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γ-氨基丁酸在缓解奶牛热应激上的应用前景

2022.04.26

 
 
       γ-氨基丁酸作为机体中一种重要的神经抑制剂,因其具有提高食欲、增强免疫力、缓解热应激等特点,已被广泛应用于食品药品等领域。在我国,奶牛夏季面临严峻的热应激问题,高温严重影响了奶牛正常的生理活动。针对热应激问题,开发具有缓解热应激功能的新型饲料添加剂成为研究热点。目前,γ-氨基丁酸主要应用于畜禽生产,反刍动物的相关研究少有报道。本文对γ-氨基丁酸的生理功能及其在奶牛热应激中的应用进行了综述。
       γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric acid, GABA),又名γ-氨酪酸,在生物界广泛存在。GABA在1949年首先于马铃薯中发现,1950年从哺乳动物体内提取获得,是一种功能性非蛋白质类氨基酸。GABA作为一种化学物质可以被人工合成,1975年正式确认其为哺乳动物中枢神经系统中一种重要的神经抑制剂,并参与生物体内相应的神经生理活动。2009年卫生部批准其为新资源食品,研究表明,GABA具有镇静神经、降血压、促食欲、抗抑郁、提高免疫力等保健功效,目前越来越广泛地被用于食品及医药保健等领域。在畜牧生产中,GABA作为一种功能性非蛋白质类氨基酸饲料添加剂,因其在提高畜禽生产性能、调节激素分泌、增强免疫能力及缓解热应激等方面的积极作用,越来越受到关注。在我国,奶牛养殖业作为畜牧生产的重要组成部分,热应激问题一直是限制奶牛业发展的主要问题。畜牧工作者尝试从营养调控、环境改善等几方面来减少热应激对奶牛造成的影响,但效果不够理想。因此,开发具有缓解热应激功能的添加剂逐渐成为研究重点。

1. GABA的理化性质及制备方法
1.1 GABA的结构和性质
GABA分子式为C4H9NO2,化学名为4-氨基丁酸,相对分子量为103.1,是一种白色结晶粉末,微臭,无旋光性,有潮解性,溶于水,微溶于热乙醇,而不溶于乙醚、冷乙醇、苯等有机溶剂。熔点为202℃,当温度高于熔点时,可分解为水和吡咯烷酮。
1.2 GABA的制备方法
(1)化学合成法,其原理是利用一种或几种化学物质作为原料,通过化学反应得到GABA。化学合成法在实际生产过程中运用到危险有毒试剂,化学反应环境不好,成本高产率低,并且存在化学成分残留,存在安全隐患,不能用于食品、药品等领域。
(2)微生物发酵法,是运用微生物发酵技术,经过筛选得到品种优良、稳定、高产以及无毒无害的菌种,进而生产出稳定的GABA。微生物发酵法对环境的要求比较苛刻,对设备的要求较高。随着微生物发酵技术的开发和应用,乳酸菌、酵母菌等菌种开始代替存在一定安全隐患的大肠杆菌,作为天然的食品添加剂来进行生产。在较低成本的情况下,还具有产量高、高效、安全性好等优势,已经逐渐向产业化生产发展。
(3)植物富集法,是一种新型开发的合成萃取提纯技术,它是将GABA含量较高的植物进行分离提取,获得纯度较高的GABA产品,具有安全、稳定、成本低等优点。

2 GABA缓解热应激的机理分析及效果
2.1 GABA缓解热应激概述
       应激是指机体通过相应的变化来维持自身的稳态,对各种刺激所产生的非特异性反应的总和叫做应激。动物在受到应激时,刺激其肾上腺(HPA)轴活动,加快促肾上腺皮质激素及糖皮质激素的分泌,但长期的应激会导致肾上腺(HPA)轴反应能力降低,机体调控应激的能力减弱。GABA作为一种抑制突触的化学神经抑制剂,可在中枢神经系统内参与机体的抑制性调控。当GABA与相应的受体结合后,神经细胞胞膜的通透性增加,促进氯离子转运,导致细胞超极化,引起突触后抑制作用,减轻机体的应激反应,进而达到了缓解应激的作用。
       热应激是指当外界温度超过动物机体调节自身体温的能力范围时,所造成一系列负面影响的现象。在我国,夏季奶牛的热应激情况严重,热应激会导致奶牛采食、繁殖、生产及免疫性能的下降,有研究表明,当外界温度达到40℃时,奶牛采食量将降低40%,40℃以上时部分奶牛将会停止采食。当机体体温升高时,奶牛通过加快呼吸频率来将热量散发出去,以缓解热应激;当机体自身不能调节热平衡时,其直肠温度和体表温度升高。正常奶牛直肠温度为38℃,呼吸频率小于50次/min。
有研究表明,奶牛热应激期间,直肠温度达41.21℃,呼吸频率平均为86.87次/min。体温和呼吸频率增加,通常奶牛会处于能量负平衡的状态,严重时会引起奶牛死亡,进而导致一定的经济损失。
       高温对奶牛采食的主要影响:温度促使下丘脑的采食中枢对采食有抑制作用;机体产热机能减弱、散热作用加强,皮肤血液循环量增加,肠胃中的血液流量减少,使得食物在肠胃中停留时间增长,从而使得采食量下降;同时,由于温度升高,奶牛饮水量增加,采食量相应减少。由于奶牛采食量下降,无法满足机体营养需要,奶牛的生产性能受到严重影响,导致奶产量下降;奶产量与环境温度呈极度负相关,高温也是导致产奶量下降的原因之一;热应激还抑制了机体甲状腺功能,导致奶牛分泌生长激素减少,造成产奶量下降;同时,热应激致使奶牛乳腺发生损伤,牛奶中营养成分发生相应变化,乳品质降低。
       GABA缓解热应激报道称,人在炎热的环境中休息,口服GABA可使体表温度降低,GABA通过对中枢神经系统及血管运动中枢的调节,有效地调节心血管活动,促进血管的扩张,起到降低血压的功效,减轻热应激对机体造成的损伤;在畜禽生产上,添加GABA可以减轻热应激带来的影响,减轻高温引起的自由基对机体的损害;在奶牛生产中,补充GABA可减轻热应激,同时提高奶牛的干物质采食量和产奶量,并改善牛奶成分。
2.2 GABA可提高动物的采食量
       动物的采食行为极其复杂,受中枢神经系统、消化系统等多因素的影响,目前对于GABA调控食欲的机制尚未完全明确。GABA作为一种重要的神经抑制剂可通过多种方式调节采食,有研究表明,注射GABA受体激动剂可影响动物采食量,说明神经元对GABA的敏感性可能与动物摄食行为的控制有关,一方面协同与促进部分促食欲神经肽的分泌,从而调节食欲,提高采食量;另一方面还会影响动物肠胃消化系统,降低肠胃中感受器的敏感度,减少消化系统对动物采食行为的负反馈调节,从而调节动物的采食量;GABA还参与动物的味觉调节进而影响动物的采食量。采食量是影响动物生长发育的重要因素,有研究称,日粮中添加不同水平的GABA 可以显著提高6-8月龄绵羊的平均日采食,降低料重比,促进动物的生长;在日粮中添加150mg/kg的GABA,肉鸭的日增重显著提高。
2.3 GABA可提高动物的免疫能力
       据报道,热应激会损害奶牛的免疫功能。当发生热应激时,一方面,奶牛血液中γ-球蛋白含量显著降低,导致奶牛免疫力下降;另一方面,奶牛血液中淋巴细胞增殖减弱,导致奶牛免疫力下降;同时,热应激使奶牛的干物质采食量降低,机体对营养物质的代谢发生紊乱,间接地影响机体的免疫机能。GABA从多方面对机体的免疫能力进行调节,有报道称,GABA能够促进免疫系统分泌免疫球蛋白A,从而增强机体的免疫能力;GABA作为机体内最主要的抑制性神经递质,参与影响内分泌系统激素的分泌与释放,如促进生长激素(GH)的分泌,促进抗体的合成,提高动物的免疫能力;此外,GABA通过提高动物的采食量,为机体提供充足的营养物质,使机体免疫功能得到良好的保障。

3 GABA 在奶牛热应激中的应用
       GABA作为生物体内的一种天然非蛋白类氨基酸,是一种新型、高效、绿色、安全的动物饲料添加剂。目前,GABA在解决动物热应激方面的应用广泛,而相比于单胃动物,在反刍动物的应用中,特别是在奶牛热应激中的应用却少有报道。这是由于反刍动物瘤胃的特殊性质,瘤胃中的微生物能够直接降解GABA,使其失去生物学功能。
       目前国内外应用GABA缓解奶牛热应激的研究,大部分是对其进行过瘤胃保护,以保证其在反刍动物体内发挥正常的生理功能。针对氨基酸类饲料进行过瘤胃保护的方法有多种,在奶牛实际生产中,通常采用物理包被的方式进行过瘤胃保护,即选用一些特殊材料对氨基酸进行包被,使氨基酸达到过瘤胃的效果。有关GABA包被材料的研究表明,通过比较未包被GABA、棕榈酸包被GABA、棕榈酸钙包被GABA在瘤胃液中的稳定性,得出棕榈酸包被GABA稳定性高于棕榈酸钙包被GABA;而运用固体棕榈油脂对GABA进行包被的研究称,通过包被,GABA稳定性得到了提高,避免了GABA在瘤胃中降解,保证GABA在真胃中有效释放。
       大量研究表明,在炎热的环境下,饲喂包被GABA能够起到缓解奶牛热应激的作用。而关于GABA的最佳饲喂量,各类研究报道却不一致。有研究表明,直接饲喂高水平浓度GABA,对牛采食量无显著影响;Wang等针对不同生理阶段奶牛进行研究表明,日粮中添加经瘤胃保护的GABA可提高奶牛的采食量、乳中乳蛋白的含量,围产期奶牛GABA适宜添加量为1.2g/d,泌乳盛期奶牛GABA适宜添加量为0.6g/d;徐同锏研究表明,饲喂包被GABA能够从激素水平上缓解热应激,GABA参与机体神经内分泌系统调控,促进乳腺发育与泌乳,增强奶牛泌乳性能,提高奶产量,其最优饲喂添加量为15g/d;Cheng等研究表明热应激奶牛饲喂经瘤胃保护的GABA可减轻热应激,日粮中添加GABA的最佳水平为40mg/kg;钟刚研究表明,饲喂包被GABA可以增强奶牛的免疫功能和抗氧化能力,保持内分泌稳定。

4 小结
       目前,GABA 在奶牛抗热应激应用中还存在着一些不足之处。一方面,针对缓解奶牛热应激,如何确定GABA在饲料中的适宜添加量,当剂量过高时,在动物体内是否安全,目前还没有明确的标准,这需要根据奶牛不同的生理情况和外界因素,进行大量的相关研究。另一方面,GABA在奶牛生产应用中存在不稳定性,这还需要进一步的研究,目前只能通过包被等处理方法来保证GABA的稳定。随着GABA的相关研究发展及其生产成本的降低,其在奶牛抗热应激中必将发挥更大的作用。
 
 
 
 
γ-氨基丁酸在缓解奶牛热应激上的应用前景