微藻在水产养殖和新型饲料开发中的应用(图)
首页
阅读:
admin
2019-08-06 04:34

  : 微藻中富含蛋白、脂肪、多糖、维生素、抗氧化物质、色素、微量元素等,营养价值可与肉蛋奶类食品相媲美。随着健康养殖的理念在水产养殖中日益受到重视,微藻在不久的将来必将产生巨大的应用市场。微藻(Microalgae) ...

  微藻中富含蛋白、脂肪、多糖、维生素、抗氧化物质、色素、微量元素等,营养价值可与肉蛋奶类食品相媲美。随着健康养殖的理念在水产养殖中日益受到重视,微藻在不久的将来必将产生巨大的应用市场。

  微藻(Microalgae)是一群体型微小(2-30微米)、能进行光合作用的低等植物总称,包括真核和原核两个大类。以微藻的亚细胞结构、色素组成和生殖方式等特征为依据的经典分类法,将微藻分为蓝藻门(蓝细菌)、绿藻门、红藻门、金藻门、硅藻门等多个门类。目前全世界已发现的微藻种类超过6万种,有记载的超过6千种,科学研究中涉及到的约几百种,而应用于生产实践的仅有几十种。微藻富含蛋白、多糖、脂肪(多不饱和脂肪酸)、色素等多种营养成分和生物活性物质,可广泛应用于人类健康食品、水产饵料和动物饲料、水质净化、医药开发等多个传统领域,以及微藻生物燃料新领域,具有重要的经济价值和社会效益。

  微藻作为水产动物苗种的开口饵料和次级饵料生物的营养强化食物,在水产育苗中的地位无可替代,其核心地位表现在:一方面,微藻是贝类、对虾幼体和部分鱼类幼体的直接开口饵料,相当于婴儿母乳;另一方面,微藻也是培养轮虫、卤虫、桡足类和枝角类等水产养殖次级饵料生物所必需的食物,相当于婴儿食品(见图1)。

  常见的饵料微藻约有20多个属、40多种(见图2),包括硅藻、金藻和绿藻种类,主要用于贝类和虾类育苗,以及淡海水浮游动物(轮虫、桡足类等)培养(见表1)。

  微藻的营养成份丰富而且全面,是水产养殖动物苗种的初级食物。对40多种常见饵料微藻的成份含量分析表明:蛋白20-40%、脂肪酸10-20%、碳水化合物5-12%。微藻蛋白质质量较高,尤其是必需氨基酸的含量与鱼粉相当甚至更优,如天冬氨酸和谷氨酸可高达7.1-12.9%,半胱氨酸、蛋氨酸、色氨酸和组氨酸的含量在0.4-3.2%之间,其他氨基酸含量在3.2-13.5%之间。多不饱和脂肪酸(PUFA)是水产动物幼体发育所必需的营养,而微藻是PUFA的原初生产者。

  许多微藻,尤其是硅藻和金藻中,含有丰富的二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)和花生四烯酸(ARA)。例如,角毛藻中EPA含量可达到总脂肪酸含量的20-25%,骨条藻中EPA含量也超过20%;等鞭金藻中DHA的含量可达到总脂肪酸含量的10%以上,巴夫藻中同时含有丰富的EPA(15%)和DHA(10%),微拟球藻和部分硅藻中的的ARA含量最高可达4%。

  微藻中还含有丰富的维生素,如VA、VC、VD2、VD3、VE、VK、VB族(B1、B2、B3、B5、B6、B12)、生物素、β-胡萝卜素和叶酸等,种类齐全且含量丰富,与部分人类食品中的含量和鱼类饲料推荐值相当。微藻中还含有多种结构特殊的微藻甾醇,已经发现并确认的有10多种,如角毛藻中富含岩藻甾醇,骨条藻、海链藻和扁藻中富含菜油甾醇和24-亚甲基胆固醇,红胞藻和球等鞭金藻中富含菜子甾醇,巴夫藻中含有豆甾醇和β-谷甾醇。甾醇是动物细胞膜的重要组成部分,能起到调节动物体内激素水平,抑制胆固醇吸收,促进胆固醇异化等重要生理学作用。

  微藻中丰富而均衡的营养成分(蛋白、脂肪酸、碳水化合物)和各种生物活性物质(PUFA、维生素、甾醇),可满足水产养殖动物在幼苗期的正常生长发育的营养需求。已有众多研究和应用证明,在对虾(日本对虾、凡纳滨对虾、中国对虾、南方滨对虾等)、贝类(牡蛎、扇贝、鲍鱼)、海参等育苗中,合理利用饵料微藻具有提高育苗存活率、保证幼苗正常变态和发育、提高生长速度及体长和体重等各项性状指标、提高免疫力等综合作用。通常使用混合微藻比单一微藻效果更好,例如海参育苗用藻类有角毛藻、红胞藻、巴夫藻、等鞭金藻等,使用密度:1.5-4万细胞/ml;鱼类育苗中的使用品种和剂量见表2。

  除了作为直接开口饵料外,微藻另一个重要功能是用于饲喂轮虫、卤虫、桡足类、枝角类等次级饵料,能够明显强化次级饵料生物体内所含PUFA和各种维生素的含量,进而满足水产动物幼体对优质次级饵料的需求。

  在育苗生产中,微藻营养性是它的直接作用,其间接作用主要体现在对水质、水体透光度以及水体中藻相-菌相等方面的影响。在育苗水体中投放微藻,可利用微藻的光合作用产生氧气,并吸收幼苗排放的二氧化碳和氮、磷元素,控制水体中“CO2-HCO3-”平衡,达到稳定pH的作用。研究证明,多种微藻可以降低育苗水体中的细菌总数,同时能够起到稳定水体中菌相(菌类结构与数量)的作用,使之受有机物浓度和抗生素的影响减小。

  针对水产养殖产业需求,国外已有相应的产品问世,有微藻浓缩液和微藻干粉不同类型,以单藻种或多藻种复配,制成高蛋白型、高PUFA型等产品,分别适用于对虾、贝类育苗,以及轮虫、卤虫营养加富。主要品牌有Aquafauna公司的AlgaMac系列产品,Reed Mariculture公司的RotiGrow、RotiGreen、Instant Algae等系列产品,涉及小球藻、微拟球藻、球等鞭金藻、巴夫藻、海链藻和扁藻等藻种。

  国内绝大部分水产育苗企业,在育苗生产中都是自备微藻养殖设施,自行生产各类饵料用微藻。但是一般育苗场都普遍缺乏相应的专业技术力量,只能利用各自的藻池和天然水体粗放培养,在饵料微藻种质、生产技术和应用方法上都各自为正,导致微藻种质混乱、供应不稳定、营养成分不平衡、饵料效价低、缺乏多品种集约化生产应用技术;同时,受限于微藻高密度养殖、采收技术和浓缩液保藏技术的限制,国内几乎没有统一的、专业化的饵料微藻质量标准和集中供应点。

  由于供应不及时,常与育苗进度脱节,很难满足育苗中对鲜活饵料的供应量和多品种的需求,由此导致育苗成活率低、种苗抗病能力差、育苗成本高,对于后期养成非常不利。因此,建立水产饵料微藻藻种评价技术体系,开发高密度微藻培养技术、保活采收和浓缩技术、浓缩液保藏技术,构建饵料微藻标准化生产技术体系和产品质量标准,并在此基础上建立饵料微藻浓缩液专业供应点成为当务之急。

  我国水产养殖规模世界第一,对饵料微藻的需求量巨大。按法国学者Muller-Feuga的计算,每百万尾海水鱼、双壳贝和对虾育苗所需要的微藻生物量折算干重分别为60、14和0.65公斤。按此方法,以我国2010年这三种水产养殖动物投苗量为依据,就需要微藻16000吨干重,而目前我国商业化微藻的产量尚不足10000吨,商业化水产饵料微藻的产量微乎其微。因此,该市场的前景非常广阔,经济效益和社会效益非常显著。

  养殖水质控制俗称为“养水”,是水产养殖技术中的重要环节,尤其在当前盛行的高密度养殖模式下,水质控制显得尤为重要。

  养殖过程中,通常添加各种调水剂如硝化细菌、光合细菌、乳酸菌、芽孢杆菌等菌剂,用于降解残饵和粪便中的有机物,并将具有毒害作用的氨氮和亚硝氮转化为硝酸氮。各类菌剂的使用可以从一定程度上控制水质,菌类的生长可同化水体中的无机氮,转化成细菌自身成分,同时水体中的浮游动物可摄食菌体,而后被鱼虾摄食,使水体中的氮元素重新进入食物链,降低水体中的总氮浓度。

  然而,各类菌种在水体中的高密度生长受到碳源的限制,目前流行的生物絮团技术需要向水体中大量的补充有机碳源(如蔗糖),通过细菌絮凝成颗粒物质被养殖生物所摄食,起到调控水质的作用,但此技术的应用受到成本因素的限制。光合细菌可以利用二氧化碳进行光合作用,解决碳源缺乏的问题,但光合细菌因光谱需求及厌氧偏好等自身因素,在水体中的繁殖能力有限,且不产生氧气,不足以担此全责。进而,各类细菌的高密度生长是一个耗氧过程,会大幅度降低水体中的溶解氧。

  在所有能进行光合作用的生物中,微藻的光合作用能力最强,生长繁殖速度快,能够形成高密度,在氮、磷元素及光照适宜的条件下,能够在水体中快速的形成种群优势,达到迅速降低水体中氮、磷浓度,增加水体溶解氧的功效;同时,微藻易被浮游动物和滤食性动物摄食,能够起到促进营养物质循环、降低饲料系数、提高养殖动物成活率等作用。因此,微藻不仅仅在养殖水质控制环节中起到不可替代的重要作用(见图3),同时还具有整体性促进养殖效率的作用。

  建立和维持养殖水体中特定微藻种群优势的过程俗称调水色,能够起到净化水质、增加溶解氧、抑制有害微生物、肥水并提供饵料,构建养殖水体生态系统的重要作用,是养殖生产的一个重要环节。此种结合微藻的水产养殖方式在国外称之为绿水(greenwater)养殖方式,相对应的,水体中不含微藻的养殖方式称为清水(clearwater)养殖。常见的有益水色有三类:

  研究和生产实践都证明,“绿水”养殖与“清水”养殖相比,在提高存活率、降低有害菌数量、提高产量、降低饵料系数、增加养殖收益等方面具有明显的优势。如在凡纳滨对虾的养殖实验中发现,“绿水”方式养殖的单尾对虾收获体重比对照“清水”养殖平均高40%以上,饵料系数为1.8,而对照为2.6;在罗非鱼的养殖实验中发现,“绿水”养殖方式能显著的控制水体中有害菌的数量;在军曹鱼稚仔鱼的养殖实验中发现,使用“绿水”方式养殖,存活率比对照提高接近100%。菲律宾East Kalimantan地区11公顷的养殖池中进行对虾和罗非鱼混养的生产性实验中证明,“绿水”方式养殖能使对虾增产20%,罗非鱼增产3.42倍,由此带来的经济效益非常明显。

  在鱼类育苗中“绿水”方式也有明显的优势作用,国外研究证明在大菱鲆、鲻鱼、金头鲷、大西洋大比目鱼、海鲈等鱼类育苗中,采用绿水方式(直接在育苗水体中利用微藻培养的次级饵料,如轮虫)进行育苗,鱼苗的体长、体重、生长速率、成活率等多项指标均明显的高于对照。

  养殖户多在养殖池中利用自然水体中的土著藻种调水色,此种方法的缺陷是,只能被动的利用水体中的土著藻种,无法根据需求进行优化选择;同时,一旦池塘出现“倒藻”现象,再培藻时间较长;而且,当季节变化时,光照和水温发生变化,加之水体氮磷比失调等原因,养殖水体中优势藻种种群也会随之发生变化,极有可能产生有害水色,如蓝藻水色。因此完全有必要经常补加有益藻种,使之在水体中保持优势种群地位,以保证水色稳定。由此可见,调水剂藻种的潜在市场非常大。

  国外已有利用人工培养的微藻直接添加入养殖水体,以维护水色稳定,常用的藻种主要是绿藻和金藻类,如小球藻,扁藻、微绿球藻、塔胞藻、等鞭金藻、巴夫藻等。另外,真眼点藻纲的微拟球藻也是常用的藻种,其产品形式为高密度微藻浓缩液或藻浆/膏。

  国内与微藻调水剂相关的产品主要有两类,一类为培藻剂,成份多为微量元素、氮磷肥、有机肥等;或掺有部分菌剂,用于养殖水体肥水;另一类即为藻种,但此类产品市场规模目前较小,有待开发。值得注意的是,目前市场上已见到假冒产品,或以绿颜色水冒充微藻浓缩液,或声称干藻粉能复活,或声称培藻剂中带有藻种。这些虚假信息欺骗误导养殖户,已经造成经济利益的损害,在生产中需认真鉴别。

  微藻调水剂的市场异常庞大。按我国2010年海水养殖数据计算,池塘模式的养殖面积有413835公顷,仅按每亩0.2公斤(干重)微藻调水剂计算(按每年每亩池塘泼洒两次计算,每次1公斤浓缩藻泥,两次约合干重0.2公斤),需求量在1200吨干重以上;淡水池塘养殖的面积是海水面积的5倍以上,微藻调水剂需求量在6000吨干重以上,而目前此市场的开发度几乎为零。

  双壳贝类通常在自然海域养殖,其滤食习性使得其在生长过程中极易感染、富集环境中的有害物质,如致病菌、(贝类)毒素、重金属、石油烃、农兽药、放射性物质等。“贝类净化”即是指在贝类产品上市之前,采集成体贝类,在净化海水中暂养,达到消灭贝类产品中有害微生物、降低贝类体内富集的毒素、重金属等物质含量,净化后的贝类产品可达到高规格食品标准,甚至可以生吃。

  贝类净化中遇到的一个重要问题是,在净水暂养过程中,由于缺乏饵料,会导致贝类“变瘦”,出肉率下降,直接影响产品品质和价格。如在贝类净化的水体中,添加微藻作为贝类饵料,则可以防止这一情况发生,并且可以添加特定的微藻,使得贝类通过摄食富集EPA、DHA或维生素等生物活性物质,以此达到“保肥”、增质的效果,并提升产品价值,尤其是针对出口产品,此技术应用前景巨大。

  我国贝类产量名列世界第一,主要双壳贝类养殖品种有牡蛎、蚶、贻贝、江珧、扇贝、蛤、蛏等。根据《2011中国渔业统计年鉴》的统计数据,我国2010年以上所列品种总产量有1000多万吨。近年来,因我国贝类养殖海区污染逐年加重,贝类质量问题引发的疾病或中毒事件亦愈来愈频繁;我国出口的贝类产品多次在国外被检出卫生指标超标,遭到退货、索赔甚至销毁,造成了巨大的经济损失和不良影响,尤其是欧盟国家对我国贝类出口自1997年以来一直未放开,贝类产品食品安全问题日益受到重视。

  我国于2002年出版了《贝类净化技术规范》(标准号:SC/T 3013-2002),但贝类净化的产业进程一直发展缓慢。贝类净化的专职工厂也仅有青岛、福州、大连等地少数几家企业,年净化处理量不过十万吨左右,仅占我国贝类产量1%。欧美等诸多国家都要求上市贝类必须强制要求净化,我国虽尚未在此领域有立法规定,但随着国家对食品安全的日益重视,贝类净化终有一天会以立法的形式予以确定执行,微藻在此领域的应用亦将随之得到推广。此应用领域的市场较之育苗和调水剂市场并不逊色,我国每年有千万吨贝类的净化处理需求,即使按1000吨贝类0.5吨微藻的比例计算,也有每年5000吨左右的微藻需求量。

  微藻中富含蛋白、脂肪、多糖、维生素、抗氧化物质、色素、微量元素等,营养价值可与肉蛋奶类食品相媲美,甚至优于这些食品。微藻蛋白中的必需氨基酸含量要明显优于肉类、鱼类、蛋类和大豆。面包酵母和肝脏等食品被认为是最优的维生素补充来源,而微藻中维生素的含量可与之相当,且远远超过大豆、玉米、鱼粉。微藻中还含有20多种微量元素,灰分含量则不到10%。大量的营养及毒理学研究证明,微藻是一种适宜的饲料原料,尤其小球藻、螺旋藻、盐藻和雨生红球藻等藻类产品已经通过美国FDA认证,食用安全性毋庸置疑。美国自上世纪90年代开始,每年即有超过500吨的螺旋藻用于饲料加工生产。

  某些微藻(如螺旋藻、小球藻)的蛋白含量非常高,达到甚至超过70%,某种程度上可以成为鱼粉的替代品。研究证明,小球藻和栅藻作为鱼粉的替代品用于罗非鱼饲喂,发现它们可替代饲料中50%的鱼粉含量,且在此含量下,鱼类的各个生长及生理指标均显著高于对照组。在牙鲆幼鱼饲料中添加2%椭圆小球藻,幼鱼的多项生长指标均优于对照。

  微藻中含有多种类胡萝卜素,如β-胡萝卜素、叶黄素,雨生红球藻中则含有高浓度(1-4.5%)的虾青素,这些色素可作为色素增强剂用于水产饲料,如雨生红球藻积累的虾青素用于鲑鱼肌肉增色早已得到应用。在国内的一些研究中已经证实,螺旋藻和小球藻中含有丰富的β-胡萝卜素、叶黄素等色素物质,能够有效起到增加观赏鱼体色的作用,从而提高观赏鱼的质量和销售价格,国外已有企业将之应用于生产,如德国默斯特-巴斯利尔生物饲料的小球藻素食饲料产品用于观赏鱼饲养,日本日之丸公司(Ebita Breed)和白倉食品(Shirakura)生产的观赏虾类(如水晶虾、玫瑰虾)饲料中即含有小球藻和螺旋藻成分。

  针对食用类水产动物,已有部分饲料企业利用小球藻和螺旋藻生产饲料添加剂:如福州格林生物有限公司已有小球藻饲料添加剂产品问世,可用于大黄鱼、对虾等水产动物的饲喂;美国加州Soley生物技术研究院(Soley Biotechnology Institute)将小球藻、螺旋藻和雨生红球藻制成混合藻粉制剂,作为虾类饲料的添加剂;美国Independence Bio-Products(IBP)公司已将微藻用于猪和鱼类饲料的生产,产品名为Algamaxx?;在小鼠等哺乳动物的实验中更证明微藻具有增加产仔质量的功效。

  1、饲料大宗原料,如豆粕、鱼粉等资源有限,但需求不断上升,价格逐年递增,需寻求原料新来源。微藻的多项优点使之能够成为饲料原料(蛋白源、脂肪酸、维生素等)的新来源。

  2、微藻可以通过培养条件的调节达到其营养成份调节的效果,满足不同饲料对原料成份的不同需求。

  3、研究证明,饲料中添加适量微藻,对水产动物生长具有明显的积极作用,并能起到节约饲料使用量的作用。

  4、微藻可以通过特定的培养,富集各种微量元素,并且将无机微量元素转化为更有利于生物体吸收利用的有机微量元素。

  5、微藻中核酸(包括DNA和RNA)含量较高,达到4-6%。新近的研究表明,水产饲料中添加适量核酸能起到诱食和促进水产动物生长的效果。

  6、许多微藻中含有PUFA,其脂肪酸可以作为水产饲料中鱼油的替代品,同时PUFA对水产养殖动物的生长、发育和品质具有重要的影响作用。

  7、微藻中含有多种抗氧化剂(例如多种类胡萝卜素、维生素)以及一些特殊的植物性化学物质,虽然作用机理尚未彻底阐明,但已经发现对水产动物具有一定的功效。

  8、微藻中所含多糖具有增强免疫效果,如螺旋藻多糖、紫球藻多糖,将之应用于水产饲料,有助于提高养殖动物的抗病能力。

  9、微藻中含有丰富的色素,如虾青素、叶黄素、β-胡萝卜素等,能够起到增加鱼类、虾类的体色和肌肉颜色等作用,可提高产品的市场价值。

  由于微藻的多品种高密度养殖、采收浓缩、活性保藏等技术和成本因素的制约,导致多年来微藻在水产行业的应用一直未受到重视,育苗和养殖生产中更多的倾向于利用人工配方饵料或其他生物饵料。国内外诸多研究证明,微藻,尤其是鲜活微藻产品,在促进水产动物生长和提高存活率等诸多方面的优势是人工饵料无法替代的。近年来,随着发酵、畜牧等工农业废水利用技术、二氧化碳补充技术、絮凝及超滤过滤采收技术、浓缩液保藏技术的发展和应用,微藻产品的生产成本、鲜活性、品质稳定性等诸多条件开始逐渐符合水产动物育苗(饵料)和养殖(调水剂)的生产要求,微藻在水产养殖诸多领域的优势及巨大的市场空间,注定了微藻在不久的将来必将产生巨大的应用市场。

  随着健康养殖的理念在水产养殖中日益受到重视,整个水产养殖业正在逐步从单纯的提高产量获取效益,转变为提高产品质量(安全与健康、口感、色泽、营养成份等)获取效益。因此,微藻在水产养殖产业中的优越性逐渐凸显。虽然目前微藻在水产养殖和水产饲料中的商业化应用还处于起步阶段,其优势几乎是无以伦比的,局限性在于微藻产业规模和生产成本,短期内实现微藻在养殖和饲料中的大规模应用还不现实,但是在育苗、调水剂、观赏鱼和高档鱼类饲料、以及饲料添加剂等领域的应用条件已经成熟。

  我国微藻产业规模世界第一,微藻产量占全世界产量的80%以上,技术成熟、原料充足,完全可以借此优势条件,率先在水产动物育苗、调水剂、观赏鱼饲料、特种水产动物饲料、名贵鱼类饲料、功能性饲料添加剂等领域的商业化产品开发和市场拓展上取得突破,从概念创新起步,通过产品创新,达到效益创优的目的。

  1、中肋骨条藻(Skeletonema costatum);2、海链藻(Thalassiosira sp.);3、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum);4、牟氏角毛藻(Chaetoceros muelleri);5、小新月菱形藻(Nitzschia closterium f.minutissima);6、小环藻(Cyclotella cryptica);7、中鼓藻(Bellerochea sp.);8、球等鞭金藻(Isochrysis galbana);9、陆兹尔巴夫藻(Pavlova lutheri);10、亚心形扁藻(Tetraselmis suecica);11、雨生红球藻(Haematococcus pluvialis);12、衣藻(Chlamydomonas sp.);13、绿球藻(Chlorococcum infusionum);14、筒柱藻(Cylindrotheca closterium);15、红胞藻(Rhodomonas sp.);16、蓝隐藻(Chroomonas sp.);17、四鞭藻(Carteria eugametos);18、辐环藻(Actinocyclus octonarius);19、塔胞藻(Pyramimonas sp.);20、普通小球藻(Chlorella vulgaris);21、眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata);22、钝顶螺旋藻(Spirulina platensis);23、盐生杜氏藻(Dunaliella salina);24、微胞藻(Micromonas sp.);25、微绿球藻(Nannochloris sp.)