谷胱甘肽生产及在水产养殖中的应用

■ 李 敏 殷述亭 迟晓丹

（威海海洋职业学院，山东威海 264300）

谷胱甘肽是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的一种含有巯基的三肽，是细胞中合成的最重要的低分子量抗氧化剂。在自然界中的存在形式有两种，分别是还原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）和氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG）。通常所说的谷胱甘肽指的是GSH[1]。GSH 具有巯基和γ-谷氨酰胺健，这使GSH 具有很多生理功能，比如清除自由基、增强免疫能力及螯合解毒等[2]。

随着高密度养殖的不断发展，水产疾病日益严重，并且国家对食品安全越来越重视。安全、高效的饲料添加剂成为解决水产养殖动物健康问题、提升水产动物产量和质量的关键。近年来，谷胱甘肽在水产养殖领域的应用研究广泛，成为饲料添加剂开发的热点。文章总结了国内外谷胱甘肽的生产及在水产养殖方面应用的最新研究进展，旨在通过阐明谷胱甘肽对水产动物不同方面的应用原理及效果，为谷胱甘肽在水产动物中的应用提供新的科学思路。

1 谷胱甘肽的来源及代谢

1.1 谷胱甘肽的来源

机体内谷胱甘肽主要来自合成和还原两条途径。GSH 的合成主要是在肝脏细胞内，以谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸为底物，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-glutamylcysteine synthetase，GSHI 或γGCS）和谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSHII 或者GS）的催化下经两步酶促反应合成的[3]；GSH 的还原途径主要是细胞内GSSG 经谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）还原成GSH[4]。

此外，GSSG 可以在巯基转移酶的作用下生成GSH，也可以与抗坏血酸发生反应生成GSH；当GSH耗竭或不足时，哺乳动物可以利用蛋氨酸生成GSH[5]。

1.2 谷胱甘肽的代谢

谷胱甘肽可以被小肠完整吸收并运输[6]，经过血液进入胰腺、肝脏等部位进行代谢，完成清除自由基、解毒及营养运输等功能[7]，肾脏能够从血液中摄取GSH，是清除血浆中GSH 的重要场所。机体衰老、中毒、感染以及氧化应激等不良状况都会导致细胞内GSH的合成能力降低，进一步造成机体内GSH含量下降，外源补充GSH可以缓解或终止相关问题。

2 谷胱甘肽的生产方法

2.1 直接萃取法

直接萃取法主要是利用有机溶剂以富含谷胱甘肽的动植物组织（如玉米胚芽或小麦胚芽）为原料，经淀粉酶、蛋白酶等处理后，经过分离、浓缩、干燥等步骤获得谷胱甘肽[8]。但是直接萃取法存在着纯度低、得率低等问题，不适合工业化生产与应用。

2.2 化学合成法

化学合成法生产谷胱甘肽始于20 世纪70 年代，以谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸为原料，经过基团保护、缩合及脱保护等阶段，合成谷胱甘肽[9]。该方法较早应用于谷胱甘肽生产，但是也存在较多问题，如操作复杂、成本高昂、耗时长、环保问题较严重等。

2.3 酶法

酶法合成谷胱甘肽参照谷胱甘肽在机体内的合成过程，以L-谷氨酸、L-半胱氨酸和甘氨酸为底物，添加从天然生物体内获得γGCS 和GS 两种谷胱甘肽合成酶，经过两个合成酶分步完成合成，这两步反应都需要添加三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）提供能量[10]。因此，虽然酶法合成谷胱甘肽效率较高，但是容易受到酶活性、ATP价格等因素的影响。

2.4 微生物发酵法

与萃取法、化学合成法和酶法相比，生物发酵法生产谷胱甘肽，具有生产速率快、反应条件温和、成本低、污染少等优点，如今已成为生产谷胱甘肽的主要方法，具有极大的发展潜力。生产谷胱甘肽的菌种可分为两种，一种是常规诱变育种选育得到的高产菌株，如：酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、产朊假丝酵母（Candida utilis）及荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）等[11-13]；第二种则是基因工程菌，利用基因重组技术将合成谷胱甘肽的基因导入另一种微生物中进行谷胱甘肽的生产，如今多是以酿酒酵母菌或大肠杆菌(Escherichia coli)为载体的基因工程菌[14-15]。除菌种外，影响微生物发酵法生产谷胱甘肽的因素还有微生物发酵调控技术和谷胱甘肽提纯技术，微生物发酵调控技术的研究包括培养基的优化、培养条件优化及发酵过程控制等；谷胱甘肽提纯技术包括溶剂提取法，热水抽提法及高压均质法等[16]。如今微生物发酵法生产谷胱甘肽的技术已经相对成熟，能够进行大规模的工厂化生产，并有极大的发展空间。

3 谷胱甘肽在水产动物中的应用

3.1 谷胱甘肽在水产动物生长性能方面的应用

在中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）[17]、青鱼（Mylopharyngodon piceusRichardson）[18]、南美白对虾（Litopenaeus vannamei）[19]等水产动物中的研究表明，谷胱甘肽具有促进生长的作用。谷胱甘肽对水产动物生长的促进作用可能是多方面的。首先，饲料中添加谷胱甘肽对水产动物的内分泌具有积极影响，能够上调类胰岛素生长因子I 和生长激素基因的表达，从而促进生长激素、甲状腺激素等的分泌，从而进一步促进水产动物的生长。Ming等[20]的试验表明，在饲料中添加407.45 mg/kg GSH，可以促进草鱼（Ctenopharyngodon idella）肝脏中类胰岛素生长因子I的表达，提高草鱼的增重率。其次，谷胱甘肽中含有的半胱氨酸是辅酶a的组成成分之一，能够破坏生长抑制激素分子的二硫键，缓解生长抑制激素对生长激素的抑制作用从而促进生长[21]。Xiao 等[22]向草鱼腹膜注射半胱胺盐酸盐（CSH）发现，CSH能够显著提高血清生长激素水平，从而促进幼草鱼短期生长。此外，GSH 还可以通过增强营养物质的吸收来促进水产动物生长。冯具攀等[23]的研究表明饲料中添加0.30 g/kg 的GSH 能够降低克氏原螯虾（Procambarus clarkii）的饲料系数，同时增加其体重。在虹鳟（Oncorhynchus mykiss）中的研究表明，饲料中添加200 mg/kg 的GSH 可以增加其摄食量、增重率和特定生长率[24]。Wang等[19]的研究表明，饲料中添加75～150 mg/kg GSH 能够增加南美白对虾（Litopenaeus vannamei）的肠壁厚度和特定生长率。饲料中添加320 mg/kg 的GSH 能够显著提高吉富罗非鱼（GIFTOreochromis niloticus）的蛋白质效率，从而促进生长[25]。

3.2 谷胱甘肽在水产动物抗氧化应激方面的应用

随着集约化养殖的不断发展，引起水产动物出现应激反应的因素也越来越多。应激反应会引起其机体内氧自由基含量增加，破坏机体内氧化与抗氧化平衡，因此形成氧化应激[26-27]。氧化应激会降低水产动物的免疫力、引起组织损伤、减缓生长等负面影响，最终降低水产品产量与品质。

谷胱甘肽作为一种内源性的抗氧化物质，在机体内的抗氧化系统中具有重要作用。首先，谷胱甘肽是机体内含量最多的非蛋白质巯基化合物，GSH 的巯基能够将一个还原电子直接提供给自由基将其还原为无毒物质，然后自身与另一个活性谷胱甘肽反应形成GSSG，达到减少自由基的作用，使机体内维持自由基代谢平衡[28]。此外，由于机体内的GSH 和GSSG 之间可以相互转换，从而可以作为氧化还原缓冲物以保持细胞氧化还原状态的平衡[29]。饲料中添加GSH 可增加水产动物体内GSH的积累，从而降低机体内氧化应激水平，提高抗氧化酶活力，增强机体抗氧化能力。在大菱鲆（Scophthalmus maximus）、中华绒螯蟹、青鱼、南美白对虾、花鲈（Lateolabrax japonicus）等水产动物中的研究表明，饲料中添加适量的GSH能够提高机体内的抗氧化活性，增强其抗氧化能力[5，17-18，30-31]。但是过量的谷胱甘肽则会对水产动物的抗氧化能力产生负面影响，这可能是由于高浓度的谷胱甘肽会造成DNA损伤，导致其具有促氧化作用[32-33]。

3.3 谷胱甘肽在水产动物免疫性能方面的应用

在水产养殖过程中，养殖密度过高、饲料氧化酸败以及水环境恶化等问题导致水产养殖动物的免疫性能不断下降，发病率大幅上升[34]。GSH 可以从多个方面提高水产动物的免疫性能，首先，动物机体内的免疫力下降往往与氧化应激相关，GSH 作为体内重要的抗氧化物质，可以直接参与多余自由基的清除，从而达到抑制氧化应激，提高免疫性能的作用[35]。

其次，GSH 通过调节动物体内的活性因子来增强机体的免疫功能。周艳玲等[36]的研究表明，饲料中添加357.69 mg/kg GSH 能够提高黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）幼鱼体内溶菌酶（lysozyme，LZM）、碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，AKP）及酸性磷酸酶（acid phosphatase，ACP）的活性，增加免疫球蛋白M 和补体4 的含量。在中华绒螯蟹的研究中表明，饲料中添加600 mg/kg 或900 mg/kg 的GSH 能够提高其体内的溶菌酶等免疫酶活性，降低Toll样受体1（Toll like receptor 1，TLR1）、Toll样受体2（Toll like receptor 2，TLR2）及髓样分化因子88（myeloid differentiation factor 88，Myd88）等免疫因子基因的表达，提高中华绒螯蟹的免疫性能[17]。Xue 等[21]研究表明，饲料中添加500 mg/kg的谷胱甘肽可以通过调节白细胞介素-1β（Interleukin-1β，IL-1β）、白细胞介素-6 （Interleukin-6，IL-6）及肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等炎症相关基因的表达，减轻氨胁迫引起的鳃和肝组织炎症，增强鲤鱼（Cyprinus carpio）的免疫力。

第三，谷胱甘肽具有增强免疫细胞活力、促进免疫细胞增殖的作用。在奥尼罗非鱼（Oreochromis niloticus×O.aureus）中的试验表明，外源性添加适量的GSH 能够增加奥尼罗非鱼幼鱼头肾巨噬细胞的呼吸爆发活力，从而参与免疫调节[37]。赵红霞等[38]的研究表明，草鱼血液中的白细胞数目会随饲料中GSH的含量增加而增加，从而增强草鱼的非特异性免疫功能，增强其抗病能力。

3.4 谷胱甘肽在水产动物解毒能力方面的应用

GSH 的解毒机制包括两个方面：一方面，GSH 作为重要的抗氧化剂，能够清除机体内多余的自由基，此外，GSH 还可以通过一些酶抑制脂质的过氧化作用，从而降低有害物质通过氧化应激导致的不良后果，减弱其毒性。周艳玲等[39]在黄颡鱼幼鱼中的研究表明，饲料中添加357.69 mg/kg GSH 能够提高其抗氧化能力，增加对氨氮的抗应激能力。在草鱼中的研究表明，饲料中添加407.45 mg/kg GSH 能够提高机体内的抗氧化酶活性，增强机体的抗氧化能力，降低微囊藻毒素对机体的伤害，但过量GSH 也有负作用[20]。在尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）中的研究表明，GSH 可以缓解脂质过氧化，改善肝脏功能，缓解黄曲霉素中毒[40]。

另一方面，GSH 可以与多种有毒物质及其代谢物发生结合反应，形成无毒的加合物，然后从动物体内排出。在黄颡鱼中的研究表明，谷胱甘肽能够与微囊藻毒素结合形成亲水性更强的产物，因而更容易被排出体外[41]。任圣杰等[42]研究认为，谷胱甘肽可以与辛硫磷形成中间产物，从而降低异育银鲫（Carassius auratus gibelio）肝脏中的辛硫磷残留值。在尼罗罗非鱼中的试验表明，饲料中添加一定浓度的铅会引起肝胰腺中的GSH含量产生适应性上升，随着铅含量的增加GSH含量又减少，其变化可能是由于GSH能够快速与金属离子形成络合物，然后这些络合物会聚集在一起，被迅速排出体外，从而达到快速解毒的效果[43-44]。

4 小结与展望

GSH 的生产方式多样，其中化学法、酶法和生物发酵法目前都已经实现了工业化应用，为GSH在水产养殖中的应用奠定了良好的基础。GSH 无论是在水产动物健康养殖方面，还是在提高水产品质量方面都具有巨大潜力。国内外研究人员对于GSH 在水产动物养殖方面的应用进行了深入研究，特别是在水产动物饲料中的应用。但是由于谷胱甘肽存在易溶于水、pH 偏低的特性限制了谷胱甘肽的开发利用。因此，在未来的研究中，可以加强对谷胱甘肽饲料加工工艺的优化，并继续探索GSH 与其他营养物质的配合使用，进而实现GSH的高效利用。