L-肉碱在水生动物营养中应用的研究进展(上)

陈玉珂 蔺丽丽

(1.吉林农业大学动物科学技术学院，吉林 长春 130118；2.吉林省水产技术推广总站，吉林 长春 130012)

L-肉碱(L-Carnitine)又称肉毒碱、维生素BT，是机体内脂肪酸代谢的重要参与者，能将长链脂肪酸带进线粒体基质，促进脂肪酸的β氧化，为机体的生命活动提供能量。肉碱是100多年前被俄国科学家Krimberg和Gulewitsch从肉浸汁中分离出来的，过去人们认为它在黄粉虫体内的作用类似维生素，所以又称它维生素BT。L-肉碱广泛分布在动植物细胞及微生物中，它在机体的许多生理代谢中都能发挥作用。研究表明L-肉碱具有提高机体耐受力、抗应激、抗衰老和保护心脏及血管等作用。近年来，随着微生物发酵技术的提高，L-肉碱的产量逐年升高，成本逐年降低，L-肉碱在动物饲料中的应用更加广泛，它已成为动物营养学，尤其是水生动物营养学的研究热点。

一、L-肉碱的结构和理化特性

肉碱有L型和D型两种异构体，目前认为仅L型(即L-肉碱)在动物体内具有生理作用(图1)。L-肉碱(β-羟基γ-三甲铵丁酸)，分子式为C7H15NO3，相对分子质量为161.2，L-肉碱无臭、无味，为白色晶体或粉末。其分子结构中的羟基能够与脂肪酸发生脂化反应，这也是它能够携带长链脂肪酸进入线粒体的原因。另外，L-肉碱分子的饱和键和极性官能团有良好的水溶性和吸湿性，因此L-肉碱纯品极易吸潮，易溶于水，但微溶于乙醇，难溶于有机溶剂，且200℃以上仍很稳定。

图1 L-肉碱的分子结构

二、L-肉碱在机体的代谢途径

动物体内的L-肉碱主要来自于机体的内源性合成(主要合成器官是肝脏)和外源摄入(饲料中添加)。L-肉碱在机体的内源合成底物是赖氨酸和蛋氨酸，其中赖氨酸为其提供碳源和氮源，蛋氨酸则是甲基的供体。蛋氨酸和赖氨酸在烟酸、叶酸、维生素B6、维生素C及相关酶类的作用下经过一系列反应最终生成L-肉碱。肉碱在机体内以游离肉碱和酯酰肉碱两种形式存在，它们通过血液循环到达机体需要的部位。而外源摄入的肉碱则需通过动物的采食行为进入动物食道，在小肠中通过主动转运被吸收，再经过血液循环到机体各组织。L-肉碱在促进机体β氧化过程中被转化为酯酰肉碱，最终进入肾脏的酯酰肉碱会被肾小管重吸收，再回到机体发挥作用，仅有少量酯酰肉碱会经尿排泄出体外。重吸收的肉碱经门静脉循环送回肝脏，再由肝脏到其他组织。

三、L-肉碱的生产和测定方法

1.L-肉碱的生产

由于L-肉碱广泛应用于食品、医药、保健品、饲料(添加剂)等领域，市场潜力巨大。综观国内外的研究报告，L-肉碱可通过直接提取、化学合成和生物合成3种方法制备。直接提取法不仅产量低，而且还需要很多纯化步骤，其生产成本较高。而化学合成法可分为化学拆分法、以手性化合物为原料合成法及不对称合成法3种途径，这类方法生产工艺成熟、周期短、回报率高，是目前较为理想的合成方法。生物合成法主要有微生物发酵和酶转化两种方法。微生物发酵法主要是通过发酵培养菌体中含有L-肉碱的青霉、曲霉、根霉、酵母等微生物的方法来制备L-肉碱。酶转化法则是通过动物及微生物体内存在的腈水解酶、酰胺酶和酯酶等酶类来拆分DL-肉碱的衍生物。这种方法虽然复杂，但生产效率高，可控性强，是目前相关领域研究的热点。近年来，随着基因工程技术的发展，通过基因工程技术将一些微生物的特异基因重组到一起，获得一种具有高转化活性的合成肉碱微生物，这将是未来肉碱生产的方向和目前的研究热点。

2.L-肉碱的测定方法

L-肉碱作为条件性必需营养素，广泛应用于人类医药、保健行业，要想充分发挥其功效，必须准确把握其在各种产品中的含量。有关L-肉碱测定方法的报道很多，主要有非水滴定法、分光光度法、酶显色法、放射性分析法、高效液相色谱法和液质联用法等。其中，非水滴定法和分光光度法的误差较大，但这两种方法对仪器要求低、操作简便。若样品中肉碱含量较高，且对结果没有精确要求，可以采用这两种方法。而酶显色法虽然高灵敏度和特异性较好，但试验的重复性较差，且酶试剂昂贵。这种方法在实际应用中较少。放射性分析法灵敏度高，但有放射性污染，这限制了其应用。高效液相色谱法和液质联用法是目前最常用的肉碱检测方法。这种方法稳定性好，精密度高，检测结果最接近真实值，但对仪器配置要求较高。

四、L-肉碱的生物学功能

1.促进脂肪酸进入线粒体发生β氧化

长链脂肪酸的β氧化是脂肪酸分解的核心过程。在O2供应充足的条件下，长链脂肪酸需要经过复杂的生化过程才能被彻底氧化分解，最终释放出大量ATP。具体过程：长链脂肪酸在脂酰CoA合成酶作用下被活化为脂酰CoA，长链脂酰CoA在线粒体外膜的肉碱脂酰转移酶1(CPT1)催化下与L-肉碱生成脂酰肉碱，后者能够透过线粒体膜进入线粒体内，脂酰肉碱又在线粒体内膜上肉碱脂酰转移酶II(CPTII)催化下重新分解为脂酰CoA和肉碱。脂酰CoA在线粒体基质中在一系列酶作用下经过脱氢、加水、再脱氢和硫解四步发生β氧化，生成水和ATP。而L-肉碱则会重新穿出到线粒体外，与其他脂肪酸结合。由整个过程可以看出，肉碱是长链脂肪酸转运到线粒体内的载体。

2.影响氨基酸的代谢，提高蛋白质的利用效率

动物体内L-肉碱的内源性合成必须依赖于机体内赖氨酸和蛋氨酸作为底物，所以机体的蛋白质周转速度被认为是L-肉碱合成的限速因素。这种情况下，如果动物机体摄入充足的外源L-肉碱就能有效地降低其内源L-肉碱的合成，从而也就减少了机体蛋白质的分解，达到节约赖氨酸和蛋氨酸效果。近年来，也有研究表明，动物机体的L-肉碱水平也会影响机体非必需氨基酸代谢、机体氮的储备以及蛋白质沉积等生化过程。

3.抗疲劳，保护生物膜

在生物体内，L-肉碱能够清除体内代谢所产生的过量脂肪酰基，消除因脂肪酰基积累对机体所产生的代谢毒性，从而起到抗疲劳的作用。在运动过程中，L-肉碱可以去除肌肉细胞因代谢产生的乙酰CoA和其他短链酰基CoA化合物，通过调节机体乙酰CoA的比例来间接地保护肌肉细胞膜。而在肌肉运动过程中，肌肉和血液中乳酸盐含量升高，易引起肌肉痉挛。肉碱可通过增加肌肝糖原储备，减少运动后肌肝糖原的消耗来抑制乳酸生成，并将体内脂酰辅酶A排出体外，从而起到抗氧化作用。另外，L-肉碱含有羟基，可结合体内自由基，以次级抗氧化防御屏障成为生物膜的护卫者。

4.其他功能

研究发现，L-肉碱在延缓衰老、预防糖尿病发生、遗传性代谢疾病方面发挥巨大作用。

五、在水生动物营养中的研究进展

1.促进水生动物生长

鱼类的生长性能(鱼体增重)关系水产养殖者的切身利益。L-肉碱的促生长效应则归结于其对鱼类脂肪酸代谢的促进作用。陈玉珂等研究发现将L-肉碱(1毫克/升)强化卤虫后投喂草鱼开口苗，草鱼开口苗的生长性能可显著提高，为草鱼开口苗培育技术的完善提供了数据参考。田娟等在草鱼的研究上亦发现添加200毫克/千克DL-肉碱可显著提高鱼体增重率5.70%。

2.提高饲料脂肪的利用率，节约蛋白质

水生动物对蛋白质的需求量高于陆生动物。水产饲料中的蛋白质源主要来自鱼粉，但由于鱼粉资源紧张，价格高，为降低养殖成本，人们一直寻求在满足动物代谢需求的前提下，减少饲料中蛋白质用量的方法。