甜菜堿的抗氧化作用及其在畜禽生產中的應用研究進展

楊文武，王 璐，臧建軍*

（1.宜興市天石飼料有限公司，江蘇宜興 214258；2.中國農業(yè)大學動物科學技術學院，北京 100193）

甜菜堿（Betaine）最初因從甜菜糖蜜中提取而得名，是一種廣泛存在于動物、植物和微生物體內的天然生物堿。外源性甜菜堿主要來源于植物，其中麥麩（1 339 mg/100 g）、小麥胚芽（1 241 mg/100 g）、菠菜（600～645 mg/100 g）、甜菜（114～297 mg/100 g）等均含有較高濃度的甜菜堿[1]。甜菜堿可改善飼料風味[2]、促進畜禽生長[3-4]、改善胴體品質[5]、改善腸道功能[6]、提高畜禽抗氧化能力[7]等應用效果已經被廣泛證實。在畜禽養(yǎng)殖過程中，應激反應時有發(fā)生，應激會誘導氧化應激和自由基的產生，從而誘導脂質過氧化和對細胞膜的氧化損傷，使畜禽的生產性能下降，影響經濟效益。因此，提高機體的抗氧化能力，是提高養(yǎng)殖效益的重要途徑之一。本文就甜菜堿的抗氧化作用機制及其在畜禽生產中應用的研究進展作一綜述。

1 甜菜堿的理化性質和生物學功能

甜菜堿化學名稱為三甲胺乙內酯，分子式為C5H11O2N，分子量為117.5，化學結構式如圖1 所示。甜菜堿具有3 個活性甲基，且具有雙電荷，在分子內電荷呈中性。甜菜堿是一種白色、呈棱粒狀的結晶化合物，對動物體無毒無害，具有甜味，易吸水潮解并釋放出三甲胺。甜菜堿含有完全甲基化的五價氨，屬于一種季氨型生物堿，既有親水性，又有親脂性。易溶于水和甲醇，微溶于醚，耐高溫，熔點為293℃，具有很強的抗氧化能力[8]。

甜菜堿具有重要的生物學功能，可為機體提供甲基，部分替代蛋氨酸和膽堿的供甲基功能[9]；提高脂肪代謝的效率，改善肉品質[5,10]；參與氨基酸和蛋白質的代謝[11]；對機體滲透壓劇變具有緩沖作用[12]；具有誘食作用[2]以及抗應激作用[13]；還具有抗球蟲藥的增效作用[14]。因此，甜菜堿作為飼料添加劑在畜禽生產中得以廣泛應用。

2 甜菜堿的抗氧化機制

當農作物（如煙草、大麥、小麥、豆類、大豆和高粱）處于逆境脅迫下時，甜菜堿可以減輕氧化壓力，提高作物生產力[15]。甜菜堿被認為是緩解家禽慢性熱應激和提高肉品質的有前景的抗氧化劑[13]。此外，甜菜堿對肝、腦、腎、胃和大鼠卵巢中的氧化應激誘導劑（如乙醇和左旋多巴）具有保護作用[16-20]。因此，甜菜堿作為農業(yè)和人類健康的抗氧化劑具有潛在的應用價值。

關于甜菜堿抗氧化機制的報道較少。甜菜堿的抗氧化特性可能是由于其具有自由基清除能力[21]，或還可通過增加抗氧化酶的活性來發(fā)揮其抗氧化特性[13]，但是這些機制并未被證實。Zhang 等[7]通過離體試驗表明，甜菜堿幾乎沒有活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）清除能力，也不會增強人肝細胞癌（HepG2）細胞系中的酶抗氧化系統(tǒng)的活性，而是通過另外2 種機制發(fā)揮其抗氧化活性。

一是甜菜堿能夠調節(jié)含硫氨基酸的代謝而發(fā)揮其抗氧化作用。甜菜堿可以通過甲硫氨酸-同型半胱氨酸循環(huán)增加S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）和甲硫氨酸（Methionine，Met）的水平。SAM具有直接的抗氧化活性，它可以通過ROS 清除和螯合鐵離子來抑制羥基自由基產生，且比谷胱甘肽（Glutathione，GSH）更有效[22]。蛋白質中的Met 殘基特別容易被ROS氧化并轉化為甲硫氨酸亞砜（Methionine Sulfoxide，MetO），MetO 可以通過蛋氨酸亞砜還原酶（Methionine Sulfoxide Reductase，MSR）還原為Met。MSR 系統(tǒng)中Met 氧化和還原的每個循環(huán)都會破壞1 當量的ROS[23]。此外，甜菜堿的轉甲基作用會降低同型半胱氨酸（Homo cysteine，Hcy）含量，為了維持GSH 合成所需的半胱氨酸的供應，半胱氨酸對?；撬岬姆纸獯x受到抑制，使得更多的半胱氨酸用于GSH 的合成。因此，半胱氨酸和GSH 水平的恢復可能是甜菜堿抗氧化作用的結果，而不是其抗氧化的機制。該機制如圖2 所示[7]。

二是甜菜堿可以在紅細胞（Erythrocyle）周圍形成電負性的外表面，構成一個保護膜，從而防止自由基（Free Radicals）與細胞膜接觸并抑制ROS 產生。紅細胞的結構類似于具有脂質雙層表面的微球，因此它與水的相互作用類似于“水包油滴”，甜菜堿屬于兩親分子，具有親水性的羧基末端和疏水性的3 個甲基末端，其羧基末端帶負電，因此甜菜堿可以在紅細胞周圍形成一層外表面帶負電的保護膜。自由基是具有一個或多個不成對電子的分子，因此，自由基帶負電，保護膜的電負性外表面可以排斥自由基，防止它們損壞細胞膜。這個機制如圖3 所示[7]。此外，甜菜堿作為雙極性季氨鹽化合物，因此具有類似于電解質的特性?？梢哉{節(jié)機體滲透壓，保護細胞、酶的結構和功能，增強抗氧化酶的穩(wěn)定性[24]。

3 甜菜堿的抗氧化作用在畜禽生產中的應用

關于甜菜堿抗氧化作用在畜禽中的應用研究相對較少，可大致分為三類。

3.1 甜菜堿可改善環(huán)境因素引起的氧化應激 Akhavan-Salamat 等[13]研究表明，在高溫（33℃）環(huán)境下補充0.1% 甜菜堿，可增加肉雞血清中谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）活性，降低血清中丙二醛（MDA）含量，證實甜菜堿可以作為熱應激誘導的肉雞氧化應激的抗氧化劑。賀紹君等[25]研究表明，當肉雞處于慢性熱應激條件（32℃）時，對照組血清的抗氧化功能顯著降低，甜菜堿組供給肉雞含有0.2%甜菜堿水溶液，其血清抗氧化酶GPx、SOD 活性顯著升高，MDA 含量顯著下降，表明甜菜堿可顯著提高熱應激狀態(tài)下肉雞血清的抗氧化功能。Nasiroleslami 等[26]報道肉雞在冷應激環(huán)境下，補充600 mg/kg 甜菜堿可以改善抗氧化狀態(tài)。此外，在肉雞日糧中不管使用甜菜堿粉劑還是甜菜堿顆粒均可以改善肌肉抗氧化性能[27]。因此，作為一種潛在的抗氧化劑，在飲水或日糧中添加甜菜堿均可以提高肉雞的抗氧化防御能力。

Zhang 等[28]研究表明，在夏季熱應激期間奶牛采食甜菜堿（15 g/d）可顯著增加血清GPx 和SOD 含量，表明在奶牛日糧中添加甜菜堿有助于提高其抗氧化能力。而陳統(tǒng)明等[29]研究表明，在肉牛日糧精料補充料中添加甜菜堿（16 g/d），肉?？寡趸芰]有顯著變化。這表明甜菜堿的抗氧化效果可能與動物品種或生產條件有關，有待進一步研究。

3.2 甜菜堿可改善飼糧因素引起的氧化應激 在豬日糧中添加玉米干酒糟及其可溶物（Distillers Dried Grains with Solubles，DDGS）可降低飼料成本，但不可避免地會促使日糧向著高脂高纖維方向轉變，進而可能對機體抗氧化功能造成影響。蘇斌朝等[4]研究發(fā)現，用玉米DDGS 飼喂育肥豬，與不添加甜菜堿相比，添加0.1%甜菜堿可顯著提高血清SOD 和GPx 活性、肌肉總抗氧化能力（Total Antioxidant Capacity，T-AOC），顯著降低MDA 含量。

Alirezaei 等[21]研究表明，在肉雞日糧中用甜菜堿替代10%蛋氨酸，可以增加胸肌GPx、SOD 和過氧化氫酶（CAT）活性，降低胸肌MDA 水平，改善肉品質，首次證明甜菜堿可以作為低蛋氨酸日糧誘導的肉雞氧化應激的抗氧化劑。冷智賢[5]研究表明，在肉雞日糧中添加750 mg/kg 甜菜堿能有效增加胸肌中SOD 活力和GSH 含量，顯著降低MDA 含量，增強了胸肌的抗氧化功能；在肉雞日糧中添加1 000 mg/kg 甜菜堿可以緩解熱應激（34℃）對肉雞氧化還原狀態(tài)的負面影響，具體表現為肝臟及其線粒體的抗氧化功能增強。Adjoumani等[30]研究表明，在武昌魚的高脂日糧中添加1.2%甜菜堿可以顯著改善其抗氧化防御功能。因此，當畜禽因飼糧因素誘發(fā)氧化應激時，額外添加一定量的甜菜堿有助于提高其抗氧化能力。

3.3 甜菜堿可改善妊娠引起的氧化應激 胚胎和胎盤發(fā)育過程中高水平的ROS 是母豬妊娠期的特征之一，因此，胎兒發(fā)育和生長過程易受氧化應激的影響。Mishra等[31]研究顯示，在母豬妊娠晚期或整個妊娠期間，基礎日糧中添加3 g/kg 甜菜堿可顯著提高CAT 和T-AOC水平，而MDA 水平顯著降低。在母豬妊娠期間補充甜菜堿不僅有助于母體抗氧化功能的改善，還可以提高胎盤和胎兒的抗氧化能力。Mou 等[32]報道，母豬妊娠期間在飼料中補充3 g/kg 甜菜堿顯著增強了絨毛膜尿囊和仔豬血漿與肝臟中抗氧化酶（CAT、GPx 和T-AOC）的活性，還上調了銅鋅-超氧化物歧化酶（Copper,Zinc-SOD，Cu,Zn-SOD）、GPx1以及仔豬肝臟中CAT 的mRNA 表達；同時，甜菜堿的添加能夠減緩雙酚A 誘導的母豬和胎兒的氧化應激狀態(tài)。

4 結語與展望

甜菜堿可能會通過如下3 種機制發(fā)揮其抗氧化作用，一是上調內源性非酶抗氧化防御；二是在細胞周圍形成保護膜；三是調節(jié)滲透壓，增加抗氧化酶的穩(wěn)定性。當畜禽因環(huán)境因素（溫度過高或過低）、飼糧因素（高脂）或生理狀態(tài)（妊娠）等的變化引起應激反應時，在飼料中添加甜菜堿有助于改善畜禽的抗氧化能力。甜菜堿在畜禽生產中具有廣闊的應用前景，未來需要深入探討甜菜堿在不同環(huán)境條件下、不同畜禽飼料中的最適添加量，從而發(fā)揮其最佳的應用效果。