近年魚粉價格的高漲和魚粉產量的降低，開發魚粉替代蛋白源已迫在眉睫。基于植物蛋白源為主的魚粉替代實驗進一步凸顯了牛磺酸對魚類生長不可或缺的作用

□文/山東省海水養殖研究所 于道德 鄭永允 官曙光 劉洪軍 中國科學院海岸帶研究院帶 趙建民
前言
    牛磺酸(Taurine)，又稱牛膽酸、牛膽堿，是一種非蛋白氨基酸，無遺傳密碼子編碼，不參與蛋白質和酶類的組成，因首次于牛膽汁中分離而得名(Huxtable, 1992)。從系統發生學的角度來看，牛磺酸系較古老的化合物，以不連續的方式存在于生物圈內，植物中僅藻類能夠合成牛磺酸，而動物界中牛磺酸含量豐富，尤以昆蟲、節肢動物更為豐富(Huxtable, 1992)。
    對位于食物鏈較高層次的脊椎動物而言，一般可通過食物獲取足量的牛磺酸來滿足自身的生理代謝需求，較少出現牛磺酸匱乏的病理現象。因此，牛磺酸一度被認為是機體內含硫氨基酸的無功能終末代謝產物。然而，貓科動物攝食牛磺酸缺乏的食物能夠導致視網膜變性、心肌炎等病理學變化(Pion et al., 1987, Hayes and Trautwein, 1989)。分析表明，上述病理現象的產生是由于貓科動物缺乏合成牛磺酸的關鍵酶—半胱次磺酸脫羧酶（cysteine sulfinate decarboxylase, CSD）所致(Knopf et al., 1978, Sturman et al., 1986)。由此，牛磺酸生理功能的相關研究受到了廣泛關注。
    除貓科、狐貍等少數動物不能合成牛磺酸，完全依賴食物供給外，大多數脊椎動物的成體均可通過蛋氨酸、胱氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸的代謝過程合成少量的牛磺酸。在動物幼體時期，由于合成能力不足或特定情況下（如人類的腸道疾病狀態），可引起體內牛磺酸的匱乏。因此，牛磺酸又被稱為條件性必需氨基酸(Cho et al., 2006)。近年來的研究發現，牛磺酸參與了機體的滲透壓調節，并能減少氧自由基的產生，通過發揮解毒和抗氧化作用保護細胞膜。此外，牛磺酸也參與了鈣離子結合與轉運、神經遞質釋放(Pasantes-Morales et al.,1998)以及信號轉導調控等生理生化過程(Huxtable, 1992, Sturman, 1988, Bouckenooghe et al., 2006)。
    對魚類而言，攝食適量的牛磺酸不僅能夠提高魚類的生長率、食物轉化效率、刺激魚類攝食，并具有預防綠肝綜合癥（一般由于植物蛋白引起）等營養性疾病的功能。本綜述主要圍繞牛磺酸在魚類中生理功能的研究進展，重點探討牛磺酸在魚類生長、繁殖等過程中的營養調控作用，以期推動魚類牛磺酸營養作用的相關研究，并為富含牛磺酸動物蛋白的應用提供理論基礎。
一、魚類牛磺酸的分布與合成
    牛磺酸在動物體內的分布與存在形式決定了其生物學功能。魚類體內牛磺酸的分布與其它脊椎動物類似，即以游離形式大量存在于各組織和器官中，尤以肝臟、心臟和大腦等可興奮組織和器官的含量較高。
    對大多數脊椎動物來說，牛磺酸通常是在肝臟中合成，然后通過血液循環運輸到其它組織中，發揮相應的生物學功能(Tappaz, 2004)。魚類合成牛磺酸的能力因種而異(Goto et al., 2001a, Yokoyama et al., 2001, Goto et al., 2003, Goto et al., 2001c, Kim et al., 2003)，主要受其合成限制酶CSD活性的影響(Yokoyama et al., 2001, Takeuchi et al., 2001, De La and Stipanuk, 1985)。研究發現，虹鱒（Oncorhynchus mykiss）、大西洋鮭魚（Salmo salar）等魚類的CSD活性較高(Walton et al., 1982, Yokoyama and Nakazoe, 1992, Cowey et al., 1992, Yokoyama et al., 1997)，真鯛（Pagrus major）、牙鲆（Paralichthys olivaceus）、鯉魚（Cyprinus carpio）等CSD的活性較低，而在五條鰤（Seriola quinqueradiata）、細鱗鲆（Pleuronichthys cornutus）、鰈魚（Helicolenus hilgedo）、金槍魚（Thunnus thynnus）等肉食性魚類體內檢測不到該酶的活性(Huxtable, 1992)。
二、牛磺酸與魚類繁殖
    關于牛磺酸對動物繁殖和早期發育的研究主要是基于貓科動物的實驗結果。研究發現，攝食牛磺酸完全缺乏或含量很低的食物(0.01%)可顯著影響雌貓的繁殖性能，主要表現為死胎、流產、夭折以及新生貓的發育畸形，如視網膜降解、大腦發育緩慢、腦積水等癥狀(Chesney et al., 1998, Sturman, 1993)。此外，在多種雌性動物生殖道液體中，發現含有高水平的牛磺酸和亞牛磺酸等抗氧化物質(Leese et al., 1979, Guerin et al.,2001)。在動物體外受精實驗中，進一步證實了牛磺酸等抗氧化物質主要通過抵消胚胎發育過程中的氧化作用，從而克服“發育阻滯”現象的出現(Devreker et al., 1999, Guerin et al., 2001)。上述結果表明，牛磺酸對于維持雌雄動物配子的正常功能以及繁殖過程的順利進行均具有重要的作用。
    關于牛磺酸對魚類繁殖和早期發育的研究并不多，主要是因為一般的親魚餌料組成中并不缺乏牛磺酸（一般以鮮雜魚為主，很少使用配合餌料）。Matsunari等在五條鰤中率先開展了牛磺酸的親魚營養實驗，發現1%牛磺酸添加組的親魚繁殖成功率和繁殖力顯著提高，其卵子的直徑、上浮率、受精率等重要參數均高于對照組和0.5%添加組(Matsunari et al., 2006)，表明牛磺酸對于魚類繁殖具有重要的核心調控作用。但關于牛磺酸對魚類繁殖過程的調控機制（是否與高度不飽和脂肪酸EPA、DHA &ARA等類似，是否存在母體遺傳效應以及對仔稚幼魚后續的生長發育等過程的影響）亟需進一步的研究。
三、牛磺酸對魚類早期發育影響
    在大菱鲆仔魚從開口到變態的發育過程中，Conceincao等發現投喂浮游動物或鹵蟲對仔魚氨基酸池、蛋白質轉化率等有顯著影響。值得關注的是，無論其它氨基酸如何變化，牛磺酸始終處于較高水平，并且仔魚的生長性能與牛磺酸的含量呈現正相關性，證實了牛磺酸與其它含硫氨基酸在魚類早期發育過程中的重要性(Conceincao, 1997)。最近，類似的實驗結果在杜氏鰤（seriola dumerili）中進一步得到驗證，表明牛磺酸與多不飽和脂肪酸、磷脂等在魚類早期發育過程中具有同等重要的作用(Yamamoto et al., 2008)。
    在多種魚類中，通過牛磺酸強化輪蟲的方式投喂仔魚也產生了積極的效果。例如，投喂牛磺酸強化的輪蟲能夠提高真鯛和牙鲆仔魚的生長性能（具體見表1）(Chen, 2004, Chen, 2005)。此外，牛磺酸能夠促進仔魚腸道的發育(Salze et al., 2008)，在這一點上具有類似核酸的營養作用(Li and Gatlin III, 2006)，對于仔魚快速度過危險期、改善腸道都起到了積極的作用，但能否像核酸那樣具有改善仔魚腸道菌群組成的作用尚有待于進一步的研究。
四、對魚類生長的影響
    眾所周知，牛磺酸并不參與蛋白質的生物合成，僅僅是含硫氨基酸的代謝終產物，其生長促進作用可能與維持機體滲透壓平衡和穩定等作用密切相關(Kim et al., 2003)。通過分析牙鲆幼魚天然餌料糠蝦的化學組成發現，糠蝦體內牛磺酸含量高達29mg/g(Park et al., 1997)；以糠蝦為餌料可顯著提高牙鲆的食物轉化率和生長率，其生長率高出魚糜投喂組約2倍(Park et al., 2000)，證實了牛磺酸對魚類生長具有重要的促進作用(Seikai et al., 1997)。此后，一系列有關牛磺酸營養作用的試驗在牙鲆中開展起來，證實了餌料中添加牛磺酸能夠促進牙鲆幼魚生長并提高體內牛磺酸的含量(Park et al., 2001)，并初步推測牙鲆幼魚餌料中牛磺酸的最適添加量為1.4%(Park et al., 2002)。
    近年來，受限于魚粉價格的高漲和魚粉產量的降低，開發魚粉的替代蛋白源已迫在眉睫。其中，基于植物蛋白源為主的魚粉替代實驗進一步凸顯了牛磺酸對魚類生長不可或缺的作用。與魚粉和動物蛋白相比，植物蛋白源在營養上存在很多缺陷。首先，植物源蛋白含有大量的生長抑制因子(Francis et al., 2001)；其次，植物源蛋白缺乏魚類的某些必需營養素，如豆粕缺乏蛋氨酸、玉米麩質缺乏賴氨酸，最為重要的是，幾乎所有植物源蛋白都缺乏牛磺酸(Yamamoto et al., 2000)。研究證實，長期攝食缺乏牛磺酸的植物蛋白源餌料能夠導致魚體生長緩慢，并可產生綠色肝臟綜合癥和溶血性貧血等病理現象(Watanabe et al., 1998, Goto et al., 2001b, Maita et al., 1997, Takagi et al., 2005)，而上述病理現象可通過外源添加牛磺酸得以改善(Takagi et al., 2006b, Takagi et al., 2006a, Takagi et al., 2005)。進一步的研究發現，在歐洲鱸(Martinez et al., 2004)、五條鰤(Matsunari et al., 2005)、虹鱒 (Gaylord et al., 2006)和軍曹魚(Lunger et al., 2007)中添加適量牛磺酸可以抵消植物蛋白源產生的生長抑制作用。關于近年來魚類牛磺酸營養研究的總結請參見表1。

    由此可見，開發和利用新型的非魚粉動物蛋白，利用其高含量的牛磺酸等營養物質來彌補植物蛋白源的不足，就顯得更為重要。分析發現，肉骨粉等動物蛋白源中牛磺酸含量較高；其中，寵物級雞肉粉(Pet food grade poultry byproduct meal，PBP)和餌料級雞肉粉(Feed grade poultry byproduct meal，PBF)的牛磺酸含量分別達到44463ppm和2118ppm，與魚粉主要成分中牛磺酸的含量相比并不遜色（鳳尾魚粉Anchovy fishmeal：5046ppm；魷魚肝粉Squid liver meal：5381ppm；魚肉蛋白水解物Fish hydrolysate：7147ppm）。近年來開展的蛋白源替代魚粉實驗也相繼表明，動物蛋白源在促進魚類生長發育、抗逆等性狀方面具有植物蛋白源不可比擬的優勢，已成為魚粉替代的最佳選擇。
五、對魚類攝食作用的影響
    牛磺酸的促攝食作用與其促生長作用密切相關(Shamushaki et al., 2007)。低分子量、含氮、兩性離子等特征都為牛磺酸作為促攝食劑奠定了良好的物質基礎(Carr, 1982)。早在上世紀80年代，牛磺酸已被證實能刺激北極嘉魚（Salvelinus alpinus）、虹鱒等魚類的嗅覺系統(Hara, 1984, Doving et al., 1980)。在膽鹽誘導魚類行為模式的研究中，也發現低含量的牛磺酸（10-12M）就能改變鰻鱺（Anguilla anguilla）的洄游行為(Sola and Tosi,1993)，不僅證明牛磺酸具有信息素作用，也表明某些魚類嗅覺系統對于膽鹽（牛磺酸）具有高度敏感性(Zhang and Hara,2009)。關于牛磺酸的誘食作用推測與其典型的β-氨基酸結構密切相關(Fuzessery et al., 1978)，具體機制尚有待進一步驗證。
    牛磺酸的促攝食作用還體現在影響魚類的攝食行為方面。研究發現，牙鲆攝食富含牛磺酸餌料時，表現出的攝食行為更接近于野生狀態(Park et al., 2000, Takeuchi et al., 2001)。這種攝食行為模式的變化對于其在野生狀態下逃避敵害具有重要的意義，表明牛磺酸在維持特定魚類基本攝食行為模式方面可能發揮更重要的作用。從該角度來看，牛磺酸對魚類生存的意義要遠遠大于誘食作用。
六、對神經系統保護和營養作用
    牛磺酸在脊椎動物中樞神經系統的高含量預示著其重要作用，除維持細胞膜穩定性、調節滲透壓等非營養因素外，牛磺酸對中樞神經系統的發育和再生過程具有保護和營養作用(Lima et al., 2004)。牛磺酸對中樞神經系統的營養作用主要包括刺激神經元增殖、存活以及促進神經突的生長(Cubillos and Lima, 2006)。研究證明，牛磺酸營養作用的發揮主要是通過增加鈣離子流、調節蛋白質的磷酸化等過程來實現。
    從個體發育的角度來看，視網膜起源于胚胎期的視杯，屬于腦神經系統的一部分。下面以視網膜為模式器官來闡述牛磺酸對神經系統的保護和營養作用。首先，視網膜的功能依賴于高水平的牛磺酸含量(Omura and Yoshimura, 1999, Omura and Inagaki, 2000)，缺乏牛磺酸通常可導致視網膜降解，涉及到光感受器、外節部分等亞顯微結構的變化。研究發現，牛磺酸和鋅元素都可以通過形成復合物的形式插入到視網膜的細胞膜中，從而維持膜的穩定性(Huxtable, 1992)。因此，目前普遍認為牛磺酸與鋅元素間存在協同作用，在維持視網膜形態和功能的正常發揮方面具有不可替代的作用(Militante and Lombardini, 2002, Nusetti et al., 2005, Nusetti et al., 2006)。其次，牛磺酸的分布形式已被證明與金魚視網膜細胞的增殖、分化和成熟相關(Nusetti et al., 2009, Nusetti et al., 2006)；魚類視網膜神經節細胞層終生具有再生和分化能力就是依賴于該層細胞中高水平牛磺酸的分布(Huxtable, 1992)。
七、結語
    目前，魚類牛磺酸營養研究尚處于起步階段，眾多未知機制以及作用方式還亟需廣大科研工作者的共同努力。根據作者有限的水平，對該方向后續開展的研究工作提出幾點建議，僅供參考：
    1. 植物蛋白源替代魚粉過程中病理現象的出現表明牛磺酸對魚類的生長具有不可或缺的的作用，應進一步尋找與牛磺酸缺乏相關的病理現象，并探討牛磺酸的生理作用途徑和機制。此外，鑒于目前魚粉價格的高企及產量的降低，建議盡快開展富含牛磺酸動物蛋白源在魚類飼料中的替代應用研究，必將極大緩解我國優質蛋白源緊缺的現狀。
    2. 目前，關于牛磺酸在親魚培育過程中的調控作用研究幾乎為零。此外，牛磺酸添加量的變化以及是否參與到卵黃蛋白沉積過程尚不清楚，是否存在母體遺傳效應等也需進一步研究和闡述。
    3. 進一步探討親魚經牛磺酸強化后對仔、稚、幼魚發育過程的影響、牛磺酸營養強化開口餌料的功效以及苗種培育過程中的死亡高峰是否與牛磺酸營養相關。
    4. 牛磺酸作為不參與代謝過程、不組成蛋白的小分子物質，其生長促進作用的內在機制尚不明確，類似的化合物是否也具有促生長作用？該項研究內容的闡明將為促進魚類生長以及新型誘食劑的開發提供新思路。