甜菜碱的抗氧化作用及其在畜禽生产中的应用研究进展

杨文武，王 璐，臧建军*

（1.宜兴市天石饲料有限公司，江苏宜兴 214258；2.中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193）

甜菜碱（Betaine）最初因从甜菜糖蜜中提取而得名，是一种广泛存在于动物、植物和微生物体内的天然生物碱。外源性甜菜碱主要来源于植物，其中麦麸（1 339 mg/100 g）、小麦胚芽（1 241 mg/100 g）、菠菜（600～645 mg/100 g）、甜菜（114～297 mg/100 g）等均含有较高浓度的甜菜碱[1]。甜菜碱可改善饲料风味[2]、促进畜禽生长[3-4]、改善胴体品质[5]、改善肠道功能[6]、提高畜禽抗氧化能力[7]等应用效果已经被广泛证实。在畜禽养殖过程中，应激反应时有发生，应激会诱导氧化应激和自由基的产生，从而诱导脂质过氧化和对细胞膜的氧化损伤，使畜禽的生产性能下降，影响经济效益。因此，提高机体的抗氧化能力，是提高养殖效益的重要途径之一。本文就甜菜碱的抗氧化作用机制及其在畜禽生产中应用的研究进展作一综述。

1 甜菜碱的理化性质和生物学功能

甜菜碱化学名称为三甲胺乙内酯，分子式为C5H11O2N，分子量为117.5，化学结构式如图1 所示。甜菜碱具有3 个活性甲基，且具有双电荷，在分子内电荷呈中性。甜菜碱是一种白色、呈棱粒状的结晶化合物，对动物体无毒无害，具有甜味，易吸水潮解并释放出三甲胺。甜菜碱含有完全甲基化的五价氨，属于一种季氨型生物碱，既有亲水性，又有亲脂性。易溶于水和甲醇，微溶于醚，耐高温，熔点为293℃，具有很强的抗氧化能力[8]。

甜菜碱具有重要的生物学功能，可为机体提供甲基，部分替代蛋氨酸和胆碱的供甲基功能[9]；提高脂肪代谢的效率，改善肉品质[5,10]；参与氨基酸和蛋白质的代谢[11]；对机体渗透压剧变具有缓冲作用[12]；具有诱食作用[2]以及抗应激作用[13]；还具有抗球虫药的增效作用[14]。因此，甜菜碱作为饲料添加剂在畜禽生产中得以广泛应用。

2 甜菜碱的抗氧化机制

当农作物（如烟草、大麦、小麦、豆类、大豆和高粱）处于逆境胁迫下时，甜菜碱可以减轻氧化压力，提高作物生产力[15]。甜菜碱被认为是缓解家禽慢性热应激和提高肉品质的有前景的抗氧化剂[13]。此外，甜菜碱对肝、脑、肾、胃和大鼠卵巢中的氧化应激诱导剂（如乙醇和左旋多巴）具有保护作用[16-20]。因此，甜菜碱作为农业和人类健康的抗氧化剂具有潜在的应用价值。

关于甜菜碱抗氧化机制的报道较少。甜菜碱的抗氧化特性可能是由于其具有自由基清除能力[21]，或还可通过增加抗氧化酶的活性来发挥其抗氧化特性[13]，但是这些机制并未被证实。Zhang 等[7]通过离体试验表明，甜菜碱几乎没有活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）清除能力，也不会增强人肝细胞癌（HepG2）细胞系中的酶抗氧化系统的活性，而是通过另外2 种机制发挥其抗氧化活性。

一是甜菜碱能够调节含硫氨基酸的代谢而发挥其抗氧化作用。甜菜碱可以通过甲硫氨酸-同型半胱氨酸循环增加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，它可以通过ROS 清除和螯合铁离子来抑制羟基自由基产生，且比谷胱甘肽（Glutathione，GSH）更有效[22]。蛋白质中的Met 残基特别容易被ROS氧化并转化为甲硫氨酸亚砜（Methionine Sulfoxide，MetO），MetO 可以通过蛋氨酸亚砜还原酶（Methionine Sulfoxide Reductase，MSR）还原为Met。MSR 系统中Met 氧化和还原的每个循环都会破坏1 当量的ROS[23]。此外，甜菜碱的转甲基作用会降低同型半胱氨酸（Homo cysteine，Hcy）含量，为了维持GSH 合成所需的半胱氨酸的供应，半胱氨酸对牛磺酸的分解代谢受到抑制，使得更多的半胱氨酸用于GSH 的合成。因此，半胱氨酸和GSH 水平的恢复可能是甜菜碱抗氧化作用的结果，而不是其抗氧化的机制。该机制如图2 所示[7]。

二是甜菜碱可以在红细胞（Erythrocyle）周围形成电负性的外表面，构成一个保护膜，从而防止自由基（Free Radicals）与细胞膜接触并抑制ROS 产生。红细胞的结构类似于具有脂质双层表面的微球，因此它与水的相互作用类似于“水包油滴”，甜菜碱属于两亲分子，具有亲水性的羧基末端和疏水性的3 个甲基末端，其羧基末端带负电，因此甜菜碱可以在红细胞周围形成一层外表面带负电的保护膜。自由基是具有一个或多个不成对电子的分子，因此，自由基带负电，保护膜的电负性外表面可以排斥自由基，防止它们损坏细胞膜。这个机制如图3 所示[7]。此外，甜菜碱作为双极性季氨盐化合物，因此具有类似于电解质的特性。可以调节机体渗透压，保护细胞、酶的结构和功能，增强抗氧化酶的稳定性[24]。

3 甜菜碱的抗氧化作用在畜禽生产中的应用

关于甜菜碱抗氧化作用在畜禽中的应用研究相对较少，可大致分为三类。

3.1 甜菜碱可改善环境因素引起的氧化应激 Akhavan-Salamat 等[13]研究表明，在高温（33℃）环境下补充0.1% 甜菜碱，可增加肉鸡血清中谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）活性，降低血清中丙二醛（MDA）含量，证实甜菜碱可以作为热应激诱导的肉鸡氧化应激的抗氧化剂。贺绍君等[25]研究表明，当肉鸡处于慢性热应激条件（32℃）时，对照组血清的抗氧化功能显著降低，甜菜碱组供给肉鸡含有0.2%甜菜碱水溶液，其血清抗氧化酶GPx、SOD 活性显著升高，MDA 含量显著下降，表明甜菜碱可显著提高热应激状态下肉鸡血清的抗氧化功能。Nasiroleslami 等[26]报道肉鸡在冷应激环境下，补充600 mg/kg 甜菜碱可以改善抗氧化状态。此外，在肉鸡日粮中不管使用甜菜碱粉剂还是甜菜碱颗粒均可以改善肌肉抗氧化性能[27]。因此，作为一种潜在的抗氧化剂，在饮水或日粮中添加甜菜碱均可以提高肉鸡的抗氧化防御能力。

Zhang 等[28]研究表明，在夏季热应激期间奶牛采食甜菜碱（15 g/d）可显著增加血清GPx 和SOD 含量，表明在奶牛日粮中添加甜菜碱有助于提高其抗氧化能力。而陈统明等[29]研究表明，在肉牛日粮精料补充料中添加甜菜碱（16 g/d），肉牛抗氧化能力没有显著变化。这表明甜菜碱的抗氧化效果可能与动物品种或生产条件有关，有待进一步研究。

3.2 甜菜碱可改善饲粮因素引起的氧化应激 在猪日粮中添加玉米干酒糟及其可溶物（Distillers Dried Grains with Solubles，DDGS）可降低饲料成本，但不可避免地会促使日粮向着高脂高纤维方向转变，进而可能对机体抗氧化功能造成影响。苏斌朝等[4]研究发现，用玉米DDGS 饲喂育肥猪，与不添加甜菜碱相比，添加0.1%甜菜碱可显著提高血清SOD 和GPx 活性、肌肉总抗氧化能力（Total Antioxidant Capacity，T-AOC），显著降低MDA 含量。

Alirezaei 等[21]研究表明，在肉鸡日粮中用甜菜碱替代10%蛋氨酸，可以增加胸肌GPx、SOD 和过氧化氢酶（CAT）活性，降低胸肌MDA 水平，改善肉品质，首次证明甜菜碱可以作为低蛋氨酸日粮诱导的肉鸡氧化应激的抗氧化剂。冷智贤[5]研究表明，在肉鸡日粮中添加750 mg/kg 甜菜碱能有效增加胸肌中SOD 活力和GSH 含量，显著降低MDA 含量，增强了胸肌的抗氧化功能；在肉鸡日粮中添加1 000 mg/kg 甜菜碱可以缓解热应激（34℃）对肉鸡氧化还原状态的负面影响，具体表现为肝脏及其线粒体的抗氧化功能增强。Adjoumani等[30]研究表明，在武昌鱼的高脂日粮中添加1.2%甜菜碱可以显著改善其抗氧化防御功能。因此，当畜禽因饲粮因素诱发氧化应激时，额外添加一定量的甜菜碱有助于提高其抗氧化能力。

3.3 甜菜碱可改善妊娠引起的氧化应激 胚胎和胎盘发育过程中高水平的ROS 是母猪妊娠期的特征之一，因此，胎儿发育和生长过程易受氧化应激的影响。Mishra等[31]研究显示，在母猪妊娠晚期或整个妊娠期间，基础日粮中添加3 g/kg 甜菜碱可显著提高CAT 和T-AOC水平，而MDA 水平显著降低。在母猪妊娠期间补充甜菜碱不仅有助于母体抗氧化功能的改善，还可以提高胎盘和胎儿的抗氧化能力。Mou 等[32]报道，母猪妊娠期间在饲料中补充3 g/kg 甜菜碱显著增强了绒毛膜尿囊和仔猪血浆与肝脏中抗氧化酶（CAT、GPx 和T-AOC）的活性，还上调了铜锌-超氧化物歧化酶（Copper,Zinc-SOD，Cu,Zn-SOD）、GPx1以及仔猪肝脏中CAT 的mRNA 表达；同时，甜菜碱的添加能够减缓双酚A 诱导的母猪和胎儿的氧化应激状态。

4 结语与展望

甜菜碱可能会通过如下3 种机制发挥其抗氧化作用，一是上调内源性非酶抗氧化防御；二是在细胞周围形成保护膜；三是调节渗透压，增加抗氧化酶的稳定性。当畜禽因环境因素（温度过高或过低）、饲粮因素（高脂）或生理状态（妊娠）等的变化引起应激反应时，在饲料中添加甜菜碱有助于改善畜禽的抗氧化能力。甜菜碱在畜禽生产中具有广阔的应用前景，未来需要深入探讨甜菜碱在不同环境条件下、不同畜禽饲料中的最适添加量，从而发挥其最佳的应用效果。