胍基乙酸改善畜禽肉品质的研究进展

吴宝云，周振明，吴 浩

（中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

胍基乙酸（Guanidinoacetic Acid，GAA），又名胍乙酸或N-脒基甘氨酸，在2014 年被批准作为一种新型饲料添加剂应用到实际生产中，有着广泛的应用前景。GAA 是肌酸的唯一前体物质，而肌酸是肌肉和大脑等高能量需求组织中重要的高能磷酸盐缓冲剂，常常被用作高消耗的营养补充剂为机体辅助供能。肌酸在动物体内合成量较少，通常无法满足日常消耗，因此需要在日粮中进行补充，植物中不含肌酸，动物源性饲料就成为天然的肌酸来源[1]。目前，动物源性饲料价格非常高，且在我国反刍动物饲料中严禁使用动物源性饲料，因此，如何满足畜禽对肌酸的需要，充分发挥肌酸作用，成为畜禽生产上亟待解决的一个难题。

研究表明，饲喂1 g GAA 会使幼龄大鼠肌肉肌酸水平提高48.5%[2]，在畜禽日粮中添加GAA 也可以显著提高肌酸含量[3]，有效调节畜禽的能量状态，发挥肌酸作用。因此，添加GAA 可解决直接添加肌酸成本高、稳定性差的缺点，缓解畜禽肌酸缺乏带来的生产性能低下，提高畜禽饲料采食量、饲料效率、抗氧化性能和肉品质等[4]。本文综述了GAA 对改善畜禽肉品质的改善效果及其调控机理，为GAA 的深入研究及其在畜禽生产中的应用提供参考。

1 GAA 的合成代谢与生物学功能

1.1 GAA 的合成及代谢 在动物体内，甘氨酸和L-精氨酸的脒基在精氨酸甘氨酸脒基转移酶（L-Arginine Glycine Amidinotransferase，AGAT）的作用下合成GAA，该过程主要发生在肾脏中[5]。随后肌酸转运蛋白将合成的GAA 通过生物膜转运到肝脏[6]，在胍基乙酸N-甲基转移酶（Guanidinoacetate Methltransferase，GAMT）的作用下形成肌酸，剩余的GAA 通过肾脏排出体外。肌酸则在肌酸转运蛋白CRT1/SLC6A8 的作用下通过组织屏障转运到靶细胞神经元及肌细胞中[7]，随后在细胞内肌酸磷酸激酶的作用下可逆地合成磷酸肌酸，磷酸肌酸作为高能磷酸基的暂时性载体，能将ATP从线粒体运输到胞浆中的ATP 酶位点，这个过程也被称为磷酸肌酸“穿梭”[8]。

1.2 GAA 的生物学功能

1.2.1 参与物质代谢 精氨酸和甘氨酸是GAA 合成的前体物质，在畜禽日粮中添加GAA 可以有效节约精氨酸[9]，降低日粮中精氨酸的添加水平[1]，使得更多精氨酸作用于蛋白质合成代谢、细胞信号转导、合成一氧化氮（NO）等方面[10]。同时，GAA 还可以增加血浆和肌肉中肌酸、磷酸肌酸和ATP 含量[11]。

1.2.2 调控糖酵解 糖酵解是指在无氧条件下葡萄糖分解成乳酸并释放能量的过程。畜禽屠宰后，机体储备的磷酸肌酸转化为ATP 被消耗完，糖酵解就作为主要的ATP 产生途径释放能量。GAA 作为肌酸合成的唯一前体物质，有着与肌酸相似的生物学功能，对于糖酵解起到一定的调控作用。一方面，畜禽日粮中肌酸水平升高可以增加肌糖原含量[12-13]；另一方面，GAA 作为调控物质参与糖酵解，可以显著增加糖代谢中磷酸激酶、丙酮酸激酶活性[14]。其中，丙酮酸激酶是糖酵解反应中的限速酶，其活性的增加伴随着ATP 的生成，磷酸激酶转移ATP 上的磷酸基团，促进磷酸肌酸的合成，增加机体的能量储备，延缓糖酵解。

1.2.3 促进激素释放 GAA 可以促进胰岛素分泌。研究表明，GAA 能促进胰腺分泌胰岛素，且效果优于精氨酸和肌酸[15]，肌酸和精氨酸由于含有胍基也对胰岛素释放起到了一定促进作用，不含胍基的甘氨酸通过与胍基结合也能刺激胰岛素释放[9]。GAA 分子的极性可能影响胰岛细胞的膜去极化，通过蛋白激酶A 和C 敏感机制刺激胰岛素分泌[16]。此外，GAA 能降低血浆葡萄糖[17]，减少葡萄糖的生成，改善胰岛素敏感性，是GAA 产生作用的另一个胰岛素相关机制。其次，GAA 对胰高血糖素释放也有一定促进作用。研究表明，体外添加GAA 可使胰高血糖素的分泌量增加50%[18]，产生这种效应的机制可能是α细胞对胍基残基的识别。此外，GAA 还可以促进γ-氨基丁酸分泌来刺激下丘脑分泌促生长激素释放激素，从而促进垂体分泌生长激素[19]。

1.2.4 促进肌纤维发育 依据肌球蛋白重链（Myosin Heavy Chain，MyHC）的多态性将肌纤维分为了I 型慢速氧化型、IIa 型快速氧化型、IIb 快速酵解型和IIx型中间型肌纤维[20]。研究表明，日粮添加肌酸可降低MyHCIIa 表达，同时升高 MyHCI 的表达，有转化肌纤维类型的趋势，肌纤维发育离不开体内蛋白质的合成，肌肉是机体蛋白质的储存库[21]。蛋白质的周转代谢是畜禽体内的基本过程，这个过程的发生需要能量供应[22]。日粮中添加GAA 作为肌酸的有效前体可以促进肌肉的能量代谢，减少蛋白质和脂肪等其他物质的分解供能，从而提高畜禽的生长速度和饲料利用率。

1.2.5 调节畜禽氧化抗氧化状态 GAA 含有1 个羧基和1 个胍基，胍基作为碱性基团，已被证实与自由基的清除有关，主要的机制是胍基可以给自由基提供电子并发生反应，终止自由基链反应来达到清除自由基的目的。受到精氨酸保留效应影响，GAA 可通过NO、谷胱甘肽合成、核因子相关因子2（Nrf-2）/抗氧化剂反应元件（ARE）等通路来起到抗氧化的作用[23]。GAA 合成的肌酸可以扩散到线粒体中，通过线粒体磷酸激酶与氧化磷酸化产生的ATP 和腺嘌呤核苷酸转位器（ANT）结合，然后磷酸肌酸扩散回细胞质中，满足能量需求的同时也减少了活性氧（ROS）的形成。GAA 提高丙酮酸激酶活性的效果会使得机体内丙酮酸生成量增多，丙酮酸可直接通过去羰基反应抑制过氧化氢的产生，并可与体内氧自由基反应生成二氧化碳和水，还能间接增加还原型谷胱甘肽含量，起到抗氧化作用，饲喂GAA 可以增强这种抗氧化作用[24]。因此，GAA 可作为直接和/ 或间接的抗氧化剂[25]。

2 GAA 改善畜禽肉品质的效果

2.1 GAA 对猪肉品质的影响 猪饲粮中添加不同水平外源性GAA 可以通过降低肌肉的滴水损失和剪切力，提高肌肉的持水能力，改善肌肉嫩度，缓解pH 的下降，促进肌纤维的生长和肉中蛋白质及脂肪沉积（表1）。日粮中添加GAA 可以一定程度提高肌肉亮度和红度，降低肌肉黄度，改善肉色。

表1 胍基乙酸对猪肉品质的影响

2.2 GAA 对家禽肉品质的影响 鸡胸肌和腿肌的肉品质直接决定鸡肉价值。有研究表明，麻鸡日粮中添加GAA 可以显著提高大腿肌肉pH[39-40]，显著降低滴水损失、蒸煮损失、剪切力、硬度、胶黏性和咀嚼性，同时提高腿肌纤维直径。此外，GAA 对肉鸡胸肌pH24h也有提高作用[41]。家禽的木质肉（Wooden Breast，WB）又称木质硬度缺陷，主要发生在胸肌肉上，与正常鸡肉相比，表现为肌肉苍白，肉质坚硬，嫩度大幅下降，在严重时会伴有渗血和黏性物质的分泌[42]。研究表明，添加600 mg/kg GAA 可以降低肉仔鸡WB 的发生率或降低其严重程度[43]。GAA 对樱桃谷肉鸭的胸肌品质也有明显的改善作用。研究表明，日粮添加GAA 可显著提高肉鸭pH45min，降低滴水损失、压力损失和剪切力，降低皮下脂肪，增加肌间脂肪厚度，提高肉鸭肌肉系水力和嫩度[44]。

2.3 GAA 对反刍动物肉品质的影响 GAA 对反刍动物肉品质的研究结果较少。研究表明，添加GAA 可以显著提高羔羊宰后背最长肌pH、系水力和眼肌面积，对肌肉亮度和粗蛋白质含量也有所提高[45]；还能降低舍饲滩羊尾脂/胴体重和胴体脂肪含量，提高肌肉中糖原和肌内脂肪含量[46]；GAA 也有降低锦江黄牛半腱肌滴水损失、提高背最长肌红度的应用效果[47]。

3 GAA 改善畜禽肉品质的机制

3.1 调控肌细胞能量代谢 宰后肌肉的能量代谢以无氧糖酵解代谢为主，在肌肉中储备的ATP 被消耗完后，无氧条件下的丙酮酸转化为乳酸。乳酸的产生和积累会使pH 下降，pH 下降会使肉色变苍白，降低嫩度和多汁性。此外，郭飞等[48]报道，提高能量水平可以降低肌肉中粗蛋白质含量，提高肌内脂肪含量，改善肉嫩度，增加肉风味。肌糖原降解潜能是衡量活体肌糖原含量或者屠宰后肌肉中可转化为乳酸的所有糖类化合物含量高低的指标。GAA 可以显著增加三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶活性，促进血浆中葡萄糖的分解代谢，减少生成乳酸的糖原含量；通过增加磷酸肌醇3-激酶（PI3K）的活性使胰岛素生物功能得到表达，该过程中关键激酶蛋白激酶B 活性的提高可以磷酸化糖原合成酶使其失活，从而抑制糖原的合成[39,49]，这也是减少宰后肌肉中糖原含量的途径之一。另外，添加GAA 或许能够抑制糖酵解关键限速酶己糖激酶的活性来抑制葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸[3]，从而抑制糖酵解过程来减少乳酸生成。同时，肉品质与肌肉中的能量状态有关[50]。日粮中添加GAA 可以通过增强呼吸链中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-辅酶Q 还原酶和ATPase 的活性，增加动物体的能量储备，来抑制宰后糖酵解过程，对pH 的下降起到缓冲作用[51]。研究表明，GAA 可促进背最长肌、半腱肌、肝脏或肾脏AGAT 和肌酸转运蛋白mRNA 表达，抑制肾脏中GAMT 的mRNA 表达[27]，增加细胞中肌酸和磷酸肌酸的含量[52]，提高肌细胞渗透压，使肌细胞保持水分，减少肌肉的滴水损失，提高系水力[53]。

3.2 影响肌纤维组成类型 肌纤维直径、肌纤维密度和肌纤维横截面积构成肌纤维的形态特征，肌纤维类型及形态特征决定了肉品质。II 型肌纤维更多存在于糖酵解肌中，pH 下降速度往往比I 型肌纤维要快，这对肌肉的pH 和系水力影响很大，而pH 与肉色和嫩度也密切相关。肌内脂肪含量直接影响肉嫩度和风味，其含量越高，肉的嫩度越高。有研究表明，肌纤维密度越大，肌纤维直径越小，肌肉的肌内脂肪沉积越多[48]。

钙蛋白酶是一种降解蛋白的酶，可降解肌原纤维中的蛋白，故而肌纤维被降解，骨骼肌的剪切力降低，肉的嫩度提高。添加GAA 可提高钙蛋白酶mRNA 表达水平[29]；同时，生长激素与靶细胞膜表面的生长激素受体结合，启动细胞内信号传导，促进胰岛素样生长因子的表达，促进细胞代谢，影响钙激活酶系统[54]。钙蛋白酶表达的升高加速了蛋白质的溶解，使氧化型肌纤维的数量增加。在小鼠C2C12 成肌细胞的体外试验中发现，GAA 刺激了成肌分化细胞1 和肌原蛋白mRNA 的表达，促进了肌管生长和成肌细胞分化[55]。GAA 还可以提高猪骨骼肌中蛋白激酶B 的mRNA 表达量，促进机体蛋白质合成，有利于肌纤维发育，进一步提高瘦肉率，改善肉嫩度[56]。

GAA 能够降低肝脏脂肪生成酶的表达和活性来减少胴体脂肪的沉积，增加肌内脂肪的合成[57]，改善肌肉嫩度和脂肪含量[58]，提高肌肉大理石评分，减少蒸煮损失和滴水损失[59]。胰岛素有很强抗分解代谢能力，可以阻止骨骼肌蛋白的分解，减少蛋白质的分解代谢[60]。GAA 通过促进胰岛素的释放和胰岛素样生长因子1（IGF-1）的表达[3]，增加体内氮的保留率[61]，进而激活蛋白质合成AKT-mTOR 通路[37]，促进更多蛋白质合成[62]，GAA 的合成产物肌酸也可以使肝脏和肾脏的蛋白质合成增加[63]。体外瘤胃发酵试验表明，微生物蛋白浓度随着GAA 添加量的增加而呈显著上升，最高微生物蛋白浓度与氨态氮浓度的最高值对应，说明GAA能够促进非蛋白氮分解和微生物蛋白合成[64]。理论上，GAA 可以增加肌肉中的沉积蛋白质。GAA 的精氨酸保留效应可使更多的精氨酸参与到蛋白质的合成过程中。综上，日粮中补充GAA 能够增加肌肉中蛋白质，改善大理石花纹评分。

5 小 结

GAA 作为一种新型饲料添加剂，具有促进激素释放、改变物质代谢、调控糖酵解和促进肌纤维发育等生理功能，能有效调控畜禽的能量状态，通过延缓肌肉pH 的下降来提高肌肉系水力，增加肌肉嫩度，提高肌肉蛋白质和脂肪含量，可在畜禽生产上应用。但在反刍动物生产中的研究结果还不是很多，并且针对大理石花纹、肌内脂肪等敏感指标的测定结果较少，相关机制也有待进一步探究。