肌酸補(bǔ)充劑的生物學(xué)功能及其在肉禽生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展

段斌斌 邢 通 張 林 高 峰

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，江蘇省動(dòng)物源食品生產(chǎn)與安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210095)

近年來，遺傳育種、營養(yǎng)調(diào)控、環(huán)境條件控制等現(xiàn)代養(yǎng)殖技術(shù)的應(yīng)用使肉禽生長速度和肌肉產(chǎn)量均顯著提高，這有力保障了禽肉的供給量。但是，同時(shí)也出現(xiàn)了肉禽對(duì)應(yīng)激更敏感，禽肉品質(zhì)普遍不高，類蒼白、松軟、汁液滲出樣(PSE)肉、木質(zhì)化雞胸肉等異質(zhì)肉的發(fā)生率也不斷升高，嚴(yán)重影響了禽肉的感官品質(zhì)、食用品質(zhì)及加工性能，不僅引起消費(fèi)者抱怨，而且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。飼糧是影響家禽生長性能和肉品質(zhì)的重要因素之一，通過營養(yǎng)調(diào)控手段改善禽肉品質(zhì)已受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，并取得了一定進(jìn)展。

肌酸(creatine，Cr)是一種在細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)中起重要作用的天然氨基酸衍生物，人體中約有95%的Cr儲(chǔ)存在骨骼肌中，剩余的5%主要分布在大腦、腎臟、肝臟和睪丸中[1]。Cr主要存在于肉類與魚類等動(dòng)物源食物中，并作為一種功能性膳食補(bǔ)充劑被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。人和動(dòng)物體內(nèi)約2/3的Cr與無機(jī)磷酸鹽(inorganic phosphate，Pi)結(jié)合并以磷酸肌酸(phosphocreatine，PCr)的形式儲(chǔ)存，其余以游離Cr的形式儲(chǔ)存[2]。當(dāng)體內(nèi)ATP消耗過多時(shí)，PCr可向二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)提供高能磷酸鍵以再生ATP，是骨骼肌和大腦等高能耗組織ATP合成的儲(chǔ)備物質(zhì)，對(duì)機(jī)體能量代謝起重要調(diào)控作用[3]。隨著人們對(duì)Cr的營養(yǎng)作用認(rèn)識(shí)的深入，越來越多的肌酸補(bǔ)充劑也被應(yīng)用到肉禽養(yǎng)殖實(shí)踐中，此類添加劑在促進(jìn)肉禽生長、緩解應(yīng)激、改善肉品質(zhì)等方面體現(xiàn)出了積極效果，具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。本文介紹了當(dāng)前市場(chǎng)上4種主要肌酸補(bǔ)充劑的理化特性、代謝途徑和生物學(xué)功能，并總結(jié)了肌酸補(bǔ)充劑在肉雞、肉鴨和肉鵝養(yǎng)殖實(shí)踐中的研究進(jìn)展，指出了當(dāng)前肌酸補(bǔ)充劑應(yīng)用中存在的問題及未來研究方向，以期為新型飼料添加劑開發(fā)和優(yōu)質(zhì)禽肉生產(chǎn)提供參考。

1 肌酸補(bǔ)充劑主要種類及理化性質(zhì)

目前，肌酸補(bǔ)充劑應(yīng)用最廣泛的是一水肌酸(creatine monohydrate，CMH)，CMH的安全性已經(jīng)得到了大量研究的證實(shí)，未對(duì)人體機(jī)能產(chǎn)生副作用[6-7]。然而，CMH微溶于水，這在一定程度上影響了其在人和動(dòng)物消化道的吸收效率。為了克服溶解性差、利用率不高的問題，研發(fā)出了胍基乙酸(guanidinoacetic acid，GAA)、丙酮酸肌酸(creatine pyruvate，CrPyr)和肌酸硝酸鹽(creatine nitrate，CrN)等新型肌酸補(bǔ)充劑[8]，其主要理化性質(zhì)見表1[8-11]。

表1 不同類型肌酸補(bǔ)充劑的理化性質(zhì)

2 Cr在動(dòng)物體內(nèi)的代謝途徑

動(dòng)物主要通過機(jī)體內(nèi)源合成和飼糧提供2個(gè)途徑獲取Cr，其內(nèi)源合成包括2個(gè)關(guān)鍵步驟(圖1)：第一步主要發(fā)生在腎臟和胰腺中，L-精氨酸和甘氨酸在L-精氨酸甘氨酸脒基轉(zhuǎn)移酶(L-arginine-glycine amidinotransferase，AGAT)的催化下生成GAA和鳥氨酸；第二步，GAA通過血液循環(huán)到達(dá)肝臟，在胍基乙酸甲基轉(zhuǎn)移酶(guanidinoacetate methyltransferase，GAMT)的催化下與S-腺苷蛋氨酸(S-adenosyl methionine，SAM)反應(yīng)合成Cr。理論上講，膳食中添加肌酸補(bǔ)充劑具有節(jié)約精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸的效果，使其更多用于蛋白質(zhì)合成[12]。內(nèi)源合成和外源攝取的Cr可通過血液循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)焦趋兰『痛竽X等消耗能量比較多的組織和器官，再經(jīng)肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(creatine transporter，CreaT)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞[13-14]。細(xì)胞內(nèi)的Cr在肌酸激酶(creatine kinase，CK)磷酸化的作用下生成PCr，作為能量的暫時(shí)儲(chǔ)存物質(zhì)。當(dāng)肌細(xì)胞內(nèi)ATP消耗速度過快時(shí)，PCr可提供高能磷酸鍵用于ADP再合成ATP[15-16]。CK存在多種亞型，在Cr和PCr構(gòu)成的能量穿梭系統(tǒng)中(亦稱Cr/PCr系統(tǒng))憑借不同亞型的CK及其亞細(xì)胞定位充當(dāng)高能磷酸鹽的能量穿梭機(jī)。CK在線粒體ATP產(chǎn)生位點(diǎn)和ATP使用位點(diǎn)之間轉(zhuǎn)運(yùn)能量，當(dāng)存在Cr時(shí)，位于線粒體內(nèi)外膜之間線粒體肌酸激酶(mitochondrial creatine kinase，MtCK)可催化氧化磷酸化產(chǎn)生的部分ATP轉(zhuǎn)化為PCr以存儲(chǔ)能量[17-18]。

體內(nèi)Cr/PCr系統(tǒng)是細(xì)胞內(nèi)ATP快速再生的重要能量來源，該系統(tǒng)作為ADP與ATP循環(huán)的備份，可通過ADP和Pi的重組再生ATP，在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存和調(diào)動(dòng)能量以滿足骨骼肌、大腦等高耗能組織的能量需要，并且維持ATP/ADP比率和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[19]。然而，骨骼肌或大腦等組織中PCr和ATP的總儲(chǔ)量較小，在高強(qiáng)度工作中會(huì)迅速消耗。當(dāng)肌細(xì)胞中的PCr儲(chǔ)備耗盡，ATP的再合成必須通過厭氧糖酵解進(jìn)行，ATP的輸出功率也隨之下降[20]。因此，提高肌細(xì)胞中Cr和PCr的含量有助于增強(qiáng)Cr/PCr系統(tǒng)的供能作用，從而延緩厭氧糖酵解的進(jìn)程，減少乳酸的積累[21]。

3 肌酸補(bǔ)充劑的主要生物學(xué)功能

3.1 增加體內(nèi)總肌酸池容量

Cr和PCr共同構(gòu)成Cr/PCr池，在骨骼肌、大腦、巨噬細(xì)胞和精子細(xì)胞等能量需要高的組織和細(xì)胞的能量代謝中起重要的調(diào)節(jié)作用。機(jī)體內(nèi)細(xì)胞獲取Cr主要通過特定的鈉離子(Na+)依賴性肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從血漿中獲取，并轉(zhuǎn)運(yùn)Cr到骨骼肌等耗能較高的組織發(fā)揮作用[23]。育肥豬飼糧中添加0.8% CMH或0.1% GAA均可顯著提高背最長肌中Cr和PCr的含量，并提高半腱肌中PCr和肝臟中Cr的含量[24]；肉雞(1～39日齡)飼糧中添加0.6或1.2 g/kg的GAA可顯著提高胸肌PCr、Cr和總肌酸(PCr+Cr)含量[25]。這些研究結(jié)果表明，補(bǔ)充外源Cr或其合成的前體物均可增加肌肉組織中Cr/PCr池的能量儲(chǔ)備。

ADP：二磷酸腺苷 adenosine diphosphate；ATP：三磷酸腺苷 adenosine triphosphate；AGAT：L-精氨酸甘氨酸脒基轉(zhuǎn)移酶 L-arginine-glycine amidinotransferase；CK：肌酸激酶 creatine kinase；Cr：肌酸 creatine；CreaT：肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體 creatine transporter；ETC：電子傳遞鏈 electron transport chain；GAMT：胍基乙酸甲基轉(zhuǎn)移酶 guanidinoacetate methyltransferase；MtCK：線粒體肌酸激酶 mitochondrial creatine kinase；PCr：磷酸肌酸 phosphocreatine。

3.2 延緩肌肉糖酵解

動(dòng)物宰后血液循環(huán)中止導(dǎo)致肌肉組織供氧不足，此時(shí)供能途徑以厭氧糖酵解為主，在產(chǎn)生少量ATP的同時(shí)伴隨大量乳酸的生成，而乳酸的過度積累會(huì)造成肌肉pH和系水力過低，甚至產(chǎn)生PSE豬肉、類PSE禽肉等異質(zhì)肉[26]。諸多文獻(xiàn)報(bào)道，肌酸補(bǔ)充劑能夠延緩宰后肌肉的糖酵解速率，降低乳酸和氫離子(H+)的生成。飼糧添加1 g/kg的GAA可顯著降低育肥豬背最長肌中己糖激酶活性和乳酸的含量，延緩糖酵解，提高豬肉的pH和系水力[27]。宰前2周飼糧中添加1 200 mg/kg的CMH顯著提高肉雞胸大肌中Cr和PCr含量，延緩宰后肌肉糖酵解，緩解由宰前運(yùn)輸應(yīng)激引起的雞胸肉品質(zhì)的下降[28]。上述研究結(jié)果表明，飼糧中添加適量的肌酸補(bǔ)充劑能夠改善肌細(xì)胞能量狀態(tài)，延緩宰后糖酵解，減少乳酸的生成，提高肌肉pH和系水力，起到改善肉質(zhì)的作用。一磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種代謝傳感器，它能感知細(xì)胞內(nèi)能量變化，調(diào)控能量代謝，調(diào)節(jié)宰后肌肉糖酵解速率[29-30]。Cr調(diào)控肌肉糖酵解的可能途徑是通過抑制AMPK信號(hào)通路的表達(dá)，降低肌肉糖酵解限速酶的活性進(jìn)而減弱糖酵解代謝，減少乳酸的積累，最終起到改善肉品質(zhì)的作用[29]。

3.3 抗氧化作用

4 肌酸補(bǔ)充劑在肉禽生產(chǎn)上的應(yīng)用效果

4.1 CMH

CMH是肌酸的一水化合物，分子式為C4H9N3O2·H2O，肉雞養(yǎng)殖試驗(yàn)結(jié)果顯示，CMH具有提高生長性能、改善肉品質(zhì)和增強(qiáng)能量代謝等作用。據(jù)報(bào)道，體重1 kg左右肉雞的Cr需求量為98.3 mg/d，2.05 kg肉雞的Cr需求量增加到137.6 mg/d，并且分別對(duì)應(yīng)的2種體重肉雞飼糧中Cr的最佳添加水平分別為0.077%和0.068%[36]。吳昊等[37]向32～47日齡的愛拔益加(AA)肉雞(預(yù)試期5 d)飼糧中分別添加0.4%、0.8%或1.6%的CMH，發(fā)現(xiàn)3個(gè)添加組肉雞的平均日增重、胸肌率和腿肌率均顯著提高，建議0.4%為這一生長階段肉雞的適宜添加量。但也有部分研究并未發(fā)現(xiàn)CMH對(duì)肉雞的生長性能有促進(jìn)作用。Xia等[38]研究發(fā)現(xiàn)，42～63日齡黃羽肉雞飼糧中添加250、500或1 000 mg/kg的CMH對(duì)其生長性能和胴體性狀均無顯著影響。此外，程靈豪等[39]研究發(fā)現(xiàn)，向25～40日齡的櫻桃谷肉鴨飼糧中添加0.05%或0.40%的CMH均可顯著提高肉鴨的腿肌率和瘦肉率，且緩解肉鴨宰后胸肌、腿肌pH的下降，具有提高系水力的趨勢(shì)。同樣，吳娟等[40]研究發(fā)現(xiàn)，26～36日齡櫻桃谷肉鴨飼糧中添加0.4%的CMH可顯著提高肉鴨宰后胸肌pH和血清中Cr含量，顯著降低胸肌乳酸含量。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，CMH的添加效果與肉禽的生長階段、CMH的添加量及試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。

應(yīng)激是肉禽養(yǎng)殖中不可忽視的問題之一，多種應(yīng)激都會(huì)對(duì)肉禽養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。AA肉雞宰前2周(28～42日齡)飼糧中添加600和1 200 mg/kg的CMH對(duì)肉雞的生長性能和3 h運(yùn)輸后肌肉的抗氧化能力均無顯著改善作用，但1 200 mg/kg的CMH可顯著降低血漿皮質(zhì)酮含量，緩解肉雞的應(yīng)激反應(yīng)，降低肌肉糖酵解速率，提高胸肉pH和系水力，其機(jī)理是CMH顯著上調(diào)胸肌中CreaT表達(dá)，提高Cr/PCr系統(tǒng)能量緩沖作用，改善肌肉能量狀態(tài)，抑制運(yùn)輸應(yīng)激導(dǎo)致的肝激酶B1(liver kinase B1，LKB1)/AMPK通路的激活，從而降低肌肉糖酵解速率，改善胸肉品質(zhì)[28-29,41]。這與張柏林等[42]在研究補(bǔ)飼0.12% CMH對(duì)宰前運(yùn)輸黔東南小香雞生長性能和肉品質(zhì)影響的試驗(yàn)結(jié)果較一致。此外，29～42日齡北京鴨飼糧中添加700和1 400 mg/kg的CMH可顯著提高2 h運(yùn)輸后肉鴨血清葡萄糖含量和肌肉供能效率，降低胸大肌中乳酸含量，延緩肌肉糖酵解，有利于維持胸肉品質(zhì)[42]。上述研究結(jié)果表明，CMH具有緩解宰前運(yùn)輸對(duì)肉雞和肉鴨造成的應(yīng)激反應(yīng)，改善宰后禽肉品質(zhì)，這對(duì)于保障優(yōu)質(zhì)禽肉生產(chǎn)具有重要意義。

4.2 GAA

植物性飼料原料為主的家禽飼糧中不含Cr，這就導(dǎo)致除外源添加外，禽類對(duì)Cr的需求只能依賴于自身內(nèi)源性的合成，這增加了機(jī)體對(duì)精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸等合成Cr的前體氨基酸的需求[43]。GAA作為體內(nèi)Cr合成的前體物，成本更低且飼糧添加GAA能有效地節(jié)約精氨酸、甘氨酸在內(nèi)源性GAA合成過程的消耗，這使得GAA在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用更廣泛[44]。GAA對(duì)肉禽的生長性能、屠宰性能、肉品質(zhì)和抗氧化能力等有一定的促進(jìn)作用。在精氨酸缺乏的飼糧中添加0.12% GAA可顯著提高雛雞的生長性能，表明補(bǔ)充GAA理論上能有效地節(jié)約精氨酸的利用，還能通過促進(jìn)Cr合成為機(jī)體的生長和其他生理代謝活動(dòng)提供充足的能量[45]。Borges等[46]報(bào)道，飼糧添加0.20% GAA可提高1～14日齡肉雞的體增重，降低料重比。He等[47]研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)飼600、800、1 000或1 200 mg/kg的GAA通過影響肉雞體內(nèi)Cr代謝和必需氨基酸利用效率，提高1～42日齡肉雞的平均日增重和飼料轉(zhuǎn)化率，有效提高肉雞生長性能，并認(rèn)為600 mg/kg的GAA是提高肉雞生長性能的最小添加劑量。這與Boney等[48]的研究結(jié)果相似。王亞瓊等[49]報(bào)道，10～42日齡櫻桃谷肉鴨飼糧中添加0.05%的GAA可提高上市日齡肉鴨的半凈膛率、全凈膛率和腿肌率。此外，肉雞、肉鴨和肉鵝上的研究結(jié)果均表明，GAA具有促生長、改善肉品質(zhì)的效果，且與蛋氨酸聯(lián)合使用的效果優(yōu)于GAA單獨(dú)添加效果[50-53]。也有研究發(fā)現(xiàn)，GAA具有抗氧化、抗應(yīng)激的作用。周璐[53]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加0.02%～0.08% GAA能提高肉鵝血清中總抗氧化能力(T-AOC)、還原性谷胱甘肽(GSH)含量以及超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶的活性。此外，GAA能通過提高肉雞胸肌中Cr和PCr的含量，改善細(xì)胞能量狀態(tài)，緩解肉雞運(yùn)輸應(yīng)激，提高熱應(yīng)激肉雞的飼料轉(zhuǎn)化率和存活率[25,54]?？傮w而言，植物性飼糧中補(bǔ)充GAA具有改善肉禽生長性能、抗應(yīng)激和改善肉品質(zhì)等作用效果，表明GAA是Cr的有效補(bǔ)充劑。

4.3 其他肌酸補(bǔ)充劑

目前，除CMH和GAA外，市場(chǎng)上還有CrPyr和CrN等新型肌酸補(bǔ)充劑。有報(bào)道指出，肉雞飼糧中添加5% CrPyr能通過降低肝臟甘油三酯和血清總膽固醇含量以及抑制ATP合酶、膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白和肌肉抑制素的表達(dá)，降低高密度脂蛋白、甘油三酯含量；增加真核翻譯起始因子(eIF)2B、eIF3a、載脂蛋白AⅣ的表達(dá)，從而減少脂肪和膽固醇累積，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[55-56]。Chen等[57]研究也發(fā)現(xiàn)，在肉雞飼糧中添加5% CrPyr可改善肉仔雞的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)代謝。CrN也是一種新型的肌酸補(bǔ)充劑，與CMH相比其具有較大的溶解性和體內(nèi)吸收保留率[58]。Duan等[59]研究發(fā)現(xiàn)，宰前2周的肉雞飼糧中添加600或900 mg/kg的CrN可顯著提高宰后24 h胸肌pH，降低滴水損失，其主要通過提高肌肉中Cr和PCr含量，抑制LKB1/AMPK信號(hào)通路延緩宰后糖酵解，進(jìn)而改善雞肉品質(zhì)，且同等劑量下CrN增強(qiáng)肉雞肌肉能量狀態(tài)和改善肉品質(zhì)的效果優(yōu)于GAA。目前，CrPyr和CrN等新型肌酸補(bǔ)充劑在家禽上的應(yīng)用研究相對(duì)較少，其作用效果、安全性及作用機(jī)理尚未完全清楚，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)深入的研究。

5 小 結(jié)

Cr是天然存在于動(dòng)物肌肉等組織中用于合成儲(chǔ)能物質(zhì)PCr的重要原料，是保證骨骼肌ATP合成的后備物質(zhì)，因此家禽體內(nèi)Cr的合成效率與儲(chǔ)量均對(duì)肌細(xì)胞能量代謝具有重要調(diào)節(jié)作用。諸多研究結(jié)果表明，肌酸補(bǔ)充劑在改善肉禽生長、緩解宰前應(yīng)激、改善肉品質(zhì)等方面均體現(xiàn)了積極效果。但不同研究所得到的添加劑量、作用效果間存在較大差異；肌酸補(bǔ)充劑在肉禽生產(chǎn)實(shí)踐中的規(guī)范應(yīng)用仍缺乏理論指導(dǎo)，不同類型肌酸補(bǔ)充劑之間也缺乏效價(jià)比較研究。因此，肌酸補(bǔ)充劑未來的研究方向應(yīng)集中在其安全性、效價(jià)比較、作用機(jī)理及適宜的添加條件等方面。