微藻在畜禽飼料中應用研究進展

劉建輝, 李勝利, 金 鹿, 張春華, 張崇志, 高瑞玲, 赫曉娜, 李慶豐, 孫海洲

(1.內蒙古農業大學動物科學學院,內蒙古 呼和浩特 010018; 2.內蒙古自治區農牧業科學院動物營養與飼料研究所,內蒙古 呼和浩特 010031)

動物飼料占畜禽生產成本的60%,因此,需要尋找高質量低成本的非常規原料來補充傳統原料的不足,以滿足養殖業日益增長的飼料需求。微藻中含有碳水化合物、必需脂肪酸、氨基酸、類胡蘿卜素和維生素等多種營養成分,可開發用于中國家畜、家禽和水產的養殖飼料[1]。到目前為止,人們已經發現了3×104～4×104種微藻[2],預計未來還會發現更多種類微藻并應用于飼料產業。微藻飼料的研究熱度與日俱增,如日本、菲律賓和韓國等國家已使用微藻作為飼料添加劑[3]。然而,微藻用于家畜、家禽等動物飼料,在生產的持續性和經濟性方面還存在一定問題。本文綜述了微藻在家禽和家畜飼料中的應用價值,特別是幾種常用微藻的營養價值,并討論了微藻作為飼料的局限性,為大規模研發微藻飼料提供依據。

1 微藻及其營養特性

1.1 微藻

微藻是一種能夠光合作用的單細胞微生物,吸收CO2和光能,產生蛋白質、碳水化合物、脂類以及豐富的生物活性物質,如維生素、細胞色素(類胡蘿卜素)等[1]。微藻含有大量高營養價值和醫藥價值的碳水化合物,如小球藻(Chlorellavulgaris)中含有能夠降低血液中膽固醇水平且具有抗氧化特性的β-1-3-葡聚糖[4]。另外,根據微藻菌株種類和培養條件的不同,微藻可以產生高達干質量50%(質量分數)的二十碳五烯酸(EPA)、α-亞麻酸(ALA)、花生四烯酸(ARA)、二十二碳六烯酸(DHA)和亞油酸(LA)等多種多不飽和脂肪酸的脂類[5]。

此外,微藻中含有硫胺素(B1)、維生素C(抗壞血酸)、維生素E(生育酚)等多種動物生長發育所必需的維生素以及200多種類胡蘿卜素和多種礦物質(如鈉、鉀、鈣、鎂、鐵和鋅等)。其中,多種類胡蘿卜素中,β-胡蘿卜素和蝦青素是商業化生產中應用最多的[6]。研究結果表明,杜氏鹽藻(Dunaliellasalina)在高鹽、低氮和高光照度等極端條件下,可產生高達干物質質量14%的β-胡蘿卜素[7],雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)在高壓條件下可產生高達干物質質量4%～5%的蝦青素,蝦青素包括游離、單酯和雙酯等多種形式[8]。并且微藻中自身合成的維生素以及積累的天然形式的類胡蘿卜素和礦物質,比人工合成的更容易被動物吸收。

微藻因其蛋白質的必需氨基酸組成與大豆等優質植物蛋白質的必需氨基酸組成非常相似[9],是一種具有廣闊應用前景的蛋白質飼料替代品。同時,其所含營養物質不僅能為動物提供豐富的營養,而且還可以提高動物的自身免疫及抗氧化能力,在養殖生產中可以減少抗生素的使用,最終增加經濟效益[10]。

1.2 微藻調控動物機體生理功能的作用機制

如圖1所示,微藻中生物活性成分能夠有效抑制脂多糖(LPS)誘導的誘導型一氧化氮合酶(iNOS)和環氧化酶-2(COX-2)蛋白表達,并抑制炎癥及腫瘤壞死因子,通過調節絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子κB(Nuclear transcription factor-κB ,NF-κB)信號通路改善胃腸道屏障功能,提高機體抗氧化能力。同時,微藻中生物活性成分可以促進乳桿菌及雙歧桿菌等有益菌的生長,抑制大腸桿菌等有害菌的增殖,調節胃腸道菌群。微藻還可以顯著提高肝臟超氧化物歧化酶、谷胱甘肽水平,降低丙二醛、谷丙轉氨酶水平,以減輕巨噬細胞的損傷程度,提高機體肝臟抗氧化功能[11]。微藻中含有的多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA)通過胃腸道消化后進入血液,最后通過主動、被動運輸方式進入肌肉或乳腺細胞,沉積到肉、蛋、奶等畜禽產品中,有助于改善畜禽產品品質,提升商品價值[12]。

2 微藻作為動物飼料的應用效果

微藻中富含不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素和必需氨基酸等多種營養物質,可用作飼料添加劑[13]。研究結果表明,微藻作為飼料添加劑具有改善畜禽肉品質、提升蛋品質、提高牛奶品質和產量,通過抗病毒和抗菌作用提高免疫能力,豐富益生菌的定殖改善腸道功能以及提高飼料轉化率等多種作用[14-15]。而且,ω-3脂肪酸(ω-3 FAs)是一種必需脂肪酸,人體和畜禽都無法自身合成,必須通過飲食來獲取。同時,包括ALA、EPA和DHA在內的多種多不飽和脂肪酸的益處已得到充分證明,富含ω-3多不飽和脂肪酸的食物具有抗癌、抗氧化和抗病毒等功能[16],有益于身體健康,且具有很高的商業價值。

可使用光生物反應器和開放池塘大規模生產微藻,加工后可作為雞、豬、羊等多種動物的飼料。微藻的培養及生產過程符合環境友好、可持續發展理念。

2.1 微藻對家禽生產性能、禽產品品質的影響

飲食中關于多不飽和脂肪酸(PUFA)作用的研究較多,微藻中ω-3脂肪酸的含量較高,可作為飼料以提高畜禽產品的營養價值,目前已有富含PUFA雞蛋生產[17]。研究結果表明,將富含二十碳五烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳六烯酸的長鏈ω-3脂肪酸的微藻添加到蛋雞日糧中,會使得這些ω-3脂肪酸在蛋黃中富集,且對雞蛋的品質以及蛋雞的生產性能沒有不良影響[18]。因此,與飼喂常規飼料的蛋雞生產的雞蛋相比,飼喂富含ω-3脂肪酸的混合藻類飼料蛋雞的雞蛋中含有更多有益的脂肪酸。

↑表示上調,↓表示下調;PUFA:多不飽和脂肪酸;iNOS:誘導型一氧化氮合成酶;COX-2:環氧化酶-2;NF-κB:核轉錄因子;MAPK:絲裂原活化蛋白激酶。圖1 微藻調控動物機體功能的作用機制[9-10]Fig.1 The mechanism of microalgae regulating animal body functions

有研究結果表明,飼料中添加極少量的微藻就可以顯著改變雞蛋中ω-3 FA的含量。Herber等[19]以及Moran等[20]發現,母雞飼喂含2.4%藻類的混合飼料,從微藻到雞蛋的DHA轉化效率為42.6%,與對照組的雞蛋相比,飼喂藻類飼料的雞蛋中DHA含量增加了6倍;同樣,蛋雞的日糧中添加4.8%微藻,每枚雞蛋富含196 mg的DHA。而含有高含量EPA和微量DHA的微藻原料(如微綠球藻)傾向于產生EPA含量低而DHA含量高的雞蛋,這可能與EPA到DHA的脂肪酸鏈延長有關,或者DHA比EPA更有利于生物轉化。富含ω-3 FA的微藻飼料可使蛋黃中膽固醇水平以及ω-6 FA含量與ω-3 FA含量的比例降低,且對禽類的機體健康和生產性能沒有不良影響[17]。

人工合成類胡蘿卜素(如加麗素)和天然類胡蘿卜素都可以顯著增加雞蛋質量并提高飼料轉化率。研究發現,在飼料中添加小球藻,其天然存在的葉黃素可以有效地吸收,并明顯增加蛋黃脂質的氧化穩定性[21]。Fredriksson等[22]在母雞的飼料中添加20%微綠球藻,試驗28 d后發現每枚雞蛋中的葉黃素和玉米黃質含量提高到1.3 mg。雖然富含類胡蘿卜素的飼料可以改善蛋殼厚度等物理性質,但飼料中類胡蘿卜素含量過高會導致蛋黃呈現深橙色至紅色[6,23]。

就禽肉而言,研究結果表明,在家禽飼料中添加微藻,對肉雞的生長性能沒有任何影響,但會導致肌肉、皮膚、脂肪和肝臟變黃,而且顏色會隨微藻添加量的增加而加深,而人們普遍認為顏色深的雞肉品質更好,所以這也增加了雞肉的商品價值[14,24]。Kang等[25]用新鮮的液態海藻(1%)補充家禽飼料,結果表明可以增加肉雞質量,增加產肉量,提升肉品質。另外,用生物燃料生產中獲得的脫脂小球藻和節旋藻作為飼料飼喂家禽,同樣會對肉質產生積極影響[26]。

2.2 微藻對反芻動物生產性能、畜產品品質的影響

反芻動物日糧以富含亞油酸和α-亞麻酸的谷物或草料為基礎,但如果飼料原料未受保護(即未包被),則大部分的多不飽和脂肪酸在瘤胃中就會被生物氫化[27]。反芻動物日糧中的不飽和脂肪酸在瘤胃內經氫化作用,會轉變為飽和脂肪酸,再進入小腸后被消化吸收。另外,瘤胃發酵所產生的大量揮發性脂肪酸(VFA)經微生物吸收合成產生的高級脂肪酸也多屬于飽和性質。大約70%～95%的LA和85%～100%的ALA在離開瘤胃之前會被生物氫化,所以反芻動物的肉中多不飽和脂肪酸含量很低[28-29]。

目前,在畜牧養殖業中采用在飼料中添加魚油、海洋微藻等來提高肉中EPA和DHA等PUFA含量。多項研究結果表明,微藻類添加劑可有效提高動物肉中EPA和DHA的含量。如徐晨晨[30]研究結果表明,使用富含DHA的微藻添加到牦牛的日糧中,可以改善牦牛的肉質,使肉中ALA含量增加1倍,EPA和DHA含量分別增加2倍和3倍。

最近研究結果證明,在奶牛養殖及牛奶生產方面,微藻是與豆粕相媲美的蛋白質飼料[9],因此使用微藻作為奶牛飼料的研究逐漸增加。微藻對奶牛的泌乳性能以及營養物質向牛奶中轉移的影響,在很大程度上取決于奶牛自身的生物合成能力[31]。有研究結果表明,奶牛日糧中添加微藻,可使牛奶中DHA含量增加4倍[32]。此外,蘇峰祥等[33]研究結果表明,奶牛日糧中添加微藻粉可明顯增加乳脂中二十二碳五烯酸、二十二碳六烯酸、花生四烯酸和油酸(C18∶1)的含量。奶牛養殖生產中常在飼料中添加裂壺藻(Schizochytriumsp.)和微綠球藻,以提高牛奶中有益脂肪酸的含量,而且研究發現在哺乳期間喂食富含ω-3 FA的日糧,可減少前列腺素分泌,從而提高動物的生育能力和胚胎存活率[34]。此外,在飼料中添加5%～10%的微藻,可提高動物肉和奶中鐵、碘、鉀和鋅等礦物質含量[35]。

盡管富含ω-3 FA的牛奶中ARA、EPA和DHA含量增加,但不會影響牛奶的氧化穩定性[32]。奶牛在日糧中所攝取的脂肪酸類型和豐富程度對牛奶品質有很大的影響,因此必須防止瘤胃內的生物氫化,建議使用包被的微藻以保護其含有的營養物質,使更多的ω-3 FA被小腸吸收,然后轉移到乳腺。

2.3 微藻作為益生元對畜禽的影響

益生元通過增強免疫系統防止病原體侵入體內,從而增強動物的免疫能力,使動物保持健康狀態。具有益生元特性的最有前景的飼料成分是多糖類及其衍生物(如膳食纖維)[36]。

目前,大量具有益生元效應的微藻被用于飼料行業。如小球藻可產生一種含有鼠李糖(52%)、阿拉伯糖和半乳糖的酸性多糖,該復合物具有免疫刺激特性,可通過抑制有害病原體的增殖調節免疫性能,維持機體健康[37]。同樣,四爿藻的細胞壁也由酸性多糖(82%DW)組成,有利于腸道微生物菌群平衡[38]。研究結果表明杜氏鹽藻產生的細胞外多糖也具有免疫刺激、抗病毒和抗腫瘤的特性[39]。

因此,微藻不僅可以直接提供營養物質來改善動物的健康和生產性能,而且還可以通過改善腸道微生物區系間接地使動物受益,從而提高動物的健康水平。

3 生產微藻類飼料面臨的挑戰

3.1 使用微藻類原料的局限性

目前,尋找營養素和添加劑以提升畜禽產品的抗氧化性來增加其經濟價值是畜禽養殖業及飼料行業需要解決的難題。在豬日糧中添加富含n-3 PUFA的飼料會對豬肉的感官指標、風味以及脂質氧化的速度和程度產生一定影響[40]。Shingfield等[41]發現,畜禽產品中PUFA累積除了會增加氧化風險外,還會影響肉類和牛奶的風味。Lee等[42]發現,肉類中PUFA含量增加,會加劇其脂質氧化并影響風味。此外,有研究結果表明,富含PUFA的牛奶和乳制品更容易氧化,最終可能對牛奶質量產生影響[43]。但可以通過使用抗氧化劑(如生育酚和類胡蘿卜素)來減緩牛奶氧化速度,從而提高牛奶的品質。研究結果表明,可以通過在飼料中添加抗氧化組合劑,例如自由基猝滅劑、螯合劑(如檸檬酸鈉)或還原劑(如異抗壞血酸鈉),最大限度地減緩脂質氧化,增強多不飽和脂肪酸的吸收,使其便于融入肉組織,同時保持肉的顏色,并在儲存期間保持PUFA的含量,以保持或提升肉品質[42]。

飼料中添加微藻可以為動物提供必要的營養物質如PUFA、類胡蘿卜素,可以在豐富產品風味的同時提升保存時間。然而,因不同種類的微藻在代謝成分、蛋白質降解性和細胞壁組成方面存在一定差異,選擇不同種類的微藻用于生產飼料可能對動物的生產性能有不同的影響[44]。并且,微藻的可消化率受細胞壁中纖維含量、不同品種和培養條件下的多糖含量、可與氨基酸反應形成不溶化合物的酚類化合物含量等因素影響[45];同時,確定日糧中添加微藻的劑量范圍也很重要。如Evans等[46]發現,在家禽日糧中添加不同比例(6%～21%)的節旋藻,日糧中微藻含量達到16%時,導致半胱氨酸和賴氨酸的消化率升高,才觀察到對家禽肉質有積極影響,這可能是由于日糧中添加的大部分微藻的消化率低。最近,已有學者對12種微藻進行了生化組成和體外消化率的研究,研究結果表明,蛋白質含量在50%～65%之間的節旋藻和小球藻的消化率最高。富含纖維和脂質的周氏扁藻(Tetraselmis)的消化率最低,可能是由于細胞壁或胞外多糖限制了消化酶的作用[47]。此外,Moheimani等[48]通過體外試驗分析,證明了微藻在研磨、研磨+珠磨、研磨+珠磨+脫脂3種不同的加工處理方式下的消化率相似。

3.2 微藻規模生產的經濟可行性

微藻由于其高生產率可作為生產能源及其他產品的一種可再生資源,而且其可以使用低質量的水塘來養殖,不需要占用耕地。即便如此,微藻的收獲、加工等成本還是比其他常規原料更高。因此,需要優化培養和收獲系統,同時改進微藻的加工方法,提高從微藻中獲取有價值化合物的經濟可行性。

目前,中國市場上微藻每年生產量近5×103t,每1 t的生產成本約為2.5×104美元[49],其中回收成本占總生產成本的20%～30%。由于微藻細胞的大小不一,直徑為3～60 μm,所以收獲具有一定挑戰性[50]。微藻收獲通常使用離心法、過濾法或重力沉降法進行脫水和濃縮,并且每個過程都有不同的能源需求。這些過程之前可能會使用苛性鈉或絮凝劑(例如明礬,氫氧化鎂等)進行沉淀預濃縮,便于隨后的脫水[51]。然而,事實證明,化學絮凝劑會影響藻類的加工(脂質提取),影響最終產品的質量[52]。收獲難點還在于沒有一種收獲方法可以適用于所有類型的微藻,必須根據經驗確定每種藻株的收獲方式,而且還要考慮在應用時的影響因素。

據報道,2021年全球微藻市場銷售額達到了2.8×108美元,預計2028年將達到4.1×108美元[53]。目前中國微藻年產量為1×104t干粉,其中80%為螺旋藻,10%為小球藻,8%為雨生紅球藻,2%為鹽生杜氏藻。這些微藻被加工生產成多種產品,用于制藥、畜禽飼料、水產養殖、人類食品和食品添加(著色物質和抗氧化劑)等多種行業,如小球藻和柵藻等微藻產生的多種天然功能成分(如葉黃素、類胡蘿卜素等)可用作抗氧化劑和著色劑,并且這類微藻中提取并純化的產品的商業價值明顯高于未加工的微藻。微藻中提取純化的葉黃素的全球市場銷售額到2021年達到1.6×108美元[54];2021年類胡蘿卜素的市場銷售額達到7.4×109元,預計2028年將達到9.4×109元[55]。

盡管目前微藻的生產能力與市場需求仍然存在差距,但微藻供應世界市場的潛力非常大。微藻生產成本高的特點使其在飼料行業沒有競爭力,但由于技術發展和不同的政策干預措施(如激勵措施和碳稅),其作為畜禽飼料的使用率會越來越高,生產規模也會逐步擴大。

從可持續發展的角度來看,微藻可以用于工業化飼料生產。微藻可以在不同的系統中培養,生產飼料用微藻最適宜用工業生物反應器和露天池塘[56]。Trivedi等[57]發現,可以用廢水(如來自魚類加工行業的廢水)來培養生產微藻,例如,小球藻可以在未經處理的工業廢水中有效培養且不需要添加營養物質,而且最終生產的微藻產品不含有病原體和毒素,可以作為飼料使用。此外,利用大氣中CO2來培養生產微藻,不僅可以提高微藻的產量,而且有益于環境減碳。由此來看,微藻的生產不僅不會污染環境,還有可能改善環境,符合可持續發展理念。盡管規模化生產微藻有諸多益處,但根據現有的理論知識和生產設施,微藻產品的開發和使用在技術和經濟方面仍然面臨一些困難。

4 展 望

微藻在動物飼料中有巨大應用潛力,其含有氨基酸、多不飽和脂肪酸以及類胡蘿卜素和維生素等多種生物活性物質,作為動物飼料具有可持續性,可提高畜禽產品的品質。盡管微藻類物質被認為是豆粕等蛋白質飼料最合適的替代品,但其作為動物飼料利用仍存在一些困難。在動物體內的消化率和適宜的飼喂劑量是利用微藻作為動物飼料應解決的難題;此外,由于其生產成本高、生產工藝復雜,大規模生產應用微藻飼料具有經濟成本壓力,需要探索更加經濟實惠的微藻原料生產工藝。近年來市場對于微藻飼料的需求不斷增長,因此應優化改進其培養方式,使其生產方式更加經濟高效,從而更加廣泛應用于動物飼料生產。