水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)飼料中磷的利用研究進(jìn)展

浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院 陸 靜 邵慶均

水產(chǎn)動(dòng)物在養(yǎng)殖過(guò)程中氮、磷等元素過(guò)量排放引起的水體生態(tài)系統(tǒng)變化備受關(guān)注。減少養(yǎng)殖水體染已經(jīng)成為保持世界水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。雖然氮、磷同為造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要元素，但藻類等水生生物對(duì)磷更為敏感。當(dāng)水體中磷處于低濃度時(shí)，即使氮濃度能滿足藻類等水生生物的需要，其生產(chǎn)力也會(huì)降低。因此，控制磷污染顯得更為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)1 t金頭鯛或普通鯉魚(yú)分別排放總磷13 kg左右（Watanabe 等，1999；Alvarado，1997）。因此從飼料方面來(lái)減少磷的排放是可推廣的有效方法之一。本文就影響水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)飼料中磷利用的因素作一綜述。

1 常見(jiàn)養(yǎng)殖魚(yú)類對(duì)磷的需要量

磷是核酸和細(xì)胞膜的重要組成礦物質(zhì)元素，也是骨組織的主要結(jié)構(gòu)成分，且直接參與所有產(chǎn)生能量的胞內(nèi)反應(yīng)（NRC，1993）。魚(yú)類能夠在水中直接吸收磷元素，但水中磷濃度較低，遠(yuǎn)不能滿足需要量，因此需要從飼料中攝取。而且，魚(yú)類對(duì)鈣的吸收受磷含量的影響，反之亦然，一般情況下魚(yú)類適宜的鈣磷比為1∶（1～2）。表1為常見(jiàn)養(yǎng)殖魚(yú)類對(duì)磷的需要量。

由于影響魚(yú)類磷需要的因素較多，不同研究者的試驗(yàn)方法不同，試驗(yàn)條件的差異等，結(jié)論各有不同。另外，研究者一般以體增重、血清磷含量、骨骼磷含量等為作為判定魚(yú)類對(duì)磷需要量標(biāo)準(zhǔn)，因此，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步統(tǒng)一。

表1 常見(jiàn)養(yǎng)殖魚(yú)類對(duì)磷的需要量

2 不同養(yǎng)殖魚(yú)類對(duì)磷的消化率

鯉科（草魚(yú)、鯉魚(yú)等）、麗魚(yú)科（羅非魚(yú)等）和鮭科（大麻哈魚(yú)、虹鱒、嘉魚(yú)等）魚(yú)類占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖類的80%以上（FAO，2009）。大量文獻(xiàn)顯示，不同魚(yú)類對(duì)磷的表觀消化率相差很大。虹鱒對(duì)魚(yú)粉中磷的利用率為17%～81%，羅非魚(yú)為27%～65%；虹鱒對(duì)大豆粉中磷的利用率為20%～35%，而鯉魚(yú)為33%，羅非魚(yú)為35%～47%（Fu ruya 等 ，2001a；Mira.n.da 等 ，2000；Sugiura 和Hardy，2000；和， 2005）。 魚(yú)類在消化系統(tǒng)解剖學(xué)和生理學(xué)上的差異，是磷在不同魚(yú)種之間消化和吸收差異的重要原因。鯉科魚(yú)類不能很好地消化低溶解度的磷化合物，對(duì)骨磷的消化率幾乎為零，相比麗魚(yú)科和鮭科魚(yú)類磷酸氫鈣鹽的消化率 （62%～64%），鯉科魚(yú)類只有30%（Hua和 Bureau，2010）。 存在這些差異的原因可能是鯉科魚(yú)類為無(wú)胃魚(yú)，因此缺乏一個(gè)利于磷化合物溶解的酸性環(huán)境。此外，鯉科和鮭科魚(yú)類不能很好地利用植物成分中的植酸磷，而羅非魚(yú)能較好地利用（Hua 和 Bureau，2010）。 Ellestad等（2002）在尼羅羅非魚(yú)腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)了較強(qiáng)活性的植酸酶，而在雜交條紋鱸魚(yú)和鯉魚(yú)中鮮現(xiàn)。而且，羅非魚(yú)大腸中的微生物發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的植酸酶或有機(jī)酸有助于其消化植酸磷。另外，鯉科魚(yú)類的腸道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且相對(duì)較短，減少了消化酶作用的時(shí)間及強(qiáng)度，從而影響磷的消化率。

3 水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)不同形式磷的利用率

3.1 不同來(lái)源 在配合飼料中，不同飼料原料的磷利用率存在明顯差異。在常見(jiàn)動(dòng)物性原料中，魚(yú)粉和肉骨粉富含鈣磷元素，是飼料總磷的主要來(lái)源（Halver和 Hardy，2002）。研究表明，以魚(yú)粉為主要蛋白源的日糧含磷水平超過(guò)了維持魚(yú)類良好生長(zhǎng)的最低需求（Satoh等，2003）。但是，磷在魚(yú)粉中的存在形式（磷酸三鈣復(fù)合物）對(duì)有些養(yǎng)殖魚(yú)類來(lái)說(shuō)是很難被利用的，在生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)加工技術(shù)或化學(xué)方法處理來(lái)改變其存在形式，從而提高磷的利用率。在植物性原料中，磷以植酸鹽的形式存在，這種存在形式的磷對(duì)大部分魚(yú)來(lái)說(shuō)利用率均較低。因此，磷利用率的變化在很大程度上是由磷的來(lái)源決定的（表2）。

為減少磷排放，在配制飼料時(shí)盡量使用可消化磷含量高的蛋白源。通常情況下，多種蛋白源混合的飼料在不影響魚(yú)的生長(zhǎng)性能的情況下具有較低的磷排泄水平。

3.2 不同化學(xué)形式 Riche和Brown（1996）研究發(fā)現(xiàn)，虹鱒對(duì)磷的有效利用率最大值出現(xiàn)在其對(duì)日糧磷最適需求量附近，Satoh等（1997）和Sugiura等（2000）也得到類似結(jié)果。因此，為使飼料磷水平正好或盡量接近該養(yǎng)殖魚(yú)類生長(zhǎng)的最佳需求，在生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)需要添加一定量的無(wú)機(jī)或有機(jī)磷化合物。磷的利用率與其溶解度有關(guān)，溶解度越高利用率越大（Pimentel-Rodrigues和Oliva-Teles，2007）。并且，不同磷源對(duì)添加水平變化的反應(yīng)也是有差異的，Ca（H2PO4）2和 Ca3（PO4）2的表觀消化率在低于需要水平的時(shí)候更高，而此時(shí)CaHPO4的消化率降低，引起這些結(jié)果的機(jī)制還尚待研究。

表2 魚(yú)飼料中常見(jiàn)原料中磷的利用率

Niu等（2008）研究表明，添加 KH2PO4組南美白對(duì)蝦的生長(zhǎng)性能（增重量，特定生長(zhǎng)率）和存活率顯著優(yōu)于添加 NaH2PO4或 Ca（H2PO4）2組。同樣以南美白對(duì)蝦為研究對(duì)象，Davis和Arnold（1994）測(cè)得無(wú)機(jī)磷源的利用率， 結(jié)果表明，Ca（H2PO4）2、CaHPO4、Ca3（PO4）2、KH2PO4和 NaH2PO4中磷的表觀利用率分為46.13%、19.11%、9.19%、68.11%和68.12%。因此，KH2PO4可作為南美白對(duì)蝦的最佳磷源 （最適總磷添加量為20.9～22.0 g/kg），原因可能跟滲透壓和酸堿平衡有關(guān)。鈉鉀離子是海水動(dòng)物的細(xì)胞外離子，蝦類的細(xì)胞膜含有一個(gè)能量依賴性的鈉泵，可以把鈉離子從細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外環(huán)境中，因此需要更多的鉀離子來(lái)平衡細(xì)胞內(nèi)減少的鈉離子，細(xì)胞外具有高濃度的鈉離子，細(xì)胞內(nèi)具有高濃度的鉀離子。這樣形成的鈉鉀離子濃度差激活A(yù)TP酶，利于海洋生物對(duì)環(huán)境的生理適應(yīng)（Zhu 等，2004）。 Roy 等（2007）研究認(rèn)為，日糧中鉀含量的增加有助于提高水產(chǎn)動(dòng)物的存活率?？傮w來(lái)說(shuō)，水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)磷的生物利用率高低順序?yàn)椋篕H2PO4＞ CaH2PO4＞ Ca（H2PO4）2或 CaHPO4＞ Ca3（PO4）2。

4 添加植酸酶對(duì)磷利用的影響

4.1 魚(yú)粉替代蛋白 植物性原料部分替代魚(yú)粉，在經(jīng)濟(jì)效益和低磷可持續(xù)水產(chǎn)飼料配方評(píng)估上均有很大的優(yōu)勢(shì)。植物原料中的植酸磷很難被魚(yú)類應(yīng)用，因此需要通過(guò)添加外源性植酸酶來(lái)提高飼料磷的利用率。例如，在大豆替代蛋白飼料中添加植酸酶可以改善胃腸道內(nèi)植酸鹽的水解作用，從而增加磷的消化和吸收率。不同魚(yú)粉替代蛋白質(zhì)添加植酸酶對(duì)磷排放的影響見(jiàn)表3。

表3 添加植酸酶對(duì)磷排放的影響

由表3可知，不同養(yǎng)殖種類的植酸酶適宜添加量不同，且即使同一養(yǎng)殖種類添加相同水平的植酸酶，在不同的飼料配方或養(yǎng)殖環(huán)境中，其減少磷排放的作用也有所差異。因此，要根據(jù)養(yǎng)殖種類、年齡、替代蛋白種類等因素調(diào)整添加水平，此外，還需要考慮到養(yǎng)殖系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝等條件對(duì)植酸酶的影響。

4.2 不同來(lái)源的植酸酶 引起表3中結(jié)果差異的另一原因可能是添加的植酸酶來(lái)源的不同。植酸酶屬于磷酸單酯水解酶，是磷酸酶的一種特殊類型。目前確認(rèn)的植酸酶有兩種類型，一種是存在于植物、酵母、霉菌和細(xì)菌中且需要Mg2+參與催化過(guò)程的3-磷酸水解酶（EC 3.1.3.8），這種植酸酶作用于植酸鹽時(shí)，最先水解的是肌醇3號(hào)碳原子位置的磷酸根；另一種植酸酶為6-磷酸水解酶（EC 3.1.3.26），只存在于植物籽實(shí)中，其首先水解的是肌醇3號(hào)碳原子位置的磷酸根。動(dòng)物胃腸道植酸酶一般有三種來(lái)源，分別來(lái)自飼料中動(dòng)植物原料、微生物發(fā)酵產(chǎn)生和人工添加。

由于飼料原料來(lái)源的植酸酶活力較低，且在加工過(guò)程中的熱處理會(huì)使其失活，而遺傳工程技術(shù)的發(fā)展使產(chǎn)酶微生物能以適宜的成本生產(chǎn)足夠濃度的酸性植酸酶，因此，目前商用植酸酶大多來(lái)源于微生物，而微生物中植酸酶種類繁多，性質(zhì)各有差異（表 4）。

飼料生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)養(yǎng)殖魚(yú)類消化系統(tǒng)的不同生理?xiàng)l件，需要選擇合適的植酸酶種類。同時(shí)，尋找一種常見(jiàn)養(yǎng)殖種類均能適用，即具有高耐熱穩(wěn)定性的中性植酸酶將是植酸酶研究工作中非常重要的一步。

表4 微生物植酸酶特性

4.3 植酸酶的不同添加方式 目前，植酸酶的添加方式有：直接混合添加；以包膜形式添加或制粒后噴霧添加；添加至經(jīng)干燥處理的植物性原料中發(fā)酵預(yù)處理 （Cheng 和 Hardy，2003；Vielma 等，1998；Cain 和 Garling，1995）。 每種添加方式都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，植酸酶的作用效果存在差異，但目前有關(guān)這方面的研究報(bào)道還較少。

陳京華和麥康森（2010）在5000.0 g豆粕中添加2.5 g植酸酶，然后用產(chǎn)朊假絲酵母（Candida utilis）進(jìn)行發(fā)酵預(yù)處理。相比未添加植酸酶組和直接添加植酸酶組，植酸酶預(yù)處理豆粕組的磷排放率分別減少了 33.15%、9.36%。Denstadli等（2007）以大豆?jié)饪s蛋白為基礎(chǔ)飼料，比較了大西洋鮭對(duì)添加發(fā)酵預(yù)處理植酸酶和包膜植酸酶的差異，結(jié)果表明，發(fā)酵預(yù)處理組腸道的磷消化率顯著高于包膜植酸酶組，表明植物性原料的發(fā)酵預(yù)處理能顯著提高磷的消化率。

4.4 其他 維生素D最基本的功能是促進(jìn)腸道鈣磷的吸收，提高血液鈣和磷水平，促進(jìn)骨的鈣化。在哺乳動(dòng)物飼料中添加維生素D3能顯著提高磷的消化率和吸收率，并能促進(jìn)腎臟對(duì)磷的重吸收，從而減少磷的排放（Lee等，1986）。 Avila等（2000）在虹鱒腸道發(fā)現(xiàn)了與哺乳動(dòng)物類似的鈉依賴性磷運(yùn)輸機(jī)制。因此，大量研究者將維生素D3添加到水產(chǎn)動(dòng)物飼料中，從磷代謝方面來(lái)控制磷的排放。Srivastav等（1997）研究報(bào)道，腹腔注射25-羥基維生素D3或1，25-二羥基維生素 D3均能提高淡水鯰魚(yú)的血漿磷濃度，對(duì)虹鱒（Cheng和Hardy，2003）、 美國(guó)鰻魚(yú) （Fenwick 和Vermette，1989）也有類似報(bào)道。說(shuō)明，低磷高維生素D3飼料能夠通過(guò)調(diào)節(jié)磷代謝降低養(yǎng)殖污水可溶性磷和糞便磷水平。

另外，降低腸道pH能提高磷和植酸鹽的溶解率，使之在腸道更好地被吸收。因此，可以通過(guò)補(bǔ)充有機(jī)酸來(lái)降低腸道pH，并能像螯合作用一樣吸附腸道上的多種陽(yáng)離子 （Ravindran和Kornegay，1993）。 Sarker等（2011）研究了在魚(yú)粉及植物性原料為主的日糧中添加有機(jī)酸對(duì)黃鰤?mèng)~仔魚(yú)生長(zhǎng)及氮磷利用的影響，結(jié)果表明，在飼料中添加有機(jī)酸（檸檬酸）后，魚(yú)粉中的磷酸三鈣鹽能夠在檸檬酸的作用下釋放足夠的磷以滿足魚(yú)類的生長(zhǎng)需要，而無(wú)需再添加其他形式的無(wú)機(jī)磷。而且，魚(yú)體灰分中磷含量增加的同時(shí)試驗(yàn)組具有更好的生長(zhǎng)性能，說(shuō)明添加有機(jī)酸能顯著提高磷及其他元素的利用率。

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