胍基乙酸改善畜禽肉品質(zhì)的研究進(jìn)展

吳寶云，周振明，吳 浩

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

胍基乙酸（Guanidinoacetic Acid，GAA），又名胍乙酸或N-脒基甘氨酸，在2014 年被批準(zhǔn)作為一種新型飼料添加劑應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，有著廣泛的應(yīng)用前景。GAA 是肌酸的唯一前體物質(zhì)，而肌酸是肌肉和大腦等高能量需求組織中重要的高能磷酸鹽緩沖劑，常常被用作高消耗的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑為機(jī)體輔助供能。肌酸在動(dòng)物體內(nèi)合成量較少，通常無(wú)法滿足日常消耗，因此需要在日糧中進(jìn)行補(bǔ)充，植物中不含肌酸，動(dòng)物源性飼料就成為天然的肌酸來(lái)源[1]。目前，動(dòng)物源性飼料價(jià)格非常高，且在我國(guó)反芻動(dòng)物飼料中嚴(yán)禁使用動(dòng)物源性飼料，因此，如何滿足畜禽對(duì)肌酸的需要，充分發(fā)揮肌酸作用，成為畜禽生產(chǎn)上亟待解決的一個(gè)難題。

研究表明，飼喂1 g GAA 會(huì)使幼齡大鼠肌肉肌酸水平提高48.5%[2]，在畜禽日糧中添加GAA 也可以顯著提高肌酸含量[3]，有效調(diào)節(jié)畜禽的能量狀態(tài)，發(fā)揮肌酸作用。因此，添加GAA 可解決直接添加肌酸成本高、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，緩解畜禽肌酸缺乏帶來(lái)的生產(chǎn)性能低下，提高畜禽飼料采食量、飼料效率、抗氧化性能和肉品質(zhì)等[4]。本文綜述了GAA 對(duì)改善畜禽肉品質(zhì)的改善效果及其調(diào)控機(jī)理，為GAA 的深入研究及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 GAA 的合成代謝與生物學(xué)功能

1.1 GAA 的合成及代謝 在動(dòng)物體內(nèi)，甘氨酸和L-精氨酸的脒基在精氨酸甘氨酸脒基轉(zhuǎn)移酶（L-Arginine Glycine Amidinotransferase，AGAT）的作用下合成GAA，該過(guò)程主要發(fā)生在腎臟中[5]。隨后肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將合成的GAA 通過(guò)生物膜轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟[6]，在胍基乙酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶（Guanidinoacetate Methltransferase，GAMT）的作用下形成肌酸，剩余的GAA 通過(guò)腎臟排出體外。肌酸則在肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CRT1/SLC6A8 的作用下通過(guò)組織屏障轉(zhuǎn)運(yùn)到靶細(xì)胞神經(jīng)元及肌細(xì)胞中[7]，隨后在細(xì)胞內(nèi)肌酸磷酸激酶的作用下可逆地合成磷酸肌酸，磷酸肌酸作為高能磷酸基的暫時(shí)性載體，能將ATP從線粒體運(yùn)輸?shù)桨麧{中的ATP 酶位點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程也被稱為磷酸肌酸“穿梭”[8]。

1.2 GAA 的生物學(xué)功能

1.2.1 參與物質(zhì)代謝 精氨酸和甘氨酸是GAA 合成的前體物質(zhì)，在畜禽日糧中添加GAA 可以有效節(jié)約精氨酸[9]，降低日糧中精氨酸的添加水平[1]，使得更多精氨酸作用于蛋白質(zhì)合成代謝、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、合成一氧化氮（NO）等方面[10]。同時(shí)，GAA 還可以增加血漿和肌肉中肌酸、磷酸肌酸和ATP 含量[11]。

1.2.2 調(diào)控糖酵解 糖酵解是指在無(wú)氧條件下葡萄糖分解成乳酸并釋放能量的過(guò)程。畜禽屠宰后，機(jī)體儲(chǔ)備的磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP 被消耗完，糖酵解就作為主要的ATP 產(chǎn)生途徑釋放能量。GAA 作為肌酸合成的唯一前體物質(zhì)，有著與肌酸相似的生物學(xué)功能，對(duì)于糖酵解起到一定的調(diào)控作用。一方面，畜禽日糧中肌酸水平升高可以增加肌糖原含量[12-13]；另一方面，GAA 作為調(diào)控物質(zhì)參與糖酵解，可以顯著增加糖代謝中磷酸激酶、丙酮酸激酶活性[14]。其中，丙酮酸激酶是糖酵解反應(yīng)中的限速酶，其活性的增加伴隨著ATP 的生成，磷酸激酶轉(zhuǎn)移ATP 上的磷酸基團(tuán)，促進(jìn)磷酸肌酸的合成，增加機(jī)體的能量?jī)?chǔ)備，延緩糖酵解。

1.2.3 促進(jìn)激素釋放 GAA 可以促進(jìn)胰島素分泌。研究表明，GAA 能促進(jìn)胰腺分泌胰島素，且效果優(yōu)于精氨酸和肌酸[15]，肌酸和精氨酸由于含有胍基也對(duì)胰島素釋放起到了一定促進(jìn)作用，不含胍基的甘氨酸通過(guò)與胍基結(jié)合也能刺激胰島素釋放[9]。GAA 分子的極性可能影響胰島細(xì)胞的膜去極化，通過(guò)蛋白激酶A 和C 敏感機(jī)制刺激胰島素分泌[16]。此外，GAA 能降低血漿葡萄糖[17]，減少葡萄糖的生成，改善胰島素敏感性，是GAA 產(chǎn)生作用的另一個(gè)胰島素相關(guān)機(jī)制。其次，GAA 對(duì)胰高血糖素釋放也有一定促進(jìn)作用。研究表明，體外添加GAA 可使胰高血糖素的分泌量增加50%[18]，產(chǎn)生這種效應(yīng)的機(jī)制可能是α細(xì)胞對(duì)胍基殘基的識(shí)別。此外，GAA 還可以促進(jìn)γ-氨基丁酸分泌來(lái)刺激下丘腦分泌促生長(zhǎng)激素釋放激素，從而促進(jìn)垂體分泌生長(zhǎng)激素[19]。

1.2.4 促進(jìn)肌纖維發(fā)育 依據(jù)肌球蛋白重鏈（Myosin Heavy Chain，MyHC）的多態(tài)性將肌纖維分為了I 型慢速氧化型、IIa 型快速氧化型、IIb 快速酵解型和IIx型中間型肌纖維[20]。研究表明，日糧添加肌酸可降低MyHCIIa 表達(dá)，同時(shí)升高 MyHCI 的表達(dá)，有轉(zhuǎn)化肌纖維類型的趨勢(shì)，肌纖維發(fā)育離不開(kāi)體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，肌肉是機(jī)體蛋白質(zhì)的儲(chǔ)存庫(kù)[21]。蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)代謝是畜禽體內(nèi)的基本過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的發(fā)生需要能量供應(yīng)[22]。日糧中添加GAA 作為肌酸的有效前體可以促進(jìn)肌肉的能量代謝，減少蛋白質(zhì)和脂肪等其他物質(zhì)的分解供能，從而提高畜禽的生長(zhǎng)速度和飼料利用率。

1.2.5 調(diào)節(jié)畜禽氧化抗氧化狀態(tài) GAA 含有1 個(gè)羧基和1 個(gè)胍基，胍基作為堿性基團(tuán)，已被證實(shí)與自由基的清除有關(guān)，主要的機(jī)制是胍基可以給自由基提供電子并發(fā)生反應(yīng)，終止自由基鏈反應(yīng)來(lái)達(dá)到清除自由基的目的。受到精氨酸保留效應(yīng)影響，GAA 可通過(guò)NO、谷胱甘肽合成、核因子相關(guān)因子2（Nrf-2）/抗氧化劑反應(yīng)元件（ARE）等通路來(lái)起到抗氧化的作用[23]。GAA 合成的肌酸可以擴(kuò)散到線粒體中，通過(guò)線粒體磷酸激酶與氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP 和腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)位器（ANT）結(jié)合，然后磷酸肌酸擴(kuò)散回細(xì)胞質(zhì)中，滿足能量需求的同時(shí)也減少了活性氧（ROS）的形成。GAA 提高丙酮酸激酶活性的效果會(huì)使得機(jī)體內(nèi)丙酮酸生成量增多，丙酮酸可直接通過(guò)去羰基反應(yīng)抑制過(guò)氧化氫的產(chǎn)生，并可與體內(nèi)氧自由基反應(yīng)生成二氧化碳和水，還能間接增加還原型谷胱甘肽含量，起到抗氧化作用，飼喂GAA 可以增強(qiáng)這種抗氧化作用[24]。因此，GAA 可作為直接和/ 或間接的抗氧化劑[25]。

2 GAA 改善畜禽肉品質(zhì)的效果

2.1 GAA 對(duì)豬肉品質(zhì)的影響 豬飼糧中添加不同水平外源性GAA 可以通過(guò)降低肌肉的滴水損失和剪切力，提高肌肉的持水能力，改善肌肉嫩度，緩解pH 的下降，促進(jìn)肌纖維的生長(zhǎng)和肉中蛋白質(zhì)及脂肪沉積（表1）。日糧中添加GAA 可以一定程度提高肌肉亮度和紅度，降低肌肉黃度，改善肉色。

表1 胍基乙酸對(duì)豬肉品質(zhì)的影響

2.2 GAA 對(duì)家禽肉品質(zhì)的影響 雞胸肌和腿肌的肉品質(zhì)直接決定雞肉價(jià)值。有研究表明，麻雞日糧中添加GAA 可以顯著提高大腿肌肉pH[39-40]，顯著降低滴水損失、蒸煮損失、剪切力、硬度、膠黏性和咀嚼性，同時(shí)提高腿肌纖維直徑。此外，GAA 對(duì)肉雞胸肌pH24h也有提高作用[41]。家禽的木質(zhì)肉（Wooden Breast，WB）又稱木質(zhì)硬度缺陷，主要發(fā)生在胸肌肉上，與正常雞肉相比，表現(xiàn)為肌肉蒼白，肉質(zhì)堅(jiān)硬，嫩度大幅下降，在嚴(yán)重時(shí)會(huì)伴有滲血和黏性物質(zhì)的分泌[42]。研究表明，添加600 mg/kg GAA 可以降低肉仔雞WB 的發(fā)生率或降低其嚴(yán)重程度[43]。GAA 對(duì)櫻桃谷肉鴨的胸肌品質(zhì)也有明顯的改善作用。研究表明，日糧添加GAA 可顯著提高肉鴨pH45min，降低滴水損失、壓力損失和剪切力，降低皮下脂肪，增加肌間脂肪厚度，提高肉鴨肌肉系水力和嫩度[44]。

2.3 GAA 對(duì)反芻動(dòng)物肉品質(zhì)的影響 GAA 對(duì)反芻動(dòng)物肉品質(zhì)的研究結(jié)果較少。研究表明，添加GAA 可以顯著提高羔羊宰后背最長(zhǎng)肌pH、系水力和眼肌面積，對(duì)肌肉亮度和粗蛋白質(zhì)含量也有所提高[45]；還能降低舍飼灘羊尾脂/胴體重和胴體脂肪含量，提高肌肉中糖原和肌內(nèi)脂肪含量[46]；GAA 也有降低錦江黃牛半腱肌滴水損失、提高背最長(zhǎng)肌紅度的應(yīng)用效果[47]。

3 GAA 改善畜禽肉品質(zhì)的機(jī)制

3.1 調(diào)控肌細(xì)胞能量代謝 宰后肌肉的能量代謝以無(wú)氧糖酵解代謝為主，在肌肉中儲(chǔ)備的ATP 被消耗完后，無(wú)氧條件下的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸。乳酸的產(chǎn)生和積累會(huì)使pH 下降，pH 下降會(huì)使肉色變蒼白，降低嫩度和多汁性。此外，郭飛等[48]報(bào)道，提高能量水平可以降低肌肉中粗蛋白質(zhì)含量，提高肌內(nèi)脂肪含量，改善肉嫩度，增加肉風(fēng)味。肌糖原降解潛能是衡量活體肌糖原含量或者屠宰后肌肉中可轉(zhuǎn)化為乳酸的所有糖類化合物含量高低的指標(biāo)。GAA 可以顯著增加三羧酸循環(huán)中異檸檬酸脫氫酶、蘋(píng)果酸脫氫酶活性，促進(jìn)血漿中葡萄糖的分解代謝，減少生成乳酸的糖原含量；通過(guò)增加磷酸肌醇3-激酶（PI3K）的活性使胰島素生物功能得到表達(dá)，該過(guò)程中關(guān)鍵激酶蛋白激酶B 活性的提高可以磷酸化糖原合成酶使其失活，從而抑制糖原的合成[39,49]，這也是減少宰后肌肉中糖原含量的途徑之一。另外，添加GAA 或許能夠抑制糖酵解關(guān)鍵限速酶己糖激酶的活性來(lái)抑制葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸[3]，從而抑制糖酵解過(guò)程來(lái)減少乳酸生成。同時(shí)，肉品質(zhì)與肌肉中的能量狀態(tài)有關(guān)[50]。日糧中添加GAA 可以通過(guò)增強(qiáng)呼吸鏈中煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-輔酶Q 還原酶和ATPase 的活性，增加動(dòng)物體的能量?jī)?chǔ)備，來(lái)抑制宰后糖酵解過(guò)程，對(duì)pH 的下降起到緩沖作用[51]。研究表明，GAA 可促進(jìn)背最長(zhǎng)肌、半腱肌、肝臟或腎臟AGAT 和肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA 表達(dá)，抑制腎臟中GAMT 的mRNA 表達(dá)[27]，增加細(xì)胞中肌酸和磷酸肌酸的含量[52]，提高肌細(xì)胞滲透壓，使肌細(xì)胞保持水分，減少肌肉的滴水損失，提高系水力[53]。

3.2 影響肌纖維組成類型 肌纖維直徑、肌纖維密度和肌纖維橫截面積構(gòu)成肌纖維的形態(tài)特征，肌纖維類型及形態(tài)特征決定了肉品質(zhì)。II 型肌纖維更多存在于糖酵解肌中，pH 下降速度往往比I 型肌纖維要快，這對(duì)肌肉的pH 和系水力影響很大，而pH 與肉色和嫩度也密切相關(guān)。肌內(nèi)脂肪含量直接影響肉嫩度和風(fēng)味，其含量越高，肉的嫩度越高。有研究表明，肌纖維密度越大，肌纖維直徑越小，肌肉的肌內(nèi)脂肪沉積越多[48]。

鈣蛋白酶是一種降解蛋白的酶，可降解肌原纖維中的蛋白，故而肌纖維被降解，骨骼肌的剪切力降低，肉的嫩度提高。添加GAA 可提高鈣蛋白酶mRNA 表達(dá)水平[29]；同時(shí)，生長(zhǎng)激素與靶細(xì)胞膜表面的生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)胰島素樣生長(zhǎng)因子的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞代謝，影響鈣激活酶系統(tǒng)[54]。鈣蛋白酶表達(dá)的升高加速了蛋白質(zhì)的溶解，使氧化型肌纖維的數(shù)量增加。在小鼠C2C12 成肌細(xì)胞的體外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，GAA 刺激了成肌分化細(xì)胞1 和肌原蛋白mRNA 的表達(dá)，促進(jìn)了肌管生長(zhǎng)和成肌細(xì)胞分化[55]。GAA 還可以提高豬骨骼肌中蛋白激酶B 的mRNA 表達(dá)量，促進(jìn)機(jī)體蛋白質(zhì)合成，有利于肌纖維發(fā)育，進(jìn)一步提高瘦肉率，改善肉嫩度[56]。

GAA 能夠降低肝臟脂肪生成酶的表達(dá)和活性來(lái)減少胴體脂肪的沉積，增加肌內(nèi)脂肪的合成[57]，改善肌肉嫩度和脂肪含量[58]，提高肌肉大理石評(píng)分，減少蒸煮損失和滴水損失[59]。胰島素有很強(qiáng)抗分解代謝能力，可以阻止骨骼肌蛋白的分解，減少蛋白質(zhì)的分解代謝[60]。GAA 通過(guò)促進(jìn)胰島素的釋放和胰島素樣生長(zhǎng)因子1（IGF-1）的表達(dá)[3]，增加體內(nèi)氮的保留率[61]，進(jìn)而激活蛋白質(zhì)合成AKT-mTOR 通路[37]，促進(jìn)更多蛋白質(zhì)合成[62]，GAA 的合成產(chǎn)物肌酸也可以使肝臟和腎臟的蛋白質(zhì)合成增加[63]。體外瘤胃發(fā)酵試驗(yàn)表明，微生物蛋白濃度隨著GAA 添加量的增加而呈顯著上升，最高微生物蛋白濃度與氨態(tài)氮濃度的最高值對(duì)應(yīng)，說(shuō)明GAA能夠促進(jìn)非蛋白氮分解和微生物蛋白合成[64]。理論上，GAA 可以增加肌肉中的沉積蛋白質(zhì)。GAA 的精氨酸保留效應(yīng)可使更多的精氨酸參與到蛋白質(zhì)的合成過(guò)程中。綜上，日糧中補(bǔ)充GAA 能夠增加肌肉中蛋白質(zhì)，改善大理石花紋評(píng)分。

5 小 結(jié)

GAA 作為一種新型飼料添加劑，具有促進(jìn)激素釋放、改變物質(zhì)代謝、調(diào)控糖酵解和促進(jìn)肌纖維發(fā)育等生理功能，能有效調(diào)控畜禽的能量狀態(tài)，通過(guò)延緩肌肉pH 的下降來(lái)提高肌肉系水力，增加肌肉嫩度，提高肌肉蛋白質(zhì)和脂肪含量，可在畜禽生產(chǎn)上應(yīng)用。但在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的研究結(jié)果還不是很多，并且針對(duì)大理石花紋、肌內(nèi)脂肪等敏感指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果較少，相關(guān)機(jī)制也有待進(jìn)一步探究。