甜菜碱的加工与利用

周艳丽，卢秉福

（1.黑龙江大学农业资源与环境学院，哈尔滨150080；2.中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨150080）

甜菜碱的加工与利用

周艳丽1，2，卢秉福2

（1.黑龙江大学农业资源与环境学院，哈尔滨150080；2.中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨150080）

综述了甜菜碱的生产工艺、营养功能与机理，及在饲料、食品、化学等行业中的应用。

甜菜碱；加工；利用

甜菜碱（betaine）于1869年最先在欧洲糖甜菜汁液中被发现，故而得名。在自然界中甜菜碱广泛存在于不同植物的根、茎和种子之中，也大量存在于甲壳类及软体动物中，甜菜、棉子、豆类、麦类、中草药等都含有这种生物碱，其中尤以甜菜中甜菜碱的含量最多，约含有1.0%～1.5%（对干物质）。1939年D.Vigneaud发现了甜菜碱的营养功能，到20世纪70年代甜菜碱成为研究热点。甜菜碱在动植物体内普遍存在，并在物质代谢中起重要作用，被广泛地应用于制药、食品、添加剂、化学试剂、化工原料、畜禽养殖、水产养殖等领域。在欧洲、美国、日本等国甜菜碱作为畜禽、水产和宠物等的饲料添加剂被大量应用，每年需求量数万吨，在我国甜菜碱也已成为重要的饲料添加剂之一。

1 甜菜碱的化学结构及理化特性

甜菜碱又名甘氨酸三甲内盐，学名1-羧基-N.N.N-三甲氨基乙内酯，结构式（CH3）3N+CH2COO-。分子量117.15。分子结构具有两个特点：一是电荷在分子内分布呈中性，二是具有3个活性甲基。甜菜碱是一种小分子两性离子的化合物，为白色柱状结晶体或结晶粉末，有特殊甜味，无臭，浓度超过2%时有涩味，310℃分解，极易溶于水和乙醇，水溶液呈中性，熔点293℃，能耐200℃以下的高温，具有很强的抗氧化性能。此外，甜菜碱还具有保湿性，在空气中易潮解，对枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、青霉菌、黑曲霉等均有一定抑制作用。在一般食品加工中性能稳定，为乌贼、章鱼等水产品的特殊滋味物质之一，有改善水产加工品风味的作用。

表1 甜菜碱质量标准

2 甜菜碱的生产工艺

2.1 天然物质提取法

甜菜碱可以从天然物质中提取，制糖过程产生的糖蜜中甜菜碱含量达3%～8%，是提取甜菜碱的主要原料。20世纪20年代国外就有从甜菜糖蜜中提取甜菜碱的报道，至20世纪70年代提取工艺已日趋完善，甜菜碱回收率达到70%。20世纪80年代初芬兰科学家运用色谱原理创造了排斥提取法，可得到纯度98%甜菜碱，甜菜碱回收率可达到80%，降低了生产成本，避免了环境污染。同期日本甜菜制糖株式会社也报道了该方法。离子排斥法提纯工艺主要是应用聚乙烯-二乙烯树脂色谱分离柱，洗脱出的甜菜碱母液，经蒸发、浓缩、三段结晶、过滤制得纯度约98%的无水或一水甜菜碱。近年来也有报道采用膜分离技术提取甜菜碱，主要设备有膜分离器、交换柱等。

2.2 化学合成法

化学合成法一般采用氯乙酸和三甲胺为原料，将氯乙酸用水稀释后加入烧碱中和，并与三甲胺溶液混合，反复升温通气后，用水和氨水洗脱，母液在真空下浓缩、经脱盐、吸附后结晶，即得纯净的成品，纯度达到98.5%。目前国内已开发出了采用多种原料生产甜菜碱的先进工艺，具有设备简单，成本低，质量好，不需精制即可达到医药级产品的纯度。化学合成法具有收率高、成本低，原料充足、不受季节、气候等因素的限制和影响等诸多优点。

3 甜菜碱的营养功能及机理

3.1 为机体提供高效的活性甲基，参与氨基酸、蛋白质代谢

甜菜碱作为动物体内的一种中间代谢产物，间接参与了动物蛋白质和脂肪代谢。从其生理作用机制来看，甜菜碱在动物体内是通过提供甲基，合成多种营养物质间接参与体内的许多生理代谢过程。甜菜碱的分子量不大，并有3个活性甲基，在分子内部正负电荷也已得到中和，因此它是高效的甲基供体。甲基是合成蛋白质、肉碱、肌酸、磷脂、肾上腺素、核糖核酸和脱氧核糖核酸等动物体众多具有重要生理活性的物质所必需的基团，而动物体主要甲基供体之一的胆碱不能提供甲基，需要通过细胞线粒体将其转化为甜菜碱后，才能具有供甲基能力，合成脂蛋白、氨基酸等物质，因此，当饲料中胆碱供应不足时，添加甜菜碱有部分替代胆碱的作用。日粮中适当的补充甜菜碱可以替代另一主要甲基供体——蛋氨酸的供甲基作用，从而节约蛋氨酸，提高蛋白质利用率。甜菜碱提供甲基的能力还可以促进动物体内肉碱的合成，提高脂肪代谢强度。

甜菜碱与蛋氨酸的代谢有密切的关系，一方面甜菜碱通过提供甲基降低蛋氨酸的供甲基消耗；另一方面，甜菜碱通过增加高半胱氨酸-S-甲基转移酶活性，促进了高半胱氨酸的转化，具有净增蛋氨酸的功效。据研究，甜菜碱能使动物肝脏和肌肉中粗蛋白含量、RNA/DNA比率显著升高，而血清尿酸含量明显下降，这说明甜菜碱促进了体内蛋白质合成，降低了蛋白质的分解，使组织中蛋白质沉积增加，其机制可能是甜菜碱通过增强机体的甲基代谢，加速了RNA的加工和修饰过程。

3.2 抑制脂肪沉积，提高产肉量及肉的品质

甜菜碱具有一定的抗脂肪效应，日粮中添加甜菜碱，能显著降低动物肝脏中脂肪的含量，大幅度降低猪胴体背膘厚度和鸡体内脂肪，增加蛋白质含量。甜菜碱能提供甲基给甲基氨基乙醇而生成胆碱，胆碱在酯类代谢中发挥重要作用，从而促进脂肪酸氧化和磷脂的生成，提高酯类的运转速度，甜菜碱通过促进体内磷脂的合成，一方面降低了肝脏中的脂肪酶的活性，另一方面，有促进肝脏中载脂蛋白的合成，其中极低密度脂蛋白是用来运载内源性甘油三酯的主要载体蛋白，促进肝中脂肪的迁徙，从而降低肝中甘油三酯的含量。将甜菜碱和胆碱分别添加到成分相同的基础日粮中做对比实验，结果表明使用甜菜碱的幼禽，体内的脂肪量低于饲用胆碱的幼禽，而且肉质疏松，味道更可口。

3.3 调节渗透压，提高免疫力的效应

甜菜碱作为生物体内一种重要的渗透压缓冲物质，能防止细胞中离子浓度的激变。当细胞内渗透压激变时，细胞开始产生或吸收甜菜碱以维持正常的渗透压的平衡，同时防止细胞水分流出和盐分的入侵。

鸡体极易感染球虫，影响肠道离子平衡，抗球虫药虽然能改变寄生虫细胞的离子浓度而杀死寄生虫，但同样影响了宿主细胞，尤其是肠道离子浓度，从而影响肠道正常功能。而甜菜碱提供甲基作为细胞渗透保护剂，能维持动物细胞正常的渗透压，防止细胞中水分流失导致的脱水，稳定肠道离子平衡。从而提高鸡体的抵抗力。

3.4 增强维生素稳定性，提高饲料的诱食效应

维生素的稳定性差，易受光、热、湿的影响，随时间的延长也会逐渐损耗，尤其是在饲料加工、储运过程中，大多数维生素都或多或少在效价上存在降低现象。此外，氯化胆碱由于吸水性大，酸性强，往往是影响破坏维生素的主要原因。而甜菜碱具有较强的保湿性，能增强维生素的稳定性，防止脂溶性维生素A、D、E、K的氧化，保护其效价。在20～25℃时，甜菜碱能提高维生素A、K3、B1、B6在贮存过程中的稳定性，并且温度愈高，甜菜碱的作用性愈强，用甜菜碱成功全部代替日粮中胆碱是较经济实用的方法。

甜菜碱是鱼虾味觉最大的刺激物之一，对水产动物具有独特的诱食作用，0.0001mol/mL的甜菜碱就能引起所有鱼的味觉感受反应。同时甜菜碱还能增强其它氨基酸的味觉感受反应，可见甜菜碱是水产养殖中的理想诱食剂，能提高饲料的适口性和利用率。近年来研究表明，甜菜碱对猪也具有明显的诱食效应，饲料中的蛋氨酸的添加量达到0.1%～0.5%时，动物的食欲就会减弱，而如果使用甜菜碱代替部分蛋氨酸添加到饲料中，则可避免或减少过量蛋氨酸引起的不良反应，提高诱食效果。

3.5 耐硬水，去污能力强

甜菜碱与阴离子、阳离子、非离子表面活性剂配伍性好，可以在较广的pH范围内显示出优异的柔软效果，去污力和起泡性好，可用于洗涤剂系列。如脂肪醇硫酸钠和烷基苯磺酸钠的洗净力与发泡力不理想，在加入甜菜碱后上述问题获得解决；在液体洗净剂中加入甜菜碱可增加发泡、柔软和去污性能；在肥皂生产中加入磺基和硫酸酯甜菜碱可作为性能优良的钙皂分散剂。

4 甜菜碱的应用

4.1 在饲料业的应用

在国外，甜菜碱已有30多年的生产和使用历史，作为饲料添加剂，欧美国家早已把甜菜碱作为要推广的重要品种之一，大量应用于水产品和畜禽养殖行业。甜菜碱在饲料业中主要是作为一种高活性生物营养素，提供甲基参与生物体内合成肉碱、肌酸等必需物质的系列化反应，替代氯化胆碱和蛋氨酸，防止因氯化胆碱的氧化反应而破坏饲料中的维生素类。

在水产养殖中，甜菜碱在鱼类诱食剂的各组分中起着主导作用。在鱼饲料中拌入甜菜碱对所有的鱼类及虾等甲壳类动物的嗅觉和味觉均有极强的刺激作用。不仅提高了饲料的适口性，增加了鱼类摄食量，而且缩短了摄食时间，提高饲料利用率，对鱼虾快速生长，增强抗病能力和免疫力有着重要的意义。

4.2 在日用化学品行业的应用

由于甜菜碱具有很多优良的性能，使其在化妆品中的用量不断地增加。目前，国内应用最多的甜菜碱型两性表面活性剂仍是烷基甜菜碱，而其改性衍生物烷基酰胺丙基甜菜碱因具有很多优良的性能而越来越受市场的青睐，且有逐渐取代甜菜碱BS-12的趋势。甜菜碱可用做还原染料以及添加于香波、浴液、护发素等日用品中；羊毛清洗剂是毛纺织工业的专用洗涤剂，主要用于厚羊毛的洗涤。甜菜碱BS-12属两性离子表面活性剂，可以在较广的pH范围内显示出优异的柔软效果，对羊毛和亚麻织品既有丰富的柔软效果，又有有效的洗净作用，广泛用于柔软整理上，是理想的织物柔软剂，能有效地降低纤维间的摩擦系数，从而产生良好的柔软效果。它可和各种表面活性剂复配，达到良好的协同效应，生物降解性好，低毒。

4.3 在食品行业的应用

甜菜碱用做食品添加剂，可制造人造肉等食品，对老人保健、儿童生长发育都能起到良好的促进作用；甜菜碱也是制药工业的原料，可用于生产治疗和预防肝脏病的药物。

总之，甜菜碱是一种新型精细化学品，广泛应用于饲料、化工、食品、印染、医药等领域。目前，我国从天然产物中提取甜菜碱的工艺已由沈阳石油化工研究院研制成功，化学合成甜菜碱也已在江西民星集团公司、中国农科院饲料研究所、浙江黄岩荣耀化工厂等单位生产。甜菜碱的国内需求量呈上升趋势，年总需求量为3000t以上，其中用作饲料添加剂约为2000t，其他各领域为1000t左右，发展前景十分广阔。

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Production and Utilization of Betaine

ZHOU Yan-li1,2,LU Bing-fu2
(1.College of Agricultural Resource and Environment,Heilongjiang University,Harbin,150080,China; 2.Sugar Beet Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,China)

The productive technics,nourishment function and mechanism,the utilization of feed,delicatessen, chemistry industry of betaine were summarized.

Betaine;Production;Utilization

S566.3

A

1007-2624（2010）04-0059-03

2010-05-12

周艳丽（1964-），女，硕士，黑龙江省庆安县人，黑龙江大学农业资源与环境学院，副教授。