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菜籽粕营养价值与菜籽浓缩蛋白在水产饲料中的应用
满铭叁,王旋,周慧慧,麦康森,何艮
（中国海洋大学农业部水产动物营养与饲料重点实验室,山东 青岛 266003）
摘 要：全球鱼粉资源的短缺迫使水产养殖业相关从业者寻找可替代水产饲料中鱼粉的优质蛋白源,菜籽粕是一种来源广泛、蛋白含量高、氨基酸组成相对平衡、富含矿物元素和维生素的具有较高利用价值的植物蛋白源.本文总结了近年来关于菜籽粕在水产饲料中应用的研究进展,综述了菜籽粕的营养价值和限制因素,同时介绍了菜籽粕的加工产物—菜籽浓缩蛋白的营养价值及其在水产养殖中的应用,论述了菜籽浓缩蛋白在水产饲料中应用的可行性.
关键词：菜籽粕；菜籽浓缩蛋白；营养价值；替代；生长
随着水产养殖业的迅速发展,全球鱼粉资源短缺的问题日益严峻,致使水产养殖成本上升,严重制约了水产养殖业的可持续发展,因此寻找和开发可替代水产饲料中鱼粉的优质蛋白源已经成为水产养殖行业迫切需要解决的关键问题.而植物原料可以提供高效、持续的营养供应.众多学者研究发现,菜籽粕作为一种来源广泛且廉价的饲料原料,具有较高的蛋白含量及适宜的氨基酸组成,在水产饲料中具有极大的发展潜力.而其加工产物——菜籽浓缩蛋白也受到了越来越多的关注,现已有诸多关于菜籽浓缩蛋白在水产饲料中应用的研究.本文结合国内外相关研究进展,对菜籽粕的营养价值和菜籽浓缩蛋白在水产饲料中的应用作一概述.
1菜籽粕资源特征及营养价值
1.1菜籽粕资源特征
油菜通常生长在温带地区,其种子——油菜籽是世界主要的产油作物之一[1],在全球有着丰富的产量.2009年,全球油菜籽产量为6 160万t,仅低于大豆（22 220万t）和棉花种子（6 400万t）[2],是全球第三大油料种子；2011年,全球油菜籽产量上升为6 250万t[3].中国是油菜种植大国,油菜籽产量位居世界第一,产量达到了1 446万t.目前,中国油菜籽产量占到了全球油菜籽产量的21.14%.
油菜籽是生产菜籽油的主要原料.油菜籽萃取过油脂后即为菜籽粕（水分10%）,其含有约35%的粗脂肪、35%的粗蛋白、6%的粗灰分和12%的粗纤维.此外还含有约4%的植酸、15 mmol/g的芥子油甙[4]、多酚和多种重要的必需氨基酸（精氨酸、蛋氨酸、赖氨酸等）[3].由于萃取过油脂后菜籽粕中的粗蛋白含量较高,被广泛应用于动物饲料中.
1.2菜籽粕营养价值
菜籽粕是一种重要的植物蛋白源,具有来源广泛、蛋白含量高（干物质的粗蛋白含量为32%～45%）、氨基酸组成相对平衡[4]等优点,同时还含有丰富的微量元素（如钙、磷、硒等）和维生素（易被人体吸收利用的烟酸、VB1、胆碱、VB2、生物素等）[1,5].菜籽粕蛋白含量高于除豆粕外的其它油籽粕,而且相对于其他植物蛋白,菜籽粕有较为理想的氨基酸组成.菜籽粕中的氨基酸成分类似于鲱鱼粉,对于大西洋鲑和虹鳟等肉食性鱼类来说,其营养价值要优于豆粕[6-7].因此,菜籽粕作为水产饲料的原料越来越受到重视.已有大量的研究表明菜籽粕是一种可部分替代水产饲料中鱼粉的重要植物蛋白源[8-13].
菜籽蛋白(Rapeseed protein) 是从油菜籽中提取得到的蛋白质,是一种完全蛋白,含有多种不同的蛋白质,其中80% 为储藏蛋白,其余为膜蛋白.储藏蛋白质主要由12S球蛋白和2S清蛋白组成,两者在菜籽蛋白中分别占到了蛋白总量的25%～65%和20%,除去球蛋白和清蛋白,菜籽蛋白还含有一些较小的蛋白质,如胰岛素抑制剂和脂质转移蛋白.菜籽蛋白具有相对合理且平衡的氨基酸组成,营养价值高,与其他谷物相比含有较多的碱性氨基酸(Lys) 和含硫氨基酸(Met),基本符合FAO与WHO的推荐模式.这使得菜籽蛋白的总体品质优于大豆蛋白,与酪蛋白或动物蛋白不相上下,在消化率、生物价、蛋白质效率、净蛋白质利用率等方面也优于其他植物蛋白[5].
2菜籽粕的限制因素及提高利用性的途径
目前菜籽粕已在水产饲料中得到了应用,但是其替代效果受到很多限制.菜籽粕作为饲料蛋白源在多种鱼类上进行了研究,例如虹鳟[10,12,14-17]、斑点叉尾鮰[11]、罗非鱼[18]、鲤鱼[19]和大菱鲆[12,20]等.大量实验结果表明,虽然菜籽粕氨基酸组成平衡,但其营养质量仍然低于鱼粉[3],这很大程度上是由于其蛋白水平较低和抗营养因子（Antinutritional factors,ANF）的存在[21].
和大多数其他植物蛋白源类似,菜籽粕中含有多种抗营养因子,主要包括芥子油甙、植酸、芥子酸、酚类成分（如单宁）和难以消化的碳水化合物[6,22,23],这些抗营养因子严重影响了菜籽粕的营养价值[2],同时抑制了菜籽粕的有效利用.有研究表明纤维、低聚糖、芥子油甙、单宁和植酸等抗营养因子可降低营养物质的消化率[22,24].在肉食性鱼类中的研究表明,植物性原料中低水平的抗营养因子也会对饲料蛋白消化率产生不利影响[21].此外,芥子油甙、芥子酸和植酸还会影响饲料风味,降低饲料的适口性,进而影响饲料摄食率.
2.1菜籽粕中的抗营养因子
2.1.1芥子油甙芥子油甙会影响鱼体的甲状腺功能（引起甲状腺肿大,血浆甲状腺激素水平降低）、饲料吸收、肝肾功能及生长性能[4,10].芥子油甙在遇水、芥子酶或水解酶时,会分解产生不稳定的甙元和葡萄糖,甙元进一步分解产生噁唑烷硫酮、硫氰酸酯、异硫氰酸酯和腈等有害的物质[1],这些酶解产物都会对鱼体的内脏器官造成损伤.噁唑烷硫酮、硫氰酸酯、异硫氰酸酯被称为致甲状腺肿素,是抗甲状腺物质,会抑制器官与碘结合；而另一种水解产物,硫氰酸盐,会抑制甲状腺对碘的摄取[4].因此,有害的物质不是芥子油甙本身,而是它们的水解产物.因此当饲料中添加菜籽粕致使芥子油甙含量上升时,补充碘不能缓解甲状腺功能不全的症状.此外,芥子油甙会降低超氧化物歧化酶（SOD）的活性,并且会降低三碘甲状腺氨酸和甲状腺素的浓度,进而削弱生物体的免疫力[25].
2.1.2芥子酸芥子酸是菜籽油的组成成分,作为工业润滑油有很高的生产价值,但对牲畜和鱼类具有毒害作用.芥子酸具有心脏毒性,会造成大鼠心肌病变.因此在利用菜籽粕时应尽量降低芥子酸的含量.目前已培育出芥子酸含量较低的油菜品种,此外,在机械榨油之后用溶剂萃取可以降低菜籽粕中芥子酸的含量以避免对鱼类产生病理影响[4].
2.1.3植酸植酸是菜籽粕中含量较高的抗营养因子,会影响动物的生长发育.菜籽粕中的植酸能与饲料中的微量元素相互结合[1],进而降低了微量元素的有效性.在肉食性鱼类（如鳟鱼和鲑鱼）和杂食动物（如鲶鱼）中,植酸会降低某些二价阳离子,特别是锌的有效性[4].同时,植酸是磷的主要储存形式,在菜籽粕中的总磷含量为11 g/kg,植酸磷约为8.3 g/kg,占到了菜籽粕总磷的75%,但鱼类对植酸磷的利用率是非常低的,并且已有一些研究显示植酸会降低磷和蛋白质的表观消化率,抑制生长[10].另有研究显示,蛋白质和磷表观消化率的增加会促进鱼体生长并更有效地利用植物蛋白源[26],因此如何有效地利用或除去植酸就成为了一个亟须解决的问题.植酸除了影响蛋白质的表观消化率,还会影响某些蛋白质的功能,例如抑制淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶等消化酶的活性.此外,有研究显示植酸水平的升高会引起虹鳟白内障和幽门盲囊结构的变化[6].
2.1.4单宁单宁是一种具有苦涩味和辛辣味的物质,会降低饲料的适口性和摄食率.单宁对动物的影响与植酸有很多相似之处：维生素、矿物元素和碳水化合物等都能与单宁结合,引起菜籽粕营养价值的降低.单宁可以与饲料中的蛋白质结合,形成难以被利用的螯合物,降低蛋白质的营养价值和消化利用率,同时单宁可以抑制钙的吸收,降低钙的利用率[1].此外,单宁可以使消化酶（蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等）失活,进而影响动物的消化、吸收和生长.在中性和碱性条件下,单宁容易被氧化而发生聚合反应,降低菜籽粕的营养价值.
2.1.5粗纤维适量的纤维素能促进动物对食物的消化吸收,但过量的粗纤维会使饲料难以被消化利用,大大降低饲料的消化率,同时可能导致腹泻,这都不利于动物的生长[1].此外,粗纤维可能会影响饲料中矿物元素的吸收和利用.菜籽粕中粗纤维的含量约为10%,因此粗纤维也成为了限制菜籽粕利用的因素之一.
除了以上几种物质,菜籽粕中的淀粉也必须经过一定的处理,因为对于肉食性鱼类来说,饲料中的淀粉难以消化且会影响营养物质的利用.有研究显示菜籽粕中难以消化的碳水化合物难以被鲑鱼利用并会减少饲料中其他成分的营养价值[10].
2.2菜籽粕提升营养价值的方法
通过相应的处理技术降低菜籽粕中的抗营养因子水平,是提高菜籽粕营养价值的主要途径.脱壳、高温处理、有机溶剂（正己烷）萃取、超滤等方法可以降低芥子油甙、植酸、粗纤维、纤维素、半纤维素、芥子酸、单宁等抗营养因子的含量[2,27-29]并提高蛋白质水平[7].
2.2.1有机溶剂萃取虽然菜籽粕的蛋白含量较高（干物质的粗蛋白含量为32%～45%）,但是依然低于鱼粉的粗蛋白含量（一般在60%以上）,同时菜籽粕还含有多种抗营养因子.使用有机溶剂处理菜籽粕不仅可以有效降低菜籽粕中各类抗营养因子的含量,同时还会提高粗蛋白含量,进而提高菜籽粕的营养价值.有研究报道,用甲醇–氨、乙醇或正己烷处理菜籽粕可提高蛋白含量并有效地去除芥子油甙、酚类化合物、可溶性糖（如蔗糖）、寡糖（如棉子糖和水苏糖）等抗营养因子[2,29].
2.2.2高温处理高温处理也是一种提高菜籽粕营养价值的有效途径.研究表明高温处理菜籽粕影响大菱鲆幼鱼中营养物质和能量表观消化率[12].在大菱鲆中,与未经高温处理的菜籽粕相比,经过高温处理的菜籽粕的营养物质和能量表观消化率提高了：干物质消化率由57%上升为65%、蛋白消化率由83%上升为92%、能量消化率由69%上升为81%,磷的消化率由49%上升为65%.研究表明蛋白质和磷表观消化率的增加会促进生长并使生物体更有效地利用植物蛋白源[26],而经过高温处理后菜籽粕的蛋白消化率和磷消化率都发生了显著的上升,由此可见高温处理也是提高菜籽粕利用率、促进鱼类生长的有效方法.
2.2.3添加外源酶以植酸为例,减少菜籽粕中植酸影响的有效方法就是添加植酸酶来水解菜籽粕中的植酸或寻找植酸含量较少的优良油菜品种.已有众多研究表明添加植酸酶会提高植物蛋白饲料中磷和蛋白质的消化率[30-33].另外在大菱鲆中的实验表明：在投喂含有菜籽浓缩蛋白的饲料时,植酸酶添加组的摄食率和生长均显著好于无植酸酶添加组,而且随着植酸酶的添加,蛋白质和磷的表观消化率同样显著增加了[26].以上结果表明,向富含植酸的植物蛋白饲料中添加植酸酶促进了营养物质的消化率和利用率,这对大菱鲆的生长有积极作用.虽然植酸酶能提高磷和蛋白的消化率,但是在被利用到水产饲料中之前,还有很多问题需要解决,例如植酸酶的热敏感性及其活性温度等问题[4].
除了通过技术手段提高菜籽粕的营养价值,还可以通过选育优良品种来获得优质原料.近年来随着品种的选育,菜籽粕的质量也有了提高,已经培育出了含有低浓度芥子油甙的油菜,例如普通菜籽粕中含有3%～8%的芥子油甙,而加拿大菜籽粕中芥子油甙的含量低于0.2%,低于对鱼类造成的生理影响的水平[4].优良品种的选育也成为一条提供优质植物蛋白源的途径.
3菜籽浓缩蛋白的营养价值
现已有众多的加工工艺,如种子脱壳、高温处理、有机试剂萃取、饲料过筛和超过滤等被用于分离纯化蛋白,通过这些手段蛋白会与其它成分分开,包括抗营养因子[21].菜籽粕经过进一步的加工生产能够得到一种分离蛋白,称为菜籽浓缩蛋白（Rapeseed protein concentrate,RPC）.
一般来说,给肉食性鱼类投喂含有植物蛋白的饲料会由于味道而引起饲料适口性的降低和摄食困难,进而引起生长性状的受损.但是通过纯化可以将芥子油甙和其他抗营养因子从菜籽粕中移除,这使得菜籽粕中抗营养因子的含量（芥子油甙26～40 μmol/g；植酸41.5～44.3 g/kg）显著下降（RPC中芥子油甙1.32 μmol/g；植酸17.7 g/kg）[21].此外,菜籽浓缩蛋白的粗蛋白含量（70%左右）相比于菜籽粕（32%～45%）有了显著的提高,蛋白含量与优质鱼粉相似[4].
通过查阅文献,菜籽浓缩蛋白作为饲料原料的优势有以下几点：（1）蛋白含量高,与鱼粉相似,可以满足鱼类生长对蛋白质的需求；（2）氨基酸的成分理想,符合FAO和WHO的推荐模式[5],其富含的含硫氨基酸,具有抗氧化、拮抗致癌物质、解除蛋白抑制等生理功能；（3）抗营养因子含量低,减少了对饲料适口性、消化、吸收、利用的影响,进而避免了对生长过多的负面影响[21]；（4）菜籽蛋白消化率很高,达到了95%～100%,蛋白效价为3.0～3.5,高于大豆蛋白（2.25）,也高于酪蛋白（2.5）,是鱼类理想的蛋白源；（5）含有丰富的微量元素（钙、磷、硒等）及维生素（VB1、烟酸、胆碱、VB2、生物素等）[1].
4菜籽浓缩蛋白在水产饲料中的研究进展
现已有多项菜籽浓缩蛋白在水产饲料中应用的研究,而在不同的鱼类中,菜籽浓缩蛋白的利用性也有所不同.Slawski等人[2]用菜籽浓缩蛋白分别替代了六须鲶鱼饲料中0%、25%、50%和75%的鱼粉蛋白.养殖实验结束后,对照组和25%替代组的增重率、特定生长率、摄食率、饲料转化率和蛋白质效率均无显著差异,而更高的替代水平会影响饲料品质和适口性,导致摄食率和饲料效率的下降,进而抑制鱼体的生长.而在鲤鱼[34]中的研究发现,用菜籽浓缩蛋白替代33%的鱼粉时,特定生长率、摄食率、饲料转化率、蛋白质效率、能量的摄入等方面与鱼粉组相比都没有显著差异,而66%和100%替代组的以上各指标均发生了显著的下降.在虹鳟[35]中的实验显示用菜籽浓缩蛋白替代饲料中100%的鱼粉也不会影响鱼体的生长、摄食率和饲料效率.替代组的肠道形态没有发现任何组织学异常.各项血液指标（红细胞比容、血红蛋白、葡萄糖、甘油三酯和血浆总蛋白）也没有显著性差异.同样是在虹鳟的研究中,Thiessen等人得到了相似的结果：用菜籽浓缩蛋白替代饲料中75%的鱼粉,鱼体的生长没有发生显著的差异[17].不仅是生长,在研究中发现菜籽浓缩蛋白适量的替代也不会对鱼体的体组分造成显著影响[2,34,35].在消化率方面菜籽浓缩蛋白也表现出了极高的可利用性：在Thiessen等人的研究中[17],菜籽浓缩蛋白和鱼粉蛋白在干物质消化率和粗蛋白消化率方面无显著差异；更有研究显示菜籽浓缩蛋白的蛋白表观消化率均高于鱼粉[36].这些结果均显示菜籽浓缩蛋白作为水产饲料中的鱼粉替代品具有很高的利用价值,但为了更好地利用这种饲料原料还有很多问题需要解决,例如有实验表明在用菜籽蛋白替代鱼粉后,大菱鲆的生长指标降低主要是受摄食率的影响[21],为了解决大菱鲆及其他肉食性鱼因饲料中添加了菜籽蛋白而引起的摄食降低的问题,未来的研究可集中研发高质量的诱食剂.
5结语
上述关于菜籽粕的研究表明,菜籽粕在水产饲料中具有较高的利用价值,但是抗营养因子限制其利用效率.因此,降低菜籽粕中抗营养因子的含量可以有效提高其营养价值.我国油菜籽产量丰富,同时又是水产养殖大国,在水产养殖快速发展、鱼粉短缺的现状下,在水产饲料中合理高效地利用菜籽粕对于水产养殖业和油菜种植业都具有重大意义.因此优化、开发植物蛋白加工工艺和选育优良油菜品系是今后研究的重点.同时,关于菜籽浓缩蛋白的研究结果表明,菜籽浓缩蛋白的利用价值在不同种类的鱼类中存在较大差异,因此,菜籽浓缩蛋白在水产饲料中的应用需要更深入的研究.
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