γ-氨基丁酸在緩解奶牛熱應(yīng)激上的應(yīng)用前景

劉巖，楊光，林聰，竇鵬斐，毛宏祥，蘇衍菁

（上海奶牛研究所有限公司，上海 200436）

γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric acid, GABA），又名γ-氨酪酸，在生物界廣泛存在。GABA在1949年首先于馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)[1]，1950年從哺乳動(dòng)物體內(nèi)提取獲得[2]，是一種功能性非蛋白質(zhì)類氨基酸。GABA作為一種化學(xué)物質(zhì)可以人工合成，1975年被正式確認(rèn)為哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一種重要的神經(jīng)抑制劑，并參與生物體內(nèi)相應(yīng)的神經(jīng)生理活動(dòng)[3]。2009年衛(wèi)生部批準(zhǔn)其為新資源食品，研究表明，GABA具有鎮(zhèn)靜神經(jīng)、降血壓、促食欲、抗抑郁、提高免疫力等保健功效[4]，被廣泛地應(yīng)用于食品及醫(yī)藥保健等領(lǐng)域。在畜牧生產(chǎn)中，GABA作為一種功能性非蛋白質(zhì)類氨基酸飼料添加劑，因在提高畜禽生產(chǎn)性能、調(diào)節(jié)激素分泌、增強(qiáng)免疫能力及緩解熱應(yīng)激等方面的積極作用，越來越受到關(guān)注[5]。當(dāng)前夏季熱應(yīng)激成為限制我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問題。畜牧工作者嘗試從營(yíng)養(yǎng)調(diào)控、環(huán)境改善等幾方面來減少熱應(yīng)激對(duì)奶牛造成的影響，但效果不夠理想。因此，開發(fā)具有緩解熱應(yīng)激功能的添加劑逐漸成為研究重點(diǎn)。

1 GABA的理化性質(zhì)及制備方法

1.1 GABA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

GABA分子式為C4H9NO2，化學(xué)名為4-氨基丁酸，相對(duì)分子質(zhì)量為103.1，是一種白色結(jié)晶粉末，微臭，無旋光性，有潮解性，溶于水，微溶于熱乙醇，而不溶于乙醚、冷乙醇、苯等有機(jī)溶劑。熔點(diǎn)為202℃，當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，可分解為水和吡咯烷酮。

1.2 GABA的制備方法

(1)化學(xué)合成法。其原理是利用一種或幾種化學(xué)物質(zhì)作為原料，通過化學(xué)反應(yīng)得到GABA?；瘜W(xué)合成法因在實(shí)際生產(chǎn)過程中要使用危險(xiǎn)有毒試劑，化學(xué)反應(yīng)環(huán)境不好，成本高、產(chǎn)率低，并且存在化學(xué)成分殘留，以及安全隱患問題，所以不能用于食品、藥品等領(lǐng)域[6]。

(2)微生物發(fā)酵法。其是運(yùn)用微生物發(fā)酵技術(shù)，經(jīng)過篩選得到品種優(yōu)良、穩(wěn)定、高產(chǎn)以及無毒無害的菌種，進(jìn)而生產(chǎn)出穩(wěn)定的GABA。微生物發(fā)酵法對(duì)環(huán)境的要求比較苛刻，對(duì)設(shè)備的要求較高。隨著微生物發(fā)酵技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，乳酸菌、酵母菌等菌種開始代替存在一定安全隱患的大腸桿菌來進(jìn)行生產(chǎn)，不但成本較低，還具有產(chǎn)量高、高效、安全性好等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展。

(3)植物富集法。其是一種新型開發(fā)的合成萃取提純技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用GABA含量較高的植物進(jìn)行分離提取，可獲得純度較高的GABA產(chǎn)品，具有安全、穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)[7]。

2 GABA緩解熱應(yīng)激的機(jī)理分析及效果

2.1 關(guān)于GABA緩解熱應(yīng)激的概述

應(yīng)激是指機(jī)體通過相應(yīng)的變化來維持自身的穩(wěn)態(tài)，對(duì)各種刺激所產(chǎn)生的非特異性反應(yīng)的總和。動(dòng)物在受到應(yīng)激時(shí)，刺激其腎上腺（HPA）軸活動(dòng)，加快促腎上腺皮質(zhì)激素及糖皮質(zhì)激素的分泌，但長(zhǎng)期的應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致腎上腺（HPA）軸反應(yīng)能力降低，機(jī)體調(diào)控應(yīng)激的能力減弱[8]。GABA作為一種抑制突觸的化學(xué)神經(jīng)抑制劑，可在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)參與機(jī)體的抑制性調(diào)控。當(dāng)GABA與相應(yīng)的受體結(jié)合后，神經(jīng)細(xì)胞胞膜的通透性增加，促進(jìn)氯離子轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致細(xì)胞超極化，引起突觸后抑制作用，從而減輕機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到緩解應(yīng)激的作用。

熱應(yīng)激是指當(dāng)外界溫度超過動(dòng)物機(jī)體調(diào)節(jié)自身體溫的能力范圍時(shí)，所造成一系列負(fù)面影響的現(xiàn)象。在我國(guó)，奶牛夏季遭受熱應(yīng)激情況嚴(yán)重，致使采食量及繁殖、生產(chǎn)、免疫性能下降[9,10]。有研究表明，當(dāng)外界溫度達(dá)到40℃時(shí)，奶牛采食量將降低40%，40℃以上時(shí)部分奶牛將會(huì)停止采食[11]。當(dāng)機(jī)體體溫升高時(shí)，奶牛通過加快呼吸頻率將熱量散發(fā)出去，以緩解熱應(yīng)激；當(dāng)機(jī)體自身不能調(diào)節(jié)熱平衡時(shí)，其直腸溫度和體表溫度升高。正常情況下奶牛直腸溫度為38℃，呼吸頻率小于50次/min。有研究表明，奶牛熱應(yīng)激期間，直腸溫度達(dá)41.21℃，呼吸頻率平均為86.87次/min[12]。體溫和呼吸頻率增加，通常會(huì)使奶牛處于能量負(fù)平衡的狀態(tài)[13]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起奶牛死亡。高溫之所以對(duì)奶牛采食量產(chǎn)生影響，一是高溫促使下丘腦的采食中樞對(duì)采食產(chǎn)生抑制作用；二是由于機(jī)體產(chǎn)熱機(jī)能減弱、散熱作用加強(qiáng)，皮膚血液循環(huán)量增加，腸胃中的血液流量減少，使得食物在腸胃中停留時(shí)間增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致采食量下降。同時(shí)，由于溫度升高，奶牛飲水量增加，也造成采食量相應(yīng)減少。由于采食量下降，攝入養(yǎng)分無法滿足機(jī)體需要，奶牛的生產(chǎn)性能將受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降。產(chǎn)奶量與環(huán)境溫度呈極度負(fù)相關(guān)，高溫是導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降的原因之一。熱應(yīng)激還會(huì)抑制甲狀腺功能，導(dǎo)致機(jī)體分泌的生長(zhǎng)激素減少，從而造成產(chǎn)奶量下降。同時(shí)，熱應(yīng)激還致使奶牛乳腺發(fā)生損傷，使牛奶中營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生相應(yīng)變化，致乳品質(zhì)降低[14]。據(jù)報(bào)道，人在炎熱的環(huán)境中休息，口服GABA可使體表溫度降低[15]，并通過GABA對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)及血管運(yùn)動(dòng)中樞的調(diào)節(jié)，有效地調(diào)節(jié)心血管活動(dòng)，促進(jìn)血管的擴(kuò)張，起到降低血壓的功效[16]，從而減輕熱應(yīng)激對(duì)機(jī)體造成的損傷。在畜禽生產(chǎn)上，添加GABA可以減輕熱應(yīng)激帶來的影響[17,18]，減輕高溫引起的自由基對(duì)機(jī)體的損害；在奶牛生產(chǎn)中，補(bǔ)充GABA可減輕熱應(yīng)激，同時(shí)提高奶牛的干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量，并改善牛奶成分[19]。

2.2 GABA可提高動(dòng)物的采食量

動(dòng)物的采食行為極其復(fù)雜，受中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等多因素的影響，目前對(duì)于GABA調(diào)控食欲的機(jī)制尚未完全明確。GABA作為一種重要的神經(jīng)抑制劑可通過多種方式調(diào)節(jié)動(dòng)物的采食行為。有研究表明，注射GABA受體激動(dòng)劑可影響動(dòng)物采食量[20]，說明神經(jīng)元對(duì)GABA的敏感性可能與動(dòng)物攝食行為的控制有關(guān)，一方面協(xié)同與促進(jìn)部分促食欲神經(jīng)肽的分泌，從而調(diào)節(jié)食欲，提高采食量；另一方面還會(huì)影響動(dòng)物腸胃消化系統(tǒng)，降低腸胃中感受器的敏感度，減少消化系統(tǒng)對(duì)動(dòng)物采食行為的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)動(dòng)物的采食量[21]；GABA還參與動(dòng)物的味覺調(diào)節(jié)進(jìn)而影響動(dòng)物的采食量。采食量是影響動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，有研究稱，日糧中添加不同水平的GABA可以顯著提高6～8月齡綿羊的平均日采食量，降低料重比，促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)[22]；在日糧中添加150mg/kg的GABA，肉鴨的日增重顯著提高[23]。

2.3 GABA可提高動(dòng)物的免疫能力

據(jù)報(bào)道，熱應(yīng)激會(huì)損害奶牛的免疫功能[24]。當(dāng)發(fā)生熱應(yīng)激時(shí)，一方面奶牛血液中γ-球蛋白含量顯著降低，導(dǎo)致奶牛免疫力下降；另一方面，奶牛血液中淋巴細(xì)胞增殖減弱，導(dǎo)致奶牛免疫力下降；同時(shí)，熱應(yīng)激使奶牛的干物質(zhì)采食量降低，機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝發(fā)生紊亂，間接地影響機(jī)體的免疫機(jī)能[25]。GABA可從多方面對(duì)機(jī)體的免疫能力進(jìn)行調(diào)節(jié)。有報(bào)道稱，GABA能夠促進(jìn)免疫系統(tǒng)分泌免疫球蛋白A，從而增強(qiáng)機(jī)體的免疫能力[26]；GABA可作為機(jī)體內(nèi)最主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，參與影響內(nèi)分泌系統(tǒng)激素的分泌與釋放，如促進(jìn)生長(zhǎng)激素的分泌，促進(jìn)抗體的合成，從而提高動(dòng)物的免疫能力[27]。此外，GABA通過提高動(dòng)物的采食量，為機(jī)體提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使免疫功能得到良好的保障[28]。

3 GABA 在奶牛熱應(yīng)激中的應(yīng)用

GABA作為生物體內(nèi)的一種天然非蛋白類氨基酸，是一種新型、高效、綠色、安全的動(dòng)物飼料添加劑。目前，GABA在緩解動(dòng)物熱應(yīng)激方面的應(yīng)用廣泛，而相比于單胃動(dòng)物，在反芻動(dòng)物特別是在奶牛熱應(yīng)激中的應(yīng)用卻少有報(bào)道。這是由于反芻動(dòng)物瘤胃的特殊性質(zhì)，瘤胃中的微生物能夠直接降解GABA，使其失去生物學(xué)功能。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用GABA緩解奶牛熱應(yīng)激的研究，大部分是對(duì)其進(jìn)行過瘤胃保護(hù)，以保證其在反芻動(dòng)物體內(nèi)發(fā)揮正常的生理功能。針對(duì)氨基酸類飼料進(jìn)行過瘤胃保護(hù)的方法有多種，在奶牛實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用物理包被的方式進(jìn)行過瘤胃保護(hù)，即選用一些特殊材料對(duì)氨基酸進(jìn)行包被以實(shí)現(xiàn)過瘤胃效果。通過比較未包被、棕櫚酸包被、棕櫚酸鈣包被GABA在瘤胃液中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)棕櫚酸包被GABA穩(wěn)定性高于棕櫚酸鈣包被GABA[29]。王迪銘[30]運(yùn)用固體棕櫚油脂對(duì)GABA進(jìn)行包被，證明其穩(wěn)定性得到了提高，保證了在真胃中的有效釋放。大量研究表明，在炎熱的環(huán)境下，飼喂包被GABA能夠起到緩解奶牛熱應(yīng)激的效果。而關(guān)于GABA的最佳飼喂量，各類研究報(bào)道卻不一致。Dawson等發(fā)現(xiàn)，直接飼喂高水平濃度GABA，對(duì)牛采食量無顯著影響[31]；Wang等針對(duì)不同生理階段奶牛進(jìn)行研究表明，日糧中添加經(jīng)瘤胃保護(hù)的GABA可提高奶牛的采食量、乳中乳蛋白的含量，圍產(chǎn)期、泌乳盛期日糧適宜添加量分別為1.2g/d、0.6g/d[32,33]；徐同锏認(rèn)為飼喂包被GABA能夠從激素水平上緩解熱應(yīng)激，促進(jìn)乳腺發(fā)育進(jìn)而提高奶牛奶產(chǎn)量，其最優(yōu)飼喂添加量為15g/d[34]；Cheng等研究表明，飼喂經(jīng)過瘤胃保護(hù)的GABA可減輕奶牛熱應(yīng)激，日糧中添加GABA的最佳水平為40mg/kg[35]；鐘剛研究表明，飼喂包被GABA可以增強(qiáng)奶牛的免疫功能和抗氧化能力，保持內(nèi)分泌穩(wěn)定[36]。

4 小結(jié)

目前，GABA在緩解奶牛熱應(yīng)激方面還存在一些不足之處。一方面，GABA在飼料中的適宜添加量及劑量過高時(shí)的安全性問題目前還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，仍需根據(jù)奶牛的生理情況和外界因素進(jìn)行大量研究。另一方面，GABA在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用存在不穩(wěn)定性，目前只能通過包被等處理方法來保證其穩(wěn)定。但可預(yù)見，隨著GABA的相關(guān)研究發(fā)展及其生產(chǎn)成本的降低，其在奶牛抗熱應(yīng)激中必將發(fā)揮更大的作用。