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單寧酸是一類多酚類化合物，廣泛存在于植物體內，具有抗菌、抗寄生蟲、抗病毒、抗氧化、抗炎，以及免疫調節等多種生物活性。因此，單寧酸是飼料中抗生素天然替代品的主要研究方向。植物單寧酸具有較強的蛋白質親和力，已成功應用于反芻動物營養中，減少瘤胃蛋白質的降解，從而提高蛋白質的利用率和動物的生產效率。在反芻動物日糧中加入含單寧酸的飼料還具有三個重要作用，即控制動物胃氣脹、腸道寄生蟲和致病菌。單寧酸在傳統上被認為是單胃動物和家禽的“抗營養因子”，但最近的研究表明單寧酸應用得當，改善了腸道微生物生態系統，增強了腸道健康，從而提高了生產性能。植物單寧酸作為飼料中抗生素替代品的適用性取決于許多因素，這些因素導致其觀察到的效果的巨大的可變性。
單寧酸是一種天然存在的多相酚類化合物，有不同的結構，具有結合和沉淀蛋白質的能力。單寧酸主要分為三大類:水解單寧酸(HT)，縮合單寧酸(CT)也稱為原花青素和褐藻多酚(PT)。前兩組在陸生植物中發現，而PT只出現在海洋褐藻中(圖1)。可水解的單寧酸由多酚核(通常為D-葡萄糖)組成，多酚核與酚酸(主要為沒食子酸或六羥基二苯酸)酯化。HT的分子量在500~3000 Da之間(Haslam, 1989)。它們容易被酸、堿或酯酶水解，因此容易在消化道中降解和吸收，并可能對食草動物造成潛在的毒性作用(Dollahite et al.，1962;Mdeod, 1974)。縮合單寧酸是由黃烷-3-0單位組成的寡聚或聚合類黃酮，包括兒茶素、表兒茶素、沒食子兒茶素和表沒食子兒茶素。
與HT相比，CT的結構更為復雜，分子量更高1000~20000Da。與HT不同，只有強氧化和酸性水解才能解聚不容易被厭氧酶降解的CT結構(McSweeney et al.，2001)。PT是間苯三酚(1.3.5-三羥基苯)聚合的產物，在結構上沒有陸地單寧(HT和CT)復雜(Ragan and Glombitza, 1986)。PT的分子量為126 - 650 kDa (Targett and Amold, 1998)，根據其化學結構可分為6類(Phlorethols, Isofuhalos, Ehole, Fucole,Fuhalols, Fucophlorethols)。它們主要是通過丙二酸酯途徑合成的(Herbert, 1989)，雖然有其他合成途徑被提出(Chen et al.，1997)。
單寧酸在植物界分布廣泛，尤其在營養價值重要的牧草、灌木、谷類和藥材中含量豐富(Salunkheet al.，1982: Wang et al.，1999)。在香蕉、黑莓、蘋果和葡萄等許多水果中，以及茶中也發現有單寧酸(Nonaka et al., 1984: Bravo et al., 1992: Mertz et al.,2007;Mercurio and Smith, 2008;Kheng, 2010)。在飼料豆類，樹木和灌木中最常見的類型是濃縮單寧酸，在熱帶地區HT通常存在于樹葉和灌木葉中(Min et al, 2003)。通常情況下，在植物最脆弱的地方單寧酸更豐富，例如，新的葉子和花(Terrill et al., 1992;VanSoest,1982;Frutos et al., 2004)。PT集中在植體外皮層的細胞胞質中(Ragan and Glombitza, 1986;魯德和克萊頓，2004:柴田等，2004)。單寧酸的化學結構和濃度在植物種類、生長階段和生長條件(如溫度、光照強度、養分和暴露于食草環境)之間有很大的差異(Frutos et al., 2004: Amslerand Fairhead, 2006;Berard et al., 2011;Li et al., 2014;Huanget al.2017）。
單寧酸是植物次生代謝物，是植物抵御病原體入侵和昆蟲侵襲的化學防御體系的重要組成部分。單寧酸具有許多生物活性，其中一些對現代食用動物生產最為重要，現綜述如下。
單寧酸的抗菌活性早已得到公認，單寧酸對細菌、真菌和酵母的毒性也有綜述(Scalbert. 1991)。到目前為止單寧酸抗菌活性機制包括抑制胞外微生物酶，剝奪微生物生長所需的基質，通過氧化磷酸化抑制微生物代謝，剝奪金屬離子或與引起細胞壁形態變化和膜透性增加的細菌形成細胞膜復合物(Scalbert, 1991; Liu et al., 2013)。證據表明微生物細胞膜是單寧酸抑制作用的主要場所(Mcallister et al., 2005;Liu et al.,2013)，通過細胞聚合和細胞膜的破壞和功能(圖2)。雖然蛋白質沉淀是所有單寧酸的普遍特性，但是單寧酸的抗菌活性是微生物種特異性的，與單寧酸的化學組成和結構密切相關。
一般來說，單寧酸對革蘭氏陽性菌的抗菌活性大于對革蘭氏陰性菌的抗菌活性(Ikigai et al., 1993; Smith andMackie, 2004)，因為革蘭氏陰性細菌的外膜是由脂質雙層結構組成，脂質雙層結構由外膜的脂多糖和蛋白質組成，內層由磷脂組成。然而，從幾種植物中分離到的單寧酸，尤其是CT單寧酸對革蘭氏陰性菌具有較強的抗菌活性。值得注意的是，大腸桿菌0157:H7、沙門氏菌、志賀氏桿菌、葡萄球菌、假單胞菌、幽門螺桿菌等病原菌均對單寧酸敏感(Funatogawa et al.，2004: Doss et al.，2009;Banso and Adeyemo, 2010;Liu etal.，2013)。
Wang等(2013)比較12種單寧酸，發現僅從紫色草原三葉草中分離的CT(Dalea purpurea Vent)和褐藻(Ascophylhum nodosum)中分離的PT具有較強的抗大腸桿菌和抗大腸桿菌0157:H7活性。褐藻多酚的抗菌活性也高于CT和HT (Wang et al.，2009)。已有研究表明，單寧酸氧化過程中羥基的數量和過氧化氫的釋放是影響單寧酸抗菌性能的兩個重要因素(Akagawa et al.，2003: Smith et al.2003:Mueller-Harvey, 2006)。有研究表明，具有三羥基B環的黃酮醇(沒食子兒茶素)對鏈球菌、梭菌、變形桿菌和葡萄球菌的抑制作用大于具有二羥基B環的兒茶素(Sakanaka等，1985)。同樣，表兒茶素沒食子酸和表沒食子兒茶素酸對肉毒桿菌的毒性也大于它們的非沒食子對應物表兒茶素和表沒食子兒茶素(Okuda et al.，1985)。由于單寧酸的來源廣泛其抗菌活性具有很大的多樣性，因此篩選和鑒定對目標微生物有效且特異的單寧酸將是一項連續不斷的研究工作。
圖2透射電子顯微圖，引自Wang et al.(2009, 2013)和Liu et al. (2013)
(A)大腸桿菌(25922株)細胞培養10 h(對照組)、(B) 200 ug /ml紫色牧場三葉草的濃縮單寧酸
(C)大腸桿菌(3081株)孵化24 h(對照組)、(D) 50 ug / mL酚類單寧酸
(E)50 ug / mL可水解單寧酸、(F) 50 ug / mL濃縮單寧酸
單寧酸的抗寄生蟲特性已在體內和體外的研究中得到證實。從豆類牧草中提取的濃縮單寧酸，如紅豆素、大三葉草、牛角花和蝶兒草等，以劑量依賴的方式降低了紅毛圓線蟲卵的孵化比例，抑制肺線蟲和胃腸道線蟲的發育呈劑量依賴性的方式(Molan et al ., 2000 a, 2000 b, 2002)。四種熱帶植物單寧酸提取物主要影響捻轉血矛線蟲和蛇形毛圓線蟲其幼蟲蛻皮過程(Alonso-Diaz et al.，2008a, 2008b)。從白堅木(Athanasiadou et al.，2001)、菊苣(Molan et al.，2003)和綠茶(Molan et al.，2004)中提取的單寧酸對幼蟲的遷移有明顯的抑制作用，且呈劑量依賴性。這些結果表明單寧酸的抗寄生蟲作用發生在寄生蟲生命周期的不同階段。在體外研究中觀察到的各種單寧酸的抗寄生蟲作用，在許多綿羊和牛的體內研究中得到證實(Paolini et al., 2003; Heckendorn etal., 2007; Chaweewan et al.,2015; Desrues et al., 2016)。
植物單寧酸的驅蟲機制已經被提出，“直接”作用寄生蟲細胞，通過1)減少感染性的第三階段幼蟲在宿主體內，從而減少宿主入侵,2)減少線蟲成蟲蟲卵排泄,3)降低第三階段幼蟲發育(Athanasiadou et al., 2001,2005;Brunet et al., 2008; Hoste et al., 2012)和通過“間接”作用提高宿主對線蟲的抵抗力(Coop and Kyriazakis, 2001; Min etal., 2003; Tzamaloukas et al., 2006; Pathak et al., 2016)。然而，與它們的抗菌活性相似，單寧酸的驅蟲效果也因單寧酸的化學成分和結構、寄生蟲種類或生長階段和/或宿主種類的不同而異(Hoste et al.，2006,2012)。
天然酚類化合物長期以來被認為是有效的抗氧化劑(Rice-Evans et al.，1995, 1996)，單寧酸的抗氧化性能在食品工業和醫學領域有著廣泛的應用，可預防心血管疾病、癌癥或骨質疏松癥等氧化應激相關疾病(Hollman and Katan, 1999; Scalbert etal., 2005)。結果表明，相對分子質量較高的CT和HT具有較強的抗氧化活性(Hagerman et al.1998)。羥基的數量和單寧酸的聚合程度被認為與清除自由基的能力有關(Ariga and Hamano,1990)，單寧酸中羥基最多最容易被氧化(Hodnick et al.,1988)，因此單寧酸具有最大的抗氧化活性。Ricci等(2016)證明，單寧酸作為天然抗氧化劑的有效性是由于其還原和氧化還原活性的復雜組合，這也有助于其清除自由基。
單寧酸作為潛在的生物抗氧化劑已在許多體外研究中得到證實(Ho et al., 1999; Lin et al., 2001Beninger and Hosfield, 2003: Barreira et al., 2008)。單寧酸在不同動物組織中的體內抗氧化活性也得到了證實。添加含有CT的飼料可以提高牛羊的血清抗氧化活性，從而改善牛羊的抗氧化狀態(Dutta et al., 2012: Dey and De,2014; Huang et al.. 2015: Peng et al.. 2016)。在羊的日糧中添加白堅木單寧酸改善了肌肉(Luciano et al., 2011)，肝臟和血漿(López-Andrés et al., 2013)的抗氧化狀態，并通過在冷藏過程中延遲肌紅蛋白氧化來增強肉色的穩定性(Luciano et al., 2009)。由于HT在吸收前在胃腸道中被降解，而CT不能在消化道中被降解和吸收，因此很難解釋單寧酸作為完整的實體如何在動物體內發揮抗氧化活性。Lopez-Andres et al.(2013)發現白堅木單寧酸并未在胃腸道中降解或吸收，但是在綿羊肝臟和血漿的抗氧化能力增加，這說明CT可能間接影響動物組織的抗氧化狀態。單寧酸蛋白絡合已經表明單寧酸的抗氧化活性降低但沒有消除(Riedl and Hagerman, 2001: Arts etal., 2002)。據推測，膳食單寧酸可能會在消化過程中使其他營養性抗氧化劑得以保留，也可能在消化過程中保護消化道中的蛋白質、碳水化合物和脂質免受的氧化損傷(Marshall and, Roberts, 1990)。然而，單寧酸在動物組織中的抗氧化機制尚不清楚。這一領域還需要進一步的研究，因為提高抗氧化能力被認為是飼喂單寧酸對動物健康和性能的最大收益之一。
單寧酸具有不同的抗炎活性(Mota et al., 1985; Terra et al.,2007; Sugiura et al., 2013; Park et al.,2014)，與抗氧化活性呈正相關(Gon?alves et al., 2005; Souza etal., 2007; Park et al., 2014)。體外研究表明，葡萄籽中的單寧酸通過調節細胞因子的表達可以降低低級別炎癥性疾病，如肥胖(Terra et al., 2007; Chacon et al.,2009)。從黑樹莓籽中提取的CT具有抑制脂多糖誘導RAW264.7細胞產生一氧化氮(NO)(一種誘導炎癥的促炎介質)的能力，顯示了其抗炎活性(Park et al.,2014)。寬苞水柏枝單寧酸水解物對巴豆油致小鼠耳部水腫及膠原誘導的DBA/1小鼠關節炎均有明顯的抗炎作用(Liu et al., 2015a,b)。作者推測抗炎作用機制與清除自由基的能力有關，而不是HT對NO和促炎細胞因子產生的抑制作用。來源于A. nodosum和Ecklonia cava的褐藻多酚在抑制細胞因子釋放(Dutot et al., 2012)、NO和前列腺素- E2產生的能力上也顯示出強大的抗炎作用(Wijesinghe et al., 2013)。需要指出的是，這一領域的研究大多是利用體外模型進行的。單寧酸在動物體內消化后的抗炎作用尚需在體內模型中進一步評價。
單寧酸已被證明對某些病毒有顯著的活性，例如…人體免疫缺陷病毒(HIV)，牛腺相關病毒和諾如病毒(Uchiumi et al., 2003: Dil Pasqualeet al. 2012: Zhang et al., 2012)。Yang等(2013)發現HT (訶子鞣酸)在體外具有相當大的抗71型腸道病毒活性，在小鼠模型中通過抑制病毒復制有效降低死亡率，緩解臨床癥狀。已經證明單寧酸對HIV-1的抑制作用通過作用于病毒逆轉錄酶(Tan et al . 1991)，蛋白酶(Xu et al ., 2000)，和整合酶(Au et al ., 2001)抑制HIV-1復制，或通過干擾gp41 sex-helix束形成(Liuet al . 2004)抑制HIV-1進入靶細胞。據報道，綠茶中的表沒食子兒茶素具有抑制丙型肝炎病毒(HCV)進入的作用(Ciesek et al.，2011; Calland et al., 2012)。Liu等(2015a,b)發現單寧酸(HT)抑制HCV進入和細胞間傳播，但不干擾細胞內HCV復制。三種HT (punicalagin punicalin andgeraniin)通過阻止cccDNA的形成和促進cccDNA的衰變，通過雙重機制抑制乙肝病毒ccDNA的生成(Liu et al.，2016)。Ueda等(2013)發現來源于柿子的單寧酸(Diospyros kaki)能顯著降低12種被測病毒的病毒感染性，而來源于綠茶、金合歡、五倍子的單寧酸只對部分病毒有效，蛋白質聚集似乎是柿子單寧酸抗病毒作用的基本機制。從E cava中分離的褐藻多酚對流感病毒神經氨酸酶(Ryu et al.,2011)，豬流行性腹瀉病毒(PEDV)和HIV-1 (Karadeniz et al.,2014)具有較強的抗病毒活性，其中豬流行性腹瀉病毒是通過抑制病毒進入和/或病毒復制(Kwon et al., 2013)。從Eisenia biclis分離的PT對小鼠諾如病毒(Eom et al.,2015)和人類乳頭狀瘤病毒(Kim and Kwak, 2015)也有類似的抗病毒活性。
以上信息表明，單寧酸具有不同的抗病毒活性，取決于化學成分和結構。雖然單寧酸的抗病毒方式不能完全理解，但是目前獲得的信息表明，抑制病毒吸附細胞，抑制病毒滲透進入細胞核和抑制病毒反轉錄酶可能是一些潛在的機制(Buzzini et al ., 2008)，單寧酸作為天然抗病毒制劑用于動物和家禽行業需要體內的研究進一步探索。