影響魚類消化道食糜狀態(tài)特性指標(biāo)的因素分析

董 浩 蔡鳳英 張 勇 劉來亭*

(1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，鄭州 450001)

魚類消化道是營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的主要場所，也是食糜形成、輸送和排泄的通道。食糜中的營養(yǎng)物質(zhì)被魚類腸道上皮細(xì)胞所吸收，為魚類提供營養(yǎng)物質(zhì)[1]。食糜主要由魚類采食的飼料經(jīng)口腔、胃和腸道等部位，磨碎、攪拌、蠕動(dòng)并與唾液、胃液、膽汁、胰液、脫落的上皮細(xì)胞、微生物和分解后成分等混合而成，而進(jìn)入消化道的致密內(nèi)源性化合物(a dense endogenous fraction，DEF)[2]在食糜形成中起著重要作用。食糜由85%～99%的水合空洞黏液復(fù)合物和1%～16%的食物顆粒組成。

魚類食糜狀態(tài)特性指標(biāo)包括：黏彈性、流變性、粒度、pH、持水性能、消化酶活性和微生物菌群[3]。食糜的狀態(tài)能夠影響魚類的腸道性能，且與腸道吸收利用食糜中營養(yǎng)物質(zhì)具有一定相關(guān)性，可以用來評(píng)價(jià)魚類腸道的健康狀態(tài)。

1 魚類食糜的狀態(tài)特性指標(biāo)和檢測方法

1.1 黏彈性

魚類的食糜按流體分類是具有黏彈性的非牛頓流體，該類流體通過儲(chǔ)存和耗散機(jī)械能而呈現(xiàn)出彈性和黏性[4]。食糜黏度通常使用奧氏或?yàn)跏橡ざ扔?jì)測定，特殊的還有使用錐形/平板黏度計(jì)以及其他方法進(jìn)行測定，測定方法匯總詳見表1。

1.2 流變性

魚類腸道運(yùn)動(dòng)有2種類型：節(jié)段性運(yùn)動(dòng)和蠕動(dòng)性運(yùn)動(dòng)。節(jié)段性運(yùn)動(dòng)將內(nèi)容物機(jī)械性地剪切磨碎混合，蠕動(dòng)性運(yùn)動(dòng)推動(dòng)食糜沿著腸道向前運(yùn)動(dòng)[12]。魚類食糜流變性就是指食糜在2種運(yùn)動(dòng)外力的作用下的變形和流動(dòng)性質(zhì)[14]。

食糜的流變性測定通常使用流變儀，流變儀種類很多，使用不同類型的流變儀會(huì)得到不同參數(shù)，但基于原理都是通過對(duì)食糜施加應(yīng)力導(dǎo)致其形變速度發(fā)生變化。例如，AR-G2流變儀通過流量測試和振蕩測試的方法對(duì)食糜的流變性進(jìn)行檢測，得到食糜的流動(dòng)曲線、儲(chǔ)存模量(G′)和損失模量(G″)；同時(shí)，可以由食糜的tanδ(G″/G′)來表現(xiàn)食糜的固液特性[15]。Brinker等[16]采取Paar Physica UDS 200流變儀對(duì)食糜進(jìn)行時(shí)間掃描、頻率掃描以及蠕變?cè)囼?yàn)，用以分析食糜的流變性。

1.3 粒度

粒度是魚類消化道食糜的重要特征。粒度在魚類研究中很少，有學(xué)者對(duì)斷奶仔豬的研究表明，當(dāng)粒度過大時(shí)會(huì)影響消化液的包覆，阻礙食糜的消化吸收；當(dāng)粒度過小時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致消化道中食糜黏度過大，阻礙食糜在腸道中的流動(dòng)[17]。激光粒度儀是使用較多的測定粒度的儀器。通過恒定氣流產(chǎn)生的湍流分散食糜，達(dá)到借助流動(dòng)控制器和流通池測定顆粒大小的目的[18]。另外，還有一種新穎的測定食糜粒度分布的方法，即圖像分析法。該方法使用Fiji-win64處理軟件將數(shù)碼相機(jī)拍攝的食糜樣品RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換在256個(gè)灰度級(jí)上，再經(jīng)過裁剪得到大約1 000×1 000像素的圖像，通過像素格來分析顆粒面積[19-20]。此方法相比激光粒度法不需要大型的儀器設(shè)備，成本更低，但需要儲(chǔ)備圖像處理相關(guān)知識(shí)。

表1 黏彈性測定方法匯總

1.4 pH

pH常作為魚類消化道食糜的主要狀態(tài)特性，反映了魚類消化道中消化液的分泌情況，而消化液的分泌與營養(yǎng)物質(zhì)的消化率有正相關(guān)性。食糜pH的測定通常使用pH計(jì)。Bucking等[21]研究表明，對(duì)于食糜的pH測定，離心前后食糜固相和液相pH沒有顯著差異。

1.5 持水性能

食糜的持水性能是指食糜保持其原有水分含量不變的能力，食糜的持水性能與其黏性、流變性有密切的相關(guān)性[22]。食糜持水性能通常用干燥失重法評(píng)估，通過采集消化道各段的食糜，在105 ℃烘箱中烘6 h或烘干至其水分含量不變后進(jìn)行，根據(jù)烘干前后食糜重量的精確變化衡量各消化道食糜的持水性能[23]。

1.6 消化酶活性

消化酶活性是魚類胃腸道食糜中主要的狀態(tài)特性指標(biāo)，消化酶活性直接影響魚類的消化性能，通常測定魚類消化道中淀粉酶、麥芽糖酶、蔗糖酶、脂肪酶、胰蛋白酶和糜蛋白酶等的活性。測定消化酶活性的方法很多，不同動(dòng)物間可相互采用。Newman等[24]在松雞腸道食糜酶活性的測定中，采用早期Dahlqvist[25]的比色法，利用Hepes-KOH和甘露醇勻漿腸道黏膜并經(jīng)過孵育后測定麥芽糖酶、蔗糖酶的活性。其他測定方法還有Temler等[26]建立的蛋白酶放射免疫分析法和Jensen等[27]的脂肪酶特異性測定法。此外，現(xiàn)在多采用生物公司提供的試劑盒，按照試劑盒中指定方法進(jìn)行，利用試劑盒測定操作更加簡便快捷，同時(shí)精確度高，具有更高的專業(yè)性[28]。

1.7 微生物菌群

微生物菌群是魚類腸道食糜中重要的狀態(tài)特性指標(biāo)[29]。對(duì)于魚類食糜微生物菌群，通常參照其他動(dòng)物微生物菌群測定方法，既可以采用涂板計(jì)數(shù)分析微生物數(shù)量[30]，也可以采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析微生物組成[31]。但后者所分析的微生物區(qū)系更為細(xì)致，研究的更為深入。

2 影響魚類消化道食糜狀態(tài)特性指標(biāo)的因素

2.1 飼料組成成分

飼料組成成分的變化不僅會(huì)影響食糜的流變性，而且還會(huì)影響食糜的顏色、直徑和黏液覆蓋區(qū)域長度[16]。在鮭魚養(yǎng)殖中發(fā)現(xiàn)，植物蛋白質(zhì)替代魚粉會(huì)使鮭魚食糜的外形、性狀發(fā)生變化，糞便變得蒼白、密度降低[9]。另外，有研究表明，使用800 g/kg大豆粕替代魚粉時(shí)，佛羅里達(dá)鯧魚的體增重和增重效率無顯著差異，說明適度改變蛋白質(zhì)飼料的成分會(huì)影響食糜狀態(tài)但并不影響魚的生長性能[32]。經(jīng)過對(duì)非洲鯰魚進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，用更多的淀粉替代脂肪會(huì)導(dǎo)致胃內(nèi)食糜黏度增大，而在近腸段則無明顯變化，作者認(rèn)為這是由淀粉糊化而引起[33]。飼料組成成分是食糜黏度變化的重要因素，例如小麥、大麥、燕麥、黑麥、玉米等谷物在魚類飼料中添加量不同，魚類腸道食糜黏度有所不同[34]。食糜黏度的變化可能是因?yàn)轱暳显现锌扇苄苑堑矸鄱嗵?non-starch polysaccharides，NSP)含量的變化以及不可消化NSP的聯(lián)合效應(yīng)[35]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)飼用小米源淀粉相比小麥源淀粉食糜黏度更大。

2.2 腸道pH

腸道中pH直接影響淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性，造成食糜狀態(tài)特性變化。腸道pH與飼料蛋白質(zhì)能量比呈顯著負(fù)相關(guān)，因?yàn)閜H的變化會(huì)導(dǎo)致魚類食糜中蛋白酶活性的變化[36]；此外，研究還發(fā)現(xiàn)，pH的不斷升高能夠引起斜齒鳊魚腸道中淀粉酶活性的不斷變化[37]。當(dāng)pH下降時(shí)，通過對(duì)胃腸道各段食糜中Na+、K+、C1-、Ca2+和Mg2+濃度比較分析發(fā)現(xiàn)，各離子濃度均有不同程度的變化，其中一價(jià)離子受到pH變化影響較小，但是二價(jià)離子Ca2+和Mg2+有明顯的變化，這是由于胃pH的降低，食糜中二價(jià)離子物質(zhì)都變得高度溶解，到達(dá)腸道的堿性環(huán)境中發(fā)生沉淀[21]。

2.3 滲透壓

魚類消化道中液態(tài)食糜的流動(dòng)主要受來自胃和各腸段壓力差的控制，而固態(tài)食糜的流動(dòng)受食糜粒度的控制，胃排往小腸的食糜在組成上是由固態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)按不同的比例混合而成。因此消化道食糜在化學(xué)組成上是波動(dòng)的，并且造成了食糜流量的變化。在采食后1 h內(nèi)，隨著腸道中食糜的增加，消化道滲透壓增加，腸道的收縮運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致食糜排空速度加快。隨著食糜的排空，滲透壓逐漸降低，排空速度減慢[38]。此外，還有研究表明，在各消化道中食糜的滲透壓隨著食糜黏度的增加而增加，在胃中和遠(yuǎn)端腸道尤其明顯[9]。

2.4 胃腸段分布

不同消化段中食糜狀態(tài)特性有所變化，一般來說，近端腸道食糜中的脂質(zhì)含量和中腸段食糜中的蛋白質(zhì)含量高于整個(gè)腸道[33]。Tran-Tu等[9]通過研究條紋鯰魚食糜特征發(fā)現(xiàn)，胃、近端、中段和遠(yuǎn)端腸食糜特征、干物質(zhì)含量、黏度和滲透壓受胃腸道各段不同作用的影響有顯著的變化，這意味著胃腸道各段對(duì)食糜狀態(tài)特性指標(biāo)有不同程度的影響。不同腸段食糜的pH也有所不同，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大西洋鮭腸道食糜pH由近端的8.1升高到中段和遠(yuǎn)端的8.4，此外，還發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端腸胰蛋白酶活性相比近端腸有所下降，但是從中段腸到遠(yuǎn)端腸亮氨酸氨基肽酶的活性有增加的趨勢[39]。

3 食糜狀態(tài)特性指標(biāo)對(duì)魚類生長、生產(chǎn)性能的影響

食糜狀態(tài)特性指標(biāo)對(duì)魚類生長、生產(chǎn)性能的影響的研究較少。在其他動(dòng)物上有研究表明，腸道食糜黏度對(duì)蛋白質(zhì)和干物質(zhì)消化率有負(fù)面作用，且在回腸末端表現(xiàn)顯著[40]。其原因可能是食糜中纖維在胃中吸取大量水分，隨著食糜在消化道下游的輸送，水分被吸收，導(dǎo)致不可消化纖維被濃縮，從而引起食糜的黏度增加，從而影響腸道對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。另外當(dāng)食糜黏度增加時(shí)，會(huì)引起腸道中食糜與內(nèi)源性酶結(jié)合率降低，更不容易混合，導(dǎo)致了營養(yǎng)物質(zhì)消化率降低[41]。高黏度還會(huì)增加食糜的停留時(shí)間，從而增加腸道揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)的產(chǎn)量，導(dǎo)致腸道生態(tài)的劇烈變化而降低營養(yǎng)物質(zhì)的消化，并最終降低動(dòng)物的生長、生產(chǎn)性能[42]。

當(dāng)腸道食糜的彈性過大時(shí)，食糜會(huì)變得不利于腸道的蠕動(dòng)和剪切，造成消化性能下降。食糜的彈性直接影響了消化道的流變性能，造成魚類采食量、胃排空、腸道食糜滯留時(shí)間以及腸道菌群的變化；此外，還會(huì)對(duì)腸絨毛高度、隱窩深度、平均日增重、飼料轉(zhuǎn)化率造成不同程度的影響[43]。Brinker[44]則有不同的發(fā)現(xiàn)，在虹鱒飼料中添加不同濃度的黏合劑使其食糜黏度和彈性模量分別增加了266%和209%。

食糜中蛋白酶活性的升高對(duì)尼羅羅非魚體重、體長、日增重、采食量、比生長率和飼料轉(zhuǎn)化率都有顯著改善，引起腸道中腸絨毛的高度和寬度顯著增加，能夠降低同等增重下的飼料成本[45]。同樣的，在羅非魚幼魚飼料中添加蛋白酶能夠引起其體增重、蛋白質(zhì)效率和飼料轉(zhuǎn)化率的升高，且能夠大大提升粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、可消化能的表觀消化率以及必需氨基酸的表觀利用率；另外，魚體內(nèi)的總蛋白、白蛋白、鈣和磷的含量普遍高于飼料中未添加蛋白酶的魚體[46]。Liu等[47]發(fā)現(xiàn)，在鯽魚飼料中添加蛋白酶對(duì)其生長性能、粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的消化率有顯著影響，同時(shí)導(dǎo)致其前腸肌肉厚度變薄，肝胰腺和前腸的蛋白酶活性升高，但中腸和后腸的蛋白酶活性沒有顯著變化。

在其他動(dòng)物方面的研究表明，食糜pH的變化同樣能夠引起生長、生產(chǎn)性能的變化[48]。pH主要影響腸道中各類消化酶的活性以及腸道微生物的生長，導(dǎo)致食糜中營養(yǎng)物質(zhì)使用效率的轉(zhuǎn)變，各種微生物及其消化酶在最適的腸道pH時(shí)表現(xiàn)出最大活性，當(dāng)腸道pH出現(xiàn)變化時(shí)，直接引起了消化酶活性的降低，導(dǎo)致動(dòng)物營養(yǎng)轉(zhuǎn)化率降低[49]。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，不同的食糜狀態(tài)特性指標(biāo)有對(duì)應(yīng)的測定方法。飼料組成、消化道部位、pH、滲透壓、溫度與魚類消化道食糜的黏彈性、流變性、粒度等狀態(tài)特性有一定的相關(guān)性，魚類消化道的食糜狀態(tài)特性能夠改變魚類的腸道性能。腸道結(jié)構(gòu)和食糜狀態(tài)是影響魚類營養(yǎng)消化吸收的2個(gè)相輔相成的重要方面，腸道結(jié)構(gòu)影響食糜狀態(tài)，而食糜狀態(tài)也同樣引起腸道結(jié)構(gòu)和功能的變化。目前，有關(guān)腸道結(jié)構(gòu)對(duì)魚類營養(yǎng)物質(zhì)消化、吸收影響的研究較多，但食糜狀態(tài)對(duì)魚類消化、吸收的影響主要集中在飼料中營養(yǎng)物質(zhì)含量及消化酶活性對(duì)魚類生理、生化、生長性能等指標(biāo)的影響，而對(duì)食糜其他狀態(tài)特性指標(biāo)如流變性的相關(guān)研究很少，對(duì)最利于魚類營養(yǎng)物質(zhì)消化、吸收時(shí)食糜狀態(tài)特性的精確參數(shù)研究更少。因此，應(yīng)針對(duì)食糜流變性、粒度分布、持水性能等特性對(duì)魚類生長、發(fā)育、繁殖的影響展開更深一步的探究。希望未來能夠研究出一套科學(xué)的方法和參數(shù)用以評(píng)價(jià)魚類消化道食糜的狀態(tài)特性，為營養(yǎng)學(xué)研究開辟新領(lǐng)域，為保證魚類腸道健康、精準(zhǔn)飼料加工技術(shù)提供新的思路。