林芷昕 謝秋萍 王長康 高玉云*

(1.福建農(nóng)林大學動物科學學院，福州 350002；2.福建省綠色食品發(fā)展中心，福州 350003)

N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine，NAC)是半胱氨酸的N-乙酰衍生物，也為內(nèi)源性抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)的前體物質(zhì)[1-2],存在于青蔥、大蒜、韭菜、洋蔥等蔥屬植物中，尤其在洋蔥中含量較高(每千克含45 mg NAC)。自20世紀60年代以來，因其能夠促進黏液高分子質(zhì)量糖蛋白中二硫鍵的斷裂，促使黏液黏度降低，NAC被廣泛認為是一種優(yōu)秀的黏液溶解劑，并用于治療慢性阻塞性肺病、囊性纖維腫等各種呼吸道疾病[3]。20世紀70年代以后，研究發(fā)現(xiàn)，NAC具有良好的抗氧化和清除自由基的特性，在臨床上可作為治療乙酰氨基酚過量的解毒劑[4]。此外，NAC還具有良好的安全特性，據(jù)臨床研究報道，每天口服使用8 000 mg NAC不會使人體產(chǎn)生顯著不良反應(yīng)[5]，這為其作為畜禽飼料添加劑的安全性提供了可靠的數(shù)據(jù)。如今，在全面“禁抗”的大背景下，中草藥制劑和其他功能性飼料添加劑在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用成為新的研究熱點。許多學者發(fā)現(xiàn)，NAC在維護畜禽腸道健康[6]、緩解機體氧化應(yīng)激[7]、提高畜禽繁殖性能[8]等方面具有潛在作用。因此，本文就國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)了NAC的生理功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用，以期為NAC在畜禽生產(chǎn)實踐方面提供理論依據(jù)，為NAC作為新型飼料添加劑提供參考。

1 NAC的分子結(jié)構(gòu)特性、理化特性及生產(chǎn)方式

1.1 NAC的分子結(jié)構(gòu)特性及理化特性

NAC是分子式為C5H9NO3S的白色結(jié)晶性粉末，化學結(jié)構(gòu)包括巰基(—SH)、羧基(—COOH)以及與氨基(—NH2)連接的乙?；?—COCH3)，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。NAC易溶于水和乙醇，熔點為109～111 ℃，相對分子質(zhì)量為163.20，pKa=3.24，是一種弱有機酸，有類似蒜的臭氣，味酸，有吸濕性。NAC是內(nèi)源性氨基酸半胱氨酸的N-乙酰衍生物，乙?；蛊淇寡趸愿€(wěn)定，結(jié)構(gòu)中含有活躍的巰基，可作為細胞內(nèi)的巰基供體。

圖1 NAC的結(jié)構(gòu)

1.2 NAC的合成方式

NAC一般通過化學合成的方式進行工業(yè)化生產(chǎn)，以L-胱氨酸作為底物，打開其雙硫鍵對其氨基進行乙?；譃檫€原和乙?；?個步驟，根據(jù)2個步驟的先后順序，產(chǎn)生了2種主要的合成方法：1)先還原后乙酰化(圖2)；2)先乙酰化后還原(圖3)[9]。

圖2 先還原后乙?；铣陕肪€圖

圖3 先乙?；筮€原合成路線圖

2 NAC的生理功能及其作用機制

2.1 抗氧化功能

在生物系統(tǒng)中作為電子受體的分子被稱為“氧化劑”或“自由基”，當自由基如活性氧(ROS)和活性氮(RNS)等的產(chǎn)生超過細胞抗氧化能力時，就會發(fā)生細胞內(nèi)氧化應(yīng)激。過度的氧化應(yīng)激會損傷蛋白質(zhì)、脂質(zhì)(細胞膜)、DNA等生物分子，甚至引起細胞死亡[10]，從而導(dǎo)致許多畜禽疾病的發(fā)生。此外，自由基還會與多不飽和脂肪酸結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生脂肪酸過氧基，甚至還可以攻擊脂肪酸側(cè)鏈，引發(fā)其他脂質(zhì)自由基的產(chǎn)生，脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物具有細胞毒性和誘變性。NAC作為抗氧化劑，可通過直接或間接2種途徑發(fā)揮其抗氧化功能。NAC可通過其結(jié)構(gòu)中的游離巰基提供1個電子與各種自由基結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，或通過給出1個或2個電子作為親核試劑來實現(xiàn)其直接抗氧化活性。Balaji等[11]研究表明，NAC能通過結(jié)構(gòu)中的巰基還原高鐵血紅蛋白，提高紅細胞的抗氧化能力。

NAC的間接抗氧化作用是通過促進機體內(nèi)GSH的生物合成來有效減少自由基的累積效應(yīng)實現(xiàn)的，合成途徑見圖4所示。GSH是機體內(nèi)最豐富的非蛋白硫醇，也是細胞內(nèi)主要抗氧化劑之一，除了能直接與活性物質(zhì)反應(yīng)外，還充當各種抗氧化酶的輔助因子或底物[12]。細胞內(nèi)的半胱氨酸濃度較低，因此它是機體應(yīng)對氧化應(yīng)激時GSH合成速率的限制因素[13]。研究表明，NAC口服后在小腸中被迅速吸收，血漿濃度可在30 min至1 h內(nèi)達到峰值[14]。而后通過肝臟代謝在氨基?；?1催化下發(fā)生脫乙?；砂腚装彼?，半胱氨酸與谷氨酸、甘氨酸在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和GSH合成酶的共同催化下合成GSH[15]，GSH則通過膜轉(zhuǎn)運蛋白釋放到血漿中。Esmat等[16]試驗表明，NAC能夠逆轉(zhuǎn)丙烯腈處理后引起的大鼠大腦中GSH含量的降低，降低脂質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA)含量，進而緩解丙烯腈的神經(jīng)毒性。

圖4 GSH的合成途徑

此外，NAC也可通過其游離的巰基與具有細胞毒性的金屬離子如鎘離子、鉛離子、汞離子等結(jié)合，形成易于排出體外的螯合物。Martin等[17]報道，靜脈注射NAC對于人急性砷中毒的治療效果優(yōu)于肌肉注射重金屬中毒解毒劑2,3-二巰基-1-丙醇。且Flora等[18]試驗表明，在砷中毒的小鼠飲用水中添加NAC，能顯著緩解肝臟和大腦中砷誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，并迅速降低軟組織中砷的含量。

2.2 抗炎及免疫調(diào)節(jié)功能

炎癥是機體免疫系統(tǒng)為降低感染引起的組織損傷所釋放的細胞因子，其帶來的不良影響產(chǎn)生的一系列生理反應(yīng)。研究表明，炎癥與多個信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，NAC可對炎癥通路起調(diào)節(jié)作用[19]。核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)通常與細胞質(zhì)中的抑制蛋白IκB-α結(jié)合成三聚體復(fù)合物，被磷酸化入核后能夠介導(dǎo)炎癥反應(yīng)中一系列基因的表達，促進炎性細胞因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-6(IL-6)等分泌[20]，還可調(diào)節(jié)B淋巴細胞和T淋巴細胞的成熟[21]。TNF-α是NF-κB信號通路的上游調(diào)節(jié)分子，NAC可通過調(diào)節(jié)TNF-α與TNF受體1和TNF受體2的相互作用，降低TNF-α與其受體的親和力，干擾NF-κB信號通路；此外，NAC還可通過去除ROS，抑制IκB激酶β(IKKβ)和NF-κB的核易位來阻止NF-κB的活化，從而抑制其下游細胞因子的基因表達水平[1](圖3)。研究表明，白細胞介素-8(IL-8)、IL-6和TNF-α在感染A型、B型流感病毒或呼吸道合胞病毒的肺泡Ⅱ型細胞中的表達和釋放水平可被NAC顯著抑制[22]。此外，研究表明，NAC還可調(diào)控磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋(PI3K/Akt/mTOR)信號通路進而調(diào)節(jié)機體免疫力，mTOR是PI3K/Akt通路下游的關(guān)鍵激酶，可調(diào)節(jié)腫瘤細胞增殖、生長、存活和血管生成[23]。Chen等[24]研究發(fā)現(xiàn)，NAC能夠抑制Akt/mTOR途徑所涉及的所有蛋白質(zhì)的磷酸化，阻斷PI3K/Akt/mTOR炎癥信號通路，從而增強自然殺傷細胞的抗腫瘤活性，提高機體免疫力。此外，NAC還可通過增加細胞內(nèi)硫醇的含量，促進輔助性T細胞向2型分化，產(chǎn)生輔助性T細胞2(Th2)從而抑制炎癥反應(yīng)。輔助性T細胞1(Th1)主要釋放TNF-α和白細胞介素-12(IL-12)(促炎細胞因子)，而Th2細胞分泌IL-10(抑炎細胞因子)[25]。

圖5 NAC調(diào)控NF-κB信號通路示意圖

2.3 抗菌功能

NAC具有良好的抗菌能力，能夠干擾革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌生物膜的形成并破壞已形成的細菌生物膜。Eroshenko等[26]發(fā)現(xiàn)，在痤瘡丙酸桿菌和表皮葡萄球菌混合培養(yǎng)基中加入12.5 mg/mL NAC能夠顯著抑制細菌生物膜的形成和生長，當NAC濃度為25 mg/mL時，細菌生物膜的生長減少了50%以上。此外，NAC還與抗生素具有協(xié)同作用。El-Feky等[27]研究發(fā)現(xiàn)，NAC能夠通過降解生物膜的胞外多糖基質(zhì)提高環(huán)丙沙星的治療效果，抑制大腸桿菌的黏附和生長。然而，NAC的抗菌機制在很大程度上仍未知，因此值得進一步對其進行研究，以充分了解NAC在抵御細菌感染方面的潛力。此前有人提出，NAC的抗菌活性可能與以下原因有關(guān)：1)阻止細菌細胞對半胱氨酸的利用；2)結(jié)構(gòu)中的巰基與細菌生物膜蛋白的相互作用；3)調(diào)節(jié)細胞內(nèi)氧化還原平衡對細胞代謝和細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響；4)影響細菌生物膜矩陣結(jié)構(gòu)(例如，通過與鈣和鎂的螯合或與細菌生物膜中的關(guān)鍵成分的相互作用)[28-29]。此外，Li等[30]指出，作為弱有機酸NAC誘導(dǎo)的pH變化對其抗生物膜活性具有重要作用，但pH不是NAC破壞生物膜的唯一因素，NAC具有通過影響細菌或破壞細菌胞外聚合物或共同影響兩者來改變生物膜完整性的其他特性，從而導(dǎo)致生物膜的分解，且乙酰基和羧基在NAC生物膜分解能力中起重要作用。

2.4 調(diào)節(jié)脂肪代謝

諸多體外研究表明，NAC能夠降低金屬硫蛋白以及各種脂肪合成的相關(guān)標志物，如脂肪酸結(jié)合蛋白4、轉(zhuǎn)酮醇酶和脂滴包被蛋白(Perilipin)等的含量。Chang等[31]用10 mmol/L NAC處理3T3-L1前脂肪細胞，發(fā)現(xiàn)NAC能夠減少ROS形成并通過抑制CCAAT增強子結(jié)合蛋白α(C/EBPα)和過氧化物增殖激活受體α(PPARα)的表達來抑制脂肪生成。Lee等[32]研究表明，NAC能夠顯著減少游離脂肪酸誘導(dǎo)的Perilipin表達，抑制脂肪細胞分化。此外，NAC還可通過調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵分子，磷脂酰肌醇-3-激酶活性和胰島素受體基質(zhì)-1磷酸化，緩解胰島素抵抗，進而調(diào)控脂肪代謝。Xiao等[33]試驗結(jié)果顯示，NAC能夠有效地抑制暴飲暴食小鼠肝臟中脂肪的積累，并認為這可能與其能夠抑制激素敏感脂肪酶的磷酸化有關(guān)。以上結(jié)果表明，NAC可能也對畜禽脂肪代謝起一定促進作用，并能夠抑制畜禽體內(nèi)脂肪的沉積。

3 NAC在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 雞

NAC對雞影響的研究主要集中于改善生產(chǎn)性能、緩解應(yīng)激等方面。趙熠群等[34]發(fā)現(xiàn)，蛋雞飼糧中添加NAC能夠顯著降低熱應(yīng)激時蛋雞血清中MDA含量，且效果與NAC含量呈一定劑量依賴關(guān)系，0.5% NAC能夠顯著提高蛋雞血清中SOD活性以及GSH含量，對蛋黃色澤沒有顯著影響但能減輕蛋雞熱應(yīng)激帶來的雞蛋哈夫單位下降這一不良影響，且能夠一定程度上緩解熱應(yīng)激造成的產(chǎn)蛋率下降，降低料蛋比。Valvidia等[35]報道指出，NAC對黃曲霉毒素B1引起的肉雞生產(chǎn)性能降低、肝腎損害具有保護作用，且飼糧中單獨添加800 mg/kg NAC對肉仔雞的飼料消耗、轉(zhuǎn)化率或血清生化指標無負面影響，也不會誘發(fā)肝臟或腎臟的組織損傷。王惠云等[36]研究指出，飼糧中添加0.1% NAC可以改善冷應(yīng)激條件下肉雞的腸道組織形態(tài)，降低空腸、回腸隱窩深度(CD)，CD可反映腸道干細胞活性和功能，隱窩越淺，細胞成熟度越好，分泌功能越好；同時可以提高腸絨毛高度和隱窩深度的比值(VH/CD)，而VH/CD常與動物的生長速度呈正相關(guān)。楊淑霞等[37]試驗結(jié)果也表明，飼糧添加0.1% NAC可以提高熱應(yīng)激條件下肉雞的平均日采食量和平均日增重，降低熱休克蛋白70和血紅素氧化酶mRNA相對表達水平，改善腸絨毛形態(tài)，提高胰蛋白酶含量，維持肉雞腸道健康，從而提高其生長性能。賀紹君等[38]研究發(fā)現(xiàn)，飲水中添加0.2% NAC可有效緩解熱應(yīng)激狀態(tài)下肉雞腎臟功能的損傷，從而使其發(fā)揮正常的排泄功能，降低血清尿酸、肌酐及尿素含量。馮倩倩等[39]報道指出，在蛋白質(zhì)水平降低4.5個百分點的肉仔雞飼糧中添加0.15%半胱氨酸能改善肉仔雞生長階段的日增重、采食量以及飼料轉(zhuǎn)化率、氮留存率，而NAC作為半胱氨酸穩(wěn)定的前體物質(zhì)，其在低蛋白質(zhì)飼糧中的作用值得深入研究。

此外，NAC對延長雞精液的低溫保存時間、提升精子活力有一定作用。邱自貴等[40]探究了NAC對安卡紅種公雞精液低溫保存過程中的生存能力和精子畸形率的影響，發(fā)現(xiàn)稀釋劑中添加NAC可以極顯著延長雞精液低溫保存時間，添加0.013 mol/L NAC的保存效果優(yōu)于0.002 6 mol/L，但對精子畸形率均無顯著影響。李潔等[41]的研究結(jié)果也表明，0.25和0.50 mmol/L NAC可以顯著提高種公雞精子生存指數(shù)及延長精子的存活時間，但當濃度超過1 mmol/L時則會對精子生存指數(shù)和存活時間產(chǎn)生負面影響。

3.2 鴨

關(guān)于NAC在鴨生產(chǎn)應(yīng)用上的研究較少。楊書慧等[42]試驗表明，飼糧中添加500、1 000 mg/kg NAC均可降低肉鴨回腸二磷酸腺苷含量、空腸和回腸單磷酸腺苷(AMP)和腺苷池水平以及空腸AMP與三磷酸腺苷(ATP)的比值，提高空腸腺苷酸能荷(AEC)，說明NAC能夠提高肉鴨空腸的能量儲備，NAC還可降低空腸MDA和過氧化氫(H2O2)含量，增加空腸、回腸過氧化氫酶(CAT)的活性，提升肉鴨抗氧化能力，且高劑量的NAC作用效果更好，猜測NAC可能是通過下調(diào)AMP依賴的蛋白激酶-α1(AMPK-α1)、缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)和黃嘌呤氧化還原酶(XOR)的表達水平實現(xiàn)對回腸的能量代謝和抗氧化力的改善作用。譚靈琳等[43]研究表明，與對照組相比，飼糧添加0.1% NAC可顯著減低肉鴨料重比，提高肉鴨肝臟抗氧化能力。以上結(jié)果表明，在肉鴨飼糧添加NAC能夠提升其抗氧化能力，并在一定程度上改善機體能量代謝。體外試驗證明，NAC對于脂肪代謝也具有一定的調(diào)節(jié)作用，其能夠抑制脂肪沉積[44]，且在現(xiàn)代肉鴨生產(chǎn)中，經(jīng)選育所得的現(xiàn)代肉鴨優(yōu)良品種在生長速度加快的同時，也出現(xiàn)了體脂尤其是皮下脂肪沉積過多的問題，因此NAC對肉鴨脂肪代謝的影響有待進一步研究，以便使其能更好地應(yīng)用于現(xiàn)代肉鴨生產(chǎn)中。

3.3 豬

國內(nèi)現(xiàn)代化大規(guī)模的母豬生產(chǎn)已逐步采用仔豬超早期斷奶技術(shù)，有的豬場甚至提前至10日齡。但仔豬超早期斷奶后常出現(xiàn)腸道微生物系統(tǒng)失調(diào)、免疫力降低、抗病力弱等應(yīng)激現(xiàn)象進而導(dǎo)致仔豬生長性能下降。周佳等[45]研究發(fā)現(xiàn)，NAC灌胃可顯著提高超早期斷奶仔豬的平均日增重，恢復(fù)腸道屏障功能，提高氨基酸吸收利用率。Wang等[46]探究了NAC在抗營養(yǎng)因子β-伴大豆球蛋白(β-CG)的存在下對仔豬腸道功能的影響，發(fā)現(xiàn)NAC可使β-CG處理后的仔豬腹瀉率降低46.2%，并降低仔豬空腸中H2O2與MDA的含量，但增加了緊密連接蛋白閉合蛋白-1(Claudin-1)和腸脂肪酸結(jié)合蛋白(iFABP)的豐度，同時提高了CAT和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的活性，并緩解β-CG對腸VH、VH/CD造成的不良影響，NAC還增加了仔豬血漿中瓜氨酸和D-木糖的含量，以及空腸中轉(zhuǎn)運蛋白的含量，表明NAC可增強仔豬腸道代謝活動和吸收功能。李少華等[47]試驗表明，與對照組相比，飼糧添加500 mg/kg NAC顯著降低斷奶仔豬料重比，并降低斷奶仔豬血清中MDA和H2O2含量，提高GSH-Px和SOD的活性，同時增加了血清中免疫球蛋白M(IgM)的含量，提高抗氧化能力和免疫力，從而緩解斷奶應(yīng)激。

卵巢顆粒細胞能夠與卵母細胞進行的信號傳導(dǎo)，對卵母細胞的生長與成熟的調(diào)控起重要作用。卵巢顆粒細胞同時能分泌孕酮和雌二醇等類固醇激素，這對雌性動物正常生理節(jié)律和妊娠過程起十分重要的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)，體外補充NAC有利于體外培養(yǎng)豬卵巢顆粒細胞的生長與增殖，顯著提高孕酮和雌二醇的分泌量[48]。熱應(yīng)激會損害卵母細胞的成熟，降低豬卵母細胞的發(fā)育能力和胚胎發(fā)育。NAC可保護豬卵母細胞免受熱應(yīng)激的侵害，并改善胚胎發(fā)育能力[49]。另有報道指出，補充1.5 mmol/L NAC可改善體外培養(yǎng)豬卵母細胞生長、增殖和成熟[50]。體外試驗研究表明，當妊娠和哺乳母豬長期攝入被玉米赤霉烯酮污染的飼糧時，會使健康的卵泡數(shù)量減少，損害豬卵母細胞的成熟，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，影響卵母細胞的相關(guān)基因表達，從而導(dǎo)致卵母細胞過早的耗竭，并降低繁殖性能，而NAC可以在一定程度上逆轉(zhuǎn)玉米赤霉烯酮產(chǎn)生的生殖毒性[51]。

3.4 反芻動物

NAC在反芻動物上的研究主要關(guān)注于其對繁殖性能及生產(chǎn)性能的影響。宋天增等[52]探究NAC對藏山羊公羊誘導(dǎo)同期發(fā)情率與妊娠前期血清雌二醇和孕酮含量的影響，發(fā)現(xiàn)在妊娠前期飼糧中添加0.05% NAC能提高藏山羊母羊被公羊誘導(dǎo)發(fā)情效果與外周血液中雌二醇和孕酮含量。Luo等[8]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加0.07% NAC可提高妊娠早期山羊胚胎的存活率，其可能的機制為NAC可使妊娠母羊血清中一氧化氮(NO)產(chǎn)量增加，提高子宮內(nèi)膜抗炎途徑中涉及的一些基因的轉(zhuǎn)錄水平，從而促進胚胎的存活和生長。Xu等[53]鑒定發(fā)現(xiàn)，磷脂酰肌醇特異性磷酯酶CΒ3(PLCB3)是與窩產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的基因，且近年來研究表明，基質(zhì)金屬蛋白酶2(MMP2)基因?qū)τ趧游锓敝承阅苡幸欢ㄓ绊慬54]。唐文等[55]研究表明，飼糧中添加0.07% NAC會降低PLCB3基因在性腺器官中的表達量，并提高MMP2基因表達量，進而影響努比亞山羊的繁殖性能。此外，NAC還可提高冷凍公畜精子的質(zhì)量，在稀釋液中添加1.0 mmol/L NAC能提高精子有效存活時間、總存活時間和48 h精子的頂體完整率，顯著改善綿羊精液的低溫保存效果[56]。以上研究結(jié)果均表明，NAC對公畜和母畜的繁殖性能均有一定影響，其可提高母畜誘導(dǎo)發(fā)情的效果，促進早期胚胎的存活和生長，使公畜精液在低溫保存過程中免受ROS引起的氧化性損傷，但具體影響機制有待進一步研究。

4 小 結(jié)

綜上所述，NAC具有抗氧化、抗炎、抗菌及調(diào)節(jié)脂肪代謝等生理功能，且NAC作為硫醇分子極其穩(wěn)定，價格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于其極強的疏水性，NAC在口服給藥時顯示出低生物利用率這一現(xiàn)象。NAC攝入后能夠到達血漿和組織的濃度較低，生物利用率僅為6%～10%，因此，如何提高NAC的生物利用率有待進一步研究。且NAC和其他飼料添加劑或營養(yǎng)因子進行聯(lián)合使用的研究甚少，無法明確其與其他飼料成分是否存在拮抗作用與協(xié)同作用。NAC在畜禽應(yīng)用上的研究對象主要為肉雞與豬，而在其他動物上的研究應(yīng)用較少，且目前NAC的作用機制尚存爭議，因此應(yīng)繼續(xù)對NAC的作用機制進行研究，以便其能更好地應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)之中。