γ-氨基丁酸在缓解奶牛热应激上的应用前景

刘岩，杨光，林聪，窦鹏斐，毛宏祥，苏衍菁

（上海奶牛研究所有限公司，上海 200436）

γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric acid, GABA），又名γ-氨酪酸，在生物界广泛存在。GABA在1949年首先于马铃薯中发现[1]，1950年从哺乳动物体内提取获得[2]，是一种功能性非蛋白质类氨基酸。GABA作为一种化学物质可以人工合成，1975年被正式确认为哺乳动物中枢神经系统中一种重要的神经抑制剂，并参与生物体内相应的神经生理活动[3]。2009年卫生部批准其为新资源食品，研究表明，GABA具有镇静神经、降血压、促食欲、抗抑郁、提高免疫力等保健功效[4]，被广泛地应用于食品及医药保健等领域。在畜牧生产中，GABA作为一种功能性非蛋白质类氨基酸饲料添加剂，因在提高畜禽生产性能、调节激素分泌、增强免疫能力及缓解热应激等方面的积极作用，越来越受到关注[5]。当前夏季热应激成为限制我国奶牛养殖业发展的一个重要问题。畜牧工作者尝试从营养调控、环境改善等几方面来减少热应激对奶牛造成的影响，但效果不够理想。因此，开发具有缓解热应激功能的添加剂逐渐成为研究重点。

1 GABA的理化性质及制备方法

1.1 GABA的结构和性质

GABA分子式为C4H9NO2，化学名为4-氨基丁酸，相对分子质量为103.1，是一种白色结晶粉末，微臭，无旋光性，有潮解性，溶于水，微溶于热乙醇，而不溶于乙醚、冷乙醇、苯等有机溶剂。熔点为202℃，当温度高于熔点时，可分解为水和吡咯烷酮。

1.2 GABA的制备方法

(1)化学合成法。其原理是利用一种或几种化学物质作为原料，通过化学反应得到GABA。化学合成法因在实际生产过程中要使用危险有毒试剂，化学反应环境不好，成本高、产率低，并且存在化学成分残留，以及安全隐患问题，所以不能用于食品、药品等领域[6]。

(2)微生物发酵法。其是运用微生物发酵技术，经过筛选得到品种优良、稳定、高产以及无毒无害的菌种，进而生产出稳定的GABA。微生物发酵法对环境的要求比较苛刻，对设备的要求较高。随着微生物发酵技术的开发和应用，乳酸菌、酵母菌等菌种开始代替存在一定安全隐患的大肠杆菌来进行生产，不但成本较低，还具有产量高、高效、安全性好等优势，已经逐渐向产业化生产发展。

(3)植物富集法。其是一种新型开发的合成萃取提纯技术，该技术应用GABA含量较高的植物进行分离提取，可获得纯度较高的GABA产品，具有安全、稳定、成本低等优点[7]。

2 GABA缓解热应激的机理分析及效果

2.1 关于GABA缓解热应激的概述

应激是指机体通过相应的变化来维持自身的稳态，对各种刺激所产生的非特异性反应的总和。动物在受到应激时，刺激其肾上腺（HPA）轴活动，加快促肾上腺皮质激素及糖皮质激素的分泌，但长期的应激会导致肾上腺（HPA）轴反应能力降低，机体调控应激的能力减弱[8]。GABA作为一种抑制突触的化学神经抑制剂，可在中枢神经系统内参与机体的抑制性调控。当GABA与相应的受体结合后，神经细胞胞膜的通透性增加，促进氯离子转运，导致细胞超极化，引起突触后抑制作用，从而减轻机体的应激反应，进而达到缓解应激的作用。

热应激是指当外界温度超过动物机体调节自身体温的能力范围时，所造成一系列负面影响的现象。在我国，奶牛夏季遭受热应激情况严重，致使采食量及繁殖、生产、免疫性能下降[9,10]。有研究表明，当外界温度达到40℃时，奶牛采食量将降低40%，40℃以上时部分奶牛将会停止采食[11]。当机体体温升高时，奶牛通过加快呼吸频率将热量散发出去，以缓解热应激；当机体自身不能调节热平衡时，其直肠温度和体表温度升高。正常情况下奶牛直肠温度为38℃，呼吸频率小于50次/min。有研究表明，奶牛热应激期间，直肠温度达41.21℃，呼吸频率平均为86.87次/min[12]。体温和呼吸频率增加，通常会使奶牛处于能量负平衡的状态[13]，严重时会引起奶牛死亡。高温之所以对奶牛采食量产生影响，一是高温促使下丘脑的采食中枢对采食产生抑制作用；二是由于机体产热机能减弱、散热作用加强，皮肤血液循环量增加，肠胃中的血液流量减少，使得食物在肠胃中停留时间增长，从而导致采食量下降。同时，由于温度升高，奶牛饮水量增加，也造成采食量相应减少。由于采食量下降，摄入养分无法满足机体需要，奶牛的生产性能将受到严重影响，导致产奶量下降。产奶量与环境温度呈极度负相关，高温是导致产奶量下降的原因之一。热应激还会抑制甲状腺功能，导致机体分泌的生长激素减少，从而造成产奶量下降。同时，热应激还致使奶牛乳腺发生损伤，使牛奶中营养成分发生相应变化，致乳品质降低[14]。据报道，人在炎热的环境中休息，口服GABA可使体表温度降低[15]，并通过GABA对中枢神经系统及血管运动中枢的调节，有效地调节心血管活动，促进血管的扩张，起到降低血压的功效[16]，从而减轻热应激对机体造成的损伤。在畜禽生产上，添加GABA可以减轻热应激带来的影响[17,18]，减轻高温引起的自由基对机体的损害；在奶牛生产中，补充GABA可减轻热应激，同时提高奶牛的干物质采食量和产奶量，并改善牛奶成分[19]。

2.2 GABA可提高动物的采食量

动物的采食行为极其复杂，受中枢神经系统、消化系统等多因素的影响，目前对于GABA调控食欲的机制尚未完全明确。GABA作为一种重要的神经抑制剂可通过多种方式调节动物的采食行为。有研究表明，注射GABA受体激动剂可影响动物采食量[20]，说明神经元对GABA的敏感性可能与动物摄食行为的控制有关，一方面协同与促进部分促食欲神经肽的分泌，从而调节食欲，提高采食量；另一方面还会影响动物肠胃消化系统，降低肠胃中感受器的敏感度，减少消化系统对动物采食行为的负反馈调节，从而调节动物的采食量[21]；GABA还参与动物的味觉调节进而影响动物的采食量。采食量是影响动物生长发育的重要因素，有研究称，日粮中添加不同水平的GABA可以显著提高6～8月龄绵羊的平均日采食量，降低料重比，促进动物的生长[22]；在日粮中添加150mg/kg的GABA，肉鸭的日增重显著提高[23]。

2.3 GABA可提高动物的免疫能力

据报道，热应激会损害奶牛的免疫功能[24]。当发生热应激时，一方面奶牛血液中γ-球蛋白含量显著降低，导致奶牛免疫力下降；另一方面，奶牛血液中淋巴细胞增殖减弱，导致奶牛免疫力下降；同时，热应激使奶牛的干物质采食量降低，机体对营养物质的代谢发生紊乱，间接地影响机体的免疫机能[25]。GABA可从多方面对机体的免疫能力进行调节。有报道称，GABA能够促进免疫系统分泌免疫球蛋白A，从而增强机体的免疫能力[26]；GABA可作为机体内最主要的抑制性神经递质，参与影响内分泌系统激素的分泌与释放，如促进生长激素的分泌，促进抗体的合成，从而提高动物的免疫能力[27]。此外，GABA通过提高动物的采食量，为机体提供充足的营养物质，使免疫功能得到良好的保障[28]。

3 GABA 在奶牛热应激中的应用

GABA作为生物体内的一种天然非蛋白类氨基酸，是一种新型、高效、绿色、安全的动物饲料添加剂。目前，GABA在缓解动物热应激方面的应用广泛，而相比于单胃动物，在反刍动物特别是在奶牛热应激中的应用却少有报道。这是由于反刍动物瘤胃的特殊性质，瘤胃中的微生物能够直接降解GABA，使其失去生物学功能。目前国内外应用GABA缓解奶牛热应激的研究，大部分是对其进行过瘤胃保护，以保证其在反刍动物体内发挥正常的生理功能。针对氨基酸类饲料进行过瘤胃保护的方法有多种，在奶牛实际生产中，通常采用物理包被的方式进行过瘤胃保护，即选用一些特殊材料对氨基酸进行包被以实现过瘤胃效果。通过比较未包被、棕榈酸包被、棕榈酸钙包被GABA在瘤胃液中的稳定性，发现棕榈酸包被GABA稳定性高于棕榈酸钙包被GABA[29]。王迪铭[30]运用固体棕榈油脂对GABA进行包被，证明其稳定性得到了提高，保证了在真胃中的有效释放。大量研究表明，在炎热的环境下，饲喂包被GABA能够起到缓解奶牛热应激的效果。而关于GABA的最佳饲喂量，各类研究报道却不一致。Dawson等发现，直接饲喂高水平浓度GABA，对牛采食量无显著影响[31]；Wang等针对不同生理阶段奶牛进行研究表明，日粮中添加经瘤胃保护的GABA可提高奶牛的采食量、乳中乳蛋白的含量，围产期、泌乳盛期日粮适宜添加量分别为1.2g/d、0.6g/d[32,33]；徐同锏认为饲喂包被GABA能够从激素水平上缓解热应激，促进乳腺发育进而提高奶牛奶产量，其最优饲喂添加量为15g/d[34]；Cheng等研究表明，饲喂经过瘤胃保护的GABA可减轻奶牛热应激，日粮中添加GABA的最佳水平为40mg/kg[35]；钟刚研究表明，饲喂包被GABA可以增强奶牛的免疫功能和抗氧化能力，保持内分泌稳定[36]。

4 小结

目前，GABA在缓解奶牛热应激方面还存在一些不足之处。一方面，GABA在饲料中的适宜添加量及剂量过高时的安全性问题目前还没有明确的标准，仍需根据奶牛的生理情况和外界因素进行大量研究。另一方面，GABA在奶牛生产中的应用存在不稳定性，目前只能通过包被等处理方法来保证其稳定。但可预见，随着GABA的相关研究发展及其生产成本的降低，其在奶牛抗热应激中必将发挥更大的作用。