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甜菜堿及其應用


摘 要:甜菜堿最早是在甜菜糖蜜中發現的季銨型生物堿,是動物體代謝中間產物,具有提供甲基、調節體內滲透壓、促進脂肪代謝和蛋白質合成等作用。應用于飼料中能明顯改善生產效果,促進動物生長,提高抗應激能力,提高抗球蟲療效,是一種安全高效的營養性飼料添加劑。

關鍵詞:甜菜堿;甲基;營養功能

甜菜堿(Betaine)首先是在歐洲發現的,它主要存在于甜菜糖的糖蜜中,故而得名。自1939年DU Vigneaud發現其營養功能以來,一直成為人們的研究熱點,并被廣泛地應用于制藥、食品、添加劑、化學試劑、化工原料、畜禽養殖、水產養殖等領域。由于目前它能通過化學合成,因而歐洲國家、美國、日本等用它作為畜禽、水產和寵物等的飼料添加劑,每年需求量上萬噸[1]。在我國也已成為重要的飼料添加劑之一,并被列為國家“八五”科技攻關成果。

1 甜菜堿的來源、化學結構、理化特性

甜菜堿廣泛存在于動植物體內,谷物含量較少,在大多數植物體和海生無脊柱動物以及微生物體內含量較高。甜菜及一些中草藥如地骨皮、枸杞子、黃芪、連翹等也含有較多的甜菜堿。甜菜是甜菜堿含量最高的植物之一,甜菜的糖蜜是甜菜堿的主要來源[2]。
甜菜堿化學名稱為三甲銨乙內酯或三甲基甘氨酸,分子結構比較簡單,與蛋氨酸、膽堿化學結構比較相似,都屬于季胺堿類物質。
甜菜堿的理化特性[3,4]見表1。

AJ亚游国际2 甜菜堿的生產工藝[5]

甜菜糖蜜是提取天然甜菜堿的主要原料,其提取工藝主要是離子排斥法,應用聚乙烯-二乙烯樹脂色譜分離柱,洗脫出的甜菜堿母液,經蒸發、濃縮、三段結晶、過濾制得純度約98%的無水或一水甜菜堿。
化學合成一般采用氯乙酸和三甲胺為原料在堿液中進行常壓反應,甜菜堿母液經蒸餾、鹽酸酸化、濃縮、結晶、過濾成甜菜堿鹽酸鹽,其有效成分含量為75%左右;或母液經濃縮、脫鹽、吸附后再制得純甜菜堿產品。

3 甜菜堿的營養功能及機理

到目前為止,甜菜堿被發現有多種營養功能,如促進畜禽生長、增進動物脂肪代謝、緩和應激、調節滲透、誘食、預防球蟲病等。
3.1 甜菜堿的轉甲基功能和節約蛋氨酸作用
甲基化反應在神經系統、內分泌系統、免疫系統、泌尿系統和心血管系統中都有十分重要的作用[6]。生長動物和成年動物都需要穩定的甲基供體。一般認為動物體內自己不能合成甲基,需要食物中具有富含甲基的物質,它們的分子中具有易反應的甲基,從而參與動物生理功能。這類富含甲基的物質稱“甲基供體”,最易參與此反應的甲基群(即有效甲基),是與氮原子或硫原子連在一起的甲基。甲基供體如果不足,會導致生長紊亂和一些病理學癥狀以及蛋白質代謝的紊亂[6]。
甜菜堿的分子量不大,并有3個活性甲基,在分子內部正負電荷也已得到中和,因此它是高效的甲基供體。1939年動物科學家們對大鼠的研究證實,甜菜堿主要在肝臟中發揮甲基供體的作用,并確定了它的有關代謝途徑,發現它是甜菜堿高半胱氨酸-S-甲基轉移酶(BHMT)的底物之一,并與胱硫醚β-合成酶(β-CYST)的調控有關[7]。進一步研究表明,甜菜堿能顯著提高動物肝臟中BHMT的活力。BHMT能催化甜菜堿與半胱氨酸作用合成蛋氨酸。β-CYST則催化半胱氨酸與絲氨酸合成胱硫醚。機體就是通過這2個酶的作用雙重調控肝臟的甲基代謝。由此表明,甜菜堿可作為機體內胱氨酸向蛋氨酸轉變的甲基供體,替代蛋氨酸的供甲基效能,具有節約蛋氨酸的作用[8]。
3.2 甜菜堿參與氨基酸、蛋白質代謝
Finkelstein等在研究人的高半胱氨酸尿癥時發現,飼喂甜菜堿的大鼠,其肝臟中蛋氨酸的含量明顯增加。Xue等人在對羊和鼠的研究中發現,飼喂甜菜堿后,肝臟中蛋氨酸的循環顯著加強。這說明甜菜堿與蛋氨酸的代謝有著極為密切的關系。
浙江農業大學飼料科學研究所(1997)研究表明,甜菜堿能使動物肝臟和肌肉中粗蛋白質含量、RNA含量和RNA/DNA比率顯著升高,而血清尿酸含量明顯下降。這說明甜菜堿促進了體內蛋白質的合成,降低了蛋白質的分解,使組織中蛋白質的沉積增加。其機制可能是甜菜堿通過增強機體組織的甲基代謝,加速了RNA的加工和修飾過程。
3.3 甜菜堿對脂類代謝的影響
甜菜堿能顯著降低動物肝臟中脂肪的含量,大幅度降低豬胴體背膘厚度和家禽腹脂率[9],說明甜菜堿參與了機體的脂肪代謝,具有抗脂肪肝和減少體脂沉積的作用。研究發現,甜菜堿顯著提高了蛋雞血清中的極低密度脂蛋白(VLDL)的含量,促進了體內磷脂的合成。而磷脂能降低肝臟中脂肪酶的活力和甘油三酯的含量。甜菜堿通過促進脂肪分解和抑制脂肪沉積的雙重作用來降低體脂的沉積。甜菜堿通過促進體內磷脂的合成,一方面降低肝臟中脂肪生成酶的活性,另一方面又促進了肝臟中載脂蛋白的合成。
3.4 細胞滲透調節作用及對抗球蟲病
甜菜堿作為生物體內一種重要的滲透壓緩沖物質,能防止細胞中離子濃度的激變。當細胞內滲透壓激變時,如外部滲透壓升高時,細胞開始產生或吸收甜菜堿以維持正常的滲透壓的平衡,同時防止細胞水分流出和鹽分的入侵。有學者認為,腎臟中的甜菜堿是由鈉泵運輸的。甜菜堿對滲透壓激變有緩沖作用,當外界滲透壓發生激變時,甜菜堿能防止細胞中水分的流出和鹽類的侵入。仔豬腹瀉和家禽感染球蟲病常會導致動物脫水和腸道離子及滲透壓的失調,這時機體對甲基的需要量增加,此時機體需要甲基化反應來建立免疫防衛機制[10],甜菜堿正好發揮了甲基供體的作用。
3.5 甜菜堿的誘食效應
20世紀70年代芬蘭科學家發現甜菜堿對水產動物具有獨特的誘食作用以后,甜菜堿作為水產動物的誘食劑,首次在動物飼料中得到應用。近年來研究表明,甜菜堿是魚蝦味覺最大的刺激物之一,0.0001mol/ml的甜菜堿就能引起所有魚的味覺感受反應。同時甜菜堿還能增強其他氨基酸的味覺感受反應,可見甜菜堿是水產養殖中的理想誘食劑,能提高飼料的適口性和利用率。據浙江大學飼料科學研究所的試驗表明,甜菜堿對豬具有明顯的誘食效應,而對家禽并不明顯。

4 甜菜堿的應用展望

甜菜堿由于具有許多對動物有益的生理優點,在養殖業中使用后能促進動物生長,防治動物某些營養性疾病,對水產動物具有良好的誘食性,能明顯降低飼料成本,提高經濟收益。因此,甜菜堿已被作為多功能新型飼料添加劑廣泛應用于各種動物配合飼料中,越來越為人們所重視,其在養殖業中的應用也將顯示出更廣闊的前景

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