缬氨酸的功能及应用

【背景及概述】^[1][2][3]

GorupBesanty 于1856 年在胰脏的提取液中首先发现缬氨酸，1901年Fischer 从蛋白质水解物中成功分离缬氨酸。缬氨酸是一种含有五个碳原子的支链非极性α- 氨基酸，其化学名称为α- 氨基-3-甲基丁酸，分子式C₅H₁₁NO₂，分子量117.15。缬氨酸为白色单斜晶系晶体或结晶性粉末，无臭有特殊苦味，熔点315℃，对热、光及空气稳定，易溶于水，几乎不溶于无水乙醇和乙醚，与亮氨酸分离困难。缬氨酸是具有旋光性的化合物，分为L 型和D 型。化学合成的蛋氨酸为L 型。L - 缬氨酸是组成蛋白质的20 种氨基酸中的一种，是哺乳动物的必需氨基酸和生糖氨基酸。一些放线菌素如缬霉素中存在D- 缬氨酸。在动物体内L 型易被肠壁吸收，其生理效果是D型的两倍。缬氨酸也是三种支链氨基酸之一，在人体营养添加剂、饲料添加剂、调味品、医药、农药和保健品等方面有着广泛的应用。

缬氨酸在畜禽生产中的合理添加利用，仍需要在以下几个方面进一步的研究和探讨：①缬氨酸生产工艺的改进与增效。目前来看，缬氨酸已经达到工业化生产，但由于生产工艺等限制，导致缬氨酸市场价格较高，无形中增加了饲料造价成本；②进一步深入研究缬氨酸的营养代谢规律及生理作用机制，为合理利用提供科学的试验依据；③探明缬氨酸与日粮中其他营养成分，动物体内激素之间相互关系；④在畜禽各个生长阶段，饲粮中所需缬氨酸最适宜的添加量及其添加效果，以及在确定的缬氨酸水平下其他营养物质的浓度或水平。

【吸收和代谢】^[1]

缬氨酸进入动物体内，在小肠中通过Na+- 氨基酸-载体复合物迅速主动吸收，吸收部位主要是十二指肠和回肠。在小肠黏膜内不发生代谢转化，而在骨骼肌代谢中，骨骼肌则是支链氨基酸转氨基作用的主要场所。日粮中的缬氨酸经动物采食、消化吸收后，在支链氨基酸转氨酶的作用下以三种支链氨基酸为底物，生成相应的支链酮酸(BCKA) 和谷氨酸(Glu)，Glu 的氨基最终用于合成氨基的载体- 谷氨酰胺。BCKA 主要被转运至肝脏代谢，经历氧化脱羧以及一系列降解过程，最后通过甲基丙二酰CoA 转变成琥酰CoA，进入三羧酸循环，其可转变为草酰乙酸，所以缬氨酸是生糖氨基酸，其在体内主要合成蛋白质并提供机体所需能量，其产物谷氨酰胺和中间产物丙氨酸可以通过丙氨酸- 葡萄糖循环进行糖异生，维持血糖浓度。

【生物学功能及应用】^[1]

1. 对蛋白质代谢的影响：支链氨基酸有促进蛋白质合成并抑制其分解的作用。有研究者认为，支链氨基酸是通过促进多肽链合成的起始来促进蛋白质的合成。支链氨基酸对骨骼肌蛋白质降解没有影响，对骨骼肌以外的蛋白质降解有抑制作用。

2. 对机体能量代谢的影响：缬氨酸在体内除用于合蛋白质外，在特殊生理时期如饥饿、泌乳、运动、疾病还是体内重要的能量来源，尤其是在应激时，支链氨基酸促进了两种重要糖异生氨基酸的利用增加，肝脏糖异生的能量转换加快，血清中丙氨酸和谷氨酸浓度降低，这时补充支链氨基酸可节约肌糖原，使骨骼肌的能量来源持久、运动能力耐久、疲劳时间延长。

3. 对动物生产性能的影响

1）对家禽生产性能的影响：作为动物必需氨基酸之一，是家禽生长和羽毛发育所必需的一种氨基酸。研究表明，在以小麦或大麦为基础的肉鸡日粮中以

及在以玉米为基础的肉鸡日粮中，缬氨酸也是一种限制性氨基酸。

2）对猪生产性能的影响：研究表明，缬氨酸对哺乳母猪十分重要。提高饲料缬氨酸水平可以增加产奶量，提高仔猪窝增重，对断奶仔猪数在10 头以上的母猪效果尤为明显。缬氨酸需要量比饲养标准的推荐量高得多，并与赖氨酸的水平有关。当饲料中的赖氨酸水平超过0.8%时，缬氨酸将成为哺乳母猪饲料的限制性氨基酸。

3）对反刍动物生产性能的影响：缬氨酸是奶牛机体内重要的营养素，与生产性能关系密切。研究证实，缬氨酸在牛机体内的生物学功能和猪的相近，发挥着氧化供能、调节氨基酸与蛋白质代谢、改善泌乳性能与增强免疫力等作用。研究证实，缬氨酸可为牛乳腺组织提供能量，并为非必需氨基酸的合成提供碳和α-氨基氮。此外，有研究报道，生长期肉牛可代谢蛋白质中含有缬氨酸5.7%、异亮氨酸5.6% 和亮氨酸6.9% 时，可满足肉牛的营养需求并取得经济效益。作为支链氨基酸。

4. 对内分泌功能的影响：日粮中缬氨酸的含量还可以影响动物的内分泌水平。研究表明，哺乳母猪和哺乳大鼠日粮中添加缬氨酸可提高血浆中催乳素和生长激素的浓度。研究还证实，日粮中添加缬氨酸显著提高了母猪血清催乳素浓度，并提高了脱脂乳胰岛素浓度和脱脂乳生长激素浓度。

5. 对神经机能的调节作用：缬氨酸在动物神经机能调节上也发挥着重要的作用，在老鼠中的研究还发现，缬氨酸可能与神经活动有密切关系，当缬氨酸不足时，大鼠中枢神经系统功能会发生紊乱，共济失调而出现四肢震颤，体内代谢过程中可因酮酸脱羧酶缺乏而患尿毒症，尿中排除相应的酮酸，多伴有严重的脑部症状，如抽搐等。研究表明，静脉注射1∶1∶1比例混合的支链氨基酸，可以增加小鼠对热刺激的耐受能力，表明支链氨基酸混合物有抗疼痛的特性。

6. 抗肿瘤作用：肿瘤组织细胞和正常组织细胞一样，需要某些大量特定的营养成分以满足快速增长的需求，支链氨基酸对肿瘤细胞生长和分化有重要作用，其中缬氨酸的高摄取是肿瘤氨基酸代谢的特点之一。肿瘤细胞生长需要大量的缬氨酸，限制缬氨酸后引起相对不足可致肿瘤细胞结构蛋白和酶蛋白合成迟滞，能量代谢受阻，三磷酸腺苷缺乏，细胞膜通透性增加，使抗癌药物更易进入细胞，进一步干扰细胞代谢，核酸代谢受阻，DNA 合成障碍。

【制备】^[2]

  支链氨基酸的生产方法主要有提取法、微生物发酵法、酶催化法和化学合成法等，每一种方法都存在优点和缺点。

1. 提取法

提取法即从动物血粉、蚕蛹及毛发等原料进行水解，在从水解液中提取缬氨酸，但存在缬氨酸在总的氨基酸中含量低和不同构型的缬氨酸分离困难的缺点，尽管可以采用离子交换法将其分离，但对于大规模的工业化生产来说，还需要提高离子交换树脂的系统分离效果和产品的分离效率，分离成本很高，故目前生产上较少采用这种方法。

2. 化学合成法

化学合成法有两条合成路线，一是以异丁醛为原料，与氨反应生成氨基异丁醇，然后与氢氰酸合成氨基异丁腈，再水解得DL-缬氨酸，进一步经酶法或化学法拆分得具有光学活性的缬氨酸。

二是以甘氨酸为原料制备缬氨酸，反应过程：

3. 生物发酵法

发酵法是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通过对特定微生物的诱变处理，选育出营养缺陷及氨基酸结构类似物抗性突变株以解除代谢调节中的反馈抑制和反馈阻遏，从而达到过量积累L-缬氨酸的目的。目前，L-缬氨酸产生菌种大多由谷氨酸产生菌黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌诱变选育而来。微生物发酵法具有原料成本低、生产条件温和、发酵产率较高且易于大规模生产等优点，得到的产物主要为L-缬氨酸，无需旋光拆分，目前世界上生产缬氨酸的企业均采用该方法。与国际生产企业相比，国内生产企业存在产酸低、杂酸高、发酵周期长、提取手段落后、产品纯度低和生产过程污染严重等问题。如何有效解决目前存在的问题对国内缬氨酸产业化和促进医药行业的发展有重要的意义。  

【主要参考资料】

[1] 代腊; 邹晓庭. 缬氨酸在畜禽生产中的应用. 饲料与畜牧: 新饲料, 2012, 12: 20-23.

[2] 冉学光; 胡友军; 赖水彬. 缬氨酸在畜禽和水产生产中的研究进展. 广州化工, 2014, 42.21: 29-32.

[3] 惠俊楠, 李晓丽, 成基, & 何万领. (2015). 缬氨酸在畜禽生产中的应用研究进展. 饲料与畜牧: 新饲料, (10), 59-64.