饲用天然植物功能组分新产品创制的关键要素分析

■赵玉超 蒋林树

（北京农学院动物科学技术学院，奶牛营养学北京市重点实验室，北京102206）

天然植物中含有酚类、多糖、生物碱、挥发油、苷类和有机酸等多种功能组分。动物营养学研究表明，日粮中添加这些植物提取物或功能组分，能够调节机体免疫、促进动物生长等，被认为是天然的抗生素替代饲料添加剂。农业农村部宣布自2020 年1 月1 日起，退出除中药外的所有促生长类药物添加剂品种，且改革和完善了天然植物原料进入饲料原料目录的审批流程，这为天然植物功能组分开发与应用带来了新的机遇。

植物功能组分虽来源广泛，但其含量和种类，受季节、地域、植物部位及制备工艺变化影响较大，导致同种植物同部位的提取物含有的功能组分、化学结构和分子量差异明显，造成其在动物体内代谢途径不一致，进而影响了试验结果的比较及产品的推广利用。因此，文章综述了饲用天然植物功能组分新产品创制需要注重的几个关键要素，旨在为建立新产品安全性和有效性的评价体系，为深入开展天然植物功能组分饲用与机理研究提供参考。

1 我国饲用天然植物功能组分产品创制的现状

天然植物功能组分产品，又名植物提取物产品，是以植物为原料，经过物理化学提取分离过程，定向获取或富集植物中某一种或多种有效成分，而不改变其有效成分结构而形成的产品。随着植物活性物质在畜禽养殖上的潜在功效不断被人们所认识，饲用天然植物功能组分产品的开发应用成为了未来畜牧业发展的重要方向之一。

2012年，《饲料和饲料添加剂管理条例》经国务院公布修订后，农业农村部制定发布了配套规章和规范性文件，其中在《饲料原料目录》中，列出了药食同源的饲用天然植物117种；在《饲料添加剂品种目录》中，列出了杜仲叶提取物等12种植物提取物产品。这些原料或添加剂产品具有改善畜禽肠道健康、增强动物免疫机能等生理功能，将不同程度地填补促生长药物饲料添加剂退出后的技术空白。此外，自2020年开始，农业农村部从提供审批事前咨询服务、减少新产品评审材料要求、针对性地制定评审要求、优化评审工作流程和增加评价试验机构等方面建立了天然植物产品审批绿色通道，加快新产品审批速度，从政策角度鼓励饲用天然植物功能组分新产品创制。天然植物功能组分制备与肉蛋奶品质提升技术已列入国家“十四五”重点研发计划——畜禽新品种培育与现代牧场科技创新重点专项实施方案的任务布局。

饲用天然植物功能组分新产品按照分离纯化程度，可以分为全提取物、组分提取物和纯化提取物。全提取物是天然植物材料经过提取、浓缩之后，未经分离纯化得到的含有多种功能组分类别的产品；组分提取物是植物粗提物经过分离后，可针对一种或多种组分的已知化合物进行定性定量分析的产品；纯化提取物是植物材料经过更严格的提取、分离纯化之后得到单一成分的产品，纯度一般不低于90%。

饲用天然植物功能组分产品的创制流程见图1。中关村中兽医药产业技术创新战略联盟制定的黄芪、甘草、金银花、绞股蓝等4个品种的干燥物、粉碎物和粗提物等12个团体标准已于2021年1月30日开始实施。但现有的可饲用植物提取物种类繁多，仍普遍缺乏国家标准和行业团体标准等。这导致许多企业在产品创制方面，只有企业标准。没有充足的标准可以参照，导致各个企业难以使用统一的方法对从植物源头进行规范化研发。天然植物中功能组分的组成和含量会因气候、温度、季节、土壤和其他因素而异，这些变异都让饲用新产品创制面临更大挑战。其次，检测指标的缺乏，导致生产的产品是否合格存在争议，进而影响到产品的销售。而在畜禽饲喂上的试验研究，多出现生理生化指标结果不一致或矛盾的现象，这进一步阻碍了植物功能组分在畜禽上的推广应用。

图1 饲用天然植物功能组分产品创制流程[Azmir等（2013）]

2 原材料标准化

Šimpraga等（2016）将植物称为“化学工厂”，同一物种的不同植物提取物在动物体内会产生不同的生理和病理反应，主要就在于植物次级代谢物的复杂性和变异性。植物生长的地理区域、气候、环境应激、生长和收获期等，这些因素中的每一个都会对天然植物的化学成分产生影响。为了保证最终产品的质量和功效，天然植物功能组分原材料的标准化是新产品创制的必然要求，这是能否生产合格产品的第一步，也是至关重要的一步。原材料的采收季节、采收部位、加工方式及贮藏条件与制备产品的内在质量有直接关系。因此，对植物材料的采收季节、采收部位、加工方式、贮存条件等制定简便的标准操作规程，是非常有必要的。

首要的影响因素是植物材料的基源，也就是遗传因素。由于植物同物异名、同名异物等原因，导致提取物市场品种混乱。而在试验研究方面，国内动物营养学界对植物来源缺乏关注，往往只说明了“种”或“属”的提取物，缺乏拉丁学名进行有效辨识，在与国际相关研究比较时，往往证据并不充足。这方面可参考中药质量控制，国家药典标准及国家局（部）颁布的标准都要求“一名一物”。因此，饲用植物功能组分新产品创制的前提是必须确定原植物的科名、中文名及拉丁学名等。例如，不同的紫锥菊物种[Echinacea angustifoliaDC、Echinacea pallida(Nutt.) Nut、Echinacea purpurea(L.) Moenc]中含有的紫锥菊苷、醇酰胺、咖啡酸衍生物、黄酮类化合物和精油含量方面差异明显。

决定植物功能组分类别的首要因素是遗传，但各组分积累含量可能与环境因素关系更为密切。特别是地理因素，造成同一物种在不同产地的植物功能组分含量不同。例如，姜黄（Curcuma longaL.）是姜科的一种常见草本植物，其根茎具有较大的应用价值，但研究显示出不同地理来源的姜黄素含量和精油成分的差异显著。因此，新产品创制，必须考虑物种的最佳产地，确定不同产地下某植物功能组分的指纹图谱。其次，要考虑植物材料的采收时间。植物提取物产品应用的物质基础是其中含有的功能组分，而功能组分的质和量与植物原材料的采收时间（包括采收期和采收年限）关系密切。植物材料的生长发育期不同，其所含的功能组分含量差异较大。Chalchat等（2008）的一项研究表明，冬季采集的罗勒草（Ocimum basilicumL.）富含含氧单萜，而夏季采集的罗勒草富含倍半萜。因此，应根据有效成分积累规律和可采收率来综合确定最佳采收期。此外，植物采收部位也是一个考虑因素。如车前草的不同部位中含有不同种类和含量的多糖、多酚、环烯醚萜苷、咖啡酸衍生物、黄酮类化合物和生物碱。应确定植物不同采收部位中功能组分的含量变化规律，确定适宜的采收部位。

3 提取分离工艺优化

采用传统提取工艺如液液萃取、固相萃取和固相微萃取等面临的主要问题是萃取时间长（2～12 h），昂贵和高纯度的有机溶剂大量消耗，有机溶剂挥发，选择性低，热不稳定化合物分解等，不适合未来的饲用新产品创制。为了克服传统提取方法的局限性，新方法开始不断被探索应用，包括超声辅助萃取（UAE）、微波辅助萃取（MAE）、酶解辅助萃取（EAE）、脉冲电场辅助萃取（PEFAE）、超临界流体萃取（SFE）和加压液体萃取（PLE）等，被认为是绿色工艺。所有工艺都有其优点和缺点，提取技术的选择需要依据植物种类和目标化合物的种类来进行，这方面已经有大量综述（见图2）。尽管针对这些方法的研究已经有大量学术论文和专利，但工业上仍未能被广泛应用。因此，需要在工业应用的情景下，来优化这些新型绿色方法并提高其规模化生产的适应性。

图2 饲用天然植物功能组分提取与优化[Kumar等（2021）]

植物提取物可能包含数千种成分，要想富集某类或某种成分就必须进行分离纯化，通常需要结合多种分离技术，主要取决于待分离化合物的溶解性、挥发性和稳定性。粗提物可经大孔树脂、凝胶过滤、膜分离、重结晶法等进行纯化富集。如果需要制备纯化提取物产品，还应该采用快速柱色谱（FCC）、中压液相色谱（MPLC）、制备型液相色谱（Prep-HPLC）和高速逆流色谱（HSCCC）等进一步纯化。Sticher（2008）针对天然植物产物分离制备中的常用技术及其技术原理、溶剂体系选择和应用示例等进行了全面详细的阐述。Prep-HPLC 和HSCCC 是目前最重要和最常用的分离制备纯产物的方法，适合大批量制备。在过去的20年中，Prep-HPLC的使用已成为分离纯化天然植物功能组分的主要手段之一，且随着众多色谱柱和设备制造商的竞争，Prep-HPLC系统的相对成本有所下降，许多研究团队已经能够拥有并掌握Prep-HPLC 系统。HSCCC 是在逆流色谱的基础上进行了根本性的改进，分辨率、分离时间和上样量均有提高，可在数小时内高效分离多克数量的样品。另一方面，高效提取、分离和纯化方法的联合应用成为新趋势，如SFE/MAE与HSCCC 从天然植物中提取、分离和纯化得到的产物纯度可达到98%～99%。每一种方法都有优缺点，新产品创制之前，研发人员必须根据预期的天然产物的物理化学性质来评估合适的提取和分离方法，进行大量试验优化条件参数，以提高产品的得率或纯度。

4 产品质量控制

质量控制是评价植物功能组分产品创制能否合格的关键一环。针对植物功能组分产品多成分、多靶点复杂体系的特点，如何科学有效地评价其质量，是研究的热点问题。质量控制要求植物功能组分产品的特性、纯度和有效成分符合既定规格，且控制污染物，并在规定条件下制造、包装、贴标签和保存，防止掺假。

4.1 指纹图谱

指纹图谱是指植物材料经过制备后，采用现代仪器分析技术，通过图像、图形、光谱等图谱或数据反映天然植物中所含功能组分的种类和含量，是一种综合的、可量化的鉴别模式。其特点主要表现在两方面，一是整体性，能够全面反映植物化学成分的种类和含量，相比单一成分的定性定量，更能从整体上反映提取物的有效成分；二是稳定性和特征性，其将色谱图转化为数据，在缺乏标准品的情况仍可以对其成分进行鉴别，提供更加丰富和有用的信息，有效保证产品的质量稳定。

应用最广泛的是高效液相色谱（HPLC）和超高效液相色谱（UHPLC）连接光电二极管阵列检测器（PDA）、荧光检测器（FD）和质谱（MS）等，具有分辨率高、重复性好、效率高的特点。高分辨率质谱（HRMS）、带电气溶胶检测器（CAD）和蒸发光散射检测器（ELSD）常用于植物提取物的非靶向分析。此外，气相色谱（GC）结合火焰离子检测器（FID）和MS、超临界流体色谱（SFC）、超高效超临界流体色谱（UHPSFC）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和高效薄层色谱（HPTLC）也已被采用。

天然植物中功能组分的首选分析技术是HPLC结合PDA/UV 检测器，这可能是因为目前大多数实验室都比较成熟地建立了该方法。而UHPLC近年来也越来越普遍，FD、CAD、ELSD和最常见的MS等检测手段正在替代UV。虽然GC可用于挥发性物质的分析，但SFC及其增强形式UHPSFC更具应用前景。而SFC是一种强大的分析手段，在定性、定量方面有较大的选择范围，可实现传统LC 无法实现的异构化合物的分离，具有较好的应用前景。图3给出了各种分析技术及其检测方法在鉴定特定功能组分方面的适用性。指纹图谱的建立应该能包含大部分成分或指标性成分的全部，通过峰位顺序、比值等反映植物产地的特征性。此外，样本制备、分析过程和数据采集等都需要规范化操作，不同机构、不同操作人员重复的结果应在误差合理范围之内，以体现指纹图谱的稳定性。

图3 天然植物功能组分分析技术的适用性[Fibigr等（2018）]

4.2 一测多评

一测多评（QAMS）是另一种常用的质量评价模式，基于植物提取物中某一对照品的典型组分作为内标，同时对多个成分进行含量测定，建立该组分与其他待测组分之间的相对校正因子，其他组分则根据对照品的图谱确定色谱峰，进而采用相对校正因子计算其组分的含量。QAMS仅需测定内标的含量，就可以对多个组分定性定量，减少了检测时间，降低了检测成本。随着研究的深入，QAMS已经形成了较为成熟完善的科学评价体系，流程包括色谱的优化和验证、色谱稳定性评价、评估和验证QAMS的可行性，QAMS计算值与外标法实测值的相对标准偏差小于5%时，则可以准确评价天然植物功能组分产品质量。目前，QAMS 已成功用于党参、淫羊藿、黄连、黄芪、黄芩、连翘等多种中药材的质量评定。针对饲用天然植物提取物多成分、多靶点的特点，单一成分往往很难表达产品质量状况，多成分质量控制是未来趋势。饲用新产品在创制推广应用上必然要面临成本难题，而QAMS则可以有效解决对照品短缺问题，降低检测成本，适合在新产品创制中采用。

5 组分协同作用评价

天然植物功能组分的生物活性取决于其生物可及性和生物利用度，但动物肠道吸收某组分化合物之后可能导致其他组分的生物利用度发生变化，进而影响后者的生物活性。全提取物和组分提取物产品是多种植物化学物质的组合。通常认为，不同组分的代谢物可相互作用产生比单独化合物更强的生物活性，也称为组分的协同作用。此作用可能是调节多种途径、多种细胞和炎症标志物的结果。以姜黄素和胡椒碱组合的研究为例，在结肠和肝脏中，胡椒碱可抑制姜黄素在肝脏和肠道的葡萄糖醛酸化，增加姜黄素的生物利用度，同时肠道微生物菌群代谢这些化学物质，反过来也影响微生物组成，最终提高血液和组织中化合物的水平。

6 动物试验评价

由于植物提取物产品成分的复杂性和变异性，导致动物体内试验之间的相互比较存在较大问题。而动物试验研究中动物品种、动物数量、预饲时间和采样时间、添加剂量水平，以及试验条件、试验环境和牧场管理等，这些复杂因素让试验数据很难重复。因此，饲用天然植物功能组分的动物体内研究必须在试验动物数量、试验设计和数据分析的细节更加科学规范。相关部门应在动物试验设计和数据管理分析制定相关标准，在创新研究设计、基于新技术的数据管理方面不断接轨国际，满足饲用天然植物功能组分新产品创制的需求。其次动物摄入的植物功能组分产品要进行化学表征。而当前大多数研究都普遍缺乏这一关键数据，造成随后的指标结果不可比较。

除了评定常规的基础指标如营养物质消化、瘤胃发酵、免疫和抗氧化、生产性能和畜产品品质，未来饲用新产品的开发评估需要注重：①确定评估功能组分产品的等效性（即评估不同厂家或同一厂家的不同批次的同一种产品能否产生相同的生物效应的指标）的方法；②明确在畜禽体内发挥作用的活性成分和生物反应模式；③评估活性物质的吸收、分布、代谢和消除。最终目标是产生足够的高质量研究数据来支撑新产品应用的决策。

7 完善标准管理

医药上很多出版物规定了植物原料和简单成品的最低质量标准，其中包括欧洲药典、美国药典、中华人民共和国药典和中国香港本草标准等。这些高质量专著包含了单个植物药的特性、成分和含量、纯度和效果，列出了在良好生产规范（GMP）的关键工序。欧盟EMA、美国FDA、中国SFDA 相关药典和标准中对植物提取物质量标准的要求比较与分析见表1。

表1 欧盟EMA、美国FDA、中国SFDA关于植物提取物质量标准的对比

因此，参考植物药的标准，政府部门可制定宏观的法律法规、提取物标准用于监管所有饲用植物产品的创制。①健全标准项目，包括产品的基本项目即植物名称、产地、性状、鉴别、保质期、包装等，增加杂质检测、特征/指纹图谱，安全性指标即重金属、有害元素、黄曲霉素等，有效性指标即有效组分/特征主成分或类组分及其含量。②明确监管部门、评价试验机构、生产企业在标准实施中的地位、责任和义务。政府部门可约束企业严格执行GMP，对产品制造设施、掺假等行为进行监督，对新产品要求企业出具第三方评价试验机构报告。企业在原料选择、GMP执行和上市监督方面有义务遵守质量标准。③建立以企业为主体，高校、科研院所和行业协会共同参与的标准提高激励机制，各方在生产和科研方面应关注原料变更、工艺更新、检测数据变化等，不断提高新产品创制的标准水平。饲用天然植物功能组分产品标准和规范化生产体系的建立，将从硬件设备和软件技术各方面对企业提出更高要求，提高行业准入门槛，从而起到净化市场、规范企业行为，突破现阶段从动物试验研究到生产应用的瓶颈。

8 小结

为了充分发挥天然植物在无抗替抗背景下的优势，推动畜牧业高质量发展，饲用天然植物功能组分新产品必须采取标准化、规范化创制，以期能够有效且安全地调控动物生长与健康。完整的饲用植物功能组分产品创制应从植物基源、产地、采收加工、提取分离、功能组分定性定量、协同等相互作用评价、动物试验评定等多层次多要素把控产品质量。未来，政府部门、生产企业、科研单位应逐步联合建立饲用天然植物功能组分的质量标准，尤其是原料采收加工、提取和检验这三个重要环节，探索构建适合畜禽生产的新产品创制体系