土豆蛋白在水产饲料中的应用
发布时间:2019-06-18 | 发布者： 东东工作室 | 浏览次数： 次
王裕玉 石野 杨雨虹* 刘大森
东北农业大学动物科学技术学院
土豆蛋白是生产土豆淀粉的副产物， 具有蛋白质含量高（75 % ～85 %），廉价等特点，有较大的蛋白质利用潜力。然而，土豆蛋白中含有生物碱和蛋白酶抑制因子等抗营养物质，并且必需氨基酸不平衡，适口性差，严重制约了土豆蛋白在饲料中的广泛应用（解绶启和Jokumsen，1999）。本文对土豆蛋白的营养价值及其在水产饲料中的应用、影响因素和改善措施等方面作一综述，为土豆蛋白在水产饲料上的合理使用提供理论依据。
1 土豆蛋白的营养价值
土豆蛋白的营养成分因土豆质量、加工方式和储藏不同而异。通常含淀粉9 % ～20 %，蛋白质1.5 % ～2.3 %，脂肪0.1 % ～1.1 %，粗纤维0.6 % ～0.8 %，其赖氨酸含量较高，但是蛋氨酸含量较低；土豆中钙的含量为11 ～60 mg/100g，磷为15 ～68mg/100g，铁为0.4～4.8 mg/100g，含维生素种类和数量非常丰富，其中硫胺素为0.03 ～0.07mg/100g，核黄素为0.03～0.11 mg/100g。除此以外，土豆块茎还含有禾谷类作物所没有的胡萝卜素和抗坏血酸。
2 土豆蛋白在水产养殖中的应用效果
2.1 对生长性能及饲料利用率的影响
目前，大量研究者在异育银鲫、虹鳟和大西洋鲑等水产动物上进行了土豆蛋白替代鱼粉蛋白的研究。研究显示， 在水产饲料中用土豆蛋白部分替代鱼粉是可行的，但替代水平因土豆蛋白的品质、饲料加工方法、试验鱼的种类、大小和养殖条件而存在较大差异。Xie和Jokumsen（1997a、b）研究指出，在虹鳟饲料中土豆蛋白添加量大于2.2 %会显著降低其生长性能和饲料利用率。周萌等（2002）对异育银鲫的研究发现， 当饲料中添加土豆蛋白浓缩物（提供30%蛋白质）达40.6 %时，银鲫的饲料转化效率和特定生长率显著低于未添加的对照组。Moyano等（1992） 研究发现，当土豆蛋白替代30 %的鱼粉蛋白（饲料蛋白质水平为45 %）时，虹鳟生长性能和饲料利用率明显低于其他植物蛋白组。Refstie 和Tiekstra（2003）研究表明，用含低茄啶生物碱的土豆浓缩蛋白替代40％的鱼粉蛋白（土豆浓缩蛋白添加量为21 %），对大西洋鲑的食欲、生长性能、饲料效率及氮和能量沉积均无显著影响。Deng等（2005）研究指出，在限饲的条件下，白鲟幼鱼能利用饲料中30 %的水解马铃薯淀粉，而饲料中水解马铃薯淀粉添加量为15 %时，饲料效率会更高。解绶启和Jokumsen（1999）用含0 %、2.2 %、5.6 %、8.9 %和11.1 %土豆蛋白浓缩物的饲料喂养虹鳟（体重约为20 g），结果显示，当饲料中土豆蛋白的含量为2.2 %时， 虹鳟的生长性能和饲料利用率均未受影响；当饲料中土豆蛋白含量为5.6 %时，虹鳟生长率明显下降；当饲料中土豆蛋白含量为8.9 %时，生长率和饲料效率均一定程度下降。这可能是因为添加少量土豆蛋白时，对饲料的适口性和氨基酸组成未产生显著影响，不会抑制鱼类的生长；但是当土豆蛋白添加量较高时，则会显著降低饲料的适口性，改变饲料的氨基酸组成，从而严重抑制鱼类的生长。由此可见，用土豆蛋白部分替代其他蛋白源是可行的，可有效提高经济效益。Tusche 等（2011a）研究表明，无论低含量糖苷生物碱（7.41 mg/kg 干物质），还是高含量糖苷生物碱（2150 mg/kg 干物质）的土豆浓缩蛋白替代鱼粉时，虹鳟的增重、特定生长率和摄食率均显著低于对照组。
2.2 对消化率的影响
消化率的高低直接影响到水生生物对植物蛋白源的利用，抗营养因子和氨基酸组成不平衡是植物蛋白源消化率低的主要影响因素。周萌等（2002）研究表明，饲料中含40.60%土豆蛋白浓缩物会影响异育银鲫的消化率，且土豆蛋白组的消化率（79.00%）高于鱼粉组（75.83%）。解绶启和Jokumsen（1999）用含0 %、2.2 %、5.6 %、8.9 %和11.1 %土豆蛋白浓缩物的饲料喂养虹鳟（体重约为20g）， 结果显示，除2.2 %组外，其他各组饲料干物质的表观消化率均显著高于对照组；8.9 %组的饲料的蛋白质消化率显著高于含2.2 %组，其他各组间差异均不显著；各试验组间饲料脂肪消化率均无显著差异。然而，Refstie 和iekstra（2003）研究指出，随着饲料中土豆浓缩蛋白添加量的提高， 大西洋鲑对饲料中蛋白质、脂肪、能量和氨基酸的消化率均未产生显著影响。有关土豆蛋白替代鱼粉对水生生物营养物质的消化率的影响结果差异较大， 可能与鱼的种类及生理状况、土豆蛋白的添加量、土豆蛋白生产工艺、蛋白质水平及试验粪便收集方法有关。
3 影响土豆蛋白在水产养殖中应用的因素
3.1 抗营养因子
3.1.1 生物碱
土豆植株和块茎中普遍含有一种有异味、有毒性的甾类生物碱，这是一类含氮的类固醇基和1 ～4 个单糖通过3-O-糖苷键所组成的甾族类化合物，统称为糖苷生物碱，其中茄碱和卡茄碱占95 %， 直接影响土豆蛋白的饲用价值（季宇彬等，2009）。研究表明，糖苷生物碱其对生物膜具溶解和破坏作用（Keukens 等，1992）。茄碱，又称马铃薯毒素，龙葵甙。龙葵素具有腐蚀性、溶血性。每100 g 马铃薯仅含龙葵甙5 ～10 mg；未成熟、青紫皮的马铃薯或发芽马铃薯含龙葵甙增至25 ～60 mg，甚至高达430 mg。所以大量食用未成熟或发芽马铃薯可引起急性中毒。
3.1.2 蛋白酶抑制因子
土豆中的蛋白质，大约有15 % ～23 %的可溶性蛋白为蛋白酶抑制因子（TI），现已分离出13 种蛋白酶抑制因子，主要可抑制糜蛋白酶、碱性微生物蛋白酶、羧肽酶等（王瑞淑等，1989）。研究表明，鲑鱼肠道中的胰蛋白酶可与TI 相结合，且对TI 具有高度敏感性，进而影响鲑鱼消化蛋白质和吸收氨基酸的能力（Refstie和Tiekstra，2003；Krogdahl 和Holm，1983）。
3.1.3 纤维素
土豆含有丰富的粗纤维素和半纤维素，但鱼类缺乏消化纤维素的酶系，因而对纤维素难以消化吸收（Elangovan 和Shim，2000）。而未被消化吸收的碳水化合物快速通过肠道时也会带走部分未被消化的蛋白质， 从而降低了鱼类对饲料营养物质的消化率（Glencross 等，2004；Storebakken和Austreng，1987）。
3.2 适口性的影响
Rayburn 等（1995） 研究认为，土豆中含有生长抑制剂和有毒化合物，主要是甾体糖苷生物碱。当块茎的龙葵素含量达10 ～15 mg/100 g 鲜重时，有明显的麻苦味；如果添加量过大，可能减少养殖动物对其的摄食率、降低饲料效率和动物的生长性能；当含量超过20 mg/100g 时，食后则会有中毒或致畸的危险（黄红苹等，2011）。周萌等（2002）研究发现，银鲫对含40.60 %土豆蛋白浓缩物的饲料的摄食率（1.66 %/d） 显著低于全部以鱼粉为蛋白源的饲料的摄食率（4.66%/ d）。Tusche 等（2011a）研究表明，随着土豆浓缩蛋白替代鱼粉比例的增加， 虹鳟的摄食率逐渐降低。解绶启和Jokumsen（1999）研究发现，2.2 %土豆蛋白组虹鳟的摄食率和对照组差异不显著，而土豆蛋白含量为5.6 % ～11.1 %时，摄食率与对照组相比显著下降。虹鳟饲料中土豆蛋白的添加量不超过5 %也会引起食欲下降， 降低摄食量（Xie 和Jokumsen，1998，1997a 和b；Moyano等1992），这主要是由土豆蛋白中高含量的茄啶生物碱，尤其是茄碱和卡茄碱（Refstie 和Tiekstra，2003）。随着土豆的添加量的增加，生物碱逐渐增多，抑制了鱼类的食欲，使摄食率降低，进而影响其生长。
3.3 氨基酸不平衡
鱼类对蛋白质的需求实际上就是对氨基酸的需求，因此，饲料中氨基酸的组成在很大程度上决定了该饲料的营养价值。鱼粉中各种必需氨基酸的含量较高、种类齐全、氨基酸之间的配比与鱼类需求比例相似，因此，鱼粉成为饲料工业中的优质蛋白源。与鱼粉相比，土豆蛋白的赖氨酸和色氨酸含量较高，但缺乏某种或某几种必需氨基酸，其中蛋氨酸是第一限制氨基酸（Refstie 和Tiekstra，2003）。在一定的添加范围内，土豆蛋白有可能提高饲料的必需氨基酸指数（EAAI），使饲料中的氨基酸配比更趋合理，更能满足水生动物的营养需求，因而还会起到促进动物生长的作用。然而，当饲料中土豆蛋白的添加量逐渐升高时，其氨基酸的不平衡性表现得越来越明显，含有高比例土豆蛋白的饲料中氨基酸的不平衡可能是导致鱼类生长性能和饲料利用率低的原因之一。
4 改善土豆蛋白应用效果的措施
4.1 调整适口性
在植物性蛋白源饲料中，由于气味、颜色或有毒有害物质的存在，适口性均较差。向饲料中添加一定量的着色剂或诱食剂等，可以掩盖饲料中的异味，改善植物蛋白作蛋白源饲料的适口性，提高水产动物对植物蛋白的利用能力（Lim 和Dominy，1990）。Tusche 等（2011b）研究认为，在含26.8%土豆浓缩蛋白的虹鳟饲料中添加4 %或8 %血粉，或者1 %氨基酸混合物（丙氨酸、甘氨酸和甜菜碱），可提高动物对饲料摄食率，原因可能是其改善了饲料的适口性。
4.2 去除有毒有害物质
4.2.1 热处理
土豆中的蛋白酶抑制因子是热敏性的，适当的热处理可破坏土豆中的蛋白酶抑制因子，从而降低抗营养因子的抗营养效应，提高其可利用性及适口性，从而提高鱼类对其摄食率（Wojnowska 等，1981）。热处理时，温度过低不能完全破坏胰蛋白酶抑制因子；加热过度则会破坏某些氨基酸，或使赖氨酸等碱性氨基酸的ε-氨基与还原性糖类发生美拉德反应，产生动物完全不能消化吸收的棕色聚合物，从而降低赖氨酸和精氨酸等必需氨基酸的消化吸收率，从而降低蛋白质的营养价值。此外，经过剥皮和烹饪，马铃薯中生物碱含量将下降75 %至80%，其中茄碱的损失高于卡茄碱，这对于食品安全和人类健康是相当重要的（Tajner-Czopek 等，2008）。
4.2.2 溶剂法
单溶剂法就是用一种溶剂来提取糖苷生物碱。一般使用的单溶剂为甲醇、乙醇、1 % ～5 %乙酸等。单溶剂使用的甲醇有毒，且甲醇未挥发完全，使龙葵素的提取不完全，回收率较低、用乙酸提取时，淀粉难于除掉，要利用乙醇去除淀粉，使实验过多，误差增大。用酸水作提取溶剂，优点是溶剂低廉易得，缺点是提取液易发霉变质、浓缩时间长，同时提取液中含有大量蛋白质、靴质、糖类和无机盐等杂质成分，此外，在酸性条件下能引起多糖中糖苷键的断裂， 因而提取液的酸度控制很重要。双溶剂法就是用两种溶剂来提取糖苷生物碱，一般使用的双溶剂为甲醇-氯仿、乙醇-乙酸等。利用甲醇-氯仿溶剂提取，检测马铃薯总糖苷生物碱的含量， 茄碱为0.04 ～48.0mg/100g，回收率为93% ～98%，卡茄碱为0.04～97.9 mg/100 g，回收率为95 % ～101 %。混合溶剂法就是利用3 种以上溶剂来提取马铃薯糖苷生物碱，该方法提取效果最好，但缺点是溶剂较贵，使成本过高。不同的提取溶剂采用不同的提取工艺，单溶剂甲醇的提取率最低，双溶剂甲醇/氯仿的提取率次之， 以混合溶剂四氢吠喃/水/乙睛/冰乙酸的提取效果最好。对内标样品的回收率，混合溶剂可达94.3 %，双溶剂为87.7%，单溶剂为75.7%（段光明和宗会，1993）。
4.2.3 微生物发酵
微生物脱毒与其他方法相比有以下优点：（1）脱毒效率高达80 % ～90 %；（2）原料经发酵后产生大量有机酸，具有特殊香味，适口性好；（3）发酵可提高产品营养价值，提高土豆蛋白质含量和利用率；（4） 产生大量活性益生菌，调节动物机体胃肠道微生态平衡；（5）底物发酵过程中产生纤维素酶，能作用于底物粗纤维，从而降低粗纤维含量。江成英等（2010）研究了多菌种固态发酵马铃薯渣生产饲料过程中的龙葵素的变化，结果表明，随着发酵时间的延长，龙葵素含量从发酵前期的0.0474 mg/100 g 降低到发酵96h的0mg/100g。祝英等（2009）探讨了米曲霉、黑曲霉、绿色木霉对马铃薯渣生产蛋白质饲料的影响，结果表明， 米曲霉与黑曲霉复配降解马铃薯渣的效果最好，粗蛋白质收率为8.292 g/L，可将粗蛋白质收率提高1.94倍。Wang 等（2010）将马铃薯淀粉渣配制成发酵培养基后，先用0.01 %的果胶酶和0.1 %的纤维素酶在35℃下处理48h，然后接种从马铃薯淀粉渣中分离得到的Geotrichumcandidum、Lactic acid bacteria 和酵母菌在30℃下厌氧发酵60h，结果显示，粗蛋白质含量明显提高，脂肪含量略有增加，纤维素含量大幅降低，进而改善了饲料的适口性、提高了营养价值。赵凤敏等（2006）以马铃薯淀粉渣为原料，利用筛选出的糖化菌株T-1 和高蛋白菌株D-1，对马铃薯淀粉渣固态发酵生产蛋白质饲料的发酵工艺进行优化，结果发现，当硫酸铁添加量为1.5 %、尿素添加量为1.5 %、糖化菌株T-1 接种量为5 %、高蛋白菌株D-1 接种量为20 %时， 发酵产物中粗蛋白质含量最高，且维生素B1、维生素B2均比原料有明显提高。微生物生长代谢过程中，氧化消耗糖类物质，微生物大量生长繁殖，微生物菌体蛋白丰富，提高了粗蛋白质的含量。
4.3 添加晶体氨基酸或蛋白源
混合搭配蛋白质的营养实质是氨基酸的营养，氨基酸的平衡与适量尤其是赖氨酸、蛋氨酸和色氨酸三大限制性氨基酸的平衡问题是影响动物生产水平的关键因素。与其他植物蛋白一样，土豆蛋白氨基酸比例不平衡，蛋氨酸是第一限制氨基酸；赖氨酸和色氨酸含量较高。目前有关土豆型饲料中添加晶体氨基酸或蛋白源以提高饲料氨基酸的平衡性的研究在水产动物中的研究鲜见报道，仍有待于进一步研究。
5 小结
土豆蛋白作为饲料蛋白源， 一方面可以节约饲料成本降低养殖成本， 另一方面可以减少鱼粉的使用量，保护海洋渔业资源，符合水产养殖业可持续发展要求，然而，由于土豆含有生物碱、蛋白酶抑制因子等抗营养物质， 限制了土豆蛋白在水产饲料中的应用。通过加工技术的改进和采用微生物发酵技术等，土豆蛋白的营养价值有望得到进一步改进和提高，这对我国土豆蛋白资源的开发和利用具有重要的意义。
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