牛磺酸的生物学功能及其在动物生产中的应用

■陆 壮 吕武兴 舒剑成 邓 敦*

（1.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南长沙410125；2.唐人神集团股份有限公司，湖南株洲412000）

牛磺酸（Taurine，Tau）即2-氨基乙磺酸，也称牛黄酸、牛胆酸、牛胆碱或牛胆素，是一种半必需β-氨基酸，在动物体内以游离形式存在，几乎广泛存在于所有动物细胞内，是动物体内含量最为丰富的游离氨基酸[1]。牛磺酸本身不参与蛋白质合成，同时也并不作为机体的能量来源，但牛磺酸依然具有丰富的生物学功能，并在调节细胞稳态方面发挥重要作用[2]。近年来，国内外专家学者对牛磺酸的生物学功能及其在畜牧生产中的应用做了深入研究并已取得一定进展，本文主要综述了牛磺酸的生物学功能及其在动物生产中的应用，以期为生产上合理有效使用牛磺酸提供理论基础。

1 牛磺酸的理化性质

牛磺酸是动物机体内的一种含硫β-氨基酸，在动物不同组织内均高浓度存在[3]，且具备丰富的生物学功能。一般而言，物质的生物学功能与其理化性质有着重要关联。牛磺酸是一种简单的分子，含有一个酸性磺酸盐基、一个碱性氨基和两个碳原子，其分子式为C2H7NO3S，是四面针状晶体结构的小分子，它的分子量是125.15，结构式如图1 所示。牛磺酸的结构特性使其具有高亲水性和低亲脂性的特点。因此，牛磺酸可溶于水，在25 °C的条件下，10 g牛磺酸可以溶于100 mL 水，但牛磺酸不溶于乙醇、乙醚或者丙酮。5%牛磺酸溶液的pH在4.1～5.6范围内。在25 ℃条件下，牛磺酸的酸式解离常数和碱式解离常数分别为1.5和8.82。牛磺酸为白色结晶状粉末，其熔点为328 ℃，容积密度为0.65～0.75 g/cm3，密度大约为1.7 g/cm3[4]。

2 牛磺酸的合成与代谢

在1827 年，科学家第一次在牛的胆汁中分离出牛磺酸[5]。牛磺酸是动物组织中含量最丰富的游离氨基酸，占肝脏总游离氨基酸的25%，肾脏总游离氨基酸的50%，肌肉总游离氨基酸的53%，大脑总游离氨基酸的19%[6]。牛磺酸在肝脏中可以由半胱氨酸双加氧酶将半胱氨酸巯基氧化为半胱氨酸亚磺酸，然后用胱氨酸亚硫酸脱羧酶将半胱氨酸亚磺酸脱羧基化为亚牛磺酸，最后通过亚牛磺酸脱氢酶获得牛磺酸（见图2）。但是，由于动物体内合成牛磺酸的关键酶半胱亚磺酸脱羧酶活性较低，因此牛磺酸除自身合成外还通常需要从饲料中摄入[7]。一般而言，动物机体获得牛磺酸的方式大致有三种：①饮食摄入；②肝脏和其他器官的生物合成；③肾脏的重吸收作用[8]。对于饲料中的牛磺酸，动物需要通过一种特定的、钠/氯依赖的牛磺酸转运体（TauT）从小肠部位进行吸收，然后再经血液运送到组织细胞进行利用[9]。研究表明，缺乏TauT的小鼠，其骨骼肌、心肌、脑、肾脏、肝脏等部位牛磺酸水平均出现大幅度降低，这也说明动物牛磺酸的主要来源是从外界吸收[10]。牛磺酸在机体内的代谢有以下几个方向。一方面，牛磺酸和胆酸在肝脏中可以合成牛磺胆酸随胆汁排出到消化道内，可促进脂肪及其他脂类物质的消化和吸收[11]。另一方面，牛磺酸可接受精氨酸的胍基，在ATP-脒基转移酶的催化下生成脒基牛磺酸。而脒基牛磺酸可以磷酸化生成磷酸脒基牛磺酸，其在低等动物中可以作为一种磷酸源，在能量代谢过程中起重要作用。此外，牛磺酸在肝脏中经转氨基甲酰基作用可生成甲酰牛磺酸，但甲酰牛磺酸具体的生物学功能还有待进一步研究[12]。肾脏则是牛磺酸排泄的主要途径，当动物体内牛磺酸过量时，多余部分随尿液排出，当牛磺酸不足时，肾脏通过重吸收降低牛磺酸的排泄，进而维持机体牛磺酸的相对稳定[13]。

图1 牛磺酸的结构式

图2 牛磺酸在肝脏中合成途径

3 牛磺酸的生物学功能

3.1 牛磺酸的抗氧化性能

抗氧化性能是牛磺酸最为重要的生物学功能之一[14-15]。尽管牛磺酸的结构相对稳定，自身难以被氧化，但它仍然可以通过降低细胞活性氧（ROS）产生或提升抗氧化系统活性的方式发挥抗氧化作用[16]。一方面，细胞内ROS 主要来源于线粒体呼吸链，而研究表明牛磺酸能够通过稳定线粒体呼吸链和抑制ROS产生达到改善线粒体功能的目的[3]。另一方面，研究表明牛磺酸可减轻四氯化碳对肝脏纤维化的作用，四氯化碳作用可使线粒体产生大量ROS 对细胞造成损伤，而牛磺酸的添加可降低细胞丙二醛（MDA）水平，提高超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的活性。此外，牛磺酸可提高铝染毒大鼠脑组织的谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和SOD的活性，并降低MDA的水平。因此，研究认为牛磺酸可以提高机体抗氧化酶活性[7]。还有研究发现牛磺酸的补充可提高细胞谷胱甘肽（glutathione，GSH）的含量，这可能是由于牛磺酸和GSH有共同的前体物质半胱氨酸[17]。最新研究表明，牛磺酸可能通过激活Nrf2相关通路关键基因Nrf2、HO-1、NQO1等表达，进而促进相关抗氧化酶GSH-Px、SOD等发挥作用[18]。

3.2 牛磺酸的神经调节和保护作用

牛磺酸在大脑中含量丰富，是含量仅次于谷氨酸的氨基酸，它存在于中枢神经系统的各种类型细胞中并具有重要的生物学功能。牛磺酸是一种神经递质，可通过改变神经细胞膜电位，将突触前膜传递的信号传递到突触后膜。研究表明，在突触小体中，牛磺酸可作为抑制性神经递质，阻止钙离子内流，进而抵抗谷氨酸产生的神经毒性作用[19]。此外，牛磺酸还被视为一种神经营养因子，具有改善神经生长发育和增殖分化的效果，同时还可修复神经元的损伤。在海马上的研究表明，牛磺酸可以参与神经的生长发育过程，促进神经元轴突的生长[20]。此外，研究还发现牛磺酸既可以促进新生动物神经系统发育[21]，也可以缓解成年动物的神经功能减退性疾病[22]。牛磺酸还被认为是一种神经保护剂，它被认为可以减少应激状态下神经细胞的损伤及死亡。研究发现牛磺酸可以保护大脑免受内质网应激[23]。由于大脑组织中含有大量的脂质，是氧化攻击的主要靶点，因此自由基对大脑组织具有较大危害，所以牛磺酸的神经保护作用则可能与其较强的抗氧化性能有关[24]。

3.3 牛磺酸的内分泌调节作用

牛磺酸对机体内分泌功能有着重要影响，研究表明机体在缺乏牛磺酸的情况下内分泌系统功能发生障碍，进而导致各种内分泌疾病发病率上升。首先，牛磺酸可作为神经调节剂，影响下丘脑-垂体激素的分泌。研究表明，牛磺酸可与垂体神经末梢细胞中甘氨酸受体结合，激活钙离子信号通路，影响垂体神经细胞渗透压系统，进而调控神经激素的释放[25]。其次，牛磺酸对外周内分泌腺体也有调节作用。有研究认为牛磺酸可以影响甲状腺的内分泌功能，提高促甲状腺激素受体的基因表达，从而增加甲状腺激素的分泌[26]。研究认为，牛磺酸在鱼上即是通过促进甲状腺激素分泌，进而促进生长激素的合成分泌，最终促进鱼体蛋白质合成的[27]。牛磺酸还能够通过多种形式调节渗透压，进而减少交感神经兴奋，抑制肾素-血管紧张素系统相关激素的分泌[28]。牛磺酸还可以促进胰岛干细胞分化和成熟，抑制胰腺ATP敏感钾通道的活性，激活电压依赖性的Ca2+通道，进而促进胰岛中的B 细胞分泌胰岛素[29]，研究显示服用牛磺酸大鼠胰腺胰岛素水平是对照组大鼠的4.5 倍[30]。此外，Yang等[31]研究表明，牛磺酸能刺激睾酮分泌，促进生精过程和精子成熟，提高精子质量，延缓睾丸功能老化，增强繁殖性能。牟藤[32]研究指出，牛磺酸对不同发情周期大鼠促性腺激素释放激素、泌乳素、促黄体生长素、雌二醇和孕酮的分泌均有一定的刺激作用。因此，牛磺酸对下丘脑-垂体、甲状腺、肾上腺、胰岛、性腺等器官的内分泌功能均存在重要的调节作用。

3.4 牛磺酸对营养物质代谢的影响

牛磺酸虽不参与蛋白质的生物合成，但添加牛磺酸可提高蛋白质的消化率从而间接促进动物生长发育。研究表明，在蛋白质供应充足或不足时，添加1%牛磺酸可提高蛋白质消化率[33]。牛磺酸对机体糖脂代谢有着重要的调节作用。在脂代谢方面，牛磺酸在肝脏中可以与胆酸进行结合生成牛磺胆酸，然后随胆汁排出到消化道内，可促进脂肪及其他脂类物质的消化和吸收[34]。而多种动物模型的研究表明，牛磺酸具有降血脂和抗动脉粥样硬化的功效，可以显著抑制血清和肝脏TG 的病理性上升[35]。类似地，在饲料中添加0.20%的牛磺酸可以显著降低肉鸡血清中的总胆固醇、低密度脂蛋白、血糖以及肝脏中的游离脂肪酸，而显著提高了血清中高密度脂蛋白和肝脏脂肪酶活性[36]，这一结果表明牛磺酸可以改善动物机体的脂代谢，保护肝脏细胞由于脂肪沉积或过量的胆固醇造成的脂毒性引起的损伤和凋亡[37]。而在调节糖代谢方面，牛磺酸也有重要的功能，多项研究表明牛磺酸可缓解糖尿病患者的胰岛素抵抗[38]。已有研究证实，牛磺酸可直接刺激胰岛细胞进而促进机体胰岛素的分泌，最终达到降血糖的效果[39]。

4 牛磺酸在动物生产中的应用

4.1 牛磺酸在猪生产中的应用

牛磺酸在仔猪和种猪上的研究较为丰富。卢福庄等[40]报道，28日龄的断奶仔猪饲喂添加0.1%牛磺酸的饲料可提高断奶10 d 后的平均增重0.55 kg，这可能与牛磺酸的抗应激生物功能有关。张建斌等[41]为28 日龄的断奶仔猪饲喂添加0.1%牛磺酸的饲料，可提高仔猪干物质、粗蛋白、钙、磷等营养物质的消化率。这可能与牛磺酸在肝脏中与胆酸结合生成牛磺胆酸，其具有促进营养物质消化和吸收的作用有关。黄仁术等[42]指出全植物蛋白饲粮中添加3%牛磺酸能显著提高仔猪的平均日采食量，同时降低料肉比，但在含14%鱼粉的日粮中则效果不明显，这可能是因为鱼粉中牛磺酸含量已经满足仔猪需要，额外添加优势不明显。文超越[43]研究表明，日粮添加0.6%牛磺酸可提高断奶仔猪血清抗氧化活性和提升肌肉组织牛磺酸含量，修复肌纤维及其线粒体形态，改善机体游离氨基酸谱，恢复抗氧化基因的表达，抑制肌肉组织蛋白降解，从而有效缓解农药敌草快攻毒诱导的氧化应激及其对肌肉组织造成的损伤。陈钊等[44]研究认为在哺乳期母猪饲粮中添加0.1%牛磺酸显著提高母猪平均日采食量和仔猪断奶重。李方方等[45]研究表明日粮添加0.4%的牛磺酸可显著改善种公猪的精子密度、降低精子畸形率，表明牛磺酸对生殖功能确有改善作用。目前，牛磺酸以其抗氧化、抗应激等功能逐步开始在仔猪和种猪上开展研究和应用，同时牛磺酸对营养物质代谢也有着重要的调节作用，这一功能目前在猪上研究较少，可能作为今后在生长育肥猪上应用的突破口。

4.2 牛磺酸在禽生产中的应用

牛磺酸在肉禽和蛋禽上均被报道有较好的效果。Lee等[46]报道指出，在日粮中添加0.75%牛磺酸可以显著提高肉鸡（0～3 周龄）的饲料转化率。何天培等[47]报道，饲料中添加0.1%的牛磺酸可显著提高0～2 周龄肉仔鸡的日增重，显著降低3 周龄的料重比。这可能由于肉仔鸡早期机体牛磺酸合成不足，因此外加牛磺酸对其生长性能改善明显。李秀霞[48]试验表明，在饲粮中添加0.05%牛磺酸可显著提高青脚麻鸡对蛋白质和脂肪的利用率。郭鹏飞[49]研究发现，添加0.1%的牛磺酸可以显著降低肉鸭腹脂率，提高瘦肉率和屠宰率。徐晓炜[50]研究指出，饲料添加0.1%牛磺酸可改善蛋鸡健康状况。吴琼[51]报道，添加0.05%牛磺酸能够提高产蛋后期蛋鸡的产蛋率和平均蛋重, 对蛋壳品质无显著影响。此外，牛磺酸还可以在热应激条件下改善肉鸡胴体品质和肠道健康，但对其生产性能影响不显著[52～53]。在肉鸡前期（1～21 日龄）脂多糖攻毒模型试验中，牛磺酸可以通过降低IL-1β、TNF-α、IL-6等细胞免疫因子，同时促进Nrf2通路相关基因表达，进而缓解脂多糖造成的肉鸡生产性能下降、氧化应激和炎症反应[54]。同时最新研究表明，牛磺酸还可以通过激活CaN-NFAT信号通路，促进肉鸡腿肌肌纤维由Ⅱb型向Ⅰ型转化，降低其糖酵解潜力，最终提升肉品质[55]。牛磺酸的抗应激功能及营养物质代谢调节功能均对家禽早期非常重要，因此家禽育雏阶段补充牛磺酸很可能具有良好的应用前景。

4.3 牛磺酸在水产生产中的应用

牛磺酸是水产饲料中的经典诱食添加剂，对许多海产类动物都有促进摄食作用。刘媛等[56]报道，在饵料中添加0.4%～0.8%的牛磺酸可显著提高日本沼虾的增重率；罗莉等[57]报道，在草鱼饲料中添加牛磺酸促进草鱼生长。此外，研究表明，饲料添加2%牛磺酸，大菱鲆的饲料效率和蛋白质效率均显著升高[58]。也有研究者指出，牛磺酸还具有改善鱼体组成的作用，可降低鱼体的粗脂肪含量，从而提高其粗蛋白含量[59]。牛磺酸可显著降低大菱鲆肝脏的3-羟基-3 甲基戊二酸单酰CoA 还原酶（HMG-CoAr）的基因表达，进而抑制肝脏的胆固醇合成，增加胆固醇和胆汁酸的排出，进而使肝脏中胆固醇降低[60]。而牛磺酸对贝类有许多特殊的功能，如可作为能量贮存、调节细胞的可激发性, 并通过渗透排泄来减少体内过多的硫化物积聚[13]。此外，在水产上牛磺酸也可以缓解高温等应激反应，进而改善其生长性能[61]。牛磺酸在水产饲料中的应用相对更为成熟，但是目前牛磺酸基本只是简单的作为诱食剂，对其更多的生物学功能在水产动物上的应用研究较少，下一步应深入挖掘牛磺酸的抗氧化、抗应激、代谢调节等功能在水产动物中的应用。

5 前景展望

目前，牛磺酸已广泛应用于食品、医疗保健以及宠物领域，在动物生产方面，牛磺酸虽然已经进入添加剂名录，但目前主要开始应用于水产饲料作为诱食剂，但在畜禽上还处于基础研究阶段。牛磺酸生物学功能极其丰富，不仅具有诱食、提高生产性能等作用，还可以提高机体免疫力、改善肠道健康、抗应激，因此在禁抗的大背景下，牛磺酸将在畜禽生产上具有更加光明的应用前景，但对于牛磺酸生物功能的作用机理和适宜的添加剂量还应进行深入研究和探索。