N-乙酰半胱氨酸在水产养殖中的应用

朱 瑞，李登来，张宝媛，尚国俊，王浩彤，刘思影，吴莉芳，秦贵信

(1.吉林农业大学动物科学技术学院，吉林 长春 130118；2.动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林省动物营养与饲料科学重点实验室，吉林 长春 130118)

N-乙酰半胱氨酸(NAC)是一种硫醇、黏液分解剂，同时也是L-半胱氨酸和还原型谷胱甘肽(GSH)的乙酰化前体，乙酰基化使其更易被吸收，抗氧化性更稳定(Hou 等，2015)。NAC 广泛存在葱属植物中，其中洋葱中NAC 含量可达45 毫克/千克(林芷昕等，2022)。NAC含有巯基，能与活性氧(ROS)如过氧化氢和羟基自由基相互作用，被认为是有效的自由基清除剂，因此NAC在保护细胞免受氧化应激中起着重要作用(侯永清等，2014)。此外，NAC可以转化为半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、牛磺酸等生物活性物质。本文综述NAC的生理功能及在水产养殖中的应用，以期为NAC作为水产新型饲料添加剂提供理论参考。

一、分子结构、理化特性

NAC 为硫醇类化合物，分子式为C5H9NO3S，化学结构包括巯基(-SH)、羧基(-COOH)以及与氨基(-NH2)连接的乙酰基(-COCH3)。

二、NAC对水产动物的影响及其作用机制

1.改善水产动物生长性能

生长性能直观反映动物的生长发育状态。研究表明，饲料中添加2 克/千克的NAC 显著改善了尼罗罗非鱼的增重率和特定生长率(Xie 等，2016)，同样添加投喂2 克/千克的NAC 显著增加了草鱼的生长性能(Xie等，2017)。在中华绒螯蟹的研究中，NAC 可有效缓解T-2 毒素(Wang 等，2021)、大豆球蛋白(韩凤禄，2020)或β-伴大豆球蛋白(Han 等，2020)导致的生长抑制情况。NAC 具有促进氨基酸吸收与转运、调节脂质代谢、提高免疫功能、增强抗氧化能力、改善肠道健康等功能(Hou 等，2015；林芷昕等，2022；侯永清等，2014)，这可能在一定程度上改善了水产动物生长性能。

2.改善水产动物肠黏膜发育和屏障功能

动物肠黏膜形态结构完整是保证肠道正常生理功能的基础，绒毛高度、绒毛宽度以及绒毛表面积常用于判断动物肠道功能和健康状况(Hou等，2010；2012)。研究表明，饲料中含70 克/千克的β-伴大豆球蛋白导致中华绒螯蟹围食膜与黏膜皱襞分离以及肠上皮细胞损伤，而0.5～1克/千克的NAC 可消除此负面影响(Han 等，2020)。此外，饲料中添加0.5 克/千克的NAC 可减轻乙酸引起的仔猪溃疡性黏膜损伤，增加杯状细胞数量和密度，减少上皮内淋巴细胞的数量和密度(Wang等，2013)。NAC 能促进肠黏膜发育，缓解应激状态下动物肠绒毛萎缩和隐窝增深，保护肠道形态结构的完整性。NAC对维持肠黏膜屏障完整性也具有重要作用(Hou等，2015；侯永清等，2014)。肠黏膜上皮细胞是机体重要的防御屏障，能够降低肠腔内病原体入侵机体的可能(LØKKA 等，2016)。二胺氧化酶(DAO)是一种存在于肠上皮细胞中的酶，同时也是一种具有高度活力的细胞内酶，当肠黏膜受损时，DAO被释放至循环系统中，导致血液中DAO 活性升高、肠黏膜DAO 活性降低(Zhu 等，2021；黎君友等，2000)。NAC 能够促进水产动物肠道黏膜发育，降低应激状态下肠黏膜通透性，同时NAC可以通过调节紧密连接蛋白的表达增强动物肠黏膜屏障功能。

3.提高水产动物抗氧化能力

细胞中过高ROS 蓄积会氧化脂质、蛋白质和DNA，引起后续细胞损伤和死亡(王靖雯等，2022)。而NAC 作为抗氧化剂，本身含有巯基，可以通过提供1 个电子与自由基结合，或通过给出1 个或2 个电子作为亲核试剂来发挥直接抗氧化作用(Zafarullah等，2003；Hoey等，1986)。NAC中游离的巯基还能与重金属离子结合形成螯合物，促进其排出，从而降低重金属离子的细胞毒性(Hou 等，2015；林芷昕等，2022)。Balaji 等(2013)研究发现，NAC能通过结构中的巯基还原高铁血红蛋白，提高红细胞的抗氧化能力。NAC还可以代谢生成半胱氨酸、GSH等发挥间接抗氧化作用(田新强等，2008；罗景慧等，2011)。同时，GSH可作为谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽-S-转移酶等的辅助因子或底物来增强机体抗氧化能力(Hou等，2015；侯永清等，2014)。Xie 等(2017)研究指出，饲料中添加0.2%的NAC 增加了草鱼肝胰脏GSH水平，降低脂质过氧化，并增强机体抗氧化能力。同时在含有8%大豆球蛋白的饲料中添加NAC，显著降低了中华绒螯蟹肠道丙二醛含量，提升了过氧化氢酶活性和GSH 含量(韩凤禄，2020)。此外，在欧洲鳗(PEÑA-LLOPIS 等，2003)、罗非鱼(GUTIÉRREZ-PRAENA 等，2012)和 虹 鳟(Alak 等，2019)的研究中也揭示了NAC 能改善水生动物机体抗氧化状态。因此，NAC具有良好的抗氧化特性。

4.提高水产动物抗炎能力

促炎细胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6 等是一类重要的免疫调节因子，其介导的炎症反应在动物免疫调节过程中起重要作用(Zhu 等，2022)，而NAC 可通过多种信号途径调节炎症的发生(Hou等，2015；林芷昕等，2022)。有研究指出，NAC 能够清除ROS、抑制IKKβ 和NF-κB 的核易位来抑制NF-κB 活化，从而抑制下游TNF-α、IL-1β、IL-6等的表达(侯永清等，2014)。NF-κB激活可以促进TNF-α 表达，反之TNF-α 又可作为NF-κB 信号通路的激活因子加剧炎症反应(Zhu等，2022)。而NAC可调节TNF-α与TNF受体1、受体2 的相互作用，降低TNF-α 与其受体的结合，从而抑制NF-κB 信号通路激活(Wang 等，2018)。在罗非鱼的研究中表明，饲料中添加NAC显著下调了海豚链球菌攻毒后头肾组织中IL-1b的相对表达量(Xie 等，2016)。NAC 也下调了脂多糖攻毒下中华绒螯蟹促炎细胞因子(TNF-α、EsRelish和白细胞介素2 增强子结合因子2)的表达(Han 等，2020)。此外，NAC可以有效缓解LPS诱导的肠炎和鼠胶原诱导的关节炎(Wang 等，2013；KRÖGER 等，1997)。孙磊等(2018)认为NAC 可能通过抑制NFκB 下游NLRP3 的激活来减轻其介导的炎症反应，从而减轻LPS 诱导的大鼠急性肺损伤。因此，NFκB 信号通路是NAC 缓解炎症的重要介导途径。此外，NAC 还可以抑制诱导型一氧化氮合成酶分泌，降低一氧化氮以及IL-6 的产生，从而发挥抗炎作用(Li 等，2007)。同样，在仔猪的研究中发现，NAC 还可以通过Toll 样受体途径降低肠炎发生，NAC 通过抑制LPS 刺激下肠黏膜TLR4 mRNA 表达，进而降低血清和小肠黏膜TNF-α 浓度和肠道NFκB p65蛋白丰度(Hou等，2013)。

NAC还可以通过调控MAPK信号通路来调节炎症的发生。MAPK 信号通路是体内重要的介导炎症因子释放、氧化应激和启动凋亡的信号转导途径，也是激活NF-κB 信号通路的主要上游位点(Osaki等，2013)。在大鼠的研究中发现，气管内滴注PM2.5 增加了肺组织中p-ERK1/2 MAPK、p-JNK1/2 MAPK 和p-p38 MAPK 的蛋白质表达，而经NAC 处理后，PM2.5暴露大鼠的MAPK磷酸化蛋白表达显著减少(Fen 等，2019)。NAC 还能通过影响大鼠p38 MAPK信号通路而拮抗顺铂的肾脏毒性作用，NAC抑制了p38 MAPK 激活，减少下游与凋亡相关的细胞因子表达水平(罗景慧等，2011)，这为临床探索解决药物性肾脏损害提供了理论依据。谭利平等(2010)研究发现NAC 可通过抑制p38 MAPK 信号通路的激活对高氧肺损伤起保护作用。此外，NAC显著抑制了TNF-α 诱导的p38 MAPK 和MAPKK3/MAPKK6 激活，从而抑制下游IL-8 表达(Hou 等，2018；Rasheduzzaman等，2019)。NAC调控动物炎症涉及多条信号途径，但目前NAC对水产动物炎症反应的影响机制有待进一步研究。

5.调控水产动物细胞凋亡

NAC具有抗细胞凋亡作用。细胞凋亡是机体为维持内环境稳态而存在的细胞自主、有序的死亡方式，可以被炎性细胞因子、ROS 等启动(Novitsky等，2008)。半胱氨酸蛋白酶在细胞凋亡过程中发挥重要作用，其调控细胞凋亡的发生与发展过程，Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7主要参与细胞因子介导的炎症反应并执行细胞凋亡，其中Caspase-3 最为关键，直接决定细胞的凋亡(Joseph等，2004)。NAC抗凋亡作用可能是通过调节动物机体Caspase的表达来实现的。在中华绒螯蟹的研究中发现，NAC 下调了肝胰腺组织中Caspase-3、Caspase-8 和p53 基因的表达，以及Bax/Bcl2 的比值(Wang 等，2021)，从而缓解T2 毒素诱导的细胞凋亡。在陆生动物中，NAC可以缓解慢性肝病导致的小鼠骨骼肌细胞凋亡，具体表现为降低ROS、Caspase-3 和Caspase-9 含量(Abrigo 等，2020)。同样，在辐射条件下，NAC 可通过抑制Caspase-3 表达来避免大鼠海马细胞的凋亡(Li等，2015)。此外，NAC 能通过影响MAPK 信号通路抑制小鼠肝缺血再灌注损伤诱导的自噬和细胞凋亡，其机制可能涉及通过清除ROS 和抑制MAPK 信号通路，间接增加Bcl2 水平以拮抗半胱氨酸蛋白酶(Wang等，2014)。综上，NAC可以抑制应激状态下Caspase-3的表达，缓解细胞凋亡，从而减轻水产动物机体损伤。

6.抗菌能力

在尼罗罗非鱼的研究中表明，饲料中补充NAC投喂后显著提高了海豚链球菌攻毒下尼罗罗非鱼的抗氧化能力、免疫功能和存活率，这表明NAC 能有效提高动物机体的抗菌能力(Xie 等，2016)。在小鼠的研究中表明，相较于对照组，NAC 组肠道乳酸杆菌、双歧杆菌和肠球菌丰度增加，而大肠杆菌丰度降低，表明NAC能改变小鼠肠道菌群结构(包健等，2014)。NAC可通过调节细胞内信号转导和细胞代谢来发挥抗菌作用(Yi 等，2017)。在体外试验中证实，12.5 毫克/毫升的NAC能够显著抑制痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌的生物膜发育(Eroshenko 等，2017)；并且NAC 可通过降解生物膜的胞外多糖基质从而提高环丙沙星灭杀大肠杆菌的效果(El-Feky等，2009)。以上研究表明，NAC能够通过影响细菌生物膜结构来发挥抑菌作用，这可能归功于NAC与钙、镁的螯合或与细菌生物膜中关键成分的相互作用(Zhao 等，2010)。此外，NAC 作为一种弱有机酸，可以引起动物肠道环境pH 变化，有研究指出NAC 诱导的pH变化是其抗细菌生物膜活性的重要途径(Chang等，2013)。NAC 的抗菌作用并不依赖单一的途径，可能是改变环境pH、抑制细菌生物膜发育、调控细胞内信号转导和细胞代谢等功能的协同作用。

7.调控生殖功能

NAC具有调控生殖的作用。在水生动物中，慢性镉暴露导致河南华溪蟹(Sinopotamon henanense)卵巢氧化应激和组织损伤，而NAC的补充改善了这些不利影响，证实NAC对镉诱导的生殖毒性具有缓解作用(陈红苗等，2017)。

三、小结与展望

N-乙酰半胱氨酸具有改善动物生长性能和肠黏膜发育、提高抗炎和抗氧化能力、调控细胞凋亡和生殖以及抗菌等功能，在养殖生产中具有广泛的应用前景。NAC的生理功能也符合水产新型绿色添加剂的开发要求。由于养殖环境存在差异，陆生动物中的灌服和注射等手段并不适用于水生动物；消化生理结构差异也导致水生动物对NAC的生理响应与陆生动物可能存在差异。此外，水生动物物种特异性，发育阶段、养殖环境和饲料配方组成差异等因素导致机体对NAC 需求量不一致，有待进一步研究。NAC在水产动物中的应用研究处于起步阶段，研究证实NAC能够改善水产动物生长和健康。在饲料中添加投喂是NAC在水产动物生产中应用的发展趋势，需要进一步研究NAC的作用机制和适宜添加剂量，为开发新型绿色饲料添加剂提供参考。