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海藻在畜牧生产中的应用研究进展

发布时间:2021-12-14所属分类:农业论文浏览:1

摘 要: 摘 要:海藻是海洋中藻类植物的总称,分布在低潮线以下的浅海区域,是植物界中的隐花植物。全 世 界 已 知 藻类有3万余种,目前已被人类开发利用的藻类主要分为红藻、褐藻、绿藻和蓝藻4大类。随着常规饲料原料的供应紧张和价格上涨,开发非常规综合性功能饲料已成为解

  摘 要:海藻是海洋中藻类植物的总称,分布在低潮线以下的浅海区域,是植物界中的隐花植物。全 世 界 已 知 藻类有3万余种,目前已被人类开发利用的藻类主要分为红藻、褐藻、绿藻和蓝藻4大类。随着常规饲料原料的供应紧张和价格上涨,开发非常规综合性功能饲料已成为解决畜牧业饲料资源有效供应的长期任务。海藻作为一种优质的非常规饲料资源,具有分布广、产量大、适应能力强等特点且含有大量陆地植物所缺乏的生物活性物质和营养物质,这些特性决定了其巨大的饲料经济开发价 值。作者综述了海藻的区域分布、特 性、分类及营养物质的种类、功能及其在动物上的应用,由于其富含蛋白质类、氨基酸类、矿物质、多不饱和脂肪酸等营养物质及多糖多酚类、萜类等功能性物质,在畜牧业生产应用中具有巨大的发展潜力。此 外,作者指出了在使用海藻饲料原料过程中应注重的问题,探讨了海藻在动物生产中发挥的多种功能性应用价值与潜在市场,旨在为藻类资源在动物日粮中的应用提供参考。

海藻在畜牧生产中的应用研究进展

  关键词:海藻;营养价值;动物生产

  海藻种类繁多,形态多样,已被开发利用的主要包括红藻、褐藻、绿藻和蓝藻四大门类。中国沿海现有的海藻资 源 约 占 全 世 界 海 藻 总 数 的1/8[1],大 型海藻物种数达到1277种,其中蓝藻门6目21科57属161种(及变 种),红 藻 门15目40科169属607种(及变种),褐藻门11目24科62属298种(及变种),绿藻 门11目21科 48 属 211 种(及 变 种)[2]。有学者建议将中国海区区系划分为三大海藻区系,即黄海区(包括黄海西区和黄海东区)、东海区(包括东海西区和东海东区)、南海区(包括南海北区和南海南区)[3]。各门类的属、种数在各海区的分布不尽相同,其中,红藻门的属数各海区没有太大差别,褐藻门属数在各海区的分布呈自北向南逐浙减少的趋势,绿藻门属数的分布则自北向南递增。

  2016年中国藻类产品总产量达220.24万t[4],这些海藻广泛分布在低潮线以下的浅海区域,为人类提供了大量的可利用资源,目前已在食品、医药、工业、农业等多个领域得到了广泛的应用,特别在畜牧业领域。海藻富含蛋白质、氨基酸、多不饱和脂肪酸、维生素、矿物质及多糖、多酚等功能性营养物质,兼有营养和提高免疫性能的双重功效,并有着来源广、产量大、无残留、无生物耐药性的独特优势[5-7],具有广阔的应用前景。然而海藻在不同动物日粮中的应用效果受其种类和添加剂量的影响较大。文章就海藻的分类分布、营养特性,并结合国内外和本课题组近年来的研究进行综述,为其在实际生产中的应用提供理论参考。

  1 海藻的营养成分及特点

  海藻中矿 物 质、维 生 素 含 量 丰 富,并 因 含 有 多糖、多酚等功能性物质而具有特殊的营养价值,可用于人类 食 品 或 动 物 日 粮 中[8]。然 而 海 藻 的 能 值 较低,不能作为主要的饲料原料来源,但其较高的营养价值和功能性成分对于提高畜禽产品品质有特殊功效。

  1.1 蛋白质及氨基酸

  海藻在一定程度上可作为动物饲料有价值的蛋白源[9],其蛋白质含量随物种变化存在差 异。绿 藻或红藻的蛋白质含量为干物质的 10% ~47%[10]。褐藻中除了裙带菜的蛋白质含量在11%~24%外,大多数工业开发用的褐藻蛋白含量低于干物质的15%[11]。红藻中甘紫菜和掌状红皮藻产量丰富,其蛋白质 含 量 分 别 占 干 物 质 的47%和35%[12],相 当于大豆等高蛋白饲料中的蛋白质水平。此外,海藻中蛋白质的含量也受季节因素的影响。据从法国大西洋海岸收集的掌状红皮藻年度监测数据显示,其干物质中蛋白质含量在冬季和春季较高,而在夏季较低[13]。

  在大多数海藻中,天冬氨酸和谷氨酸是氨基酸组成的主 要 成 分,其在褐藻总氨基酸中占 22% ~44%[14]。在绿藻中,这两种氨基酸的含量分别占总氨基酸的26%和32%[15]。而在红藻中二者含量较低,仅占氨基酸总量的14%和19%。通过将高蛋白藻类(如高蛋白小球藻、甘紫菜、石莼藻)的氨基酸组成与其他高蛋白食物(如大豆、鸡蛋)的氨基酸组成进行比较,可以得到该海藻氨基酸营养价值的相对估计值。目前已知掌状红皮藻中亮氨酸、缬氨酸和蛋氨酸在必需氨基酸中的占比较高,其氨基酸水平接近卵清蛋白,异亮氨酸和苏氨酸的含量与豆科植物相近;甘紫菜中除组氨酸含量外,必需氨基酸含量也接近于豆科植物的氨基酸含量;石莼中谷氨酰胺、亮氨酸和赖氨酸是其主要的必需氨基酸,而组氨酸作为儿童必需的氨基酸,其在石莼中的含量与豆类和蛋类中的水平相当[16]。

  1.2 矿物质及维生素

  海藻在海水中富集大量矿物质,含有超过60种微量元素。其钙、磷、钾含量很高,钙约占干物质的0.5%~1.4%,磷约占0.1%~0.5%,钾约占2%~6%[17]。与常规饲 料 原 料 相 比,海 藻 中 钙 的 含 量 分别比玉米、麸皮中的高2.39%、2.29%,磷比玉米高 0.29%。海藻中丰富的矿物质多以有机态形式存在,不易氧化变质,比无机矿物质更易被动物消化吸收[18],是实 现 绿 色 甚 至 有 机 养 殖 的 天 然 矿 物 质 原料。同 时,海 藻 中 含 有 VA、VC、VE、VK、VB1、VB2、VB3、VB11、VB12等多种维生素,可满足家畜生长需要。海藻所含的碘化物具有促进生物氧化、降血压、预防动脉硬化等保健功效[19]。

  1.3 海藻多糖及多酚

  多糖是生命机体的重要组分,在控制细胞分裂、调节细胞生长及维持生命机体正常代谢方面具有重要作用[20]。目前 已 从 海 藻 中 分 离 纯 化 得 到 多 种 海藻多糖,根据其来源可分为褐藻多糖、红藻多糖、绿藻多糖和蓝 藻 多 糖 等[21]。海藻中的酚类化合物与抗氧化 活 性 相 关,在 稳 定 脂 质 过 氧 化 中 起 重 要 作用[22]。在许多海 藻 物 种 中 观 察 到 多 酚 的 含 量 和 抗氧化活性之间存在高度的正相关[23-25]。

  1.4 多不饱和脂肪酸

  海藻中含有大量不饱和脂肪酸(PUFA),与鱼油脂肪相比,具有无鱼腥味,组成简单、易分离纯化、价格低等优点[26],是优质不饱和脂肪酸的重要来源,具有重要的生理功能[27]。陶平等[28]对大连沿海大型速生海藻的营养组成进行了分析,发现海藻中不饱和脂肪酸的含量占总脂肪酸含量的61%。

  1.5 海藻中其他有效成分

  海藻中含有多种具有降低胆固醇浓度、抗菌抗病毒、促进肠道矿物质吸收等功能的生物活性物质,如萜类、生 物 碱 类、硫 杂 环 类、大 环 内 酯 类、甾 醇 类等[29]。其中,萜类是海藻最具代表 性的次生代谢物,多为卤代或芳香族萜类化合物,具有杀菌、抑菌和抗肿瘤等功能[30]。董春景等[31]发现从凹顶藻 属海藻中提取到萜类化合物能够诱导小鼠肿瘤细胞凋亡,抑制肿瘤细胞增殖,具有较强的抗脂质过氧化功能。此外海藻中富含超氧化物歧化酶,是含铜、锌、铁、锰的一类蛋白质,能够将超氧阴离子自由基歧化为 氧 气 和 过 氧 化 氢,可作为高效的自由基清除剂[32],在动物机体正常过程以及保护细胞和组织免受氧化损伤中发挥重要作用。

  2 海藻在畜牧生产中的作用

  海藻中富含蛋白质、矿物质、维生素、海藻多糖、海藻多酚、多 不 饱 和 脂 肪 酸 和 微 量 促 生 长 因 子[33],能提高畜禽动物的生长性能,改善免疫机能,降低肠道中有害微生物含量[34],进而提高畜禽产品肉蛋奶的品质和经济效应,因而在畜禽动物养殖中有非常高的应用价值。

  2.1 改善动物的生产性能

  海藻对动物生产性能的改善主要归功于其富含的矿物质和维生素。动物采食海藻后能够减少由于生长过程中无机物缺乏造成的缺乏症和发育迟缓等问题,同时海藻中的甾醇类物质可促进肠道吸收矿物质。另外,海藻中的多糖和多酚等物质可作为抗生素替代物,减少应激带来的危害,如石莼聚糖可改善盲肠微生物区系(乳酸杆菌数显著增加,大肠杆菌数显著减少),增加肠绒毛高度,促进肠道中黏蛋白的分泌,抑制不同致病菌在肠壁上的黏结,最终提高动物的消化吸收能力。

  白建等[35]在 AA 肉鸡基础日粮中添加不同水平(1.0%、3.0%、5.0%)的海藻粉,发现 添 加 不 同水平的海藻粉对前期、后期和全期肉鸡的料重比均有显著改善;对肉鸡21d的脾脏指数和胸腺指数及42d的法氏囊指数均有显著影响;显著降低了21和42d肉鸡盲肠大肠杆菌的数量,增加了盲肠乳酸菌的数量,显著改善了肠道微 生态环境。Abudabos等[36]用石莼藻代替1%和3%的玉米饲喂12~33d的肉仔鸡,发现试验组肉鸡的采食量、日增重、饲料转化率均未受 到 影 响,但3%替 代 组 屠 宰 率 和 胸 肌产量 更 高;2 个 试 验 组 肉 鸡 血 清 中 甘 油 三 酯、胆 固醇、尿酸浓度和谷丙转氨酶活性均显著低于对照组。Kulshreshtha等[37]在罗 曼 布 朗 传 统 蛋 鸡 饲 料 中 分别添加0.5%、1%、2%的 红 藻 角 叉 菜 和 高 氏 红 藻,发现1%海藻处理的饲料转化率(用于产蛋)、蛋 重和蛋黄重极显著增加;与对照组相比,2%海藻添加组的蛋鸡具有更高的肠道绒毛高度和绒毛表面积。为研究海藻提取物对广西麻鸡产蛋性能的影响,卢春平等[38]选取1200只38周 龄 的 蛋 鸡 进 行 为 期7周的海藻提取物添加剂试验,发现试验组的产蛋率显著高于对照组,不合格蛋数显著低于对照组,产蛋性能显著提高。综上所述,海藻对家禽生长性能的改善作用主要通过提高营养物质消化率,促进矿物质吸收,改善肠道菌群结构等来实现。

  海藻同样也可以改善生长肥育猪生长性能的作用,且这种促生长作用可能与其添加量有关。周蔚等[39]在三元杂交猪日粮中分别添加0.5%和1.0%的小球藻,发现试验组猪的采食量较对照组分别提高了 14.9% 和 18.9%,料 肉 比 提 高 了 11.9% 和15.2%,日增重提高了2.7%和3.1%,生长性能改善明 显。 黄 礼 光 等[40]在 仔 猪 饲 料 中 分 别 添 加0.2%、0.5%、1.0%及1.5%的螺旋藻,试验组增重均高于对照组,且随着螺旋藻含量的增加,体增重增加,成活率提高,料重比下降。有研究表明,海藻中含有的有机碘有利于增强猪体内的物质代谢,对育肥仔猪和育肥猪的体重、平均日增重和饲料转化率均可产生影响,进而显著提高仔猪日增重和育肥猪的屠宰重,提高经济效益[41]。

  周蔚 等[42]以 浒 苔 作 原 料,配 以 常 规 饲 料 原 料,对肉兔进行饲养对比试验。与对照组相比,肉兔体增重提高2.7%,料肉比降低4.9%,血液总胆固醇和高密度 脂 蛋 白 胆 固 醇 含 量 分 别 下 降 60.2% 和27.8%,这主要是由于浒苔中含有的生物碱类在降低胆固醇方面起到了重要作用。在泌乳绵羊饲料中添加1%的海带粉,可增加绵羊的产毛量和产乳量,泌乳持续期也可延长25d左右[43]。羊毛产量随小肠吸收的氨基酸总量的增加而增加,试验中添加的海带粉可能是通过提高日粮氨基酸总量和小肠吸收量来提高羊毛生长率的。

  Singh等[44]选用12头萨希瓦尔泌乳牛进行 了126d的马 尾 藻 饲 喂 试 验。结 果 表 明,不 同 处 理 组中奶牛干物质采食量、养分消化率和乳中乳成分没有显著变化。但与其他组相比,饲喂海藻组的产奶量和4%的脂肪校正乳产量显著提高。张延利等[45]选用12头经产中国荷斯坦泌乳奶牛,在基础日粮中分别添加300、600、900g/d 海 藻,发 现 日 粮 中 添 加海藻不影响奶牛干物质采食量,但产奶量随海藻添加水平的升高呈线性增加,海藻组乳脂率和碘含量显著高于对照组,乳中锌、硒含量也有增加趋势。牛奶中乳脂率的升高可能是由于摄入的海藻改善了瘤胃酸环境,高纤维成分促进了瘤胃发酵产生乙酸,同时海藻多糖、多酚等成分对乳房炎的发生起到了预防作用。

  2.2 提升机体的免疫性能

  海藻对动物免疫性能的改善主要靠海藻多糖和多酚等物质的功能作用来实现。海藻多糖和多酚具有较强的抗氧化活性和抗菌活性,能抑制动物体内活性氧自由基的产生并促进其清除[46-47]。海藻多糖可以促进免疫细胞活化和成熟,诱导巨噬细胞、中性粒细胞产生肿瘤坏死因子,具 有 抗 肿 瘤 的 效 果[48]。Silva等[49]研究发现海藻多糖可以抑制炎症细胞浸润和脂质过氧化,对小鼠胃肠道损伤具有预防和修复作用。不同藻类中多糖多酚物质功能不同,褐藻多糖可以增强细胞与分子免疫应答水平,调节细胞因子分泌,抑 制 小 鼠 肝 癌 细 胞 的 生 长[50];红 藻 多糖具有消炎 抗 氧 化 的 作 用 等[51]。酚类化合物对结肠癌细胞有潜在的生物学效应,且能抑制糖尿病的发生[52]。

  Kang等[53]对600只肉鸡雏鸡进行了4周小球藻和抗生素的效果对比试验。在基础日粮中分别添加0.1%吉尼霉素、1.0%干小球藻粉、1.0%小球藻生长因子和1.0%新鲜液体小球藻,结果表明,与抗生素组和对照组相比,小球藻组鸡血浆中IgA 的浓度显著提高;此外,干小球藻粉组和小球藻液体添加组的鸡血浆IgM 和IgG 浓度高于其他处理组;补充抗生素和各种形式的小球藻不影响肉鸡肠道微生物群落中的大肠杆菌和沙门氏菌浓度,但添加小球藻液体组肉鸡肠道乳酸菌群体显著增加。该试验结果说明肉鸡日粮中添加新鲜小球藻液体可以改善肠道微生物区系并提高雏鸡免疫特性。肠道菌群的改善主要与 海 藻 多 糖、多酚的作用有关。白 建 等[35]和Kulshreshtha等[37]在 肉 鸡 日 粮 添 加 海 藻 粉 也 有 类似的结果,海藻补充组肉鸡的脾脏指数、胸腺指数及法氏囊指数均发生显著变化,盲肠中大肠杆菌的数量显著降低,乳酸菌数量显著增加。海藻中的锌可影响体液和细胞免疫,是胸腺发育的重要因素,参与禽类的细胞免疫,改善血液免疫指标。

  Katayama等[54]评价了日粮中添加海藻对猪免疫功能的影响,发现海藻处理组仔猪唾液中IgA 浓度比对照组增加了5倍左右,IgG 生成增加了1.8~2.0倍。Leonard等[55]给20头妊娠母猪及80头断奶仔猪饲喂海藻提取物,发现日粮中补充海藻提取物的妊娠母猪,其产下的仔 猪0~21d的 平 均 日 增重显著高于未补充海藻提取物组;同时发现,饲喂海藻提取物的断奶仔猪,其结肠大肠杆菌和肠杆菌科细菌数量显著减少,结肠中具有更高水平的 MUC2mRNA 丰度。上述结果的产生可能是海藻多糖通过促进仔猪肠道中黏蛋白的分泌,再结合自身多糖、多酚的抗菌抗病毒作用,增加了对病毒和致病菌的抑制作用。以上试验结果说明,海藻可作为优质的畜禽抗生素替代品,预防和减少消化道疾病。

  本课题组针对海藻对泌乳奶牛的影响也进行了相关试验:评估不同日粮条件下,海带粉替代部分日粮对泌乳奶牛瘤胃发酵和机体健康状况的影响。结果发现,5%海带粉组的奶牛血清中谷丙转氨酶活性和免疫球蛋白含量显著降低,说明海带粉作为饲料原料可以提高奶牛的免疫力,增加奶牛肝脏的排毒作用。

  2.3 提升动物产品品质

  由于海藻中富含大量微量元素、维生素和营养因子,在促进生长、提升免疫机能的同时,势必会对畜禽产品品质产生有益的影响。海藻中的有机碘相比无机碘更有利于增强猪体内的物质代谢,提高碘在猪肉中的含量[56]。何英俊等[57]选用36头金华猪进行了复方螺 旋 藻 提 取 物 饲 喂 试 验,试 验 期120d,发现试验组瘦肉率比对照组显著提高,骨率和背膘厚均比对照组显著降低。本课题组在评估海带粉对奶牛影响的研究中也发现,5%海带粉组的奶牛乳中脂肪和碘的含量较对照组显著升高,牛奶口感更为香甜,该试验结果与张延利等[45]结果一致。

  2.4 降低甲烷排放

  2014年以来,澳大利亚多个科研团队围绕海藻降低瘤胃 甲 烷 排 放 做 了 大 量 研 究。Machado等[58]研究发现,不同海藻的甲烷减排能力不同。在日粮中添加不同种类的海藻,瘤胃的甲烷排放量最少能够减少20%,最多可减少99%。另 有 研 究 发 现,仅在日粮中添加少量红藻海门冬 (产 于 澳 大 利 亚 北部),能 够 降 低 近 100% 的 反 刍 动 物 瘤 胃 甲 烷 排放[59-60],这一发现引起广泛关注。

  此外,Machado等[61]还 评 估 了 当 地20种 藻 类在体外发 酵 中 对 总 产 气 量(TGP)和 甲 烷 产 量 参 数的影响。结果 显 示,试 验 组 的 TGP 和 甲 烷 产 量 均低于对照组。其中,淡水藻、绿藻、褐藻及红藻 TGP分别减少 13.99%、20.90%、26.16%、28.95%;甲烷产 量 分 别 减 少 18.6%、38.76%、52.49% 和51.94%。20种 藻 类 中,褐藻网地藻和红藻海门 冬具有最强的效果,对 TGP 的抑制 分 别 达53.2%和61.8%,对甲烷产量的抑制达92.2%和98.9%。试验证明上述所有种类的海藻均具有体外降低甲烷产量的特性,但需进一步通过体内试验进行验证。

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  基于上述结果,LI等[62]进一步进行了红藻海门冬对绵羊甲烷产 量 的 影 响 研 究。在72d的 试 验 周期内,试验组在 绵 羊 饲 料 中 分 别 添 加2%、3%红 藻粉,前者瘤胃 甲 烷 产 量 减 少50%~70%,后 者 可 减少80%。由此可见,在反刍动物日粮中添加海藻来降低甲烷排放前景可观[63],但仍需要更多相关试验进一步验证。

  3 存在的问题及展望

  我国海岸线长、海洋面积广阔且沿岸地貌复杂,使得海藻种类丰富且适宜生长[64],海藻养殖面积和总产量稳居世界第一[4]。从单一营养水平 上 来 讲,其蛋白质含 量、能 值 不 如 大 豆、玉米等大宗饲料原料,但就其独特的功能性物质和综合性营养成分来说,海藻饲料优势明显,性价比高,可作为部分常规饲料原料的功能性替代品。目前,国内的海藻加工生产方式多样,加工技术日趋成熟,但海藻作为饲料原料在应用过程中仍存在一些问题。一方面,各海域生长的海藻,其种类及化学成分差异很大。即便同种海藻其营养物质含量也会随海区和生长季节的不同而具有较大差异。对于海藻饲料的生产,不仅要考虑资源的开发潜力,更要考虑海藻的种类、产量和采收季节等因素。海藻对海水中重金属离子具有生物吸附固定作用,使得不同藻类会因生长海域的不同而富集 多 种 重 金 属 物 质[65]。动 物 长 期 食 用 富含重金属的海藻饲料势必导致机体的慢性中毒及畜禽产品的重金属残留。同时,饲料中过量的重金属元素会因无法在机体内被吸收而随粪便排入外界环境,进而对土壤、水体等造成二次污染,因此在选用某一藻类前需严格检测其重金属物质含量。另一方面,海藻中含有的海藻多糖、多酚等多种抗菌物质,在杀死消化道有害菌群的同时,是否会对有益微生物群落造成影响,甚至破坏消化道菌群稳定,尚需进一步试验探究。此外,在饲料加工过程中,部分海藻含有褐藻胶 等 物 质,具 有 很 强 的 吸 水 性[66],应 注 意保存的环境条件,严格控制湿度,防止海藻饲料因潮湿发霉变质。

  海藻作为饲料原料其添加量应在合理范围内,对于海藻饲料的选用,需根据其所含营养成分进行针对性搭配,过量添加海藻可能会导致动物生长异常或患病。Aistic等[67]直接用脱脂硅藻替代7.5%的豆粕饲喂肉鸡雏鸡,发现试验组体重增加比对照组缓慢。在后期通过补饲日粮中短缺的氨基酸,生长性能才恢复至对照组相同水平。目前,海藻粉在畜禽动物日粮中建议添加量为:肉鸡<5%;蛋鸡<7%;蛋鸭<2%;哺乳母猪和生长育肥猪<4%;泌乳奶牛<5%;肉牛<4%;绵羊<3.5%。

  海藻是适合中国国情的低成本、无残留、效益高的天然饲料资源,具有较大的发掘潜力和广阔的发展前景。海藻中的功能性物质有较高的营养价值和特殊的益生作用,作为饲料原料可以改善动物生产和免疫性能、提 高 畜 禽 产 品 质 量、减 少 瘤 胃 甲 烷 产生。目前,对海藻活性物质的分离纯化及生物功能的研究较为广泛,但对其化学结构与生物活性的关系、生物活性的作用机理、分子水平的调控机制尚不完全清楚,有待进一步的研究。此外,如何有效利用海藻生物资源、开发藻类天然药物饲料,是发展绿色健康化畜禽养殖业生产、保证畜禽产品“零药残”的一个重要方向。——论文作者:孙福昱1,南雪梅1,唐志文1,蒋林树2,熊本海1*

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