畜牧养殖产生的臭气是畜禽肠道及粪便中的微生物在厌氧条件下发酵降解糖类、脂肪和蛋白质时产生的。恶臭物质主要有氨气、硫化氢、粪臭素、挥发性脂肪酸、胺类、脂肪族的醛类和硫醇类等。
高质量浓度的恶臭气体危害人畜健康。据报道,当猪舍空间氨气含量为 38 mg/m3时,就会对猪群的增质量产生明显的不良影响; 当达到 70 ~110 mg/m3时,猪群对呼吸道疾病就会很敏感,并表现为摇头、流涎、打喷嚏及食欲下降等症状。目前控制臭气的主要方法: 厌氧生物处理,应用微生态制剂、酶制剂、酸化剂、植物提取物、氧化剂、吸附剂及掩蔽剂处理,蝇蛆处理等。
叶芬霞 ( 2008) 利用从养猪场土壤中分离具有除臭效能的微生物菌株,同米糠及陶瓷粒复合制成除臭剂,悬挂于猪舍及猪粪堆肥场上方进行除臭试验,硫化氢和氨气的去除率分别达到 66. 17% 和78. 14% 。王占红等 ( 2012 ) 在饲粮中添加党参和白术等 15 味中草药结果可使鸡舍内氨气质量浓度降低 41. 77%。已有试验证明,丝兰属提取物作为饲料添加剂可以减少氨气的排放,Amon 等 ( 1995)在饲粮中添加 65 g/t 丝兰提取物喂养 600 头仔猪和生长猪 ( 日龄 24 ~48 d) 60 d,其结果表明,猪舍的氨气挥发量减少了 26%。因为丝兰属植物提取物的主要成分是糖苷和皂角苷,糖苷能与氨气结合生成无毒的氨化物,再被肠道微生物二次利用,从而降低氨气的排泄,改善消化吸收。但丝兰属植物在我国并不多见,进口成本较高,因此应用受到限制。樟属植物是我国亚热带地区的主要经济树种,资源十分丰富,有研究表明,用乙醇提取一种樟属植物后,得到的提取物可以抑制脲酶的活性。文章就樟属植物提取物对猪粪尿除臭效果、除臭机制、提取方法和应用现状进行综述。
1、 樟属植物
樟属植物主要分布于亚洲热带和亚热带地区,全属共 240 余种,中国约有 41 种,主产于长江中下游、西南和南方各省区。樟属植物多富含挥发性脂肪油,并含芳香性化合物、生物碱、木质素、有机酸及多糖等活性成分。其根、茎、叶、树皮及果实均有香气,可提取精油 ( 芳香油) 。目前樟属植物精油广泛地应用于香料、医药卫生、食品饮料、烟草及化工等领域,因其是纯天然的绿色调味剂,日益受到人们的青睐。
2、 樟属植物提取物清除粪尿臭气的机制
2.1 樟属植物提取物作为脲酶和尿酸酶抑制剂
脲酶又名尿素酰胺水解酶,广泛的存在于各种细菌、真菌和植物中,它在自然条件下的氮循环中发挥着重要的作用,动物含氮化合物在代谢过程能产生大量尿素,在自然条件下,尿素会缓慢的分解,产生氨气,但在脲酶存在的条件下,尿素的分解速度比一般情况下快 1 014 倍。目前,常用的脲酶抑制剂主要有磷酸二酰胺、磷酸三酰胺、乙酰氧肟酸和苯醌等。尿酸酶又名尿酸氧化酶,在有氧的条件下可以把嘌呤降解产物尿酸氧化生成尿囊素和过氧化氢。尿酸酶广泛存在于植物、水产动物和微生物中。常用的尿酸酶抑制剂包括各种嘌呤类似物———次黄嘌呤、黄嘌呤和维生素 C。
有研究表明,樟属植物提取物也有脲酶和尿酸酶抑制剂的作用。Mina Tabak ( 1999) 研究表明,乙醇或乙酰氧肟酸所提取的樟属植物提取物能既抑制附在细菌上的脲酶活性,也能抑制游离的脲酶活性。Wijesekera 等 ( 1978) 研究表明,樟属植物提取物具有黄嘌呤氧化酶 ( 催化黄嘌呤分解为尿酸)抑制剂的效果。石军等 ( 2003) 和潘倩等 ( 2007)的研究结果表明,对保育舍仔猪在饲量中添加450 mg / kg樟属植物提取物饲料 ( 以 1% 或 2% 预混剂形式均可) 能取得最佳生产性能和减少氨气逸放效果。猪粪样中微生物的脲酶活性显著降低,尿素分解减少,总氮保持率提高,同时能够降低粪样pH。张云刚等 ( 2003) 在试验中加入 450 mg / kg 的樟属植物提取物,粪尿混合物中总氮的含量比对照组增加 8.99% ( P <0.05) 。汪善峰等 ( 2004) 研究结果表明了樟属植物提取物添加量在 200、400 和 600mg / kg 每组,生长猪粪样中脲酶活性抑制率分别为5. 43% 、10. 70% 和 11. 90% 。陈华洁等 ( 2006) 研究表明,樟属植物提取物能够降低肉鸡排泄物中脲酶活性和尿酸酶活性。李俊婷等 ( 2004) 研究表明,樟属植物提取物具有抑制尿酸酶的作用,可能是通过抗氧化作用。
2.2 樟属植物提取物抑制脲酶产生菌
脲酶产生菌种类繁多,从菌落形态看可以将它分为细菌、放线菌、真菌和低等藻类等,从显微特征观察就细菌而言有球菌、杆菌和弧菌等。猪肠道中的很多细菌都能产生脲酶,研究表明,用猪回肠内容物经厌氧培养得到的 100 多株细菌中,有 15株细菌能产生脲酶,如大肠杆菌、黄曲酶菌、普通变形杆菌、产朊假丝酵母和金黄色葡萄球菌等。樟属提取物可以抑制脲酶产生菌的活性并减少脲酶产生量而间接减少脲酶活性。
一些挥发油的抗菌活性研究表明,挥发油的抗菌活性变化很大,而樟属植物提取物对包括单分枝杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌及大肠杆菌产生抑制作用。研究还表明,挥发油对革兰阳性菌较革兰阴性菌活性更大。在包括茴香油、黄菊油、雪松油、桉树油、薰衣草和肉桂油等 22 种油中,樟属肉桂油具有最高的杀菌性和抑制霉菌活性。Lee 和Ahn ( 1998) 的研究表明,一种樟属植物皮提取物对产气荚膜梭菌,普通变形杆菌及双叉乳杆菌有抑制作用。Mina Tabak 等 ( 1999) 研究证实,用乙醇提取的一种樟科提取物可以抑制人体胃肠道上皮细胞上幽门螺杆菌的生长,同时还可以抑制这些细胞产生的脲酶活性。Chang 等 ( 2001) 研究表明,樟属植物提取物对大肠杆菌、铜绿假单胞杆菌和金黄色葡萄球菌等多种细菌的生长均有很强的抑制作用。抑菌试验的结果发现随着樟属植物提取物质量浓度的增加抑制效果增强,特别是对普通变形杆菌,在樟属植物提取物 0. 12%的水平时就能达到高度的强的抑制效果,表明樟属植物提取物具有质量浓度依赖性抑菌作用,表明樟属植物提取物可能对动物肠道内微生物区系有调节作用,这可能与樟属植物提取物中含有机酸和多糖等活性成分有关。李俊婷等 ( 2004) 研究表明,樟属植物提取物对膜醭毕赤酵母和产朊假丝酵母都具有很强的抑制效果,并且随着质量浓度的升高抑制效果增强。Singh 等( 1995) 也证明了樟属植物提取物对呼吸道真菌如黄曲霉,黑曲霉等有抑制作用。陈华洁等 ( 2006)樟属植物提取物对大肠杆菌、黄曲霉、膜醭毕赤酵母、产朊假丝酵母、普通变形杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌均有很好的抑制作用。
2.3 樟属植物提取物作为掩蔽型除臭剂
掩蔽型除臭剂是利用天然芳香油和香料等物质掩蔽恶臭。主要是对难以去除的臭味或除臭比较麻烦的环境,按比例混合几种有气味的气体,以减轻恶臭。如在饲粮中添加茴香、甘草和苍术等有特殊气味的物质,可使畜禽舍臭味降低,采食量增加,抵抗力增强和促进生长。
樟属植物包括了樟组和肉桂组等,包括了油樟、猴樟、肉桂、香桂和粗脉桂等。这些樟属植物大都含有烯醇醛酮等芳香性化合物,这些化合物既可以掩蔽臭味,又可以起到抑制细菌生长的作用。
其中肉桂叶油含 90%反 - 肉桂醛,山苍子果皮油含71% 柠檬醛,银木叶油含 21% 顺 - 甲基异丁香酚,都是含量较高又有强抗菌活性的香气化合物。肉桂醛具有抑制食品中黄曲霉菌生长繁殖作用,肉桂叶含 0. 8% ~1. 0%精油,肉桂用量为 0. 1% 时可使黄曲霉菌生长下降60% ( Roelof ter Heide,1972) 。山苍子果皮含 4% 精油,主含 71% 柠檬醛,其中橙花醛与香叶醛组成比例为 40∶60 可合成紫罗兰酮和维生素 A,其抗菌活性仅次于肉桂醛和紫苏醛。银木叶油含 21%顺 - 甲基异丁香酚,使其成为有抗菌活性精油之一 ( 林正奎,1987) 。樟属植物提取物中除臭活性成分主要包括烯键、醛、酮及环氧烷烃基团。这些活性基团可以和臭气发生加成、缩合及中和反应生产挥发性低的无臭物质。樟属植树所含有的挥发性芳香性物质还能抵消臭气,即其分子可以先与嗅觉感受器结合,使臭气分子不能到达嗅感受器,故人闻不到臭味。
因此,可以将樟属植物提取物和中药除臭剂,沸石吸附剂联合使用,达到复合除臭剂的作用。如用50% ~70%的 A 型合成沸石 ( CaO/Al2O3/2SiO2·nH2O) 和 30% ~ 95% 的 X 型合成沸石 ( CaO /Al2O3/2. 5SiO2·nH2O) 吸附樟属植物提取物等作为除臭剂。
3、 樟属植物的提取工艺
樟属植物提取方法有冷冻压榨法、水蒸气蒸馏法、化学溶剂萃取法和油脂分离法。水蒸气蒸馏法( 索氏提取法) 是最常用的提取方法,此方法操作简单,成本较低。抽提的溶剂有水、醇、醚和酮等,目前常用水和醚作为提取溶剂。樟属植物的提取工艺包括樟属植物的选择、烘干、粉碎、索氏提取法浸提、冲洗和水浴加热蒸干。这种提取工艺操作简单,工业化生产所需设备投资少,所得的樟属植物提取物生产成本低。影响樟属植物提取物的主要条件为温度、时间和乙醇的体积百分数和固液料比。汪善峰等 ( 2004) 通过对单因素梯度试验和正交试验结果分析,得到最佳浸提条件为温度 50 ℃,时间 9 h,乙醇的体积百分数为 80%,固液料比为25 mL / g,樟属植物提取物的最大吸收波长为 280 nm。
李俊婷等 ( 2004) 研究得出以 50 ℃,时间 6 h,乙醇的体积百分数为 80%,固液料比为 20 mL/g 提取得到的樟属植物提取物效果最好。
4、 樟属植物提取物的应用现状
优势: 我国樟属资源丰富,樟属植物根、茎、叶、树皮及果实均有香气,可提取精油 ( 芳香油) 。
樟属植物精油广泛地应用于香料、医药卫生、食品饮料、烟草及化工等领域。我国同时也是一个重要的提取液生产国,据不完全统计,我国的专业提取物企业有 200 多家,加上一些进行提取物生产的中药及精细化工企业,数量已超过 300 家,集中分布在湖南、陕西、浙江、江苏、四川、云南和京津地区。随着科技的发展,提取工艺也在不断的提高。
大量的研究表明,樟属植物提取物作为除臭剂效果明显,可利用性高。
不足: 汪善峰等 ( 2004) 等对樟属植物的提取工艺,只是简单的用乙醇提取物和二氯甲烷等提取液对樟属植物进行提取。植物提取液除臭剂中的活性物质的分离技术无专门的提取工艺,造成活性物质分离效率不高及纯度低。樟属植物中成分复杂,如樟属精油是贵重的香料原料。应该做到物尽其用,对樟属植物成分进行分离,高档的精油用作香料,其他活性成分用作除臭剂等其他用途。只有这样,樟属植物才能做到充分利用,避免资源的浪费。另外,目前的研究都是将樟属植物提取物作为单一的除臭剂使用,如何将樟属植物提取物与其他除臭剂联合使用,达到复合除臭剂的作用还需进一步的研究。另外樟属植物提取物除臭机制,如哪种提取物对除臭效果明显,这些都还需要进行研究与探讨。樟属植物资源丰富,但是大量采用伐树挖根蒸油方法,会破坏自然资源。
5、 小结
樟属植物作为绿色除臭剂的使用会越来越广泛。樟属植物作为除臭剂需要注意以下几个方面:利用樟属植物资源的同时,也要注重保护自然资源,多栽植,才能达到资源的不断供给; 优化提取工艺和分离技术,保证提取物纯度高,提取物成分分离效果好; 加强樟属植物提取物与其他除臭剂的联合使用,达到复合除臭的效果; 对樟属植物提取物除臭机制进行深入的研究,为规模化发展樟属植物提取物作为畜禽除臭剂提供必要的理论基础。
