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左旋肉堿(L-carnitine)，又稱左卡尼汀、肉毒素或維生素BT，是一種促使脂肪轉(zhuǎn)化為能量的類氨基酸，對人體無不良反應。它廣泛存在于機體中，肉堿屬于類維生素，是人體自身合成的營養(yǎng)。左旋肉堿是一種天然的，身體脂肪代謝必需的內(nèi)在物質(zhì)。在流行的低脂高碳飲食以及高壓力工作環(huán)境下，每天從膳食中攝入的左旋肉堿不到50mg，而為使身體達到理想的健康狀態(tài)，普通成人每日膳食應不少于500mg的肉堿，事實上，只靠人體合成和普通飲食來源目前還不能達到最理想的肉堿攝入水平。近年來，左旋肉堿作為一種新型的機能性食品添加劑風靡歐美日等地。由于其安全、穩(wěn)定性好，左旋肉堿作為一種人體營養(yǎng)強化劑和補充物正受到有關(guān)方面的重視，得到了廣泛應用，為世界各國普遍接受，國內(nèi)也有含肉堿的嬰兒奶粉及營養(yǎng)品上市。左旋肉堿主要添加于嬰兒奶粉、老年人食品及運動員、高強度作業(yè)者食品和飲料中，或用于肥胖者以及糖尿病患者的食品等。它不僅用于食品，而且在飼料和醫(yī)療方面也有應用，具有非常廣闊的市場前景。
肉堿有L型、D型和DL型，但在水中肉堿擁有L型和D型兩種形式，自然界中只存在L型，哺乳動物中也只存在L型。只有L型肉堿才具有生物活性，D肉堿和D左旋肉堿完全無活性，且它們是左旋肉堿的競爭性抑制劑，抑制左旋肉堿的利用，因此通常所指的肉堿都是指左旋肉堿。左旋肉堿為肉堿系季胺(3-羥基-a-三甲基-氨基丁酸)，化學名為(3R)-(-)-3-羥基-4-三甲銨丁酸(β-羥基-γ-氨基丁酸)［9］，英文名為(3R)-(-)-3-hydroxy-4-(trimethylammonio)butanoate，化學式C7H15O3N，分子量為162.2，熔點210～212℃，旋光度［α］D20=－29.5～32.00(200℃，0.1，H2O)。當pH為中性時，左旋肉堿以內(nèi)酯的形式存在，左旋肉堿(內(nèi)酯)表觀為白色結(jié)晶粉末，易吸潮，略有特殊腥味，為兩性化合物，穩(wěn)定性較好，可在pH3～6的溶液中放置1年以上，能耐200℃以上的高溫，它的組合鍵和官能團具有較好的溶水性和吸水性。在皮膚上展示出高的保濕性能，因此可以在各種保濕的霜膏、柔膚水中使用。
肉堿屬于類維生素，左旋肉堿廣泛存在于動植物、微生物體內(nèi)，是微生物、動物及植物的基本成分之一。人體主要有2種來源：①從膳食中攝取。其中以肉類和乳制品最豐富，蔬菜、谷類水果含量極微甚至無。成人體內(nèi)含肉堿20g左右，機體主要是靠紅色肉類補充。通常植物性食物中肉堿含量低，動物性食物中肉堿含量高。動物性食品中，肉類中含量最高(如山羊肉中左旋肉堿的含量2100mg/kg)，內(nèi)臟次之，蛋類中極少。大多數(shù)動物體有能力合成左旋肉堿，哺乳動物在骨骼肌肉、心臟肌肉含有大量的左旋肉堿。②內(nèi)源性合成。在賴氨酸(其中以L-賴氨酸為主)、蛋氨酸、維生素C、煙堿、維生素B6和還原鐵等的參與下，由人體的肝、腎、腦等主要部位，經(jīng)過5步反應合成左旋肉堿。由于賴氨酸對熱敏感，因此我國人民的飲食習慣容易造成肉堿的缺乏，而肉堿的缺乏會引發(fā)許多疾病。肉堿的生物合成起始于體內(nèi)必需氨基酸、賴氨酸和甲硫氨酸，富含賴氨酸的蛋白質(zhì)在蛋白質(zhì)甲基化酶的催化下，由S-腺苷甲硫氨酸供給甲基將多肽鏈中的賴氨酸轉(zhuǎn)化為ε-三甲賴氨酸，隨后通過體內(nèi)蛋白酶水解生成三甲賴氨酸，三甲賴氨酸再經(jīng)過4步酶促反應生成肉堿。
左旋肉堿是一種天然存在的類維生素的營養(yǎng)素，與動物體內(nèi)的脂肪酸代謝密切相關(guān)，具有多種生理功能的氨基酸物質(zhì)。
1）調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)酰基比率
線粒體內(nèi)酰基CoACoA比率的穩(wěn)定對能量代謝有重要作用，若線粒體基質(zhì)中的乙酰基不及時運出，乙酰CoACoA比率上升，對丙酮酸脫氫酶有抑制作用，從而影響能量代謝。肉堿為載體以酰基肉堿形式將線粒體內(nèi)的短鏈酰基運送到膜外，起到調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)酰基CoA與CoA比率的作用，并為細胞質(zhì)中脂肪酸合成提供乙酰基。脂肪酸經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及線粒體外膜上脂酰輔酶A(CoA)合成酶催化生成脂酰CoA，脂酰CoA與左旋肉堿經(jīng)線粒體外膜上的左旋肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ催化合成脂酰左旋肉堿，脂酰左旋肉堿可在線粒體內(nèi)膜脂酰左旋肉堿轉(zhuǎn)位酶作用下通過內(nèi)膜進入線粒體基質(zhì)，并在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅱ作用下生成脂酰CoA，并釋放出左旋肉堿。
2）促進脂肪酸β-氧化
長鏈脂肪酸是脂肪的主要成分，在人體內(nèi)代謝時以甘油三酯的形式由淋巴管進入靜脈，被輸送并儲存在人體各組織中，容易累積形成脂肪。左旋肉堿在脂肪酸分解過程中起著關(guān)鍵性的作用，如果缺乏，脂肪酸的分解供能將中斷，生命活動將發(fā)生障礙。左旋肉堿主要的功能是作為載體以脂酰肉堿的形式將長鏈脂肪酸從線粒體膜外轉(zhuǎn)運到膜內(nèi)，在線粒體內(nèi)進行β-氧化。促進三羧酸循環(huán)的正常進行，從而產(chǎn)生三磷酸腺苷功能，協(xié)助細胞完成正常的生理功能和能量代謝。
3）抗疲勞功能
乳酸是機體糖無氧酵解的終產(chǎn)物，是導致機體疲勞的重要原因。乳酸在體內(nèi)積累的程度取決于乳酸產(chǎn)生大于清除的速度。左旋肉堿能夠明顯延長小鼠負重游泳時間，具有抗疲勞作用，而其抗疲勞的作用機理主要與左旋肉堿能夠增加肌糖苷原儲備，減少運動后肌糖原消耗，抑制乳酸生成，加速乳酸和尿素氮清除有關(guān)。左旋肉堿可以通過增加脂肪酸氧化供能減少肌糖原的無氧酵解，抑制乳酸生成，同時加速消除運動中積累的乳酸，而延緩運動性疲勞的產(chǎn)生。
4）排毒作用
肉堿可參加支鏈氨基酸代謝產(chǎn)物的運輸，從而促進了支鏈氨基酸的正常代謝。左旋肉堿可排出體內(nèi)過量的或非理性的酰基團，消除機體因酰基積累而造成的代謝毒性；還能促進乙酰乙酸的氧化，在酮體的消除和利用中起作用；防止動物體內(nèi)過量氨產(chǎn)生的毒性，可作為生物抗氧化劑清除自由基，維持膜的穩(wěn)定，提高動物的免疫力以及抗病抗應激的能力。研究發(fā)現(xiàn)肉堿有類似精氨酸、鳥氨酸的作用，促進尿素循環(huán)，使氨降解為尿素，解除氨的毒性。
5）影響氨基酸的代謝
一些支鏈酰基是亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的代謝產(chǎn)物，支鏈酰基的及時運出有利于這些氨基酸的正常代謝。左旋肉堿在體內(nèi)由蛋氨酸和纈氨酸等原料合成，它們的代謝起負反饋調(diào)節(jié)作用；另外，線粒體內(nèi)的一些支鏈酰基是亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的代謝物，左旋肉堿作為載體把支鏈酰基及時運出，有利于這些氨基酸的正常代謝。可參加支鏈氨基酸代謝產(chǎn)物的運輸，從而促進了支鏈氨基酸的正常代謝。
6）其他生理功能
左旋肉堿有儲存能量和把能量從一個器官細胞傳到另一個器官細胞的功能。左旋肉堿和乙酰左旋肉堿合用治療減少弱精子癥，可顯著提高每次射精中前向運動精子和運動精子總數(shù)，提高女方臨床妊娠率，安全有效。研究表明，左旋肉堿對脂溶性維生素及鈣、磷的吸收也有一定作用。向腹透液中加入左旋肉堿，一方面可以改善尿毒癥患者肉堿缺乏所致的一系列癥狀，同時改善腹透液長期高糖作用對腹膜見皮細胞增值的抑制，減少高糖誘導腹膜間皮細胞凋亡。尿毒癥患者由于合成減少，攝入不足可導致體內(nèi)肉堿缺乏。左旋肉堿對高血脂、急性氨中毒和神經(jīng)系統(tǒng)疾病也有效果。
左旋肉堿是一種非常重要的營養(yǎng)素，其主要功能是以脂酰肉堿的形式將長鏈脂肪酸從線粒體膜外運送至膜內(nèi)，從而促進脂肪酸的β-氧化，并調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)酰基CoA/疏基CoA比率，且具有酰基化解毒作用。左旋肉堿同時也能有效降低運動后血中乳酸的濃度。正是這些特性使左旋肉堿在食品添加劑、飼料添加劑和藥物方面有廣泛應用。
1. 作為食品添加劑
人體所需要的左旋肉堿有2種來源，一是靠人體以賴氨酸、蛋氨酸為原料在肝中合成，另一來源是從食物攝取，尤其是肉類和乳制品。健康成人只要膳食合理，一般不需要補充左旋肉堿，而嬰兒及患有左旋肉堿缺乏癥的人需要額外補充左旋肉堿。嬰兒體內(nèi)左旋肉堿的合成能力只有成人的15%，不能滿足其正常的代謝需要，并且嬰兒生長發(fā)育速度快，所需的左旋肉堿的量大，母乳中左旋肉堿的含量較高，一般情況下能滿足嬰兒生長發(fā)育的需要。但現(xiàn)在隨著社會環(huán)境的變化，許多母親由于各種原因不能母乳喂養(yǎng)嬰兒，往往選用奶粉喂養(yǎng)嬰兒，因此需在奶粉中加入適量的左旋肉堿。國內(nèi)外的研究者還發(fā)現(xiàn)對運動員補充適量的左旋肉堿可以極大地提高運動員的最大耗氧量和運動時的能量輸出，而且明顯地減少二氧化碳的產(chǎn)生和血漿中乳酸的濃度。因此可在運動功能食品中加入適量的左旋肉堿。由于左旋肉堿具有促進脂類代謝和間接促進能量生成的作用，肥胖人員通過補充左旋肉堿，并輔以適當運動，會有較好的減肥效果。所以左旋肉堿也是減肥健美食品添加劑。臨床表明左旋肉堿具有抗心肌缺血，抗心率失常，降血脂等作用，隨著年齡的增大，體內(nèi)的左旋肉堿不斷減少，導致心肌細胞活力減退，故老年人需要補充左旋肉堿，可在老年保健食品中添加左旋肉堿。
2. 作為飼料添加劑
研究表明左旋肉堿有促進生豬的生長，提高瘦肉率，提高雞的產(chǎn)蛋率，加快魚蝦的生長速度等作用。隨著工廠化集約式養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，必然要求畜禽高繁殖率及快速生長，常規(guī)飼料中的左旋肉堿含量往往不能滿足新生哺乳幼畜、應激狀況下的禽畜的需要，需額外在飼料中加入左旋肉堿，才能發(fā)揮其最大的生長潛能。
3. 作為藥物
左旋肉堿可用于治療尿毒癥貧血，緩解內(nèi)毒素血癥和保護肝功能，減輕CO中毒后心肌損傷和橫紋肌損傷，改善精子活力，提高配偶妊娠機率等。
步驟：催化劑[RuCl(cymene)(S-BINAP)]Cl的制備
取市場上采購的手性配體S-BINAP(0.535g，0.85mmol)和釕化合物[Ru(p-cymene)Cl2]2(0.29g，0.47mmol)于三頸瓶中，在N2保護下加入無水乙醇60mL和CH2Cl220mL，升溫至50-60℃攪拌反應20h，減壓除溶劑后，得0.87g紅棕色產(chǎn)物[RuCl(cymene)(S-BINAP)]Cl[氯代[(S)-(-)-2，2′-雙(二苯基膦)-1，1′-聯(lián)萘](p-傘花素)氯化釕(II)]。
步驟2：中間體(R)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備
取80g的4-氯乙酰乙酸乙酯于裝備聚四氟襯管的高壓釜中，將高壓釜封閉好后，用5kgf/cm2的純H2(99.99％)洗高壓釜10余次后，向高壓釜中充氫待用。在H2氣氛下將催化劑[RuCl(cymene)(S-BINAP)]Cl(30mg)溶解于300mL的乙酸乙酯溶液中，用注射器小心將其加入高壓釜中，繼續(xù)充氫至5kgf/cm2后，升溫至80℃左右，靜置約20min后，開始攪拌，在此溫度下反應6h后，停止反應，取出物料后經(jīng)減壓蒸餾除去低級烷基酯類溶劑即得高純度產(chǎn)品。經(jīng)GC分析產(chǎn)物。轉(zhuǎn)化率大于99％，ee值96％。
步驟3：左旋肉堿的制備
取上述產(chǎn)物-4-氯-3-羥基丁酸乙酯(4.5g)于圓底燒瓶中，加入33％Me3N20mL，用翻口橡皮塞密封，升溫至80℃，攪拌反應5h，停止反應，減壓蒸餾除去未反應的Me3N后，加入10％的鹽酸溶液40mL，繼續(xù)在100℃下攪拌反應6h，冷至室溫，加入CH2Cl220mL，室溫下攪拌過夜，分離收集水溶液，真空旋干，得棕褐色粘稠狀粗產(chǎn)物。取預先制備好的陰離子交換樹脂約200-300mL，參照硅膠濕法裝好樹脂柱，在頂層小心放置一層玻璃纖維，將上述粘稠狀粗產(chǎn)物倒入裝好的柱中，用去離子水淋洗，控制滴液速度大約為1-2mL/min，當流出溶液的pH＞8時開始收集，收集至流出液的pH約為8時停止收集。將所得的溶液減壓抽干。用乙醇/丙酮(1/7)重結(jié)晶，得到無色針狀晶體(左旋肉堿)，將所得肉堿產(chǎn)品于60-80℃下真空干燥1-2小時即得純品，產(chǎn)量4.0g，收率為86％。測定上述所得產(chǎn)品的比旋光度為，[α]D23-30.1。
[1] 左旋肉堿的生理功能及在功能性食品中的應用
[2] 左旋肉堿的合成與應用
[3] CN201210089733.8一種左旋肉堿的制備方法