γ-氨基丁酸在畜牧生产上的应用

内 江 职 业 技 术 学 院 李 静

四川农业大学动物营养研究所 李 霞

γ-氨基丁酸 （GABA）是一种非蛋白质氨基酸，广泛分布于动植物中。在动物体内不仅分布于中枢神经系统和外周神经，起神经镇定作用；也分布于非神经组织的细胞中，发挥激素或营养因子的功能，对动物机体正常的生理功能起着重要的调节作用（Xu等，2001）。随着研究深入，GABA的生理功能不断得到阐明，已发展成为一种新型功能性因子，并伴随着生产技术的逐步成熟，已逐渐在医药、食品保健、化工及农业等行业中广泛应用。在饲料行业中，GABA作为一种功能性氨基酸类饲料添加剂，具有提高动物生产性能、免疫功能和产品品质等多种功效，已成为研究热点，因此本文介绍GABA在畜牧生产上的应用情况。

1 GABA的结构与理化性质

GABA在丁酸的γ位上有一个氨基，是一种非蛋白质氨基酸，分子式为C4H9NO2，相对分子质量为103.12，结构式见图1。

GABA结构与谷氨酸类似，只少了一个羧基，为其脱羧产物。GABA在气相时主要以中性分子的形式存在，而在晶体状态下则以两性离子的形式存在，在GABA水溶液中也存在着大量两性离子。

图1 GABA 的中性（a）、两性（b）离子结构和谷氨酸的两性离子结构（c）

GABA极易溶于水，25℃时溶解度为130 g/100 mL，微溶于乙醇，不溶于其他常见有机溶剂，熔点202～204℃，但在195℃时即分解为吡咯烷酮和水。结晶为白色小叶状（甲醇-乙醚）或针状（水-乙醇）），味微苦，无旋光性。在水溶液中，易发生两性离解，也可进行氨基酸的特征性化学反应。

2 GABA在畜牧生产中的应用

2.1 GABA对动物生产性能的影响及其原因

2.1.1 对动物生产性能的影响 韦习会等（2004）在生长猪日粮中添加不同浓度 （0、10、20 mg/kg和40 mg/kg）的GABA，结果表明，10 mg/kg和20 mg/kg的添加水平能显著提高日增重（分别提高11.39%和9.49%），而添加40 mg/kg对增重无显著影响。而其增重的提高主要是通过提高日采食量（提高7.82%和9.47%），对料肉比无显著影响；与对照组相比，10 mg/kg的添加剂量对血清尿素氮含量无显著影响，而高剂量的GABA则使猪血清尿素氮含量显著高于对照组。Fan等（2007）在体重为 34 kg生长猪日粮中添加50 mg/kg和100 mg/kg GABA，结果表明，GABA对猪的促生长作用明显，但随生长阶段和作用剂量不同存在一定差异，主要体现在试验3～4周，以100 mg/kg的效果最好。刘振军（2006）在21 d断奶仔猪日粮中分别添加50、100 mg/kg和150 mg/kg GABA，发现50 mg/kg添加剂量能显著提高断奶后28 d的采食量和日增重，但不影响料肉比和粗蛋白质的表观消化率。随着剂量的增加，GABA的效果降低，当添加剂量为150 mg/kg时，断奶仔猪的生产性能有下降的趋势。谢晓婕（2007）在28日龄断奶仔猪日粮中添加20 mg/kg GABA，饲喂14 d，提高了仔猪采食量、日增重，降低0～7 d料重比，但差异不显著。

李爱学（2003）在产蛋高峰期母鸡饲粮中添加50 mg/kg GABA，母鸡采食量和采食次数均有所增加。吴常信（2005）报道，在肉雏鸡前期日粮中添加50、100 mg/kg和200 mg/kg GABA，日增重相对于对照组分别提高3.6%、7.6%和10%，而50 mg/kg和100 mg/kg处理组饲料消耗分别降低了4%和8%，200 mg/kg组料肉比无显著差异；在肉雏鸡后期日粮中添加75、150 mg/kg和300 mg/kg GABA，日增重结果与前期相似，75 mg/kg和150 mg/kg处理组饲料消耗降低15%和18%，而300 mg/kg组体重和饲料消耗没有改善。陆桂平等 （2007）在产蛋鸡日粮中添加10 mg/kg GABA，青年期、产蛋初期和产蛋高峰期蛋鸡的采食量分别提高 11.9%（P<0.01）、5.95%（P<0.05）和 7.23%（P<0.01），对于产蛋性能，只显著或极显著提高了产蛋初期的产蛋率 （15.59%）和日只蛋重（17.86%）。

从以上结果可以看出，GABA主要是通过提高畜禽的日采食量，且不增加或略微提高饲料转化效率来实现对增重的提高，GABA的添加效果与添加剂量有关，不同动物和不同阶段添加剂量不同。

2.1.2 GABA提高动物生产性能的原因

2.1.2.1 采食作为一个复杂的行为活动，主要受中枢神经系统的控制，饱中枢（下丘脑腹内侧核）和摄食中枢（下丘脑外侧区）是动物调节摄食的基本中枢。GABA则可通过抑制饱中枢（下丘脑腹内侧核）的活动引起动物的采食，增强动物的采食能力。研究表明，将一定剂量范围的GABA注射于动物的不同脑区，可显著促进动物摄食，并具有剂量依赖效应。

2.1.2.2 可能与其促进生长激素等的分泌有关。Tacca等（1989）发现，激活离体鼠胃 GABA受体能够剂量依赖性诱导胃泌素分泌。Weigert等（1998）认为，灌注外源性GABA浓度，剂量依赖性提高胃泌素释放，而生长抑素（SS）的分泌则被显著性抑制；并且生长抑素和胃泌素对于GABA的反应能够完全被γ-氨基酸A受体（GABAAR）拮抗剂荷包牡丹碱和乙酰胆碱能神经元阻断剂阿托品完全抑制。陆桂平等（2007）研究发现，饲喂10 mg/kg的GABA使青年期蛋鸡、产蛋初期和产蛋高峰期母鸡血清瘦素水平分别升高4.47%、29.48%（P<0.05）和 21.16%（P<0.05），血清胰岛素水平分别升高 21.15%（P<0.01）、15.13%（P<0.05）和 12.85%（P<0.05）。 瘦素具有调节摄食、促进能量消耗及调节相关激素水平和生殖机能等作用。胰岛素水平升高可使摄食中枢兴奋，促进采食。Fan等（2007）在生长猪日粮中添加50 mg/kg和100 mg/kg GABA，结果表明，GABA显著促进了试验猪体内生长激素（P<0.05）和褪黑素（P<0.05）的分泌，明显提高了小猪体内促甲状腺激素水平（P<0.1），这与良好的生产性能吻合，但作用程度随试验阶段和激素种类不同而存在一定差异。

2.1.2.3 与GABA促进动物胃肠道发育有关。GABA 可促进胃酸分泌。Thirlby（1998）等，给安装胃瘘的狗胃内灌注GABA，发现54 μg/kg·min注射组狗胃内平均酸分泌量在基础水平上提高了（30±1.4）mmol/h； 另外静脉给药 0.5 mg/kg baclofen（GABA激动剂）能够显著提高狗胃内酸的分泌量。Laura（2004）在研究外源GABABR激动剂对大鼠胃酸分泌的试验中发现，静脉给药baclofen和SKF-97541（GABA选择性受体激动剂），能够对大鼠胃酸分泌起到剂量依赖性的刺激作用。由此可以得出GABA及其受体激动剂具有显著的促酸分泌的作用。

GABA可促进小肠各肠段收缩和舒张运动。Giotti（1983）发现，在 3×10-6～ 3×10-4mmol/L 剂量范围内，GABA可引起体外培养的豚鼠回肠标本收缩，紧接着又成舒张状态。Krantis等（2000）对培养的豚鼠结肠末端和回肠的研究证明，GABA对没有神经支配的肠肌没有作用。在有神经支配的肠段，GABA所引起的收缩和舒张都可被河豚毒素阻断，表明GABA通过激活神经性的兴奋和抑制机制对肠段发挥作用。

有研究报道，产蛋高峰期母鸡饲料中添加GABA可显著提高十二指肠至盲肠段内容物中的胰蛋白酶总活性（P<0.05）。表明GABA对小肠功能的调节很可能是通过影响其消化酶的分泌来实现（李爱学，2003）。

在豚鼠和大鼠小肠上的试验已证实GABA能影响上皮的转运过程。另外，肠道隐窝处纤维与上皮组织中含有GABA，与内分泌细胞存在相似之处，提示在黏膜功能调节上，肠道GABA很可能影响上皮细胞的有丝分裂和迁移（Krantis，2000）。

2.2 对胴体品质的影响 曹德瑞和邹晓庭（2007）在生长育肥猪日粮中添加10 mg/kg GABA，可使屠宰率提高3.64%，眼肌面积增加11.89%，背膘厚略有降低，但差异不显著。GABA改善动物胴体品质的原因可能与其促进生长相关激素的合成与释放有关，因为GABA可促进生长激素的分泌，而大量试验表明，外源生长激素可改善猪的胴体品质。

2.3 对免疫功能的影响 Adham等（2006）研究表明，GABA对黏膜免疫具有一定增强作用。人口服100 mg/kg GABA后显著提高唾液中IgA的分泌水平，从而增强机体抵御病原侵入，提高免疫力。具体的研究证明较少，但从旁分析GABA也具有提高免疫的功能，分析其原因可能是：一方面主要是GABA促进胃酸、消化液和生长激素的分泌，提高动物的采食量，增强养分吸收与代谢，提高生长性能从而提高免疫机能；另一方面GABA作为神经递质，影响内分泌系统激素的分泌，然而激素分泌量的变化必然使存在于免疫细胞上的各种激素受体作出应答，从而引导免疫细胞自身增殖或凋亡、活性增强或抑制；另外，GABA是抑制性神经递质，与受体结合后被激活，阻止与焦虑或应激有关的信息抵达大脑，镇静神经，抵抗焦虑和减轻应激程度，增强免疫力（胡家澄等，2008）。

2.4 GABA对生殖性能的影响 GABA在雄性动物或人性腺和附属性腺中存在，与精子的运动和类固醇激素的产生有密切关系，对雄性生殖功能有调节作用。据报道，GABA可明显地引起获能小鼠及人精子发生顶体反应，且随精子获能进程而显著增加，并存在明显的量效关系 （Shi和Roldan，1995； 王春年，1995；Roldan 等，1994）；明显提高正常及抗精子阳性精子顶体酶的活性，并使精子的Na+-K+-ATPase和超氧化物歧化酶的活性增加，说明GABA对精子顶体酶活性有显著影响。

在雌性动物中，在机体30多种含有GABA的外周组织中，以卵巢与输卵管中的含量最高，超过脑含量的2倍以上，提示GABA可能对性腺的生理功能具有调节作用（Kalia等，1999）。据研究，GABA能够通过下丘脑-垂体-性腺轴影响垂体及性腺的生理机能，从而参与生殖激素（如孕酮、促黄体素LH及促乳素PRL）的分泌调节。

2.5 GABA对畜禽的抗缺氧能力的影响 GABA可提高海马脑的耐缺氧能力，其机制可能与GABA通过GABA受体提高Cl-内流有关 （赵彤等，2003）。GABA作为体内一种主要的抑制性氨基酸，在脑缺血时其合成与释放均增加，这与兴奋性氨基酸、自由基等毒性物质含量的增高有关。脑缺血后针对兴奋性氨基酸的毒性作用，机体建立相应的“抑制性保护”机制，这一保护性机制的建立，主要是通过GABA的作用来完成 （Shuaib等，1997）。魏智清等（2006）试验证明，适当浓度的GABA可以提高鲫鱼的抗缺氧能力，其中质量分数0.3%GABA使鲫鱼在缺氧环境下的存活时间明显延长。

2.6 GABA对动物热应激的影响 由于畜禽皮肤上缺少甚至没有汗腺，在炎热的夏季高温所引起的热应激给畜禽生产带来严重的损害。GABA为中枢神经系统抑制性神经递质，可抑制脑干呼吸中枢的整合作用，使呼吸频率减慢，维持各中枢对机体各系统正常调节机能。陈忠等（2002）试验证明，在肉仔鸡饮水中添加适量GABA，可以减少鸡只的活动量和产热量，降低代谢率，从而缓解高温对肉鸡生产性能的影响，增强肉鸡的抗应激能力和日增重。吴东辉等（2003）试验证实，在急性应激时可通过海马内兴奋性氨基酸抑制剂GABA含量的变化来影响兴奋性氨基酸含量的改变，从而对动物机体起到保护作用。曹德瑞等（2008）试验表明，在生长育肥猪日粮中添加10 mg/kg的GABA可提高高温下猪的采食量和增重；提高猪的血糖含量，维持机体热应激状态下新陈代谢所需的血糖；降低血液乳酸脱氢酶（LDH）和肌酸激酶（CK）水平，有效减轻热应激对猪只的损害；提高猪血清谷胱甘肽过氧化物酶水平，缓解热应激。

3 GABA的制备

3.1 化学合成方法 化学合成GABA的方法主要有以下几种（赵炳超等，2004）：（1）以邻苯二甲酰亚氨钾和γ-氯丁氰或丁内酯为原料在强烈条件下反应，所得产物与浓硫酸作用后再经过水解制得产品GABA；（2）以吡咯烷酮为起始原料，经氢氧化钙、碳酸氢铵水解开环制得产品GABA；（3）以丁酸和氨水为原料，在γ射线照射条件下，可以得到GABA；（4）以丙胺和甲酸为原料，经辉光放电电解可以合成出GABA；（5）以溴代乙酸甲酯和乙烯为原料，经聚合反应得到4-溴丁酸甲酯，再经氨解和水解可制得。GABA化学方法反应速度快，得率高，但脱除产品中的有毒成分比较复杂，成本较高，反应条件不易控制，安全性较差。

3.2 分离提取方法 以天然产物或天然产物经过加工后的副产物为原料，经过提取、分离、提纯制得。如以稻谷加工后的副产物米糠为起始原料，经过柠檬酸缓冲液抽提、过滤，所得滤液经冷冻干燥得到黄棕色的固体粗产物，然后经层析柱分离提纯制得纯品GABA。分离提取方法虽然比化学方法易操作，但成本仍然较高。

3.3 富集技术 高等植物中GABA的合成主要由 L-谷 氨 酸 脱 羧 酶 （Glutamatedecarboxylase，GDC，EC 4.1.1.15）催化 L-谷氨酸（L-Glu）的脱羧反应生成，而GABA的降解是在GABA转氨酶的作用下与α-酮戊二酸发生转氨作用，形成谷氨酸和琥珀酸半醛（SSA），琥珀酸半醛经脱氢氧化形成琥珀酸，进入三羧酸循环。因此有利于L-谷氨酸脱羧反应，不利于GABA转氨作用的条件均有利于植物中GABA的合成。例如，细胞质pH值降低，有利于谷氨酸脱羧，不利于GABA转氨作用（最适pH 8.9），从而积累GABA；Ca2+或钙调蛋白（CaM）可激活谷氨酸脱羧酶；L-谷氨酸含量增多可使GABA支路中碳流量增加，并调节谷氨酸脱羧酶的活性。

目前已开发一些GABA富集产品，比如利用糙米或米糠自身的谷氨酸脱羧酶，提供发挥此酶活性最佳的温度、pH、压力及底物等条件，使发芽糙米或米糠中GABA含量升高。还可利用茶叶、果品、蔬菜、酒糟等植物来生产GABA富集产品。另外，通过遗传和基因工程手段，也可培育高产GABA的作物品种，生产GABA富集产品。

3.4 生物合成方法 GABA的生物合成主要是以谷氨酸或其衍生物（谷氨酸钠，或富含谷氨酸的物质等）为原料，利用微生物发酵制得。具有操作条件温和、成本低、产品含量高的优点，在实际生产中，与化学合成法和分离提取法相比具有很大的优势，但高效的微生物菌种通常较难获得。早先主要利用大肠杆菌作菌种来发酵，但大肠杆菌存在着许多安全方面的隐患，目前发现一些安全性很高的微生物菌种，如乳酸菌、酵母菌以及曲霉菌等也可分泌谷氨酸脱羧酶，因此提高了生物合成GABA产品的安全性。刘清等（2004）得到一株可高产谷氨酸脱羧酶的乳酸菌菌株，在33℃进行发酵培养3 d后，发酵液中GABA含量可达到310 g/L以上，比优化前提高了约4倍。

通常发酵法制备高GABA含量的工艺流程如下：米胚芽提取物→添加碳源和氮源等配制培养基→接种酵母菌或乳酸菌→发酵→过滤→干燥→GABA成品。

4 GABA毒性及安全

关于GABA毒性研究较少。杨海峰等（2008）采用改良寇氏法测定GABA的急性毒性，及剂量递增法测定其蓄积毒性，结果表明，GABA对小鼠的经口LD50为15.55 g/kg，属实际无毒物质，基本无蓄积毒性。GABA作饲料添加剂使用时，在饲料中正常添加量仅为10～100 mg/kg（Fan等，2007；韦习会等，2004）。由于大多数报道生物合成方法制备GABA所用的微生物大都具有潜在的不安全因素，因此选用生物合成的GABA仍然需要注意。

5 小结

随着GABA生理功能研究的不断深入，GABA在畜牧生产中的应用已成为新的研究热点。GABA作为饲料添加剂可以显著提高畜禽的生产性能，因此，加强GABA的安全性能测试及研制开发将丰富饲料添加剂的种类，有益于畜牧业的发展。

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