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易丹, 侯永清：天然植物活性成分与猪肠道健康的研究进展

花匠小妙招
2024-09-17 04:48

易丹, 侯永清. 天然植物活性成分与猪肠道健康的研究进展[J]. 动物营养学报, 2020, 32(10): 4518-4524

天然植物活性成分与猪肠道健康的研究进展

易丹 , 侯永清

摘要: 肠道健康问题仍是制约养猪业快速发展的一大难题。天然植物活性成分（NPBCs）由于残留少、耐药性和毒副作用小、安全性高等优点受到养猪业广泛关注，可提高生猪肠道健康水平和生产性能。本文通过综述NPBCs对猪肠道形态结构、消化吸收能力、屏障功能、抗氧化功能、免疫功能和菌落结构的影响，并提出了尚需要进一步研究的问题，以期为NPBCs在养猪生产上的应用提供参考。

关键词: 天然植物活性成分猪肠道健康屏障功能

当前，肠道健康问题仍是制约养猪业快速发展的一大难题。传统的饲用抗生素由于残留性和耐药性问题已被大多数国家禁用。天然植物活性成分(natural plant bioactive compounds，NPBCs)由于残留少、耐药性和毒副作用小、安全性高等优点受到养猪业广泛关注。NPBCs通常指植物化学物质、植物营养素或植物次生代谢物等 [ 1] ，主要包括植物精油、黄酮、多酚、多糖、生物碱、皂甙、单宁、有机酸等物质 [ 2] 。研究表明，NPBCs具有抗氧化、抗菌、抗应激、调节免疫、促生长等功能 [ 3] ，被认为是饲用抗生素的理想替代品。有关NPBCs对猪肠道功能的影响研究比较多，但相关研究资料比较零散，且NPBCs种类繁多、成分复杂，存在作用机制不清楚、效果不稳定等问题。为此，笔者在充分查阅了NPBCs对猪肠道功能影响的相关文献基础上，结合自己的研究发现，综述了NPBCs对猪肠道健康的研究进展，以期为NPBCs在养猪生产上的应用提供参考。

1 植物精油

植物精油是从植物提取和分离得到的含芳香分子的油状物质，在食品、医药和化妆品行业应用广泛。植物精油种类多、成分复杂，包括萜烯类、芳香类、脂肪类、含氮含硫类等化合物，具有易挥发、不稳定、不溶于水、含有特殊气味等特点 [ 4] 。大量研究表明，植物精油可促进仔猪生长、降低腹泻 [ 5- 8] ，这主要与植物精油的促进激素分泌、抗菌、抗氧化、免疫调节等功能相关。在调控肠道健康方面，植物精油通过增强屏障与抗氧化功能、改善肠道组织形态和消化吸收功能、调节免疫与菌群结构等途径维护仔猪肠道健康。Zou等 [ 9] 研究表明，给72 kg猪饲喂25 mg/kg牛至油(含81%香芹酚)4周后，血清内毒素含量和肠道核因子-κB(NF-κB)p65蛋白含量显著降低，而空肠绒毛高度及紧密连接蛋白[闭锁蛋白(occludin)和紧密连接蛋白-1(ZO-1)]的蛋白表达显著增加，表明牛至油可提高猪肠道的屏障功能。饲喂香芹酚和百里香酚按1 : 1组成的复合精油减少了断奶仔猪腹泻率和肿瘤坏死因子-α( TNF -α)基因表达，但提高了肠 occludin 基因表达、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性、绒毛高度和绒隐比 [ 4, 10] 。肉桂油(主要成分肉桂醛)是另一种对猪肠道功能具有明显改善作用的植物精油，对猪源产肠毒素大肠杆菌K88和霍乱沙门菌A72的最小抑菌质量浓度(MIC)为400~800 μL/L [ 11] ，可降低仔猪腹泻率，提高肠道抗氧化能力和Ras及闭合蛋白-1(claudin-1)的蛋白表达 [ 8, 12] 。在调节肠道免疫功能方面，肉桂油有降低细胞因子表达的趋势，提高CD19、养分转运载体[钠/葡萄糖协同转运蛋白1( SLC5A 1)、钠/葡萄糖协同转运蛋白2( SLC2A 2)]的基因表达及离子转运 [ 7, 13] 。通过将肉桂醛和百里香酚复合(1 : 1)饲喂仔猪(50 mg/kg)，腹泻率、回肠巨噬细胞和Peyer结的密度及白细胞介素-1α( IL -1 α )基因表达量均显著降低 [ 14- 15] 。此外，大蒜提取物、姜黄油、辣椒油、茶树油、橄榄油等其他植物精油也可降低仔猪腹泻，改善肠道屏障功能和吸收功能 [ 5- 6, 16- 17] 。多种植物精油的复合也可改善肠道组织形态 [ 18] ，调节猪肠道免疫功能 [ 19- 20] 。需要特别指出的是，植物精油对猪肠道功能的作用效果并不完全等同于其主要活性成分。笔者所在研究团队前期发现，将百里香酚、香芹酚和肉桂醛按1 : 1 : 1比例配制成的复合物虽然降低了仔猪的腹泻率，但与天然植物精油(肉桂油、牛至油和百里香油)相比，精油主要成分复合物使脂多糖刺激仔猪的死亡率显著增加(+12.5%) [ 11] ，这可能与这些天然精油的主要活性成分的毒副作用有关。因此，植物精油复杂的组分具有多靶点效应、互补与互作效应，可减弱或中和其对机体的毒副作用 [ 21] 。

植物精油改善肠道健康的另一个重要机制与其抑菌作用相关。通常认为，植物精油抑菌作用主要与其所含的活性成分相关，如香芹酚、百里香酚、丁香酚、肉桂醛、倍半萜、芳樟醇、柠檬醛等物质，这些活性成分抑菌的主要机理包括：改变菌体细胞膜结构和新陈代谢、增加细胞膜渗透性、加剧细胞内容物流失、抑制细菌毒力因子表达、降低生物能量和细菌黏附能力 [ 2, 21- 22] 。研究表明，饲粮中添加牛至油、肉桂油、香芹酚与肉桂醛复合物、刺五加精油等均可降低肠道大肠杆菌数量，提高有益菌数量 [ 8, 14, 23- 25] 。香芹酚与百里香酚复合物、茶树油还可增加肠道微生物菌群丰度及多样性，影响肠道厚壁菌门和拟杆菌门数量，提高肠道菌群丁酸盐和丙酸盐代谢功能 [ 4, 6] 。随着肠道微生物菌群的改变，其代谢物(如挥发性脂肪酸、支链氨基酸等)也随着发生变化，进而影响肠道健康。扶雄锋 [ 4] 通过16S rRNA基因测序和代谢组学技术，发现断奶仔猪饲粮中添加500 mg/kg复合植物精油(含7.5%香芹酚和7.5%百里香酚)可提高结肠厚壁菌门、乳杆菌目、巨型球菌属和链球菌属相对丰度，这与缬氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、N-甲基- DL- 丙氨酸等代谢产物的含量呈正相关。张玲玲等 [ 26] 通过给仔猪饲喂含1 000 mg/kg植物精油(15%肉桂醛和5%百里香酚)降低了粪便大肠杆菌数量、氨态氮含量及脲酶活性，提高了仔猪生长性能。

2 黄酮类

黄酮类植物活性成分是一类以黄酮(2-苯基色原酮)为母核结构而衍生的黄色色素，属植物次生代谢产物，分为黄酮类、黄酮醇类、黄烷酮类、异黄酮类、黄烷醇类、花色素类等 [ 27] 。黄酮类植物活性成分具有多种生物学功能，如抗氧化、抗菌、抗病毒、免疫调节等功能，其在畜牧生产上的应用也能提高动物的生产性能和抗病能力。研究指出，黄酮类植物提取物的生物学功能与其主要活性成分的超强抗氧化、清除自由基功能相关 [ 28] 。Gan等 [ 29] 给仔猪饲喂300 mg/kg姜黄素28 d，降低了空肠和回肠丙二醛(MDA)与氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量。Zou等 [ 24] 给育肥猪饲喂25 mg/kg槲皮素4周后，降低了运输应激猪空肠活性氧(ROS)和MDA含量、炎性细胞因子[白细胞介素-1β( IL -1 β )、白细胞介素-6( IL -6)、 TNF -α]的mRNA表达水平及NF-κB p65蛋白含量。林厦菁等 [ 30] 给仔猪饲喂40 mg/kg大豆异黄酮42 d后，提高断奶后仔猪空肠超氧化物歧化酶(SOD)和GSH-Px活性，改善肠黏膜绒毛结构。大豆异黄酮还降低了氧化鱼油处理仔猪空肠的MDA、IL-1β、白细胞介素-2(IL-2)和NF-κB含量，但提高了GSH-Px活性和分泌型免疫球蛋白A(sIgA)及白细胞介素-4(IL-4)含量 [ 31] 。我们前期的研究也发现，葛根素可以提高猪流行性腹泻病毒感染(PEDV)仔猪肠道的抗氧化能力，包括增强十二指肠和结肠SOD和GSH-Px活性，降低回肠过氧化氢(H 2 O 2 )和MDA含量。研究表明，黄酮类植物活性成分结构中的C环双键和4-羰基均是抗氧自由基的活性基团，可直接进入机体细胞内，发挥自由基清除功能 [ 32] 。此外，黄酮类化合物还可通过调控肠细胞红系衍生的核因子2相关因子/Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Nrf2/Keap1)系统促进抗氧化酶表达 [ 1] 。

黄酮类植物活性成分还可提高肠道的屏障功能和免疫功能。25 mg/kg槲皮素可提高猪空肠 occludin 和 ZO -1的基因表达，并降低血液内毒素含量 [ 24] ，而槲皮素糖苷可通过竞争抑制SGLT1降低钠依赖性的葡萄糖吸收 [ 33] 。Xun等 [ 34] 给仔猪饲喂300或400 mg/kg姜黄素21 d后，提高了肠绒毛高度、sIgA含量、杯状细胞数量和白细胞介素-10( IL -10)的mRNA水平表达，但降低了血液 D -乳酸含量、二胺氧化酶(DAO)活性、上皮层淋巴细胞数量以及Toll样受体4( TLR 4)和 TNF - α 与 IL -1 β 的基因表达。Wu等 [ 35] 利用PEDV感染仔猪模型发现，葛根素抑制了肠道PEDV增殖，降低了仔猪腹泻率和肠黏膜IL-1β、IL-6、IL-8及NF-κB含量，蛋白质组学结果揭示葛根素增强肠道抗病毒能力与调控Ⅰ型干扰素信号通路相关。因此，黄酮类植物活性成分可增强肠道屏障功能、免疫功能和抗病毒能力。此外，黄酮类植物活性成分具有抗菌活性，如甘草总黄酮、苦瓜黄酮、藤茶黄酮、黄芩黄酮等，它们通过干扰细菌细胞新陈代谢和破坏膜完整性抑制有害细菌生长 [ 2] ，从而改善肠道菌群结构，如大豆异黄酮可提高肠粪便双歧杆菌数量，降低大肠杆菌数量 [ 36] 。

3 多酚类

植物多酚类化合物是一类广泛存在于植物体内、含有多个羟基的酚类植物成分总称，主要包括酚酸类化合物、单宁及黄酮类化合物(上文提及)等。由于酚羟基可作为氢供体，多酚类化合物可清除体内ROS，并与铁离子、铜离子等具有促进ROS生成的金属离子发生鳌合反应，从而保护机体免受氧化应激损伤 [ 28] 。Gan等 [ 29] 给仔猪饲喂300 mg/kg白藜芦醇28 d，提高了空肠和回肠谷胱甘肽(GSH)含量及空肠SOD活性，但降低了回肠MDA含量。胡瑶莲等 [ 37] 给生长育肥猪饲喂600 mg/kg白藜芦醇119 d，提高了血清过氧化氢酶(CAT)活性和总抗氧化能力(T-AOC)，但对肠道抗氧化指标无显著影响。Gessner等 [ 38] 发现，葡萄籽和葡萄渣提取物可降低十二指肠黏膜转录因子 NF - κB 和 Nrf 2的表达，改善机体氧化应激。关于肠道屏障功能与免疫功能方面，多酚类化合物也具有积极的作用效果，如白藜芦醇可提高肠细胞 occludin 、 claudin -1、 claudin -4和 ZO -1等基因表达，提高肠细胞单层的跨膜电阻(TEER)值和空肠IL-10含量，并降低空肠IL-6含量 [ 37, 39] ；葡萄籽和葡萄渣提取物还可抑制肠黏膜细胞间黏附分子1( ICAM 1)、趋化因子2( CCL 2)、 TNF -α、白细胞介素-8( IL -8)的基因表达 [ 38] 。张露潆等 [ 40] 认为，植物多酚可通过调节肠上皮细胞内的信号分子来影响信号通路的活化和炎症因子的表达，从而改善受损的肠黏膜屏障功能，降低肠道通透性。值得注意的是，多酚类化合物还可影响肠道消化酶的分泌和养分转运。孙展英等 [ 41] 给仔猪饲喂0.5或1.0 g/kg单宁酸30 d后，降低了断奶仔猪的腹泻率，但提高胃蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活性。Guschlbauer等 [ 42] 通过体外细胞培养试验发现，反式-白藜芦醇可降低肠道钠离子依赖性的葡萄糖吸收和丙氨酸转运。

另外，有关多酚类化合物与肠道菌群的相关作用也值得研究。一方面，植物多酚可直接影响肠道微生物的组成，选择性促进益生菌或抑制病原菌的生长，从而改变肠道微生态，如白藜芦醇可降低结肠大肠杆菌数量，提高双歧杆菌数量；单宁酸可提高空肠乳酸菌数量，并降低盲肠氨、异丁酸等气体含量 [ 43] 。另一方面，植物多酚被大肠微生物分解代谢，变成小分子物质且具有更高的生物活性，如产生肠上皮细胞的重要能量来源丁酸，在调节宿主免疫应答与氧化应激反应、增强肠道屏障功能等方面具有积极作用 [ 44] 。

4 多糖类

植物多糖是指植物提取物中含有10个以上糖基并以α/β-糖苷键连接的化合物，具有抗氧化、抗菌和免疫调节等多种生物学功能 [ 22, 28, 44] 。关于植物多糖的抗氧化功能，一方面，多糖分子存在还原性半醛羟基和醇羟基，可与超氧离子自由基发生氧化还原反应或与金属离子螯合，减少细胞多余的ROS产生；另一方面，植物多糖可提高动物机体抗氧化酶活性 [ 28, 44] 。然而，关于植物多糖与猪肠道抗氧化功能的研究报道仍很少。另外，植物多糖可增强肠道屏障功能和免疫功能、调节肠道菌群结构。甄玉国等 [ 45] 给断奶仔猪饲喂含200 mg/kg黄芪多糖的饲粮，提高了盲肠菌群的丰富度，降低肠道pH。谢红兵等 [ 46- 47] 通过给断奶仔猪饲喂800 mg/kg的黄芪多糖、白术多糖或牛膝多糖28 d后，降低了仔猪腹泻率、盲肠和结肠内容物pH、大肠杆菌数量，但提高了肠绒毛高度、肠道乳酸菌和双歧杆菌数量、总挥发性脂肪酸含量以及 occludin 、 claudin -1和 ZO -1的基因表达水平，表明这3种植物多糖可改善肠道屏障和微生态环境，且这3种多糖的联合作用效果更佳。Wang等 [ 48] 发现香菇多糖提高了回肠绒毛高度、claudin-1蛋白表达及盲肠挥发性脂肪酸含量，调控肠道菌群组成。通常认为，植物多糖作为一种不易被动物消化的碳水化合物，可以选择性地被肠道有益菌利用后产生大量的挥发性脂肪酸，降低肠道pH，抑制其他病原菌生长。此外，刘旺景等 [ 2] 认为植物多糖抗菌作用还与破坏细菌细胞壁结构、提高细胞膜通透性相关。然而，植物多糖促进肠道紧密连接蛋白和基因表达的相关机制尚需进一步研究。谢红兵等 [ 47] 认为，植物多糖提高紧密连接蛋白的表达可能与植物多糖本身的抗菌性能有关。植物多糖通过抑制大肠杆菌、沙门菌等细菌的产生，阻止有害菌对occludin、claudin-1和ZO-1的破坏。但陈景杰等 [ 49] 通过体外细胞试验发现，猴头菇多糖可直接促进肠细胞增殖和上调紧密连接相关蛋白的基因表达，提示存在其他途径影响肠细胞紧密连接蛋白的表达。值得注意的是，调节肠道免疫功能可能也是一个重要机制，如Wang等 [ 48] 报道香菇多糖可抑制炎性信号通路和促炎细胞因子；李成等 [ 50] 发现党参多糖极显著提高了断奶仔猪小肠sIgA、免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)蛋白及基因表达水平。

5 其他

生物碱类也是天然植物中具有重要生物学活性的一类含氮化合物，在维护猪肠道健康和降低腹泻率方面具有积极的效果。50 mg/kg的血根碱降低了断奶仔猪腹泻率，提高了十二指肠绒毛高度、绒毛高度/隐窝深度、小肠黏膜IgA、IgG和IgM含量，且效果与金霉素组无显著差异 [ 51] 。采食苦参碱粗提物的仔猪腹泻率明显降低，但胃黏膜肥大细胞数量明显增加 [ 52] 。在调节肠道菌群方面，小檗碱和杜仲生物碱可降低生长育肥猪腹泻率和粪便大肠杆菌数量，但提高了乳酸菌数量 [ 53- 54] 。有关生物碱抑制肠道细菌的作用机理尚不清楚，刘旺景等 [ 2] 认为这种抑菌作用可能与阻断菌体细胞养分转运、破坏细胞膜结构有关。

皂苷结构复杂，由皂苷元、糖和糖醛酸或其他有机酸组成，主要分为甾体皂苷和三萜皂苷两大类 [ 55] ，具有抗氧化和抗菌功能。有关皂苷在猪肠道功能上的研究资料比较有限。王洁 [ 56] 研究发现，给断奶仔猪饲喂2.5 g/kg苜蓿皂苷30 d可提高十二指肠、空肠和回肠中乳酸菌数量，上调十二指肠和回肠 CAT 及空肠 GSH - Px 的基因表达，并降低十二指肠和盲肠的pH，提示苜蓿皂苷可调节肠道抗氧化酶表达和改善肠道菌群结构。

糖萜素是一种含有大量多糖和皂苷的混合物，具有调节动物免疫水平、提高抗氧化能力、改善肠道养分吸收等功能 [ 57- 59] 。通过给断奶仔猪饲喂500 mg/kg的糖萜素35 d后，王曼 [ 59] 发现仔猪肠绒毛高度、空肠淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶的活性均显著提高，且肠黏膜紧密连接蛋白 ZO -1和 occludin 、黏液素1( MUC 1)和黏液素2( MUC 2)、葡萄糖转运蛋白-1( SGLT -1)等基因表达增加，表明糖萜素可提高肠道消化功能和屏障功能。进一步分析发现，糖萜素还可调节肠道微生物组成，提高盲肠双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，并降低肠道内容物的pH。

6 小结

天然植物活性成分以其绿色、环保、多效等特点成为了饲用抗生素的潜在替代品。这些NPBCs可改善猪肠道组织形态和消化吸收能力，增强肠道屏障和抗氧化功能，调节免疫力，优化肠道菌落结构和内环境，进而维护肠道健康，其应用将为养猪业快速发展提供重要保障。然而，由于大多数NPBCs含有多种化合物成分，相互协同作用强，其对肠道功能的调节机制尚不明确。此外，NPBCs的提取工艺、代谢途径、安全剂量、添加方式等方面研究不足也是限制NPBCs在养猪生产上广泛应用的重要因素。

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