胍基乙酸改善畜禽肉品質的研究進展

吳寶云，周振明，吳 浩

（中國農業大學動物科學技術學院，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193）

胍基乙酸（Guanidinoacetic Acid，GAA），又名胍乙酸或N-脒基甘氨酸，在2014 年被批準作為一種新型飼料添加劑應用到實際生產中，有著廣泛的應用前景。GAA 是肌酸的唯一前體物質，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補充劑為機體輔助供能。肌酸在動物體內合成量較少，通常無法滿足日常消耗，因此需要在日糧中進行補充，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，充分發揮肌酸作用，成為畜禽生產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]，有效調節畜禽的能量狀態，發揮肌酸作用。因此，添加GAA 可解決直接添加肌酸成本高、穩定性差的缺點，緩解畜禽肌酸缺乏帶來的生產性能低下，提高畜禽飼料采食量、飼料效率、抗氧化性能和肉品質等[4]。本文綜述了GAA 對改善畜禽肉品質的改善效果及其調控機理，為GAA 的深入研究及其在畜禽生產中的應用提供參考。

1 GAA 的合成代謝與生物學功能

1.1 GAA 的合成及代謝 在動物體內，甘氨酸和L-精氨酸的脒基在精氨酸甘氨酸脒基轉移酶（L-Arginine Glycine Amidinotransferase，AGAT）的作用下合成GAA，該過程主要發生在腎臟中[5]。隨后肌酸轉運蛋白將合成的GAA 通過生物膜轉運到肝臟[6]，在胍基乙酸N-甲基轉移酶（Guanidinoacetate Methltransferase，GAMT）的作用下形成肌酸，剩余的GAA 通過腎臟排出體外。肌酸則在肌酸轉運蛋白CRT1/SLC6A8 的作用下通過組織屏障轉運到靶細胞神經元及肌細胞中[7]，隨后在細胞內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從線粒體運輸到胞漿中的ATP 酶位點，這個過程也被稱為磷酸肌酸“穿梭”[8]。

1.2 GAA 的生物學功能

1.2.1 參與物質代謝 精氨酸和甘氨酸是GAA 合成的前體物質，在畜禽日糧中添加GAA 可以有效節約精氨酸[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合成代謝、細胞信號轉導、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，機體儲備的磷酸肌酸轉化為ATP 被消耗完，糖酵解就作為主要的ATP 產生途徑釋放能量。GAA 作為肌酸合成的唯一前體物質，有著與肌酸相似的生物學功能，對于糖酵解起到一定的調控作用。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 作為調控物質參與糖酵解，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中的限速酶，其活性的增加伴隨著ATP 的生成，磷酸激酶轉移ATP 上的磷酸基團，促進磷酸肌酸的合成，增加機體的能量儲備，延緩糖酵解。

1.2.3 促進激素釋放 GAA 可以促進胰島素分泌。研究表明，GAA 能促進胰腺分泌胰島素，且效果優于精氨酸和肌酸[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作用，不含胍基的甘氨酸通過與胍基結合也能刺激胰島素釋放[9]。GAA 分子的極性可能影響胰島細胞的膜去極化，通過蛋白激酶A 和C 敏感機制刺激胰島素分泌[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 產生作用的另一個胰島素相關機制。其次，GAA 對胰高血糖素釋放也有一定促進作用。研究表明，體外添加GAA 可使胰高血糖素的分泌量增加50%[18]，產生這種效應的機制可能是α細胞對胍基殘基的識別。此外，GAA 還可以促進γ-氨基丁酸分泌來刺激下丘腦分泌促生長激素釋放激素，從而促進垂體分泌生長激素[19]。

1.2.4 促進肌纖維發育 依據肌球蛋白重鏈（Myosin Heavy Chain，MyHC）的多態性將肌纖維分為了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，同時升高 MyHCI 的表達，有轉化肌纖維類型的趨勢，肌纖維發育離不開體內蛋白質的合成，肌肉是機體蛋白質的儲存庫[21]。蛋白質的周轉代謝是畜禽體內的基本過程，這個過程的發生需要能量供應[22]。日糧中添加GAA 作為肌酸的有效前體可以促進肌肉的能量代謝，減少蛋白質和脂肪等其他物質的分解供能，從而提高畜禽的生長速度和飼料利用率。

1.2.5 調節畜禽氧化抗氧化狀態 GAA 含有1 個羧基和1 個胍基，胍基作為堿性基團，已被證實與自由基的清除有關，主要的機制是胍基可以給自由基提供電子并發生反應，終止自由基鏈反應來達到清除自由基的目的。受到精氨酸保留效應影響，GAA 可通過NO、谷胱甘肽合成、核因子相關因子2（Nrf-2）/抗氧化劑反應元件（ARE）等通路來起到抗氧化的作用[23]。GAA 合成的肌酸可以擴散到線粒體中，通過線粒體磷酸激酶與氧化磷酸化產生的ATP 和腺嘌呤核苷酸轉位器（ANT）結合，然后磷酸肌酸擴散回細胞質中，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體內丙酮酸生成量增多，丙酮酸可直接通過去羰基反應抑制過氧化氫的產生，并可與體內氧自由基反應生成二氧化碳和水，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 改善畜禽肉品質的效果

2.1 GAA 對豬肉品質的影響 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，促進肌纖維的生長和肉中蛋白質及脂肪沉積（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的影響

2.2 GAA 對家禽肉品質的影響 雞胸肌和腿肌的肉品質直接決定雞肉價值。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]。家禽的木質肉（Wooden Breast，WB）又稱木質硬度缺陷，主要發生在胸肌肉上，與正常雞肉相比，表現為肌肉蒼白，肉質堅硬，嫩度大幅下降，在嚴重時會伴有滲血和黏性物質的分泌[42]。研究表明，添加600 mg/kg GAA 可以降低肉仔雞WB 的發生率或降低其嚴重程度[43]。GAA 對櫻桃谷肉鴨的胸肌品質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 對反芻動物肉品質的影響 GAA 對反芻動物肉品質的研究結果較少。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用效果[47]。

3 GAA 改善畜禽肉品質的機制

3.1 調控肌細胞能量代謝 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化為乳酸。乳酸的產生和積累會使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]報道，提高能量水平可以降低肌肉中粗蛋白質含量，提高肌內脂肪含量，改善肉嫩度，增加肉風味。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化為乳酸的所有糖類化合物含量高低的指標。GAA 可以顯著增加三羧酸循環中異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶活性，促進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，該過程中關鍵激酶蛋白激酶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鍵限速酶己糖激酶的活性來抑制葡萄糖轉化為葡萄糖-6-磷酸[3]，從而抑制糖酵解過程來減少乳酸生成。同時，肉品質與肌肉中的能量狀態有關[50]。日糧中添加GAA 可以通過增強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 可促進背最長肌、半腱肌、肝臟或腎臟AGAT 和肌酸轉運蛋白mRNA 表達，抑制腎臟中GAMT 的mRNA 表達[27]，增加細胞中肌酸和磷酸肌酸的含量[52]，提高肌細胞滲透壓，使肌細胞保持水分，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成肌纖維的形態特征，肌纖維類型及形態特征決定了肉品質。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。肌內脂肪含量直接影響肉嫩度和風味，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 表達水平[29]；同時，生長激素與靶細胞膜表面的生長激素受體結合，啟動細胞內信號傳導，促進胰島素樣生長因子的表達，促進細胞代謝，影響鈣激活酶系統[54]。鈣蛋白酶表達的升高加速了蛋白質的溶解，使氧化型肌纖維的數量增加。在小鼠C2C12 成肌細胞的體外試驗中發現，GAA 刺激了成肌分化細胞1 和肌原蛋白mRNA 的表達，促進了肌管生長和成肌細胞分化[55]。GAA 還可以提高豬骨骼肌中蛋白激酶B 的mRNA 表達量，促進機體蛋白質合成，有利于肌纖維發育，進一步提高瘦肉率，改善肉嫩度[56]。

GAA 能夠降低肝臟脂肪生成酶的表達和活性來減少胴體脂肪的沉積，增加肌內脂肪的合成[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]。胰島素有很強抗分解代謝能力，可以阻止骨骼肌蛋白的分解，減少蛋白質的分解代謝[60]。GAA 通過促進胰島素的釋放和胰島素樣生長因子1（IGF-1）的表達[3]，增加體內氮的保留率[61]，進而激活蛋白質合成AKT-mTOR 通路[37]，促進更多蛋白質合成[62]，GAA 的合成產物肌酸也可以使肝臟和腎臟的蛋白質合成增加[63]。體外瘤胃發酵試驗表明，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氮濃度的最高值對應，說明GAA能夠促進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。GAA 的精氨酸保留效應可使更多的精氨酸參與到蛋白質的合成過程中。綜上，日糧中補充GAA 能夠增加肌肉中蛋白質，改善大理石花紋評分。

5 小 結

GAA 作為一種新型飼料添加劑，具有促進激素釋放、改變物質代謝、調控糖酵解和促進肌纖維發育等生理功能，能有效調控畜禽的能量狀態，通過延緩肌肉pH 的下降來提高肌肉系水力，增加肌肉嫩度，提高肌肉蛋白質和脂肪含量，可在畜禽生產上應用。但在反芻動物生產中的研究結果還不是很多，并且針對大理石花紋、肌內脂肪等敏感指標的測定結果較少，相關機制也有待進一步探究。