南极磷虾粉营养特性及其在水产饲料中的应用

王裕玉 赵 璐 郭晓华 张新明*

(1.日照职业技术学院海洋工程学院，日照 276826；2.山东美佳集团有限公司，日照 276800)

南极磷虾(Euphausiasuperba)是最丰富的海洋生物之一，在南极生态系统和食物链中扮演着极其重要的角色，据估算其资源量可达3.79亿t，被认为是地球上最大的动物蛋白质源库，开发应用前景广阔[1]。南极磷虾蛋白质生物学效价优于牛乳蛋白质，氨基酸含量丰富，种类齐全，必需氨基酸的构成比例符合联合国粮农组织/世界卫生组织(FAO/WHO)对优质蛋白质的评分标准[2-5]；且富含多不饱和脂肪酸(PUFA)、维生素、矿物质、微量元素及虾青素和胡萝卜素等活性物质。在鱼虾类研究中发现，南极磷虾产品生物利用率高，对摄食、生长、免疫力和体色等有积极效果，可作为水产动物的优质蛋白质源和脂肪源[6-9]。然而，南极磷虾体内氟含量可达800～2 400 mg/kg[9]，极易发生氟蓄积，导致鱼虾类急性中毒，表现为厌食、呼吸频率下降、血液氟化物含量增加、肌肉麻痹和受精卵孵化延迟，重者引起死亡[10]；南极磷虾产品及其衍生物对人类健康具有积极效果，如降低心脑血管疾病风险、减少慢性炎症、抗菌、抗氧化等[11-13]。据估算，经脱氟处理，每年可获得400万～500万t优质的南极磷虾蛋白质[14-15]。探究利用物理、化学和微生物学等方法脱除南极磷虾中的氟是未来的研究方向之一。因此，南极磷虾产品的研发及其产业化发展具有广阔前景。我国南极磷虾的综合利用研究相对滞后，如何将南极磷虾产业由生产初级食品向高值化产品转变是个亟需解决的问题。

1 南极磷虾粉的营养特性

南极磷虾的年龄、捕捞时间和区域以及加工工艺等均会影响其营养价值。南极磷虾粉中粗蛋白质含量49%～80%，脂质含量4%～26%，粗灰分含量4%～17%[16-18]。南极磷虾蛋白质中含有9种必需氨基酸，其组成和比例符合FAO/WHO推荐的理想蛋白质模式，其中谷氨酸和天冬氨酸含量最高，分别占总氨基酸的14%和10%以上，因此具有浓郁的鲜味；赖氨酸和亮氨酸含量较高，色氨酸含量较低，但仍为酪蛋白的1.6倍以上，因此，南极磷虾粉是一种很有前景的蛋白质来源[4,17]。南极磷虾粉的主要脂质包括极性脂质和甘油三酯(TG)，分别占脂质总量的56%～81%和12%～38%[19]；南极磷虾油富含n-3 PUFA，尤其是二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)[11,20]，主要以磷脂的形式存在，与以TG形式存在的鱼油n-3脂肪酸相比，具有更高的生物利用效率[21]，因此，南极磷虾油可作为一种潜在脂肪来源，尤其是在鱼油日益减少的情况下，作为鱼油的替代源以满足日益增长的n-3 PUFA需求。南极磷虾粉中的核苷酸等低分子质量水溶性物质具有明显的促摄食作用[22]。南极磷虾粉中还含有虾青素、维生素A和生育酚等活性物质，虾青素含量为110 ～140 mg/kg[11]，虾青素除了具有促生长和免疫调节功能外，还可作为天然色素对水产动物起到着色的作用[23]。南极磷虾粉含有丰富的矿物质，其中钙、镁等含量最高，铁、锌、硒、铜和锰等微量元素含量较高，镉、铅等重金属含量很低[7]。

2 南极磷虾粉在水产动物饲料方面的应用

2.1 对摄食与生长的影响

南极磷虾粉的营养价值丰富，可用作水产饲料的优质蛋白源。研究发现，饲料中添加南极磷虾粉对鱼类摄食行为和食欲具有明显的刺激作用，从而促进摄食和生长[2-3,24-27]，尤其是对含有高含量植物性蛋白质源的水产饲料效果更明显[28-29]，这归结于南极磷虾粉中虾青素、核苷酸、脯氨酸、甘氨酸、谷氨酸和不饱和脂肪酸等诱食性成分引起的摄食量增加[22,30-31]；此外，南极磷虾粉中的可溶性蛋白组分被认为是其具有诱食特性的原因，且在加工过程中会流失或大大减少，可以通过冷冻干燥使其保留下来[3]。

近年来，有关南极磷虾粉产品对鱼虾类生长影响的研究较多，而且差异很大(表1)。南极磷虾粉产品对鱼虾生长和饲料利用的影响主要存在以下情况：1)Suontama等[32]研究发现，大西洋鲑(Salmosalar)和大西洋庸鲽(Hippoglossushippoglossus)饲料中分别添加30.3%、45.4%南极磷虾粉均可显著提高其生长性能和饲料利用率；南极磷虾粉替代0～100%鱼粉(添加量为0～57.02%)对海水养殖的三倍体虹鳟(Oncorhynchusmykiss)的生长和摄食有积极作用[33]；在对大鳞大马哈鱼(Oncorhynchustshawytscha)[24]、尼罗罗非鱼(Oreochromisniloticus)[28]、黄线狭鳕(Gaduschalcogrammus)[30]、大西洋鲑[34]、大菱鲆(Psettamaxima)[35]和大口黑鲈(Micropterussalmoides)[36]的研究中得到了类似的结果，这可能与摄食率、营养物质消化率[3,29-31]及消化酶活性[35]的升高促进生长有关，也可解释为饲料中不同蛋白质源按照一定比例搭配更符合鱼虾类氨基酸需求的理想模式，有助于促进其代谢和消化吸收，进而促进其生长。2)研究者对大西洋庸鲽和大西洋鳕(Gadusmorhua)[3]、银鲳(Pampusargenteus)[31]以及克氏原螯虾(Procambarusclarkia)[37]的研究发现，饲料中适量添加南极磷虾粉产品对其生长及饲料转化率有促进效果，而进一步提高添加量无改善作用；但当添加量过高时，对大西洋鲑[14]、圆斑星鲽(Veraspervariegatus)[25]、大黄鱼(Larimichthycroceus)[38]、石斑鱼[39]等鱼类的生长和成活率产生负面影响。与高质量鱼粉组相比，全磷虾粉100%替代鱼粉组大西洋鲑生长率、幽门和中肠胰蛋白酶活性及某些氨基酸消化率显著降低，而部分去壳磷虾粉100%替代鱼粉组大西洋鲑生长性能、养分消化率相似或更好[14]；此外，南极磷虾粉抑制鱼类生长可能是因为椎骨中氟过量蓄积影响了骨骼的发育，最终抑制生长[9]。3)在大菱鲆[8]、虹鳟[9]、大黄鱼[26,38]、大西洋鲑[40]和南美白对虾(Litopenaeusvannamei)[41]的研究中发现，饲料中添加南极磷虾粉产品对其生长无显著影响。综上所述，南极磷虾粉产品可以作为鱼虾配合饲料中的优质蛋白质源，但是，南极磷虾粉产品对鱼虾生长性能的影响差异明显，这可能与饲料组成、磷虾粉种类、加工方式、动物种类和生长阶段、养殖条件及养殖周期等有关[2,14,32]。

表1 水产养殖中南极磷虾粉产品应用研究文献综述Table 1 Bibliographic review of application of Antarctic krill meal products in aquaculture

续表1序号No.鱼种类Fish species初始体重Initial body weight/g磷虾粉种类Krill meal types添加量Addition levels/% DM 养殖周期Culture period/d指标变化Index changes适宜添加量Optimal addition levels/% DM参考文献References14虹鳟102.06磷虾粉0、8.55、17.11、34.21、57.0256对生长、摄食和肌肉色素沉着有积极作用8.55～57.02[33]15大菱鲆9.46±0.01磷虾水解物5、1070提高生长性能和饲料利用,提高消化酶活性,促进机体氨基酸代谢和消化吸收10[35]16大口黑鲈12.43±0.16磷虾粉0、3、6、956提高生长性能、抗氧化功能以及免疫功能6～9[36] 17克氏原螯虾11.42±2.10磷虾粉0、11.83、23.65、35.48、47.3056改善了生长性能、免疫状况和抗病性,而47.30%组并无增强效果23.65[37]18大黄鱼70.24±0.20虾壳粉0、12、2463添加12%对生长性能、饲料利用率和抗氧化能力无显著负面影响,改善皮肤着色和类胡萝卜素含量;24%组显著降低生长性能12[38]19石斑鱼57.8±0.28酶解磷虾粉0、6.5、13.0、19.0、25.5、32.056 添加0～25.5%有利于提高生长、饲料利用率和抗氧化性能30[39] 20大西洋鲑410磷虾粉0、10、20、3084对生长、成活率、饲料效率和氟在体组织内的蓄积无影响30[40]21南美白对虾1.93±0.56磷虾粉0、1.0、5.0、11.572对生长、摄食、饲料效率和产量无影响11.5[41] 22黄尾鰤57.3±14.2磷虾粉0、8.9、58.09258.0%组生长、采食量和饲料效率显著降低8.9[42]23黄尾鰤44.1±4.7低氟磷虾粉0、8.9、58.075可以完全替代鱼粉而没有明显的副作用5824南美白对虾29.83～34.63磷虾粉0、10、2060有效地促进亲虾体重增长和性腺发育10～20[43]25银鲳131.88±4.25磷虾粉0、6、12、2460对生长性能没有显著影响,促进性腺发育6～12[44] 26大西洋鳕4 800磷虾粉0、13.5、40.5、68.063提高肌肉的白度和黄色;肌肉pH、质地或感官特性不受影响13.5～68.0[45]

2.2 对免疫与健康的影响

饲料添加南极磷虾粉可显著提高圆斑星鲽血清和肝脏超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性，降低丙二醛(MDA)含量[25]。Khosravi等[29]研究发现，与低鱼粉组相比，饲喂含南极磷虾蛋白质水解物饲料的真鲷机体SOD、溶菌酶和抗蛋白酶活性以及总免疫球蛋白含量和抗病力显著提高。王亚恩等[48]报道，南极磷虾油能显著提高大鼠血清NO含量以及SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性，对高脂血症大鼠具有抗氧化作用，且效果优于深海鱼油。研究者在银鲳[31]、小龙虾[37]和石斑鱼[39]的研究中得到了类似的结果，以上研究表明饲料中适量添加南极磷虾粉可提高其抗氧化能力，修复氧化应激反应引起的机体损伤。

南极磷虾粉替代10%～20%鱼粉蛋白能够提高银鲳幼鱼组织中溶菌酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性，进而提高银鲳幼鱼的非特异性免疫力[31]。朱旺明等[36]研究发现，与对照组相比较，饲喂含3%～9%南极磷虾粉饲料的大口黑鲈血液白细胞和红细胞数目分别提高56.5%～66.1%、20.7%～25.2%；南极磷虾粉替代鱼粉可提高小龙虾血细胞总数，透明细胞、半颗粒细胞和颗粒细胞数目，以及嗜水气单胞菌攻毒后的成活率[37]；南极磷虾油具有抗氧化和免疫调节活性以及抑制细菌和病毒感染的特性[13]，饲料中添加南极磷虾粉产品增强免疫力和抗病力可能与其提高了鱼虾类等非特异和特异性免疫防御有关。

动物肝胰腺、肠道和肾脏等组织影响其新陈代谢，组织学发生改变意味着机体健康出现问题。研究者对大西洋鲑[2,14]、虹鳟[9]、真鲷[29]、珍珠龙胆石斑鱼[39]和黄尾鰤(Seriolaquinqueradiata)[42]的研究发现，饲料中添加南极磷虾粉未引起机体健康受损及组织损伤；摄食含南极磷虾水解物的低鱼粉饲料的真鲷前肠杯状细胞数目和肠上皮细胞高度显著增加[29]。Taylor等[34]研究发现，大西洋鲑早期发育阶段摄食含2.6%～4.2%磷脂饲料能促进生长，提高存活率，减少脊柱畸形及防止脂肪变性，且磷虾磷脂的效果优于大豆卵磷脂；南极磷虾粉产品可以缓解摄食高脂诱导的炎症[20]和降低肠细胞损伤的发生率[49]，这可能与南极磷虾富含硒和锌有关，硒可提高抗氧化酶的活性，消除H2O2和·OH，降低氟的毒性；锌可促进金属硫蛋白的表达，保护细胞膜的完整性和增加抗氧化能力[50-51]；与之相反的是，Hansen等[14]研究发现，喂食南极磷虾粉作为唯一蛋白质源饲料的大西洋鲑中肾的肾小管细胞变性，轻度至中度凋亡和坏死，并伴有肾小管腔脱落等症状；虹鳟饲料中南极磷虾粉添加量与前肠绒毛数量呈负相关关系，而与绒毛长度和绒毛宽度呈显著的正相关关系[33]；动物器官和组织发生病变可能与磷虾中氟过量有关，摄入过量氟会破坏氧化和抗氧化系统之间的平衡，产生的自由基诱导组织损伤[51]。

2.3 对性腺发育的影响

水产动物亲本培育的过程实际上就是体内积累并储存足量营养物质的过程，从而保证亲本的性腺发育、受精产卵与孵化等。南极磷虾粉产品对鱼类的性腺发育和繁殖性能具有一定的促进作用。饲料中10%～20%南极磷虾粉在一定程度上可成为南美白对虾亲体营养强化阶段的优质原料[43]。Verakunpiriya等[52]研究发现，以含10%南极磷虾粉的颗粒饲料饲喂黄尾鰤亲鱼，其卵子品质高，含有大量的玉米黄素和叶黄素，呈强烈的淡黄色，卵子品质与所含的类胡萝卜素有关；在半滑舌鳎亲鱼饲料中添加10%南极磷虾粉可以促进亲鱼性腺发育，提高卵子质量、产卵量、受精率、孵化率[53]。杨程等[44]研究发现，南极磷虾粉替代10%～20%鱼粉能够促进银鲳性腺尤其是卵巢的发育，这与南极磷虾粉极性脂中的磷脂和非极性脂中的虾青素有关[54]，值得注意的是，南极磷虾粉含量过高会导致银鲳卵黄蛋白原含量显著降低，具体原因有待于进一步研究。

2.4 对脂肪代谢的影响

研究表明，南极磷虾粉产品能够调节动物血清总胆固醇(TC)、TG和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)含量，有利于缓解摄食高脂饲料引起的高脂血症和脂肪沉积，且效果优于鱼油[21,46,55-56]。Hansen等[14]对大西洋鲑的研究发现，南极磷虾粉添加组血清TC含量显著降低，这可解释几丁质阻碍其摄取TG所致[57]。吉薇等[58]对高糖高脂诱导的糖尿病斑马鱼的研究发现，高剂量(5.40 g/L)南极磷虾酶解物可降低其葡萄糖、TG和TC含量，抑制斑马鱼二肽基肽酶-Ⅳ(DPP-Ⅳ)活性以及胰高血糖素和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1(phosphoenolpyruvatecarboxykinase1，PCK1)基因的表达水平，提高Insa基因表达水平。然而一些研究发现，饲料中添加南极磷虾粉对鱼体、血清及内脏脂肪的降脂效果不显著[2,8,29]，甚至出现升高的趋势[35-36,25,39]。不同研究者得出的结论不同可能与动物种类、甲壳素含量、采样时间和养殖时间等有关[14,57]。孙昌华[21]研究表明，南极磷虾油能够促进大鼠HepG2细胞的脂肪代谢能力，通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)-α、PPAR-γ、丝裂原活化蛋白激酶7(mitogen-activated protein kinase-7，MAPK-7)蛋白分子信号通路或抑制核转录因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)蛋白分子信号通路，以促进脂质代谢。遗憾的是有关水产动物相关的分子机制的研究尚未开展。

2.5 对鱼类肉质的影响

养殖鱼类的肌肉品质和营养有着密切的联系，可通过营养调控的手段来提高养殖鱼类的肌肉品质。一些研究结果表明，南极磷虾粉可以改善养殖鱼类的肌肉色素沉积。Wei等[33]研究发现，饲料中南极磷虾粉含量与海水养殖三倍体虹鳟肌肉类胡萝卜素浓度、红色(a*)值、黄色(b*)值、色度(C*)值和弹性呈显著的正相关关系，而与亮度(L*)值、色调(H*)值和内聚性呈显著的负相关关系；饲料中添加12%普通虾壳粉可显著改善大黄鱼皮肤色泽和类胡萝卜素含量[38]；大黄鱼饲料中南极磷虾粉含量与肌肉EPA、肌苷酸、类胡萝卜素含量以及a*、b*值呈显著的正相关关系，而肌肉游离氨基酸含量呈线性下降，南极磷虾粉对肌肉质地、氨基酸总量和pH没有负面影响[26]；在饲料中用南极磷虾粉代替鱼粉有升高大西洋鳕肤色和肌肉a*值的趋势，显著升高肌肉b*值，南极磷虾粉对肌肉pH、质地和感官特性无影响[45]。

3 影响南极磷虾粉在水产饲料中利用的因素

南极磷虾壳主要由甲壳素(几丁质)、矿物质(主要是碳酸钙)和蛋白质构成，约占虾壳干重的90%[59]。甲壳素是N-乙酰氨基葡萄糖经β-1，4糖苷键连接而成的直链多糖。南极磷虾脱壳过程中甲壳素含量为20～30 mg/g体重(干重)[60]。甲壳素在动物胃肠道中的甲壳素酶、溶菌酶等的作用下少部分分解，其吸收率极低[61]。Yoshitomi等[42]研究结果显示，南极磷虾粉100%替代鱼粉显著降低了黄尾鰤的摄食量、生长率和饲料效率，而低氟磷虾粉100%替代鱼粉对黄尾鰤的生长无副作用；与鱼粉和部分去壳磷虾粉饲料相比，饲喂全磷虾粉饲料组大西洋鲑的生长率明显降低[14]，这可能与甲壳素增加和骨骼中氟的蓄积对生长的抑制作用有关[9]，另外，磷虾壳中高含量的甲壳素会阻碍蛋白质等营养物质消化和吸收，最终引起生长受阻[2,59,62-63]；通过对甲壳素进行脱乙酰基处理得到壳聚糖，再进一步降解为壳寡糖，其水溶性和吸收率高达90%以上，直接参与机体的生理和免疫调节[63]；磷虾作为动物食物来源的另一个制约因素是水解酶的存在，磷虾死亡后，水解酶释放到周围组织中，导致组织迅速液化和腐败[16]；此外，加工方式会影响南极磷虾粉产品的营养特性、得粉率和功能成分的活性，比如，热处理和变性剂前处理均会影响蛋白质二级结构中α-螺旋、β-折叠和β-转角的含量，α-螺旋/β-折叠与必需氨基酸含量和营养指数呈负相关，进而影响南极磷虾粉产品的营养价值[17]。

研究水产动物摄食南极磷虾粉产品后氟在动物体内蓄积和分布情况，对于评估其作为饲料原料的可行性和安全性具有重要的意义。常见南极磷虾粉产品氟含量和氟在动物体内沉积情况见表2。研究表明，水产动物体内的氟含量与饲料中南极磷虾粉产品的添加量呈正相关，氟主要蓄积在骨骼、鳃、鳞片等硬组织，少量蓄积在肝脏、肌肉和鱼皮等组织[9-10, 14, 33, 35, 39-40, 42, 64]，这可能是水产动物防止氟中毒的一种自我保护机制，以免高含量的氟进入循环系统[10]。在对虹鳟[9,33]、大菱鲆[8, 35]、石斑鱼[39]、大西洋鲑[14, 40]和黄尾鰤[42]等研究中发现，肌肉中氟含量在食品氟允许量标准(GB 4809—1984)规定范围内，不影响食用安全。以南极磷虾为食的2种野生南极冰鱼椎骨氟含量为15 000～33 000 mg/kg，但没有表现出对生长不利的结果，这表明骨骼中氟的沉积取决于鱼类种类而非栖息地的盐度[42]。

表2 南极磷虾粉产品氟含量和氟在水产动物体内沉积情况Table 2 Fluorine content in Antarctic krill meal products and fluorine deposition in aquatic animals

研究者开展了降低氟吸收和利用率的相关研究。Hansen等[65]研究了虹鳟对磷虾壳和氟化钠(NaF)饲料中氟的生物利用率及饲料中添加钙是否影响氟化物的生物利用率，结果显示，淡水养殖虹鳟饲料中磷虾壳氟的生物利用率低于NaF，添加45 g/kg氯化钙的磷虾壳和NaF饲料中氟吸收量分别减少了50%和100%，表明添加氯化钙是降低氟吸收的有效途径；饲料中添加2%和4%钙可减少虹鳟氟化物中毒的临床症状，并减少椎骨中的氟化物积累[66]。机体对可溶性氟的吸收水平还取决于氟摄入量和胃肠道pH[67]。

4 小 结

南极磷虾粉作为优质蛋白质和不饱和脂肪酸的新来源，已经被证实可以有效利用在水产饲料中。为了使磷虾蛋白质资源得到更科学、更合理地开发利用和安全食用，未来的研究方向需要聚焦在以下几点：构建不同南极磷虾粉营养价值评价体系；构建不同鱼虾类、不同生长阶段适宜南极磷虾粉添加量数据库；优化南极磷虾粉的加工工艺，提高其营养价值，推动南极磷虾粉向精深加工发展；开展南极磷虾粉生物活性物质的分离提取、纯化、鉴定及生物功效研究等，实现高值化利用；开展南极磷虾粉对水产动物蛋白质代谢、脂肪代谢和肌肉生成调控机制研究。

致谢：

感谢日照职业技术学院海洋工程学院李洪叶教授和倪雪朋教授对文稿所提的宝贵意见。