L-肉堿在水生動(dòng)物營養(yǎng)中應(yīng)用的研究進(jìn)展(上)

陳玉珂 藺麗麗

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林省水產(chǎn)技術(shù)推廣總站，吉林 長春 130012)

L-肉堿(L-Carnitine)又稱肉毒堿、維生素BT，是機(jī)體內(nèi)脂肪酸代謝的重要參與者，能將長鏈脂肪酸帶進(jìn)線粒體基質(zhì)，促進(jìn)脂肪酸的β氧化，為機(jī)體的生命活動(dòng)提供能量。肉堿是100多年前被俄國科學(xué)家Krimberg和Gulewitsch從肉浸汁中分離出來的，過去人們認(rèn)為它在黃粉蟲體內(nèi)的作用類似維生素，所以又稱它維生素BT。L-肉堿廣泛分布在動(dòng)植物細(xì)胞及微生物中，它在機(jī)體的許多生理代謝中都能發(fā)揮作用。研究表明L-肉堿具有提高機(jī)體耐受力、抗應(yīng)激、抗衰老和保護(hù)心臟及血管等作用。近年來，隨著微生物發(fā)酵技術(shù)的提高，L-肉堿的產(chǎn)量逐年升高，成本逐年降低，L-肉堿在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用更加廣泛，它已成為動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)，尤其是水生動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)的研究熱點(diǎn)。

一、L-肉堿的結(jié)構(gòu)和理化特性

肉堿有L型和D型兩種異構(gòu)體，目前認(rèn)為僅L型(即L-肉堿)在動(dòng)物體內(nèi)具有生理作用(圖1)。L-肉堿(β-羥基γ-三甲銨丁酸)，分子式為C7H15NO3，相對(duì)分子質(zhì)量為161.2，L-肉堿無臭、無味，為白色晶體或粉末。其分子結(jié)構(gòu)中的羥基能夠與脂肪酸發(fā)生脂化反應(yīng)，這也是它能夠攜帶長鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體的原因。另外，L-肉堿分子的飽和鍵和極性官能團(tuán)有良好的水溶性和吸濕性，因此L-肉堿純品極易吸潮，易溶于水，但微溶于乙醇，難溶于有機(jī)溶劑，且200℃以上仍很穩(wěn)定。

圖1 L-肉堿的分子結(jié)構(gòu)

二、L-肉堿在機(jī)體的代謝途徑

動(dòng)物體內(nèi)的L-肉堿主要來自于機(jī)體的內(nèi)源性合成(主要合成器官是肝臟)和外源攝入(飼料中添加)。L-肉堿在機(jī)體的內(nèi)源合成底物是賴氨酸和蛋氨酸，其中賴氨酸為其提供碳源和氮源，蛋氨酸則是甲基的供體。蛋氨酸和賴氨酸在煙酸、葉酸、維生素B6、維生素C及相關(guān)酶類的作用下經(jīng)過一系列反應(yīng)最終生成L-肉堿。肉堿在機(jī)體內(nèi)以游離肉堿和酯酰肉堿兩種形式存在，它們通過血液循環(huán)到達(dá)機(jī)體需要的部位。而外源攝入的肉堿則需通過動(dòng)物的采食行為進(jìn)入動(dòng)物食道，在小腸中通過主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)被吸收，再經(jīng)過血液循環(huán)到機(jī)體各組織。L-肉堿在促進(jìn)機(jī)體β氧化過程中被轉(zhuǎn)化為酯酰肉堿，最終進(jìn)入腎臟的酯酰肉堿會(huì)被腎小管重吸收，再回到機(jī)體發(fā)揮作用，僅有少量酯酰肉堿會(huì)經(jīng)尿排泄出體外。重吸收的肉堿經(jīng)門靜脈循環(huán)送回肝臟，再由肝臟到其他組織。

三、L-肉堿的生產(chǎn)和測定方法

1.L-肉堿的生產(chǎn)

由于L-肉堿廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、保健品、飼料(添加劑)等領(lǐng)域，市場潛力巨大。綜觀國內(nèi)外的研究報(bào)告，L-肉堿可通過直接提取、化學(xué)合成和生物合成3種方法制備。直接提取法不僅產(chǎn)量低，而且還需要很多純化步驟，其生產(chǎn)成本較高。而化學(xué)合成法可分為化學(xué)拆分法、以手性化合物為原料合成法及不對(duì)稱合成法3種途徑，這類方法生產(chǎn)工藝成熟、周期短、回報(bào)率高，是目前較為理想的合成方法。生物合成法主要有微生物發(fā)酵和酶轉(zhuǎn)化兩種方法。微生物發(fā)酵法主要是通過發(fā)酵培養(yǎng)菌體中含有L-肉堿的青霉、曲霉、根霉、酵母等微生物的方法來制備L-肉堿。酶轉(zhuǎn)化法則是通過動(dòng)物及微生物體內(nèi)存在的腈水解酶、酰胺酶和酯酶等酶類來拆分DL-肉堿的衍生物。這種方法雖然復(fù)雜，但生產(chǎn)效率高，可控性強(qiáng)，是目前相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，通過基因工程技術(shù)將一些微生物的特異基因重組到一起，獲得一種具有高轉(zhuǎn)化活性的合成肉堿微生物，這將是未來肉堿生產(chǎn)的方向和目前的研究熱點(diǎn)。

2.L-肉堿的測定方法

L-肉堿作為條件性必需營養(yǎng)素，廣泛應(yīng)用于人類醫(yī)藥、保健行業(yè)，要想充分發(fā)揮其功效，必須準(zhǔn)確把握其在各種產(chǎn)品中的含量。有關(guān)L-肉堿測定方法的報(bào)道很多，主要有非水滴定法、分光光度法、酶顯色法、放射性分析法、高效液相色譜法和液質(zhì)聯(lián)用法等。其中，非水滴定法和分光光度法的誤差較大，但這兩種方法對(duì)儀器要求低、操作簡便。若樣品中肉堿含量較高，且對(duì)結(jié)果沒有精確要求，可以采用這兩種方法。而酶顯色法雖然高靈敏度和特異性較好，但試驗(yàn)的重復(fù)性較差，且酶試劑昂貴。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中較少。放射性分析法靈敏度高，但有放射性污染，這限制了其應(yīng)用。高效液相色譜法和液質(zhì)聯(lián)用法是目前最常用的肉堿檢測方法。這種方法穩(wěn)定性好，精密度高，檢測結(jié)果最接近真實(shí)值，但對(duì)儀器配置要求較高。

四、L-肉堿的生物學(xué)功能

1.促進(jìn)脂肪酸進(jìn)入線粒體發(fā)生β氧化

長鏈脂肪酸的β氧化是脂肪酸分解的核心過程。在O2供應(yīng)充足的條件下，長鏈脂肪酸需要經(jīng)過復(fù)雜的生化過程才能被徹底氧化分解，最終釋放出大量ATP。具體過程：長鏈脂肪酸在脂酰CoA合成酶作用下被活化為脂酰CoA，長鏈脂酰CoA在線粒體外膜的肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1)催化下與L-肉堿生成脂酰肉堿，后者能夠透過線粒體膜進(jìn)入線粒體內(nèi)，脂酰肉堿又在線粒體內(nèi)膜上肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶II(CPTII)催化下重新分解為脂酰CoA和肉堿。脂酰CoA在線粒體基質(zhì)中在一系列酶作用下經(jīng)過脫氫、加水、再脫氫和硫解四步發(fā)生β氧化，生成水和ATP。而L-肉堿則會(huì)重新穿出到線粒體外，與其他脂肪酸結(jié)合。由整個(gè)過程可以看出，肉堿是長鏈脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)的載體。

2.影響氨基酸的代謝，提高蛋白質(zhì)的利用效率

動(dòng)物體內(nèi)L-肉堿的內(nèi)源性合成必須依賴于機(jī)體內(nèi)賴氨酸和蛋氨酸作為底物，所以機(jī)體的蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)速度被認(rèn)為是L-肉堿合成的限速因素。這種情況下，如果動(dòng)物機(jī)體攝入充足的外源L-肉堿就能有效地降低其內(nèi)源L-肉堿的合成，從而也就減少了機(jī)體蛋白質(zhì)的分解，達(dá)到節(jié)約賴氨酸和蛋氨酸效果。近年來，也有研究表明，動(dòng)物機(jī)體的L-肉堿水平也會(huì)影響機(jī)體非必需氨基酸代謝、機(jī)體氮的儲(chǔ)備以及蛋白質(zhì)沉積等生化過程。

3.抗疲勞，保護(hù)生物膜

在生物體內(nèi)，L-肉堿能夠清除體內(nèi)代謝所產(chǎn)生的過量脂肪?；?，消除因脂肪酰基積累對(duì)機(jī)體所產(chǎn)生的代謝毒性，從而起到抗疲勞的作用。在運(yùn)動(dòng)過程中，L-肉堿可以去除肌肉細(xì)胞因代謝產(chǎn)生的乙酰CoA和其他短鏈?；鵆oA化合物，通過調(diào)節(jié)機(jī)體乙酰CoA的比例來間接地保護(hù)肌肉細(xì)胞膜。而在肌肉運(yùn)動(dòng)過程中，肌肉和血液中乳酸鹽含量升高，易引起肌肉痙攣。肉堿可通過增加肌肝糖原儲(chǔ)備，減少運(yùn)動(dòng)后肌肝糖原的消耗來抑制乳酸生成，并將體內(nèi)脂酰輔酶A排出體外，從而起到抗氧化作用。另外，L-肉堿含有羥基，可結(jié)合體內(nèi)自由基，以次級(jí)抗氧化防御屏障成為生物膜的護(hù)衛(wèi)者。

4.其他功能

研究發(fā)現(xiàn)，L-肉堿在延緩衰老、預(yù)防糖尿病發(fā)生、遺傳性代謝疾病方面發(fā)揮巨大作用。

五、在水生動(dòng)物營養(yǎng)中的研究進(jìn)展

1.促進(jìn)水生動(dòng)物生長

魚類的生長性能(魚體增重)關(guān)系水產(chǎn)養(yǎng)殖者的切身利益。L-肉堿的促生長效應(yīng)則歸結(jié)于其對(duì)魚類脂肪酸代謝的促進(jìn)作用。陳玉珂等研究發(fā)現(xiàn)將L-肉堿(1毫克/升)強(qiáng)化鹵蟲后投喂草魚開口苗，草魚開口苗的生長性能可顯著提高，為草魚開口苗培育技術(shù)的完善提供了數(shù)據(jù)參考。田娟等在草魚的研究上亦發(fā)現(xiàn)添加200毫克/千克DL-肉堿可顯著提高魚體增重率5.70%。

2.提高飼料脂肪的利用率，節(jié)約蛋白質(zhì)

水生動(dòng)物對(duì)蛋白質(zhì)的需求量高于陸生動(dòng)物。水產(chǎn)飼料中的蛋白質(zhì)源主要來自魚粉，但由于魚粉資源緊張，價(jià)格高，為降低養(yǎng)殖成本，人們一直尋求在滿足動(dòng)物代謝需求的前提下，減少飼料中蛋白質(zhì)用量的方法。