水產(chǎn)動物苯丙氨酸研究進展

吳 迪 王 良 王連生*

(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)

苯丙氨酸(phenylalanine，Phe)是魚類不能靠自身代謝合成的幾種必需氨基酸之一，屬芳香族氨基酸。在人體內(nèi)，Phe能夠直接合成重要的神經(jīng)遞質(zhì)和激素，參與人體供能所必需的糖脂代謝活動[1-2]；在植物體內(nèi)，Phe可對細胞器和組織發(fā)育起到直接作用，促進植物細胞的生長與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[3]；在醫(yī)藥領(lǐng)域，Phe還可作為抗癌藥物的載體將藥物分子直接導(dǎo)入癌瘤區(qū)，有效抑制癌細胞的分化，減少藥物的毒副作用[4]；在食品加工領(lǐng)域，Phe能夠和糖類等物質(zhì)發(fā)生一系列酰胺化反應(yīng)，改善食物風(fēng)味，維持人體日常營養(yǎng)所需的氨基酸平衡[5-7]。然而，Phe在水產(chǎn)動物中的生理活性機制尚不明晰。本文綜述了Phe的合成與代謝、水產(chǎn)動物需求量及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進展，以期為Phe在水產(chǎn)動物的營養(yǎng)需求、代謝機制與綠色養(yǎng)殖等方面的進一步研究提供重要基礎(chǔ)。

1 Phe的合成與代謝

1.1 Phe的生物合成

Phe的生物合成是一個極其復(fù)雜的過程，且只能由植物或微生物合成。Phe的合成起始物質(zhì)是赤蘚糖-4-磷酸(E4P)和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，二者經(jīng)過一系列氧化、脫氫、脫羧、分子重排與縮合，最終生成莽草酸。莽草酸是Phe合成的前體物質(zhì)。以莽草酸為起始物，經(jīng)多種酶作用并最終形成分支酸的過程，稱為莽草酸途徑[8]。這一途徑是芳香族氨基酸合成的共同步驟。隨后，作為芳香族氨基酸合成途徑的分支點，在分支酸變位酶與預(yù)苯酸脫水酶的作用下，先后轉(zhuǎn)變成預(yù)苯酸和苯丙酮酸，最后在轉(zhuǎn)氨酶的作用下形成Phe[9](圖1)。

1.2 Phe的代謝

Phe在生物體內(nèi)的主要代謝途徑是通過羥化反應(yīng)生成酪氨酸(tyrosine，Tyr)[10](圖2)。Phe可在輔酶四氫生物喋呤的作用下不可逆地轉(zhuǎn)化為Tyr[11]。當(dāng)體內(nèi)苯丙氨酸羥化酶發(fā)生缺陷時，Phe不能正常轉(zhuǎn)變?yōu)門yr，Phe在轉(zhuǎn)氨基作用下生成苯丙酮酸、苯乙酸等，且隨尿排出，俗稱苯酮酸尿癥(phenyl keronuria，PKU)，是最常見的氨基酸代謝缺陷[12-13]。Phe缺乏時，會影響動植物體內(nèi)Tyr合成，并造成甲狀腺素水平下降，影響動植物的正常代謝活動，嚴重時可導(dǎo)致智力低下、癲癇等問題[14]。

圖2 苯丙氨酸的代謝

2 水產(chǎn)動物對Phe的需求量

不同種類水產(chǎn)動物對Phe的需求量見表1。由表可知，水產(chǎn)動物對Phe需求量的范圍變化較大。魚類對Phe的需求量為0.47%～3.66%，對Phe+Tyr的需求量為1.20%～3.80%；蝦蟹類對Phe的需求量為1.30%～1.58%。水產(chǎn)動物對Phe的需求量與其種類、大小、飼料類型、飼養(yǎng)管理條件、投喂方法、飼料氨基酸組成、評價指標(biāo)和統(tǒng)計方法等密切相關(guān)。同一品種不同飼養(yǎng)規(guī)格的水產(chǎn)動物對飼料中Phe的需求量不同。當(dāng)草魚(Ctenopharyngodonidella)體重為255.97 g時，其對Phe的需求量為飼料干重的1.04%[15]，而體重為13.21 g的草魚對Phe的需求量為飼料干重的1.22%～1.27%[16]。當(dāng)體重為158.78和1.65 g時，尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)對Phe的需求量分別為1.21%[17]和3.66%[18]。在露斯塔野鯪(Labeorohita)的研究中，體重為0.18 g的露斯塔野鯪對Phe的需求量為1.16%～1.22%[19]。體重為0.92 g的麥瑞加拉鯪(Cirrhinusmrigala)對Phe的需求量為1.75%[20]。當(dāng)體重為0.58 g時，遮目魚(Chanoschanos)對Phe的需求量為1.26%～1.90%[21]；當(dāng)體重達到8.00 g時，其對Phe的需求量為1.12%～1.69%[22]。在日本鰻鱺(Anguillajaponica)對Phe需求量的研究中，黑子鰻為1.89%，幼鰻為1.76%，成鰻為1.60%[23]，以上需求量均低于NRC(2011)中日本鰻鱺成鰻在正常飼養(yǎng)水平下的必需氨基酸推薦值。評價指標(biāo)不同，所得水產(chǎn)動物對Phe的需求量也存在一定差異。在草魚的研究中表明，以增重率、飼料效率和蛋白質(zhì)沉積率為評價指標(biāo)，通過折線回歸分析模型得出，體重為13.21 g的草魚對Phe的需求量分別為1.27%、1.22%和1.26%[16]。Kim等[24]以紅鯛(Pagrusmajor)為研究對象，評價了Phe二肽形式作為一種新型氨基酸來源的效果，結(jié)果表明，二肽Phe對紅鯛幼魚的利用與自由形態(tài)一樣有效，對其生長性能和全身氨基酸組成均無不良影響。Baker[25]在對不同統(tǒng)計方法進行比較分析后得出，通常條件下由折線法計算得出的氨基酸需求量往往比非線性方法估計得出的氨基酸需求量低。

表1 水產(chǎn)動物苯丙氨酸需求量(以飼料百分比計)

續(xù)表1物種Species體重Body weight/g模型Mode評價指標(biāo)Evaluating indicator苯丙氨酸需求量Phe requirement/% 酪氨酸需求量Tyr requirement/% 苯丙氨酸+酪氨酸需求量Phe+Tyr requirements/% 參考文獻Reference日本鰻鱺 Anguilla japonica52.00～520.00必需氨基酸估計肌肉氨基酸含量1.89～2.20——許琪婭等[23]尼羅羅非魚 Oreochromis niloticus—折線回歸法—1.550.50—Santiago等[40]0.01增重率1.1——Santiago等[40]150～200缺失法魚體氨基酸含量3.66——Do Nascimento等[17]1.65二次回歸分析絕對增重、蛋白質(zhì)沉積率1.211.00—Zehra等[18]歐洲黑鱸 Dicentrachus labrax3.30必需氨基酸估計魚體氨基酸含量——2.60Kaushik[30]牙鲆 Paralichthys olivaceus3.00必需氨基酸估計魚體氨基酸含量——3.80Forster等[41]日本囊對蝦 Marsupenaeus japonicas0.79必需氨基酸估計體成分1.30——Teshima等[42]露斯塔野鯪 Labeo rohita0.18二次回歸分析特定生長率、飼料效率、蛋白質(zhì)效率、體蛋白質(zhì)沉積量1.16～1.221.00—Khan等[19]團頭魴 Megalobrama amblycephala10.20二次回歸分析特定生長率、飼料效率0.93～1.011.07≤ 3.44Ren等[43]烏鱧 Channa argus 5.96必需氨基酸估計肌肉氨基酸含量——2.70尹東鵬等[44]異育銀鯽 Carassius auratus gibelio3.19非線性回歸分析特定生長率1.09——馬志英等[45]銀鱸 Bidyanus bidyanus10.00折線回歸法增重率2.28——Ngamsnae等[46]麥瑞加拉鯪 Cirrhinus mrigala0.92斷點回歸分析增重率1.750.522.27Benakappa等[20]0.60多項式回歸分析增重率——2.2Ahmed[47]卡特拉鲃 Catla catla1.20折線回歸法增重率1.480.40—Ravi等[48]0.70多項式回歸分析特定生長率1.00——Zehra等[49]遮目魚 Chanos chano8.00斷點線性回歸分析飼料效率1.690.40—Borlongan等[21]8.00斷點線性回歸分析飼料效率1.121.07—Borlongan等[21]0.58斷點線性回歸分析增重率1.900.45—Borlongan[22]0.58斷點線性回歸分析增重率1.261.20—Borlongan[22]真鯛 Pagrus major1.70必需氨基酸估計魚體氨基酸含量——1.97Forster等[41]南美白對蝦 Litopenaeus Vannamei0.40多項式回歸分析增重率、飼料效率1.58——Jin等[50]虎紋蝦 Penaeus monodon0.02多項式回歸分析增重率1.40——Millamena等[51]

根據(jù)Kaushik等[52]的研究方法，將以上水產(chǎn)動物的Phe需求量進行Meta分析(圖3)。將增重率進行標(biāo)準(zhǔn)化相應(yīng)處理后，對水產(chǎn)動物Phe需求量與增重率進行Meta分析，得到二次多項式回歸分析模型，即y飼料=-35.89x2+120.59x+0.677 9，R2=0.971 2；y飼料蛋白質(zhì)=-3.952x2+40.957x-3.066 4，R2=0.939 1。以增重率為評價指標(biāo)，經(jīng)計算得到水產(chǎn)動物對Phe的需求量為占飼料的1.68%，占飼料蛋白質(zhì)的5.18%。

圖3 水產(chǎn)動物苯丙氨酸需求量Meta分析

3 Phe與其他營養(yǎng)素的相互作用

Phe是Tyr的前體，Tyr參與多種分子的合成，且在代謝、生長、應(yīng)激反應(yīng)和色素沉著等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。由于Phe可以轉(zhuǎn)化為Tyr，飼料中Tyr水平對Phe的需求量影響極大。研究表明，當(dāng)飼料中Tyr水平為1.33%時，虹鱒(Oncorhynchusmykiss)幼魚對Phe的需求量為0.7%；Tyr對Phe的節(jié)約替代率約為53%(以重量計)，即虹鱒對Tyr和Phe的總需求量為1.5%[36]。以增重率為評價指標(biāo)，當(dāng)飼料中Tyr水平為0.45%時，遮目魚對Phe的需求量為1.90%，而當(dāng)飼料中Tyr水平為1.20%時，遮目魚對Phe的需求量則下降到1.26%[22]。Khan等[19]研究表明，當(dāng)露斯塔野鯪幼魚飼料中Tyr水平為1.0%時，其對Phe的需求量為1.22%；而當(dāng)飼料中缺乏Tyr時，露斯塔野鯪對Phe的需求量為2.5%。此外，在日本鰻鱺的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飼料中缺乏Tyr時，日本鰻鱺對Phe的需求量是2.2%，而當(dāng)飼料中Tyr水平增加至2%時，日本鰻鱺對Phe的需求量是1.2%[23]。由此可見，飼料中的Tyr對Phe存在一定的節(jié)約作用。

此外，Saavedra等[53]研究表明，添加Phe和Tyr的銀鯛(Diplodussargus)幼魚對溫度脅迫的存活率顯著提高；同時，在飼料中補充Phe和Tyr有助于減少應(yīng)激引起的骨骼畸形和死亡率。綜上所述，飼料中Tyr和Phe的補充對銀鯛幼魚的生長和存活具有一定的積極作用；在溫度脅迫條件下，Phe降低了銀鯛幼魚脊椎椎體的壓縮率，Tyr增加了銀鯛幼魚的抵抗力，這也意味著其他代謝過程對氨基酸的需求可能高于生長所需的氨基酸。

4 Phe對水產(chǎn)動物蛋白質(zhì)代謝及健康的影響

4.1 Phe對水產(chǎn)動物蛋白質(zhì)沉積率的影響

Phe作為一種必需氨基酸，對水產(chǎn)動物的生長與代謝有著積極的促進作用。研究表明，飼料中適量的Phe可顯著提高虹鱒[36]和銀鱸(Bidyanusbidyanus)[46]等魚類的生長性能。而Phe的過量或缺乏都將影響水產(chǎn)動物對氨基酸的吸收利用，破壞飼料的氨基酸平衡，阻礙水產(chǎn)動物對蛋白質(zhì)的合成，進而抑制其生長[45]。在對草魚[16]、麥瑞加拉鯪[54]、吉富羅非魚[37]、團頭魴(Megalobramaamblycephala)[43]、卡特拉鲃(Catlacatla)[48-49]和露斯塔野鯪[19]的研究中發(fā)現(xiàn)，飼料Phe的過量或缺乏都將導(dǎo)致飼料系數(shù)的升高，引起水產(chǎn)動物生長性能的下降。Zehra等[18]在尼羅羅非魚的研究中發(fā)現(xiàn)，增重率和蛋白質(zhì)沉積率隨飼料中Phe水平的增加而增加，并在1.15%時有最大值，進一步增加Phe水平則導(dǎo)致尼羅羅非魚增重率和蛋白質(zhì)沉積率顯著下降。

值得注意的是，水產(chǎn)動物的種類和飼料Tyr水平等條件的不同都將導(dǎo)致不同的結(jié)果。孫麗慧等[16]研究表明，當(dāng)飼料中Phe水平從0.82%提高到1.20%時，草魚增重率、蛋白質(zhì)沉積率和飼料效率顯著升高，繼續(xù)增加Phe水平后，草魚生長性能則無顯著變化。該結(jié)果與在遮目魚[22]和大磷大馬哈魚(Oncorhynchustshawytscha)[29]等上的研究結(jié)果相似。然而，Ahmed[47]在研究麥瑞加拉鯪時發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)范圍內(nèi)降低飼料Phe水平不會引起麥瑞加拉鯪生長性能的下降；但當(dāng)飼料Phe水平過量時，則會顯著降低麥瑞加拉鯪的增重率與蛋白質(zhì)沉積率等生長性能指標(biāo)。這可能意味著Phe過量時的抑制能力要強于缺乏時。馬志英等[45]研究表明，當(dāng)飼料Tyr水平為1.04%且Phe不足時，會引起異育銀鯽(Carassiusauratusgibelio)幼魚的生長性能的下降和飼料系數(shù)的升高；當(dāng)提高飼料中Phe水平后，其生長性能隨著飼料中Phe水平的提高而升高，超過一定范圍后則導(dǎo)致異育銀鯽生長性能顯著下降。飼料中過高水平的Phe可能導(dǎo)致苯丙酮酸等代謝產(chǎn)物大量生成，并在水產(chǎn)動物體內(nèi)聚積而產(chǎn)生毒性，對生長有一定的負面作用，抑制水產(chǎn)動物的生長[55-56]，但具體機制需進一步研究。

4.2 Phe對水產(chǎn)動物體成分的影響

國內(nèi)外關(guān)于飼料Phe水平對水產(chǎn)動物體成分的影響已有一些報道。Xiao等[57]研究發(fā)現(xiàn)，飼料Phe水平為1.30%的雜交羅非魚(Oreochromisniloticus×Oreochromisaureus)的全魚蛋白質(zhì)和脂肪含量顯著高于Phe水平為0.43%的雜交羅非魚，而全魚水分含量則呈下降趨勢。Kim等[36]研究表明，飼料Phe水平可顯著提高虹鱒全魚粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量。Khan等[19]對露斯塔野鯪體成分的研究表明，飼料中適宜水平的Phe可顯著增加露斯塔野鯪全魚的粗脂肪和粗灰分含量。Ren等[43]在團頭魴飼料中添加0.57%～2.04%的Phe后發(fā)現(xiàn)，飼料Phe水平可顯著提高團頭魴全魚水分、粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，但對全魚粗灰分含量無顯著影響。Phe作為一種生酮氨基酸，可隨飼料Phe水平的升高而分解，為脂肪等生物大分子的合成提供足夠的碳骨架，并導(dǎo)致全魚粗脂肪含量的增加[58]。與露斯塔野鯪一樣，吉富羅非魚全魚粗灰分含量隨飼料Phe水平的升高而升高，當(dāng)Phe水平達到1.72%后，全魚粗灰分含量顯著下降。而馬志英等[45]研究則認為，飼料Phe水平對異育銀鯽的全魚體成分無顯著影響。孫麗慧等[16]發(fā)現(xiàn)，草魚全魚粗蛋白質(zhì)含量隨飼料Phe水平的升高顯著升高，而水分、粗脂肪和粗灰分含量則不隨飼料Phe水平的變化而變化。由以上結(jié)果可知，不同試驗的研究結(jié)果不盡相同，除與水產(chǎn)動物的種類有關(guān)外，還與不同生長階段、飼料Phe水平等因素有關(guān)。

4.3 Phe對水產(chǎn)動物血清生化指標(biāo)的影響

血清生化指標(biāo)是一種判斷水產(chǎn)動物健康程度的重要手段。研究表明，飼料中添加不同水平Phe對水產(chǎn)動物血清葡萄糖、膽固醇、甘油三酯含量以及谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶活性等指標(biāo)均可產(chǎn)生顯著影響。Yaghoubi等[59]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飼料中Tyr水平為0.85%時，Phe缺乏可引起體重為4.7 g的銀黑鯛(Sparidentexhasta)血漿補體3(C3)、補體4(C4)含量和溶菌酶活性降低，同時引起總免疫球蛋白含量和血紅細胞總數(shù)顯著降低，而對其血漿總蛋白含量無顯著影響。Xiao等[57]在進行飼糧中不同水平Phe(0.43%～1.91%)對雜交羅非魚幼魚[體重(5.63±0.04) g]血漿生化指標(biāo)的影響時發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加Phe可顯著降低血漿谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶活性，提高溶菌酶、過氧化氫酶活性和總蛋白含量。蔣明等[37]研究發(fā)現(xiàn)，吉富羅非魚血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶活性隨飼料Phe水平的升高先上升后下降。馬志英等[45]研究表明，異育銀鯽血清葡萄糖的含量在Phe水平為1.26%時達到最大值，這與飼喂不同Phe水平飼料的虹鱒血清中葡萄糖含量變化規(guī)律[60]一致；此外，當(dāng)飼料Phe水平為0.73%～1.67%時，異育銀鯽血清甘油三酯含量先升高后下降，且在Phe水平為1.33%時有最大值；同時，異育銀鯽血清甘油三酯含量隨飼料Phe水平的升高而在整體上呈下降趨勢，且在Phe水平為0.89%時有最小值。Phe能夠調(diào)節(jié)水產(chǎn)動物血清生化指標(biāo)的可能原因是：當(dāng)水產(chǎn)動物體內(nèi)氨基酸維持平衡后，可充分進行蛋白質(zhì)的合成，此時動物體的氧化供能則主要依靠調(diào)動總膽固醇和甘油三酯等能量物質(zhì)[37]。此外，當(dāng)飼料中Phe水平超出維持生長所需時，過量的氨基酸可直接參與代謝供能，也可轉(zhuǎn)化為糖類或脂肪儲存供能[45]。

4.4 Phe對水產(chǎn)動物腸道健康的影響

水產(chǎn)動物的腸道消化酶活性決定了其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。研究顯示，隨著飼料中Phe水平的上升，吉富羅非魚腸道蛋白酶、脂肪酶活性呈先升高后下降的趨勢，且在Phe水平為1.51%時有最大值，而腸道淀粉酶活性的變化則不顯著。此外，Phe還可改善草魚和團頭魴腸道溶菌酶、酸性磷酸酶活性和C3含量[61]。Li等[15]研究表明，飼料Phe水平為1.15%時，草魚腸道谷胱甘肽含量和谷胱甘肽還原酶活性有最大值。Phe提高水產(chǎn)動物腸道消化酶活性可能是通過促進膽囊收縮素的分泌并調(diào)節(jié)胰腺消化酶的分泌實現(xiàn)的[62]。Feng等[63]評估了飼料Phe水平對草魚腸道免疫反應(yīng)、緊密連接蛋白基因表達水平和抗氧化相關(guān)信號通路基因表達的影響，結(jié)果表明，Phe缺乏或過量均降低了腸道溶菌酶、酸性磷酸酶活性和C3含量；當(dāng)飼料Phe水平為1.15%時，可顯著上調(diào)閉合蛋白-1(Occludin-1)、閉鎖小帶蛋白-1(ZO-1)和密封蛋白-c(Claudin-c)等緊密連接蛋白的基因表達水平，同時還可顯著降低白細胞介素-8(IL-8)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和核因子-κB p65(NF-κBp65)的基因表達水平。此外，當(dāng)Phe水平為1.68%時，草魚腸道超氧化物歧化酶(SOD)的基因表達水平顯著降低；當(dāng)Phe水平為0.91%時，草魚腸道核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)的基因表達水平顯著增加。綜上所述，Phe改善魚類的腸道免疫狀態(tài)可能是通過調(diào)控哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、NF-κB和Nrf2信號通路等途徑實現(xiàn)的[61]。

5 小結(jié)與展望

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展是漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。飼料中添加適量的Phe不僅可以促進水產(chǎn)動物生長，還可改善水產(chǎn)動物的健康狀態(tài)。目前對水產(chǎn)動物Phe的研究主要集中在其需求量、血清生化指標(biāo)、消化酶活性和腸道健康等幾個方面，且研究對象的規(guī)格主要集中在魚苗和魚種上。然而，由于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖存在地理分布廣泛、養(yǎng)殖模式豐富、設(shè)施類型復(fù)雜和養(yǎng)殖種類多樣等特殊性，水產(chǎn)動物在不同生長階段的Phe營養(yǎng)需求數(shù)據(jù)庫還需要進一步完善。此外，關(guān)于Phe的消化吸收、轉(zhuǎn)運、代謝和與其他氨基酸相互作用的分子機制的研究還需不斷深入，這不僅可以為水產(chǎn)動物氨基酸的利用提供參考，還可進一步推動我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的綠色健康發(fā)展。