水產(chǎn)動物纈氨酸營養(yǎng)研究進展

張圓圓 王連生* 王 良

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江省水生動物病害與免疫重點實驗室，哈爾濱 150070；2.濰坊加易加生物科技有限公司, 濰坊 261100)

支鏈氨基酸在魚類生長中具有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成與降解、氧化供能及提高免疫反應(yīng)的重要作用[1]。纈氨酸與亮氨酸和異亮氨酸同為支鏈氨基酸，是魚類10種必需氨基酸之一，主要在全身肌肉組織中進行氧化代謝，小部分與其他氨基酸相同在肝臟代謝[2]。纈氨酸為生糖氨基酸，經(jīng)纈氨酸轉(zhuǎn)氨酶脫掉氨基后形成α-酮異戊酸，經(jīng)纈氨酸脫氫酶復(fù)合物催化氧化脫羧生成脂酰輔酶A，脂酰輔酶A通過β氧化作用經(jīng)β羧?；o酶A的中間過程，最終成為琥珀酰輔酶A參與三羧酸循環(huán)[3]。

纈氨酸對不同種類水產(chǎn)動物均具有營養(yǎng)調(diào)控作用。纈氨酸是人工及野生大西洋鮭(Salmosalar)胚胎和幼魚發(fā)育不可缺少的氨基酸[4]，也是中華絨螯蟹生長的第一限制性氨基酸[5]。研究顯示，添加1.50%的包膜纈氨酸提高了凡納濱對蝦(Litopenaeusvanamei)蝦苗的成活率，緩解了蝦苗開口攝食后第9天生長速度的下降[6]。與其他支鏈氨基酸促進采食的機制不同，腦內(nèi)注射纈氨酸不僅能夠抑制鱖魚(Sinipercachuatsi)下丘腦的神經(jīng)元中促食基因刺鼠相關(guān)蛋白(agouti-related protein，AGRP)和神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)的表達，同時抑制神經(jīng)元中雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin，mTOR)信號通路基因的表達，從而聯(lián)合抑制采食[7]。本文對水產(chǎn)動物纈氨酸的需要量、纈氨酸與其他支鏈氨基酸的相互作用以及纈氨酸對蛋白質(zhì)代謝、免疫性能、抗氧化功能和腸道健康的影響進行綜述，以期為纈氨酸在水產(chǎn)動物營養(yǎng)需求、功能和作用機理與健康養(yǎng)殖方面的深入研究提供參考。

1 水產(chǎn)動物纈氨酸需要量

纈氨酸是水產(chǎn)動物的必需氨基酸。纈氨酸缺乏顯著降低20和625 g尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)的體重、體增重、采食量和飼料效率[8-9]。飼料纈氨酸的缺乏通過抑制以肝臟肉毒堿棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶-Ⅰ為代表的β氧化基因的表達量，以及肝臟固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1和肝臟脂肪酸合成酶等脂肪合成相關(guān)基因的表達量，導(dǎo)致軍曹魚(Rachycentroncanadum)體脂肪沉積量降低[10]。飼料中缺乏纈氨酸，顯著降低1.41 g大西洋鮭(SalmosalarL.)的增重率、飼料效率和蛋白質(zhì)利用率[11]。過量纈氨酸對不同種類魚的生長性能產(chǎn)生的作用不同。飼料中纈氨酸缺乏或過量均可降低卵形鯧鲹(Trachinotusovatus)的存活率、生長性能、飼料利用率、體蛋白質(zhì)沉積率及消化酶活性[12]。過量的纈氨酸未對3.15 g紅鼓魚(Sciaenopsocellatus)的生長性能產(chǎn)生顯著影響[13]。另有研究表明，在斑點叉尾(Letaluruspunetaus)的飼料中過量添加纈氨酸也無法恢復(fù)前期纈氨酸缺乏導(dǎo)致的生長抑制和飼料效率的降低[14]。缺纈氨酸乏和過量對魚類的生長性能、飼料效率、脂肪代謝、蛋白質(zhì)代謝等產(chǎn)生不同程度的影響，因此，需要開展不同水產(chǎn)動物纈氨酸需要量的研究。

近年來發(fā)表的有關(guān)水產(chǎn)動物纈氨酸需要量的文獻見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，魚類對纈氨酸的需要量為0.70%～2.17%，甲殼類對纈氨酸的需要量為1.08%～1.79%，仿刺參對纈氨酸的需要量為1.79%。不同品種魚對纈氨酸的需要量差異較大，草魚(Ctenopharyngodonidella)的需要量為1.56%，吉富羅非魚的需要量為1.41%，鱸魚(Lateolabraxjaponicus)的需要量為2.17%，表明肉食性魚類纈氨酸需要量高于草食性和雜食性魚類。同一品種不同規(guī)格的魚類對纈氨酸的需要量不同，不同規(guī)格草魚[15-17]和鱸魚[1,18-19]的纈氨酸需要量近似；但大規(guī)格尼羅羅非魚對纈氨酸的需要量為0.78%，低于小規(guī)格尼羅羅非魚的需要量1.15%～1.40%[20-22]，大規(guī)格虹鱒(Oncorhynchusmykiss)對纈氨酸的需要量為1.41%～1.50%，低于小規(guī)格虹鱒的需要量1.57%[23-24]。纈氨酸需要量的表示方式主要有占飼料百分比和占飼料蛋白質(zhì)百分比2種，表1采用直接引用或折算為占飼料百分比的方式進行需要量的表示。同一模型下不同評價指標(biāo)對魚類纈氨酸的需要量存在影響，研究人員通過多項評價指標(biāo)，例如同時計算增重率、蛋白質(zhì)累積率及飼料效率等，綜合評估水產(chǎn)動物的纈氨酸需要量，這種方式是應(yīng)用較為普遍的需要量評價策略[25-26]。此外，二次多項式模型預(yù)測異育銀鯽(Carassiusauratusgibelio)的纈氨酸需要量為1.72%，而折線模型則為1.21%，說明需要量受不同統(tǒng)計模型的影響[27]，折線模型一般會比其他模型(指數(shù)、曲線模型等)估算的需要量低[2]。在體重、投喂頻率、試驗時長和循環(huán)水環(huán)境條件基本相同的情況下，6.5 g尼羅羅非魚的纈氨酸需要量高于6.48 g尼羅羅非魚的需要量(表1)，這可能是由于飼養(yǎng)溫度(分別為25～27 ℃和27～29 ℃)及飼喂量(每日飼喂量分別占體重的6%～8%和8%～10%)的不同而產(chǎn)生了差異[20-21]。綜上所述，水產(chǎn)動物纈氨酸需要量的差異可能受種類、規(guī)格、飼料組成、投喂次數(shù)及水平、飼養(yǎng)環(huán)境條件等多種因素的影響。

表1 水產(chǎn)動物纈氨酸需要量Table 1 Valine requirement of aquatic animals

續(xù)表1品種Species體重Body weight/g模型Model評價指標(biāo)Evaluation indicator需要量(占飼料的百分比)Requirement (percentage of diet)/%參考文獻References印度鯪魚 Indian major carp0.63二次多項式模型增重飼料效率蛋白質(zhì)沉積率1.591.501.48Ahmed等[25]印度鯪魚 Indian major carp0.16折線模型飼料效率蛋白質(zhì)沉積率1.51.5Abidi等[26]異育銀鯽 Gibel carp3.17二次多項式模型折線模型特定生長率特定生長率1.721.21李桂梅等[27]紅鯛 Red sea bream32.04折線模型增重率蛋白質(zhì)沉積率0.900.99Rahimnejad等[30]團頭魴 Blunt snout bream10.2折線模型折線模型特定生長率飼料效率1.321.26Ren等[31]卡拉鲃 Catla1.2折線模型平均體增重1.42Ravi等[32]建鯉 Jian carp9.67二次多項式模型特定生長率1.37董敏[33]卵形鯧鲹 Golden pompano5.34二次多項式模型增重率蛋白質(zhì)沉積率2.0171.987Huang等[12]紅鼓魚 Red drum2.83折線模型增重率1.24Castillo等[34]斑點叉尾Channel catfish201折線模型增重率飼料效率0.710.70Wilson等[35]遮目魚 Milkfish0.35折線模型增重率飼料效率0.890.89Borlongan等[36]甲殼類 Crustacean凡納濱對蝦 Pacific white shrimp0.31折線模型生長率增重率1.791.79王用黎[37]虎蝦 Tiger shrimp0.014折線模型增重率1.35Millamena等[38]對蝦 Prawn0.79—全身必需氨基酸分析和蛋白質(zhì)分析1.08Teshima等[39]海參 Holothuria仿刺參 Sea cucumber9.20折線模型增重率1.79韓秀杰[40]

由于不同物種之間有一定程度的同質(zhì)性[28]，因此將魚類和甲殼類水產(chǎn)動物的纈氨酸需要量共同進行Meta分析?；诓煌芯康钠贩N、初始大小、生長速率以及試驗條件等的差異，在本文引用的參考文獻中，將增重率進行標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)處理后與纈氨酸需要量進行分析，如圖1所示。為了分析劑量效應(yīng)，使用了四參數(shù)營養(yǎng)動力學(xué)分析方法[29]。根據(jù)不同品種對纈氨酸需要量的研究數(shù)據(jù)，分別采用了增重率與纈氨酸占飼料百分比(% diet，圖1-A)和占飼料中粗蛋白質(zhì)百分比(% CP)繪制曲線(圖1-B)，并嘗試采用不同回歸分析對曲線進行擬合，最終確定了三次多項式回歸分析模型(擬合方程分別為：y=10.73x3-70.38x2+147.34x-0.225 2，R2=0.985 8；y=0.566 8x3-10.13x2+55.866x+1.481，R2=0.979 8)，擬合得到魚類纈氨酸需要量為1.253% diet和3.189% CP，甲殼類纈氨酸需要量為1.736% diet和4.334% CP。

圖1 不同魚類和甲殼類動物纈氨酸需要量的文獻數(shù)據(jù)分析Fig.1 Analysis of literature data on valine requirements of different species of fish and crustacean

2 纈氨酸與支鏈氨基酸的相互作用

有關(guān)纈氨酸與支鏈氨基酸相互作用的研究主要集中在其與亮氨酸的相互作用上。低亮氨酸飼料中添加纈氨酸能夠緩解日本牙鲆(Paralichthysolivaceus)的生長抑制，降低氧化應(yīng)激反應(yīng)[41]。添加需要量2倍的亮氨酸也無法彌補斑點叉尾因纈氨酸缺乏導(dǎo)致的飼料效率降低的問題；相反的，纈氨酸能夠緩解亮氨酸缺乏引發(fā)的生長抑制；另外，添加纈氨酸可以緩解過量亮氨酸和低纈氨酸飼料產(chǎn)生的生長抑制，并且提高飼料效率[14]。飼料中添加纈氨酸和異亮氨酸可緩解由過量亮氨酸導(dǎo)致的虹鱒生長性能和代謝的負面影響[42]。綜上所述，纈氨酸能夠調(diào)節(jié)飼料中亮氨酸缺乏或過量導(dǎo)致的魚類的生長抑制，反之，亮氨酸對纈氨酸缺乏造成的生長抑制不具備調(diào)節(jié)作用。

另外，飼料中2%異亮氨酸與2.27%纈氨酸的相互作用通過阻斷肝臟中谷氨酸脫氫酶的活性和基因表達量降低脫氨基作用，同時抑制肌肉中的腺苷單磷酸脫氨酶的活性和基因表達量降低肌肉中氨的產(chǎn)生，從而降低3.57 g牙鲆氨氮的排泄[43]。

3 纈氨酸對水產(chǎn)動物蛋白質(zhì)代謝的影響

纈氨酸可以促進魚類蛋白質(zhì)代謝，纈氨酸缺乏或過量均對蛋白質(zhì)的沉積率和魚體蛋白質(zhì)含量產(chǎn)生不良影響。隨著飼料中纈氨酸含量的增加，1.35和9.50 g草魚的蛋白質(zhì)沉積率顯著增加，分別在纈氨酸含量為1.26%和1.63%時達到最大值[15-16]；268 g草魚飼料含有1.31%的纈氨酸時，肌肉中蛋白質(zhì)含量最高[44]。含有1.317%～1.781%纈氨酸的飼料能夠顯著提高尼羅羅非魚幼魚的蛋白質(zhì)效率和蛋白質(zhì)沉積率[20]。飼料中纈氨酸含量達到1.04%～1.40%時，顯著提高了紅鼓魚的蛋白質(zhì)效率和蛋白質(zhì)沉積率[34]。研究表明，支鏈氨基酸具有促進多肽鏈合成的起始來促進蛋白質(zhì)合成并抑制其分解的作用[45]。腦內(nèi)注射的纈氨酸通過抑制肝臟中谷氨酸脫氫酶和肌肉中腺苷酸脫氨酶的活性、激活腦-肝回路的肝臟中TOR復(fù)合物1(TORC1)的活性來減弱和阻斷鱖魚外周器官蛋白質(zhì)的水解[46]。表1顯示，對氨基酸需要量的評價不僅局限于增重率、生長率和飼料效率等一般氨基酸的評價指標(biāo)，蛋白質(zhì)沉積率被大量的使用，體現(xiàn)了纈氨酸對蛋白質(zhì)代謝具有重要作用。上述研究表明，纈氨酸通過增加魚類肌肉中蛋白質(zhì)含量、提高蛋白質(zhì)沉積率和抑制蛋白質(zhì)分解的途徑，綜合調(diào)控蛋白質(zhì)的代謝。

4 纈氨酸對水產(chǎn)動物免疫功能的影響

纈氨酸能夠促進水產(chǎn)動物免疫器官的發(fā)育，以血清、肝臟和腸道為主要研究對象，提高水產(chǎn)動物的特異性免疫和非特異性免疫能力。飼料中適宜含量的纈氨酸(0.87%～1.49%)可不同程度地提高幼建鯉頭腎、后腎和脾臟的重量，促進幼建鯉免疫器官的生長發(fā)育；同時，還通過提高白細胞吞噬率、總鐵結(jié)合力、溶菌酶與酸性磷酸酶(acid phosphatase，ACP)活力、補體3(complement 3，C3)與補體4(complement 4，C4)含量來增強其非特異性免疫能力，以及通過提高抗嗜水氣單胞菌抗體效價和水平來增強其特異性免疫能力[33]。飼料中適宜含量的纈氨酸(1.66%～2.07%)與過高或過低纈氨酸含量相比，可提高卵形鯧鲹血清中免疫球蛋白M(immunoglobulin M，IgM)、C3、C4和溶菌酶等免疫指標(biāo)的含量或活性[12]。纈氨酸通過提高尼羅羅非魚肝臟溶菌酶的活性，增強肝臟免疫水平[21]。飼料中纈氨酸含量過高或過低均會通過降低腸道溶菌酶、酸性磷酸酶活性及C3含量、提高促炎因子[白細胞介素-8(interleukin-8，IL-8)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)]以及降低抑炎因子[白細胞介素-18(interleukin-18，IL-18)和轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-beta，TGF-β)]基因表達量抑制草魚腸道免疫狀態(tài)；當(dāng)飼料中含有適量的纈氨酸(0.80%～1.67%)時，抑制核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)p65/核因子抑制蛋白α(inhibitor α of NF-κB，IκBα)/TOR信號通路基因的表達，進而抑制其下游促炎因子(IL-8 和TNF-α)的產(chǎn)生，從而提高腸道免疫狀態(tài)[17]。在飼料中纈氨酸含量達到1.06%～1.31%時，草魚鰓中白細胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、IL-8、TNF-α和NF-κBp65的表達量顯著下降，白細胞介素-10(interleukin-10，IL-10)、TGF-β和IκBα的表達量顯著升高，緩解纈氨酸過量或缺乏對草魚鰓的免疫抑制作用[47]。上述研究表明，飼料中纈氨酸含量過高或過均會引發(fā)機體的免疫抑制，適量的纈氨酸可以緩解免疫抑制作用，并且提高動物體的免疫能力。

5 纈氨酸對水產(chǎn)動物抗氧化能力的影響

營養(yǎng)物質(zhì)對動物抗氧化能力影響的評估指標(biāo)以總抗氧化能力(total antioxidant capacity，T-AOC)、過氧化物酶體標(biāo)志物[過氧化氫酶(catalase，CAT)]、抗氧化酶體系[超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)和谷胱甘肽(glutathione，GSH)等]、脂質(zhì)氧化產(chǎn)物[丙二醛(malondialdehyde content，MDA)]為主要代表。飼料中纈氨酸缺乏或過量可通過降低卵形鯧鲹血清中T-AOC和SOD活性、增加MDA含量抑制血清抗氧化能力[12]。飼料添加纈氨酸(0.87%～1.49%)可通過降低幼建鯉免疫器官(頭腎、后腎和脾臟)中MDA含量、提高SOD和CAT活性增強機體抗氧化能力[33]。飼料添加纈氨酸(1.14%～2.64%)能夠通過不同程度地提高仿刺參(Apostichopusjaponicus)腸道中T-AOC、總超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase，T-SOD)和CAT的活性提高腸道抗氧化能力[37]。纈氨酸(0.80%～1.91%)通過提高草魚肌肉中SOD、GSH、CAT和GPx活性，降低MDA含量及基因表達量，提高肌肉抗氧化能力[44]。飼喂低亮氨酸(1.6%)和高纈氨酸(2.5%)飼料的日本牙鲆氧化應(yīng)激強度較低，對氧化應(yīng)激的耐受能力較高；飼喂低亮氨酸(1.6%)和低纈氨酸(1.2%)飼料的日本牙鲆氧化應(yīng)激強度較高，對氧化應(yīng)激的耐受能力較低，說明高纈氨酸能緩解低亮氨酸(1.6%)飼料對日本牙鲆細胞免受氧化應(yīng)激的影響[41]。在飼料中纈氨酸含量達到1.31%～1.67%時，草魚鰓中MDA和蛋白質(zhì)羰基含量顯著下降，滅活超氧陰離子和抗羥基自由基含量顯著提高；在纈氨酸含量達到1.06%～1.31%時，草魚鰓中銅鋅超氧化物歧化酶(Cu/Zn SOD)和CAT活性顯著增加；纈氨酸含量在0.8%以上時，草魚鰓中GPx、GSH、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽還原酶的活性顯著提高[47]。綜上所述，纈氨酸在水產(chǎn)動物的免疫器官、血清、腸道和肌肉中都能夠發(fā)揮抗氧化作用，提高氧化應(yīng)激的耐受力，并且降低氧化應(yīng)激水平。

6 纈氨酸對水產(chǎn)動物腸道健康的影響

水產(chǎn)動物的生長與腸道健康密不可分。腸道自身的腸道屏障功能和消化能力，決定動物對有害物質(zhì)的阻隔效應(yīng)及對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收程度，并影響腸道中菌群的種類和豐度。纈氨酸(0.80%～1.91%)通過提高草魚腸道緊密連接蛋白的閉合蛋白claudin家族(claudin b、c、3、12和15)、閉鎖蛋白(occludin)和閉鎖小帶蛋白-1(zonula occluden-1，ZO-1)的表達量來改善腸道的物理屏障[44]。飼料含有0.87%～1.49%纈氨酸顯著提高了幼建鯉腸道胰蛋白酶、糜蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活性，飼料含有0.87%～1.87%纈氨酸能夠不同程度地提高幼建鯉前腸、中腸和后腸皺襞的高度，并且提高腸道中乳酸菌、降低大腸桿菌和嗜水氣單胞菌的數(shù)量[33]。纈氨酸能夠為腸道菌群提供氮源，飼料中纈氨酸含量為1.49%時可提高建鯉腸道中乳酸菌和芽孢桿菌的豐度，抑制大腸桿菌的生長[48]。綜上所述，纈氨酸能從提高腸道防御和消化性能以及調(diào)節(jié)菌群的種類和豐度2個方向協(xié)同促進腸道健康。

7 小結(jié)與展望

現(xiàn)有研究顯示，魚類對纈氨酸的需要量為0.70%～2.17%，甲殼類對纈氨酸的需要量為1.08%～1.79%，仿刺參對纈氨酸的需要量為1.79%，以目前研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)擬合得到魚類纈氨酸需要量為1.253% diet)和3.189% CP，甲殼類纈氨酸需要量1.736% diet)和4.334% CP。纈氨酸對水產(chǎn)動物不同組織器官的蛋白質(zhì)代謝、免疫性能、抗氧化能力、腸道健康功能都具有良好的促進作用。纈氨酸對水產(chǎn)動物的影響還在持續(xù)研究中，其作用機制的深入挖掘、不同種類和規(guī)格魚的需要量的完善、與其他營養(yǎng)物質(zhì)之間的互作關(guān)系以及新的調(diào)控功能的探索，都將成為未來纈氨酸研究的方向。