水產(chǎn)飼料的蛋白源問題
——提高飼料蛋白質(zhì)利用率新思路

（中國海洋大學(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)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。魚粉是水產(chǎn)飼料中最重要的飼料蛋白源之一，國際上超過2/3 的魚粉被用作水產(chǎn)飼料，在中國達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)飼料配方中嚴重依賴魚粉，因此談到水產(chǎn)飼料蛋白源就一定會涉及魚粉。根據(jù)戰(zhàn)略分析報告，隨著人口的增長，人們對水產(chǎn)品的消費需求越來越多，預(yù)計未來魚粉產(chǎn)量將會維持在500 萬噸左右，不可能再繼續(xù)增加。加之水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對魚粉的需求越來越大，因此水產(chǎn)養(yǎng)殖營養(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發(fā)新的蛋白源來替代魚粉，魚粉替代已是一個世界性難題。

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、陸生動物蛋白、單細胞蛋白、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，即使在氨基酸、能量、脂肪酸、無機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)動物的生長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)動物具有更好的生長優(yōu)勢，這表明除了已知的營養(yǎng)成分外，魚粉中還必然存在一些其他蛋白源沒有的未知生長因子。過去，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，而對水產(chǎn)動物本身對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值和現(xiàn)實意義。

1.1 魚粉與其他蛋白源的組成差異

在開展魚粉與其他蛋白源組成的差異研究中，通常根據(jù)現(xiàn)有的營養(yǎng)學(xué)知識，比較研究其適口性、主要營養(yǎng)成分（蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、脂肪酸、礦物質(zhì)和能量等）、營養(yǎng)拮抗因子和消化率等指標。研究發(fā)現(xiàn)，魚粉中營養(yǎng)成分含量豐富，而傳統(tǒng)上認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理，對最終解決魚粉替代的難題至關(guān)重要。

1.1.1 ?；撬?/p>

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，?；撬嵩隰~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)計配方時，非魚粉蛋白源中?；撬峋蜁@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，牛磺酸對魚機體神經(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。當用非魚粉蛋白源飼料飼喂時，由于?；撬岵蛔?，就會逐漸暴露出?；撬崛狈σ鸬臓I養(yǎng)問題。進一步研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)魚類自身合成?；撬岬哪芰τ邢?。究其原因，自身合成?；撬岬耐緩揭话阈枰缘鞍彼帷腚装彼釣榍绑w，經(jīng)過半胱亞磺酸脫羧酶等關(guān)鍵酶催化成亞牛磺酸，進而形成牛磺酸。但大多數(shù)魚類上述代謝通路的活力非常弱，遠不及大鼠、小鼠等物種。深入探究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)魚類中?；撬岷铣傻年P(guān)鍵酶——半胱亞磺酸脫羧酶的底物結(jié)合位點發(fā)生突變，?；撬岷铣尚实停绕涫呛Ｋ~更為嚴重。因此水產(chǎn)飼料中必須含有一定量的?；撬?，而這個來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，必須要考慮補充添加?；撬岬膯栴}。

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，需要外源補充。魚粉同時也是活性物質(zhì)——羥脯氨酸的優(yōu)質(zhì)來源，植物蛋白和其他蛋白源含量很低。當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出現(xiàn)明顯下降，進而可影響膠原蛋白的合成與生長。因此，要實現(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。實驗發(fā)現(xiàn)，當飼料中60%的魚粉被植物蛋白替代后，魚體的特定生長率顯著下降，補充0.6%的羥脯氨酸可顯著改善其生長，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于魚體背肌硬度、咀嚼度、彈性等品質(zhì)指標均具有改善作用，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對于水產(chǎn)動物營養(yǎng)具有重要的意義，這與鈣、磷的吸收有關(guān)。植物來源與魚粉、魚油來源的維生素D存在顯著差異，植物來源的一般為維生素D2，魚粉魚油來源的是維生素D3。研究表明，相對維生素D2，維生素D3對促進鈣磷吸收、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。維生素D3能夠通過誘導(dǎo)過氧化物酶體增殖物激活受體γ-1α（Pgc1α）的表達，促進體脂肪的氧化供能利用，提高蛋白質(zhì)沉積率。當維生素D3缺乏時，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，必須要補充添加維生素D3。

1.2 各類抗營養(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十幾種魚粉沒有的抗營養(yǎng)因子。目前已經(jīng)證實這些抗營養(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題。因此要實現(xiàn)植物蛋白源替代魚粉，必須明確這些植物蛋白源中抗營養(yǎng)因子的負面效應(yīng)和作用機理，以針對性研發(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，而且不含抗營養(yǎng)因子，傳統(tǒng)上歸為外因的差異。實踐發(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，也可以補充?；撬?、氨基酸等，甚至可以去除抗營養(yǎng)因子，但是替代魚粉后仍然無法達到預(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，即從營養(yǎng)感知和蛋白質(zhì)的代謝調(diào)控角度研究魚體對不同蛋白源的反應(yīng)。

借助于營養(yǎng)物質(zhì)濃度梯度和魚類生長的關(guān)系可獲得最大生長速率時的營養(yǎng)需要量。研究發(fā)現(xiàn)，額外營養(yǎng)成分的添加對于魚類生長的提高非常有限。據(jù)調(diào)查目前在實際養(yǎng)殖中，商品飼料都能夠為養(yǎng)殖水產(chǎn)動物提供充足的營養(yǎng)，而且往往過營養(yǎng)化。如凡納濱對蝦的蛋白質(zhì)需求在28%～32%，但有些飼料企業(yè)為了提高產(chǎn)品的“競爭力”，把對蝦飼料蛋白質(zhì)水平提高到了40%～42%。其實，多余的這部分蛋白質(zhì)對對蝦生長和蛋白質(zhì)沉積的貢獻非常小。深入剖析目前我國競爭激烈的飼料市場，幾乎所有的產(chǎn)品都在追求高營養(yǎng)指標、高消化率，而忽視了由于營養(yǎng)過剩造成的水產(chǎn)動物生長、免疫和品質(zhì)等下降的問題。這樣帶來的后果是增加了環(huán)境負荷和成本，又浪費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)展的一個重要原因。實際上，未來水產(chǎn)動物營養(yǎng)研究更為關(guān)鍵的是將攝入的充足營養(yǎng)更多地用于機體蛋白質(zhì)沉積，提高產(chǎn)出效率，讓多余的營養(yǎng)素繼續(xù)發(fā)揮作用，水產(chǎn)養(yǎng)殖動物持續(xù)增長。為了實現(xiàn)未來的研究目標，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。

對高等動物與模式動物的研究證明，mTOR 是調(diào)控體蛋白合成與生長的關(guān)鍵信號分子。mTOR 可接收來自氨基酸、糖類、激素等各類外界信號，成為合成代謝的一個關(guān)鍵點。研究證實，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，但并沒有轉(zhuǎn)化為體蛋白，即決定體蛋白沉積效率的開關(guān)是mTOR 信號通路。鑒于此，如何激活魚體內(nèi)的mTOR 信號通路，以及如何消除抑制mTOR信號通路的關(guān)鍵因子，對提高飼料蛋白質(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產(chǎn)生一個高強度、持續(xù)時間較長的mTOR 的激活，但飼用其他蛋白源飼料激活mTOR 水平相對較低，這就必然造成魚粉替代后魚體蛋白合成不足，從而導(dǎo)致生長下降。雖然晶體氨基酸激活mTOR 的強度也很高，但維持時間很短。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魚粉替代造成的mTOR 信號通路激活和體蛋白質(zhì)合成不足的問題。

mTOR 作為調(diào)控體蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵信號分子，氨基酸、抗營養(yǎng)因子、小分子活性物質(zhì)均對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信號通路的激活，而氨基酸不平衡、抗營養(yǎng)因子的存在會抑制mTOR信號通路。例如飼料中常缺乏蛋氨酸，蛋氨酸的缺乏會抑制mTOR信號通路，降低新蛋白質(zhì)的合成。棉粕中常見的抗營養(yǎng)因子——棉酚，也是通過抑制mTOR 信號通路，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mTOR有抑制作用，并會引起細胞凋亡。

研究發(fā)現(xiàn)，有一些物質(zhì)可激活mTOR 信號通路。mTOR 的激活劑如磷脂酸能夠顯著提高細胞蛋白合成。當在細胞培養(yǎng)基中添加1～10 μmol/L的磷脂酸會激活并加強mTOR信號通路的表達，促進細胞分化和蛋白質(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 對魚的特定生長率、肌肉品質(zhì)都有明顯的改善。

此外，投飼策略的差異也會顯著影響mTOR的表達。投喂飼料后，經(jīng)魚體消化吸收后的氨基酸和其他營養(yǎng)物質(zhì)能被mTOR信號通路感知，并反映在其活性的表達和體蛋白合成上。研究發(fā)現(xiàn)，當魚攝食時mTOR表達上升，體蛋白質(zhì)合成；魚不攝食時mTOR不表達，體蛋白質(zhì)就會分解。因此，mTOR 的活性表達對氨基酸的攝入非常敏感。添加不同濃度的氨基酸時，肝臟和肌肉中的mTOR相關(guān)蛋白的表達具有顯著差異。投喂頻率對于mTOR 的表達也有顯著影響，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 次時激活mTOR 的時間和強度要比1 天投喂1次明顯增加，魚的生長明顯改善。此外，通過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是激活mTOR 信號通路和/或消除其抑制因素。

2 提高飼料蛋白質(zhì)利用率的技術(shù)實踐

提高飼料蛋白質(zhì)利用率對保障水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。針對mTOR信號通路，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，開發(fā)了代謝信號復(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。以初重1.6 g的凡納濱對蝦為養(yǎng)殖對象設(shè)計飼喂試驗，在山東膠州面積為238 m2的半土池，投苗約1 萬尾，每組3 個池，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)飼喂一個月，試驗結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 Sig-Pep對凡納濱對蝦增重率的影響

圖2 Sig-Pep對凡納濱對蝦餌料系數(shù)的影響

圖3 Sig-Pep對凡納濱對蝦成活率的影響

圖4 Sig-Pep對凡納濱對蝦產(chǎn)量的影響

從圖1～圖4 試驗結(jié)果可見，Sig-Pep 對凡納濱對蝦的增重率、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90%，每個池子的產(chǎn)量從101 kg 增加到了123 kg。此外，Sig-Pep 的添加可顯著抑制對蝦肝胰腺弧菌載量（見圖5），顯著改善非特異性免疫指標，顯著提高了對蝦的肥滿度與蝦青素含量（見圖6）。結(jié)合凡納濱對蝦價格和飼料成本，據(jù)粗略統(tǒng)計添加量為1 kg Sig-Pep/t 時，可增收7 200 元，經(jīng)濟效益顯著。

圖5 Sig-Pep對凡納濱對蝦肝胰腺弧菌載量的影響

圖6 Sig-Pep對凡納濱對蝦肥滿度和蝦青素含量的影響

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

Sig-Pep 在雞、豬等陸生動物上的應(yīng)用研究同樣取得了顯著效益，旨在為無抗養(yǎng)殖提供技術(shù)。