L-肉堿在水生動物營養(yǎng)中應用的研究進展(上)

陳玉珂 藺麗麗

(1.吉林農業(yè)大學動物科學技術學院，吉林 長春 130118；2.吉林省水產技術推廣總站，吉林 長春 130012)

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

一、L-肉堿的結構和理化特性

肉堿有L型和D型兩種異構體，目前認為僅L型(即L-肉堿)在動物體內具有生理作用(圖1)。L-肉堿(β-羥基γ-三甲銨丁酸)，分子式為C7H15NO3，相對分子質量為161.2，L-肉堿無臭、無味，為白色晶體或粉末。其分子結構中的羥基能夠與脂肪酸發(fā)生脂化反應，這也是它能夠攜帶長鏈脂肪酸進入線粒體的原因。另外，L-肉堿分子的飽和鍵和極性官能團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，難溶于有機溶劑，且200℃以上仍很穩(wěn)定。

圖1 L-肉堿的分子結構

二、L-肉堿在機體的代謝途徑

動物體內的L-肉堿主要來自于機體的內源性合成(主要合成器官是肝臟)和外源攝入(飼料中添加)。L-肉堿在機體的內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及相關酶類的作用下經過一系列反應最終生成L-肉堿。肉堿在機體內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)到達機體需要的部位。而外源攝入的肉堿則需通過動物的采食行為進入動物食道，在小腸中通過主動轉運被吸收，再經過血液循環(huán)到機體各組織。L-肉堿在促進機體β氧化過程中被轉化為酯酰肉堿，最終進入腎臟的酯酰肉堿會被腎小管重吸收，再回到機體發(fā)揮作用，僅有少量酯酰肉堿會經尿排泄出體外。重吸收的肉堿經門靜脈循環(huán)送回肝臟，再由肝臟到其他組織。

三、L-肉堿的生產和測定方法

1.L-肉堿的生產

由于L-肉堿廣泛應用于食品、醫(yī)藥、保健品、飼料(添加劑)等領域，市場潛力巨大。綜觀國內外的研究報告，L-肉堿可通過直接提取、化學合成和生物合成3種方法制備。直接提取法不僅產量低，而且還需要很多純化步驟，其生產成本較高。而化學合成法可分為化學拆分法、以手性化合物為原料合成法及不對稱合成法3種途徑，這類方法生產工藝成熟、周期短、回報率高，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。酶轉化法則是通過動物及微生物體內存在的腈水解酶、酰胺酶和酯酶等酶類來拆分DL-肉堿的衍生物。這種方法雖然復雜，但生產效率高，可控性強，是目前相關領域研究的熱點。近年來，隨著基因工程技術的發(fā)展，通過基因工程技術將一些微生物的特異基因重組到一起，獲得一種具有高轉化活性的合成肉堿微生物，這將是未來肉堿生產的方向和目前的研究熱點。

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，必須準確把握其在各種產品中的含量。有關L-肉堿測定方法的報道很多，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聯用法等。其中，非水滴定法和分光光度法的誤差較大，但這兩種方法對儀器要求低、操作簡便。若樣品中肉堿含量較高，且對結果沒有精確要求，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，但試驗的重復性較差，且酶試劑昂貴。這種方法在實際應用中較少。放射性分析法靈敏度高，但有放射性污染，這限制了其應用。高效液相色譜法和液質聯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，檢測結果最接近真實值，但對儀器配置要求較高。

四、L-肉堿的生物學功能

1.促進脂肪酸進入線粒體發(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供應充足的條件下，長鏈脂肪酸需要經過復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入線粒體內，脂酰肉堿又在線粒體內膜上肉堿脂酰轉移酶II(CPTII)催化下重新分解為脂酰CoA和肉堿。脂酰CoA在線粒體基質中在一系列酶作用下經過脫氫、加水、再脫氫和硫解四步發(fā)生β氧化，生成水和ATP。而L-肉堿則會重新穿出到線粒體外，與其他脂肪酸結合。由整個過程可以看出，肉堿是長鏈脂肪酸轉運到線粒體內的載體。

2.影響氨基酸的代謝，提高蛋白質的利用效率

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

3.抗疲勞，保護生物膜

在生物體內，L-肉堿能夠清除體內代謝所產生的過量脂肪酰基，消除因脂肪酰基積累對機體所產生的代謝毒性，從而起到抗疲勞的作用。在運動過程中，L-肉堿可以去除肌肉細胞因代謝產生的乙酰CoA和其他短鏈酰基CoA化合物，通過調節(jié)機體乙酰CoA的比例來間接地保護肌肉細胞膜。而在肌肉運動過程中，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備，減少運動后肌肝糖原的消耗來抑制乳酸生成，并將體內脂酰輔酶A排出體外，從而起到抗氧化作用。另外，L-肉堿含有羥基，可結合體內自由基，以次級抗氧化防御屏障成為生物膜的護衛(wèi)者。

4.其他功能

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

五、在水生動物營養(yǎng)中的研究進展

1.促進水生動物生長

魚類的生長性能(魚體增重)關系水產養(yǎng)殖者的切身利益。L-肉堿的促生長效應則歸結于其對魚類脂肪酸代謝的促進作用。陳玉珂等研究發(fā)現將L-肉堿(1毫克/升)強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的完善提供了數據參考。田娟等在草魚的研究上亦發(fā)現添加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

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