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肉堿學名γ-三甲胺-β-羥丁酸，它的結構與甜菜堿以及膽堿相似，是一種類維生素營養素。肉堿是長鏈脂肪酸進入線粒體進行β－氧化所必需的，它的分子量為162 , 分為左旋和右旋兩種異構體。由于肉堿乙酰轉移酶和肉堿脂酰轉移酶的相互競爭性抑制了D-肉堿乙酰轉移酶的活性，因此，D-肉堿不具有生理活性，實際發揮作用的只有L-肉堿。L-肉堿主要存在水產動物骨骼肌和心肌中，且成年水產動物的肝、腎和腦可利用賴氨酸、蛋氨酸、煙酸、維生素B6、維生素C以及二價鐵離子合成肉堿。因此，一般情況下，成年水產動物很少出現肉堿缺乏，但在幼體時期，由于生長速度過快，水產動物需要的肉堿量遠大于機體自身的合成量，因此，此時其飼料中必須添加一定量的肉堿。L-肉堿是一種水溶性氨基酸，性能穩定，能耐200℃以上的高溫，因此，在配制飼料時，我們可以忽略因飼料加工而造成的肉堿損失。同時，肉堿基本無毒，它的毒性與氨基酸接近,各種試驗表明,L-肉堿的半致死量可達6 000mg/kg以上。因此，肉堿是一種安全的綠色添加劑。
肉堿是脂肪代謝過程中的一種必需的輔酶，能促進脂肪酸進入線粒體進行氧化分解。肉堿含量越高越利于脂肪的代謝，它好像一部鏟車，鏟起脂肪進入燃料爐中燃燒。脂肪如果不進入線粒體，不管如何鍛煉、如何節食，都不能消耗它。而肉堿正好充當了脂肪到線粒體的“搬運工”。科學研究表明，肉堿能明顯降低血液中甘油三酯和總膽固醇的水平，如果配合以適當的運動，就可以達到“以肉減肉”的神奇效果。
研究人員表示，肉堿是一種新的營養成分，目前已有多個國家將肉堿作為制造營養品的重要成分。運動員食用肉堿含量高的食物能增加運動員的體力、耐力和抗疲勞能力，老年人食用肉堿也能增強人體酶和激素的活力，尤其能對心臟的營養提供重要的供給。
同時，肉堿促能夠進碳水化合物和氨基酸的利用，提高抗氧化活性，有助于身體內的抗衰老活動，因此肉堿的延緩衰老、抗氧化作用非常明顯。
肉堿是一種類氨基酸，屬于季銨陽離子復合物，它是一種天然的水溶性維生素營養物質，可以透過生物合成方法從賴氨酸及蛋氨酸兩種氨基酸合成產生，在體內與脂肪代謝成能量有關。大部分機體所需的肉堿成份來源于飲食中的肉類和奶制品。多項研究發現，各種肉類含肉堿的量各有不同，在每100克肉中，牛肉95毫克，而羊肉則高達281毫克。
羊肉肉堿含量比其它肉類更要高出許多，是最理想的肉堿來源。另外，羊肉中脂肪含量非常低，脂肪的融點又比其他肉類脂肪要高。所謂脂肪的融點，指的就是它由固體轉化為液體所需的溫度，牛肉40℃，而羊肉是44℃。因此，羊肉脂肪較牛肉脂肪不易被身體吸收，也就不易成為肥胖的來源。
1.1參與長鏈脂肪酸的轉運和β-氧化，調節能量代謝
脂肪酸的β-氧化是在肝臟和其它組織的線粒體β-氧化區內進行的。長鏈脂肪酸不能直接進入線粒體內膜，它必須先經脂酰CoA活化為長鏈脂酰CoA，長鏈脂酰CoA再以肉堿為載體才能進入線粒體的β-氧化區，從而使脂肪酸氧化得以進行。因此，當在飼料中添加肉堿時，機體內的游離肉堿量提高，可以促進線粒體內的β-氧化，提高組織對脂肪酸的利用。
1.2 節約賴氨酸和蛋氨酸，降低體蛋白分解
L-肉堿主要是以蛋氨酸和三甲基賴氨酸為原料合成的，因此，飼料中添加L-肉堿能減少內源性L-肉堿的合成，節約部分賴氨酸和蛋氨酸，降低體蛋白的分解，增加體內蛋白質的含量。
1.3 防止機體代謝性中毒
Harpey等認為，當肌肉運動時，破壞肌肉細胞膜的短鏈酰基CoA化合物在肌肉細胞中積累，酰基肉堿可移去這些化合物并將它們從尿液中排出或作為能量利用，防止體內酰基過量而產生毒性，從而起到保護細胞膜的作用。
1.4 提高飼料利用率
L-肉堿能夠調節胃腸功能，促進胃液、腸液的分泌，提高消化酶的活力，從而提高飼料的利用率。L-肉堿能提高肥育豬的消化活力和蛋白質的消化率，顯著提高仔豬對干物質、粗蛋白和粗脂肪的消化率。
2.1 作為水產動物詞料添加劑
L一肉堿在水產動物養殖中已經取得了十分顯著的應用效果。劉萬涵等在對不同種類的魚蝦試驗中發現，添加100mg/kg L-肉堿的魚試驗組增重率為11%-63%，餌料系數下降9%-2.84%。試驗組增重率為10.70%-100%，餌料系數下降6.87% -10%。對補充肉堿的鯉魚的肉質進行評價，發現試驗組的粗蛋自質提高3.02%，含脂率下降5.42%，必需氨基酸比例、必需氨基酸指數、蛋自質3項指標試驗組均高于對照組，差異極顯著，并且可食部分比例提高4.7%。Bnrtle在12g蛤魚詞料中添加0.1%的肉堿，于28℃水溫下飼養12周，試驗魚苗的平均日增重為0.74 g，比對照組0.6 g高7.25%。在鯉魚、虹鮮魚詞料中添加100 mg/kg的肉堿，其平均增重率可達18.7%。還有研究報道：在鰻魚、對蝦餌料中添加10 mg/kg的L-肉堿可以提高其生長率。不同的研究者報道，在鯉魚、草魚、團頭魷餌料中添加10 mg/kg的L-肉堿，可以提高其生長速度。
2.2 用做豬詞料添加劑
2.2.1 應用于初生仔豬:
Coffey等研究表明，2日齡的乳豬詞喂低L-肉堿的日糧，降低了肝臟、血漿中的L一肉堿水平和棕稠酸的氧化，當給21日齡仔豬喂以高L-肉堿日糧時，其生長速度快于低L-肉堿的日糧組。Bornm報道在初生仔豬日糧中添加L-肉堿可以幫助仔豬提高氧化脂肪酸和酮體作為能源的能力，從而更好地適應從胎盤的碳水化合物營養過渡到高脂肪的母乳營養。Kempen等發現，當以中等鏈長的脂肪酸作為能源，并且其含量超過初生仔豬代謝需要的50%的時候，L-肉堿使脂肪酸的氧化率提高了20% 。
2.2.2 應用于斷奶仔豬
Kerner報道剛斷奶的仔豬合成L-肉堿的量很低，因此，在這一階段利用L-肉堿提高能量利用效率具有很大的潛力。Mahan、Tokach等研究表明，剛斷奶仔豬利用高營養濃度日糧中的脂肪有困難，這可能通過添加L-肉堿加以解決。Owen等報道，在旱期斷奶仔豬日糧中添加L一肉堿能減少胭體脂肪沉積和提高詞料轉化率。Fremant發現L-肉堿具有減小斷奶應激的影響，同時改善生長參數的作用。有研究認為，L-肉堿在仔豬斷奶后馬上就能提高生產性能。但另一研究表明，L-肉堿是在斷奶3周后才提高仔豬的生產性能（Weeden等; Galvez等），Galvez等認為這可能是由于母豬乳中和仔豬生物合成的L-肉堿在仔豬體內大量積累的結果。
Hoffinan等在3日齡仔豬日糧中添加L-肉堿后并米發現能提高增重和詞料轉化率。Owen等認為造成以上差異的原因可能是由于不同的日糧組成和營養水平。如Newton等發現當日糧中含高水平賴氨酸時，在仔豬日糧中添加L-肉堿對生產性能是不利的。L-肉堿是由賴氨酸和蛋氨酸合成的,因此添加L-肉堿可能具有節約賴氨酸和蛋氨酸的作用。但Han等研究發現,添加L-肉堿使表觀飼料利用率提高,但差異不顯著,總能和干物質的消化率改善,但并未發現L-肉堿有節約賴氨酸的作用。
2.2.3應用于母豬
Hahus等報道，L-肉堿能通過母鼠的乳汁傳遞給幼鼠,并且優先在氧化脂肪酸的組織中積累。Schiff等也報道,新生嬰兒血漿中L-肉堿水平主要依賴于外源L-肉堿的攝入。因而,通過飼料給哺乳母豬補充L-肉堿應該能提高L-肉堿在乳汁中的含量。Musser等在試驗中發現飼喂母豬50 mg/kg L-肉堿有減少斷奶到發情天數的趨勢。然而最近有人認為在泌乳期母豬日糧中添加L-肉堿可能會因加強脂肪酸分解產能的效率而減少肌肉蛋白質的分解代謝。美國明尼蘇達大學研究小組報道,在泌乳母豬日糧中添加100 mg/kg L-肉堿,使肌肉蛋白質降解減少而脂肪分解增加,但未改變母豬采食量、母豬失重和乳汁成分。
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肉堿被比喻為細胞線粒體的“將未用的新煤投入到爐內的鏟子”，因為它可以協助肌肉的生長而廣泛運用在健身愛好者之中，這也是肉堿可以用來幫助心臟病人的原因。1905年首次從肉提取素中分離出肉堿，因此“肉堿”之名實際是指它是肉類來源。植物性食物中不含有肉堿，紅肉中所含的肉堿最高。因此，一般來說，素食者會比較缺乏肉堿。
肉堿對男性的性功能恢復也有一定幫助，這同樣是因為它可以增加血管和肌肉的彈性的特點。
人的肝臟和腎能在體內能將賴氨酸和蛋氨酸的前體（制造用的原材料），以及維生素C、煙酸、維生素B6和鐵的輔助因子合成而制造出肉堿。這些前體中的任何一種元素的缺失都會導致肉堿的缺乏，而肉堿的缺乏則會導致血液、肝和肌肉中的脂肪堆積，并可能因為肌肉、血管缺乏彈性而導致虛弱癥狀，因此嬰兒的飲食中一般要求有肉堿。
最近一些營養學者勸說要將肉堿作為一種必需營養素，像煙酸一樣。