金利群 李曉慶 李宗通 柳志強(qiáng) 鄭裕國 沈寅初

(浙江工業(yè)大學(xué)生物工程研究所，杭州 310014)

蛋氨酸羥基類似物(methionine hydroxy analog，MHA)為褐色黏液，相對密度 1.23 g/cm3(20 ℃)，pH 1.0 ～2.0，有硫化物的特殊氣味;從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，MHA不是氨基酸，而是脂肪酸;商用MHA是由單體、二聚體和寡聚體組成的混合物，三者比例各占65%、20%和3%，另外含12%的水［1］。一般單體可直接被動(dòng)物體吸收，二聚體和寡聚體需通過腸道水解為單體而被有效吸收［2］。

MHA在20世紀(jì)50年代開始應(yīng)用于動(dòng)物營養(yǎng)中，并已被飼料業(yè)、畜禽業(yè)證實(shí)是一種性能卓越的蛋氨酸(methionine，Met)源。近年的研究表明，MHA和Met以相同的效率被動(dòng)物體吸收［3］;且迄今為止，在所有的氨基酸中Met是唯一一個(gè)可以被MHA有效替代的營養(yǎng)物質(zhì)，其不僅能夠?yàn)閯?dòng)物提供Met營養(yǎng)，而且還可以發(fā)揮酸化劑、抗生素等功能;相較于Met，MHA的合成工藝原料用量少、流程短、副產(chǎn)物少，整個(gè)反應(yīng)都是在液態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，便于物料的輸送，有利于減少設(shè)備投資，節(jié)省能源和成本，減少對環(huán)境的污染等。本文綜述了MHA的生產(chǎn)工藝及其在動(dòng)物營養(yǎng)中的應(yīng)用，為其在畜牧及飼料添加劑中的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 MHA的生產(chǎn)工藝

目前，MHA的主要生產(chǎn)工藝為化學(xué)合成法，包括氰醇水解法、酯水解法、金屬氧化物催化法、丁二烯氧化法和酮醇氧化法等。其中氰醇水解法、酯水解法、金屬氧化物催化法都是利用丙烯醛與甲硫醇在有機(jī)酸胺鹽的作用下生成3-甲硫基丙醛，再與氰化酸(HCN)或氰化鈉(NaCN)反應(yīng)生成2-羥基-4-甲硫基丁腈，然后在各種水解條件下進(jìn)一步制備MHA或MHA鹽。

1.1 氰醇水解法

氰醇水解法主要利用65%～70%的無機(jī)酸［硫酸(H2SO4)或鹽酸(HCl)］兩步水解2-羥基-4-甲硫基丁腈制備MHA(圖1)，第1步水解溫度為50～60℃，第2步水解溫度為90～95℃。該工藝路線簡單，易于操作，產(chǎn)率高，但由于產(chǎn)物提取過程中需添加有機(jī)溶劑，產(chǎn)生大量難以去除的副產(chǎn)物H2SO4和硫酸鹽，產(chǎn)品品質(zhì)存在一定的問題。氰醇水解法的其他工藝流程雖然也可以得到高品質(zhì)的MHA，但依然存在環(huán)境污染及有副產(chǎn)物產(chǎn)生而影響產(chǎn)品品質(zhì)等問題［4-7］。

圖1 氰醇水解2－羥基－4－甲硫基丁腈制備MHA工藝路線Fig.1 Synthesis route of MHA from 2-hydroxy-4-methylthiobutyric nitrile by cyanhydrin hydrolysis

1.2 酯水解法

酯水解法首先利用四硼酸鈉(Na2B4O7)或氧化錳(MnO)在98℃下水解2-羥基-4-甲硫基丁腈為2-羥基-4-甲硫基丁酰胺，接著加入甲酸甲酯反應(yīng)，得到2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯;然后加入H2SO4溶液在95℃下繼續(xù)水解5 h，得到MHA水溶液(圖2)。該工藝降低了H2SO4的使用量，且避免了硫酸銨的形成，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)率和純度，但是合成路線較氰醇水解法復(fù)雜。

圖2 酯水解2－羥基－4－甲硫基丁腈制備MHA工藝路線Fig.2 Synthesis route of MHA from 2-hydroxy-4-methylthiobutyric nitrile by ester hydrolysis［8］

1.3 金屬氧化物催化法

金屬氧化物催化法是利用金屬氧化物的催化作用，將2-羥基-4-甲硫基丁腈轉(zhuǎn)化成MHA銨鹽，然后利用酸化得到高產(chǎn)率的MHA(圖3)。該工藝使用的金屬氧化物一般為二氧化鈦(TiO2)或二氧化錳(MnO2)，反應(yīng)溫度為40～150℃，工藝路線收率相對較低，還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

圖3 金屬氧化物催化2－羥基－4－甲硫基丁腈制備MHA工藝路線Fig.3 Synthesis route of MHA from 2-hydroxy-4-methylthiobutyric nitrile by metal oxide catalysis［9-10］

1.4 丁二烯氧化法

丁二烯氧化法是以丁二烯為原料，通過一系列的化學(xué)氧化反應(yīng)得到2-羥基-4-甲硫基丁醇，然后利用微生物糞產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes faecalis)、紅球菌(Rhodococcus sp.HT 29-7)或戈登式菌(Gordona terrae MA-1)的氧化作用得到MHA(圖4)。該工藝避免使用劇毒原料HCN，但是工藝步驟復(fù)雜，微生物氧化速度慢，產(chǎn)率低，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

圖4 丁二烯氧化法制備MHA工藝路線Fig.4 Synthesis route of MHA by butadiene oxidation［11］

1.5 酮醇氧化法

酮醇氧化法是以甲醛、3-甲硫基丙醛和3-乙基苯并噻唑溴化銨為原料，在110℃的正丁醇、三乙胺和氫氧化鉀溶液中回流2 h，經(jīng)銅化合物氧化及H2SO4酸化得到MHA(圖5)。該工藝路線產(chǎn)率低，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

圖5 酮醇氧化法制備MHA工藝路線Fig.5 Synthesis route of MHA by ketone alcohol oxidation［12］

2 MHA在動(dòng)物營養(yǎng)中的應(yīng)用

MHA作為Met的有效替代品，可以以MHA及其金屬螯合物2種方式添加。MHA呈液態(tài)，便于生產(chǎn)及運(yùn)輸，但是使用時(shí)需用專門的噴霧式操作系統(tǒng)，因而常被制成MHA鹽的形式，主要有鈣(Ca)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋅(Zn)、錳(Mn)、鈷(Co)和鉻(Cr)螯合物等。MHA鹽不但具有抵抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)之間的干擾和緩解礦物質(zhì)之間的拮抗作用，而且具有良好的生物化學(xué)穩(wěn)定性，易被消化吸收，生物學(xué)利用度高，既為動(dòng)物提供Met的營養(yǎng)，又能滿足動(dòng)物微量元素的需求［13-14］，在動(dòng)物營養(yǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。

2.1 家禽

MHA可以有效減緩熱應(yīng)激反應(yīng)。MHA不含氨基，氮轉(zhuǎn)化成尿酸過程中產(chǎn)生的余熱會(huì)減少，而家禽具有生長速度快、生長周期短、不具汗腺等生理特點(diǎn)，高溫高濕的環(huán)境會(huì)在家禽中引起氧化應(yīng)激，影響采食量，從而降低其生長性能［15-16］。MHA是一種可以促進(jìn)胃腸道胰高血糖素原基因表達(dá)和胰高血糖素樣肽-2分泌的短鏈脂肪酸，而胰高血糖素樣肽-2是促進(jìn)胃腸道運(yùn)動(dòng)、吸收、生長和增強(qiáng)腸道適應(yīng)能力的關(guān)鍵肽生長因子，可提高營養(yǎng)物質(zhì)的吸收率和增強(qiáng)腸黏膜的屏障功能，從而緩解熱應(yīng)激對腸道的結(jié)構(gòu)與功能的損害，保證飼糧中的氨基酸和葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)的有效吸收［17-18］。Willemsen 等［19］在熱應(yīng)激及非熱應(yīng)激條件下飼養(yǎng)肉雞，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激可以顯著提高血漿甲狀腺激素、肝總谷胱甘肽、氧化型谷胱甘肽的含量，降低血漿中皮質(zhì)酮的含量，飼喂MHA的肉雞因MHA降低了肝總谷胱甘肽的含量，而有效緩解了高溫對器官生長抑制的影響，其中心臟受到的抑制作用最小。Yodseranee等［20］在熱應(yīng)激條件下，向飼糧中添加MHA，不僅能顯著提高肉雞體重、平均日增重、飼料利用率及血漿中胱氨酸的含量，而且還可以提高血漿中?；撬岷湍蛩岬暮?。

MHA可以提高家禽的生產(chǎn)性能及飼料利用率。聶偉等［21］在玉米-豆粕型基礎(chǔ)飼糧中添加不同比例的MHA，可顯著改善雞蛋產(chǎn)蛋率和平均蛋重。方正鋒［22］報(bào)道，MHA比Met能更有效地進(jìn)入到腸外組織，從而降低飼糧Met在腸道的分解代謝，增加氨基酸在腸外靶組織如肌肉的沉積，進(jìn)而提高生長性能。周長海等［23］在東北冬季蛋雞舍15℃的條件下，向飼糧中添加MHA，蛋雞體重和產(chǎn)蛋率顯著增加，蛋殼強(qiáng)度極顯著提高，采食量和料蛋比顯著降低。賈友剛等［24］在低溫(5℃)條件下，向飼糧中添加MHA可以緩解低溫對蛋雞造成的不利影響，蛋雞體重降低緩慢，產(chǎn)蛋率、平均蛋重和日蛋重顯著提高，采食量和料蛋比顯著降低。Bunchasak等［25］研究表明，蛋雞食用MHA可以提高采食量、母雞體重、平均日產(chǎn)蛋量、雞蛋質(zhì)量、雞蛋中蛋白質(zhì)及脂肪的含量。Swennen等［26］報(bào)道，向低蛋白質(zhì)飼糧中添加MHA，有利于減緩低蛋白質(zhì)造成的體重減輕，并且通過降低肝臟中谷胱甘肽的含量或增加尿酸的含量，表現(xiàn)出更好的抗氧化能力。唐雪等［27］以雄性羅斯肉雞為研究對象，在飼糧中添加不同含量的MHA均可顯著提高肉雞平均日增重、腿肌重及腿肌率，顯著提高肌肉RNA、蛋白質(zhì)含量以及RNA/蛋白質(zhì)、肌肉葡萄糖含量及ATP水平，顯著降低肌肉糖原含量以及肌肉失水率、硬度、咀嚼度。Del-Vesco等［28］首次研究表明，飼糧中添加MHA可影響肉雞胸肌和肝臟線粒體基因的表達(dá)，減少肌肉中禽解偶聯(lián)蛋白mRNA的表達(dá)，提高肉雞的生長性能。

MHA可以提高機(jī)體的免疫反應(yīng)。Martin-Venegas等［29］報(bào)道，在腸道中 MHA比 Met能更有效地生成半胱氨酸和?；撬幔腚装彼嶙鳛楣入赘孰牡那绑w在腸道上皮細(xì)胞的抗氧化功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用，?；撬峋哂薪舛?、抗氧化等多種生理功能。Xie等［30］在鴨飼糧中過量添加2種等摩爾Met源，其中MHA組血漿中同型半胱氨酸含量顯著低于Met組。張立彬等［31］在飼糧中添加MHA，隨MHA添加水平的提高，料重比呈線性降低，血清球蛋白含量呈線性提高，外周血淋巴細(xì)胞吞噬活性呈二次曲線變化，肉仔雞體液免疫和非特異性免疫活性提高。Fang等［32］試驗(yàn)表明，MHA組門靜脈中L-Met含量較Met組高，動(dòng)脈和靜脈血漿中瓜氨酸的含量高于Met組，動(dòng)脈中?；撬岬暮恳诧@著高于 Met組。Sun等［13］研究表明，在蛋雞飼糧中分別使用MHA螯合Cu、Mn、Zn等替代其硫酸鹽形式，不僅能夠更快地提高血漿銅藍(lán)蛋白含量、錳超氧化物歧化酶和肝臟碳酸酐酶活性，而且提高了肝臟中銅和蛋黃中Zn含量，其中，MHA-Mn和MHA-Zn顯著提高蛋殼的厚度。于瑋等［33］在羅斯肉雞飼糧中分別添加 Met、MHA 及MHA-Ca，其中MHA及MHA-Ca能更好地提高腸道的抗氧化能力及肉雞血漿、肝臟、盲腸中過氧化氫酶活性、總抗氧能力、丙二醛含量等，全血中自由基含量顯著降低，這有利于維持腸道氧化還原穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)腸道健康發(fā)育。

2.2 豬

MHA是一種酸性較強(qiáng)的有機(jī)酸，在飼糧中可以充當(dāng)酸化劑，中和飼糧中的高堿成分，降低胃腸道的pH，提高消化酶的活性。MHA還可以作為一種安全有效的抗生素，對腸源性疾病的主要病原菌如鼠傷寒沙門氏菌、腸炎沙門氏菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌和空腸彎曲菌具有很好的抑制作用，從而促進(jìn)有益菌群的繁殖，減少腹瀉［34］。馬鑫等［35］采用平板法和試管法測定了MHA體外抑菌效果，結(jié)果表明，MHA對6株供試菌雞白痢沙門氏菌C79-2、雞白痢沙門氏菌C79-12-77、雞源沙門氏菌Sl、豬源大腸桿菌E1、雞源大腸桿菌E2、金葡菌SA的最低抑制濃度為0.1% ～0.2%，抑菌效果與乳酸、檸檬酸、二甲酸鉀相當(dāng)，高于甲酸，0.1% ～0.2%的MHA對常見病原菌抑菌效果相當(dāng)于1.95～7.81 mg/kg氯霉素，或者 0.391 ～0.781 mg/kg 諾氟沙星。王之盛等［36］報(bào)道，MHA對大腸桿菌、雞白痢沙門氏菌、壞死性腸炎梭菌的最低抑菌濃度為1 000～1 400 mg/kg，最低殺菌濃度為1 200～1 400 mg/kg，降低飼料系酸力，極顯著降低仔豬腹瀉率，其中試驗(yàn)1～6周，喂養(yǎng)MHA組顯著提高仔豬生長性能。

MHA在滿足豬Met營養(yǎng)的同時(shí)，還可以提高豬的生長性能。鞠繼光［37］在生長肥育豬飼糧中添加100 mg/kg的MHA-Fe和70 mg/kg的MHAZn，平均日增重增加了 8.3%，料重比降低了13.7%，且試驗(yàn)豬皮膚紅潤、皮毛較光亮。張錦秀等［38］在低蛋白質(zhì)飼糧中添加 MHA，發(fā)現(xiàn)添加MHA組豬的采食量顯著增加，腹瀉率降低30%以上，隨著MHA添加量的提高，平均日增重、采食量與結(jié)腸丙酸、丁酸含量都有增加的趨勢。Ettle等［39］報(bào)道，在基礎(chǔ)飼糧中添加MHA有助于提高斷奶仔豬平均日增重、最終體重和飼料轉(zhuǎn)化率。Opapeju等［40］在豬的飼糧中添加 MHA-Ca，有利于減少糞和尿中氮的含量，提高平均日增重和平均日采食量，降低料重比。

MHA可有效改善腸道健康。Fang等［41］報(bào)道，仔豬飼糧中添加MHA，不僅可提高靜脈中氨基酸的平衡，增加亮氨酸、異亮氨酸、組氨酸、精氨酸和丙氨酸的含量，且胃和近端小腸中胰高血糖素和內(nèi)皮氧化氮合酶及胃中胰高血糖素樣多肽-2受體mRNA表達(dá)水平顯著提高。Kaewtapee等［42］在仔豬飲用水中添加 0.1%MHA，可以顯著降低飲用水的pH，并提高水的攝入量，改善腸道功能。李豪等［43］報(bào)道，在泌乳母豬飼糧中添加MHA，顯著提高21日齡斷奶仔豬十二指腸、空腸、回腸絨毛高度和回腸絨毛高度與隱窩深度比值。

2.3 反芻動(dòng)物

反芻動(dòng)物攝入的蛋白質(zhì)會(huì)在瘤胃微生物的作用下發(fā)生分解，只有部分的蛋白質(zhì)能夠進(jìn)入小腸被吸收。Met一般在瘤胃微生物作用下會(huì)脫氨基而失效，直接添加Met雖然可以影響瘤胃微生物的活動(dòng)，間接影響動(dòng)物的消化和吸收，但不能明顯增加其進(jìn)入小腸的量。MHA或其鹽是一種有效的保護(hù)性Met源，它們只提供碳架，本身并不發(fā)生脫氨基作用，可在一定程度上避免瘤胃微生物的降解，同時(shí)瘤胃中有充足的氨源，MHA能夠轉(zhuǎn)變成Met到達(dá)小腸被機(jī)體吸收利用。Koenig等［44］研究表明，瘤胃攝取的MHA，無論以何種形式或多大的劑量，有39.5%的MHA可以避免瘤胃的降解并被吸收代謝生成Met而被利用。Uchida等［45］研究了MHA和Met對高產(chǎn)奶年早期泌乳和生長性能的影響，有40%的MHA可以避免瘤胃的降解，22%的Met可以避免瘤胃的降解。

MHA對瘤胃發(fā)酵和微生物活性有一定的影響，但報(bào)道結(jié)果不一致。Hegedus等［46］通過瘤胃細(xì)菌在不同Met源中的體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)MHA對細(xì)菌生長沒有顯著影響。Noftsger等［47］比較了MHA和Met對奶牛生長性能和瘤胃代謝的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明MHA和Met對瘤胃液流通速率、原蟲數(shù)量和細(xì)菌氮比例作用不顯著。Iriki等［48］研究表明，MHA能增加瘤胃液中原蟲數(shù)量及醋酸/乙酸。Vazquez-Anon等［49］采用連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵罐考察了 MHA對瘤胃發(fā)酵的影響，有 21.6% ～43.2%的MHA可逃避瘤胃的降解，且MHA能促進(jìn)微生物蛋白質(zhì)的合成。劉宏波［50］報(bào)道，羥基蛋氨酸異丙酯不僅可以促進(jìn)瘤胃發(fā)酵，還能夠提高奶牛能量和蛋白質(zhì)代謝，對泌乳前期奶牛產(chǎn)奶性能和乳品質(zhì)也有一定的提高。周帥等［51］報(bào)道，羥基蛋氨酸異丙酯有利于改善瘤胃體外發(fā)酵，顯著提高發(fā)酵液中乙酸、丁酸、異戊酸、乳酸和總發(fā)性脂肪酸的含量。

此外，MHA還可以調(diào)節(jié)反芻動(dòng)物的營養(yǎng)代謝、體內(nèi)酸堿平衡及內(nèi)分泌功能等，有利于提高動(dòng)物的生長性能［52］。Fahey 等［53］向荷斯坦黑白奶牛飼糧中添加MHA-Ca，有利于提高總牛奶產(chǎn)量、總脂肪產(chǎn)量和總?cè)樘钱a(chǎn)量，飼養(yǎng)30 d后，血漿中膽固醇的含量顯著提高，牛奶短鏈脂肪酸的含量降低，長鏈脂肪酸的含量增加，血漿中前列腺素F2α釋放增加。夏中生等［54］在奶牛飼糧中添加MHA，血清胰島素含量顯著提高了22.33%，乳總干物質(zhì)、乳蛋白含量及乳脂率和血清總蛋白含量均有提高的趨勢。Xia等［55］研究表明，羥基蛋氨酸異丙酯有利于提高產(chǎn)后奶牛乳成分產(chǎn)量，且4%乳脂率校正奶產(chǎn)量、乳脂、乳蛋白、乳糖含量也有提高的趨勢，牛奶中尿素氮和血漿中β-羥基丁酸鹽的含量有降低的趨勢。Wang等［56］研究發(fā)現(xiàn)，在添加硫酸銅的飼糧中加入MHA-Cu，有利于提高牛奶產(chǎn)量、4%乳脂率校正奶產(chǎn)量、中性洗滌纖維表觀消化率，血漿Cu含量顯著提高。Nemec等［57］報(bào)道，泌乳前期奶牛食用MHA螯合Cu、Mn、Zn較無機(jī)硫酸鹽形式的 Cu、Mn、Zn能更好地提高免疫反應(yīng)。周帥等［58］報(bào)道，羥基蛋氨酸異丙酯有利于提高奶牛繁殖性能，試驗(yàn)組配種次數(shù)有所降低，第1發(fā)情期受胎率比對照組提高了8%。Whelan等［59］和 ?ermáková 等［60］報(bào)道，在奶牛飼糧中補(bǔ)充 MHA有利于降低干草采食量，提高牛奶產(chǎn)量、乳固體和酪蛋白產(chǎn)率，以及牛奶中β-酪蛋白和蛋白質(zhì)的含量。

3 小結(jié)

目前MHA及其鹽的各種生產(chǎn)方法中，主要使用了化工石油行業(yè)中的廢料丙烯醛、甲硫醇、HCN、NaCN為原料。其中，氰醇水解法制備MHA，工藝雖然簡單，但是產(chǎn)生大量的H2SO4和硫酸鹽，處理這些副產(chǎn)物大大增加了生產(chǎn)成本;酯水解法有利于提高產(chǎn)品的純度，但是反應(yīng)過程較為復(fù)雜，設(shè)備投資高;金屬氧化物催化法、丁二烯氧化法、酮醇氧化法因產(chǎn)率低，不具備工業(yè)化生產(chǎn)要求。此外，有學(xué)者報(bào)道利用腈轉(zhuǎn)化酶法和發(fā)酵法制備MHA，這2種方法反應(yīng)條件較為溫和，副生產(chǎn)物少，符合綠色化學(xué)和原子經(jīng)濟(jì)的要求，但目前研究水平較低，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。

MHA作為Met的一種有效替代品，不僅具有Met的營養(yǎng)功能，而且因其特殊的結(jié)構(gòu)及較強(qiáng)的酸性，在動(dòng)物營養(yǎng)中能夠發(fā)揮Met不具備的酸化劑、抗生素等功能。隨著我國畜牧及飼料添加劑行業(yè)的發(fā)展，MHA的生理功能將得到進(jìn)一步的研究及應(yīng)用，其需求量也將不斷擴(kuò)大，MHA的生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求。因此，研究出高產(chǎn)率、低成本、操作簡單、環(huán)保的MHA合成工藝將為其在我國畜牧及飼料添加劑行業(yè)的應(yīng)用奠定重要的基礎(chǔ)。

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