魚碳水化合物營養(yǎng)研究進展(上)

劉興旺，徐田田，黃燕華，朱敬強

(1.廣州飛禧特生物科技有限公司，廣東 廣州 510640；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物科學(xué)研究所，廣東 廣州 510640；3.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306)

碳水化合物又稱為糖類，是自然界存在最多的有機化合物，由碳、氫、氧3種元素組成，由于它含有和水一樣的氫氧比例，故被稱為碳水化合物。它是生物界三大基礎(chǔ)物質(zhì)之一，為生物的生長、運動、繁殖提供主要能源。食物中的碳水化合物分為動物可以吸收利用的有效碳水化合物(如單糖、雙糖、多糖)和不能消化的無效碳水化合物(反芻動物除外，如非淀粉多糖)。對魚來說，碳水化合物營養(yǎng)一般討論的是淀粉類物質(zhì)的消化、吸收和代謝利用問題。

一、魚存在碳水化合物對蛋白質(zhì)的節(jié)約效應(yīng)

雖然不同種類魚的消化道結(jié)構(gòu)有一定差異，但所有魚均含有碳水化合物相關(guān)酶系以水解和吸收碳水化合物(Krogdahl 等，2005)。在消化道內(nèi)，淀粉可被α-淀粉酶水解為低聚糖，然后被各種刷狀緣酶進一步水解為單糖(主要是葡萄糖)，這些單糖可通過絨毛運輸。不同種類魚體內(nèi)碳水化合物消化酶活性差異很大，肉食性魚相比雜食性魚整體消化酶活性較低(Papoutsoglou 等，2005)。在魚上還存在高碳水化合物抑制淀粉酶活性的現(xiàn)象(Spannhof 等，1983)。與哺乳動物相比，魚對葡萄糖吸收率也相對較低(Collie 等，1995)。

在對不同種類魚如印度野鯪、鲆鰈、黃顙魚、軍曹魚等的研究均表明，在給定飼料蛋白質(zhì)水平條件下，一定范圍內(nèi)提高飼料碳水化合物水平，魚體生長率和蛋白質(zhì)利用率均得到顯著增加，說明魚能夠利用碳水化合物作為能量來源，從而節(jié)約飼料蛋白質(zhì)用來生長(Mohanta 等，2007；Lee 等，2003；張 世 亮，2011；Ren 等，2011)。一般把能夠節(jié)約飼料蛋白質(zhì)促進魚生長的碳水化合物水平作為魚飼料適宜碳水化合物水平。但是不同種類魚的飼料配方中適宜碳水化合物水平因養(yǎng)殖品種而異，這是由于不同種類魚對碳水化合物利用能力差異大而造成的。

二、過量的碳水化合物會對魚造成負面影響

對魚的碳水化合物需求研究發(fā)現(xiàn)，超過適宜添加量后碳水化合物會對魚造成生長下降及肝臟糖原積累等影響。即使在典型的草食性魚中的草魚上的研究也發(fā)現(xiàn)，過量的碳水化合物會造成草魚生長性能和品質(zhì)的下降(田麗霞等，2001)。高文(2006)在4 克/尾左右草魚幼魚上的研究也發(fā)現(xiàn)，40%玉米淀粉組的草魚生長性能顯著低于20%和0%組。我們可以推斷飼糧碳水化合物水平過高會對魚機體造成負面影響，只是不同魚受到負面影響時碳水化合物含量有所不同。這些負面影響包括抑制魚的生長、魚體血糖水平持續(xù)升高、免疫功能降低等(羅毅平等，2010)。

我們把能夠節(jié)約蛋白質(zhì)促進生長的碳水化合物水平稱為飼料適宜碳水化合物水平，把不能夠節(jié)約蛋白質(zhì)但也不造成魚明顯負面影響的碳水化合物水平稱為可耐受水平。淡水魚可耐受碳水化合物水平很難確定，甚至很難與適宜水平明確區(qū)分。這主要是因為生長效應(yīng)為落后指標，即使表觀上看，一定的飼料碳水化合物沒有對魚生長造成負面影響(甚或有節(jié)約蛋白質(zhì)促進生長的作用)，但從機體代謝、免疫、抗氧化能力等方面來看，養(yǎng)殖魚可能已經(jīng)受到了日糧碳水化合物的抑制。從這個角度看，魚的日糧可消化碳水化合物水平設(shè)計應(yīng)盡量降低，要以既能夠促進魚的生長，又不對魚的機體造成負面損害為目標。

例如，陳林等(2016)在芙蓉鯉鯽上研究發(fā)現(xiàn)，隨著玉米淀粉水平增加，實驗魚增重率、特定生長率和飼料效率先上升而后趨于穩(wěn)定，18%～42%各組間無顯著差異。折線法分析表明，芙蓉鯉鯽幼魚達到最大生長時飼料淀粉水平為27.47%。這里我們把27.47%及以下水平稱為適宜碳水化合物水平，把42%稱為碳水化合物可耐受水平。但在42%碳水化合物水平下，魚體肝臟功能、抗氧化能力等是否受到損傷，以及試驗周期繼續(xù)延長條件下會否造成生長等表觀效應(yīng)的改變則不能夠確定。瞿子惠(2018)在洛氏上的研究發(fā)現(xiàn)，從生長角度來看15.94%的碳水化合物是其適宜水平，但隨碳水化合物水平的升高，試驗魚肝臟抗氧化能力呈下降趨勢，且10.0%、16.0%、22.0%、28.0%組均顯著低于對照組。

三、魚對不同糖源利用的差異

魚對不同糖源利用率問題有很多爭議。有研究發(fā)現(xiàn)淀粉糊化處理可提高魚對淀粉的消化率(Bergot等，1983)。然而Kumar等(2006)的研究卻沒有發(fā)現(xiàn)類似效應(yīng)。很多研究顯示魚對大分子碳水化合物的利用好于小分子，但不同來源淀粉對魚生長等的影響可能不顯著(苗淑彥等，2013)。如袁野等(2018)在大黃魚上發(fā)現(xiàn)小麥淀粉和糊精對大黃魚的增重效果好于葡萄糖，大黃魚利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多糖(如小麥淀粉和糊精)的能力要高于單糖(如葡萄糖)。早期將該機制解釋為單糖到達消化道吸收位點快于大分子碳水化合物經(jīng)分解后的速率，而由于魚體內(nèi)碳水化合物代謝酶活力尚未充分升高，從而導(dǎo)致游離葡萄糖(小分子碳水化合物)利用率偏低(Pieper等，1980)。也有研究認為大分子碳水化合物與小分子碳水化合物對魚生長及飼料利用的影響并不顯著(Lee等，2004)。例如在草魚上的研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯淀粉、糊精和葡萄糖對試驗魚的日增重率和飼料效率并未造成顯著影響(趙萬鵬等，1999)。以上這些研究爭論仍是從傳統(tǒng)的哺乳動物營養(yǎng)學(xué)角度提出問題，沒有考慮魚的糖代謝的特殊性。實際上，我們可以假設(shè)在魚對不同糖源(大小分子及糊化與否)消化和吸收不存在限制因素的條件下(并非說不存在差異，而是說不同糖源消化吸收后的量已滿足或超過了魚可正常代謝利用的水平)，真正影響魚最終生長結(jié)果的是以上糖類被吸收后對魚造成了何種影響，以及這種影響的差異有多大。在飼料碳水化合物水平超過適宜量條件下，不同糖源的差異其實對魚的生長代謝造成的差異不大，決定最終生長結(jié)果的環(huán)節(jié)是吸收到魚體內(nèi)的葡萄糖能否進入正常的能量循環(huán)，或者造成了何種負面影響。Li 等(2020)近年來研究發(fā)現(xiàn)，加州鱸飼料中使用直鏈淀粉的生長效果明顯好于支鏈淀粉，同時能夠改善胰島素和糖酵解途徑。前期的研究也發(fā)現(xiàn)使用豌豆淀粉能夠明顯上調(diào)魚胰島素受體(IR)、胰島素受體底物1(IRS1)和磷酸肌醇3-激酶調(diào)節(jié)亞單位1(PI3KR1)的基因表達。以上結(jié)果可能是由于直鏈淀粉的消化利用速度慢于支鏈淀粉，從而給魚的代謝造成負面作用小造成的。因此，為了盡量減少飼料可消化碳水化合物水平，可以通過調(diào)整直鏈、支鏈淀粉的比例來改善典型肉食性魚的生長和健康。

四、高碳水化合物水平導(dǎo)致的氧化應(yīng)激與免疫損傷

近年來，越來越多的研究證實由于魚缺乏對葡萄糖代謝的充分調(diào)控，血糖升高會導(dǎo)致氧化應(yīng)激和免疫損傷。在尖吻鱸上的研究發(fā)現(xiàn)，碳水化合物導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)要顯著高于脂肪(Fu 等，2019)。加州鱸、洛氏上的研究均發(fā)現(xiàn)肝臟抗氧化能力隨碳水化合物水平升高呈線性下降趨勢(Ma等，2019；瞿子惠，2018)。研究顯示體內(nèi)葡萄糖水平升高會抑制魚體去乙?；窼IRT1表達，糖異生酶的表達反而會升高(Miao 等，2019)。高血糖、炎癥反應(yīng)和葡萄糖不耐受成為互為因果及內(nèi)生相關(guān)的過程。首先，高碳水化合物水平飼料導(dǎo)致的高血糖使魚的組織產(chǎn)生氧化應(yīng)激而形成超氧自由基，超氧自由基活化某些對氧化還原敏感的促炎轉(zhuǎn)錄因子，如NF-κB 和AP-1，導(dǎo)致促炎癥基因轉(zhuǎn)錄(如TNFα、IL1β和IL8)，從而形成炎癥反應(yīng)。相應(yīng)的促炎細胞因子(如TNFα、IL1β和IL6)升高又會降低組織對胰島素的敏感性，導(dǎo)致葡萄糖更加不耐受。因此，在飼料高碳水化合物水平條件下，適當控制攝食率(投喂)能夠消除鳊魚由于高碳水化合物水平導(dǎo)致的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)(Xu等，2019)。

五、葡萄糖代謝關(guān)鍵酶

1.糖酵解途徑

催化葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖的關(guān)鍵酶是己糖激酶(HK)和葡萄糖激酶(GK)。此外，丙酮酸激酶(PK)和磷酸果糖激酶(PFK)是糖酵解途徑中的限速酶。其中，PFK主要作用是催化6-磷酸果糖形成1-6-二磷酸果糖。虹鱒和大西洋鱈魚中用14C 標記的葡萄糖進行的實驗表明，所給葡萄糖主要部分可以被分解，但由于代謝率低，分解相當緩慢(Brauge等，1995；Hemre等，1997)。這表明在攝入碳水化合物后缺乏對限速酶的一致調(diào)節(jié)和緩慢的糖酵解速率可能是魚對葡萄糖利用不足的原因。

2.糖異生途徑

催化果糖-1，6-二磷酸生成果糖-6-磷酸和磷酸的關(guān)鍵酶是果糖-1，6-二磷酸酶(FBPase)。葡萄糖-6-磷酸酶(G-6-pase)是糖異生過程最后一步的關(guān)鍵限速酶，其作用是催化6-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化生成葡萄糖，該作用主要在肝臟中完成。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)也是糖原異生途徑的關(guān)鍵酶之一，作用是催化草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，其活性主要存在于線粒體中。在哺乳動物中，胰島素可抑制其轉(zhuǎn)錄，糖皮質(zhì)激素、胰高血糖素可誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)錄。

3.磷酸戊糖途徑

磷酸戊糖途徑指機體某些組織(如肝、脂肪組織等)以6-磷酸葡萄糖為起始物轉(zhuǎn)化形成6-磷酸葡萄糖酸并進而生成磷酸戊糖為中間代謝物的過程，該過程主要在6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PD)作用下催化，又稱磷酸己糖旁路。磷酸戊糖途徑中，一般認為6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PD)是關(guān)鍵酶。

4.糖原生成與分解途徑

糖原生成由糖原合成酶(GSase)催化，糖原分解由糖原磷酸化酶催化。這兩種酶都通過磷酸化和去磷酸化反應(yīng)被激活(Enes 等，2009)。糖原合成和分解途徑同時活躍，糖原磷酸化酶與合成酶比率的任何細微變化都可能決定肝糖原的含量(Pereira 等，1995)。GPase 活性受營養(yǎng)狀態(tài)、碳水化合物水平及激素調(diào)控，但胰島素對GPase活性的影響并不總是一樣的(Polakof等，2010)，而且營養(yǎng)素對GSase的調(diào)節(jié)作用目前還所知甚少。需要注意的是，過量的糖原沉積會損害肝臟的整體功能。

六、葡萄糖在魚體內(nèi)的代謝

Ballantyne(1997)的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖在魚代謝中的重要性較低。根據(jù)推測，葡萄糖代謝在魚總代謝中的比例至多只占10%左右。特別是作為任務(wù)代謝物最大處理單元的魚肌肉(占總體重50%以上)糖代謝能力較低。虹鱒上的研究發(fā)現(xiàn)骨骼肌處理葡萄糖的貢獻小于其總葡萄糖轉(zhuǎn)化率的15%(West 等，1994)；大西洋鱈上的研究發(fā)現(xiàn)白肌葡萄糖利用率最低(Hemre等，1997)，這些結(jié)果與肌肉糖酵解酶活性低有關(guān)(Knox 等，1980)。此外，飼料碳水化合物存在及水平對虹鱒肌肉糖酵解酶的基因表達及活性均沒有影響(Kamalam 等，2012；Skiba C 等，2013)，表明其缺乏適應(yīng)血糖水平變化的能力。

不同種類魚攝食碳水化合物后產(chǎn)生的高血糖癥狀持續(xù)時間并不一樣，并且跟魚的食性相關(guān)。肉食性魚清除糖負荷時間較久，而雜食性魚則對葡萄糖耐受能力強，雜食性魚糖酵解和脂肪合成活動通常表現(xiàn)較強并伴隨相對弱的糖異生作用(Furuichi 等，1982)。在膳食淀粉增加的誘導(dǎo)下肉食性魚也有一定加速糖酵解的能力(Bou 等，2014；Nie 等，2015)，但肉食性魚攝食糖后加速糖酵解的能力弱于雜食性魚。此外，肉食性魚糖異生作用高于雜食性魚，且往往不受膳食條件影響(G6Pase 活性無差異，但FDPase 活性存在差異)。Liu 等(2019)在牙鲆上的研究發(fā)現(xiàn)其葡萄糖感應(yīng)系統(tǒng)對飼料碳水化合物存在一定的適應(yīng)性，攝食碳水化合物后牙鲆降低血糖的能力增強，而且葡萄糖代謝相關(guān)基因如葡萄糖促進轉(zhuǎn)運蛋白2、葡萄糖激酶、肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1b、羥基?；o酶a脫氫酶等表達上調(diào)，肝臟葡萄糖激酶、丙酮酸激酶和糖原合成酶及肝糖原含量也相應(yīng)提升。虹鱒上也發(fā)現(xiàn)類似的研究結(jié)果，即長期喂養(yǎng)或一次富含碳水化合物的飲食都能增強肝臟GK 基因表達(Kamalam等，2012；Panserat等，2001)?？傮w而言，盡管在肉食性魚中存在對碳水化合物飲食適應(yīng)性反應(yīng)，但其調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的能力存在不確定性(Viegas 等，2013)。因此，肝臟GK 的誘導(dǎo)可能不是限制肉食性魚利用碳水化合物的因素。此外應(yīng)注意的是，用植物成分代替海洋動物成分可能會損害大西洋鮭肝臟GK 的反應(yīng)(Sissener 等，2013)。