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        胍基乙酸改善畜禽肉品質(zhì)的研究進(jìn)展

        2022-11-17 03:52:42吳寶云周振明
        中國畜牧雜志 2022年11期
        關(guān)鍵詞:胰島素

        吳寶云,周振明,吳 浩

        (中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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 年被批準(zhǔn)作為一種新型飼料添加劑應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,有著廣泛的應(yīng)用前景。GAA 是肌酸的唯一前體物質(zhì),而肌酸是肌肉和大腦等高能量需求組織中重要的高能磷酸鹽緩沖劑,常常被用作高消耗的營養(yǎng)補(bǔ)充劑為機(jī)體輔助供能。肌酸在動物體內(nèi)合成量較少,通常無法滿足日常消耗,因此需要在日糧中進(jìn)行補(bǔ)充,植物中不含肌酸,動物源性飼料就成為天然的肌酸來源[1]。目前,動物源性飼料價格非常高,且在我國反芻動物飼料中嚴(yán)禁使用動物源性飼料,因此,如何滿足畜禽對肌酸的需要,充分發(fā)揮肌酸作用,成為畜禽生產(chǎn)上亟待解決的一個難題。

        研究表明,飼喂1 g GAA 會使幼齡大鼠肌肉肌酸水平提高48.5%[2],在畜禽日糧中添加GAA 也可以顯著提高肌酸含量[3],有效調(diào)節(jié)畜禽的能量狀態(tài),發(fā)揮肌酸作用。因此,添加GAA 可解決直接添加肌酸成本高、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn),緩解畜禽肌酸缺乏帶來的生產(chǎn)性能低下,提高畜禽飼料采食量、飼料效率、抗氧化性能和肉品質(zhì)等[4]。本文綜述了GAA 對改善畜禽肉品質(zhì)的改善效果及其調(diào)控機(jī)理,為GAA 的深入研究及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

        1 GAA 的合成代謝與生物學(xué)功能

        1.1 GAA 的合成及代謝 在動物體內(nèi),甘氨酸和L-精氨酸的脒基在精氨酸甘氨酸脒基轉(zhuǎn)移酶(L-Arginine Glycine Amidinotransferase,AGAT)的作用下合成GAA,該過程主要發(fā)生在腎臟中[5]。隨后肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將合成的GAA 通過生物膜轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟[6],在胍基乙酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶(Guanidinoacetate Methltransferase,GAMT)的作用下形成肌酸,剩余的GAA 通過腎臟排出體外。肌酸則在肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CRT1/SLC6A8 的作用下通過組織屏障轉(zhuǎn)運(yùn)到靶細(xì)胞神經(jīng)元及肌細(xì)胞中[7],隨后在細(xì)胞內(nèi)肌酸磷酸激酶的作用下可逆地合成磷酸肌酸,磷酸肌酸作為高能磷酸基的暫時性載體,能將ATP從線粒體運(yùn)輸?shù)桨麧{中的ATP 酶位點(diǎn),這個過程也被稱為磷酸肌酸“穿梭”[8]。

        1.2 GAA 的生物學(xué)功能

        1.2.1 參與物質(zhì)代謝 精氨酸和甘氨酸是GAA 合成的前體物質(zhì),在畜禽日糧中添加GAA 可以有效節(jié)約精氨酸[9],降低日糧中精氨酸的添加水平[1],使得更多精氨酸作用于蛋白質(zhì)合成代謝、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、合成一氧化氮(NO)等方面[10]。同時,GAA 還可以增加血漿和肌肉中肌酸、磷酸肌酸和ATP 含量[11]。

        1.2.2 調(diào)控糖酵解 糖酵解是指在無氧條件下葡萄糖分解成乳酸并釋放能量的過程。畜禽屠宰后,機(jī)體儲備的磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP 被消耗完,糖酵解就作為主要的ATP 產(chǎn)生途徑釋放能量。GAA 作為肌酸合成的唯一前體物質(zhì),有著與肌酸相似的生物學(xué)功能,對于糖酵解起到一定的調(diào)控作用。一方面,畜禽日糧中肌酸水平升高可以增加肌糖原含量[12-13];另一方面,GAA 作為調(diào)控物質(zhì)參與糖酵解,可以顯著增加糖代謝中磷酸激酶、丙酮酸激酶活性[14]。其中,丙酮酸激酶是糖酵解反應(yīng)中的限速酶,其活性的增加伴隨著ATP 的生成,磷酸激酶轉(zhuǎn)移ATP 上的磷酸基團(tuán),促進(jìn)磷酸肌酸的合成,增加機(jī)體的能量儲備,延緩糖酵解。

        1.2.3 促進(jìn)激素釋放 GAA 可以促進(jìn)胰島素分泌。研究表明,GAA 能促進(jìn)胰腺分泌胰島素,且效果優(yōu)于精氨酸和肌酸[15],肌酸和精氨酸由于含有胍基也對胰島素釋放起到了一定促進(jìn)作用,不含胍基的甘氨酸通過與胍基結(jié)合也能刺激胰島素釋放[9]。GAA 分子的極性可能影響胰島細(xì)胞的膜去極化,通過蛋白激酶A 和C 敏感機(jī)制刺激胰島素分泌[16]。此外,GAA 能降低血漿葡萄糖[17],減少葡萄糖的生成,改善胰島素敏感性,是GAA 產(chǎn)生作用的另一個胰島素相關(guān)機(jī)制。其次,GAA 對胰高血糖素釋放也有一定促進(jìn)作用。研究表明,體外添加GAA 可使胰高血糖素的分泌量增加50%[18],產(chǎn)生這種效應(yīng)的機(jī)制可能是α細(xì)胞對胍基殘基的識別。此外,GAA 還可以促進(jìn)γ-氨基丁酸分泌來刺激下丘腦分泌促生長激素釋放激素,從而促進(jìn)垂體分泌生長激素[19]。

        1.2.4 促進(jìn)肌纖維發(fā)育 依據(jù)肌球蛋白重鏈(Myosin Heavy Chain,MyHC)的多態(tài)性將肌纖維分為了I 型慢速氧化型、IIa 型快速氧化型、IIb 快速酵解型和IIx型中間型肌纖維[20]。研究表明,日糧添加肌酸可降低MyHCIIa 表達(dá),同時升高 MyHCI 的表達(dá),有轉(zhuǎn)化肌纖維類型的趨勢,肌纖維發(fā)育離不開體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成,肌肉是機(jī)體蛋白質(zhì)的儲存庫[21]。蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)代謝是畜禽體內(nèi)的基本過程,這個過程的發(fā)生需要能量供應(yīng)[22]。日糧中添加GAA 作為肌酸的有效前體可以促進(jìn)肌肉的能量代謝,減少蛋白質(zhì)和脂肪等其他物質(zhì)的分解供能,從而提高畜禽的生長速度和飼料利用率。

        1.2.5 調(diào)節(jié)畜禽氧化抗氧化狀態(tài) GAA 含有1 個羧基和1 個胍基,胍基作為堿性基團(tuán),已被證實(shí)與自由基的清除有關(guān),主要的機(jī)制是胍基可以給自由基提供電子并發(fā)生反應(yīng),終止自由基鏈反應(yīng)來達(dá)到清除自由基的目的。受到精氨酸保留效應(yīng)影響,GAA 可通過NO、谷胱甘肽合成、核因子相關(guān)因子2(Nrf-2)/抗氧化劑反應(yīng)元件(ARE)等通路來起到抗氧化的作用[23]。GAA 合成的肌酸可以擴(kuò)散到線粒體中,通過線粒體磷酸激酶與氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP 和腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)位器(ANT)結(jié)合,然后磷酸肌酸擴(kuò)散回細(xì)胞質(zhì)中,滿足能量需求的同時也減少了活性氧(ROS)的形成。GAA 提高丙酮酸激酶活性的效果會使得機(jī)體內(nèi)丙酮酸生成量增多,丙酮酸可直接通過去羰基反應(yīng)抑制過氧化氫的產(chǎn)生,并可與體內(nèi)氧自由基反應(yīng)生成二氧化碳和水,還能間接增加還原型谷胱甘肽含量,起到抗氧化作用,飼喂GAA 可以增強(qiáng)這種抗氧化作用[24]。因此,GAA 可作為直接和/ 或間接的抗氧化劑[25]。

        2 GAA 改善畜禽肉品質(zhì)的效果

        2.1 GAA 對豬肉品質(zhì)的影響 豬飼糧中添加不同水平外源性GAA 可以通過降低肌肉的滴水損失和剪切力,提高肌肉的持水能力,改善肌肉嫩度,緩解pH 的下降,促進(jìn)肌纖維的生長和肉中蛋白質(zhì)及脂肪沉積(表1)。日糧中添加GAA 可以一定程度提高肌肉亮度和紅度,降低肌肉黃度,改善肉色。

        表1 胍基乙酸對豬肉品質(zhì)的影響

        2.2 GAA 對家禽肉品質(zhì)的影響 雞胸肌和腿肌的肉品質(zhì)直接決定雞肉價值。有研究表明,麻雞日糧中添加GAA 可以顯著提高大腿肌肉pH[39-40],顯著降低滴水損失、蒸煮損失、剪切力、硬度、膠黏性和咀嚼性,同時提高腿肌纖維直徑。此外,GAA 對肉雞胸肌pH24h也有提高作用[41]。家禽的木質(zhì)肉(Wooden Breast,WB)又稱木質(zhì)硬度缺陷,主要發(fā)生在胸肌肉上,與正常雞肉相比,表現(xiàn)為肌肉蒼白,肉質(zhì)堅(jiān)硬,嫩度大幅下降,在嚴(yán)重時會伴有滲血和黏性物質(zhì)的分泌[42]。研究表明,添加600 mg/kg GAA 可以降低肉仔雞WB 的發(fā)生率或降低其嚴(yán)重程度[43]。GAA 對櫻桃谷肉鴨的胸肌品質(zhì)也有明顯的改善作用。研究表明,日糧添加GAA 可顯著提高肉鴨pH45min,降低滴水損失、壓力損失和剪切力,降低皮下脂肪,增加肌間脂肪厚度,提高肉鴨肌肉系水力和嫩度[44]。

        2.3 GAA 對反芻動物肉品質(zhì)的影響 GAA 對反芻動物肉品質(zhì)的研究結(jié)果較少。研究表明,添加GAA 可以顯著提高羔羊宰后背最長肌pH、系水力和眼肌面積,對肌肉亮度和粗蛋白質(zhì)含量也有所提高[45];還能降低舍飼灘羊尾脂/胴體重和胴體脂肪含量,提高肌肉中糖原和肌內(nèi)脂肪含量[46];GAA 也有降低錦江黃牛半腱肌滴水損失、提高背最長肌紅度的應(yīng)用效果[47]。

        3 GAA 改善畜禽肉品質(zhì)的機(jī)制

        3.1 調(diào)控肌細(xì)胞能量代謝 宰后肌肉的能量代謝以無氧糖酵解代謝為主,在肌肉中儲備的ATP 被消耗完后,無氧條件下的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸。乳酸的產(chǎn)生和積累會使pH 下降,pH 下降會使肉色變蒼白,降低嫩度和多汁性。此外,郭飛等[48]報(bào)道,提高能量水平可以降低肌肉中粗蛋白質(zhì)含量,提高肌內(nèi)脂肪含量,改善肉嫩度,增加肉風(fēng)味。肌糖原降解潛能是衡量活體肌糖原含量或者屠宰后肌肉中可轉(zhuǎn)化為乳酸的所有糖類化合物含量高低的指標(biāo)。GAA 可以顯著增加三羧酸循環(huán)中異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶活性,促進(jìn)血漿中葡萄糖的分解代謝,減少生成乳酸的糖原含量;通過增加磷酸肌醇3-激酶(PI3K)的活性使胰島素生物功能得到表達(dá),該過程中關(guān)鍵激酶蛋白激酶B 活性的提高可以磷酸化糖原合成酶使其失活,從而抑制糖原的合成[39,49],這也是減少宰后肌肉中糖原含量的途徑之一。另外,添加GAA 或許能夠抑制糖酵解關(guān)鍵限速酶己糖激酶的活性來抑制葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸[3],從而抑制糖酵解過程來減少乳酸生成。同時,肉品質(zhì)與肌肉中的能量狀態(tài)有關(guān)[50]。日糧中添加GAA 可以通過增強(qiáng)呼吸鏈中煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-輔酶Q 還原酶和ATPase 的活性,增加動物體的能量儲備,來抑制宰后糖酵解過程,對pH 的下降起到緩沖作用[51]。研究表明,GAA 可促進(jìn)背最長肌、半腱肌、肝臟或腎臟AGAT 和肌酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA 表達(dá),抑制腎臟中GAMT 的mRNA 表達(dá)[27],增加細(xì)胞中肌酸和磷酸肌酸的含量[52],提高肌細(xì)胞滲透壓,使肌細(xì)胞保持水分,減少肌肉的滴水損失,提高系水力[53]。

        3.2 影響肌纖維組成類型 肌纖維直徑、肌纖維密度和肌纖維橫截面積構(gòu)成肌纖維的形態(tài)特征,肌纖維類型及形態(tài)特征決定了肉品質(zhì)。II 型肌纖維更多存在于糖酵解肌中,pH 下降速度往往比I 型肌纖維要快,這對肌肉的pH 和系水力影響很大,而pH 與肉色和嫩度也密切相關(guān)。肌內(nèi)脂肪含量直接影響肉嫩度和風(fēng)味,其含量越高,肉的嫩度越高。有研究表明,肌纖維密度越大,肌纖維直徑越小,肌肉的肌內(nèi)脂肪沉積越多[48]。

        鈣蛋白酶是一種降解蛋白的酶,可降解肌原纖維中的蛋白,故而肌纖維被降解,骨骼肌的剪切力降低,肉的嫩度提高。添加GAA 可提高鈣蛋白酶mRNA 表達(dá)水平[29];同時,生長激素與靶細(xì)胞膜表面的生長激素受體結(jié)合,啟動細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo),促進(jìn)胰島素樣生長因子的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞代謝,影響鈣激活酶系統(tǒng)[54]。鈣蛋白酶表達(dá)的升高加速了蛋白質(zhì)的溶解,使氧化型肌纖維的數(shù)量增加。在小鼠C2C12 成肌細(xì)胞的體外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),GAA 刺激了成肌分化細(xì)胞1 和肌原蛋白mRNA 的表達(dá),促進(jìn)了肌管生長和成肌細(xì)胞分化[55]。GAA 還可以提高豬骨骼肌中蛋白激酶B 的mRNA 表達(dá)量,促進(jìn)機(jī)體蛋白質(zhì)合成,有利于肌纖維發(fā)育,進(jìn)一步提高瘦肉率,改善肉嫩度[56]。

        GAA 能夠降低肝臟脂肪生成酶的表達(dá)和活性來減少胴體脂肪的沉積,增加肌內(nèi)脂肪的合成[57],改善肌肉嫩度和脂肪含量[58],提高肌肉大理石評分,減少蒸煮損失和滴水損失[59]。胰島素有很強(qiáng)抗分解代謝能力,可以阻止骨骼肌蛋白的分解,減少蛋白質(zhì)的分解代謝[60]。GAA 通過促進(jìn)胰島素的釋放和胰島素樣生長因子1(IGF-1)的表達(dá)[3],增加體內(nèi)氮的保留率[61],進(jìn)而激活蛋白質(zhì)合成AKT-mTOR 通路[37],促進(jìn)更多蛋白質(zhì)合成[62],GAA 的合成產(chǎn)物肌酸也可以使肝臟和腎臟的蛋白質(zhì)合成增加[63]。體外瘤胃發(fā)酵試驗(yàn)表明,微生物蛋白濃度隨著GAA 添加量的增加而呈顯著上升,最高微生物蛋白濃度與氨態(tài)氮濃度的最高值對應(yīng),說明GAA能夠促進(jìn)非蛋白氮分解和微生物蛋白合成[64]。理論上,GAA 可以增加肌肉中的沉積蛋白質(zhì)。GAA 的精氨酸保留效應(yīng)可使更多的精氨酸參與到蛋白質(zhì)的合成過程中。綜上,日糧中補(bǔ)充GAA 能夠增加肌肉中蛋白質(zhì),改善大理石花紋評分。

        5 小 結(jié)

        GAA 作為一種新型飼料添加劑,具有促進(jìn)激素釋放、改變物質(zhì)代謝、調(diào)控糖酵解和促進(jìn)肌纖維發(fā)育等生理功能,能有效調(diào)控畜禽的能量狀態(tài),通過延緩肌肉pH 的下降來提高肌肉系水力,增加肌肉嫩度,提高肌肉蛋白質(zhì)和脂肪含量,可在畜禽生產(chǎn)上應(yīng)用。但在反芻動物生產(chǎn)中的研究結(jié)果還不是很多,并且針對大理石花紋、肌內(nèi)脂肪等敏感指標(biāo)的測定結(jié)果較少,相關(guān)機(jī)制也有待進(jìn)一步探究。

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