酮酸及衍生物的生理功能及在动物生产中的应用

■李 杰 王晓翠

（东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨150030）

代谢有机酸是动物机体物质代谢的中间产物，与体内三大营养物质的相互转化有着密切的联系，在机体能量和蛋白质代谢过程中发挥着重要的作用。代谢有机酸主要包括酮酸、短链有机酸和低级脂肪酸等。酮酸是一类在生物体内拥有重要作用的代谢有机酸，在能量和氨基酸新陈代谢方面发挥重要作用。目前，酮酸的研究主要集中在医疗和人的保健功能方面。研究发现，丙酮酸(Pyruvate，Pyr)具有增强心肌收缩力和肌肉运动持久力，以及降低脂肪的功能，丙酮酸盐已经开发成为减肥药品[1-2]。α-酮戊二酸（α-Ketoglutarate，AKG）能帮助手术后病人恢复骨骼肌谷氨酞胺水平和提高慢性肾病患者血浆精氨酸水平，AKG已经在老年病及术后恢复运动所需营养等方面推广应用[3]。酮酸在医学及医药方面的功能吸引人们尝试进行其在动物生产中应用的研究，但研究报道较少。为此，本文对酮酸及其衍生物在医学和动物生产中的研究和应用进展进行综述，旨在为其在动物生产中的应用提供理论和科学依据。

1 可应用酮酸及衍生物的种类及生物学功能

1.1 可应用酮酸及衍生物的种类

酮酸分为α、β、γ-酮酸，其中α、β-酮酸是人和动物体内糖、脂肪和蛋白质代谢的中间产物。α-酮酸主要包括丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸及氨基酸脱羧后的酮酸。它们在生物体内的主要作用是通过丙酮酸（Pyr）、α-酮戊二酸或草酰乙酸进入三羧酸循环，最后转化为二氧化碳和水，为机体代谢提供能量[4]。脱羧后的酮酸还可以在酶的作用下还原成氨基酸。β-酮酸不稳定，乙酰乙酸是最简单的β-酮酸，它是脂肪酸在肝脏中氧化生成的一种中间代谢产物[5]。

研究较多的酮酸衍生物主要包括肌酸（Cre⁃atine，Cr）、丙酮酸肌酸(Creatinepyruvate，CrPyr）、氨基乙酰丙酸(ALA）等。肌酸是一种氨基酸衍生物，其具有促进肌肉糖元储备和肌纤维发育等生物学功能。CrPyr是人工合成的生理调节剂，其功能与肌酸类似。ALA与动物的血红素合成和代谢有关。

1.2 可应用酮酸的生物学功能

丙酮酸是能量代谢过程中具有关键作用的中间产物，在三大营养物质的代谢联系中起着重要的枢纽作用。同时，丙酮酸是有氧氧化中至关重要的中间产物，是心肌活动所需的能量，可改善心肌泵血能力，丙酮酸还具有降低动物体脂肪和血脂水平，提高骨骼肌的运动耐力及抗氧化等功能[6]。

AKG是三羧酸循环重要的中间产物，也是一些氨基酸经过脱氨基后形成的中间产物。AKG可通过三羧酸循环最终氧化分解为二氧化碳和水，同时释放出能量。此外，AKG是生物体内谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸的合成前体。AKG有利于动物体内蛋白质合成，抑制蛋白质降解，可作为肠上皮细胞的一种选择性代谢燃料，维持胃肠上皮细胞的完整性[3]。乙酰乙酸是脂肪酸在肝脏中氧化生成的一种物质。许多组织可以使用乙酰乙酸等酮体作为一种和葡萄糖一样优先使用的能量来源[5]。

肌酸在骨骼肌能量代谢中发挥重要作用。一水肌酸是肌酸的一水化合物，是外源性补充肌酸的主要形式，是目前运动员提高肌肉力量的应用型营养增强剂。丙酮酸肌酸是人工合成的生理调节剂，能增强机体代谢功能。丙酮酸肌酸具有增强肌肉耐力、提高肌肉舒张速度，并促进机体脂肪的分解等功能。丙酮酸肌酸兼有肌酸的特性和丙酮酸的功能[7]。ALA是动物体内卟啉化合物的前体，参与血红素和肌红素的合成和代谢，能够调节血红细胞和肌红细胞的数量，并参与细胞色素的合成，提高动物机体的免疫力和抗氧化能力[8]。

2 酮酸在动物体内的主要生理功能

2.1 利于动物体内蛋白质合成，抑制蛋白质降解

Piva等[9]研究了无氮日粮中AKG对大鼠氮损失的影响，AKG的添加量分别为0、3、6 g/kg，饲喂14 d后结果表明，添加AKG显著降低尿氮损失，降低量为18%～22.2%。韩剑众等[10]的试验结果显示，在猪饲料中添加一水肌酸(CMH)导致猪血清尿素氮降低，同时血清白蛋白和总蛋白含量升高，表明机体蛋白质分解减弱而合成相对加强。王曼等[11]的试验结果显示，1%丙酮酸肌酸可使肉鸡肌肉和肝脏中胰岛素样生长因子-1（IGF-1）的mRNA转录水平和肌肉中生肌调节因子的mRNA表达水平均显著提高，这表明肌肉中被激活的卫星细胞数目增多，肌肉的生长速度加快。

2.2 提高机体免疫功能

罗发洪等[12]在仔猪饲粮中分别添加0、1、2、3 mg/kg ALA，3个试验组猪的红细胞数量、血红蛋白含量和白细胞数量均有所提高，猪的免疫功能得到改善。Chen等[13]研究结果显示，在饲粮中添加10 mg/kg ALA提高仔猪血液中血红蛋白和铁含量及红细胞和白细胞数量，并提高仔猪饲粮干物质和氮消化率。由此提高了仔猪的免疫力。

夏利宁[14]研究了中草药和中草药+AKG对断奶大鼠肠道和系统免疫的影响，结果表明，中草药+AKG可显著提高小肠上皮淋巴集结面积，提高肠道IgA的含量，促进肠相关淋巴组织的生长发育。而AKG+中草药对大鼠免疫力的提高程度大于单独使用中草药。

2.3 抗氧化作用

丙酮酸的一个重要作用是抗氧化、抑制自由基生成，并促进自由基清除。Cicalese等[15]研究了丙酮酸对移植小肠片段再灌注损伤的影响，发现灌注丙酮酸后的小肠片段可显著抑制自由基的生成，并使小肠黏膜上的绒毛和腺体保持完整未受到损伤。Borle等[16]也同样观察到灌注丙酮酸可降低大鼠体内的自由基产生量，并降低对鼠肝细胞由于缺氧而造成的损伤。

ALA能够提高超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)的活性，因而具有抗氧化功能。胡泉州[3]在仔猪日粮中添加0.5%和1.0%的AKG，其血浆中SOD活性有升高的趋势，血浆丙二醛（MDA）含量具有降低的趋势。说明AKG具有提高机体清除氧自由基的能力，从而改善仔猪机体抗氧化能力。

2.4 降低体内脂肪含量

朱惠莲等[17]在肥胖大鼠饲料中添加300、600、1 500(mg/kg体重)的丙酮酸混合物，发现在饲养4周后，高、中剂量丙酮酸可显著降低大鼠的腹后壁脂肪重量，并显著降低血清低密度脂蛋白、胆固醇和甘油三酯（TG）含量。Stanko等[18-19]进行两个试验，观察丙酮酸盐和二羟丙酮混合物对大鼠和猪脂肪沉积的影响，结果显示丙酮酸盐混合物可显著降低大鼠和猪的体脂肪含量，而对体蛋白质和肌肉含量没有影响。研究认为，外源性丙酮酸是通过提高丙酮酸脱氢酶系活性，催化丙酮酸转化为乙酰辅酶A，由此加快三羧酸循环，抑制脂肪的合成，从而起到降低体脂肪的作用[20]。

王曼等[11]将1%丙酮酸肌酸添加到AA肉鸡饲料中，结果显示，丙酮酸肌酸可显著降低肉鸡腹脂率，降低肝脏和血清中TG含量，使脂肪分解代谢加强，合成能力减弱。丙酮酸肌酸可提高肝脏组织中过氧化物酶体增殖物激活受体-α(PPARα)和肉碱棕榈酰转移酶-Ⅰ(CPT-Ⅰ)的mRNA表达，PPARα通过基因转录水平直接调控脂类代谢相关酶或蛋白抑制脂肪酸合成及促进TG的分解，而CPT-Ⅰ是脂肪酸β-氧化过程中的限速酶，其表达量升高意味着脂肪分解增加，这两者一起最终导致体脂沉积减少。

3 酮酸对畜禽生长性能的影响

胡泉州[3]研究结果表明，AKG具有提高断奶仔猪日增重、采食量和饲料转化率的趋势，当AKG添加水平达到一定量时，再提高添加水平并未进一步改善仔猪的生长性能。黄冠庆等[21]试验结果显示，在黄羽肉鸡饮水中添加AKG[2 g/(只·d)]具有提高日增重的趋势，并显著提高饲料净蛋白和能量利用率，显著提高血清总蛋白含量，显著降低血清尿素氮含量。周春宝等[22]在猪饲料中分别添加0%、0.5%、1%的丙酮酸钙，试验结果表明，1%丙酮酸钙组平均膘厚比0%、0.5%丙酮酸钙组降低34.8%和30.7%；1%组眼肌面积较0%、0.5%组分别增加22%、7%；1%组瘦肉率比对照组和0.5%组分别增加4%和2.07%。而添加丙酮酸钙对花油率、板油率、屠宰率影响不显著。

王曼[11]在1日龄AA雄性肉鸡饲粮中添加1%的丙酮酸肌酸不影响肉仔鸡生长速度和采食量，但增加胸肌率，显著降低腹脂率。5%丙酮酸肌酸导致肉仔鸡生长速度略有降低，10%的丙酮酸肌酸显著降低肉仔鸡的生长速度和采食量，并可显著降低肉鸡体脂肪和血脂水平。陈娟[23]在肉仔鸡日粮中分别添加5%丙酮酸肌酸、2%丙酮酸和3%肌酸，3个试验组肉鸡的日增重和日采食量均显著低于对照组，3组肉鸡的腹脂率也均呈下降的趋势。韩剑众等[10]研究了一水肌酸（CMH）对肥育猪生长和肉质的影响以及适宜添加水平，结果表明，当CMH添加剂量在500～1 000 g/t之间时，肥育猪的增重有提高的趋势，料重比下降，以500 g/t组最明显，其增重提高6.7%，但差异不显著；料重比则下降10%，眼肌面积提高9.04%，背最长肌率提高15.73%；当一水肌酸添加量高于2 000 g/t时，日增重有所降低。当酮酸添加量在0.5%～1.0%时，可显著降低体脂肪和血脂水平，而对动物生长没有影响[11]。以上试验结果均表明，高浓度酮酸可降低动物生长速度，并降低体脂肪含量。不同的酮酸物质在畜禽饲料中适宜的添加量有待进一步的研究确定。

4 酮酸在畜禽生产中应用存在的问题及应用前景

代谢有机酸是动物机体代谢过程的中间产物，利用某种代谢产物来促进动物的生长及代谢是一种新的概念。现在育种科学和生物技术的发展大大提高了畜禽的生长速度，使得动物机体内的代谢相应加快，所需要的可快速转化的能量和物质就增多。代谢有机酸，尤其是酮酸可以直接氧化放能和合成氨基酸，这可能就是这些代谢有机酸对动物的生长和机体物质代谢有促进作用的原因。但由于这方面的研究刚刚起步，尚有大量的问题亟待解决。

首先，目前研究的代谢酮酸主要是应用在人的医疗保健方面，价格较贵。二是目前所研究酮酸及其衍生物在饲料中的添加量差异较大，酮酸的添加量因种类不同而不同。以促进动物生长为目的，酮酸的添加剂量在1 000 g/t左右，添加量超过2 000 g/t以上时不利于动物生长[23]。高剂量酮酸可降低动物脂肪的沉积，但对动物生长有抑制作用，同时增加了饲料成本。因此，各种酮酸适宜添加量有待于进一步研究确定。三是酮酸品种较少，而且研究和开发的代谢酮酸都是人医疗和保健中所应用的物质。

研究证明，包括酮酸在内的代谢有机酸对畜禽具有一定的促生长和保健功能，其应用前景较为可观，但需要做的研发工作也较多。首先寻找价格低廉、且无毒无害的代谢有机酸；二是研究在不同畜禽种类饲料中的各种代谢有机酸适宜的添加量；三是研究这些代谢有机酸对不同种类畜禽的生长、采食量、各种生理生化指标、物质代谢的影响以及促生长和调节代谢的机理。