甜菜堿的加工與利用

周艷麗，盧秉福

（1.黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150080；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所，哈爾濱150080）

甜菜堿的加工與利用

周艷麗1，2，盧秉福2

（1.黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150080；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所，哈爾濱150080）

綜述了甜菜堿的生產(chǎn)工藝、營養(yǎng)功能與機理，及在飼料、食品、化學(xué)等行業(yè)中的應(yīng)用。

甜菜堿；加工；利用

甜菜堿（betaine）于1869年最先在歐洲糖甜菜汁液中被發(fā)現(xiàn)，故而得名。在自然界中甜菜堿廣泛存在于不同植物的根、莖和種子之中，也大量存在于甲殼類及軟體動物中，甜菜、棉子、豆類、麥類、中草藥等都含有這種生物堿，其中尤以甜菜中甜菜堿的含量最多，約含有1.0%～1.5%（對干物質(zhì)）。1939年D.Vigneaud發(fā)現(xiàn)了甜菜堿的營養(yǎng)功能，到20世紀(jì)70年代甜菜堿成為研究熱點。甜菜堿在動植物體內(nèi)普遍存在，并在物質(zhì)代謝中起重要作用，被廣泛地應(yīng)用于制藥、食品、添加劑、化學(xué)試劑、化工原料、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。在歐洲、美國、日本等國甜菜堿作為畜禽、水產(chǎn)和寵物等的飼料添加劑被大量應(yīng)用，每年需求量數(shù)萬噸，在我國甜菜堿也已成為重要的飼料添加劑之一。

1 甜菜堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)及理化特性

甜菜堿又名甘氨酸三甲內(nèi)鹽，學(xué)名1-羧基-N.N.N-三甲氨基乙內(nèi)酯，結(jié)構(gòu)式（CH3）3N+CH2COO-。分子量117.15。分子結(jié)構(gòu)具有兩個特點：一是電荷在分子內(nèi)分布呈中性，二是具有3個活性甲基。甜菜堿是一種小分子兩性離子的化合物，為白色柱狀結(jié)晶體或結(jié)晶粉末，有特殊甜味，無臭，濃度超過2%時有澀味，310℃分解，極易溶于水和乙醇，水溶液呈中性，熔點293℃，能耐200℃以下的高溫，具有很強的抗氧化性能。此外，甜菜堿還具有保濕性，在空氣中易潮解，對枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、青霉菌、黑曲霉等均有一定抑制作用。在一般食品加工中性能穩(wěn)定，為烏賊、章魚等水產(chǎn)品的特殊滋味物質(zhì)之一，有改善水產(chǎn)加工品風(fēng)味的作用。

表1 甜菜堿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2 甜菜堿的生產(chǎn)工藝

2.1 天然物質(zhì)提取法

甜菜堿可以從天然物質(zhì)中提取，制糖過程產(chǎn)生的糖蜜中甜菜堿含量達(dá)3%～8%，是提取甜菜堿的主要原料。20世紀(jì)20年代國外就有從甜菜糖蜜中提取甜菜堿的報道，至20世紀(jì)70年代提取工藝已日趨完善，甜菜堿回收率達(dá)到70%。20世紀(jì)80年代初芬蘭科學(xué)家運用色譜原理創(chuàng)造了排斥提取法，可得到純度98%甜菜堿，甜菜堿回收率可達(dá)到80%，降低了生產(chǎn)成本，避免了環(huán)境污染。同期日本甜菜制糖株式會社也報道了該方法。離子排斥法提純工藝主要是應(yīng)用聚乙烯-二乙烯樹脂色譜分離柱，洗脫出的甜菜堿母液，經(jīng)蒸發(fā)、濃縮、三段結(jié)晶、過濾制得純度約98%的無水或一水甜菜堿。近年來也有報道采用膜分離技術(shù)提取甜菜堿，主要設(shè)備有膜分離器、交換柱等。

2.2 化學(xué)合成法

化學(xué)合成法一般采用氯乙酸和三甲胺為原料，將氯乙酸用水稀釋后加入燒堿中和，并與三甲胺溶液混合，反復(fù)升溫通氣后，用水和氨水洗脫，母液在真空下濃縮、經(jīng)脫鹽、吸附后結(jié)晶，即得純凈的成品，純度達(dá)到98.5%。目前國內(nèi)已開發(fā)出了采用多種原料生產(chǎn)甜菜堿的先進工藝，具有設(shè)備簡單，成本低，質(zhì)量好，不需精制即可達(dá)到醫(yī)藥級產(chǎn)品的純度。化學(xué)合成法具有收率高、成本低，原料充足、不受季節(jié)、氣候等因素的限制和影響等諸多優(yōu)點。

3 甜菜堿的營養(yǎng)功能及機理

3.1 為機體提供高效的活性甲基，參與氨基酸、蛋白質(zhì)代謝

甜菜堿作為動物體內(nèi)的一種中間代謝產(chǎn)物，間接參與了動物蛋白質(zhì)和脂肪代謝。從其生理作用機制來看，甜菜堿在動物體內(nèi)是通過提供甲基，合成多種營養(yǎng)物質(zhì)間接參與體內(nèi)的許多生理代謝過程。甜菜堿的分子量不大，并有3個活性甲基，在分子內(nèi)部正負(fù)電荷也已得到中和，因此它是高效的甲基供體。甲基是合成蛋白質(zhì)、肉堿、肌酸、磷脂、腎上腺素、核糖核酸和脫氧核糖核酸等動物體眾多具有重要生理活性的物質(zhì)所必需的基團，而動物體主要甲基供體之一的膽堿不能提供甲基，需要通過細(xì)胞線粒體將其轉(zhuǎn)化為甜菜堿后，才能具有供甲基能力，合成脂蛋白、氨基酸等物質(zhì)，因此，當(dāng)飼料中膽堿供應(yīng)不足時，添加甜菜堿有部分替代膽堿的作用。日糧中適當(dāng)?shù)难a充甜菜堿可以替代另一主要甲基供體——蛋氨酸的供甲基作用，從而節(jié)約蛋氨酸，提高蛋白質(zhì)利用率。甜菜堿提供甲基的能力還可以促進動物體內(nèi)肉堿的合成，提高脂肪代謝強度。

甜菜堿與蛋氨酸的代謝有密切的關(guān)系，一方面甜菜堿通過提供甲基降低蛋氨酸的供甲基消耗；另一方面，甜菜堿通過增加高半胱氨酸-S-甲基轉(zhuǎn)移酶活性，促進了高半胱氨酸的轉(zhuǎn)化，具有凈增蛋氨酸的功效。據(jù)研究，甜菜堿能使動物肝臟和肌肉中粗蛋白含量、RNA/DNA比率顯著升高，而血清尿酸含量明顯下降，這說明甜菜堿促進了體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，降低了蛋白質(zhì)的分解，使組織中蛋白質(zhì)沉積增加，其機制可能是甜菜堿通過增強機體的甲基代謝，加速了RNA的加工和修飾過程。

3.2 抑制脂肪沉積，提高產(chǎn)肉量及肉的品質(zhì)

甜菜堿具有一定的抗脂肪效應(yīng)，日糧中添加甜菜堿，能顯著降低動物肝臟中脂肪的含量，大幅度降低豬胴體背膘厚度和雞體內(nèi)脂肪，增加蛋白質(zhì)含量。甜菜堿能提供甲基給甲基氨基乙醇而生成膽堿，膽堿在酯類代謝中發(fā)揮重要作用，從而促進脂肪酸氧化和磷脂的生成，提高酯類的運轉(zhuǎn)速度，甜菜堿通過促進體內(nèi)磷脂的合成，一方面降低了肝臟中的脂肪酶的活性，另一方面，有促進肝臟中載脂蛋白的合成，其中極低密度脂蛋白是用來運載內(nèi)源性甘油三酯的主要載體蛋白，促進肝中脂肪的遷徙，從而降低肝中甘油三酯的含量。將甜菜堿和膽堿分別添加到成分相同的基礎(chǔ)日糧中做對比實驗，結(jié)果表明使用甜菜堿的幼禽，體內(nèi)的脂肪量低于飼用膽堿的幼禽，而且肉質(zhì)疏松，味道更可口。

3.3 調(diào)節(jié)滲透壓，提高免疫力的效應(yīng)

甜菜堿作為生物體內(nèi)一種重要的滲透壓緩沖物質(zhì)，能防止細(xì)胞中離子濃度的激變。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)滲透壓激變時，細(xì)胞開始產(chǎn)生或吸收甜菜堿以維持正常的滲透壓的平衡，同時防止細(xì)胞水分流出和鹽分的入侵。

雞體極易感染球蟲，影響腸道離子平衡，抗球蟲藥雖然能改變寄生蟲細(xì)胞的離子濃度而殺死寄生蟲，但同樣影響了宿主細(xì)胞，尤其是腸道離子濃度，從而影響腸道正常功能。而甜菜堿提供甲基作為細(xì)胞滲透保護劑，能維持動物細(xì)胞正常的滲透壓，防止細(xì)胞中水分流失導(dǎo)致的脫水，穩(wěn)定腸道離子平衡。從而提高雞體的抵抗力。

3.4 增強維生素穩(wěn)定性，提高飼料的誘食效應(yīng)

維生素的穩(wěn)定性差，易受光、熱、濕的影響，隨時間的延長也會逐漸損耗，尤其是在飼料加工、儲運過程中，大多數(shù)維生素都或多或少在效價上存在降低現(xiàn)象。此外，氯化膽堿由于吸水性大，酸性強，往往是影響破壞維生素的主要原因。而甜菜堿具有較強的保濕性，能增強維生素的穩(wěn)定性，防止脂溶性維生素A、D、E、K的氧化，保護其效價。在20～25℃時，甜菜堿能提高維生素A、K3、B1、B6在貯存過程中的穩(wěn)定性，并且溫度愈高，甜菜堿的作用性愈強，用甜菜堿成功全部代替日糧中膽堿是較經(jīng)濟實用的方法。

甜菜堿是魚蝦味覺最大的刺激物之一，對水產(chǎn)動物具有獨特的誘食作用，0.0001mol/mL的甜菜堿就能引起所有魚的味覺感受反應(yīng)。同時甜菜堿還能增強其它氨基酸的味覺感受反應(yīng)，可見甜菜堿是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的理想誘食劑，能提高飼料的適口性和利用率。近年來研究表明，甜菜堿對豬也具有明顯的誘食效應(yīng)，飼料中的蛋氨酸的添加量達(dá)到0.1%～0.5%時，動物的食欲就會減弱，而如果使用甜菜堿代替部分蛋氨酸添加到飼料中，則可避免或減少過量蛋氨酸引起的不良反應(yīng)，提高誘食效果。

3.5 耐硬水，去污能力強

甜菜堿與陰離子、陽離子、非離子表面活性劑配伍性好，可以在較廣的pH范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的柔軟效果，去污力和起泡性好，可用于洗滌劑系列。如脂肪醇硫酸鈉和烷基苯磺酸鈉的洗凈力與發(fā)泡力不理想，在加入甜菜堿后上述問題獲得解決；在液體洗凈劑中加入甜菜堿可增加發(fā)泡、柔軟和去污性能；在肥皂生產(chǎn)中加入磺基和硫酸酯甜菜堿可作為性能優(yōu)良的鈣皂分散劑。

4 甜菜堿的應(yīng)用

4.1 在飼料業(yè)的應(yīng)用

在國外，甜菜堿已有30多年的生產(chǎn)和使用歷史，作為飼料添加劑，歐美國家早已把甜菜堿作為要推廣的重要品種之一，大量應(yīng)用于水產(chǎn)品和畜禽養(yǎng)殖行業(yè)。甜菜堿在飼料業(yè)中主要是作為一種高活性生物營養(yǎng)素，提供甲基參與生物體內(nèi)合成肉堿、肌酸等必需物質(zhì)的系列化反應(yīng)，替代氯化膽堿和蛋氨酸，防止因氯化膽堿的氧化反應(yīng)而破壞飼料中的維生素類。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，甜菜堿在魚類誘食劑的各組分中起著主導(dǎo)作用。在魚飼料中拌入甜菜堿對所有的魚類及蝦等甲殼類動物的嗅覺和味覺均有極強的刺激作用。不僅提高了飼料的適口性，增加了魚類攝食量，而且縮短了攝食時間，提高飼料利用率，對魚蝦快速生長，增強抗病能力和免疫力有著重要的意義。

4.2 在日用化學(xué)品行業(yè)的應(yīng)用

由于甜菜堿具有很多優(yōu)良的性能，使其在化妝品中的用量不斷地增加。目前，國內(nèi)應(yīng)用最多的甜菜堿型兩性表面活性劑仍是烷基甜菜堿，而其改性衍生物烷基酰胺丙基甜菜堿因具有很多優(yōu)良的性能而越來越受市場的青睞，且有逐漸取代甜菜堿BS-12的趨勢。甜菜堿可用做還原染料以及添加于香波、浴液、護發(fā)素等日用品中；羊毛清洗劑是毛紡織工業(yè)的專用洗滌劑，主要用于厚羊毛的洗滌。甜菜堿BS-12屬兩性離子表面活性劑，可以在較廣的pH范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的柔軟效果，對羊毛和亞麻織品既有豐富的柔軟效果，又有有效的洗凈作用，廣泛用于柔軟整理上，是理想的織物柔軟劑，能有效地降低纖維間的摩擦系數(shù)，從而產(chǎn)生良好的柔軟效果。它可和各種表面活性劑復(fù)配，達(dá)到良好的協(xié)同效應(yīng)，生物降解性好，低毒。

4.3 在食品行業(yè)的應(yīng)用

甜菜堿用做食品添加劑，可制造人造肉等食品，對老人保健、兒童生長發(fā)育都能起到良好的促進作用；甜菜堿也是制藥工業(yè)的原料，可用于生產(chǎn)治療和預(yù)防肝臟病的藥物。

總之，甜菜堿是一種新型精細(xì)化學(xué)品，廣泛應(yīng)用于飼料、化工、食品、印染、醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前，我國從天然產(chǎn)物中提取甜菜堿的工藝已由沈陽石油化工研究院研制成功，化學(xué)合成甜菜堿也已在江西民星集團公司、中國農(nóng)科院飼料研究所、浙江黃巖榮耀化工廠等單位生產(chǎn)。甜菜堿的國內(nèi)需求量呈上升趨勢，年總需求量為3000t以上，其中用作飼料添加劑約為2000t，其他各領(lǐng)域為1000t左右，發(fā)展前景十分廣闊。

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Production and Utilization of Betaine

ZHOU Yan-li1,2,LU Bing-fu2
(1.College of Agricultural Resource and Environment,Heilongjiang University,Harbin,150080,China; 2.Sugar Beet Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,China)

The productive technics,nourishment function and mechanism,the utilization of feed,delicatessen, chemistry industry of betaine were summarized.

Betaine;Production;Utilization

S566.3

A

1007-2624（2010）04-0059-03

2010-05-12

周艷麗（1964-），女，碩士，黑龍江省慶安縣人，黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，副教授。