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(guó)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(guó)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(yíng)養(yǎng)功能與機(jī)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(lèi)及軟體動(dòng)物中，甜菜、棉子、豆類(lèi)、麥類(lèi)、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(duì)干物質(zhì)）。1939年D.Vigneaud發(fā)現(xiàn)了甜菜堿的營(yíng)養(yǎng)功能，到20世紀(jì)70年代甜菜堿成為研究熱點(diǎn)。甜菜堿在動(dòng)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(guó)、日本等國(guó)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(wàn)噸，在我國(guó)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(gè)特點(diǎn)：一是電荷在分子內(nèi)分布呈中性，二是具有3個(gè)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(wú)臭，濃度超過(guò)2%時(shí)有澀味，310℃分解，極易溶于水和乙醇，水溶液呈中性，熔點(diǎn)293℃，能耐200℃以下的高溫，具有很強(qiáng)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(duì)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(yú)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(guò)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(guó)外就有從甜菜糖蜜中提取甜菜堿的報(bào)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(yùn)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(huì)社也報(bào)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(shù)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(guò)濾制得純度約98%的無(wú)水或一水甜菜堿。近年來(lái)也有報(bào)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(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出了采用多種原料生產(chǎn)甜菜堿的先進(jìn)工藝，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，質(zhì)量好，不需精制即可達(dá)到醫(yī)藥級(jí)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(diǎn)。

3 甜菜堿的營(yíng)養(yǎng)功能及機(jī)理

3.1 為機(jī)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(dòng)物體內(nèi)的一種中間代謝產(chǎn)物，間接參與了動(dòng)物蛋白質(zhì)和脂肪代謝。從其生理作用機(jī)制來(lái)看，甜菜堿在動(dòng)物體內(nèi)是通過(guò)提供甲基，合成多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)間接參與體內(nèi)的許多生理代謝過(guò)程。甜菜堿的分子量不大，并有3個(gè)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(dòng)物體眾多具有重要生理活性的物質(zhì)所必需的基團(tuán)，而動(dòng)物體主要甲基供體之一的膽堿不能提供甲基，需要通過(guò)細(xì)胞線(xiàn)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(shí)，添加甜菜堿有部分替代膽堿的作用。日糧中適當(dāng)?shù)难a(bǔ)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(jìn)動(dòng)物體內(nèi)肉堿的合成，提高脂肪代謝強(qiáng)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(guò)提供甲基降低蛋氨酸的供甲基消耗；另一方面，甜菜堿通過(guò)增加高半胱氨酸-S-甲基轉(zhuǎn)移酶活性，促進(jìn)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(dòng)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(shuō)明甜菜堿促進(jìn)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(jī)制可能是甜菜堿通過(guò)增強(qiáng)機(jī)體的甲基代謝，加速了RNA的加工和修飾過(guò)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(dòng)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(lèi)代謝中發(fā)揮重要作用，從而促進(jìn)脂肪酸氧化和磷脂的生成，提高酯類(lèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，甜菜堿通過(guò)促進(jìn)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(jìn)肝臟中載脂蛋白的合成，其中極低密度脂蛋白是用來(lái)運(yùn)載內(nèi)源性甘油三酯的主要載體蛋白，促進(jìn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(shí)，細(xì)胞開(kāi)始產(chǎn)生或吸收甜菜堿以維持正常的滲透壓的平衡，同時(shí)防止細(xì)胞水分流出和鹽分的入侵。

雞體極易感染球蟲(chóng)，影響腸道離子平衡，抗球蟲(chóng)藥雖然能改變寄生蟲(chóng)細(xì)胞的離子濃度而殺死寄生蟲(chóng)，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(hù)劑，能維持動(dòng)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(qiáng)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(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)逐漸損耗，尤其是在飼料加工、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，大多數(shù)維生素都或多或少在效價(jià)上存在降低現(xiàn)象。此外，氯化膽堿由于吸水性大，酸性強(qiáng)，往往是影響破壞維生素的主要原因。而甜菜堿具有較強(qiáng)的保濕性，能增強(qiáng)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(hù)其效價(jià)。在20～25℃時(shí)，甜菜堿能提高維生素A、K3、B1、B6在貯存過(guò)程中的穩(wěn)定性，并且溫度愈高，甜菜堿的作用性愈強(qiáng)，用甜菜堿成功全部代替日糧中膽堿是較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。

甜菜堿是魚(yú)蝦味覺(jué)最大的刺激物之一，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物具有獨(dú)特的誘食作用，0.0001mol/mL的甜菜堿就能引起所有魚(yú)的味覺(jué)感受反應(yīng)。同時(shí)甜菜堿還能增強(qiáng)其它氨基酸的味覺(jué)感受反應(yīng)，可見(jiàn)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(lái)研究表明，甜菜堿對(duì)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(shí)，動(dòng)物的食欲就會(huì)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(guò)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(qiáng)

甜菜堿與陰離子、陽(yáng)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(wèn)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(guó)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(guó)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(yíng)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(lèi)。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，甜菜堿在魚(yú)類(lèi)誘食劑的各組分中起著主導(dǎo)作用。在魚(yú)飼料中拌入甜菜堿對(duì)所有的魚(yú)類(lèi)及蝦等甲殼類(lèi)動(dòng)物的嗅覺(jué)和味覺(jué)均有極強(qiáng)的刺激作用。不僅提高了飼料的適口性，增加了魚(yú)類(lèi)攝食量，而且縮短了攝食時(shí)間，提高飼料利用率，對(duì)魚(yú)蝦快速生長(zhǎng)，增強(qiáng)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(guó)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(lái)越受市場(chǎng)的青睞，且有逐漸取代甜菜堿BS-12的趨勢(shì)。甜菜堿可用做還原染料以及添加于香波、浴液、護(hù)發(fā)素等日用品中；羊毛清洗劑是毛紡織工業(yè)的專(zhuān)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(duì)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(duì)老人保健、兒童生長(zhǎng)發(fā)育都能起到良好的促進(jìn)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(guó)從天然產(chǎn)物中提取甜菜堿的工藝已由沈陽(yáng)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(tuán)公司、中國(guó)農(nóng)科院飼料研究所、浙江黃巖榮耀化工廠(chǎng)等單位生產(chǎn)。甜菜堿的國(guó)內(nèi)需求量呈上升趨勢(shì)，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?yàn)?000t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。