植物提取物在家禽和猪生产中的应用研究进展

李 鹏，高铭坤，呙于明

（中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193）

在饲料无抗的推进过程中，业界通过改进饲养管理条件、选优繁育、优化免疫程序、改进饲料配方技术、合理使用饲料添加剂等手段来改善畜禽生产水平和健康状况[1]。目前，学者们试图寻找安全、高效的饲料添加剂产品及利用饲料添加剂之间的配伍作用替代抗生素的功能[2-3]。植物提取物（Plant Extracts，PE）作为一种绿色、安全的饲料添加剂，在改善畜禽生产性能与肠道健康等方面的作用可以替代抗生素的部分功能。PE 的种类较多，大致可分为黄酮类、精油类、生物碱、多酚、多糖、皂苷类等。PE 对畜禽的生物学作用主要为抗氧化、调节免疫、改善肠道菌群结构、抗炎、抗病毒等[4]，但PE 发挥生物学作用的途径尚需进一步挖掘。笔者认为，PE 的精准使用需对其本身的化学结构特性、作用剂量、PE 与肠道菌群的互作关系等进行全面评估。为此，本文综述了PE 的分类及其对猪和家禽的作用机理，并对未来PE 在畜禽生产中的研究与运用策略进行了展望，以期为PE 在家禽和猪生产中的精准使用提供思路。

1 PE 的作用机制

1.1 抗氧化 氧化应激是细胞或组织的氧化和抗氧化系统之间的不平衡，氧化自由基和相关活性氧（ROS）的大量产生进而造成的一种应激反应。日粮中过高的脂肪或碳水化合物水平、机体的炎症状态等都易导致机体过氧化产物的产生，如丙二醛（MDA）、髓过氧化物酶（MPO）等[5]。氧化应激往往影响畜禽的肉品质、蛋鸡的产蛋率、肠道健康等，最终直接导致养殖户的经济损失。Kelch 样相关蛋白-1（Keap-1）-Nrf-2 信号通路被认为是细胞缓解氧化应激损伤的重要途径之一[6]。研究报道，茶多酚通过调节Keap-1-Nrf-2 通路，提高抗氧化酶的表达，进而改善机体抗氧化功能[7]。植物皂苷和白藜芦醇可通过提高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的含量，降低MDA 的水平来改善鸡的抗氧化功能[8-9]。除上述抗氧化途径外，部分PE 自身的化学结构特性也有助于改善畜禽的抗氧化功能。有报道称，部分多酚、多糖类物质一方面通过抑制蛋白激酶C 的活性，抑制氧自由基的产生；另一方面其自身的酚羟基、糖基侧链等结构可中和过氧阴离子进而发挥抗氧化作用[10]。

1.2 调节免疫 畜禽的免疫系统包含3 道屏障。第一道屏障以皮肤、黏膜及其分泌液组成；第二道屏障以固有免疫细胞（包括单核/巨噬细胞、树突状细胞等）、固有免疫活性分子（如溶菌酶、补体、防御素、细胞因子等）构成；第三道屏障由免疫器官和免疫细胞借助于血液和淋巴循环系统形成[11]。免疫系统无时无刻不行使着免疫监视、防御和自稳的职责。细胞因子在调节机体免疫稳态的过程中发挥重要作用。有学者认为，促炎因子[如白细胞介素1β（IL-1β）、白细胞介素6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）]的适度表达会激活机体的免疫系统，这有助于畜禽抵抗病原微生物的感染；然而促炎因子过度表达会引起机体炎症反应[12]。抗炎因子[如IL-4、IL-10、转化生长因子β（TGF-β）等] 参与免疫耐受和抗体合成，但抗炎因子的过度表达会导致机体疾病易感[13]。抗炎与促炎细胞因子的协同表达维持机体的免疫稳态。免疫稳态一旦被打破，畜禽将对疾病易感，这直接造成畜牧业巨大的经济损失。大部分PE 通过改善上述3 道免疫屏障，调节畜禽的免疫功能。以黄酮类为例，日粮中添加300、400 mg/kg 姜黄素可促进肠道紧密连接蛋白（ZO-1、Claudin-1 等）的表达，提高肠道杯状细胞数量、sIgA 含量及血清IL-4、IL-10 等水平，改善断奶仔猪免疫功能[14-15]。日粮中添加25 mg/kg 槲皮素通过调节TLR4-NF-κB 途径，抑制IL-1β、TNF-α等表达，降低血清内毒素的水平，缓解脂多糖（LPS）诱导的仔猪肠道损伤[16]。有学者发现，种鸡日粮中添加20 mg/kg 大豆异黄酮通过刺激B 细胞的增殖，提高血清IgG、IL-4 等水平，改善种鸡及其子代的免疫功能[17]。一些PE 与疫苗联合使用可以提高疫苗的免疫效价，如止痢草提取物对球虫疫苗、大豆皂苷对新城疫疫苗免疫效价具有改善作用[18]。

1.3 改善肠道菌群结构 肠道菌群在维持肠道健康过程中扮演着极其重要的角色。有学者认为，肠道细菌通过调节营养物质的吸收与转运、激素分泌等肠道生理机能，进而与大脑形成连接回路，影响机体的情绪、行为等[19]。肠道菌群对肠道免疫机能的影响最为直接。研究表明，肠道80% 的免疫反应都是由肠道菌群诱导的，肠道菌群参与塑造和指导宿主局部和系统的免疫发育[20]。PE调节肠道菌群的途径一般以抑制有害菌的生长、促进有益菌的增殖为主。PE 的抑菌机制一般可归纳为以下几类。其一，抑制细菌细胞壁肽聚糖的形成，如千金藤提取物的抗菌机制主要是通过抑制细菌肽聚糖的合成[21]。其二，改变细菌细胞膜的结构以改变细胞膜内外的渗透压。研究表明，牛至提取物通过改变细胞膜的通透性，抑制金黄色葡萄球菌与绿脓杆菌增殖[22]；香芹酚因其具有芳香族的化学结构特性，表现出对细菌细胞膜磷脂分子层的亲脂特性，抑制病原菌[23]。其三，改变细菌细胞质内蛋白的结构、使细菌细胞质凝聚等途径抑制病原菌[24]。其四，通过抑制细菌三羧酸循环，引起细菌能量代谢受阻，裂解细菌DNA、抑制其扩增等[25]。PE可促进有益菌增殖，一方面在于其抑制有害菌的增殖，有助于有益菌发展为优势菌群；另一方面肠道菌群代谢PE 的产物可作为有益菌的能源物质。如香菇多糖被肠道菌群代谢产生挥发性脂肪酸，促进乳酸菌、双歧杆菌等生长[26]。

1.4 改善胃肠道消化、吸收功能 PE 改善畜禽肠道消化、吸收功能的途径主要包括：促进内源消化酶（如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶）分泌；为小肠上皮细胞提供能源物质[如短链脂肪酸（SCFAs）]；调节肠道上皮细胞营养物质转运载体的表达等。研究发现，辣椒素、胡椒碱、植物精油、丝兰提取物等均可提高蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的分泌[28]，这些物质被肠道菌群代谢的产物（如SCFAs）一般呈酸性，有助于降低胃肠道pH，改善消化酶的活性[27-28]。大部植物多糖可被肠道菌群代谢产生SCFAs，以促进小肠上皮细胞对营养物质的吸收。如肉桂油具有改善肠道钠/ 葡萄糖协同转运蛋白 1、2（SLC5A1、SLC2A2）基因转录的作用[29]。

1.5 抗炎、抗病毒 PE 抗炎的途径多种多样，主要包括花生四烯酸途径、细胞因子及其受体途径、血栓素及前列腺素（COX）的形成途径等。此外，PE 还作用于下丘脑体温调节中枢以缓解热应激对机体的负面影响[30]。多种植物黄酮被证实具有改善机体炎症的作用。PE 抗病毒的机制一是通过调节I-型干扰素信号通路，促进抗病毒基因和蛋白的转录和表达，抑制病毒的增殖；另一种是通过促进畜禽B 细胞的成熟，分泌抗体杀灭病毒。研究发现，鱼腥草、马德兰提取物类黄酮具有较好的抗禽流感病毒作用[31-32]。Wu 等[33]发现，葛根素通过调控I-型干扰素信号通路发挥抗猪流行性腹泻病毒（PEDV）的作用。

PE 除上述作用途径外，还具有改善畜禽代谢、降低家禽尿酸和尿素氮、降低排泄物中氨气以改善饲养环境条件等作用[34]。笔者整理绘制了已报道的PE 生物学作用机制，见图1。自然界中PE 种类繁多、功效各异，其更多的生物学作用机制亟待进一步挖掘。

图1 植物提取物生物学作用机制汇总（并不代表所有的提取物均具有上述各功能）

2 PE 的分类及其对猪和家禽的生物学作用

2.1 植物黄酮类 植物黄酮类提取物是一类以2-苯基色原酮为基础单元的物质的统称。植物黄酮类提取物包括黄酮类、异黄酮类、黄酮醇类及黄烷酮类等[32]。在畜牧领域黄酮类物质被证实具有改善畜禽生产性能、提高免疫力、抗炎等作用。在猪上的研究发现，日粮中添加大豆异黄酮和染料木黄酮可改善断奶仔猪的肠道健康状况[35-36]；Cui 等[37]发现，苦荞黄酮和藤茶黄酮具有改善仔猪平均日增重（ADG）和平均日采食量（ADFI）的作用，当它们与一些益生菌联合使用时效果更佳；Choy 等[38]认为，原花青素通过提高母猪结肠中毛螺菌科、乳杆菌和瘤胃球菌科的相对丰度改善母猪肠道健康。在家禽生产中，Fan 等[17]发现，种鸡日粮中添加20 mg/kg 大豆异黄酮可改善种鸡的免疫功能，并且种鸡免疫功能的改善可遗传给子代；日粮中添加15～60 mg/kg大豆异黄酮和染料木黄酮可提高蛋鸡的产蛋性能[39-40]。另有学者发现，日粮中添加50 mg/kg 大豆苷元可显著提高鸡卵巢组织中的卵泡刺激素受体（FSHR）的表达，但剂量超过100 mg/kg 时FSHR的表达被抑制[41]。在体外试验中发现，没食子酸和原花青素等一些植物黄酮可中和金黄色葡萄球菌和致病性大肠杆菌内毒素[42-43]。另有报道证实，植物黄酮可诱导肿瘤细胞凋亡等[44]。黄酮类PE 种类繁多，大部分已被证实具有抗氧化、抑菌、抗炎、调节免疫、改善肠道菌群结构、促生长等生物学作用[35-38]。但其具体的生物学作用机制有待深入挖掘，黄酮类提取物与肠道菌群的互作机制可以作为一个研究角度。

2.2 植物精油类 植物精油是从植物中提取得到的一类含芳香气味的油性分子，广泛应用于化妆品、食品、医药等领域。植物精油具有抗氧化、促生长、调节免疫、抑菌、抗炎等作用。在畜禽研究领域，常见的植物精油包括牛至油、百里香油、肉桂油等。在猪方面的研究显示，日粮中添加25 mg/kg 牛至油可改善肥育猪空肠屏障功能[45]；肉桂油和复合植物精油（香芹酚与百里香酚按照1:1 混合）可改善断奶仔猪的抗氧化和免疫功能[46-47]。此外，辣椒油、橄榄油、姜黄油、茶树油等也具有缓解断奶仔猪腹泻、改善肠道屏障等作用[48-49]。在家禽方面，给肉鸡日粮中添加100 mg/kg 牛至油、300 mg/kg 肉桂油、400 mg/kg 姜黄油可通过调节Nrf-2-ARE 通路，提高SOD、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH）等抗氧化酶的含量，降低MDA 水平，改善肉鸡抗氧化功能[50-52]；日粮中添加薰衣草精油、香芹酚、孜然精油可以缓解LPS诱导的肉鸡促炎因子（如IL-1β、IL-6、TNF-α）的升高，缓解肉鸡炎症反应[53-54]。但Botsoglou 等[55]在日粮中添加50～100 mg/kg 牛至油对肉鸡生产性能、免疫性能等无影响。植物精油化学成分复杂，探明其中的主要活性成分对其应用于饲料及畜禽生产具有重大意义。由于植物精油具有油性、气味大等特点，其在饲料中的使用也需要考虑采用包被、包埋技术等。另外，确定精油的最适宜添加剂量也是合理使用植物精油的关键。

2.3 植物多糖 植物多糖是一类由糖苷键将醛糖和酮糖连接而成的高分子化合物，具有促进动物生长、抗氧化、抗病毒、调节免疫等多种生物学作用。在猪研究领域，有学者发现在断奶仔猪日粮中添加800 mg/kg 黄芪多糖可改善仔猪肠道屏障功能和腹泻率[56]；香菇多糖通过调节肠道菌群结构，上调小肠上皮细胞紧密连接蛋白的表达，进而改善仔猪肠道健康[26]。在家禽研究领域，有学者给鸡胚注射黄芪多糖以改善肉鸡21 日龄时肠道的屏障和免疫功能[57]；日粮中添加800 mg/kg 黄芪多糖和1g/kg 刺五加多糖可改善鸡只肠道菌群结构，改善其生产性能及免疫功能[58-59]。相较于植物黄酮与植物精油，植物多糖在畜禽生产中的研究较少。关于多糖类的研究大部分集中在体外细胞与鼠上，如体外研究发现绿藻多糖可抑制流感病毒的增殖[60]。植物多糖在医药领域的研究较多，其在畜牧行业的使用具有较大潜力。

2.4 生物碱类 生物碱是PE 分子结构中含氮的一类物质。生物碱在畜禽生产中的生物学作用机制尚不清楚。现有研究表明，生物碱通过抑制病原菌的增殖，在调节畜禽肠道健康方面具有积极作用[61-65]。猪上的研究表明，50 mg/kg 血根碱对断奶仔猪肠道形态结构及免疫功能的改善作用与金霉素基本一致[61]。另有学者发现苦参碱通过抑制病原菌的增殖改善猪的腹泻[62]。在家禽方面，可能由于家禽种属之间的差异，甜菜碱可改善肉鸡的肠道发育，而非肉鸭[63]。有学者基于球虫感染模型，发现甜菜碱可减少肉鸡肠道中球虫的数量以缓解肠道炎症反应[64-65]，这可能与甜菜碱调节肠道菌群进而调控肠道内环境有关。Chen 等[66]发现甜菜碱可提高肉鸡抗氧化功能、改善肉品质，然而Wen 等[67]却认为甜菜碱对肉鸡的氧化应激无显著改善作用。这些研究结果不一致可能与热应激的时间、鸡的品种有关。生物碱在畜禽生产中的研究较少，其作用机制也不明确。现有的一些报道都是基于生物碱调节肠道菌群的研究，生物碱对畜禽生产性能的影响鲜有报道。

2.5 其他 除植物黄酮外，植物多酚类物质还包括单宁、酚酸类物质等。Gan 等[14]报道，300 mg/kg 白藜芦醇通过改善肠道的抗氧化功能，抑制肠道炎性因子的释放，缓解仔猪断奶应激。另有学者发现，单宁酸通过上调仔猪空肠乳酸菌的丰度，进而提高丁酸的产量，改善肠道屏障及免疫功能[68]。皂苷类物质在畜禽生产中的研究报道有限，有学者给肉鸡口服5 mg/kg 大豆皂甙可提高肉鸡血清中新城疫疫苗的抗体水平[18]。

3 PE 在畜禽生产中的应用展望

目前，PE 中的黄酮类、精油类、多糖类在畜禽生产中报道较多，但作用机制有待进一步明确。生物碱、酚酸类、皂苷类物质及单宁酸等鲜有报道。其原因一方面可能在于业界对其认识还未及时转变，譬如单宁酸、皂甙等在传统的动物营养学观念里被视为抗营养因子，然而它们在医学上显示出较好的免疫调节、抗氧化等作用。另一方面可能与这些物质发挥生物学作用依赖于肠道菌群的调控相关。关于PE 在畜禽生产中的应用笔者有如下思考。

3.1 开发现有物质的筛选策略，挖掘新型PE 目前已知的PE 种类繁多，但其对畜禽的生物学作用报道有限。盲目地进行体内试验筛选耗时耗力，开发PE 体外筛选策略对PE 的在体研究意义较大。笔者认为可根据提取物本身特点（如特殊的生物活性基团、肠道上皮细胞吸收效率等），采用高通量培养组学、体外细胞试验等技术进行研究；明确该类提取物发挥生物学作用的初步机制，为后续开发具备生物活性提取物的产品，或采用益生菌产品与提取物复配使用等提供理论支撑。

潜在的PE 举不胜举，开发新型PE 任重道远但意义重大。对于新型PE 的开发，笔者认为以中草药为契入点，注意民间采风可能较为合适。如医学上青蒿素的开发、畜牧行业刺五加提取物、天蚕毒素的使用等都在民间有据可循。另外，开发新型PE 的原材料在未来也可能作为新型饲料原料。对于现有的PE 及未来开发的新型PE，可根据提取物的主要活性成分，改良植物培育技术、改进活性成分的提取加工工艺等，为其在畜牧、食品或者医药等行业的应用提供一定的理论基础。开发PE 的初步思路如图2 示。

图2 植物提取物从原料到商业产品的流程描述

3.2 合理使用新技术、方法，探明PE 的作用机制 大多数PE 的作用途径目前尚不清晰，笔者大致总结了以下3 个可能的途径。首先，提取物本身具备酚羟基、糖基侧链等生物活性官能团，这些PE 自身即可发挥生物学作用；其二，提取物通过调节肠道菌群结构，被改善的肠道菌群发挥生物学作用；其三，提取物被肠道菌群代谢产生一些生物活性物质，这些物质发挥生物学作用。有的提取物作用途径可能基于上述一种或多种。基于上述3 个途径，肠道菌群可能在PE 对畜禽发挥生物学作用的途径中发挥重要作用。一些报道发现PE 通过改善肠道菌群结构，或通过肠道菌群与其互作等途径来发挥生物学作用，如白芍总苷、猴头菇多糖、花青素、黄柏酮、绿茶多酚、茶褐素等[69-74]。因此，探明PE 与肠道菌群的互作机制有助于其在生产中的运用。

PE 的3 个作用途径整理见图3。一些试验技术（如细胞试验、抑菌试验、粪菌移植等）、动物模型（如无菌动物、SPF 动物、抗生素处理肠道菌群紊乱模型等）可作为探明PE 与菌群互作关系的思路。此外，新一代测序技术的发展与应用对探明PE 的作用机制不可或缺。未来的研究可基于宏基因组、代谢组、转录组、蛋白组等手段，探究特定细菌与PE 的互作关系、PE 调节机体的生物学作用途径等。

图3 植物提取物对畜禽发挥生物学作用的途径描述

3.3 明确提取物的生物学作用差异，合理搭配不同添加剂共同使用 一些PE（如生物碱类、皂苷类等）可能无法改善畜禽生产性能，但可以调节免疫功能。在生产中可以将生物碱类、皂苷类等提取物与能改善生产性能的添加剂联合使用。生产中还可以采用其他的复配组合，如生物碱与黄酮类、植物精油类复配，PE 与酶制剂、益生菌等添加剂复配使用等。此外，PE 的使用需要进行成本评估，确保选择性价比高的提取物或复配方式等。