，增强碳水化合物和蛋白质的消化活性[27]。可见，植物精油可以通过调节肠道相关变量如增加消化道黏液的分泌、提高消化酶（如淀粉酶、蔗糖酶、脂肪酶、蛋白酶等）的活性、促进肠上皮的发育（绒毛高度、隐窝深度）等方式，促进家禽肠道黏膜发育，提高肠道对各种养分的消化吸收能力。

2.2 植物精油改善肠道健康机理

2.2.1 抗氧化作用

补充抗氧化剂来提高动物的抗氧化状态是改善动物健康和生产力的常用手段，肉鸡暴露在众多的应激原和密集饲养导致的高水平细胞新陈代谢，容易发生氧化还原失衡（氧化应激），造成氧化损伤，最终导致炎症反应，甚至肠道疾病，养殖生产中还伴随有食欲下降、生长速度降低和料重比升高等现象。植物精油是一种很好的抗氧化剂，它含有多种具有抗氧化活性成分，比如植物多酚、黄酮类物质都具有很强的抗氧化能力，能够有效地清除氧自由基[28]。

丙二醛(MDA)是脂质过氧化的终产物，其含量高低能反映动物机体氧化损伤程度。饲料中添加EO显著降低了注射LPS后肝脏MDA 的含量，表明EO可减少脂质过氧化终产物，降低机体氧化损伤程度，提高肝脏的抗氧化力[29]。抗氧化酶和抗氧化相关通路的变化也可以反映机体抗氧化能力的变化。饲料中添加400 mg/kg的姜黄根精油可显著提高肉鸡血清中谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）及超氧化物歧化酶（SOD）的浓度[30]，添加300 mg/kg肉桂醛可显著提高肉鸡血清中SOD 的活性[31]。Nrf2-ARE 信号通路是动物体内重要的抗氧化通路，许多物质都是通过这条来发挥抗氧化功能，五味子精油能通过激活Nrf2/HO-1途径增强细胞抗氧化防御能力，从而保护C2C12细胞免受H2O2诱导的氧化细胞毒性损伤[32]。综上，植物精油能减少脂质过氧化产物，降低动物机体氧化损伤，提高抗氧化酶的含量与活性或调节Nrf2/HO-1 途径控制抗氧化酶的基因表达，提高家禽的机体抗氧化能力。

2.2.2 抗炎作用

炎症反应的发生常伴随着吞噬细胞在炎症部位大量浸润，毛细血管炎症渗出和炎症介质大量产生，表现为肠壁增厚、肠道内容物黏稠、食欲下降、饲料利用率下降等，植物精油可通过多种途径发挥抗炎作用来改善肠道健康和生产性能。薰衣草精油处理的巨噬细胞在感染金黄色葡萄球菌后，显著下调了IL-1、IL-6、IL-10、TNF-α的mRNA 表达水平，同时提高了上调了HO-1的表达水平[33]。口服香芹酚能够下调罗斯肉鸡注射LPS 后TNF-α、IL-1β、IL-6、TLR4、NFκB p65和AVBD-9的表达水平上调[34]，表明植物精油能通过TLRs/NF-κB 信号通路来抑制促炎因子的表达。孜然精油能够阻断LPS 诱导的NF-κB p65 的转录表达，同时抑制NF-κB 激酶抑制剂(IKK)的表达来抑制NF-κB-inducingkinase 磷酸化激活，从而抑制巨噬细胞RAW 264.7 中诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧合酶(COX-2)的表达以及IL-1 和IL-6 的产生[35]。百里香酚能阻断LPS 刺激的小鼠乳腺细胞中IκBα、NF-κB p65、ERK、JNK 和p38 丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的磷酸化，从而抑制促炎细胞因子的产生以及iNOS 和COX-2 的表达[36]。综上，植物精油不仅能直接调节炎性因子和炎性介质的产生，还可以通过影响TLRs/NF-κB、IKK/IκBα/NF-κB p65、MAPK 等信号途径来间接调控动物的炎症反应，发挥良好的抗炎作用。此外，EO 还能作用于免疫细胞和免疫基因来调节炎症反应。例如丁香酚可以抑制前列腺素的合成和嗜中性粒细胞/巨噬细胞的趋化性[37]，降低致病性细菌感染后胃肠道中嗜中性粒细胞和巨噬细胞的聚集，减少胃肠道黏膜的局部炎症。EO还可能影响与刺激和抗原加工、递呈相关的基因表达，虽然关于EO调控相关基因的报道不多，但在油树脂（oleoresin,OR）的相关实验结果都发现了这一现象，辣椒油树脂能够下调仔猪肠道多种免疫调节基因（TNFRSF1A、SLADRB1、B2M等）的表达[38]。

2.2.3 对肠道微生物的调节

肠道菌群是肠道黏膜屏障的重要组成部分，肠道菌群失调会引起家禽腹泻、免疫力低下，甚至引发全身炎性反应综合症。植物精油对于肠道微生物区系有着复杂的调节作用，肠道菌群也是植物精油的重要作用对象。添加4 mL/L 薰衣草精油的饲料使肉鸡肠道中的大肠杆菌数量显著下降，同时提高了乳酸菌、双歧杆菌等益生菌的数量[39]；饲料中添加300 mg/kg 的精油共混物，可增加肉鸡回肠中卷曲乳杆菌和能动乳杆菌的数量，减少唾液乳杆菌和约氏乳酸杆菌和产气荚膜梭菌的数量，降低坏死性肠炎带来的肠道损伤[40]；肉鸡饲料中添加Enviva精油或牛至精油都可以不同程度上降低盲肠大肠杆菌、总需氧菌群和乳糖阴性肠杆菌等有害菌的数量[41]。综上，植物精油能通过促进肠道有益菌生长、抑制有害菌生长，改善肠道菌群平衡，维持肠道功能和稳态。

2.3 植物精油使用效果的影响因素

近年来，植物精油在畜禽生产上的应用研究取得了一定的进展，但在动物生产上的应用效果还未有定论，这主要是由于不同的研究中所采用的实验条件有一定差异，其中影响植物精油使用效果的主要因素是植物精油的组成和植物精油的添加剂量。不仅不同种类的精油其组分差异很大，即使同种植物精油的组分也具有高度可变性，不同植物部位、不同季节、产地的植物精油其组分都大不相同[37]。目前已知牛至精油的主要活性物质是香芹酚和百里香酚，二者占牛至精油总成分的80%[42]，肉桂醛精油的主要成分肉桂醛占其总精油的75%[43]。虽然百里香酚、香芹酚和肉桂醛的主要抑菌机制都是干扰细菌酶系统、损伤细胞结构，导致胞质成分大量泄露[44]，但根据柴向华等[45]的研究，肉桂精油对于食品中常见有害微生物的抑菌活性要显著高于牛至精油。Han 等[46]研究发现，牛至根茎部分的精油中香芹酚和百里香酚很少（4.35%），远低于地上的叶-花部分(49.54%)，然而两部分精油的抗氧化能力相近，这表明根油的抗氧化能力不仅仅取决于酚类化合物的含量，还与其他成分相关。

精油的添加剂量不仅是影响其使用效果的重要因素，也是重要的经济参数。香芹酚对肉鸡的生长性能和肠屏障功能的积极作用与剂量有关，300 μL 或400 μL的给药量比200 μL的给药量更有效[47]。而添加剂量也并非越高效果越好，添加150 mg/kg 植物精油对蛋鸡的蛋重及蛋白品质的改善作用显著高于添加75 mg/kg 或225 mg/kg 的植物精油[48]。因此，探究合理的添加剂量对于精油的应用是十分重要的。

3 展望

综上所述，植物精油种类丰富、含有多种活性成分，对于家禽的肠道发育、消化生理、肠道免疫和微生物区系调节方面都具有良好的改善作用，在以肠道健康为主题的后抗生素时代，是一种潜力巨大的抗生素替代品。近年来，国内外关于植物精油的研究成果快速增长，人们在如何将植物精油应用在动物生产上做了很多工作，也获得了很多成果。但随着研究的深入也发现，由于植物精油的组分具有高度变化性，因此对于涉及实际应用和产品稳定的饲料添加剂开发而言，迫切需要对其进行标准化，而人工合成或提取天然物质中的特定活性成分是比较理想的选择。因此，未来应加大对植物精油特定活性成分功能及其协同作用的研究，从分子和细胞角度阐明其作用机制，为产业化应用提供理论依据。