小球藻的营养价值及其在水产动物饲料中的应用

■ 熊斯微 范 泽 张海涛 王庆奎 王连生* 王世迪，4

(1.天津农学院水产学院，天津市水产生态与养殖重点实验室，天津 300384；2.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江省水生动物病害与免疫重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150070；3.广东恒兴饲料实业股份有限公司，农业农村部华南水产与畜禽饲料重点实验室，广东 湛江 524022；4.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁 大连 116023)

随着科研人员对藻类研究的深入，其营养价值逐渐被人们所重视。在21 世纪初期，我国开始加强对小球藻的研发与应用。小球藻属绿藻门绿藻纲小球藻属，含有多种蛋白质、矿物质和微量元素，具有净化水体和改善水环境的作用，在鱼类饲料方面的应用十分广泛[1]。近年来，我国优质蛋白源缺乏，而鱼粉价格居高不下且资源有限，限制了其在水产饲料中的使用[2]。相关研究表明，豆粕、菜粕、棉粕等大多数植物性蛋白源通常含有抗营养因子[3]、氨基酸组成失调[4]、可口性差[5]、消化率差等不利因素[6]，影响水生动物健康。作为水产养殖大国，我国对水产饲料蛋白源的需求量巨大，而小球藻是具有潜力的饲料蛋白源之一，近年来受到广泛研究。其具有氨基酸组成均衡、多不饱和脂肪酸含量高、适口性好、促进营养物质消化吸收等优势，具有广阔的开发利用前景。鉴于此，文章就小球藻的营养价值及其对水产动物的生长、消化、免疫和体色的影响方面进行了综述，旨在为水产饲料的研发和应用提供参考。

1 小球藻的营养组成

小球藻中含有丰富的生物活性物质、微量元素以及维生素，如蛋白质、多糖、糖蛋白、核苷酸聚肽、不饱和脂肪酸、氨基酸和肽。其主要成分见表1。这些物质可以直接激活机体的免疫反应，提高免疫力。小球藻的细胞壁主要由蛋白质组成，纤维素含量较低，有利于消化吸收并具有良好的诱食效果。

表1 小球藻主要成分(%)[7]

1.1 蛋白质及氨基酸

小球藻的蛋白质含量高达63.6%，接近鱼粉(67.0%)[7]。其分布主要为：细胞壁约占20%，细胞基质约占50%，细胞内外迁移的蛋白约占30%[8]。蛋白质的营养质量取决于其氨基酸组成。小球藻中含有18种氨基酸，营养成分平衡，种类丰富。氨基酸总量为55.95%，其中包括10 种鱼类必需氨基酸，含量为27.93%[9]，高于常用的鱼粉替代源如棉籽蛋白和肉骨粉等，接近优质鱼粉和玉米蛋白粉的含量，具体数据见表2。小球藻必需氨基酸占氨基酸总量的比值(0.42)达到了世界卫生组织和联合国粮农组织提出的标准(0.40)[7]，能够满足动物生长所需。小球藻中亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和缬氨酸的含量与鱼粉相比均有优势，因此可以作为营养强化剂加入复合饲料中，以解决常用鱼粉替代源蛋白质营养价值低的问题。然而，小球藻中蛋氨酸和胱氨酸的含量偏低，为第一限制性氨基酸；苏氨酸含量略低，为第二限制性氨基酸[7]。因此，小球藻在作为饲料添加剂时，需搭配蛋氨酸和胱氨酸含量高的饲料，借助氨基酸的互补作用提高复合饲料的营养价值。

表2 小球藻粉与几种主要蛋白原料氨基酸组成的比较(%)[10]

1.2 脂类

微藻的营养价值与其脂类组成及含量有关[11]，其中小球藻属的脂类含量为14%～22%[12]。这些脂类主要由糖脂、碳氢化合物、磷脂和少量游离脂肪酸组成，由叶绿体合成，并分布在细胞壁和细胞膜上(如叶绿体膜和线粒体膜)。小球藻在特定的生长环境中油脂含量较高，并富含不饱和脂肪酸等多种功能性成分。其中，多不饱和脂肪酸(PUFA)对水产动物的生长至关重要。研究发现，小球藻中饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的含量分别为51.93%、1.60%和46.47%[13]，其中包括棕榈酸（C16∶0）、棕榈烯酸（C16∶1）和油酸（C18∶1）[8]。不同种类的小球藻中不饱和脂肪酸含量不同，其中异养蛋白核小球藻的不饱和脂肪酸占总脂肪酸的比例最高，达到75%[14]。部分动物脂肪源（猪油、家禽脂肪和牛羊油）和植物脂肪源（棕榈油、豆油、玉米油、菜籽油、亚麻籽油等）普遍缺乏n-3多不饱和脂肪酸[11]。而小球藻中n-3系列多不饱和脂肪酸含量丰富，特别是对鱼类生长有益的二十碳五烯酸超过40%[15]，摄入n-3 脂肪酸能够明显降低养殖动物的应激反应和感染慢性疾病的风险。

1.3 碳水化合物

小球藻中碳水化合物的含量为12%～17%，以淀粉、纤维素、单糖和多糖的形式存在[11-12]。淀粉是小球藻中含量最丰富的多糖，由直链淀粉和支链淀粉组成，在代谢过程中发挥重要作用，为细胞提供能量。结构性多糖如纤维素位于小球藻的细胞壁中，能增强细胞的稳定性和抗应激能力[8]。藻类多糖因具有消炎抑菌和抗病毒等生理活性，在水产养殖中备受重视，可以提高鱼体的生长和养殖效益。

1.4 色素

微藻中含有多种天然色素，主要分为:类胡萝卜素、叶绿素和藻胆蛋白。小球藻中的色素包括虾青素、角黄素和叶绿素a、b[11]。虾青素是海洋动物体内重要的类萝卜素之一，主要由小球藻、衣藻(Chlamydomonas nivalis)和雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)产生，具有较强的抗氧化活性。其抗氧化能力分别是维生素E 和β-胡萝卜素的100倍和10 倍[16]，能有效清除自由基，增强机体免疫力，预防癌症。此外，研究表明在饲料中添加适量的虾青素还能够防止低密度脂蛋白氧化[17]。

1.5 维生素与矿物质

小球藻中的维生素包括β-胡萝卜素(维生素A 的前体)，维生素C、E、K、B1、B2、B6、B12、烟酸、泛酸、叶酸、生物素、胆碱、肌醇、对氨基苯甲酸（Para aminobenzoic acid，PABA）[18]。丰富的维生素不仅可以满足水产动物的需求，还能够缓解生长中的应激反应、维持鱼体内激素平衡[19]。此外，小球藻还含有磷、钾、镁、硫、铁、钙、锰、铜、锌、碘和钴等多种矿物盐营养素[18]。天然矿物质更有利于消化吸收，能够调节机体内的渗透压平衡，提升鱼体的活力和品质。

2 小球藻在水产饲料中的应用

小球藻可直接投喂幼体，也能以干粉形式与其他饲料复合使用[20]。它能为鱼类提供蛋白质、脂质、碳水化合物、维生素和矿物质等营养素，或作为抗氧化剂、免疫增强剂和着色剂等功能添加剂，帮助鱼体改善机能，提升抗氧化能力，并减少投喂过程中的饲料消耗，从而提高水产养殖的经济效益。

2.1 小球藻对水产动物生长性能的影响

小球藻中含有丰富的营养成分，在饲料中使用有助于提高养殖鱼类的生长和饲料利用率[21-22]。首先，小球藻可以作为轮虫(Rotifera)、卤虫(Artemia)的天然饵料。研究发现，轮虫在摄食小球藻后，其体内二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）的含量增加，再将其作为鱼、虾、贝类等饲料，可改善生物的生长发育。杜涛等[23]分别以酵母轮虫和以小球藻粉、螺旋藻粉强化培育5 h 的轮虫为饵料，进行尖吻鲈（Latescalcarifer）、卵形鲳鲹（Trachinotusovatus）和美国红鱼（Sciaenopsocellatus）的人工育苗试验，比较不同方式强化培育的轮虫对仔鱼成活率的影响。结果表明：投喂酵母轮虫仔鱼的成活率为0～4.3%，而投喂小球藻和螺旋藻强化的轮虫仔鱼成活率显著提高，分别为85.3%～97.3%和79.3%～94.3%。

其次，小球藻可作为添加剂用于水产饲料。在基础饲料中添加0.8%～1.2%的小球藻粉，异育银鲫(Carassius auratus gibelio) 的增重率为113.19%～113.22%，特定生长率为1.26%，相比对照组分别提升了20.6%～20.7%和4.5%[24]。张宝龙等[25]用含有小球藻的饲料饲喂黄颡鱼（Pelteobagrus fuluidraco），结果显示，各试验组鱼的平均体质量均高于对照组，最佳添加量3.20%。鱼类生长性能的提高与采食量增加有关，虹鳟（Oncorhynchus mykiss）幼鱼的养殖试验表明，试验组（添加5%小球藻）较对照组的采食量和增重率分别提高了19.3%和17.3%[26]，可能是小球藻中的矿物质、氨基酸、维生素和多不饱和脂肪酸改善了饲料的适口性。Rahimnejad 等[27]配置了4 种等氮日粮，结果表明，饲料补充10%～15%的小球藻粉时，牙鲆（Paralichthys olivaceus）的增重率与特定生长率显著提高。此外，高蛋白的小球藻还可替代部分鱼粉。在斑马鱼（Danio rerio）的研究中，当小球藻粉替代鱼粉的比例为80%时，斑马鱼的体质量显著增加，生长性能显著优于对照组[28]。小球藻中高含量的氨基酸有助于提高饲料利用率。在大口黑鲈（Micropterus salmoides）的饲料中，以15.03%～15.43%的小球藻粉替代31.7%～32.6%的鱼粉时，饲料效率呈线性增长[29]。但当藻类的补充水平超过15%可能会降低部分鱼类的生长率[26]。如尼罗罗非鱼（Oreochromis nilotica）饲料中添加30%的小球藻粉会降低鱼体增重率并出现不良生长反应[30]。使用小球藻粉（47.45%）替代鱼粉（40%）导致大口黑鲈生长迟缓并引发细胞凋亡和肝脏损伤[29]。生长性能明显下降可能是由于微藻的低消化率。研究证实，包括藻类在内的大多数水生植物含有40%或更多的碳水化合物[31]，其中很大一部分由结构性碳水化合物组成，这类化合物具有复杂的结构以及高度稳定性，对动物的消化吸收能力有一定的限制。综上，小球藻中大量的营养素和生物活性成分可改善水产饲料的应用，但饲料中微藻的含量与鱼类的生长性能并不成正比，添加适量的小球藻可对鱼体质量和生理活性产生积极影响。

2.2 小球藻对水产动物肠道消化能力的影响

小球藻中丰富的维生素和矿物质可以调节鱼类肠道菌群，提高消化酶的含量[32]。对半刺厚唇鱼（Acrossocheilius hemispinus）[33]的研究表明，添加5%的小球藻粉能显著提高鱼体的淀粉酶和胰蛋白酶活性。小球藻中大量的游离氨基酸，能够刺激肠道微生物的产生，使体内生成更多的内源性消化酶，如饲料中添加50% 的小球藻粉，使罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）的淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶水平分别提高了28.3%、12.9%和13.1%[34]。刘力源等[35]发现，饲料中添加5%的小球藻粉，处理组淀粉酶活性均高于对照组，降低了皱纹盘鲍（Haliotis discus hannai）稚鲍内脏囊中弧菌和细菌的数量。用小球藻投喂草鱼（Ctenopharyngodon Idella），各添加组脂肪酶和胰蛋白酶活性明显升高，当添加量为0.50%时，淀粉酶活性显著低于对照组[36]。可能是由于此时鱼体吸收蛋白质和脂质作为营养来源，而非碳水化合物提供能量。添加小球藻提高了虹鳟近端肠道的绒毛高度和肌肉层厚度，改善了肠道的屏障完整性，并增加乳酸菌、减少不动杆菌的数量，使肠道微生物群更加健康[37]。此外，小球藻坚硬的细胞壁可能会限制消化酶对细胞内成分的获取，从而阻碍了细胞膜内营养物质的消化吸收，因此小球藻需经过破壁粉碎工艺增加吸收利用率。综上，小球藻作为一种营养丰富且具有改善消化能力的蛋白源，对酶的分泌、鱼类消化系统的发育及生理性能起着重要作用

2.3 小球藻对水产动物免疫能力的影响

水生动物体内有益的肠道菌群与小球藻细胞壁作为一种共生菌相互作用，可以促进肠道产生有机酸[38]。已证实有机酸能改善胃功能，提高矿物质的溶解度。这使小球藻具有较强的抗氧化能力，能够清除自由基，改善机体活性。超氧化物歧化酶(SOD)和溶菌酶(LZM)在机体防御系统中发挥重要作用，可以保护细胞和组织免受氧化应激[39]。在异育银鲫的实验中，SOD、过氧化物酶(POD)和LZM 等随小球藻粉添加量的增多而升高，且鱼体血液中的免疫球蛋白含量也随之提高[24]，表明小球藻含有调节鱼类免疫反应的生物活性物质。Safari 等[38]观察到小球藻能增加克氏原螯虾（Procambarus clarkia）的酚氧化酶（PO）活性和免疫反应，激活多种细胞的防御反应，并能促进其对生物胁迫的抵抗力。鱼体白细胞在免疫反应中起重要作用，淋巴细胞是虹鳟中最常见的白细胞，在饲料中添加小球藻粉，观察到其白细胞数量的增加，可以促进虹鳟细胞的抗感染能力[40]。Galal 等[41]发现小球藻粉的添加显著上调了尼罗罗非鱼肝脏、脾脏的肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白细胞介素1β（IL-1β）等免疫反应基因表达。微藻中分离出来的β-1、3-葡萄糖，是一种有效的免疫刺激剂，可以降低血脂，增加罗氏沼虾的总血细胞数和对嗜水气单胞菌的抗性[31]。而在牙鲆幼鱼饲料中添加2%～4%的小球藻粉对白细胞水平无显著影响[20]。同样，0.5%的小球藻粉对许氏平鮋（Sebastes schlegelii）的血液参数无有利改善[42]。需要指出的是，小球藻粉添加水平过高时会抑制水产动物的免疫机能。Xi 等[29]发现小球藻粉过量替代（75%）鱼粉使大口黑鲈肝脏caspase-9 和caspase-3 的相对表达量显著上调，推测可能是小球藻内高膳食物质（35.6%～47.45%）增加了碳水化合物的含量，从而引起葡萄糖不耐受，导致鱼类肝脏损伤。

肠道及肝脏结构受损会影响相关功能的发挥，不利于营养物质的消化吸收。摄食含3.3%的小球藻饲料后，尼罗罗非鱼的肝细胞形态正常，松散，且胞浆空泡化，未见明显变性及炎性细胞浸润，表明小球藻的添加不影响鱼体的消化吸收[43]。

微藻具有强大的抗氧化性能，可能与以下几方面有关：小球藻中的酚类和类胡萝卜素能够减少氧化应激并抵抗细菌感染，增强脊椎动物抵抗不良环境的能力[44]；小球藻可为水生动物提供n-3 不饱和脂肪酸，调节水生动物的脂肪代谢，提高免疫力[19]；此外，小球藻细胞壁上具有高度保守的分子结构如多糖，可直接激活机体识别受体，加强鱼类免疫应答，从而提高机体免疫能力[11]。

2.4 小球藻对水产动物体色的影响

体色反映水产品的质量，鱼体体色变灰会影响水产养殖的经济价值。类胡萝卜素是改善鱼体色素的补充剂，能帮助肌肉增色，提高鱼肉品质，鱼类无法自身合成，只能从饲料中摄取[32，45]。小球藻是常用的改善体色的微藻，类胡萝卜素的浓度高达0.4%（干重），其中80%是潜在的红色诱导色素（角黄素和虾青素，游离和成酯形式）[46]。摄食小球藻后，大口黑鲈肝脏和背肌中的叶绿素含量成正比增长，并增加了背体、腹体和背肌的黄度值（b*）[29]。另有研究表明，在不影响肌肉纤维发育的情况下，小球藻增强了大口黑鲈的皮肤亮度（L*），改善了肌肉品质[47]。

3 小球藻作为水产饲料原料的应用前景

小球藻不仅能作为饲料原料和添加剂，还可以调控水质，对重金属有极强的耐受性和吸附率，能在较短的时间内达到吸附平衡[48-49]；天然的抗菌成分还能杀灭病原菌，抑制细菌繁殖，增强疾病防控，是优质的水产饲料原料，对水产养殖业有良好的促进作用。

3.1 自身安全性及营养价值

小球藻属无毒级物质，对细胞无诱变作用，其中含有的铅、砷、汞、大肠杆菌和沙门氏菌符合CB 13078—2017《饲料卫生标准》，组织学和血清分析均未发现引起心脏、肾脏或肝脏毒性[50]。小球藻培养不占用耕地且生长速度快，是一种高蛋白、低脂、低糖的藻类，不仅能改善水产动物的健康水平，还可以提供色素、抗氧化剂、维生素和生长因子等大量营养素和生物活性成分，对提高动物的免疫力具有重要意义。

3.2 面临的问题及应对措施

大规模使用藻类生物质作为饲料补充剂的先决条件是廉价的生产成本。而小球藻面临生产成本高、工业化生产工艺不够成熟的问题。藻类的最佳生长需要提供二氧化碳作为光合作用的碳源，但大多数市售的CO2产量少、价格高昂，占总养殖成本的60%[32]。其次，生产过程中脱水和干燥环节耗能较高，大多数技术处于试验阶段，未能形成产业化规模化发展。在后续开发中应通过生产设备的创新，加强小球藻在工艺环节上的突破，减少生产耗能，并充分利用我国南方阳光充足的优势条件，通过提高单位面积产量来降低成本。

虽已有研究表明小球藻能够改善动物的生长性能，但针对其作用机制的研究较少，大多专注于应用效果，且饲喂量并非越多越好。小球藻细胞壁过厚会导致鱼体对营养物质利用不足，降低蛋白质消化率，较高的核酸含量（4%～6%）会引起痛风等不利影响[9]。过量补充小球藻还会导致饲料碳水化合物偏高，引起葡萄糖不耐受、代谢异常等[29]。不同鱼体、不同发育阶段的适宜添加水平研究欠缺，在肉食性鱼类饲料中加入高水平的小球藻仍具有挑战性。因此需深入挖掘小球藻的脂肪酸、蛋白质等合成和代谢途径，确定小球藻在不同水产动物饲料中的最适添加量，探究其在水生动物健康中的广泛作用和未开发的功能。