水产饲料蛋白源研发与低碳养殖

宋永康 姚清华 林 虬

随着世界经济的发展，大规模的产业化及人类生产生活方式的改变导致全球二氧化碳排放量及海平面逐年递增，世界气候面临越来越严重的问题。地球臭氧层也遭受前所未有的危机，灾难性气候变化屡屡出现，已经严重危害着人类的生存环境和健康安全。从“高投入、高能耗、高污染”的经济模式向低碳经济转型已经成为世界经济可持续发展的必然选择。

农业是人类的衣食之源，生存之本，是国民经济的基础。中国作为农业大国，“十一五”规划期间，农业重要组成部分的畜牧水产养殖业发展势头迅猛。近年来，“集约化、高密度、高产出”水产养殖模式还在不断地扩大，在为人类提供源源不断优质蛋白源的同时，养殖过程中产生的水体富营养化也造成了日趋严重的自然水体污染[1]。同时，养殖户为了保证养殖过程中的水质，大量换水也造成水资源的极度浪费[2]。水产养殖业逐渐成为“三高”产业，沿海诸多省份也逐步取缔了部分海域的网箱养殖。因此，发展“低碳、绿色”的养殖模式已经成为水产养殖业改革的必由之路。

1 养殖水体富营养化现状

1.1 养殖水体富营养化的成因

水体富营养化是一种氮、磷等植物生长所必需的营养物质含量过多引起的水质污染现象。养殖水体富营养化的成因是由于养殖过程中注入大量富含氮、磷的外源性水或过量投饵导致养殖动物排泄频率加快，大量残饵、未被完全吸收的营养物质进入水体，过量的含氮、磷物质导致水中营养物质超标的现象[3]。判断水体处于富营养状态的具体指标是：水体中氮含量超过0.2～0.3mg/l，生化需氧量大于10mg/l，磷含量大于0.01～0.02mg/l，pH值7～9的淡水中细菌总数超过10万个/ml，表征藻类数量的叶绿素a含量大于10mg/l[4]。

1.2 养殖水体富营养化的危害

水体富营养化的主要危害有：①易引起水体中藻类迅速繁殖。由于藻类生长周期短，藻类及其他浮游生物死亡后形成的有机物质需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，产生大量氨氮、亚硝酸盐等有害物质，或被厌氧微生物分解，产生硫化氢等气体，从溶氧方面使水质恶化，造成鱼类和其它水生生物中毒死亡。这种养殖水体溶解氧量逆差大，水质明显恶化，pH值日波动明显，养殖动物经常出现不适或死亡现象[5]。②水体富营养化易导致水体透明度降低，阳光无法穿透水层，影响水中植物的光合作用和氧气释放。同时，浮游生物的大量繁殖，消耗水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足，而水面由于单细胞藻类及植物的光合作用，可能造成局部溶解氧过饱和。两者都易造成凌晨时分养殖鱼类出现“浮头”和“泛池”而大量死亡。③富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，含氮化合物、硫化物、以及一些浮游生物产生的生物毒素也会毒害水生经济动物。

大量养殖实验表明，水体富营养化对水产养殖动物具有明显的毒害。对虾养殖期间，残饵等可溶性有机质在虾塘内不断积累，分解所需的耗氧量约占虾塘总耗氧量的52%～74%[6]。陈孝煊等[7]研究发现，养殖池中的氨态氮对澳大利亚红螯螯虾生长具有明显的生长抑制及毒害，虾体的耐受性与氨态氮浓度成明显的正相关，且与其个体大小有关系，虾的个体越小，耐受性越低，尤其是刚孵出的虾苗对氨态氮特别敏感。高浓度的亚硝酸盐和氨使得试验虾肝胰腺、胃、中肠和鳃等组织产生病变，出现细胞肿胀、空泡化、坏死等一系列的组织病理学变化，其中肝胰腺病变最为严重[8]。此外，富营养化的水质易导致水体中病原微生物滋生，对水产养殖动物本身带来病害威胁，诱发大面积赤潮，对海水养殖带来灾难性后果。另一方面，病原微生物滋生，也可直接或通过水产养殖动物作为寄主间接传染给人类。

目前，解决养殖水体富营养化的方法有：①建立健康合理的水产养殖模式。合理的鱼苗投放密度，多种鱼类合理搭配投放，实施多营养层次生态养殖。根据养殖水体的容纳量，把不同营养级的种类组合到一起。如通过贝类、鱼类、藻类混养，养殖过程中由于贝类是滤食性动物，可以以由于鱼类养殖水体富营养化引起的大量浮游生物为食，藻类则可吸收海水中的碳、氮、磷等物质[9]。普遍实施的不同食性养殖品种混养模式如：蔡林荣等进行了沙塘鳢、青虾、花白鲢混养实验，既充分利用了水体，又建立了合理的生物链。杂食性的罗非鱼养殖网箱与滤食性的鳙鱼养殖网箱相间设置，实现自然清污法，罗非鱼摄食网箱上的附着物，保障了网目畅通，减少水体中鱼体排泄物，降低病原微生物滋生，减少鱼类病害，起到了防病的作用；鳙鱼可滤食罗非鱼的排泄物及水体中的浮游生物，对净化水质、提高水体透明度具有明显的作用，减少了鱼类病害发生的外源性条件[10]。②在网箱养殖海域，应科学合理布局，防止局部养殖密度过高，实行放牧式的网箱养殖，使水体有充分的时间进行自然净化。③合理的使用饲料及渔药；④定期实行清塘，疏浚池底富含有机质的淤泥，并投放适量的石灰[5,11]。

2 饲料营养对水体富营养化的影响

引起水体富营养化的主要因素——氮和磷，氮和磷是藻类生长所必需的营养元素，也是浮游生物生长的限制性元素。在养殖生产上，氮和磷的利用率及其在水体中的残留量是水体富营养化的决定性因素。

水产养殖水体中氮、磷的主要来源有：①养殖自身污染：精养养殖投饵量大，大量剩饵、残饵、排泄物、动物植物尸体沉积在池底，使易导致水体富营养化的物质逐渐增加；②富含氮、磷等营养元素的水源注入。随着水产养殖规模的不断扩大，养殖自身的污染已成为养殖水体富营养化的最主要因素。其中饲料是养殖业排泄物污染的源头，饲料中的微量元素、预防药物、抗生素更是增加了水体污染的程度。这是因为水产养殖过程中，人工配合饲料是水产动物的主要营养来源。由于水产动物消化道结构简单、饲料在肠道内停留时间较短，导致饲料未被完全消化就直接排出体外。研究表明，饲料中只有20%～50%的氮和20%～60%的磷可存留于动物体内，排泄物中氮、磷的主要来源是未被鱼体消化吸收的饲料。除了鱼体肠道结构较为简单外，部分原因在于动物性蛋白源中磷含量较高，如鱼粉中磷含量为1.5%～3.2%、肉骨粉中磷含量为3.5%～5.5%；植物性蛋白源中的磷大约2/3是以植酸磷的形式存在，而大多数鱼类对植酸的消化吸收率仅为0～20%[4,12-13]。同时，由于非鱼粉蛋白源中存在难以被鱼体消化利用的纤维、蛋白酶抑制剂、植物凝集素、棉酚、单宁等抗营养因子，饲料利用率普遍不高。未被利用的氮多以尿素、尿酸、饲料残渣的形式被排出体外。

不同原料来源、不同配方的饲料对水体富营养化的影响也明显不同。在大口黑鲈养殖试验中，研究发现，投喂不同饲料对养殖水体的化学耗氧量（COD）、PO4-P（磷酸盐）、TP（总磷）、TN（总氮）、NH3-N（氨态氮）、NO3-N（硝态氮）、NO2-N（亚硝态氮）有着明显的影响。周萌等（2005）[14]在研究环保型高效饲料与普通饲料对南美白对虾养殖水质的影响时，认为其研制的环保型高效饲料可显著降低养殖水体中的三态氮。此外，通过添加饲用酶制剂也可提高饲料的利用效率。目前，在水产养殖中应用的酶制剂主要有纤维素酶、G-葡聚糖酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶和植酸酶等。黄峰（2008）[15]在草鱼养殖中进行外源酶添加应用，可提高鱼类对饵料及粗蛋白的表观消化率。在饲料中添加0.1%溢多酶，草鱼生长速度及饵料系数明显改善，全鱼鱼体含粗蛋白比对照饵料组略高，粗脂肪略低[16]。饲用酶制剂的添加还可起到分解抗营养因子，改善鱼体消化机能，饲用植酸酶的添加可以改善鱼体植酸利用率低的现象，其它营养成分如蛋白、脂肪的利用率也明显提高，粪中的磷浓度则大幅度降低。据研究[17-18]，无胃鱼对植酸磷的平均消化率为8%，有胃鱼稍高。因此，对于无胃鱼，由于消化道pH值偏高，必需添加中性植酸酶。曾虹等（2001）[19]在饼粕质量分数为5%的鲤鱼饵料中添加中性植酸酶，磷的利用率可提高41%～59.4%，单位体增质量的磷排放降低32%。植酸酶的另外一种应用方法为在饲料加工过程中预先用植酸酶处理饵料。余丰年等（2000）[20]先在体外将豆粕用植酸酶进行处理，再加入到其余的饲料原料中，充分混合后进行应用。结果表明，在异育银鲫体外，植酸磷就已在植酸酶的作用下发生了有效降解，促进了异育银鲫对饲料中营养物质的吸收，提高了增重率。

因此，通过对饲料原料的体外预处理及配方调整，将不易被消化的植物性蛋白源等原料进行降解，制备富含多肽、去除抗营养因子的优质安全饲料，既可缩短鱼体肠道对饲料的消化时间，提升营养物质转运、吸收速度，提高饲料中营养成分的利用效率，对减少鱼体排泄物引起的环境污染及降低生产成本均具有积极意义。

3 多肽类饲料蛋白源研发

3.1 非鱼粉饲料蛋白源研究现状

蛋白质是饲料中必不可少的营养成分，是配方设计的核心。蛋白质的来源、比例对饲料的消化、吸收都有明显的影响，进而导致养殖水体产生不同程度的富营养化。常年来，高档畜禽、水产饲料的主要蛋白源是鱼粉。随着集约化养殖规模的不断扩大，鱼粉供应日趋紧张，价格逐年攀升。2009年水产饲料用高档鱼粉从8 000～10 000元/t升至15 000～18 000元/t。据世界银行对我国饲料供求平衡的预测，2010年我国饲料缺口约为3 800万吨。随着养殖业的进一步发展，这一缺口将继续扩大，据有关部门预计，2010年～2020年我国饲用蛋白资源的需求量将达到6千万吨～7.2千万吨，而供给量仅为2.2千万吨～2.4千万吨。饲用新蛋白源的开发成为饲料科研工作者研究的热点问题之一，但由于非鱼粉饲料蛋白源消化吸收不佳、蛋白利用率低，未完全消化吸收饲料残渣、排泄物对水体污染大，尚未有非鱼粉蛋白源在高档畜牧水产饲料中得到大规模应用。

目前，饲料中非鱼粉蛋白源主要可以分为动物性蛋白源替代物和植物性蛋白源替代物。前者主要有肉骨粉、血粉、羽毛粉及其它动物下脚料；后者主要有豆科粕饼类、菜籽饼粕、棉籽饼粕。但直接在水产饲料中大量添加非鱼粉蛋白易发生饲料适口性差、不易被水产动物消化吸收进而导致鱼体生长速度下降等缺陷。Robaina等（1995）[21]的研究结果表明，肉骨粉替代鱼粉的饲料喂养金头鲷时，替代比例可高达40%，鱼的生长情况良好，各项生长指标和饲料利用率均高于全鱼粉对照组，但进一步的组织学研究却发现，当饲料中的肉骨粉超过20%时，鱼的肝部发生了明显的病变。Wang等（2005）[22]发现，当羽毛粉替代 10%～30%鱼粉后，鮸状黄姑鱼的特定生长率和体增质量都显著下降。Richter等（2003）[23]发现，植酸可与蛋白质碱性残基结合，抑制胃蛋白酶和胰蛋白酶活性，导致蛋白质的利用率降低。某些因子甚至直接对鱼类产生毒害作用，如棉籽饼中的游离棉酚不仅直接对鱼类产生毒害作用，而且在加工过程中易和赖氨酸结合，降低赖氨酸的利用率。另有研究发现[24]，胰蛋白酶抑制因子和消化道内的胰蛋白酶结合生成无活性的复合物，降低胰蛋白酶活性，导致蛋白质的消化吸收率降低。

3.2 多肽的营养特性及生产方法

生物活性肽的发现开创了动物营养的新纪元。现代消化理论认为，当寡肽分子量小于2 000 Da时，可直接被消化道吸收，且具有转运速度快，耗能低和不易饱和等特点，避免与游离氨基酸出现吸收竞争，大大地提高了蛋白的吸收利用率。其实在100多年前，就有学者提出了肽转运的可能性。1953年，Agar通过大鼠实验证实了完整双甘肽在肠道跨上皮的转运。Newey等的研究进一步证实了甘氨酸二肽可以被肠道完整的吸收。此后，针对肽在动物体内的转运机制进行了大量的研究，发现动物小肠粘膜上存在着肽转运载体。1994年，肽转运载体的成功克隆[25-26]，从根本上证明了寡肽尤其是小肽确实可以被动物直接吸收利用。肽主要的运转机制有以下几种：①H+/Na+交换转运体系，肽转运依靠质子向细胞内转运产生的动力。②谷胱甘肽（GSH）转运系统，该系统转运载体具有底物专一性。但webb等认为，动物体内存在不依赖Na+浓度、不消耗ATP的肽转运体系。

同时，随着活性肽多种重要功能的发现，人们逐步改变了过去对蛋白质营养功能单纯以氨基酸为标准的评价方法，在评价蛋白质营养价值时同时考虑到了蛋白质结构及其在消化道中可能释放出的生物活性肽成分及数量。肽较之游离氨基酸的重要性在于可提高动物对日粮的氮利用率。且植物蛋白在经降解处理后，可去除或钝化抗营养因子及有害物质，使蛋白质分子量减小，结构疏松，吸收率大大提高。这对于降低水产动物排泄物引起的氮污染及节约蛋白质资源均具有重要作用。饲用寡肽产品正是指在人工创造的环境条件下，利用微生物或酶对原料中的蛋白质产生降解作用，使之分解成寡肽，完成体外预消化，有助于减少饲料在鱼体肠道内消化的时间，提高鱼体对饲料中蛋白的吸收转运速度，提高蛋白利用率，减少鱼体排泄物中含氮物质对养殖水体的污染。

目前，寡肽的生产方法[27]主要有化学合成法、DNA重组法、酶法分解、化学法分解、生物发酵等。化学合成法发展较早，技术成熟，但生产效率低，生产中使用大量的化学试剂，对饲料安全和养殖水体有害且生产成本高；DNA重组法避免了化学合成法的缺点，但在基因表达和回收效率不足以让产品在养殖上得到大规模应用。化学法和酶法降解非鱼粉饲料蛋白源，比较适宜于生产饲用小肽，成本低，所用基质、反应剂、反应条件无害。化学法与酶法比较，前者降解效率快，但产品稳定性不如酶法。生物发酵是采用活菌接入不易被养殖动物消化利用的饲料蛋白源中，利用细菌代谢进行大分子蛋白分解，同时消除抗营养因子等。生物发酵法工艺简单，投资成本低，但细菌代谢产物成分复杂，产品中含有许多未知生长因子，产品安全性需要进一步验证。

3.3 多肽类饲料在水产养殖业上的应用

国内外对肽产品在养殖业上的应用进行了大量的研究：在饲料中添加寡肽，可明显提高蛋白质的应用效率，改善饲料的适口性及摄食量，提高动物生长速度；有些寡肽还可以直接参与动物机体的生理功能，促进矿物质元素的吸收，提高机体免疫力等。研究表明[28]，小肽制品对对虾具有明显的促生长作用，添加小肽饲料组的对虾均重增长率明显高于对照组。王碧莲等（2001）[29]报道了在欧鳗饲料中添加2%和4%的小肽制品后，欧鳗的特定生长率有显著的提高。于辉等（2004）[30]利用酶解酪蛋白和酸解酪蛋白饲养草鱼，酶解酪蛋白小肽较酪蛋白和酸解酪蛋白可提高草鱼生长速度和体内蛋白质的沉积能力。潘雷等（2004）[31]用酶解植物蛋白粉替代白鱼粉和膨化豆粕，对鳗鱼的生长速度和成活率都没有不良的影响，且具有一定的促生长效果。由于试验用饲料中蛋白质含量低，鳗鱼吸收好，排泄物对养殖水体的污染明显低于对照组。养殖过程中污染少，水质稳定，换水率减少，鳗鱼摄食正常，抗病能力增强，用药量减少，在间接降低生长成本的同时，提高了产品质量。

因此，建立去除抗营养因子及有毒、有害物质的寡肽蛋白源生产工艺，提高饲料中蛋白源利用率，可以从饲料上降低水产养殖成本、减轻饲料对水体富营养化的影响。

4 展望

水体富营养化是水产养殖业对环境的主要污染，其中饲料是引起污染的源头。在饲料投喂上，不仅要按照定质、定点、定量、定时原则进行投喂，还可通过对饲料原料进行体外预消化、添加酶制剂、微生物制剂等改善饲料配方，研发高效型多肽饲料，有望从根本上解决鱼体排泄物、饲料残渣中氮、磷引起的水体富营养化。既节省了养殖中的饲料成本，又减少水产养殖业对环境的污染，建立“绿色、低碳”的水产养殖模式。

[1]林建斌,王剑锋.水产养殖与生态营养[J].科学养鱼,2009(5):65-66.

[2]王广军,吴锐全,谢骏,等.大口黑鲈投喂两种不同饲料对水质指标的影响[J].水产学杂志,2009,22(1):35-38.

[3]吴代赦,熊卿,杜俊逸.水产养殖对水体富营养化影响[J].江西科学,2009,27(4):617-622.

[4]薛飞,周维仁,徐小明.养殖水体富营养化的成因与危害[J].江苏农业科学,2005(6):121-124.

[5]王武.鱼类增养殖学[M].中国农业出版社.

[6]孙耀,陈聚法,宋云利.虾塘水体中溶解氧的补充量与消耗量及其季节变化[J].中国水产科学,2000,7(1):107-109.

[7]陈孝煊,吴志新,熊波.澳大利亚红螯螯虾对水中氨氮浓度的耐受性的研究[J].水产科技情报,1995,22(1):14-16.

[8]吴中华.中国对虾慢性亚硝酸盐和氨中毒的组织病理学研究[J].华中师范大学学报,1999,33(1):119-122.

[9]张根芳,邓闽中,方爱萍,等.蚌、鱼混养对几种水污染指标的影响[J].上海水产大学学报,2005,14(2):156-161.

[10]蔡林荣,陆水良,李敦岳.池塘沙塘鳢、青虾、花白鲢混养试验[J].渔业致富指南,2009(22):57-58.

[11]周爱国.水产养殖业的污染及其防治对策 [J].渔业致富指南,2008(21):34-35

[12]林仕梅,叶元土,罗莉.水产养殖的绿色饲料开发研究[J].中国饲料,1999(15):23-25.

[13]吉丽娜尔,贾建新,努尔.调控饲料营养成分减少养殖业对环境的污染[J].新疆畜牧业,2006(3):9-11.

[14]周萌,吴建开,蒋宗勇,等.环保型高效饲料对南美白对虾高位池水质指标的影响[J].广东农业科学,2005（1）:77-78.

[15]黄峰,施培松,文华,等.外源酶对草鱼鱼种生长及饲料表观消化率的影响[J].安徽农业科学,2008,36(3):1057-1059.

[16]刘维德,陈冬梅.草鱼饲料中添加不同饲用酶制剂的应用效果试验[J].中国水产,2000（5）:70-71.

[17]Denstadli,Vegard,Storebakken,et al.A comparison of online phytase pre-treatment of vegetable feed ingredients and phytase coating in diets for Atlantic salmon(Salmo salar L.)reared in cold water[J].Aquaculture,2007,269(14):414-416.

[18]Portz L,Liebert F.Growth,nutrient utilization and parameters of mineral metabolism in Nile tilapia Oreochromis niloticus(Linnaeus,1758)fed plant-based diets with graded levels of microbial phytase[J].J.Anim.Physiol.Anim.Nutr.(Ber1),2004,88(9-0):311-320.

[19]曾虹,姚斌.中性植酸酶在鲤鱼饲料中的应用效果[J].中国水产,2001(5):87-87.

[20]余丰年,王道尊.植酸酶对异育银鲫生长及饲料中磷利用率的影响[J].中国水产科学,2000,7(2):106-109.

[21]L.Robaina,M.S.Izquierdo,F.J.Moyana,et al.Soybean and lupin seed meals as protein sources in diets for gilthead seabream(Sparus aurata):nutritional and histological implications[J].Aquaculture,1995,130(2/3):219-233.

[22]Yan Wang,Jin-lu Guo,Dominique P,et al.Replacement of fish meal by rendered animal protein ingredients in feeds for cuneate drum(Nibea miichthioides)[J].Aquaculture,2005,252(2/4):476-483.

[23]Nahid Richter,Perumal Siddhuraju,Klaus Becker,et al.Evaluation of nutritional quality of moringa(Moringa oleifera Lam.)leaves as an alternative protein source for Nile tilapia(Oreochromis niloticus L.)[J].Aquaculture,2003,217(1/4):599-611.

[24]Xin-Jing Jiang,Zhi-Jun Zhang,Hui-nong Cai,et al.The effect of soybean trypsin inhibitou on the degradation of myofibrillar proteins by an endogenous serine proteinase of crucian carp[J].Food chemistry,2006,94(4):498-503.

[25]Wei Liu,Rong Liang,Sammanda Ramamoorthy,et al.Molecular cloning of PEPT 2,a new member of the H+/peptide cotransporter family,from human kidney[J].Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-Biomembranes,1995,1235(2):461-466.

[26]Anne H.Dantzig.Oral absorption of β-lactams by intestinal peptide transport proteins[J].Adavanced Drug Delivery Reviews,1997,23(1/3):63-76.

[27]宋永康,林虬,陈人弼,等.寡肽在水产饲料中的应用[J].福建农业学报,2005,20(B12):63-66.

[28]Teshima S,Ichi,Kanazawa A,et al.Recent developments in nutrition and micro-particulate diets of larval prawns[J].The Israeli Journal of Aquaculture barnidgh,1993.45:175-184.

[29]王碧莲,徐加锐,钱雪桥.小肽制品对欧鳗生长特征的影响[J].淡水渔业,2001,31(2):42-43.

[30]于辉,冯健,刘栋,等.酪蛋白小肽对幼龄草鱼生长和饲料利用的影响[J].水生生物学报,2004,28(5):526-530.

[31]潘雷,莫介化,黄永强,等.酶解蛋白粉替代部分白鱼粉对池养鳗鱼生长的影响[J].科学养鱼,2004(9):58-59.