水產(chǎn)飼料蛋白源研發(fā)與低碳養(yǎng)殖

宋永康 姚清華 林 虬

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化及人類生產(chǎn)生活方式的改變導(dǎo)致全球二氧化碳排放量及海平面逐年遞增，世界氣候面臨越來越嚴重的問題。地球臭氧層也遭受前所未有的危機，災(zāi)難性氣候變化屢屢出現(xiàn)，已經(jīng)嚴重危害著人類的生存環(huán)境和健康安全。從“高投入、高能耗、高污染”的經(jīng)濟模式向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

農(nóng)業(yè)是人類的衣食之源，生存之本，是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)。中國作為農(nóng)業(yè)大國，“十一五”規(guī)劃期間，農(nóng)業(yè)重要組成部分的畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。近年來，“集約化、高密度、高產(chǎn)出”水產(chǎn)養(yǎng)殖模式還在不斷地擴大，在為人類提供源源不斷優(yōu)質(zhì)蛋白源的同時，養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的水體富營養(yǎng)化也造成了日趨嚴重的自然水體污染[1]。同時，養(yǎng)殖戶為了保證養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)，大量換水也造成水資源的極度浪費[2]。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸成為“三高”產(chǎn)業(yè)，沿海諸多省份也逐步取締了部分海域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖。因此，發(fā)展“低碳、綠色”的養(yǎng)殖模式已經(jīng)成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)改革的必由之路。

1 養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀

1.1 養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的成因

水體富營養(yǎng)化是一種氮、磷等植物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)含量過多引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的成因是由于養(yǎng)殖過程中注入大量富含氮、磷的外源性水或過量投餌導(dǎo)致養(yǎng)殖動物排泄頻率加快，大量殘餌、未被完全吸收的營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，過量的含氮、磷物質(zhì)導(dǎo)致水中營養(yǎng)物質(zhì)超標的現(xiàn)象[3]。判斷水體處于富營養(yǎng)狀態(tài)的具體指標是：水體中氮含量超過0.2～0.3mg/l，生化需氧量大于10mg/l，磷含量大于0.01～0.02mg/l，pH值7～9的淡水中細菌總數(shù)超過10萬個/ml，表征藻類數(shù)量的葉綠素a含量大于10mg/l[4]。

1.2 養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的危害

水體富營養(yǎng)化的主要危害有：①易引起水體中藻類迅速繁殖。由于藻類生長周期短，藻類及其他浮游生物死亡后形成的有機物質(zhì)需氧微生物分解，不斷消耗水中的溶解氧，產(chǎn)生大量氨氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)，或被厭氧微生物分解，產(chǎn)生硫化氫等氣體，從溶氧方面使水質(zhì)惡化，造成魚類和其它水生生物中毒死亡。這種養(yǎng)殖水體溶解氧量逆差大，水質(zhì)明顯惡化，pH值日波動明顯，養(yǎng)殖動物經(jīng)常出現(xiàn)不適或死亡現(xiàn)象[5]。②水體富營養(yǎng)化易導(dǎo)致水體透明度降低，陽光無法穿透水層，影響水中植物的光合作用和氧氣釋放。同時，浮游生物的大量繁殖，消耗水中大量的氧，使水中溶解氧嚴重不足，而水面由于單細胞藻類及植物的光合作用，可能造成局部溶解氧過飽和。兩者都易造成凌晨時分養(yǎng)殖魚類出現(xiàn)“浮頭”和“泛池”而大量死亡。③富營養(yǎng)化水體底層堆積的有機物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體，含氮化合物、硫化物、以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素也會毒害水生經(jīng)濟動物。

大量養(yǎng)殖實驗表明，水體富營養(yǎng)化對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物具有明顯的毒害。對蝦養(yǎng)殖期間，殘餌等可溶性有機質(zhì)在蝦塘內(nèi)不斷積累，分解所需的耗氧量約占蝦塘總耗氧量的52%～74%[6]。陳孝煊等[7]研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖池中的氨態(tài)氮對澳大利亞紅螯螯蝦生長具有明顯的生長抑制及毒害，蝦體的耐受性與氨態(tài)氮濃度成明顯的正相關(guān)，且與其個體大小有關(guān)系，蝦的個體越小，耐受性越低，尤其是剛孵出的蝦苗對氨態(tài)氮特別敏感。高濃度的亞硝酸鹽和氨使得試驗蝦肝胰腺、胃、中腸和鰓等組織產(chǎn)生病變，出現(xiàn)細胞腫脹、空泡化、壞死等一系列的組織病理學變化，其中肝胰腺病變最為嚴重[8]。此外，富營養(yǎng)化的水質(zhì)易導(dǎo)致水體中病原微生物滋生，對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物本身帶來病害威脅，誘發(fā)大面積赤潮，對海水養(yǎng)殖帶來災(zāi)難性后果。另一方面，病原微生物滋生，也可直接或通過水產(chǎn)養(yǎng)殖動物作為寄主間接傳染給人類。

目前，解決養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的方法有：①建立健康合理的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。合理的魚苗投放密度，多種魚類合理搭配投放，實施多營養(yǎng)層次生態(tài)養(yǎng)殖。根據(jù)養(yǎng)殖水體的容納量，把不同營養(yǎng)級的種類組合到一起。如通過貝類、魚類、藻類混養(yǎng)，養(yǎng)殖過程中由于貝類是濾食性動物，可以以由于魚類養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化引起的大量浮游生物為食，藻類則可吸收海水中的碳、氮、磷等物質(zhì)[9]。普遍實施的不同食性養(yǎng)殖品種混養(yǎng)模式如：蔡林榮等進行了沙塘鱧、青蝦、花白鰱混養(yǎng)實驗，既充分利用了水體，又建立了合理的生物鏈。雜食性的羅非魚養(yǎng)殖網(wǎng)箱與濾食性的鳙魚養(yǎng)殖網(wǎng)箱相間設(shè)置，實現(xiàn)自然清污法，羅非魚攝食網(wǎng)箱上的附著物，保障了網(wǎng)目暢通，減少水體中魚體排泄物，降低病原微生物滋生，減少魚類病害，起到了防病的作用；鳙魚可濾食羅非魚的排泄物及水體中的浮游生物，對凈化水質(zhì)、提高水體透明度具有明顯的作用，減少了魚類病害發(fā)生的外源性條件[10]。②在網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域，應(yīng)科學合理布局，防止局部養(yǎng)殖密度過高，實行放牧式的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，使水體有充分的時間進行自然凈化。③合理的使用飼料及漁藥；④定期實行清塘，疏浚池底富含有機質(zhì)的淤泥，并投放適量的石灰[5,11]。

2 飼料營養(yǎng)對水體富營養(yǎng)化的影響

引起水體富營養(yǎng)化的主要因素——氮和磷，氮和磷是藻類生長所必需的營養(yǎng)元素，也是浮游生物生長的限制性元素。在養(yǎng)殖生產(chǎn)上，氮和磷的利用率及其在水體中的殘留量是水體富營養(yǎng)化的決定性因素。

水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中氮、磷的主要來源有：①養(yǎng)殖自身污染：精養(yǎng)養(yǎng)殖投餌量大，大量剩餌、殘餌、排泄物、動物植物尸體沉積在池底，使易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的物質(zhì)逐漸增加；②富含氮、磷等營養(yǎng)元素的水源注入。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，養(yǎng)殖自身的污染已成為養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的最主要因素。其中飼料是養(yǎng)殖業(yè)排泄物污染的源頭，飼料中的微量元素、預(yù)防藥物、抗生素更是增加了水體污染的程度。這是因為水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，人工配合飼料是水產(chǎn)動物的主要營養(yǎng)來源。由于水產(chǎn)動物消化道結(jié)構(gòu)簡單、飼料在腸道內(nèi)停留時間較短，導(dǎo)致飼料未被完全消化就直接排出體外。研究表明，飼料中只有20%～50%的氮和20%～60%的磷可存留于動物體內(nèi)，排泄物中氮、磷的主要來源是未被魚體消化吸收的飼料。除了魚體腸道結(jié)構(gòu)較為簡單外，部分原因在于動物性蛋白源中磷含量較高，如魚粉中磷含量為1.5%～3.2%、肉骨粉中磷含量為3.5%～5.5%；植物性蛋白源中的磷大約2/3是以植酸磷的形式存在，而大多數(shù)魚類對植酸的消化吸收率僅為0～20%[4,12-13]。同時，由于非魚粉蛋白源中存在難以被魚體消化利用的纖維、蛋白酶抑制劑、植物凝集素、棉酚、單寧等抗營養(yǎng)因子，飼料利用率普遍不高。未被利用的氮多以尿素、尿酸、飼料殘渣的形式被排出體外。

不同原料來源、不同配方的飼料對水體富營養(yǎng)化的影響也明顯不同。在大口黑鱸養(yǎng)殖試驗中，研究發(fā)現(xiàn)，投喂不同飼料對養(yǎng)殖水體的化學耗氧量（COD）、PO4-P（磷酸鹽）、TP（總磷）、TN（總氮）、NH3-N（氨態(tài)氮）、NO3-N（硝態(tài)氮）、NO2-N（亞硝態(tài)氮）有著明顯的影響。周萌等（2005）[14]在研究環(huán)保型高效飼料與普通飼料對南美白對蝦養(yǎng)殖水質(zhì)的影響時，認為其研制的環(huán)保型高效飼料可顯著降低養(yǎng)殖水體中的三態(tài)氮。此外，通過添加飼用酶制劑也可提高飼料的利用效率。目前，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用的酶制劑主要有纖維素酶、G-葡聚糖酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶和植酸酶等。黃峰（2008）[15]在草魚養(yǎng)殖中進行外源酶添加應(yīng)用，可提高魚類對餌料及粗蛋白的表觀消化率。在飼料中添加0.1%溢多酶，草魚生長速度及餌料系數(shù)明顯改善，全魚魚體含粗蛋白比對照餌料組略高，粗脂肪略低[16]。飼用酶制劑的添加還可起到分解抗營養(yǎng)因子，改善魚體消化機能，飼用植酸酶的添加可以改善魚體植酸利用率低的現(xiàn)象，其它營養(yǎng)成分如蛋白、脂肪的利用率也明顯提高，糞中的磷濃度則大幅度降低。據(jù)研究[17-18]，無胃魚對植酸磷的平均消化率為8%，有胃魚稍高。因此，對于無胃魚，由于消化道pH值偏高，必需添加中性植酸酶。曾虹等（2001）[19]在餅粕質(zhì)量分數(shù)為5%的鯉魚餌料中添加中性植酸酶，磷的利用率可提高41%～59.4%，單位體增質(zhì)量的磷排放降低32%。植酸酶的另外一種應(yīng)用方法為在飼料加工過程中預(yù)先用植酸酶處理餌料。余豐年等（2000）[20]先在體外將豆粕用植酸酶進行處理，再加入到其余的飼料原料中，充分混合后進行應(yīng)用。結(jié)果表明，在異育銀鯽體外，植酸磷就已在植酸酶的作用下發(fā)生了有效降解，促進了異育銀鯽對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高了增重率。

因此，通過對飼料原料的體外預(yù)處理及配方調(diào)整，將不易被消化的植物性蛋白源等原料進行降解，制備富含多肽、去除抗營養(yǎng)因子的優(yōu)質(zhì)安全飼料，既可縮短魚體腸道對飼料的消化時間，提升營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運、吸收速度，提高飼料中營養(yǎng)成分的利用效率，對減少魚體排泄物引起的環(huán)境污染及降低生產(chǎn)成本均具有積極意義。

3 多肽類飼料蛋白源研發(fā)

3.1 非魚粉飼料蛋白源研究現(xiàn)狀

蛋白質(zhì)是飼料中必不可少的營養(yǎng)成分，是配方設(shè)計的核心。蛋白質(zhì)的來源、比例對飼料的消化、吸收都有明顯的影響，進而導(dǎo)致養(yǎng)殖水體產(chǎn)生不同程度的富營養(yǎng)化。常年來，高檔畜禽、水產(chǎn)飼料的主要蛋白源是魚粉。隨著集約化養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，魚粉供應(yīng)日趨緊張，價格逐年攀升。2009年水產(chǎn)飼料用高檔魚粉從8 000～10 000元/t升至15 000～18 000元/t。據(jù)世界銀行對我國飼料供求平衡的預(yù)測，2010年我國飼料缺口約為3 800萬噸。隨著養(yǎng)殖業(yè)的進一步發(fā)展，這一缺口將繼續(xù)擴大，據(jù)有關(guān)部門預(yù)計，2010年～2020年我國飼用蛋白資源的需求量將達到6千萬噸～7.2千萬噸，而供給量僅為2.2千萬噸～2.4千萬噸。飼用新蛋白源的開發(fā)成為飼料科研工作者研究的熱點問題之一，但由于非魚粉飼料蛋白源消化吸收不佳、蛋白利用率低，未完全消化吸收飼料殘渣、排泄物對水體污染大，尚未有非魚粉蛋白源在高檔畜牧水產(chǎn)飼料中得到大規(guī)模應(yīng)用。

目前，飼料中非魚粉蛋白源主要可以分為動物性蛋白源替代物和植物性蛋白源替代物。前者主要有肉骨粉、血粉、羽毛粉及其它動物下腳料；后者主要有豆科粕餅類、菜籽餅粕、棉籽餅粕。但直接在水產(chǎn)飼料中大量添加非魚粉蛋白易發(fā)生飼料適口性差、不易被水產(chǎn)動物消化吸收進而導(dǎo)致魚體生長速度下降等缺陷。Robaina等（1995）[21]的研究結(jié)果表明，肉骨粉替代魚粉的飼料喂養(yǎng)金頭鯛時，替代比例可高達40%，魚的生長情況良好，各項生長指標和飼料利用率均高于全魚粉對照組，但進一步的組織學研究卻發(fā)現(xiàn)，當飼料中的肉骨粉超過20%時，魚的肝部發(fā)生了明顯的病變。Wang等（2005）[22]發(fā)現(xiàn)，當羽毛粉替代 10%～30%魚粉后，鮸狀黃姑魚的特定生長率和體增質(zhì)量都顯著下降。Richter等（2003）[23]發(fā)現(xiàn)，植酸可與蛋白質(zhì)堿性殘基結(jié)合，抑制胃蛋白酶和胰蛋白酶活性，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的利用率降低。某些因子甚至直接對魚類產(chǎn)生毒害作用，如棉籽餅中的游離棉酚不僅直接對魚類產(chǎn)生毒害作用，而且在加工過程中易和賴氨酸結(jié)合，降低賴氨酸的利用率。另有研究發(fā)現(xiàn)[24]，胰蛋白酶抑制因子和消化道內(nèi)的胰蛋白酶結(jié)合生成無活性的復(fù)合物，降低胰蛋白酶活性，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的消化吸收率降低。

3.2 多肽的營養(yǎng)特性及生產(chǎn)方法

生物活性肽的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了動物營養(yǎng)的新紀元?，F(xiàn)代消化理論認為，當寡肽分子量小于2 000 Da時，可直接被消化道吸收，且具有轉(zhuǎn)運速度快，耗能低和不易飽和等特點，避免與游離氨基酸出現(xiàn)吸收競爭，大大地提高了蛋白的吸收利用率。其實在100多年前，就有學者提出了肽轉(zhuǎn)運的可能性。1953年，Agar通過大鼠實驗證實了完整雙甘肽在腸道跨上皮的轉(zhuǎn)運。Newey等的研究進一步證實了甘氨酸二肽可以被腸道完整的吸收。此后，針對肽在動物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運機制進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)動物小腸粘膜上存在著肽轉(zhuǎn)運載體。1994年，肽轉(zhuǎn)運載體的成功克隆[25-26]，從根本上證明了寡肽尤其是小肽確實可以被動物直接吸收利用。肽主要的運轉(zhuǎn)機制有以下幾種：①H+/Na+交換轉(zhuǎn)運體系，肽轉(zhuǎn)運依靠質(zhì)子向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運產(chǎn)生的動力。②谷胱甘肽（GSH）轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)運載體具有底物專一性。但webb等認為，動物體內(nèi)存在不依賴Na+濃度、不消耗ATP的肽轉(zhuǎn)運體系。

同時，隨著活性肽多種重要功能的發(fā)現(xiàn)，人們逐步改變了過去對蛋白質(zhì)營養(yǎng)功能單純以氨基酸為標準的評價方法，在評價蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值時同時考慮到了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其在消化道中可能釋放出的生物活性肽成分及數(shù)量。肽較之游離氨基酸的重要性在于可提高動物對日糧的氮利用率。且植物蛋白在經(jīng)降解處理后，可去除或鈍化抗營養(yǎng)因子及有害物質(zhì)，使蛋白質(zhì)分子量減小，結(jié)構(gòu)疏松，吸收率大大提高。這對于降低水產(chǎn)動物排泄物引起的氮污染及節(jié)約蛋白質(zhì)資源均具有重要作用。飼用寡肽產(chǎn)品正是指在人工創(chuàng)造的環(huán)境條件下，利用微生物或酶對原料中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生降解作用，使之分解成寡肽，完成體外預(yù)消化，有助于減少飼料在魚體腸道內(nèi)消化的時間，提高魚體對飼料中蛋白的吸收轉(zhuǎn)運速度，提高蛋白利用率，減少魚體排泄物中含氮物質(zhì)對養(yǎng)殖水體的污染。

目前，寡肽的生產(chǎn)方法[27]主要有化學合成法、DNA重組法、酶法分解、化學法分解、生物發(fā)酵等?；瘜W合成法發(fā)展較早，技術(shù)成熟，但生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)中使用大量的化學試劑，對飼料安全和養(yǎng)殖水體有害且生產(chǎn)成本高；DNA重組法避免了化學合成法的缺點，但在基因表達和回收效率不足以讓產(chǎn)品在養(yǎng)殖上得到大規(guī)模應(yīng)用?；瘜W法和酶法降解非魚粉飼料蛋白源，比較適宜于生產(chǎn)飼用小肽，成本低，所用基質(zhì)、反應(yīng)劑、反應(yīng)條件無害?；瘜W法與酶法比較，前者降解效率快，但產(chǎn)品穩(wěn)定性不如酶法。生物發(fā)酵是采用活菌接入不易被養(yǎng)殖動物消化利用的飼料蛋白源中，利用細菌代謝進行大分子蛋白分解，同時消除抗營養(yǎng)因子等。生物發(fā)酵法工藝簡單，投資成本低，但細菌代謝產(chǎn)物成分復(fù)雜，產(chǎn)品中含有許多未知生長因子，產(chǎn)品安全性需要進一步驗證。

3.3 多肽類飼料在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用

國內(nèi)外對肽產(chǎn)品在養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用進行了大量的研究：在飼料中添加寡肽，可明顯提高蛋白質(zhì)的應(yīng)用效率，改善飼料的適口性及攝食量，提高動物生長速度；有些寡肽還可以直接參與動物機體的生理功能，促進礦物質(zhì)元素的吸收，提高機體免疫力等。研究表明[28]，小肽制品對對蝦具有明顯的促生長作用，添加小肽飼料組的對蝦均重增長率明顯高于對照組。王碧蓮等（2001）[29]報道了在歐鰻飼料中添加2%和4%的小肽制品后，歐鰻的特定生長率有顯著的提高。于輝等（2004）[30]利用酶解酪蛋白和酸解酪蛋白飼養(yǎng)草魚，酶解酪蛋白小肽較酪蛋白和酸解酪蛋白可提高草魚生長速度和體內(nèi)蛋白質(zhì)的沉積能力。潘雷等（2004）[31]用酶解植物蛋白粉替代白魚粉和膨化豆粕，對鰻魚的生長速度和成活率都沒有不良的影響，且具有一定的促生長效果。由于試驗用飼料中蛋白質(zhì)含量低，鰻魚吸收好，排泄物對養(yǎng)殖水體的污染明顯低于對照組。養(yǎng)殖過程中污染少，水質(zhì)穩(wěn)定，換水率減少，鰻魚攝食正常，抗病能力增強，用藥量減少，在間接降低生長成本的同時，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

因此，建立去除抗營養(yǎng)因子及有毒、有害物質(zhì)的寡肽蛋白源生產(chǎn)工藝，提高飼料中蛋白源利用率，可以從飼料上降低水產(chǎn)養(yǎng)殖成本、減輕飼料對水體富營養(yǎng)化的影響。

4 展望

水體富營養(yǎng)化是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的主要污染，其中飼料是引起污染的源頭。在飼料投喂上，不僅要按照定質(zhì)、定點、定量、定時原則進行投喂，還可通過對飼料原料進行體外預(yù)消化、添加酶制劑、微生物制劑等改善飼料配方，研發(fā)高效型多肽飼料，有望從根本上解決魚體排泄物、飼料殘渣中氮、磷引起的水體富營養(yǎng)化。既節(jié)省了養(yǎng)殖中的飼料成本，又減少水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的污染，建立“綠色、低碳”的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。

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