基于壳聚糖包埋柠檬草（*Cymbopogon citratus* P.）与留兰香（*Mentha spicata* L.）精油作为生长调节剂：体外活性与肉鸡生产性能的关联研究

《Veterinary and Animal Science》：Chitosan-encapsulated lemongrass ( Cymbopogon citratus P.) and spearmint ( Mentha spicata L. ) essential oils as growth modulators: Correlating in-vitro activity with broiler performance

　　

本研究旨在评价留兰香（*Mentha spicata* L.）和柠檬草（*Cymbopogon citratus* P.）精油（essential oils, EOs）作为抗生素生长促进剂（antibiotic growth promoters, AGPs）天然替代品的潜力，并评估其对肉鸡生产性能的影响。研究人员采用多学科分析方法，结合气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）进行化学表征、体外抗菌敏感性试验和抗氧化能力评估，以及受控的体内饲喂试验。通过优化壳聚糖包埋工艺，显著提高了精油的稳定性；在壳聚糖与精油比例为1:0.8时，柠檬草精油（lemongrass essential oil, LGEO）和留兰香精油（spearmint essential oil, SMEO）的包埋效率（encapsulation efficiency, EE）分别达到73.22%和69.19%。与未包埋的游离精油相比，包埋后的留兰香精油（chitosan-coated spearmint essential oil, C-SMEO）和包埋后的柠檬草精油（chitosan-coated lemongrass essential oil, C-LGEO）对大肠杆菌（*Escherichia coli*）、肠炎沙门氏菌（*Salmonella enteritidis*）、金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）和产气荚膜梭菌（*Clostridium perfringens*）表现出更强的抗菌活性（更低的最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）和更大的抑菌圈）。包埋处理显著提高了抗氧化（DPPH）活性，在50 μl/ml浓度下，C-LGEO和C-SMEO的清除率分别达到63.3%和67.5%。体内试验结果显示，C-LGEO和C-SMEO组的生长性能与抗生素（恩拉霉素）组相当，饲料转化率（feed conversion ratio, FCR）分别为1.62–1.67，体重增长（body weight gain, BWG）分别为2105–2110 g，表明其可作为肉鸡日粮中抗生素的天然替代品。

**研究背景、问题与研究意义**

全球家禽业为满足日益增长的廉价动物蛋白需求而持续扩张，但这一增长伴随着对抗生素生长促进剂（antibiotic growth promoters, AGPs）的持续依赖。AGPs虽在历史上改善了饲料效率和疾病控制，但其广泛使用导致了抗微生物药物耐药性（antimicrobial resistance, AMR）基因在食物链中的出现与传播，构成重大的公共卫生威胁。为减少AGP使用，寻找能够维持肠道健康、养分利用率和整体生产效率的有效天然替代品已成为研究热点。植物源次生代谢产物如精油（essential oils, EOs）因其抗菌、抗氧化和免疫调节特性而备受关注，这些特性共同促进肠道健康和生长性能。柠檬草（*Cymbopogon citratus* P.）和留兰香（*Mentha spicata* L.）精油分别以柠檬醛异构体和香芹酮-柠檬烯单萜为主要活性成分，展现出广谱生物活性。然而，EOs在畜禽日粮中的应用受到其挥发性强、胃肠道内快速降解和生物利用度不稳定等因素的限制。壳聚糖基包埋技术因其高包埋效率和载药量而成为克服上述障碍的有效策略。目前，关于包埋与未包埋精油在化学表征、抗菌测定、抗氧化谱和体内性能试验方面的系统比较研究仍显不足，包埋工艺在生物学试验中的应用也有待深入探索。本研究据此展开，旨在评估两种精油作为AGPs天然替代品的潜力，并验证包埋是否可通过提高生物活性化合物的生物利用度来增强其体内功效。

**研究内容与主要结论**

研究人员采用多学科交叉的研究策略：首先通过气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）对两种精油进行化学表征；继而采用离子凝胶法以壳聚糖-三聚磷酸钠（sodium tripolyphosphate, STPP）体系对精油进行包埋，通过傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）确认精油与聚合物基质间的分子相互作用，并测定不同油-聚合物配比下的包埋效率（encapsulation efficiency, EE%）和载药量（loading capacity, LC%）；随后通过纸片扩散法和微量肉汤稀释法评价游离态和包埋态精油的体外抗菌活性，采用DPPH自由基清除试验评估抗氧化能力；最后开展为期35天的肉鸡体内饲养试验，以评价各处理对饲料转化率（feed conversion ratio, FCR）和总体重增长（body weight gain, BWG）的影响。试验所用肉鸡为罗斯308（Ross 308）雄性雏鸡，共54只，购自商业孵化场，随机分为6个等能等氮日粮处理组，每组9只（3只/重复，6×3×3）。处理组包括：基础日粮对照组（不添加任何抗菌物质）、抗生素组（基础日粮添加恩拉霉素作为参考AGP）、以及四个植物源性处理组（分别添加柠檬草精油（LGEO）、壳聚糖包埋柠檬草精油（C-LGEO）、留兰香精油（SMEO）和壳聚糖包埋留兰香精油（C-SMEO），添加水平均为50 mg/kg饲料）。

GC-MS分析显示，SMEO为香芹酮-柠檬烯化学型，香芹酮（47.19%）和d-柠檬烯（28.96%）占总挥发性组分的大部分；LGEO则以柠檬醛为主，牻牛儿醛（40.15%）和橙花醛（28.17%）合计占总峰面积的68.32%。FTIR光谱证实了精油与壳聚糖之间通过氢键形成了分子层面的相互作用。在优化包埋工艺中，两种精油的EE%和LC%随油-聚合物比例增加而上升，在1:0.8时达到峰值（C-SMEO：EE 73.22%、LC 18.30%；C-LGEO：EE 69.47%、LC 17.36%），超过此比例（1:1）后下降。体外抗菌试验表明，留兰香来源的制剂，特别是壳聚糖包埋形式，对所有受试菌株均表现出比柠檬草制剂更强的抑制活性；包埋处理一致性地降低了MIC值并增大了抑菌圈直径，其中C-SMEO对大肠杆菌（*E. coli*）MIC为1.10 μL/mL、对肠炎沙门氏菌（*S. enteritidis*）为0.71 μL/mL。DPPH抗氧化试验中，包埋显著提高了两种精油的自由基清除能力，C-SMEO在50 μL/mL时达到67.5%清除率，IC₅₀为30 μL/mL。体内饲养试验显示，包埋组（C-LGEO：FCR 1.62、BWG 2110 g；C-SMEO：FCR 1.67、BWG 2105 g）的性能与抗生素组（FCR 1.61、BWG 2197 g）相当且显著优于对照组（FCR 1.91、BWG 2070 g）和游离精油组。

**主要研究结果**

**精油表征、优化与包埋**
GC/MS分析揭示了两种精油间的明显化学型差异。SMEO以香芹酮（47.19%）和d-柠檬烯（28.96%）为主；LGEO以柠檬醛为主，牻牛儿醛（40.15%）和橙花醛（28.17%）合计占68.32%。FTIR光谱证实壳聚糖与精油间存在分子水平的相互作用，表现为氢键形成和特征吸收带位移。在1:0.8的油-聚合物比例下获得最佳包埋效果，C-SMEO的EE%（73.22%）和LC%（18.30%）均高于C-LGEO（69.47%和17.36%）。该差异归因于香芹酮和柠檬烯的刚性环状结构有利于与壳聚糖基质形成更强的疏水相互作用，而柠檬醛的无环柔性结构在聚合物网络中保留效率较低。

**最低抑菌浓度（MIC）**
壳聚糖包埋形式在整个细菌谱系中均表现出比游离油更低的MIC值。C-SMEO对大肠杆菌（1.10 μL/mL）、肠炎沙门氏菌（0.71 μL/mL）、金黄色葡萄球菌（1.05 μL/mL）和产气荚膜梭菌（3.73 μL/mL）表现出最强的抑制作用。总体上，革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌对精油处理更为敏感，这可能与香芹酮和柠檬烯相对无环醛类具有更强的膜破坏能力，以及革兰氏阴性菌外膜富含脂多糖的脂质结构域允许单萜渗透有关。

**抑菌圈（ZI）**
ZI试验结果与MIC一致，C-SMEO在多数菌株中产生最大的抑菌圈：对大肠杆菌14.13 mm、对产气荚膜梭菌14.56 mm、对金黄色葡萄球菌9.23 mm。包埋制剂在所有受试菌株中均较其对应游离油产生更大抑菌圈，这归因于生物活性组分从颗粒基质中的持续释放以及壳聚糖本身通过静电相互作用与带负电荷细菌细胞膜结合的内在抗菌特性。

**DPPH自由基清除活性**
所有处理组的自由基清除活性呈浓度依赖性。包埋显著提高了抗氧化能力：C-SMEO从10 μL/mL时的21.7%升至50 μL/mL时的67.5%；C-LGEO从15.2%升至63.3%。C-SMEO显示最低IC₅₀值（30 μL/mL），其次为SMEO、C-LGEO（34.8 μL/mL），LGEO最差。这归因于香芹酮和柠檬烯的高电子供体潜力及其在聚合物基质中的高效扩散能力。

**体内饲养试验**
日粮中添加精油（游离和包埋形式）显著影响肉鸡的FCR和总BWG（P < 0.0001）。对照组FCR最差（1.91），AGP组最佳（1.61）。包埋组C-LGEO（1.62）和C-SMEO（1.67）的FCR与AGP组统计相当，且显著优于游离油组（LGEO 1.75、SMEO 1.77）。BWG方面，AGP组最高（2197 g），C-LGEO（2110 g）和C-SMEO（2105 g）次之且显著高于对照组（2070 g）。游离油组仅改善FCR而未提升BWG，包埋形式则对两项指标均有改善。

**讨论与结论**

讨论部分指出，包埋制剂的生长促进优势可能归因于涂层材料的保护作用和控释特性：壳聚糖-精油复合物可减少精油在饲料加工储存过程中的氧化损失，并在胃肠道（gastrointestinal tract, GIT）中实现更渐进的释放，同时壳聚糖本身具有益生元效应。植物源性添加剂改善生长性能的机制包括刺激消化酶分泌、调节肠道微生物组、提高营养物质消化率以及生物活性化合物的抗菌和抗氧化作用。虽然AGP组实现了最佳综合性能，但壳聚糖包埋精油组的FCR与AGP相当，BWG也显著优于对照组，表明其具备作为AGP替代品的潜力。

研究结论：在最优油-聚合物比例（1:0.8）下，柠檬草和留兰香精油的壳聚糖包埋制剂均改善了抗菌和抗氧化活性。C-SMEO表现出最佳包埋效率（73.22%）、较低的最低抑菌浓度和更强的DPPH自由基清除能力（IC₅₀: 30 μL/mL）。C-LGEO和C-SMEO的FCR（分别为1.62和1.67）和BWG（分别为2110 g和2105 g）均显著高于其游离形式，表明包埋可提高精油在体外和体内的生物学效价。鉴于其作为生长调节剂的良好效果，精油值得在大规模生物学试验中进一步研究，以评估其作为AGP替代品的潜力。研究的局限性在于体内试验为初步的小型试验，更大规模的试验需确定最佳添加水平、阐明肠道菌群调节机制并评估长期使用安全性。