酮酸及衍生物的生理功能及在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

■李 杰 王曉翠

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

代謝有機(jī)酸是動(dòng)物機(jī)體物質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物，與體內(nèi)三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化有著密切的聯(lián)系，在機(jī)體能量和蛋白質(zhì)代謝過程中發(fā)揮著重要的作用。代謝有機(jī)酸主要包括酮酸、短鏈有機(jī)酸和低級(jí)脂肪酸等。酮酸是一類在生物體內(nèi)擁有重要作用的代謝有機(jī)酸，在能量和氨基酸新陳代謝方面發(fā)揮重要作用。目前，酮酸的研究主要集中在醫(yī)療和人的保健功能方面。研究發(fā)現(xiàn)，丙酮酸(Pyruvate，Pyr)具有增強(qiáng)心肌收縮力和肌肉運(yùn)動(dòng)持久力，以及降低脂肪的功能，丙酮酸鹽已經(jīng)開發(fā)成為減肥藥品[1-2]。α-酮戊二酸（α-Ketoglutarate，AKG）能幫助手術(shù)后病人恢復(fù)骨骼肌谷氨酞胺水平和提高慢性腎病患者血漿精氨酸水平，AKG已經(jīng)在老年病及術(shù)后恢復(fù)運(yùn)動(dòng)所需營(yíng)養(yǎng)等方面推廣應(yīng)用[3]。酮酸在醫(yī)學(xué)及醫(yī)藥方面的功能吸引人們嘗試進(jìn)行其在動(dòng)物生產(chǎn)中應(yīng)用的研究，但研究報(bào)道較少。為此，本文對(duì)酮酸及其衍生物在醫(yī)學(xué)和動(dòng)物生產(chǎn)中的研究和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論和科學(xué)依據(jù)。

1 可應(yīng)用酮酸及衍生物的種類及生物學(xué)功能

1.1 可應(yīng)用酮酸及衍生物的種類

酮酸分為α、β、γ-酮酸，其中α、β-酮酸是人和動(dòng)物體內(nèi)糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物。α-酮酸主要包括丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸及氨基酸脫羧后的酮酸。它們?cè)谏矬w內(nèi)的主要作用是通過丙酮酸（Pyr）、α-酮戊二酸或草酰乙酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最后轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，為機(jī)體代謝提供能量[4]。脫羧后的酮酸還可以在酶的作用下還原成氨基酸。β-酮酸不穩(wěn)定，乙酰乙酸是最簡(jiǎn)單的β-酮酸，它是脂肪酸在肝臟中氧化生成的一種中間代謝產(chǎn)物[5]。

研究較多的酮酸衍生物主要包括肌酸（Cre?atine，Cr）、丙酮酸肌酸(Creatinepyruvate，CrPyr）、氨基乙酰丙酸(ALA）等。肌酸是一種氨基酸衍生物，其具有促進(jìn)肌肉糖元儲(chǔ)備和肌纖維發(fā)育等生物學(xué)功能。CrPyr是人工合成的生理調(diào)節(jié)劑，其功能與肌酸類似。ALA與動(dòng)物的血紅素合成和代謝有關(guān)。

1.2 可應(yīng)用酮酸的生物學(xué)功能

丙酮酸是能量代謝過程中具有關(guān)鍵作用的中間產(chǎn)物，在三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝聯(lián)系中起著重要的樞紐作用。同時(shí)，丙酮酸是有氧氧化中至關(guān)重要的中間產(chǎn)物，是心肌活動(dòng)所需的能量，可改善心肌泵血能力，丙酮酸還具有降低動(dòng)物體脂肪和血脂水平，提高骨骼肌的運(yùn)動(dòng)耐力及抗氧化等功能[6]。

AKG是三羧酸循環(huán)重要的中間產(chǎn)物，也是一些氨基酸經(jīng)過脫氨基后形成的中間產(chǎn)物。AKG可通過三羧酸循環(huán)最終氧化分解為二氧化碳和水，同時(shí)釋放出能量。此外，AKG是生物體內(nèi)谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸的合成前體。AKG有利于動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，抑制蛋白質(zhì)降解，可作為腸上皮細(xì)胞的一種選擇性代謝燃料，維持胃腸上皮細(xì)胞的完整性[3]。乙酰乙酸是脂肪酸在肝臟中氧化生成的一種物質(zhì)。許多組織可以使用乙酰乙酸等酮體作為一種和葡萄糖一樣優(yōu)先使用的能量來源[5]。

肌酸在骨骼肌能量代謝中發(fā)揮重要作用。一水肌酸是肌酸的一水化合物，是外源性補(bǔ)充肌酸的主要形式，是目前運(yùn)動(dòng)員提高肌肉力量的應(yīng)用型營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)劑。丙酮酸肌酸是人工合成的生理調(diào)節(jié)劑，能增強(qiáng)機(jī)體代謝功能。丙酮酸肌酸具有增強(qiáng)肌肉耐力、提高肌肉舒張速度，并促進(jìn)機(jī)體脂肪的分解等功能。丙酮酸肌酸兼有肌酸的特性和丙酮酸的功能[7]。ALA是動(dòng)物體內(nèi)卟啉化合物的前體，參與血紅素和肌紅素的合成和代謝，能夠調(diào)節(jié)血紅細(xì)胞和肌紅細(xì)胞的數(shù)量，并參與細(xì)胞色素的合成，提高動(dòng)物機(jī)體的免疫力和抗氧化能力[8]。

2 酮酸在動(dòng)物體內(nèi)的主要生理功能

2.1 利于動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，抑制蛋白質(zhì)降解

Piva等[9]研究了無氮日糧中AKG對(duì)大鼠氮損失的影響，AKG的添加量分別為0、3、6 g/kg，飼喂14 d后結(jié)果表明，添加AKG顯著降低尿氮損失，降低量為18%～22.2%。韓劍眾等[10]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在豬飼料中添加一水肌酸(CMH)導(dǎo)致豬血清尿素氮降低，同時(shí)血清白蛋白和總蛋白含量升高，表明機(jī)體蛋白質(zhì)分解減弱而合成相對(duì)加強(qiáng)。王曼等[11]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，1%丙酮酸肌酸可使肉雞肌肉和肝臟中胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）的mRNA轉(zhuǎn)錄水平和肌肉中生肌調(diào)節(jié)因子的mRNA表達(dá)水平均顯著提高，這表明肌肉中被激活的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)目增多，肌肉的生長(zhǎng)速度加快。

2.2 提高機(jī)體免疫功能

羅發(fā)洪等[12]在仔豬飼糧中分別添加0、1、2、3 mg/kg ALA，3個(gè)試驗(yàn)組豬的紅細(xì)胞數(shù)量、血紅蛋白含量和白細(xì)胞數(shù)量均有所提高，豬的免疫功能得到改善。Chen等[13]研究結(jié)果顯示，在飼糧中添加10 mg/kg ALA提高仔豬血液中血紅蛋白和鐵含量及紅細(xì)胞和白細(xì)胞數(shù)量，并提高仔豬飼糧干物質(zhì)和氮消化率。由此提高了仔豬的免疫力。

夏利寧[14]研究了中草藥和中草藥+AKG對(duì)斷奶大鼠腸道和系統(tǒng)免疫的影響，結(jié)果表明，中草藥+AKG可顯著提高小腸上皮淋巴集結(jié)面積，提高腸道IgA的含量，促進(jìn)腸相關(guān)淋巴組織的生長(zhǎng)發(fā)育。而AKG+中草藥對(duì)大鼠免疫力的提高程度大于單獨(dú)使用中草藥。

2.3 抗氧化作用

丙酮酸的一個(gè)重要作用是抗氧化、抑制自由基生成，并促進(jìn)自由基清除。Cicalese等[15]研究了丙酮酸對(duì)移植小腸片段再灌注損傷的影響，發(fā)現(xiàn)灌注丙酮酸后的小腸片段可顯著抑制自由基的生成，并使小腸黏膜上的絨毛和腺體保持完整未受到損傷。Borle等[16]也同樣觀察到灌注丙酮酸可降低大鼠體內(nèi)的自由基產(chǎn)生量，并降低對(duì)鼠肝細(xì)胞由于缺氧而造成的損傷。

ALA能夠提高超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)的活性，因而具有抗氧化功能。胡泉州[3]在仔豬日糧中添加0.5%和1.0%的AKG，其血漿中SOD活性有升高的趨勢(shì)，血漿丙二醛（MDA）含量具有降低的趨勢(shì)。說明AKG具有提高機(jī)體清除氧自由基的能力，從而改善仔豬機(jī)體抗氧化能力。

2.4 降低體內(nèi)脂肪含量

朱惠蓮等[17]在肥胖大鼠飼料中添加300、600、1 500(mg/kg體重)的丙酮酸混合物，發(fā)現(xiàn)在飼養(yǎng)4周后，高、中劑量丙酮酸可顯著降低大鼠的腹后壁脂肪重量，并顯著降低血清低密度脂蛋白、膽固醇和甘油三酯（TG）含量。Stanko等[18-19]進(jìn)行兩個(gè)試驗(yàn)，觀察丙酮酸鹽和二羥丙酮混合物對(duì)大鼠和豬脂肪沉積的影響，結(jié)果顯示丙酮酸鹽混合物可顯著降低大鼠和豬的體脂肪含量，而對(duì)體蛋白質(zhì)和肌肉含量沒有影響。研究認(rèn)為，外源性丙酮酸是通過提高丙酮酸脫氫酶系活性，催化丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，由此加快三羧酸循環(huán)，抑制脂肪的合成，從而起到降低體脂肪的作用[20]。

王曼等[11]將1%丙酮酸肌酸添加到AA肉雞飼料中，結(jié)果顯示，丙酮酸肌酸可顯著降低肉雞腹脂率，降低肝臟和血清中TG含量，使脂肪分解代謝加強(qiáng)，合成能力減弱。丙酮酸肌酸可提高肝臟組織中過氧化物酶體增殖物激活受體-α(PPARα)和肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-Ⅰ(CPT-Ⅰ)的mRNA表達(dá)，PPARα通過基因轉(zhuǎn)錄水平直接調(diào)控脂類代謝相關(guān)酶或蛋白抑制脂肪酸合成及促進(jìn)TG的分解，而CPT-Ⅰ是脂肪酸β-氧化過程中的限速酶，其表達(dá)量升高意味著脂肪分解增加，這兩者一起最終導(dǎo)致體脂沉積減少。

3 酮酸對(duì)畜禽生長(zhǎng)性能的影響

胡泉州[3]研究結(jié)果表明，AKG具有提高斷奶仔豬日增重、采食量和飼料轉(zhuǎn)化率的趨勢(shì)，當(dāng)AKG添加水平達(dá)到一定量時(shí)，再提高添加水平并未進(jìn)一步改善仔豬的生長(zhǎng)性能。黃冠慶等[21]試驗(yàn)結(jié)果顯示，在黃羽肉雞飲水中添加AKG[2 g/(只·d)]具有提高日增重的趨勢(shì)，并顯著提高飼料凈蛋白和能量利用率，顯著提高血清總蛋白含量，顯著降低血清尿素氮含量。周春寶等[22]在豬飼料中分別添加0%、0.5%、1%的丙酮酸鈣，試驗(yàn)結(jié)果表明，1%丙酮酸鈣組平均膘厚比0%、0.5%丙酮酸鈣組降低34.8%和30.7%；1%組眼肌面積較0%、0.5%組分別增加22%、7%；1%組瘦肉率比對(duì)照組和0.5%組分別增加4%和2.07%。而添加丙酮酸鈣對(duì)花油率、板油率、屠宰率影響不顯著。

王曼[11]在1日齡AA雄性肉雞飼糧中添加1%的丙酮酸肌酸不影響肉仔雞生長(zhǎng)速度和采食量，但增加胸肌率，顯著降低腹脂率。5%丙酮酸肌酸導(dǎo)致肉仔雞生長(zhǎng)速度略有降低，10%的丙酮酸肌酸顯著降低肉仔雞的生長(zhǎng)速度和采食量，并可顯著降低肉雞體脂肪和血脂水平。陳娟[23]在肉仔雞日糧中分別添加5%丙酮酸肌酸、2%丙酮酸和3%肌酸，3個(gè)試驗(yàn)組肉雞的日增重和日采食量均顯著低于對(duì)照組，3組肉雞的腹脂率也均呈下降的趨勢(shì)。韓劍眾等[10]研究了一水肌酸（CMH）對(duì)肥育豬生長(zhǎng)和肉質(zhì)的影響以及適宜添加水平，結(jié)果表明，當(dāng)CMH添加劑量在500～1 000 g/t之間時(shí)，肥育豬的增重有提高的趨勢(shì)，料重比下降，以500 g/t組最明顯，其增重提高6.7%，但差異不顯著；料重比則下降10%，眼肌面積提高9.04%，背最長(zhǎng)肌率提高15.73%；當(dāng)一水肌酸添加量高于2 000 g/t時(shí)，日增重有所降低。當(dāng)酮酸添加量在0.5%～1.0%時(shí)，可顯著降低體脂肪和血脂水平，而對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)沒有影響[11]。以上試驗(yàn)結(jié)果均表明，高濃度酮酸可降低動(dòng)物生長(zhǎng)速度，并降低體脂肪含量。不同的酮酸物質(zhì)在畜禽飼料中適宜的添加量有待進(jìn)一步的研究確定。

4 酮酸在畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用存在的問題及應(yīng)用前景

代謝有機(jī)酸是動(dòng)物機(jī)體代謝過程的中間產(chǎn)物，利用某種代謝產(chǎn)物來促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)及代謝是一種新的概念?，F(xiàn)在育種科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展大大提高了畜禽的生長(zhǎng)速度，使得動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的代謝相應(yīng)加快，所需要的可快速轉(zhuǎn)化的能量和物質(zhì)就增多。代謝有機(jī)酸，尤其是酮酸可以直接氧化放能和合成氨基酸，這可能就是這些代謝有機(jī)酸對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)和機(jī)體物質(zhì)代謝有促進(jìn)作用的原因。但由于這方面的研究剛剛起步，尚有大量的問題亟待解決。

首先，目前研究的代謝酮酸主要是應(yīng)用在人的醫(yī)療保健方面，價(jià)格較貴。二是目前所研究酮酸及其衍生物在飼料中的添加量差異較大，酮酸的添加量因種類不同而不同。以促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)為目的，酮酸的添加劑量在1 000 g/t左右，添加量超過2 000 g/t以上時(shí)不利于動(dòng)物生長(zhǎng)[23]。高劑量酮酸可降低動(dòng)物脂肪的沉積，但對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)有抑制作用，同時(shí)增加了飼料成本。因此，各種酮酸適宜添加量有待于進(jìn)一步研究確定。三是酮酸品種較少，而且研究和開發(fā)的代謝酮酸都是人醫(yī)療和保健中所應(yīng)用的物質(zhì)。

研究證明，包括酮酸在內(nèi)的代謝有機(jī)酸對(duì)畜禽具有一定的促生長(zhǎng)和保健功能，其應(yīng)用前景較為可觀，但需要做的研發(fā)工作也較多。首先尋找價(jià)格低廉、且無毒無害的代謝有機(jī)酸；二是研究在不同畜禽種類飼料中的各種代謝有機(jī)酸適宜的添加量；三是研究這些代謝有機(jī)酸對(duì)不同種類畜禽的生長(zhǎng)、采食量、各種生理生化指標(biāo)、物質(zhì)代謝的影響以及促生長(zhǎng)和調(diào)節(jié)代謝的機(jī)理。