水產(chǎn)飼料的蛋白源問(wèn)題
——提高飼料蛋白質(zhì)利用率新思路

2021-01-29 06:17:54中國(guó)海洋大學(xué)山東青島266100

飼料工業(yè) 2021年1期

（中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266100）

麥康森呂美東何艮

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒(méi)有蛋白質(zhì)就沒(méi)有生命。魚粉是水產(chǎn)飼料中最重要的飼料蛋白源之一，國(guó)際上超過(guò)2/3 的魚粉被用作水產(chǎn)飼料，在中國(guó)達(dá)60%左右。魚粉主要用于水產(chǎn)飼料，其次是豬和寵物的飼料，禽類飼料中較少使用。水產(chǎn)飼料配方中嚴(yán)重依賴魚粉，因此談到水產(chǎn)飼料蛋白源就一定會(huì)涉及魚粉。根據(jù)戰(zhàn)略分析報(bào)告，隨著人口的增長(zhǎng)，人們對(duì)水產(chǎn)品的消費(fèi)需求越來(lái)越多，預(yù)計(jì)未來(lái)魚粉產(chǎn)量將會(huì)維持在500 萬(wàn)噸左右，不可能再繼續(xù)增加。加之水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對(duì)魚粉的需求越來(lái)越大，因此水產(chǎn)養(yǎng)殖營(yíng)養(yǎng)學(xué)家們一直在尋找替代魚粉和減少魚粉使用量的解決方案，即研究如何提高現(xiàn)有魚粉的利用率或者開(kāi)發(fā)新的蛋白源來(lái)替代魚粉，魚粉替代已是一個(gè)世界性難題。

1 提高飼料蛋白質(zhì)利用率的理論基礎(chǔ)

魚粉是目前應(yīng)用最為廣泛的水產(chǎn)飼料蛋白質(zhì)，與其他蛋白源（植物蛋白、陸生動(dòng)物蛋白、單細(xì)胞蛋白、昆蟲蛋白）具有顯著的區(qū)別。研究表明，以非魚粉蛋白源為主要蛋白質(zhì)原料時(shí)，即使在氨基酸、能量、脂肪酸、無(wú)機(jī)鹽和維生素等組成方面都與魚粉為主要蛋白源的飼料盡可能一致，水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)還是比不上魚粉飼料，即飼喂魚粉飼料比飼喂其他蛋白源飼料的水產(chǎn)動(dòng)物具有更好的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，這表明除了已知的營(yíng)養(yǎng)成分外，魚粉中還必然存在一些其他蛋白源沒(méi)有的未知生長(zhǎng)因子。過(guò)去，人們往往主要考慮蛋白源之間的差異導(dǎo)致的水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生產(chǎn)性能的不同，即考慮影響生產(chǎn)性能的外因較多，而對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物本身對(duì)不同蛋白源飼料的消化吸收和代謝的內(nèi)在反應(yīng)——內(nèi)因研究較少。因此，同時(shí)考慮研究外因與內(nèi)因?qū)︼暳系鞍踪|(zhì)利用率的影響具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 魚粉與其他蛋白源的組成差異

在開(kāi)展魚粉與其他蛋白源組成的差異研究中，通常根據(jù)現(xiàn)有的營(yíng)養(yǎng)學(xué)知識(shí)，比較研究其適口性、主要營(yíng)養(yǎng)成分（蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、脂肪酸、礦物質(zhì)和能量等）、營(yíng)養(yǎng)拮抗因子和消化率等指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，魚粉中營(yíng)養(yǎng)成分含量豐富，而傳統(tǒng)上認(rèn)為一些非必需的物質(zhì)，在替代魚粉的飼料中卻起到非常重要的作用。當(dāng)然，在非魚粉蛋白源中，尤其是植物蛋白源中同樣存在一些未知的營(yíng)養(yǎng)拮抗因子。逐步探索研究正反兩方面的未知因子的作用機(jī)理，對(duì)最終解決魚粉替代的難題至關(guān)重要。

1.1.1 牛磺酸

魚粉中富含牛磺酸，是其他蛋白源中含量較低甚至缺乏的重要活性物質(zhì)。在不同的飼用蛋白源中，牛磺酸在魚粉中的含量最高，其次是肉骨粉、酵母，在植物蛋白中含量少。因此，用不同蛋白源設(shè)計(jì)配方時(shí)，非魚粉蛋白源中牛磺酸就會(huì)顯著不足。牛磺酸在魚體內(nèi)合成能力差，盡管不參與蛋白質(zhì)的合成，但對(duì)于維持魚體滲透壓平衡、抗氧化、抗應(yīng)激等具有重要作用。此外，牛磺酸對(duì)魚機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、肝臟、肌肉等也具有非常重要的作用。當(dāng)用非魚粉蛋白源飼料飼喂時(shí)，由于牛磺酸不足，就會(huì)逐漸暴露出牛磺酸缺乏引起的營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)魚類自身合成牛磺酸的能力有限。究其原因，自身合成牛磺酸的途徑一般需要以蛋氨酸、半胱氨酸為前體，經(jīng)過(guò)半胱亞磺酸脫羧酶等關(guān)鍵酶催化成亞牛磺酸，進(jìn)而形成牛磺酸。但大多數(shù)魚類上述代謝通路的活力非常弱，遠(yuǎn)不及大鼠、小鼠等物種。深入探究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)魚類中牛磺酸合成的關(guān)鍵酶——半胱亞磺酸脫羧酶的底物結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生突變，牛磺酸合成效率低，尤其是海水魚更為嚴(yán)重。因此水產(chǎn)飼料中必須含有一定量的牛磺酸，而這個(gè)來(lái)源最直接的就是飼料成分魚粉。因此，在非魚粉蛋白源為主的水產(chǎn)飼料中，必須要考慮補(bǔ)充添加牛磺酸的問(wèn)題。

1.1.2 羥脯氨酸

羥脯氨酸是構(gòu)成膠原蛋白的主要成分，高等動(dòng)物可以由脯氨酸羥化酶催化脯氨酸形成，但魚類羥脯氨酸的合成能力較弱，需要外源補(bǔ)充。魚粉同時(shí)也是活性物質(zhì)——羥脯氨酸的優(yōu)質(zhì)來(lái)源，植物蛋白和其他蛋白源含量很低。當(dāng)飼料中的魚粉被植物蛋白替代到一定水平后，魚體羥脯氨酸的水平會(huì)出現(xiàn)明顯下降，進(jìn)而可影響膠原蛋白的合成與生長(zhǎng)。因此，要實(shí)現(xiàn)魚粉的有效替代，飼料中額外添加一定量的羥脯氨酸就顯得非常重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飼料中60%的魚粉被植物蛋白替代后，魚體的特定生長(zhǎng)率顯著下降，補(bǔ)充0.6%的羥脯氨酸可顯著改善其生長(zhǎng)，并提高血漿和肌肉羥脯氨酸含量以及肌肉膠原蛋白含量。此外研究發(fā)現(xiàn)，飼料中充足的羥脯氨酸含量對(duì)于魚體背肌硬度、咀嚼度、彈性等品質(zhì)指標(biāo)均具有改善作用，這與羥脯氨酸是膠原蛋白的組成成分有關(guān)。

1.1.3 維生素D3

眾所周知，維生素D3對(duì)于水產(chǎn)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)具有重要的意義，這與鈣、磷的吸收有關(guān)。植物來(lái)源與魚粉、魚油來(lái)源的維生素D存在顯著差異，植物來(lái)源的一般為維生素D2，魚粉魚油來(lái)源的是維生素D3。研究表明，相對(duì)維生素D2，維生素D3對(duì)促進(jìn)鈣磷吸收、骨骼礦化、免疫分化更有效。研究發(fā)現(xiàn)，維生素D3與脂肪代謝也有顯著關(guān)聯(lián)，維生素D3缺乏可顯著抑制魚類生長(zhǎng)。維生素D3能夠通過(guò)誘導(dǎo)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ-1α（Pgc1α）的表達(dá)，促進(jìn)體脂肪的氧化供能利用，提高蛋白質(zhì)沉積率。當(dāng)維生素D3缺乏時(shí)，魚體腹部脂肪不能轉(zhuǎn)化為能量而大量沉積。因此，在魚粉和魚油用量不高的水產(chǎn)飼料中，必須要補(bǔ)充添加維生素D3。

1.2 各類抗?fàn)I養(yǎng)因子

研究發(fā)現(xiàn)，與魚粉相比，豆粕等植物蛋白中存在多達(dá)十幾種魚粉沒(méi)有的抗?fàn)I養(yǎng)因子。目前已經(jīng)證實(shí)這些抗?fàn)I養(yǎng)因子可產(chǎn)生毒害作用，如大豆皂甙可引起消化道黏膜上皮組織損傷、微絨毛脫落；棉酚可引起魚類肝臟纖維化等一系列的問(wèn)題。因此要實(shí)現(xiàn)植物蛋白源替代魚粉，必須明確這些植物蛋白源中抗?fàn)I養(yǎng)因子的負(fù)面效應(yīng)和作用機(jī)理，以針對(duì)性研發(fā)出相應(yīng)的消除或鈍化技術(shù)。

1.3 體蛋白質(zhì)沉積潛能差別

魚粉與其他飼料蛋白源相比，其在蛋白質(zhì)含量、氨基酸平衡、表觀消化率以及牛磺酸和羥脯氨酸等活性物質(zhì)的含量上均具有優(yōu)勢(shì)，而且不含抗?fàn)I養(yǎng)因子，傳統(tǒng)上歸為外因的差異。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，盡管可以找到蛋白含量更高、表觀消化率更優(yōu)的蛋白源，也可以補(bǔ)充牛磺酸、氨基酸等，甚至可以去除抗?fàn)I養(yǎng)因子，但是替代魚粉后仍然無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。研究發(fā)現(xiàn)，魚粉與其他蛋白源相比，推動(dòng)體蛋白沉積的能力存在顯著差異，這就需要從內(nèi)因角度研究，即從營(yíng)養(yǎng)感知和蛋白質(zhì)的代謝調(diào)控角度研究魚體對(duì)不同蛋白源的反應(yīng)。

借助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度梯度和魚類生長(zhǎng)的關(guān)系可獲得最大生長(zhǎng)速率時(shí)的營(yíng)養(yǎng)需要量。研究發(fā)現(xiàn)，額外營(yíng)養(yǎng)成分的添加對(duì)于魚類生長(zhǎng)的提高非常有限。據(jù)調(diào)查目前在實(shí)際養(yǎng)殖中，商品飼料都能夠?yàn)轲B(yǎng)殖水產(chǎn)動(dòng)物提供充足的營(yíng)養(yǎng)，而且往往過(guò)營(yíng)養(yǎng)化。如凡納濱對(duì)蝦的蛋白質(zhì)需求在28%～32%，但有些飼料企業(yè)為了提高產(chǎn)品的“競(jìng)爭(zhēng)力”，把對(duì)蝦飼料蛋白質(zhì)水平提高到了40%～42%。其實(shí)，多余的這部分蛋白質(zhì)對(duì)對(duì)蝦生長(zhǎng)和蛋白質(zhì)沉積的貢獻(xiàn)非常小。深入剖析目前我國(guó)競(jìng)爭(zhēng)激烈的飼料市場(chǎng)，幾乎所有的產(chǎn)品都在追求高營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)、高消化率，而忽視了由于營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩造成的水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)、免疫和品質(zhì)等下降的問(wèn)題。這樣帶來(lái)的后果是增加了環(huán)境負(fù)荷和成本，又浪費(fèi)了寶貴的蛋白源原料，這也是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要原因。實(shí)際上，未來(lái)水產(chǎn)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究更為關(guān)鍵的是將攝入的充足營(yíng)養(yǎng)更多地用于機(jī)體蛋白質(zhì)沉積，提高產(chǎn)出效率，讓多余的營(yíng)養(yǎng)素繼續(xù)發(fā)揮作用，水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物持續(xù)增長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)未來(lái)的研究目標(biāo)，深入解析蛋白質(zhì)被消化吸收以后的代謝和調(diào)控、決定飼料蛋白質(zhì)沉積潛力的內(nèi)在因素具有重要意義。

對(duì)高等動(dòng)物與模式動(dòng)物的研究證明，mTOR 是調(diào)控體蛋白合成與生長(zhǎng)的關(guān)鍵信號(hào)分子。mTOR 可接收來(lái)自氨基酸、糖類、激素等各類外界信號(hào)，成為合成代謝的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。研究證實(shí)，魚類飼料中添加mTOR 抑制劑抑制其活性，將大大降低魚體蛋白質(zhì)的沉積，造成魚類生長(zhǎng)速度下降。這意味著飼料蛋白質(zhì)即便被充分地消化吸收了，但并沒(méi)有轉(zhuǎn)化為體蛋白，即決定體蛋白沉積效率的開(kāi)關(guān)是mTOR 信號(hào)通路。鑒于此，如何激活魚體內(nèi)的mTOR 信號(hào)通路，以及如何消除抑制mTOR信號(hào)通路的關(guān)鍵因子，對(duì)提高飼料蛋白質(zhì)的利用率就顯得尤為重要，是提高飼料蛋白質(zhì)利用率的新思路。

研究發(fā)現(xiàn)，魚類分別攝食魚粉與其他蛋白源飼料后，其他蛋白源激活魚體mTOR 的效率顯著不如魚粉。飼用魚粉蛋白飼料會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的mTOR 的激活，但飼用其他蛋白源飼料激活mTOR 水平相對(duì)較低，這就必然造成魚粉替代后魚體蛋白合成不足，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)下降。雖然晶體氨基酸激活mTOR 的強(qiáng)度也很高，但維持時(shí)間很短。40%的魚粉被大豆蛋白取代后，在飼料中添加氨基酸，并沒(méi)有顯著改善體蛋白質(zhì)的合成。由此可以得出，水產(chǎn)飼料中晶體氨基酸的添加并不能完全彌補(bǔ)魚粉替代造成的mTOR 信號(hào)通路激活和體蛋白質(zhì)合成不足的問(wèn)題。

mTOR 作為調(diào)控體蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵信號(hào)分子，氨基酸、抗?fàn)I養(yǎng)因子、小分子活性物質(zhì)均對(duì)mTOR 活性有調(diào)節(jié)作用。平衡的氨基酸模式和小分子活性物質(zhì)的存在有利于mTOR信號(hào)通路的激活，而氨基酸不平衡、抗?fàn)I養(yǎng)因子的存在會(huì)抑制mTOR信號(hào)通路。例如飼料中常缺乏蛋氨酸，蛋氨酸的缺乏會(huì)抑制mTOR信號(hào)通路，降低新蛋白質(zhì)的合成。棉粕中常見(jiàn)的抗?fàn)I養(yǎng)因子——棉酚，也是通過(guò)抑制mTOR 信號(hào)通路，從而抑制體蛋白質(zhì)的合成。此外，所有的植物凝集素，如大豆凝集素、花生凝集素，都對(duì)mTOR有抑制作用，并會(huì)引起細(xì)胞凋亡。

研究發(fā)現(xiàn)，有一些物質(zhì)可激活mTOR 信號(hào)通路。mTOR 的激活劑如磷脂酸能夠顯著提高細(xì)胞蛋白合成。當(dāng)在細(xì)胞培養(yǎng)基中添加1～10 μmol/L的磷脂酸會(huì)激活并加強(qiáng)mTOR信號(hào)通路的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞分化和蛋白質(zhì)合成。在大菱鲆飼料中添加0.5%磷脂酸，顯著促進(jìn)了體蛋白質(zhì)的合成，魚體終重提高了13.6%。β-羥基-β-甲基丁酸（HMB）也可以激活mTOR，添加0.1% HMB 對(duì)魚的特定生長(zhǎng)率、肌肉品質(zhì)都有明顯的改善。

此外，投飼策略的差異也會(huì)顯著影響mTOR的表達(dá)。投喂飼料后，經(jīng)魚體消化吸收后的氨基酸和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能被mTOR信號(hào)通路感知，并反映在其活性的表達(dá)和體蛋白合成上。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)魚攝食時(shí)mTOR表達(dá)上升，體蛋白質(zhì)合成；魚不攝食時(shí)mTOR不表達(dá)，體蛋白質(zhì)就會(huì)分解。因此，mTOR 的活性表達(dá)對(duì)氨基酸的攝入非常敏感。添加不同濃度的氨基酸時(shí)，肝臟和肌肉中的mTOR相關(guān)蛋白的表達(dá)具有顯著差異。投喂頻率對(duì)于mTOR 的表達(dá)也有顯著影響，比較研究1 天投喂1 次和1 天投喂3 次兩種投飼策略，發(fā)現(xiàn)1 天飼喂3 次時(shí)激活mTOR 的時(shí)間和強(qiáng)度要比1 天投喂1次明顯增加，魚的生長(zhǎng)明顯改善。此外，通過(guò)增加投喂頻率和添加激活劑——亮氨酸（1%）雙重因素可大幅度增加mTOR活性，顯著改善蛋白質(zhì)的合成。

綜上所述，為了有效提高飼料蛋白質(zhì)利用效率，從內(nèi)部因素考慮核心目標(biāo)是激活mTOR 信號(hào)通路和/或消除其抑制因素。

2 提高飼料蛋白質(zhì)利用率的技術(shù)實(shí)踐

提高飼料蛋白質(zhì)利用率對(duì)保障水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。針對(duì)mTOR信號(hào)通路，借助于整合氨基酸、活性肽、維生素、微量元素等能靶向激活調(diào)控mTOR等關(guān)鍵要素，開(kāi)發(fā)了代謝信號(hào)復(fù)合調(diào)節(jié)包（Sig-Pep），在提高飼料蛋白質(zhì)的利用效率上取得了一定成績(jī)。以初重1.6 g的凡納濱對(duì)蝦為養(yǎng)殖對(duì)象設(shè)計(jì)飼喂試驗(yàn)，在山東膠州面積為238 m2的半土池，投苗約1 萬(wàn)尾，每組3 個(gè)池，鹽度5‰，pH 8.0，水溫26～30 ℃。將0.1% Sig-Pep與商品飼料拌料使用，每日投喂4次，連續(xù)飼喂一個(gè)月，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 Sig-Pep對(duì)凡納濱對(duì)蝦增重率的影響

圖2 Sig-Pep對(duì)凡納濱對(duì)蝦餌料系數(shù)的影響

圖3 Sig-Pep對(duì)凡納濱對(duì)蝦成活率的影響

圖4 Sig-Pep對(duì)凡納濱對(duì)蝦產(chǎn)量的影響

從圖1～圖4 試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，Sig-Pep 對(duì)凡納濱對(duì)蝦的增重率、餌料系數(shù)、成活率和產(chǎn)量均有顯著效果，其中增重率提高了21.8%，飼料系數(shù)從0.99降到了0.84，成活率高達(dá)90%，每個(gè)池子的產(chǎn)量從101 kg 增加到了123 kg。此外，Sig-Pep 的添加可顯著抑制對(duì)蝦肝胰腺弧菌載量（見(jiàn)圖5），顯著改善非特異性免疫指標(biāo)，顯著提高了對(duì)蝦的肥滿度與蝦青素含量（見(jiàn)圖6）。結(jié)合凡納濱對(duì)蝦價(jià)格和飼料成本，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)添加量為1 kg Sig-Pep/t 時(shí)，可增收7 200 元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖5 Sig-Pep對(duì)凡納濱對(duì)蝦肝胰腺弧菌載量的影響

圖6 Sig-Pep對(duì)凡納濱對(duì)蝦肥滿度和蝦青素含量的影響

實(shí)踐證明在飼料不用魚粉或用植物蛋白替代大部分魚粉時(shí)，添加Sig-Pep 均能夠促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物的蛋白質(zhì)合成和水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)，從而減少魚粉的使用。