甜菜碱学名为三甲基甘氨酸，广泛存在于哺乳动物、禽类与植物的根、茎、叶中，是一种能够调节生物体内部环境、增强机体活性的天然物质[1]。甜菜碱在动物体内主要以转甲基供体的形式调节机体营养物质的代谢[2]，维持机体功能的正常运转与能量消耗。植物则利用甜菜碱调节内外环境变化造成的影响，防止因外部环境突变对植物体细胞造成不可逆损伤[3]。研究表明，人体每增加100 mg/d的甜菜碱摄入量可降低自身11%的癌症发病率[4]。甜菜碱能够提高动物适口性、平均日增重和脂肪质量[5]，在动物生产领域具有巨大的应用潜力。目前，关于甜菜碱的生物功能以及动物生产中的作用研究较多。文章综述了甜菜碱的生物学功能与药理作用及其在动物生产中，以期为甜菜碱进一步在动物生产中的合理应用提供参考。1甜菜碱的理化性质与合成途径1.1理化性质三甲基甘氨酸是一种季铵型生物碱，呈白色，为鳞状或棱状结晶粉末，具有轻微特征气味（甜味），分子式为C5H11NO2，分子量117.15，解离常数值为2.23，性质稳定且易溶于水（20 ℃，160 g/200 g)，于293 ℃下仍不被分解。1.2合成途径自然界中的生物对甜菜碱的合成方式主要是利用酶的催化。动物先通过胆碱脱氢酶（CDH）催化胆碱得到中间产物甜菜碱醛，并通过甜菜碱醛脱氢酶对甜菜碱醛进行催化，最终得到甜菜碱。甜菜碱在动物体内的合成方式见图1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.21.031.F001图1甜菜碱在动物体内的合成方式植物在对胆碱进行催化时，采用胆碱单加氧酶（CMO）通过催化氧分子的一个氧原子的方式生成甜菜碱醛。甜菜碱在植物体内的合成方式见图2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.21.031.F002图2甜菜碱在植物体内的合成方式微生物一般通过CDH进行两次催化从而直接得到甜菜碱，部分细菌与真菌则只能使用胆碱氧化酶（COD）在氧气存在下直接催化胆碱的4个电子，借助氧气作为主要电子受体氧化生成甜菜碱，同时产生甜菜碱醛。甜菜碱在部分细菌与真菌中的合成方式见图3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.21.031.F003图3甜菜碱在部分细菌与真菌中的合成方式2甜菜碱的生物功能2.1转甲基功能甜菜碱作为甲基供体可以避免因蛋氨酸缺乏而无法调控基因组的甲基化、DNA稳定以及基因的转录，从而降低因不完全甲基化导致的疾病（如癌症、脂肪肝）发生概率[6-8]。Pauwels等[9]采用焦磷酸测序法，研究孕妇摄入甜菜碱对婴儿DNA甲基化的影响，发现孕妇孕前摄入甜菜碱量与婴儿口腔上皮细胞中类视黄醇X受体（RXRA）甲基化程度呈正相关，表明孕妇膳食中补充甜菜碱可影响婴儿DNA甲基化基因的代谢、生长。Zhao等[10]研究产前摄入甜菜碱（1%）对子代胆固醇代谢的影响，结果发现，子代大鼠肝脏中总胆固醇的含量增长至2.08 mg/g，甘油三酯含量显著升高，表明母体摄入甜菜碱使子代肝脏胆固醇含量增加，并伴有胆固醇代谢基因的改变和高甲基化。Shu等[11]在研究母体膳食甜菜碱对IGF-2基因的影响时，发现甜菜碱可显著上调子代大鼠肝脏IGF-2 mRNA和蛋白表达，并伴有肝脏IGF-2免疫反应性增强和血清IGF-2水平升高，表明母系甜菜碱以稳定的有丝分裂方式修饰IGF-2/H19印迹控制区的DNA甲基化，与激活子代大鼠肝脏IGF-2表达有关。2.2调节渗透压甜菜碱对动植物体内细胞的渗透压具有调节作用[12-13]，其抵抗机理为：细胞吸收甜菜碱降低细胞渗透势，维持渗透压平衡，降低水分与盐分的流失，防止细胞因环境剧变而损坏。Pukale等[14]通过脊髓空洞症（SM）模型大鼠研究甜菜碱的伴生溶质载体甜菜碱/γ-氨基丁酸转运体1（BGT1）在SM中的生物学功能，结果发现，小鼠体外系统的星形胶质细胞在高渗条件下通过BGT1摄取甜菜碱从而调节细胞大小，揭示甜菜碱与BGT1在SM中的渗透调节作用。Adamczak等[15]模拟了模型人体所含的蛋白（Trp-cage）在稳定（甜菜碱）渗透剂存在下的热变性，发现甜菜碱通过增加Trp-cage的折叠自由能，从而保护人体中蛋白质免受温度引起的变性，有助于稳定细胞蛋白自然状态。Knight等[16]分析了在等渗和高渗条件下用1.5和3.0 mmol/L甜菜碱（生理相关浓度）培养的C57BL/6近交系小鼠脑部海马体组织切片，发现细胞内甜菜碱积累浓度比细胞外浓度高出近4倍。此外，甜菜碱的吸收也优于神经组织中发现的其他主要渗透剂，验证了甜菜碱在高度兴奋下导致渗透应激的保护作用。2.3调节脂肪代谢甜菜碱通过参与脂肪的合成、分解以及转运调控生物体的脂肪代谢，降低脂质沉积[17-18]，从而抑制因脂肪堆积过多造成的如肥胖症、脂肪肝等疾病。Wu等[19]研究甜菜碱对成脂分化小鼠成肌细胞脂质积累的影响，发现甜菜碱通过抑制细胞外调节蛋白激酶1/2信号通路促进过氧化物酶体增殖物激活受体γ表达和脂质积累，表明甜菜碱能够通过调控成脂分化骨骼肌细胞的脂质代谢，为调控肌肉脂质积累提供途径。Huang等[20]通过整合mRNA测序和核糖体足迹分析发现，甜菜碱缓解高脂肪饮食引起的肝脏脂代谢紊乱的机制，发现甜菜碱通过上调脂肪酸氧化、脂质氧化和脂肪酸分解的过程抑制肝脏脂肪变性，表明甜菜碱具有缓解脂质代谢障碍的功能。Yang等[21]采用酶联免疫法探究甜菜碱对酒精性脂肪肝及肝脂代谢紊乱的影响，发现甜菜碱减弱乙醇诱导小鼠的肝细胞超微结构改变趋势，控制因乙醇诱导引起的甘油三酯、总胆固醇等肝脏脂肪含量指标的增加，表明甜菜碱可改善肝脏脂质代谢，从而减轻酒精性脂肪肝病症。2.4抗氧化及免疫功能甜菜碱通过提高内源性非酶抗氧化防御、增加酶的稳定性等方式改善环境等因素引起的氧化应激[22]；甜菜碱能够通过改善系统免疫力，降低免疫类疾病的发病率。Kheradmand等[23]通过研究甜菜碱对镉诱导的大鼠睾丸氧化应激及病理变化的抗氧化作用，发现镉（Cad）组的硫代巴比妥酸浓度（TBARS作为脂质过氧化标志物）在Cad毒性作用时均显著升高，Cad+甜菜碱与Cad对照组相比，TBARS浓度降低，表明甜菜碱具有一定的抗氧化活性，并且对小鼠睾丸氧化应激的病理起到改善作用。Jorgačević等[24]研究甜菜碱（2%）在硫代乙酰胺（TAA）诱导的中毒性小鼠肾脏中的巨噬细胞迁移抑制因子（MIF）氧化应激的调节作用时，发现甜菜碱增加了超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性以及谷胱甘肽（GSH）含量，表明甜菜碱可增加肾细胞的抗氧化能力，缓解MIF的肾毒性作用。Yang等[25]研究甜菜碱对多发性硬化（MS）在内的多种自身免疫性疾病中的作用时，发现对患有自身免疫性疾病脑脊髓炎（一种广泛使用的MS小鼠模型）的小鼠投入甜菜碱时，可显著降低小鼠外周免疫系统和中枢神经系统中Th17细胞（MS进展的主要致病效应细胞之一）的比例，表明甜菜碱通过抑制Th17分化调节系统免疫，有利于改善MS的发病率。2.5其他功能甜菜碱还能够改善肠道功能，提高胰岛素抵抗性[26]，减少缺乏维生素而造成的肝脏脂肪的过量积累，在重塑线粒体动力学中甜菜碱可增长线粒体功能和细胞活力。Wang等[27]研究甜菜碱对高盐应激大鼠肠道功能的影响，发现甜菜碱显著提高小肠肠管内容物中淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶和糜蛋白酶的活性，并抵消高盐胁迫所降低的肠道菌群多样性，表明甜菜碱通过增强高盐应激大鼠的消化酶、改善肠道形态和丰富肠道菌群改善肠道功能。Gao等[28]研究甜菜碱能否通过诱导的炎症分子调控炎症小体（NLRP3）改善胰岛素抵抗，结果表明，甜菜碱降低了NLRP3炎症小体基因的激活，从而抑制了肝细胞中反应性物种（RS）的产生。Kitagawa等[29]探究在饲料中添加甜菜碱对改善大鼠肝脏中维生素B6缺乏引起的脂质积累的效果，发现补充甜菜碱后Wistar大鼠恢复了维生素B6缺乏引起的肝脏微粒体甲硫氨酸代谢和磷脂酰胆碱（PC）/磷脂酰乙醇胺比值（PE）的中断，结果显示，胆碱和甜菜碱通过恢复PE来源的PC供应，进而恢复蛋氨酸代谢和极低密度脂蛋白的分泌，改善维生素B6缺乏引起的肝脏脂质积累。Kim[30]研究发现，甜菜碱可增加线粒体融合和提高细胞存活率增强线粒体功能，表明甜菜碱在重塑线粒体动力学中发挥重要作用，可以提高线粒体功能和细胞活力。3甜菜碱的药理活性关于甜菜碱的药理作用及机制的研究较多，主要包括：降低酒精性脂肪肝与其他类脂肪肝的发病率，或通过阻断白细胞介素、诱生型一氧化氮合成酶等炎症因子的表达；另可使致癌物失活、抑制癌细胞增殖、生成和转移。Varatharajalu等[31]对高脂肪醇喂食的雌性鼠（130~150 g）补充为期8周的甜菜碱（10 g/L），发现补充甜菜碱可削弱肝脏促炎细胞因子和肝损伤标志物的增势，表明甜菜碱能够明显减弱乙醇对脂肪肝和脂肪性肝炎的影响。Veskovic等[32]发现，膳食补充1.5%甜菜碱能够降低C57BL/6小鼠肝脏氧化应激、炎症和细胞凋亡水平，增加小鼠肝脏中自噬体的数量，从而干预蛋氨酸-胆碱缺乏饮食诱导的非酒精性脂肪肝，促进抗炎细胞因子的释放。Kar等[33]研究甜菜、碱对人前列腺细胞（DU-145）的影响，发现投入不同浓度甜菜碱（0~150 g/L）对DU-145细胞的氧化应激、炎症反应、细胞生长抑制、凋亡和形态学改变均呈剂量依赖性，可在前列腺癌治疗中作为一种剂量依赖性的生物反应调节剂。Karunamuni等[34]建立鸟类胚胎模型模拟酗酒状态，研究甜菜碱酒能否抑制酒精对心脏的影响，通过对胚胎投入甜菜碱并在发育后期进行分析，发现添加甜菜碱的胚胎后期成活率更高，心脏缺陷率（如血管缺失、房室瓣膜异常和心室肥厚）更低，表明甜菜碱在缓解产前酒精接触的相关心脏缺陷的疗效具有优异性。Sun等[35]研究发现，使用200 μg/kg甜菜碱干预可使阿尔茨海默病患者血液中的同型半胱氨酸恢复到正常水平，增加记忆相关蛋白表达。4甜菜碱在动物生产中的应用4.1甜菜碱在猪生产中的应用在猪饲料中添加甜菜碱可以提高猪的生长性能、繁殖性能，降低脂肪酸含量，重新分配体脂[36]，提高抗氧化能力。Yu等[37]研究饲粮中不同水平甜菜碱（0、1 000、1 500和2 000 mg/kg）对猪生长发育的影响，发现1 000、1 500 mg/kg甜菜碱组猪的平均日增重分别提高了13.20%和9.28%，料重比分别降低了7.93%和6.55%，表明在饲粮中投入甜菜碱可改善猪的生长性能。Mendoza等[38]探究饲粮中添加天然甜菜碱对母猪繁殖性能的影响，发现夏季哺乳期间母猪补充甜菜碱，提高了母猪的产仔数，断奶后饲喂甜菜碱可降低断奶至发情的时间间隔和产仔率，表明饲粮中投喂甜菜碱提高夏季哺乳期母猪的繁殖性能。Li等[39]探究甜菜碱对育肥猪肌肉脂质代谢影响时发现，添加甜菜碱可提高脂蛋白脂肪酶、脂肪酸转位酶分化簇、脂肪酸结合蛋白和脂肪酸转运蛋白的表达量，从而增加肌肉中游离脂肪酸浓度与肌肉总胆固醇含量，表明饲料中加入甜菜碱可调控猪脂肪酸代谢并上调脂肪酸转运和脂肪酸氧化相关基因。Chen等[40]研究饲粮中添加甜菜碱（1.0、1.5 g/kg）对育肥猪抗氧化能力的影响时发现，两种甜菜碱水平均可显著增加腰、大腿肌肉总超氧化物歧化酶活性，表明甜菜碱有利于改善机体法人抗氧化能力。4.2甜菜碱在牛生产中的应用在牛饲料中投入甜菜碱可提高牛的饲料转化、生产性能、生长性能，节约蛋氨酸以提高蛋白质的利用效果。Wang等[41]研究了甜菜碱对公牛生长性能、营养物质消化和血液代谢产物的影响，结果表明，在添加甜菜碱（0.6g/kg）后瘤胃总挥发性脂肪酸含量提高12.6%，表明甜菜碱能增强瘤胃液中微生物功能，促进瘤胃发酵，有利于饲料转化。Wang等[42]研究饲粮中添加保护性甜菜碱（RPB）替代蛋氨酸对泌乳中期奶牛泌乳性能的影响，发现饲喂RPB的奶牛产奶量和乳蛋白含量提高，且RPB组代谢物主要集中在精氨酸合成、脯氨酸降解和氰氨基酸合成等6个途径，结果表明在蛋氨酸适度缺乏饲粮条件下，RPB能够节约蛋氨酸，提高奶牛泌乳性能。Dunshea等[43]研究在夏季添加甜菜碱能否提高放牧奶牛的产奶量，发现添加甜菜碱使平均日产奶量提高了6%，增加牛奶蛋白产量和脂肪产量，表明饲粮中添加甜菜碱可提高放牧奶牛夏季产奶量和乳成分含量。Preeti等[44]探讨添加甜菜碱对18头年龄和身体状况相近的卡兰Fries育成母牛生长性能的影响，发现饲粮中添加甜菜碱可显著提高各季节干物质采食量、饲料转化率、增重、血浆生长激素和总胰岛素样生长因子1的水平，表明甜菜碱可以保护牛肠道的完整性，提高热应激期间营养物质的利用率，改善生长期小母牛的生长性能。4.3甜菜碱在羊生产中的应用甜菜碱作为羊饲料添加剂可提高羊的生长性能，降低热应激条件下的生理反应，改善羊肉品质，提升羊毛的产率。刘运辉等[45]对湖羊投喂甜菜碱与酿酒酵母饲料添加剂，发现3组湖羊平均日增重均高于对照组，3个试验组的料重比（F/G）分别显著降低12.01%、8.75%和11.71%。Dong等[46]研究甜菜碱对羔羊的肉品质的影响时，发现添加甜菜碱降低了背最长肌（LD）中饱和脂肪酸含量，提高了羔羊LD中总游离氨基酸和风味氨基酸含量。Kristy等[47]探究甜菜碱对热暴露导致美利奴母羊生产性能下降的缓解机制时，发现添加2 g/L甜菜碱能够使母羊血浆中游离脂肪酸浓度降低约25 μmol/L，表明甜菜碱可改善热应激母羊的典型生理反应。Tsiplakou等[48]研究饲粮中添加过瘤胃蛋氨酸或与过瘤胃胆碱和甜菜碱联合添加对围产期母羊产奶量的影响，发现联合添加投喂显著提高了母羊的乳脂含量（11.2%），且母羊羔羊的生长速度提高20%。Nezamidoust等[49]研究甜菜碱和无机硫补充剂能否提供甲基和含硫氨基酸，以改善母羊和羔羊的生长性能和羊毛产量，发现甜菜碱与硫酸盐联合使用可增加母羊干物质采食量，提高羊毛生长率、羊毛产量、短纤长度和羊毛含硫浓度，降低羊毛蜡和羊毛黄度，表明甜菜碱与硫酸盐的联合使用在提高羊生长性能的同时，也提高副产物羊毛的产率。4.4甜菜碱在其他哺乳动物中的应用甜菜碱对猫、犬等动物具有抑制疾病、改善体内脂肪酸含量的功能。Hall等[50]评估饲喂甜菜碱和益生元对慢性肾病（CKD）猫和健康猫体重的联合影响，发现联合投喂的CKD猫尿液中细菌代谢产生的吲哚化合物减少，粪便中产生的吲哚化合物增加，血浆浓度与肾功能水平呈负相关，表明甜菜碱与益生元联合使用可通过增强一碳代谢和调节肠道微生物群而减弱猫因CKD造成的体重降低。Jewell等[51]探究甜菜碱和n-3多不饱和脂肪酸在犬食用食物中的相互作用，发现饲粮中添加甜菜碱增加了单碳代谢物，减少了外源性物质，增加了二十碳五烯酸的产量，有利于犬类增强n-3脂肪酸的正向免疫调节作用。4.5甜菜碱在水生动物养殖中的应用甜菜碱可提高鱼类生长性能与抗氧化能力、缓解脂肪沉积、降低炎症反应。Adjoumani等[52]研究发现，在高饱和膳食中添加1.2%甜菜碱可提高钝口鲷的生长性能和抗氧化能力，降低脂肪酸合成，增强线粒体-氧化和脂质运输，从而通过改善脂质代谢，有效减轻肝脏脂肪堆积。Pinedo-Gil等[53]在虹鳟鱼饵料中添加0.9%甜菜碱可提高鱼的末重，对虹鳟鱼存活率无不良影响，鱼的质地和色泽均优于对照组，且对脂质氧化有剂量依赖性。甜菜碱能够增加鱼类摄食量，显著提高鱼的生长性能。Jin等[54]探讨甜菜碱对高脂饵料饲喂的黑鱼幼鱼（8.39±0.01）g脂质代谢和炎症的调节机制，发现甜菜碱能够促进沉默信息调控因子1（Sirt1）的mRNA表达和蛋白表达水平，上调脂质过氧化物酶体增殖物激活受体α的mRNA表达和蛋白含量，表明食用甜菜碱可以通过调节Sirt1/Srebp-1/Ppara通路，作为一种有效的饵料添加剂缓解高脂肪饵料喂养的黑鱼肝脏脂肪变性和炎症反应。5展望甜菜碱具有调节渗透压、调节脂肪代谢等生物活性。甜菜碱对禽畜类的生长性能、繁殖性能、疾病防治以及肉质改良等均具有较好的效果。目前，还需要从以下几个方面继续深入研究甜菜碱：第一，提取率研究。甜菜碱在甜菜根中含量较高，但提取量相对总量较低，且关于影响甜菜碱提取率的不同因素的应对办法的研究较少，甜菜碱在提取分离、加工制备过程中的稳定性保护措施仍需深入研究。第二，不同植物中甜菜碱研究。现阶段研究所用甜菜碱主要是从甜菜中提取，但甜菜碱在不同种属天然植物中的对比研究少有报道，如甜菜碱含量的对比以及植物体内生物合成路径等研究均有待进一步探索。第三，药理作用机制研究。甜菜碱新的药理作用被不断发现，但多数报道均为初步的作用效果，而其作用机理并未深入研究。第四，结构修饰研究。目前研究均以甜菜碱甲基作为切入点，进行甜菜碱结构改造及类似物合成，未来应继续探索不同结构对甜菜碱生物生产或工业生产的影响。随着研究不断深入，甜菜碱在动物生产中具有广泛的应用前景。