甜菜碱（betaine），亦称为三甲胺乙内酯，分子式为C5H12NO2，分子量为117.15，是一种可以调节生物体内部环境、增强机体活性的天然物质。甜菜碱因首次从甜菜根汁液中被发现而得名，随后被发现广泛分布于许多微生物、海洋无脊椎动物、植物和动物中。甜菜碱呈白色棱粒状或叶片状结晶，具甜味，易潮解，能溶于水及醇，微溶于醚，熔点为293℃。自然界中的动物对甜菜碱的合成方式主要是由酶所催化的两步不可逆氧化过程而来的。第一步，肝脏或肾脏中的胆碱在胆碱脱氢酶的催化下氧化成中间产物甜菜碱醛；第二步，在NAD+的参与下，胞质或线粒体中的甜菜碱醛在甜菜碱醛脱氢酶的催化下氧化成甜菜碱。甜菜碱因其对机体和环境无毒、无害、无污染，而在食品、畜牧、医药、日化领域中被广泛应用。特别是，随着对其在动物营养领域的持续开发，学者们不仅发现了甜菜碱的独特诱食效果，更深入发掘了甜菜碱的多种生物活性，包括甲基供体、调节脂质代谢、促进生长、改善胴体组成、提高肉品质、抗氧化、抗应激、肝脏和神经保护以及维护维生素预混料稳定等[1, 2]。
图1 甜菜碱结构
3.1甜菜碱是机体内的关键甲基供体
甲基是机体内脂肪和蛋白质代谢所必须的重要基团，却无法由自身合成，只能依赖于外部供给（主要由饲料提供）。因此，饲料中常添加胆碱、蛋氨酸和甜菜碱等来作为甲基供体以满足动物的日常需求。然而，胆碱仅有被转运至线粒体中进一步转化为甜菜碱方可提供甲基，而这一进程不但受到镍、钴、和铁离子的抑制，也需维生素B12和核黄素的参与，进而导致其转化率较低，因此不能作为机体内的有效甲基供体。尽管蛋氨酸可以直接为生物体提供活化的甲基，但因其造价高且添加量受限，故应用并不广泛。此外，蛋氨酸仅有1个非稳态甲基，而甜菜碱则有3个非稳态甲基，是上述3种添加剂中最有效的、最经济的甲基供体。同时，甜菜碱亦可在甜菜碱高半胱氨酸甲基转移酶（betaine homocysteine methyltransferase，BHMT）催化下，将甲基转移至高半胱氨酸以合成蛋氨酸，随即蛋氨酸进一步转化为S-腺苷蛋氨酸，从而为机体内甲基化产物的合成直接提供甲基。有报道表明猪饲粮中添加甜菜碱能显著提高肝脏中BHMT活性和血液中蛋氨酸含量。值得注意的是，当添加低剂量的甜菜碱时，机体内甲基供给有限，肝脏通过增加BHMT活性而不影响胱硫醚β合酶（cystathionine beta synthase，CβS），以甜菜碱为底物增加高半胱氨酸—蛋氨酸的循环次数，为机体物质代谢提供充分的甲基；当添加高剂量的甜菜碱时，一方面肝脏BHMT活性提高，为甲基受体提供甲基，另一方面CβS活性提高，使大部分高半胱氨酸通过转硫途径形成胱硫醚，从而使机体甲基代谢途径处于稳定的动态平衡[3]。因此，甜菜碱作为饲料添加剂具有提供甲基供体功能，可节省部分蛋氨酸。
3.2甜菜碱是机体内脂质代谢的调节剂
甜菜碱调节脂质代谢的机制可简单分为参与脂肪的合成、分解以及脂质转运[4]。有研究表明甜菜碱可通过加速脂肪酸氧化分解并抑制脂质合成，其通过增加BHMT浓度激活肝脏AMP依赖的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）。而AMPK信号通路的激活抑制乙酰辅酶A羧化酶（Acetyl CoA carboxylase，ACC）、脂肪酸合成酶（fatty acid synthetase，FAS）和甘油-3-磷酸酰基转移酶（glycerol-3-phosphate acyltransferase，GPAT）的表达，增强肉毒碱棕榈酰基转移酶（carnitine palmitoyltransferase 1，CPT1）的活性[5]。同时，AMPK抑制固醇调节元件结合蛋白-1c（sterol regulatory element-binding protein，SREBP-1c）和碳水化合物反应原件结合蛋白（carbohydrate response element binding protein，ChREBP）基因转录的激活[6]。同时，甜菜碱也可促进三羧酸循环，进而提高肝脏及肌细胞中线粒体含量及活性等增强脂肪酸氧化分解。此外，甜菜碱还可调节脂质转运。一方面，其通过AMPK的激活提高过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子1ɑ（peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator 1 alpha，PPARgC1）活性，从而促进载脂蛋白B（apolipoprotein B，ApoB）分泌；另一方面，甜菜碱调节磷脂酰胆碱（phosphatidyl cholines，PC）合成途径[7]。
3.3甜菜碱具有抗氧化、抗应激作用
甜菜碱具备抗氧化活性，其抗氧化机制可分为激活抗氧化信号通路，调节相关酶水平、清除或抑制活性氧（reactive oxygen species，ROS）和调节机体渗透压三个方面[8]。有研究表明，经250 μmol/L甜菜碱处理后，激活细胞内核因子E2相关因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2）-Kelch样ECH关联蛋白1（Kelch like ECH associated protein 1，Keap1）-抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）通路进而上调谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）等抗氧化酶的mRNA水平。甜菜碱主要通过三种方式调节ROS水平，分别为诱导相关因子表达、形成保护膜和 调节含硫氨基酸代谢。在斑马鱼中，甜菜碱可通过诱导 Wnt10b 抑 制 GSK-3β 的 表 达， 刺激Wnt/β-catenin 信号通路提高抗氧化相关酶活性，清除ROS；甜菜碱可在红细胞周围形成电负性的外表面，构成一个保护膜，从而防止自由基与细胞膜接触并抑制ROS产生；甜菜碱可通过甲硫氨-同型半胱氨酸循环增加S-腺苷甲硫氨酸和甲硫氨酸的水平，蛋氨酸亚砜还原酶去还原已经被ROS氧化的蛋白质中的甲硫氨酸，从而清除ROS。甜菜碱作为双极性的季氨盐类化合物，具有类似电解质的特性，可调节机体渗透压。在 高渗透作用下，甜菜碱可以促进Na+依赖甜菜碱 转运，从而保护细胞与酶的结构和功能，增强抗氧化相关酶的稳定性。
同时，甜菜碱也具有显著的抗应激作用。有研究表明肉雏鸡饲粮中添加不同剂量的甜菜碱，均可显著提高肉雏鸡的免疫应答能力，减轻接种疫苗的体温反应，并随添加剂量的增加呈增强趋势。甜菜碱是渗透压激变的缓冲物质。当细胞外界渗透压发生激变时，细胞可从外界吸收甜菜碱，以维持正常的渗透压平衡、同时防止细胞中水分流出和盐类的侵入，维持肠道有益菌群的主导地位，保护消化道内源性消化酶的正常分泌及其活力的稳定，进而提高了饲料养分的消化利用率[9]。此外，甜菜碱能提高细胞膜的钾-钠泵功能，可保证肠道黏膜细胞的正常功能和对营养物质的吸收。甜菜碱的这种对渗透压激变的缓冲 作用对维持应激状态下正常的生理功能有重要作用。有研究证明配合料添加甜菜碱2g/kg 能减少仔猪因断奶而造成的应激反应，提高断奶期仔猪的采食量和生长速度。
3.4甜菜碱具有诱食作用，可改善饲料适口性
甜菜碱属于季胺型生物碱，具有甜味和鱼虾敏感的鲜味，能刺激水产动物的嗅觉和味觉，是水产动 物诱食剂的主要成分。研究表明甜菜碱能缩短淡水虾、鲤鱼、龙虾等采食时间，增加采食量，加速鱼虾的生长，引诱率很高，达50%以上。有研究表明日粮添加甜菜碱明显提高了断奶仔猪的采食量。但是，甜菜碱对猪采食量的影响也不尽相同，这可能与日粮营养水平（如能量、蛋白质、氨基酸、胆碱）、甜菜碱的添加量和饲喂持续时间长短以及试验猪的品种、性别、生长阶段、饲养管理等多种因素有关。
3.5甜菜碱可维持维生素的稳定性
维生素是动物必需的营养性添加剂，多中维生素的稳定性较差，易受光热及湿的影响，并随着时间的推移而损失。同时，在饲料及预混合饲料的生产、运输和贮存过程中都会使维生素的生物学效价降低。另外，添加剂中的氯化胆碱吸湿性大，易使饲料中的维生素不稳定，是破坏饲料中维生素主要因素之一。而使用甜菜碱则可维持维生素的稳定性，甜菜碱为两性化合物，在水溶液中呈中性，具有很强的抗氧化性，能在饲料的加工与贮存过程中对维生素（如A、D、E、K）有保护作用，保证其生物学效价的发挥。例如，饲料中添加甜菜碱可显著提高维生素（A，B1，K）稳定性，且随温度的升高，作用效果越显著。
3.6甜菜碱在动物养殖中的应用
3.6.1甜菜碱对生长性能的影响
多项研究表明饲粮中添加甜菜碱可调控生长轴（下丘脑-垂体 -肝脏），从而影响激素合成和分泌来改善动物的生长性能[10]。目前，日粮添加甜菜碱对肥育猪、生长猪、断奶仔猪生长性能的影响已经被证实。例如，添加1000、1250、1500、1750 mg/kg甜菜碱均提高了肥育猪的日增重，其中1750 mg/kg效果最显著；甜菜碱对生长猪促生长效果较好的添加剂量l000 mg/kg；而对于断奶仔猪，甜菜碱促生长效果较好的添加剂量则为 800 mg/kg。此外，饲粮中添加不同水平的甜菜碱母猪窝产活仔数和平均出生窝重分别提高[11]。
3.6.2甜菜碱对胴体品质的影响
甜菜碱通过促进蛋白质合成，并且促进脂肪代谢和抑制脂肪沉积，以提高胴体瘦肉率，使背膘厚降低[12]。例如，有研究表明饲粮中添加1250 mg/kg甜菜碱极显著地提高肥育猪生长速度和饲料转化效率，并降低背膘厚度[13]。再比如，1000 mg/kg甜菜碱使试验组猪的胴体瘦肉率和肌内脂肪含量显著提高，对屠宰率无显著影响[14]。尽管甜菜碱可提高肥育猪屠宰率、眼肌面积、胴体瘦肉率，降低背膘厚和胴体脂肪率，但其添加效果与日粮营养水平、添加剂量和饲喂时间长短以及试验猪的品种、性别、生长阶段、饲养管理等密切相关，需要区分。
3.6.3甜菜碱对肌肉肉质的影响
肉质是指与鲜肉和加工肉的外观、适口性和营养价值等有关理化性质的综合，包括感官品质、深加工品质、营养价值和卫生质量四个方面。评定肉质的主要指标为肉色、pH 值、系水力、滴水损失、大理石纹评分、肌内脂肪含量、风味、嫩度、多汁性。有报道称，添加1250 mg/kg甜菜碱可降低肥育猪肉色泽评分，但对大理石纹评分、硬度、湿度无显著影响[15]。而另一项研究则表明在饲料中添加1000 mg/kg甜菜碱，可使肥育猪背最长肌中肌内脂肪含量、肌肉大理石纹评分和粗脂肪含量显著提高。
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