γ-氨基丁酸的生物学功能及其在畜牧生产中的应用

《品H工业》·2010年曩31邕第4期 饲料 一 萄基丁酸硇生物学功鹾及其在畜牧生产巾昀应用 陈黎龙 江青艳 肖世平 摘 要 一氨基丁酸(GABA)是一种重要的功能性非蛋白质氨基酸，也是动物中枢神经系统内最 主要的抑制性神经递质，具有镇静，抗应激，促进食欲，强肝健肾，调节内分泌等多种生物学功能，已经被 广泛地应用于医药和功能性食品的开发中。近年来，在畜牧生产中的应用研究明，GABA因其作用的 高效性和使用的安全性，已经成为一种新型的绿色饲料添加剂。GABA在提高畜禽采食量，抗应激，促生 长，提高饲料报酬等方面具有显著的作用。在实际使用时，为确保GABA能够高效稳定地发挥作用，必须 对GABA进行适当地处理，包括与某些活性组分(如牛磺酸)的互补搭配以及采取生化代谢的保护等措 施，开发相应的以GABA为主要成分的复合型饲料添加剂产品，促进畜牧业和饲料工业的进步。 关键词 饲料添加剂；7-氨基丁酸；研究进展 中图分类号 $816．7 一 氨基丁酸( 一aminobutyric acid，GABA)又名 4一 氨基丁酸、^y一氨酪酸，是一种重要的功能性非蛋白质 氨基酸，于 1950年从哺乳动物脑提取液中被首次发 现，广泛分布于动物、植物和微生物中【lJ。GABA是动 物中枢神经系统内最主要的抑制性神经递质，其生理 作用十分广泛，具有镇静，抗惊厥，调节食欲，改善肝 脏、肾脏功能，调节激素分泌，降血压，抗衰老等多种 生理活性，目前 GABA已经被广泛地应用于人的医药 和保健食品工业中[2-5]。近年来，随着 GABA合成制备 技术的进步以及生产成本的下降，GABA因其特殊的 生理调节作用，已越来越受到关注并广泛应用于畜禽 养殖业和饲料工业中。 1 GABA的结构和理化特性 GABA分子式为 C4H9NO ，相对分子量 103．2， GABA是一种白色或近白色结晶性粉末，味微苦，无 旋光性，极易溶于水，25℃时溶解度为 130 g／lOO ml， 易潮解，微溶于乙醇，不溶于其他常见有机溶剂，熔点 202—204 oC，但在 195℃时即分解为吡咯烷酮和水。 GABA作为氨基酸的一种，由于同时含有羧基和氨 基，在水溶液中发生两性解离，解离情况取决于溶液 的 pH值，其 pKc~H、pK 分别为 4．02和 10．35，等电 点pI为 7．19。 陈黎龙，江西农业大学动物科学技术学院，博士，330045， 江西南昌。 江青艳，华南农业大学动物科学学院。 肖世平，江西天佳实业有限公司。 收稿 日期 ：2009—12—21 ★ 江西省教育厅青年科学基金项目(GJJ09479)及南昌市科 技局科技支撑项目(洪财企[2008168号) 2 GABA的生化代谢途径 GABA生物合成的主要途径是由L一谷氨酸 (L— Glu)经谷氨酸脱羧酶(GAD)催化脱羧而来，此反应需 要辅酶磷酸吡哆醛；在某些情况下，GABA也可由鸟 氨酸和丁二氨转化而来，但这些物质都是由Glu生成 的，所以说 Glu是生物体内GABA的唯一来源[61。在哺 乳动物神经细胞内，合成的GABA首先在 GABA转氨 酶(GABAT)的催化下形成琥珀酸半醛(SSA)，然后 SSA在琥珀酸半醛脱氢酶(SSADH)催化下形成琥珀 酸进入三羧酸循环，这些反应和GAD催化 Glu脱羧 反应一起，构成了Ol一酮戊二酸氧化成琥珀酸的另一 条支路，称为GABA支路网(见图 1)。 异 ：长 图 1 GABA的生化代谢途径 3 GABA的制备方法 3．1 化学合成法 早在 1883年，人们就已经掌握了GABA的化学合 成法，主要是由邻苯二甲醛亚氨钾和 氯丁氰在强烈 条件下(180℃)反应，产物与浓硫酸一起回流，再经过结 晶提纯而得。目前，通常采用的化学合成法是通过吡咯 烷酮经氢氧化钠或氢氧化钾水解开环制得 GABA。最 近，张聪等(2009)n以丁内酯为起始原料，经过氯化酯化 反应，生成4一氯丁酸甲酯，再经氨解和皂化反应制得 GABA，总收率达57．9％。随着GABA化学合成工艺的不 剂 陈黎龙等： 一氨基丁酸的生物学功能及其在畜牧生产中的应用 断改进，GABA生产成本有所下降，纯度也不断提高。 3．2 植物富集法 植物富集法主要是利用植物体内的GAD催化底 物 Glu脱去羧基后得到 GABA，有两种形式：①植物 组织生长代谢富集，即培育能富集 GABA的植物新品 种，例如中国水稻研究所应用生物技术培育了水 稻新品种 “基尔米”，GABA含量是普通大米的6倍。 ②离体植物组织应激代谢富集，即在外界应激条件包 括温度、压力、研磨、破碎和氧浓度等的作用下，植物 离体组织 GAD活性增强从而富集 GABA，例如以米 胚芽、米糠、绿茶、南瓜、辣椒、茄子、番茄和蜜柑等为 原料生产的GABA功能性食品。 3．3 微生物发酵法 微生物发酵法是以谷氨酸或其衍生物(谷氨酸钠 或富含谷氨酸的物质等)为原料，利用酵母菌、乳酸菌 和曲霉菌等食品安全级微生物发酵制得 GABA。该方 法制备的产品具有成本低、含量高及可安全用于食品 的优点，但高效的微生物菌种通常较难获得。 4 GABA的生物学功能 4．1 镇静、抗惊厥、治疗癫痫病 GABA作为中枢神经系统内重要的抑制性神经 递质，通过与其 A型受体结合增加神经元细胞膜对 Cl一的通透性，引起细胞超极化，产生突触后抑制效应， 从而发挥镇静神经，促进睡眠，抗惊厥的作用。GABA 可提高机体抗惊厥阈值，是治疗顽固性癫痫的特效生 化药物。研究表明，癫痫病患者脑脊液中GABA较正 常人明显降低，且其程度与发病类型有关，临床上有 可能通过提高脑脊液 GABA水平来干预及改善癫痫 患者的智能状况l 8l。 4．2 调节动物的食欲 早在20世纪 80年代，就已发现适量的GABA具 有显著促进动物食欲的生理作用，其作用机理是：① GABA可促进某些促食欲神经肽(如 NPY、阿片肽等) 的分泌，并与促食欲神经肽(如orexin)的促食欲作用 相关；@GABA还可通过抑制某些抑制食欲神经肽(如 — MSH和 CCK等)的分泌，反向提高动物的食欲；③ 作为机体重要的抑制性神经递质，GABA可有效地选 择性抑制动物下丘脑的饱中枢，从而促进动物食欲；④ GABA还可通过调制动物的味觉而影响动物的食欲 。 4．3 改善肝脏、肾脏功能 GABA在体内能大幅度降低碱性磷酸酶和转氨 酶活性，抑制谷氨酸脱羧反应，与 一酮戊二酸反应生 成谷氨酸，使血氨降低 ，使更多的谷氨酸与氨结合成 尿素排出体外，解除氨毒，增进肝脏功能嘲。GABA具 有利尿作用，能够使机体过剩的盐分从尿液排出；给 老鼠喂食富含GABA的米胚芽后，其肾脏基底膜细胞 坏死减少，尿素氮降低，说明GABA具有活肾功能[5J。 4．4 调节激素的分泌 GABA对机体的内分泌功能有重要的调节作用， 主要包括：①促进生长激素的分泌，调节神经内分泌 生长轴的功能，促进动物的生长发育；②影响孕酮、黄 体生成素和催乳素的分泌，调节神经内分泌性腺轴的 功能，促进排卵和精子的获能，提高动物的繁殖性能； ③影响胃肠道激素的分泌，通过提高胃泌素的水平、 刺激肠道内 CCK的分泌以及抑制生长抑素的释放， 从而促进胃酸、胰液等消化液的分泌，参与胃肠道运 动的调节，促进机体的消化吸收功能；④对胰岛素、甲 状腺激素等外周激素的分泌也具有重要的调节作用。 4．5 其它功能 除上述功能之外，GABA还有许多其它生理作用， 如降血压、抗衰老、控制哮喘、改善脂质代谢、预防肥胖、 防止动脉硬化和皮肤老化、镇痛、解酒消臭等作用。 5 GABA在畜牧生产中的应用 目前，关于GABA在畜牧生产中的应用研究主要 集中在猪方面。在21 d断奶仔猪的日粮中分别添加 0．50、100和 150 mg／kg GABA饲喂28 d，结果显示， 50和 100 mg／kg GABA添加量能提高断奶仔猪的采 食量和日增重，降低料重比，以50 mg&g组效果最好， 而150 mg，kg组的日增重和采食量却有所降低【砌。杨 小军等(2009)[“】在 28 d断奶的三元杂交猪 日粮中添 加高剂量 GABA (400、800 mg／kg)饲喂 28 d，发现 GABA主要对试验后期的日增重和采食量影响显著， 且 800 mg／kg剂量效果更好。在生长肥育猪方面，韦习 会等(2004)f 2】在 30 左右的三元杂交猪 日粮中添加 0、10、20和40 mg／kg GABA饲喂 80 d，结果表明，l0和 20 mg／kg组的日增重比对照组分别提高了 11．39％和 9A9％，采食量分别提高了7．82％和9．47％，而40 mg／kg 组的采食量和日增重却有所下降。最近，胡家澄等 (2009)r 选用40 kg左右三元杂交猪进行为期48 d的 试验，得到与韦习会等(2004)~ I似的结果，以10 mg／kg GABA促生长效果最佳。然而，Fan等(2007)~ 同样选 用 30 kg左右的三元杂交猪，在基础日粮中分别添加 0、50、100 mg／kg GABA饲喂28 d，结果发现，GABA对 猪的促生长作用明显，但主要表现在试验 3～4周，且 以 100 mg／kg的效果最好。上述研究提示，一定剂量的 GABA能够显著提高猪的生长性能，但不同试验在 GABA的最佳添加量的结果上并不一致，因此，在实 际应用 GABA时必须考虑猪的不同生长阶段和GA— 陈黎龙等： 一氨基丁酸的生物学功能及其在畜牧生产中的应用 BA的来源等因素来确定适宜的添加量。 GABA对家禽生长性能的影响同样也引起了研究 者的关注。陈忠等(2002)【 肉仔鸡饮水中添加0．05％ GABA后发现，热应激仔鸡的呼吸频率明显降低，肉鸡 的日增重显著提高，料重比得到改善。吴常信(2005)t q 报道，将适量GABA添加到肉雏鸡前期(50、100 m g) 和后期(75、150 mg／kg)Et粮中均能提高日增重和降低 料重比，且低剂量效果优于高剂量组。最近有学者研究 了在日粮中添加 50 mg／kg GABA对 AA肉鸡生长性能 的影响，结果发现，50 mg／kg GABA添加量显著提高了 试验全期肉鸡的日增重和显著降低料重比旧。陈黎龙等 (2010)~ 崇仁麻鸡日粮中分别添加5-150 mgCkg GABA， 试验 42 d，发现日粮中GABA的添加剂量与崇仁麻鸡 的生长性能指标间并无显著的相关性，其中30 mg／kg GABA可使崇仁麻鸡的日增重显著提高，料重比显著 降低，但对日采食量无显著影响，建议在崇仁麻鸡日粮 中GABA的适宜添加量为30 mg／kg。在蛋鸡方面，李爱 学(2003)㈣在伊莎蛋鸡的产蛋高峰期，向饲料中添加 50 mg，I(g GABA可增加其采食量和摄食次数。陆桂平 等(2007) 青年伊莎蛋鸡饲料中添加 10 mgCkg GABA 进行长时间饲养试验，结果表明，10 mg／kg GABA可显 著提高青年期、产蛋初期和产蛋高峰期蛋鸡的采食量， 分别比对照组提高了 11．9％、5．95％和7．23％，显著增加 产蛋初期的产蛋率和蛋重，料蛋比变化不明显，对产蛋 高峰期的产蛋性能无显著影响。 在水产养殖方面，有学者分别开展了GABA对青 锵、鲫、泥鳅、鲚皱等抗缺氧能力的影响研究，结果表 明，GABA能够显著提高水产动物的抗缺氧能力，对 水产动物的缺氧危害有明显缓解作用12 制。 6 结语 GABA作为功能性非蛋白质氨基酸，已经在医药 和功能性食品的开发中发挥了重要作用。近年来，在 畜牧生产中的应用研究表明，GABA因其特殊的生理 活性及其应用的安全性，已经成为一种新型的绿色饲 料添加剂。GABA在提高畜禽采食量，抗应激，促生 长，提高饲料报酬等方面具有显著的作用。然而， GABA作为一种内源性的生理活性物质，若直接添加 到畜禽饲料中，其应用的剂量不好控制，使用的效果 往往并不稳定，主要的原因是畜禽体内存在完整的 GABA的分解代谢途径，外源性添加的 GABA极易在 发挥作用前就被代谢破坏。因此，要在畜禽生产中真 正使用好 GABA，必须对其进行适当的处理，例如，与 其它某些活性物质 (如牛磺酸)互补搭配，以及对 GABA进行生化代谢的保护，开发相应的以GABA为 主要成分的复合型饲料添加剂产品，使产品中的 GABA能够稳定高效地发挥作用。总之，GABA的研究 开发将丰富饲料添加剂的种类，对畜牧业及饲料工业 的发展有一定作用，具有良好的应用前景。 参考文献 [1】 Kardos J．Recent advances in GABA research『J1．Neurochemistry International，1999，34(5)：353—358． 【2] 何熙璞，张敏，李俊芳． 一氨基丁酸的生理学功能及研究现状fJ1． 广西大学学报(自然科学版)，2007，32(增刊)：464—466． [3] 朱晓立，裘晖．^y一氨基丁酸的生物学功能及其在食品上的应用『J1． 食品工程，2008(2)：34—37． f4】 许建军，江波，许时婴．．y一氨基丁酸(GABA)一种新型的功能食品 因子『J1_食品工业科技 ，2003，24(1)：109一l11． 【5】 林亲录，王婧，陈海军． 一氨基丁酸的研究进展fJ]．现代食品科技， 2008，24(5)：496—500． [6] 温博贵．GABA代谢的研究进展．生理科学进展，1980，l 1(1)：26—32． [7】 张聪，应国海．饲料添加剂 一氨基丁酸的合成新方法『J]．新饲料， 2009(21：43—44． [8】 尤浩军，孙红卫．GABA在癫痫病 中的基础与临床[J1．国外医学一 神经外科分册，1998，25f4)：t71—174． 【9】 陈黎龙，肖世平，刘万平．促食欲饲用生理调控剂的研究与开发『J1． 新饲料，2009(3)：41-44． [10】 刘振军．，Y～氨基丁酸对仔猪生产性能和血液指标的影响 【D]．四 川：四川农业大学．2006：15—21． [11】 杨小军，潘翠玲 ，朱于敏 ，等． 一氨基丁酸对断奶仔猪生长性能 和血清激素水平的影响fJ]．动物营养学报，2009，21(3)：388—392． 【12] 韦习会，漆兴桂 ，夏东，等．日粮添加 GABA对育肥猪生长和饲 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芳，xfang2005@163．corn)