裂殖壺藻的生理功能及其在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用

宮嘉泰 胡睿智 楊茜梓 伍樹松

(湖南農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，湖南省畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410128)

裂殖壺藻(Schizochytrium)是一種單細胞海洋真菌[1]，又稱裂殖壺菌，屬于網(wǎng)粘菌門、網(wǎng)粘菌綱、破囊壺菌目、破囊壺菌科，單細胞、球形。作為單細胞海洋真菌類異養(yǎng)型生物，其生長過程中可積累大量營養(yǎng)物質(zhì)，如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等。作為一種異養(yǎng)生物，裂殖壺藻可通過改變培養(yǎng)條件的方式，控制其體內(nèi)營養(yǎng)成分的積累。裂殖壺藻的蛋白質(zhì)含量相對較高，在蛋白質(zhì)飼料資源匱乏的情況下，可作為新型的蛋白質(zhì)飼料資源利用；另外，通過調(diào)整培養(yǎng)條件，可使裂殖壺藻油脂含量達到細胞干重的40%以上,其中二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)的含量可達總脂肪酸含量的50%以上，可作為一種功能性添加劑使用。裂殖壺藻除了高DHA含量，還含有蝦青素、角鯊烯等活性成分，具有提高動物機體抗氧化[2]、抗炎癥[3]等功能。本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，就裂殖壺藻的營養(yǎng)物質(zhì)、培養(yǎng)和生產(chǎn)條件、主要活性物質(zhì)及其生理功能進行綜述，為裂殖壺藻在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 裂殖壺藻的主要營養(yǎng)成分

裂殖壺藻營養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)、脂質(zhì)含量較高，并含有其他一些微量物質(zhì)，具有較高的飼用價值。作為一種海洋真菌，通過選擇底物，篩選培養(yǎng)條件等方式，可使裂殖壺藻的蛋白質(zhì)含量發(fā)生改變，例如使用豆粕水解物作為氮源時，總蛋白含量為9.35%，而使用酵母提取物作為氮源時，總蛋白含量可達42.51%[4]。蛋白質(zhì)中氨基酸的組成較為穩(wěn)定，包含10種必需氨基酸和6種非必需氨基酸，但是氨基酸的含量相差較大，與不同的培養(yǎng)底物有關(guān)，例如使用豆粕水解物作為氮源時，谷氨酸含量最高，為總氨基酸的20.87%，精氨酸的含量最低，為總氨基酸的0.95%；當使用酵母提取物作為氮源時，蛋氨酸含量最低，為總氨基酸的1.31%，而精氨酸含量相對較高，為總氨基酸的13.35%，谷氨酸可達總氨基酸的33.63%[4]。

裂殖壺藻的油脂含量較高，包括甘油酯、磷脂和不皂化物[5]。甘油酯多為甘油三酯(triglyceride，TG)，磷脂多為磷脂酰膽堿，不皂化物包括烷烴、二丁基羥基甲苯、角鯊烯(含量為0.035～0.162 mg/g)[6]以及膽固醇。此外，裂殖壺藻油脂中還含有強抗氧化物質(zhì)蝦青素[7]。由于裂殖壺藻培養(yǎng)產(chǎn)物的脂肪酸中，DHA占比最高，所以目前裂殖壺藻常被用做功能性添加劑使用。DHA系統(tǒng)名稱為全順式-4，7，10，13，16，19二十二碳六烯酸，其分子結(jié)構(gòu)式中含有6個碳碳雙鍵，并由22碳長鏈為骨架構(gòu)成的多不飽和脂肪酸，屬于ω-3長鏈多不飽脂肪酸(omega-3 polyunsaturated fatty acid，ω-3PUFA)中的一類。其相對分子質(zhì)量為328.49，分子式為C22H32O。DHA具有熔點低、流動性較強的特點，常溫下純凈的DHA為淺黃色或無色的澄清油狀液體。DHA無色無味，難溶于水，易溶于乙醇、氯仿、乙醚等有機溶劑之中。

裂殖壺藻(培養(yǎng)使用的碳源為葡萄糖，氮源為谷氨酸鈉)的主要營養(yǎng)成分見表1。蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的含量受培養(yǎng)底物的影響較大，而粗灰分和糖分含量較為穩(wěn)定。裂殖壺藻的可溶性多糖的單糖主要為半乳糖，其次為甘露糖和鼠李糖，以及少量的木糖和葡萄糖[8]。裂殖壺藻中的多糖主要為硫酸半乳聚糖，其硫酸酯基主要在半乳糖殘基的C6位[9]。

表1 裂殖壺藻的主要營養(yǎng)成分

2 裂殖壺藻的培養(yǎng)工藝

裂殖壺藻的培養(yǎng)受碳源、氮源、氧氣、微量元素等因素影響，并且作為一種海洋真菌，鹽度也會影響其脂肪酸組成[10-11]。Song等[12]通過篩選得出裂殖壺藻的最佳培養(yǎng)條件為：溫度23.8 ℃，通氣量1.48 L/min,轉(zhuǎn)速250 r/min和接種生長中期的菌種，此條件下，細胞干重(DCW)和DHA含量分別達到最大值24.1和4.7 g/L。不同品種裂殖壺藻的DHA含量不同[13]，通過誘變育種的方法，可以培養(yǎng)出高DHA產(chǎn)量的裂殖壺藻品種[14]。培養(yǎng)底物的改變也顯著影響著裂殖壺藻的生長，使用不同的碳源和氮源，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)也有所不同(表2)。當使用葡萄糖作為碳源時，培養(yǎng)產(chǎn)物產(chǎn)量最多[15]。同時添加1 g/L蘋果酸、0.4 mg/L洛伐他汀和0.3 mg/L生物素等微量成分時可使DHA的產(chǎn)量達到11.55 g/L[16]。此外，非營養(yǎng)物質(zhì)對裂殖壺藻生長也有影響，如消泡劑的使用，可使培養(yǎng)液與氧氣的接觸更加充分，使裂殖壺藻的產(chǎn)量提升到48.93 g/L[17]。裂殖壺藻作為一種異養(yǎng)生物，生物量和脂質(zhì)的積累與碳源有一定的關(guān)系，當使用葡萄糖作為碳源時，細胞干重、總脂質(zhì)含量、DHA含量和DHA生產(chǎn)率分別為72.37、48.86、18.38 g/L和138.8 mg/L[15]。但是，葡萄糖的價格高，投入工業(yè)化生產(chǎn)不現(xiàn)實，所以選擇價格低，培養(yǎng)效果好的底物是降低成本的關(guān)鍵。目前已經(jīng)對薯片加工的液體殘留[18]、玉米漿[19]、甜高粱汁[20]等進行了研究，但這些原料數(shù)量有限，且與傳統(tǒng)生產(chǎn)相比，生物量、油脂量和DHA含量還是較低，因而工業(yè)生產(chǎn)潛力有限。因此，篩選出廉價、可工業(yè)化利用的碳源對裂殖壺藻的培養(yǎng)至關(guān)重要。近期研究發(fā)現(xiàn)，乙酸可以作為碳源供裂殖壺藻培養(yǎng)使用[21]，乙酸為揮發(fā)性脂肪酸中的一種，可通過厭氧生物在有機廢物中發(fā)酵形成[22-23]。使用乙酰輔酶A合成酶可將乙酸直接轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，形成脂質(zhì)合成的中間體[24-28]，可以直接參與脂質(zhì)合成。并且與葡萄糖和甘油相比，乙酸具有更短的代謝途徑[29]，更高的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化率[30]。Shafiq等[31]通過試驗證明了使用乙酸作為碳源，生物量達到146 g/L，總脂量為82.3 g/L，DHA產(chǎn)量達到23.0 g/L，并顯著降低了成本。此外，有研究表明，裂殖壺藻能利用粗甘油生產(chǎn)DHA，其中75～100 g/L是甘油使用的最佳濃度范圍[32]。粗甘油是在工業(yè)化生產(chǎn)柴油時，通過TG的酸或堿催化酯交換反應(yīng)生成的，也包括植物油、動物脂肪和廢食用油[33-34]。其產(chǎn)量巨大，經(jīng)濟價值低，且其純化的成本很高[35]，不恰當?shù)奶幚磉€會污染環(huán)境，但卻可以作為裂殖壺藻培養(yǎng)的有機碳源。Lung等[36]在混合/異養(yǎng)條件下，在20 ℃的培養(yǎng)基中使用3%的粗甘油，可獲得最高DHA生產(chǎn)率為233.73 mg/g的生物質(zhì)。

表2 不同培養(yǎng)條件下裂殖壺藻生物量、總脂和DHA的水平

3 裂殖壺藻的主要生理功能

3.1 抗炎

裂殖壺藻的使用可起到一定抗炎的作用。前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)參與炎癥反應(yīng)，它是由膜磷脂sn-2位的花生四烯酸(arachidonic acid，AA)分子通過環(huán)氧合酶(cyclooxygenase，COX)的作用合成，因此細胞膜中的AA對于PGE2的合成極為重要，通過減少AA的存在可以調(diào)節(jié)PGE2的合成從而降低炎癥反應(yīng)[46]。AA是ω-6脂肪酸的代謝產(chǎn)物，將ω-3脂肪酸摻入細胞膜時會降低ω-6PUFA/ω-3PUFA的比值，從而減少PGE2的合成，并有利于前列腺素E3(PGE3)的產(chǎn)生，且PGE3所產(chǎn)生的炎癥性作用較小[47]。有研究發(fā)現(xiàn)，當給絕育后的貓的飼糧中添加4、8、12、16.0 g/kg的裂殖壺藻時，術(shù)后貓體內(nèi)PGE2的水平線性下降，從而減輕了炎癥反應(yīng)，而未添加裂殖壺藻的對照組貓PGE2的水平顯著增加，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)加強[48]。過氧化物酶體增殖物受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)是重要的細胞分化轉(zhuǎn)錄因子，在哺乳動物的脂肪組織中有表達，當PPARγ過度表達時，會導(dǎo)致肥胖發(fā)生，而肥胖是一種炎癥狀態(tài)。此外，轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1 ，TGF-β1)可以同時作為抗炎和促炎的介質(zhì)，Jo等[49]研究發(fā)現(xiàn)，胃黏膜TGF-β1的水平與炎癥的嚴重程度之間呈負相關(guān)。Komprda等[50]研究發(fā)現(xiàn)，當給肥胖大鼠的飼糧中添加裂殖壺藻后，相較于飼糧中未添加裂殖壺藻的對照組，添加了裂殖壺藻的試驗組，肝細胞中PPARγ蛋白表達量降低，并且血漿中TGF-β1的含量上升。此外，Wang等[51]使用葡聚糖硫酸鈉(dextransulfatesodium，DSS)誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎后，給試驗組小鼠的飼糧中添加裂殖壺藻藻渣水解物，與對照組相比，試驗組小鼠結(jié)腸炎中的腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素-17(interleukin-17，IL-17)、IL-1β這3種促炎因子的表達水平顯著降低，且抗炎因子IL-10的表達水平升高。

3.2 抗氧化

氧化還原失衡可在動物體內(nèi)直接引起多種氧化損傷，DHA屬于多不飽和脂肪酸,有著較強的抗氧化活性,能有效降低體內(nèi)氧化活性簇(reactive oxygen species，ROS)含量[2]。Tomaluski等[52]的研究中發(fā)現(xiàn)，通過給犢牛補充裂殖壺藻，增加了犢牛體內(nèi)DHA的含量，從而降低了血清脂質(zhì)過氧化(lipid peroxidation，LPO)和ROS含量。線粒體中存在大量的抗氧化酶，可保護線粒體的氧化還原平衡，在抗氧化酶中，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)可與ROS進行反應(yīng)，它能催化強內(nèi)源性自由基超氧陰離子的歧化并將其轉(zhuǎn)化為H2O和O2。Alexandros等[53]在山羊飼糧中添加裂殖壺藻濃縮液，與未添加的組相比，添加組山羊血清中SOD和谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase，GSTs)的活性顯著增加。同樣，Xiao等[54]通過向鏡鯉幼魚的飼料中分別添加的60、90、120 g/kg的裂殖壺藻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鏡鯉的肝胰腺和血清中的SOD活性都顯著增加，且適宜的添加范圍為41.8～60.0 g/kg。丙二醛(malondialdehyde，MDA)是脂質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物，是氧化應(yīng)激的主要標志，Long等[55]研究發(fā)現(xiàn)，在肉仔雞的飼糧中添加1%或2%的裂殖壺藻，裂殖壺藻中的DHA可通過激活酶和非酶抗氧化系統(tǒng)來降低MDA含量，以此來有效降低肉中MDA含量，并且提高了肉仔雞體內(nèi)SOD活性，使得總抗氧化能力提升。此外，Lv等[56]的研究發(fā)現(xiàn)，裂殖壺藻藻油中還存在較高濃度的β-胡蘿卜素、維生素E、甾醇、酚類和類黃酮，這些化合物不僅使藻油的內(nèi)容物更加豐富，也使其具有更高的抗氧化活性。

3.3 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝

DHA對脂質(zhì)代謝有一定的影響，可調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，具有降低血液和肝臟中TG以及膽固醇含量的作用[57]，并且能抑制肝臟脂肪合成[57-58]。血清樣淀粉蛋白A(serum amyloid A，SAA)、TNF-α以及IL-6能調(diào)節(jié)脂肪代謝，DHA能使這些信號蛋白的表達上調(diào)[59]。Yu等[60]的試驗中，使用高脂飼糧(high fit diet，HFD)誘導(dǎo)高脂模型，向HFD中添加100 mg/kg的裂殖壺藻藻油，通過16周的飼喂，結(jié)果發(fā)現(xiàn)明顯降低了小鼠腹部脂肪堆積，降低了TG、膽固醇和低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)的含量，同時抑制了脂肪酸合酶和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(SREBP-1)和乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACAC)的基因表達。DHA可以通過降低肝臟中極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)的合成來降低TG的含量。TG合成減少進而導(dǎo)致VLDL分泌減少、顆粒更小，更容易轉(zhuǎn)化為高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)[61]。LDL可運載膽固醇進入外周組織細胞，而HDL可運載外周組織中膽固醇，通過將膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸或直接通過膽汁從腸道排出，因此減少膽固醇的含量可通過降低LDL含量和提高高密度脂蛋白膽固醇(high-density lipoprotein cholesterol，HDL-C)含量來實現(xiàn)[62]。Long等[55]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加1%或2%的裂殖壺藻促進了HDL-C的合成，并通過促進血清總膽固醇(total cholesterol，TC)、TG、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)的代謝調(diào)節(jié)血脂平衡。

4 裂殖壺藻在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用

隨著生活水平的提升，人們對畜禽產(chǎn)品的需求已經(jīng)開始從量向質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。裂殖壺藻含有豐富的DHA等多不飽和脂肪酸，具有改善畜禽產(chǎn)品品質(zhì)的作用。Gadkowski等[63]在鵪鶉的飼糧中添加0.5%的裂殖壺藻粉,發(fā)現(xiàn)其蛋黃中的DHA含量顯著提高。陳秀麗等[64]在海蘭褐雞飼糧中添加2%裂殖壺藻粉，飼喂到第15天時顯著提高了蛋黃DHA含量。王浩等[65]在京紅蛋雞飼糧中添加0.5%的裂殖壺藻油，發(fā)現(xiàn)顯著提高了蛋黃中ω-3PUFA的含量，并降低了蛋黃中ω-6PUFA的含量以及ω-6PUFA/ω-3PUFA的比例。李浩洋等[66]在杏花雞飼糧中分別添加1%、2%和3%的含有15% DHA的裂殖壺藻粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雞蛋油脂中DHA含量由1.50%分別提高至3.95%、4.60%和5.25%，且蛋黃中的膽固醇含量下降，但料蛋比、平均日采食量、蛋殼厚度、平均蛋重無顯著變化。

反芻動物對裂殖壺藻營養(yǎng)成分具有較高的利用效率。Tomaluski等[52]的研究中發(fā)現(xiàn)，通過將裂殖壺藻粉稀釋至牛奶中，增加了犢牛的裂殖壺藻攝入量，從而起到增加斷奶胸圍的作用，并降低了血清ROS和脂質(zhì)過氧化物(LPO)的含量，減少氧化應(yīng)激。Franklin等[67]通過向奶牛飼糧中添加裂殖壺藻發(fā)現(xiàn)，可以使乳脂中DHA的含量顯著提高。Alexandros等[53]在山羊飼糧中添加裂殖壺藻，提高了山羊奶中ω-3PUFA的含量。裂殖壺藻可以作為蛋白質(zhì)和能量的來源添加在飼糧之中，且由于其DHA含量高，可以改變動物機體脂肪酸的組成。在肉羊飼糧中加入裂殖壺藻，提高了DHA、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid，EPA)、共軛亞麻油酸(conjugated linoleic acid，CLA)的含量，降低了肉類膽固醇的含量，具有改善胴體品質(zhì)，脂肪組織和肌肉脂肪酸比例的作用[68-70]。使用大腸桿菌K99攻毒哺乳犢牛后，飼喂裂殖壺藻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶(catalase，CAT)、SOD活性顯著提高，說明添加裂殖壺藻具有促進腸道健康、降低腹瀉和提高抗氧化能力的作用[71]。

飼糧添加裂殖壺藻粉還具有改善豬肉品質(zhì)和生長性能的作用，Sardi等[72]和Vossen等[73]分別對公豬和母豬進行研究發(fā)現(xiàn)，通過添加適量的裂殖壺藻粉可顯著提高豬肉產(chǎn)品中的DHA含量。Kalbe等[74]研究也表明，飼糧添加裂殖壺藻可提高長白豬肌肉中DHA含量。此外，Kibria等[75]研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬飼糧中添加1.0%裂殖壺藻顯著提高了仔豬生長速度，并且能提高斷奶仔豬對干物質(zhì)和氮的表觀總消化率和回腸養(yǎng)分消化率。

5 小 結(jié)

在全面禁抗和飼料資源缺乏的背景下，開發(fā)新的飼料資源成為畜牧領(lǐng)域的研究熱點。裂殖壺藻富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、氨基酸和糖類等，且其培養(yǎng)具有低污染、低消耗、可循環(huán)等優(yōu)勢，具有良好的開發(fā)前景。但目前培養(yǎng)裂殖壺藻所選用的底物價格較高，致使生產(chǎn)成本高。因此，開發(fā)廉價、可大規(guī)模獲取的工業(yè)及農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物作為培養(yǎng)底物，并通過優(yōu)化培養(yǎng)工藝降低成本是裂殖壺藻作為飼料資源大規(guī)模應(yīng)用的前提。此外，多不飽和脂肪酸具有改善畜禽健康和畜禽產(chǎn)品品質(zhì)的作用，但當其含量過高會造成肉品質(zhì)變差，氧化過程加快，因此探究裂殖壺藻在飼糧中的合理使用同樣對其在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要的意義。