谷胱甘肽生產及在水產養殖中的應用

■ 李 敏 殷述亭 遲曉丹

（威海海洋職業學院，山東威海 264300）

谷胱甘肽是一種由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的一種含有巰基的三肽，是細胞中合成的最重要的低分子量抗氧化劑。在自然界中的存在形式有兩種，分別是還原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）和氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG）。通常所說的谷胱甘肽指的是GSH[1]。GSH 具有巰基和γ-谷氨酰胺健，這使GSH 具有很多生理功能，比如清除自由基、增強免疫能力及螯合解毒等[2]。

隨著高密度養殖的不斷發展，水產疾病日益嚴重，并且國家對食品安全越來越重視。安全、高效的飼料添加劑成為解決水產養殖動物健康問題、提升水產動物產量和質量的關鍵。近年來，谷胱甘肽在水產養殖領域的應用研究廣泛，成為飼料添加劑開發的熱點。文章總結了國內外谷胱甘肽的生產及在水產養殖方面應用的最新研究進展，旨在通過闡明谷胱甘肽對水產動物不同方面的應用原理及效果，為谷胱甘肽在水產動物中的應用提供新的科學思路。

1 谷胱甘肽的來源及代謝

1.1 谷胱甘肽的來源

機體內谷胱甘肽主要來自合成和還原兩條途徑。GSH 的合成主要是在肝臟細胞內，以谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸為底物，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）的催化下經兩步酶促反應合成的[3]；GSH 的還原途徑主要是細胞內GSSG 經谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）還原成GSH[4]。

此外，GSSG 可以在巰基轉移酶的作用下生成GSH，也可以與抗壞血酸發生反應生成GSH；當GSH耗竭或不足時，哺乳動物可以利用蛋氨酸生成GSH[5]。

1.2 谷胱甘肽的代謝

谷胱甘肽可以被小腸完整吸收并運輸[6]，經過血液進入胰腺、肝臟等部位進行代謝，完成清除自由基、解毒及營養運輸等功能[7]，腎臟能夠從血液中攝取GSH，是清除血漿中GSH 的重要場所。機體衰老、中毒、感染以及氧化應激等不良狀況都會導致細胞內GSH的合成能力降低，進一步造成機體內GSH含量下降，外源補充GSH可以緩解或終止相關問題。

2 谷胱甘肽的生產方法

2.1 直接萃取法

直接萃取法主要是利用有機溶劑以富含谷胱甘肽的動植物組織（如玉米胚芽或小麥胚芽）為原料，經淀粉酶、蛋白酶等處理后，經過分離、濃縮、干燥等步驟獲得谷胱甘肽[8]。但是直接萃取法存在著純度低、得率低等問題，不適合工業化生產與應用。

2.2 化學合成法

化學合成法生產谷胱甘肽始于20 世紀70 年代，以谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸為原料，經過基團保護、縮合及脫保護等階段，合成谷胱甘肽[9]。該方法較早應用于谷胱甘肽生產，但是也存在較多問題，如操作復雜、成本高昂、耗時長、環保問題較嚴重等。

2.3 酶法

酶法合成谷胱甘肽參照谷胱甘肽在機體內的合成過程，以L-谷氨酸、L-半胱氨酸和甘氨酸為底物，添加從天然生物體內獲得γGCS 和GS 兩種谷胱甘肽合成酶，經過兩個合成酶分步完成合成，這兩步反應都需要添加三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）提供能量[10]。因此，雖然酶法合成谷胱甘肽效率較高，但是容易受到酶活性、ATP價格等因素的影響。

2.4 微生物發酵法

與萃取法、化學合成法和酶法相比，生物發酵法生產谷胱甘肽，具有生產速率快、反應條件溫和、成本低、污染少等優點，如今已成為生產谷胱甘肽的主要方法，具有極大的發展潛力。生產谷胱甘肽的菌種可分為兩種，一種是常規誘變育種選育得到的高產菌株，如：釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、產朊假絲酵母（Candida utilis）及熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）等[11-13]；第二種則是基因工程菌，利用基因重組技術將合成谷胱甘肽的基因導入另一種微生物中進行谷胱甘肽的生產，如今多是以釀酒酵母菌或大腸桿菌(Escherichia coli)為載體的基因工程菌[14-15]。除菌種外，影響微生物發酵法生產谷胱甘肽的因素還有微生物發酵調控技術和谷胱甘肽提純技術，微生物發酵調控技術的研究包括培養基的優化、培養條件優化及發酵過程控制等；谷胱甘肽提純技術包括溶劑提取法，熱水抽提法及高壓均質法等[16]。如今微生物發酵法生產谷胱甘肽的技術已經相對成熟，能夠進行大規模的工廠化生產，并有極大的發展空間。

3 谷胱甘肽在水產動物中的應用

3.1 谷胱甘肽在水產動物生長性能方面的應用

在中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）[17]、青魚（Mylopharyngodon piceusRichardson）[18]、南美白對蝦（Litopenaeus vannamei）[19]等水產動物中的研究表明，谷胱甘肽具有促進生長的作用。谷胱甘肽對水產動物生長的促進作用可能是多方面的。首先，飼料中添加谷胱甘肽對水產動物的內分泌具有積極影響，能夠上調類胰島素生長因子I 和生長激素基因的表達，從而促進生長激素、甲狀腺激素等的分泌，從而進一步促進水產動物的生長。Ming等[20]的試驗表明，在飼料中添加407.45 mg/kg GSH，可以促進草魚（Ctenopharyngodon idella）肝臟中類胰島素生長因子I的表達，提高草魚的增重率。其次，谷胱甘肽中含有的半胱氨酸是輔酶a的組成成分之一，能夠破壞生長抑制激素分子的二硫鍵，緩解生長抑制激素對生長激素的抑制作用從而促進生長[21]。Xiao 等[22]向草魚腹膜注射半胱胺鹽酸鹽（CSH）發現，CSH能夠顯著提高血清生長激素水平，從而促進幼草魚短期生長。此外，GSH 還可以通過增強營養物質的吸收來促進水產動物生長。馮具攀等[23]的研究表明飼料中添加0.30 g/kg 的GSH 能夠降低克氏原螯蝦（Procambarus clarkii）的飼料系數，同時增加其體重。在虹鱒（Oncorhynchus mykiss）中的研究表明，飼料中添加200 mg/kg 的GSH 可以增加其攝食量、增重率和特定生長率[24]。Wang等[19]的研究表明，飼料中添加75～150 mg/kg GSH 能夠增加南美白對蝦（Litopenaeus vannamei）的腸壁厚度和特定生長率。飼料中添加320 mg/kg 的GSH 能夠顯著提高吉富羅非魚（GIFTOreochromis niloticus）的蛋白質效率，從而促進生長[25]。

3.2 谷胱甘肽在水產動物抗氧化應激方面的應用

隨著集約化養殖的不斷發展，引起水產動物出現應激反應的因素也越來越多。應激反應會引起其機體內氧自由基含量增加，破壞機體內氧化與抗氧化平衡，因此形成氧化應激[26-27]。氧化應激會降低水產動物的免疫力、引起組織損傷、減緩生長等負面影響，最終降低水產品產量與品質。

谷胱甘肽作為一種內源性的抗氧化物質，在機體內的抗氧化系統中具有重要作用。首先，谷胱甘肽是機體內含量最多的非蛋白質巰基化合物，GSH 的巰基能夠將一個還原電子直接提供給自由基將其還原為無毒物質，然后自身與另一個活性谷胱甘肽反應形成GSSG，達到減少自由基的作用，使機體內維持自由基代謝平衡[28]。此外，由于機體內的GSH 和GSSG 之間可以相互轉換，從而可以作為氧化還原緩沖物以保持細胞氧化還原狀態的平衡[29]。飼料中添加GSH 可增加水產動物體內GSH的積累，從而降低機體內氧化應激水平，提高抗氧化酶活力，增強機體抗氧化能力。在大菱鲆（Scophthalmus maximus）、中華絨螯蟹、青魚、南美白對蝦、花鱸（Lateolabrax japonicus）等水產動物中的研究表明，飼料中添加適量的GSH能夠提高機體內的抗氧化活性，增強其抗氧化能力[5，17-18，30-31]。但是過量的谷胱甘肽則會對水產動物的抗氧化能力產生負面影響，這可能是由于高濃度的谷胱甘肽會造成DNA損傷，導致其具有促氧化作用[32-33]。

3.3 谷胱甘肽在水產動物免疫性能方面的應用

在水產養殖過程中，養殖密度過高、飼料氧化酸敗以及水環境惡化等問題導致水產養殖動物的免疫性能不斷下降，發病率大幅上升[34]。GSH 可以從多個方面提高水產動物的免疫性能，首先，動物機體內的免疫力下降往往與氧化應激相關，GSH 作為體內重要的抗氧化物質，可以直接參與多余自由基的清除，從而達到抑制氧化應激，提高免疫性能的作用[35]。

其次，GSH 通過調節動物體內的活性因子來增強機體的免疫功能。周艷玲等[36]的研究表明，飼料中添加357.69 mg/kg GSH 能夠提高黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）幼魚體內溶菌酶（lysozyme，LZM）、堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，AKP）及酸性磷酸酶（acid phosphatase，ACP）的活性，增加免疫球蛋白M 和補體4 的含量。在中華絨螯蟹的研究中表明，飼料中添加600 mg/kg 或900 mg/kg 的GSH 能夠提高其體內的溶菌酶等免疫酶活性，降低Toll樣受體1（Toll like receptor 1，TLR1）、Toll樣受體2（Toll like receptor 2，TLR2）及髓樣分化因子88（myeloid differentiation factor 88，Myd88）等免疫因子基因的表達，提高中華絨螯蟹的免疫性能[17]。Xue 等[21]研究表明，飼料中添加500 mg/kg的谷胱甘肽可以通過調節白細胞介素-1β（Interleukin-1β，IL-1β）、白細胞介素-6 （Interleukin-6，IL-6）及腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等炎癥相關基因的表達，減輕氨脅迫引起的鰓和肝組織炎癥，增強鯉魚（Cyprinus carpio）的免疫力。

第三，谷胱甘肽具有增強免疫細胞活力、促進免疫細胞增殖的作用。在奧尼羅非魚（Oreochromis niloticus×O.aureus）中的試驗表明，外源性添加適量的GSH 能夠增加奧尼羅非魚幼魚頭腎巨噬細胞的呼吸爆發活力，從而參與免疫調節[37]。趙紅霞等[38]的研究表明，草魚血液中的白細胞數目會隨飼料中GSH的含量增加而增加，從而增強草魚的非特異性免疫功能，增強其抗病能力。

3.4 谷胱甘肽在水產動物解毒能力方面的應用

GSH 的解毒機制包括兩個方面：一方面，GSH 作為重要的抗氧化劑，能夠清除機體內多余的自由基，此外，GSH 還可以通過一些酶抑制脂質的過氧化作用，從而降低有害物質通過氧化應激導致的不良后果，減弱其毒性。周艷玲等[39]在黃顙魚幼魚中的研究表明，飼料中添加357.69 mg/kg GSH 能夠提高其抗氧化能力，增加對氨氮的抗應激能力。在草魚中的研究表明，飼料中添加407.45 mg/kg GSH 能夠提高機體內的抗氧化酶活性，增強機體的抗氧化能力，降低微囊藻毒素對機體的傷害，但過量GSH 也有負作用[20]。在尼羅羅非魚（Oreochromis niloticus）中的研究表明，GSH 可以緩解脂質過氧化，改善肝臟功能，緩解黃曲霉素中毒[40]。

另一方面，GSH 可以與多種有毒物質及其代謝物發生結合反應，形成無毒的加合物，然后從動物體內排出。在黃顙魚中的研究表明，谷胱甘肽能夠與微囊藻毒素結合形成親水性更強的產物，因而更容易被排出體外[41]。任圣杰等[42]研究認為，谷胱甘肽可以與辛硫磷形成中間產物，從而降低異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）肝臟中的辛硫磷殘留值。在尼羅羅非魚中的試驗表明，飼料中添加一定濃度的鉛會引起肝胰腺中的GSH含量產生適應性上升，隨著鉛含量的增加GSH含量又減少，其變化可能是由于GSH能夠快速與金屬離子形成絡合物，然后這些絡合物會聚集在一起，被迅速排出體外，從而達到快速解毒的效果[43-44]。

4 小結與展望

GSH 的生產方式多樣，其中化學法、酶法和生物發酵法目前都已經實現了工業化應用，為GSH在水產養殖中的應用奠定了良好的基礎。GSH 無論是在水產動物健康養殖方面，還是在提高水產品質量方面都具有巨大潛力。國內外研究人員對于GSH 在水產動物養殖方面的應用進行了深入研究，特別是在水產動物飼料中的應用。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開發利用。因此，在未來的研究中，可以加強對谷胱甘肽飼料加工工藝的優化，并繼續探索GSH 與其他營養物質的配合使用，進而實現GSH的高效利用。