大豆蛋白替代魚粉的研究進展

大豆蛋白替代魚粉的研究進展

蛋白質是魚類生長和維持生命所必需的營養(yǎng)成分。魚粉因適口性佳、營養(yǎng)豐富,尤其是氨基酸組成平衡,維生素B2、B12等維生素及未知生長因子的含量豐富,一直以來是水產(chǎn)飼料中不可缺少的優(yōu)質蛋白源。水產(chǎn)飼料中魚粉的添加量遠遠高于畜禽的用量,在一些海水養(yǎng)殖品種,如對蝦飼料中,魚粉的添加量一般均高于30%。然而,由于捕撈量的下降和氣候變遷的影響,導致魚粉價格上漲且供應不穩(wěn)定。而且,還有研究報道,魚粉中磷含量雖然高,但不易被魚、蝦充分利用,相當數(shù)量的磷會隨魚的代謝產(chǎn)物排入水體,易形成富營養(yǎng)化水體,因此開發(fā)適當?shù)奶娲肥菢O為重要的。尋找替代魚粉的新型蛋白源,特別是利用廉價的植物蛋白源來部分或者全部替代魚粉,是國內外廣大水產(chǎn)科技工作者關注的熱點。在植物性蛋白源中,以大豆為原料經(jīng)加工后獲得的主產(chǎn)品和副產(chǎn)品,如大豆粉、豆餅、豆粕等豆類蛋白營養(yǎng)價值高,蛋白質含量高達40%~48%,除缺乏含硫氨基酸外,必需氨基酸和半必需氨基酸組成較為完善,價格低廉且供應充足穩(wěn)定,是我國最為常用的植物性蛋白。很多研究表明,大豆蛋白可部分或全部代替魚粉,與魚的種類、食性、大小、蛋白品質和養(yǎng)殖系統(tǒng)有關。然而大豆蛋白的應用也存在各種各樣的限制因素,如抗營養(yǎng)因子———植酸的存在,使得魚類對其利用仍然不夠理想。針對這些限制因素,相應的解決途徑包括熱處理、酶制劑的添加也隨之產(chǎn)生,從而促使大豆蛋白能夠更加有效地替代魚粉,也為其在水產(chǎn)飼料中得到廣泛運用奠定了基礎。1豆餅、豆?jié){的特點我國最為常見的大豆制品有全脂豆粉、脫脂豆粉、豆餅、豆粕、大豆?jié)饪s蛋白、大豆分離蛋白。而發(fā)酵豆粕,又稱發(fā)酵大豆多肽,雖然早在十幾年前國外和我國臺灣省就開始被廣泛研究,但由于其價格昂貴還不能大量應用于養(yǎng)殖業(yè),在我國的研究還處于起步階段。豆餅和豆粕具有消化吸收率高、氨基酸組成較好、價格低廉和資源量豐富等特點,一直以來是水產(chǎn)飼料利用最多的豆類蛋白。而新興的發(fā)酵豆粕較其它大豆蛋白更易消化吸收,能迅速供給機體能量,且無蛋白質變性和無豆腥味等特性,成為最具前途的魚粉替代蛋白源。1.1大豆?jié)饪s蛋白與豆餅中蛋白質的含量及組成全脂大豆粉是整粒大豆經(jīng)摩擦、蒸汽擠壓及膨化處理的產(chǎn)品,其成分與生大豆類似。由于全脂大豆粉水分含量較低,其它營養(yǎng)成分相對提高,粗蛋白質含量為36%~39%,脂肪含量高達18%,且富含不飽和脂肪酸。脫脂豆粉是由豆粕經(jīng)焙烤、粉碎制得的大豆制品,蛋白質含量在50%以上。全脂大豆粉和脫脂大豆粉的氨基酸組成相似,且胰蛋白酶抑制因子活度也相似。豆餅是大豆經(jīng)機械壓榨提油后的殘渣。壓榨方式有水壓法和螺旋壓法,產(chǎn)出的豆餅蛋白質含量分別為39.8%和42%。豆餅含油脂比豆粕高,為4%~7%。豆粕是大豆經(jīng)壓片、溶劑浸提制油后的殘渣。低溫(40~60℃)浸提法制備的豆粕蛋白質含量在44.5%左右,脂肪含量為0.5%~1.5%,氨基酸組成較平衡,消化率高。大豆?jié)饪s蛋白是以大豆蛋白粉為原料,采用淋洗法去除低聚糖,進一步純化蛋白質而制得的產(chǎn)品,其最大特點是除去了大豆的脹氣因子及豆腥味物質,同時又最大限度地保留了大豆蛋白的營養(yǎng)成分,蛋白質含量達65%以上。大豆分離蛋白的蛋白質含量高達90%以上,其基本制作方法是脫脂大豆粉先用稀堿液浸泡,再離心除去不溶性殘渣,獲得母液,酸化母液沉淀蛋白,經(jīng)多次淋洗除去可溶性非蛋白質成分,最后經(jīng)中和、噴霧干燥即為分離蛋白。大豆組織蛋白是大豆蛋白經(jīng)過組織化技術制得的產(chǎn)品,特點是抗營養(yǎng)因子相對較少,蛋白質的消化吸收率較高。1.2大豆營養(yǎng)品質方面,其符合以下主要特點發(fā)酵豆粕是大豆?jié)饪s蛋白的酶解產(chǎn)物,由于采用獨特的菌種和發(fā)酵工藝,微生物發(fā)酵過程中分泌的蛋白酶使大豆蛋白被分解成小分子蛋白和小肽分子,因此又稱為發(fā)酵大豆多肽。發(fā)酵豆粕具有以下的優(yōu)點:(1)蛋白質有序降解為多肽、小肽,且富含蛋白酶。小肽具有很好的溶解性、抗凝膠形成性、低粘度等特性,在動物體內吸收快、耗能低、不易飽和,各種小肽之間的運轉無競爭性抑制,蛋白質利用率提高。(2)必需氨基酸含量豐富,結構合理。生物發(fā)酵過程中,微生物大量增殖,其結果不僅提高了發(fā)酵大豆蛋白基料的蛋白質水平,而且部分大豆蛋白質發(fā)酵時轉化為菌體蛋白,這本身也改變了大豆蛋白質的營養(yǎng)品質。張玲華等(2005)研究顯示,發(fā)酵后蛋白質含量較發(fā)酵前提高了20.9%,氨基酸含量提高了23.1%。(3)蛋白質品質優(yōu)良,消化率較高,富含多種生物活性因子,且適口性好。與膨化大豆和濃縮大豆蛋白相比,發(fā)酵大豆蛋白生產(chǎn)大豆多肽的工藝明顯優(yōu)于高溫、高壓的膨化工藝和乙醇浸提工藝對蛋白質的影響。膨化工藝對大豆蛋白造成的物理損傷和乙醇浸提造成的化學性損傷均會造成大豆蛋白質不同程度的變性。而經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的大豆多肽富含有機酸、菌體活性蛋白、葉酸和B族維生素及未知生長因子,適口性增加,且能有效改善水產(chǎn)動物消化道微生態(tài)環(huán)境,提高其生產(chǎn)性能及免疫力。(4)通過微生物發(fā)酵降解可有效去除多種抗營養(yǎng)因子,如胰蛋白酶抑制因子等,降低了對魚類腸道的刺激。(5)減少了魚類糞便中氨、氮、有機磷等物質的排出,減輕了對養(yǎng)殖水體的污染,免除了水質凈化劑和抗生素的使用。發(fā)酵大豆蛋白改進和提高了大豆蛋白資源的品質,有利于實現(xiàn)高效養(yǎng)殖,這對蛋白質資源相對不足的條件下使我國養(yǎng)殖業(yè)保持可持續(xù)發(fā)展有重要意義。2其它魚粉替代魚粉對克氏原螯蝦生長和飼料利用的影響由于魚粉價格高昂加之供應緊缺,國內外學者早在30年前就開始了利用各種大豆蛋白替代水產(chǎn)飼料中魚粉的研究。TaconAJ等(1995)研究表明,虹鱒魚飼料中添加66%的豆粕替代魚粉對其生長無不良影響;而OlliJ.J等(1995)研究認為,添加豆粕的量超過20%~30%,將導致虹鱒魚生長下降和料肉比上升。在對大西洋鮭的研究中發(fā)現(xiàn),用4種不同豆類產(chǎn)品替代魚粉,結果表明,56%的大豆?jié)饪s蛋白替代魚粉,對其生長無不良影響;而當去皮豆粕、普通豆粕和全脂豆粉替代魚粉的量超過14%,大西洋鮭生長速度顯著降低。當豆粕替代魚粉的量達到34%時,大西洋鮭的生長受到抑制(OlliJ.J等,1994)。姜光莉等(2005)報道,當以魚粉為蛋白源的飼料中蛋白質的含量為25%時,用豆粕替代其中40%的魚粉不會影響鯉魚的生長及對飼料的利用率。蔡鷹等(1990)以豆餅作為主要蛋白源取代50%的魚粉飼養(yǎng)羅非魚的試驗發(fā)現(xiàn),僅需再添加4.8%的油脂可取得較理想的飼養(yǎng)效果。程成榮等(2004)報道,發(fā)酵豆粕可替代40%以下的魚粉而對雜交羅非魚的增重率、特定生長率、飼料效率和蛋白質效率無顯著影響,若代替比例達60%時,則羅非魚生長顯著下降。陳立僑等(1994)研究發(fā)現(xiàn),用豆餅替代中華絨螯蟹飼料中30%的魚粉而沒有觀察到任何不良影響。朱雅珠等(1995)用80%豆餅為蛋白源的飼料投喂羅氏沼蝦,獲得了比添加25%魚粉的對照組更佳的生長效果。董云偉等(2000)報道,用豆粕蛋白替換50%的魚粉沒有降低羅氏沼蝦的生長率,且降低了養(yǎng)殖成本。艾慶輝(2002)的研究表明,當大豆蛋白替代魚粉蛋白13%~39%時,南方鲇的生長及飼料利用率均高于對照組,當替代量超過52%時,其生長率和蛋白質利用率則顯著下降。羅智等(2004)在石斑魚飼料中以發(fā)酵豆粕等量代替魚粉,使魚粉用量由68%降為58%,對魚體增重率和成活率沒有影響。王廣軍等(2005)報道,軍曹魚飼料中豆粕與魚粉的比例為1:1.8較為合適。冷向軍(2006)等在研究南美白對蝦飼料時報道,常見的大豆蛋白和發(fā)酵豆粕均優(yōu)于脫皮豆粕,但是常見的大豆蛋白和發(fā)酵豆粕替代魚粉用量的28.5%卻引起了各試驗組幼蝦的增重和成活率顯著下降。王桂芹等(2006)報道,翹嘴紅鲌飼料中大豆蛋白對魚粉蛋白的最大替代量為40.5%,且只有適量替代才能使飼料氨基酸的配比符合魚的營養(yǎng)需求,適合魚的生長。綜上所述,飼料中豆類蛋白的適宜替代量因魚的種類、食性、大小、大豆蛋白品質和養(yǎng)殖系統(tǒng)而異。草魚、羅非魚等草食性和雜食性動物對蛋白質的需求量較低,因此在草食性魚和雜食性魚飼料中,可用豆餅、豆粕、脫脂大豆蛋白做蛋白源,添加限制性氨基酸時,可以代替大部分甚至全部的魚粉。由于蝦、虹鱒等肉食性養(yǎng)殖動物對蛋白質的需求量和飼料中動物蛋白源要求較高,在肉食性魚類飼料中使用10%~20%的大豆蛋白,如果氨基酸平衡,也不會影響生長,但當超過30%時,增長率則顯著降低。3影響豆蛋白添加量的限制因素3.1氨基酸的需求飼料蛋白質的質量即氨基酸的平衡程度是影響動物對其蛋白利用的關鍵因素,水生動物對蛋白質的需求實際上就是對氨基酸的需求。與魚粉相比,雖然大豆蛋白中的粗蛋白含量較為豐富,通過加工處理后的大豆制品粗蛋白含量甚至可以超過魚粉,例如,大豆分離蛋白粗蛋白質含量可以達到90%,且賴氨酸含量較高,但是由于某些必需氨基酸的缺乏,造成氨基酸的組成不平衡,影響了水產(chǎn)動物的生長性能。3.2替代魚粉量對大鼠攝食的影響與魚粉相比,大豆蛋白的適口性較差,這是影響植物蛋白在飼料中添加量的主要因素之一。大豆蛋白中的抗營養(yǎng)因子會抑制水生動物的食欲,隨著植物蛋白替代魚粉量的增加,其中的促攝食物質逐漸減少,從而導致動物攝食量減少。周盟等研究使用豆粕替代飼料中魚粉對異育銀鯽的生長及代謝的影響時發(fā)現(xiàn),異育銀鯽對兩種蛋白源飼料的攝食率、生長率和食物轉化效率均有顯著差異,魚粉優(yōu)于豆粕,最終發(fā)現(xiàn)這是由于適口性差異引起攝食率不同而導致了生長差異。3.3大豆制品Huisman等指出,抗營養(yǎng)因子的抗營養(yǎng)作用主要表現(xiàn)為降低飼料中營養(yǎng)物質的利用率、動物的生長速度和動物的健康水平,把具有抗營養(yǎng)作用的這類物質稱為抗營養(yǎng)因子。使大豆制品在水產(chǎn)動物飼料中的添加受到限制,主要的抗營養(yǎng)因子有植酸、蛋白酶抑制因子、凝集素、脹氣因子、抗維生素因子等。其中,植酸、蛋白酶抑制因子和植物凝集素在飼料中含量及生物活性較高,對水產(chǎn)動物起著主要的抗營養(yǎng)作用。3.3.1磷和肌醇儲存植酸是維生素B族的一種肌醇六磷酸酯,具有極強的螯合能力,是影響多種礦物質吸收的最重要的因素。植酸及其鹽類廣泛存在于大豆制品中,占總重的1%~3%,其中植酸磷的含量占植物總磷的60%~90%,是磷和肌醇的主要儲存形式。磷是動物生長所必需的無機元素,以植酸鹽形式存在的磷不易被水產(chǎn)動物所消化利用,未被利用的磷隨糞便排出體外,從而導致了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中磷污染的加重,容易引起水華的發(fā)生。此外,在動物胃腸環(huán)境條件下,植酸能強烈地螯合Ca2+、Zn2+、Fe2+等金屬離子而形成不溶性的復合物,嚴重影響金屬離子的吸收和利用。而且植酸也能和蛋白質、維生素等形成復合物,抑制其吸收和生物活性。研究還發(fā)現(xiàn),植酸是淀粉酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、酸性蛋白酶等許多酶的強抑制劑。因此,植酸的存在使得多種常量和微量元素的利用率下降,降低了水產(chǎn)動物對蛋白質、淀粉、脂類物質等營養(yǎng)因子的消化吸收。3.3.2胰蛋白酶抑制物大豆蛋白中自然存在一些能抑制蛋白酶活性的物質,如可抑制胰蛋白酶和胃蛋白酶等13種蛋白酶活性的物質,稱為蛋白酶抑制因子。其中以胰蛋白酶抑制因子的影響最大,可降低胰蛋白酶的功能,導致蛋白質的消化率降低。目前已分離出多種胰蛋白酶抑制物,其中以Kunits和Bowman-Birk兩種抑制劑最具代表性,在大豆中含量分別為1.4%和0.6%。抑制物可以和小腸內胰蛋白酶結合形成無活性復合物,降低胰蛋白酶的活性,抑制了水產(chǎn)動物對飼料蛋白的利用。另外,由于胰蛋白酶富含含硫氨基酸,胰蛋白酶的失活更加劇了大豆蛋白中含硫氨基酸的貧乏,造成體內氨基酸代謝失調。趙振山等發(fā)現(xiàn),溝鯰幼魚對溶劑抽提后的豆粕中胰蛋白酶抑制因子敏感,即使該抑制因子水平很低,仍然會降低幼魚的生長速度和飼料利用率。另有研究發(fā)現(xiàn),虹鱒魚對豆粉中氨基酸的吸收速度較慢,這是因為大豆中高含量的胰蛋白酶抑制因子影響了虹鱒魚對蛋白質的消化吸收。3.3.3腸道凝集素和其他指標的影響大豆植物凝集素是由兩個略有不同的亞基構成的糖蛋白,主要存在于植物籽實中,它的主要特性是能同糖體結合。大多數(shù)凝集素對腸道內的蛋白水解酶有抗性,因此能夠與整個腸道內上皮表面的受體結合,損壞小腸壁刷狀緣粘膜結構,干擾刷狀緣分泌多種酶功能,對腸道消化和吸收產(chǎn)生嚴重抑制,妨礙消化道內蛋白質降解,并促使其隨糞便排出,使得蛋白質利用率下降;凝集素還影響蛋白質和脂肪代謝。脹氣因子是大豆中的低聚糖,主要是棉子糖和水蘇糖,在大豆中含量分別為1.1%和3.7%,很難被水產(chǎn)動物吸收利用,并出現(xiàn)脹氣甚至腹瀉。關于大豆低聚糖對于水產(chǎn)動物的抗營養(yǎng)作用還有待進一步研究證實。3.3.4破壞維生素的活性大豆產(chǎn)品中具有抗維生素作用的化合物可以分為3種:(1)與維生素具有相似的化學結構,在動物代謝過程中能與該種維生素競爭并取代之;(2)能與維生素結合或改變其結構而破壞其生化活性;(3)能破壞維生素的酶類。這些抗維生素因子氧化能力增強,不僅能氧化脂肪,同時可氧化脂肪內附著的多種維生素成分,從而破壞與其共存的維生素和胡蘿卜素,阻礙魚類對其的吸收利用。4排除大豆和蛋白中的抗營養(yǎng)因素4.1加熱對凝集素、抗維生素和胰蛋白酶抑制因子失活加熱分為干熱法和濕熱法。干熱法包括烘烤、微波輻射、紅外輻射等;濕熱法包括蒸、煮、熱壓、擠壓等。熱處理方法因成本低,效率高和工藝簡單在生產(chǎn)上廣泛應用。大豆中小部分抗營養(yǎng)因子對熱不穩(wěn)定,如凝集素、抗維生素因子和胰蛋白酶抑制因子,充分加熱即可使之變性失活。經(jīng)過充分、適當?shù)募訜?即可使胰蛋白酶抑制因子失活,同時適度的加熱也可使蛋白質展開,氨基酸殘基暴露,使之易于被動物體內蛋白酶水解吸收,從而提高蛋白消化利用率,減少有機物和氮的排泄。但是需注意高溫也有可能造成某些必需氨基酸的損失,尤其是賴氨酸、精氨酸和胱氨酸的損失。目前最好的控制溫度是120℃下熱處理15min,或者是105℃下蒸煮30min。擠壓處理能減少大多數(shù)抗營養(yǎng)因子的副作用,可以提高營養(yǎng)物質的消化率。4.2氨基酸的發(fā)生變性雖然大豆中的一些抗營養(yǎng)因子可以通過加熱的方法去除,但是加熱的溫度若超過115℃時,會導致大豆蛋白中的氨基酸發(fā)生變性。既然加工工藝無法改變大豆制品氨基酸的不平衡性,那么,添加合成氨基酸是解決這一問題的最好方法,如蛋氨酸、賴氨酸等,改善飼料中氨基酸的平衡,提高飼料的營養(yǎng)價值來滿足動物的需要。此外,大豆制品與一些蛋氨酸含量較高的植物蛋白飼料搭配使用,也可提高大豆制品替代魚粉的比例。4.3提高魚類的誘食性大豆制品的誘食性比魚粉差,是導致大豆制品替代魚粉效果差的一個主要原因。飼料中添加誘食劑可從顏色、散發(fā)的氣味及口味等方面給魚類以刺激,促進魚類攝食,減少飼料由于誘食效果差引起的損失。誘食劑主要包括氨基酸類、動物提取物、生物堿和含硫化合物等。添加誘食劑,如甜菜堿可以掩蓋豆腥味,從而增加動物的攝食量;添加烏賊粉、肉骨粉也能提高含大豆制品飼料的誘食性。楊淑芬等發(fā)現(xiàn),用添加誘食劑的飼料投喂鯉魚,鯉魚的飽食時間較對照組縮短12~21min。用誘食劑可使水產(chǎn)動物更好地利用不太喜食的植物蛋白,這對緩解當前動物蛋白飼料資源緊缺的問題具有重大意義。4.4改善水產(chǎn)動物糞便中植酸酶的生物活性植酸是一種熱穩(wěn)定性抗營養(yǎng)因子,僅僅依靠加熱處理不能消除植酸的抗營養(yǎng)作用。植酸酶是催化植酸及植酸鹽水解成肌醇與磷酸(或磷酸鹽)的一類酶的總稱。國內外從20世紀90年代中期就開始研究植酸酶在水產(chǎn)飼料中的應用,證實了添加植酸酶能有效地水解植酸,降低大豆制品中植酸的抗營養(yǎng)作用,破壞它對礦物元素和蛋白質的絡合能力,使被絡合的大量礦物元素和蛋白質釋放出來,提高磷的吸收率和沉積率,減少水產(chǎn)動物糞便中磷的排放。大量試驗資料認為,植酸酶可提高植酸磷利用率20%~45%。Rodehutscord和Pfeffer以虹鱒魚為試驗對象,飼料以大豆為基礎,在每千克日糧中添加1000U植酸酶,喂養(yǎng)試驗表明,磷利用率從17%提高到49%。Schafer等用鯉魚作試驗,在以大豆粉、魚粉和大麥為基礎的飼料中,每千克日糧分別添加500U植酸酶和1000U植酸酶,結果魚體增重加快,灰分含量顯著提高。植酸酶在魚飼料中的添加量一般以每千克日糧500~1000U較為適宜,且能夠部分或者全部代替飼料中無機磷的添加,從而節(jié)約磷資源。4.5膨化膨化與抗營養(yǎng)因子失活的關系膨化處理的原理是在一定溫度下,通過螺旋軸轉動給予原料一定的壓力,使原料從噴嘴噴出,原料因壓力瞬間下降而被膨化,抗營養(yǎng)因子隨之失活。擠壓膨化通過加熱和剪切力雙重因素失活抗營養(yǎng)因子,通?？煞譃楦煞ê蜐穹▋煞N。大量研究表明,膨化加工可降低大豆中的抗胰蛋白酶(TIA)的活性,且不同膨化方式、不同方法、不同工藝參數(shù)對大豆TIA的滅活程度不同。席鵬彬等研究了不同溫度下濕法擠壓膨化對大豆中抗營養(yǎng)因子的影響發(fā)現(xiàn),隨膨化溫度升高,胰蛋白酶抑制因子的失活程度增強。與其它大豆產(chǎn)