《FISH NUTRITION》生物能量学的翻译版本

1、生物能量学Dominique P. Breau, Sadasivam J.Kaushik, and C.Young Cho目录1.1前言1.2营养能量学的研究历史1.3生物系统之间的能量交换1.4能量的利用与需要1.5饲料的可消化能量1.6可消化能量的生物和环境影响因素1.7新陈代谢能、鳃能和尿能1.8影响新陈代谢产物排除的因素1.9热量的产生1.10最小新陈代谢能1.11摄食后的体增热1.12消化和吸收过程（HdE）1.13生长与生产能1.14繁殖1.15生物能量学信息的利用和整合1.16生物能量学的前景和限制性因素1.1前言 食物的分解代谢包括化学能量的利用、合成代谢和酶促反应底物的产生。

2、在动物体内的食物分解代谢的生理机制相当复杂，同时伴随着大量不同的食物分子被体内有限的酶系统分解（Krebbs and Kornberg, 1957）。定量的检测日粮中单一成分的利用是相当复杂的。然而，投食、生长和生产量被用分解代谢和和合成代谢中能量的产生和存储的总和的形式来描述。因此，研究日粮中能量的摄入、支出和储存，这就为动物日粮中营养物质的利用的研究提供了一个相对简单的方法。这种方法被成为生物能量学或营养能量学。 这一章是在对生物能量学或是营养能量学现有知识、方法、应用技术和限制性因素的不完全回顾的基础上，主要关注养殖条件下鱼类的生物能量学。动物体内能量的流动是根据能量划分计划而定的，这种

3、命名法被美国营养研究协会所提出（NRC，1981）（图1.1）。摄入总能（IE）热损失消化能（DE）排泄损失粪能（FE）代谢能（ME）鳃分泌物（ZE）尿（UE）热增耗（HiE）a.代谢废物形成和排泄（HwE）b.物质形成与转换（HrE）c.营养物质消化吸收（HdE）净能（N E）维持热（HEm）a.基础代谢（HeE）b.随意运动（HjE）c.体温调节（HcE）生长能(R E)a.生长b.体脂c.繁殖图1.1NRC（1981）1.2 营养能量学的研究历史 营养能量学的研究历史已超过200年。在1779年，Adair Crawford观察到一个人一分钟所消耗的“燃素”与蜡烛在相同时间内燃烧所消耗的

4、值一样。尽管当时很流行动物热量的产生以燃素的形式来表达，而他还是第一次在提出动物的气体的交换、能量产生和化学反应之间的关系。1783年，Antoine Lavoisier和Pierre Laplace提出了一些独特的实验设计，被看作是生物能量学和现在营养研究的基础。他们的通过冰块的融化来测定腾鼠热量的产生，同时他们也得出热量的产生与许多方式的呼吸作用的气体交换有关。根据以上一系列的研究，Lavoisier形成了其经典理论：生命就是一系列的氧化过程。因此，Lavoisier是第一个认识到动物产热的过程中氧气的真正作用的人。Lavoisier的贡献不仅仅在于说明了呼吸和热量产生之间的关系，也包括了

5、其在动物能量新陈代谢研究等其它方面的研究。同时，他研究了人类的新陈代谢，包括测定人类氧气的消耗和二氧化碳的产生，结果表明伴随食物的消化、肌肉的运动和暴露在冷空气中均会导致氧气消耗的增加。Lavoisier也测定了在休息和消化吸收状态下的最低新陈代谢量，结果表明脉搏的跳动频率与新陈代谢之间存在一定的比例关系。他的结果也表明：在少数的一些动物种类之间，氧气的消耗与其身体的大小之间也存在一定的比例关系。Lavoisier深信热量在肺部产生，并且通过血液传送到身体的各个部分。在1847年，Magnus的研究表明动脉血比静脉血携带有更多的氧气和较少的二氧化碳。1848年，Helmholtz证明了独立的肌

6、肉也可以产生热量。此后，Lavoisier的论断被证明是错误的。 19世纪，在德国的Weende农业实验站工作的营养学家，认识到在食物中对动物提供能量有较大贡献的的三种组成物质是蛋白质、脂肪和碳水化合物。这三种物质的氧化计量方法来自于通过测定从呼吸的交换量、氧气的消耗、二氧化碳的产生过程中以热的形式所释放出来的能量和测定的尿氮的排出量。这种测定方法被称为直接测定法。1894年Rubner使用这种方法的测定结果证实一条狗的热量产生等同于其蛋白质和脂肪氧化产生的能量与尿所消耗的能量之差。因此，Rubner是第一个将这一方法在完整的活体动物上应用的人。 Rubner也是第一个系统分析动物体大小对新陈

7、代谢的影响的人。1883年，他的研究结果表明：不同大小的狗在禁食后，在单位体表面积的新陈代谢的值是一个常量。在1901年，Rubner的学生Voit的研究也表明许多动物禁食后的新陈代谢值与其身体表面积也存在一定的比例关系。1932年，Kleiber、Brody和Proctor的研究同时表明：新陈代谢与体重直接相关，新陈代谢与体重的比例关系大于2/3，约为0.75。Kleiber得出：体重的3/4是预测动物基础新陈代谢的最可靠的基础，同时也是比较不同大小动物营养物质需要的基础。他也提出了关于这个结论的另一个基础，能量的利用效率与动物体的个体大小无关。在1945年，Brody出版了生物能量与生长，

8、1961年Kleiber出版了生命的燃烧。这两本书，讨论了动物能量新陈代谢的许多方面，其影响至今。 Ege和Krogh在1914年将这一原理应用在鱼类方面。Ivlev在1939年将其应用于鲤鱼上。此后就有了许多关于不同种类的鱼的能量利用与消耗的文献报道。在鱼类生物能量学方面也包括了许多的综述：Phillps(1972)、Brett和Groves(1979)、Cho等（1982）Cho和Kaushik(1985)、Tytler和Calow(1985)、Smith(1989)、 Cho和Kaushik(1990)、Kaushik和Medale(1994)、Cho和Bureau(1995)、Meda

9、le和Guillaume(1999)，其中大部分都涉及到水产养殖。1.3 生物系统的能量交换第一个热力学定律即众所周知的能量守恒定律指出：系统的总能量（E）包括其环境的能量总是保持相对恒定的，除非有能量的进入（热或做功）。也就是说，一个完整的系统内的能量在能量的交换过程中既不会丢失也不会获得。然而，在一个系统内，能量会从一部分传到另一部分或是以一种形式转化为另一种形式。在学多的书中涉及到热力学定律在生物系统的应用。建议读者阅读相关的书籍以有助于理解这个定律的深刻含义。 所有的生物组织都必须从其环境中获得自由能来维持其生命过程。非生物系统可以利用热能来起作用，然而生物系统是恒温的，利用化学能来维

10、持其生命过程。自养生物的新陈代谢伴随有许多简单反应，如光合作用和无机化学反应，例如，Fe2+ 转化为Fe3+。异养型生物从环境中有机物质的分解而获得自由能。生物能量学或生物热力学都是研究伴随生物化学反应而引起的能量的变化的一门学科。生命过程如：同化反应、肌肉运动、组织转运，都通过化学反应的关联来获得能量。这一过程的能量通过转运一部分被用于合成反应，一部分被以热的形式散失掉。在一些降解反应中，一部分能量在合成反应中形成其他形式的能量，但不能利用普通的化学放热和吸热反应的能量。放热和吸热被用来表征生命过程中自由能的丢失和获得。事实上纯粹的吸热过程并不能独立的存在，当系统的能量变化是放热时，其是作为

11、放热和吸热系统相耦联的一部分。放热反应时氧化分解的一种形式，而合成反应是新陈代谢的一种形式，合成和分解代谢组成了新陈代谢。在放热的过程中生成的潜在的高能化合物和放热过程所利用的一些化合物相耦联是自由能从吸热反应到放热反应的一种方式。ATP是能将许多的放热反应的能量等价地转移到许多的吸热反应中的能量交换器的的一种。ATP是一种磷酸核苷酸，包含腺嘌啉、核糖和三分子磷酸。在高能磷酸化合物中，ATP含有中间水平的水解自由能，这一特点决定了它在能量的转移中的重要作用。作为水解自由能的中间代谢途径，ATP能利用较低的水解能形成高能磷酸化合物。然而，如果提供相应的酶，ADP能从高能化合物水解的过程中获得能量

12、而形成ATP。事实上，ATP/ADP循环联系着自由能的的释放与利用过程。所以ATP不断被消耗，又不断被重生。然而，由于ATP/ADP循环供能仅能维持活跃组织的几秒钟的运动，所以其循环是有相当必要的。ATP系统以氧化磷酸化的形式将呼吸作用和高能化合物的产生连接起来。氧化磷酸化能使需氧组织较厌氧组织获得更大部分的呼吸作用所产生的自由能。在线粒体中包含有许多的呼吸氧化产能细胞器和许多负责收集和转运还原产物直接参加最后的反应即与氧形成水的呼吸链的催化酶。同时其也是捕获自由能形成高能磷酸化合物的一种机制。线粒体也包含了形成负责还原产物产生（如NADPH）的酶系统，例如：氧化和柠檬酸循环所需的酶系统。柠檬

13、酸循环是许多日粮最终的共同的代谢途径。就如前面所提到的，放热反应和吸热反应不能利用所有的能量，相当大部分能量以热的形式被浪费掉了。例如：1摩尔葡萄糖分子含有2803kj的自由能，当其在燃烧室里燃烧生成CO2和H2O时，2803kj的能量全部以热的形式浪费掉了；而在组织中的氧化作用，大部分的能量不能立即以热的形式而散失，而是被高能磷酸物捕获。在需氧的条件下，葡萄糖分子被完全氧化形成CO2和H2O，1摩尔葡萄糖能形成36分子的高能磷酸化合物。1摩尔葡萄糖氧化产生的能量能被ATP利用的只有1398kj，等同于其燃烧焓的50。其余的部分以热的形式散失掉。反过来说，在放热反应中，由葡萄糖分子的水解产生的

14、ATP的过程中，其中只有一部分的自由能被合成产物所利用，而剩余的则以热的形式所散失。因此，基本上放热反应所释放出来的自由能并不能被同化反应中的物质所利用（蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等），而是被动物机体以热的形式被浪费了。从生物能量学的角度出发一个最重要的方面是：不管其反应过程是直接还是通过许多中间步骤来完成的化学反应所产生的热量是一样的。也就是说动物热量的产生取决于反应物质的特点和其整个的反应过程，而不是整个分解代谢的化学反应的途径。1.4 能量的利用与需求动物日粮中能量的提供、消耗和获得的平衡研究为日粮组成研究提供了一个相对简单的方法。研究动物能量的交换需要把日粮的组成物质以适当的形式表

15、示出来。最经典的理论，动物营养学家通过卡的形式来度量能量的转换。营养学上的卡是用来描述15时的能量（也就是1g水从14.5升高到15.5所需要的能量）。然而，被国际单位协会所采用作为电能、机械能和化学能的单位焦耳，也被许多营养学杂志也用来表示日粮中能量的基本单位。一焦耳被定义学为1kg.m2/s2或是1kg.m2/107erg。15下的1卡等同于4.184J。许多其他的表达方式被运用和首创，用来描述发生在动物体身上的能量交换。历史上的一些术语，如除了包含基本关系而没有其它关系的一直被运用的“食物的特定的动态行为”； “消化行为”有其特定的作用但是也包含一些错误的关系。不同的组织机构试图替代系统

16、的术语来描述动物体中能量的不同部分。这在鱼类生理方面表现得尤突出，表示能量的术语和模型而截然相反。1981年，NBC（美国营养研究所）受委派制定出了描述包括鱼类在内的动物的能量交换的系统术语。这一系统的表示方式如图1.1所示，并且被许多的营养学家所采用。其也被许多的鱼类营养学家所采用，并且在以后的章节将涉及该系统。它的不同组成部分将在以下的内容中被讨论。1.4.1 日粮的总能总能（GE）在营养上通常被用来表示燃烧焓（H）。然而，与焓不同的是GE通常为正。一种物质的总能在一个充满氧气的厚重金属制成的容器中进行燃烧而测定。在这种条件下，就像在体内碳和氢被完全氧化生成CO2和H2O一样。但是，在体内

17、氮不能被转化为其氧化形式。氮的氧化物能和水形成强酸，这是一个放能的过程。这些酸可以通过滴定的方式而进行测定，通过这个值来校正在空气中燃烧和在体内氧化分解的差异。一种原料或是一种混合物的总能主要取决与其化学组成。碳水化合物、蛋白质和脂肪的总能分别为17.2、23.6、39.5kJ/g。矿物质的成分并不是易燃物质所以其没有总能。IE（摄入总能）是用来表示动物摄入的总能。IE（摄入总能）也是食物消耗和总能的一个简单的表示形式。1.4.2 粪能和可消化能 饲料组成物质被作为能量物质之前，需要被消化道消化和吸收。一些饲料的组分不能被消化，它们就将通过消化道作为粪便的组成物质。包含总能的物质的排出涉及到粪

18、能(FE)的丧失。总能和单位质量的粪能之差就是可消化能（DE）。NRC应用DEI来代表摄入的可消化能、摄入日粮的组分和食物的消化能，或者是摄入总能减去粪能的值。食物消化率的不同是影响动物可利用能量来源的主要因素。因此，在日粮的设计中，可消化率和每种日粮成分的可消化率被用来评估设计日粮的可利用能量和营养水平。在鱼类营养上，计算总能和营养成分比计算消化率和营养成分的消化率更为普遍，但是现在许多的普通鱼的日粮能用可消化率和营养物质的可消化性来表示。然而，值得强调的是在日粮组成物质的可消化能率只是作为潜在能量贡献的一个代表。这些值并不可能服务于日粮的能量利用和日粮的生产能力的度量。1.4.3 测定方法

19、度量饲料和日粮成分的消化率首要的任务是收集粪便样本。在养殖条件下，从水中分离粪便组成物质，同时避免未被摄食的日粮的污染，这使得收集粪便的方法与普通的陆生动物和鸟类的方法不同。大量的收集鱼类粪便相当困难。因此，运用收集全粪的直接方法来测定消化率几乎很少在鱼类上运用。消化率的测定必须依赖具有代表性的粪便样本的收集和利用消化指示剂来定量的测定日粮的摄入和粪便的排出。这使得营养物质的消化率可以通过日粮和粪便中的营养物质和指示剂的比值来确定。许多的方法被用来收集鱼类的粪便。许多年以来，这些收集粪便的方式与方法一直是鱼类营养学家讨论和有争议的对象。早些时候运用现在仍在使用的粪便的收集方法包括：剥离后肠的粪

20、便，虹吸法收集和解剖收集。通常认为强制性从直肠收集到的粪便往往包含许多能被鱼类吸收的生理性体液和组织上皮。这往往使得该方法的可靠性降低，造成消化率值偏低。收集鱼类在自然条件下排出的粪便的方法十分有价值。Smith（1971）运用了一种金属性的容器来收集鱼类粪便。这种方法需要对鱼类强制摄食，往往造成鱼类的呕吐，所以并不能形成有效的正氮平衡。这种方法往往增加鱼类的应激，使得消化率的计算值令人怀疑。其他的方式，如：定期的用虹吸法从缸底收集粪便，也往往造成消化率测定的不准确，因为鱼的自身活动造成粪便的分解和营养成分的丢失，使得营养物质的消化率偏高。为解决这些问题，许多特殊的装置被Ogino、Cho和C

21、houbert等人运用来被动的收集鱼类粪便。Ogino等人通过过滤从水池中排出的水来收集粪便（TUF柱）。Cho和Slinger通过特定的筛网来分离排入的水中的粪便（Guelph系统）。Chouber等人运用机械性循环的屏蔽系统通过筛网来过滤出粪便（St.Pee系统）。这些测试方法简单方便被世界上的许多实验室所采用。尽管就其测试的精确有所争议，但只要运用的方法正确，测得的营养物质的消化率能得到大家的认同。在比较TUF柱和Guelph系统的对比实验中，测定两种参考日粮的干物质、蛋白质、脂肪和能量的表观消化率，其结果相近。应该很清楚的看到：现在所采用的测定消化率的方法存在很大的差异。很少进行大量实

22、验性技术的比较和可靠性研究，因此也很难对不同的测试方法的准确性与可靠性作出客观的评论。直接的测定能量、营养物质的沉积和不同的能量散失几乎是唯一的客观的评估不同实验方法的精确性的途径。然而，评估能量和营养物质的消耗需要特定的技术，往往产生主观的错误。运用许多的平常的方式来测量表观消化率的所产生的误差只有在其作为一种标准后才会趋于稳定。这个观点是在研究了摄食不同实际日粮后，鱼的能量和营养物质的沉积效果的基础上得出的。通过许多不同的方式对能量与氮的沉积和可消化能与可消化氮之间的线性回归分析表明，它们之间存在较高的线性关系（R20.96）。这表明消化率的测量在不同方法之间存在一致性。如果研究者应用某一

23、方法来测定消化率，并按照其标准操作，那么他所得出的能量和营养物质的沉积的值就非常有意义。1.4.4 表观与真消化率粪便是由不能被身体消化和吸收的残渣组成。这些残渣包含有粘液细胞、消化酶、粘蛋白和动物体进入消化道的分泌物和消化道的微生物菌群的残渣一起进入消化道。这些物质的燃烧焓代表了非食物来源的能量的丧失。这种能量的丧失是源自新陈代谢粪能（FmM）的特定形式，其主要的影响因素是食物的特性和摄食水平。可以用比表观消化率高的真消化率的值来评估源自新陈代谢的粪能的值。对动物而言，真消化率易让人误解，因为源自新陈代谢的粪能是真实存在和不可避免的。在动物营养学上标准消化率慢慢的被表观消化率所替代。表观消化

24、能（ADE）摄入总能粪能真消化能摄入总能（粪能源自新陈代谢的粪能）鱼类源自新陈代谢的粪能的研究很少受到关注。在鱼和其它动物（猪和家禽）上的源自新陈代谢的粪能的研究表明，其与内源性蛋白质或氮的丧失有关。通过饲喂含非蛋白质的日粮来测定内源性氮的丧失，这是测定新陈代谢粪氮的一般方法。通过投喂不含蛋白质的饲料的方式在水温20时测得草鱼的新陈代谢粪氮的值在活体的情况下为2.73.3mg/100g或者以日粮干物质的形式为123144mg/100g。因此，新陈代谢粪氮像蛋白质一样提供能量，新陈代谢粪氮在每100g活体重中每天提供的能量为0.4kJ或者是每摄入100g干物质提供20kJ的能量。这个数值相对较小

25、，等同于摄入高质量的日粮的摄入总能的1或者是粪能的1020。鱼类很少摄食不含蛋白质的日粮，这就造成测定有价值的新陈代谢粪氮的值很难。然而，有证据表明投喂半纯和不含蛋白质的日粮与投喂鱼类实际日粮所测得的新陈代谢粪氮存在显著的差异。日粮的其它成分也能提高新陈代谢粪氮的值。基于以上的原因，我们有理由怀疑：通过投喂不含蛋白质的日粮来测定新陈代谢粪氮值，从而推测出的蛋白质的真消化率的准确性。精确的分析新陈代谢粪氮需要非常复杂和尖端的技术。采用这类技术的测定方法在鱼类上有所保留。在猪和家禽的表观消化率的研究上，因为大肠和盲肠是微生物活动的重要场所，粪便的收集常往往是通过回肠和动物的组织瘤而获得。内源性物质

26、在后肠的重吸收被完全阻止。因此，内源性物质的丢失的校正，必须通过额外的添加物来测定营养物质在动物体内的消化率来进行。因为在某些鱼类的肠道内的微生物作用是可以忽略的，同时大部分内源物质的重吸收先于粪便的排除，所以在自然条件下内源性物质通过粪便而丧失的部分很少，也很少被关注。在鲑科鱼类上大多数的饲料成分的表观消化率明显高于其在猪和家禽上的值支持了这一观点。鱼类维持较高的摄食率，使得新陈代谢粪氮对整个粪氮的贡献值确很小。在这一条件下，蛋白质的表观率和真消化率的的差异就显得微不足道。如果在消化实验中，表现出较低的摄食率和较低的生长，那么抛弃粪便样本的收集是不可取的，因为这些样本可能含有较大部分的新陈代

27、谢粪氮，会使得表观消化率值不可靠。1.4.5 日粮和饲料成分的消化率 正如前面所讨论的，日粮的能量和营养物质的消化率是研究营养能量学的一个相当重要的方面。因为消化率的测定需要特殊的仪器并且相当的耗时，所以不可能测定所有日粮的消化率。因为日粮是用不同的原料组成的，所以测定潜在的饲料原料的消化率就可以评估利用这些原料组成的无限的日粮的消化率。然而，这需要假设所有的原料物质的消化率是可加的，并且假设是真实存在的。很少的饲料原料能被作为单一日粮而为鱼类所摄食。第一，许多单一原料组成的日粮并不能被鱼类所接受；第二，利用单一原料很难制造出具有相当好物理特性的日粮；第三，单一饲料原料很难满足鱼类的营养需求，

28、并且投喂单一原料超过一定时间后会影响其摄食量和生理水平。Cho和Slinger提出的方案解决了这个问题。这个方案比较了参考日粮和测试日粮的消化率，实验日粮是参考日粮和测试日粮组成的混合物，二者的比例是70:30。根据这个方案，利用潜在的一些饲料原料制造出了适口性和水溶性好，能满足鱼类营养需要的饲料。这维持了鱼类高的摄食率和生长率，反过来说这样的实验得出的消化率是可靠的和可重复的。同样，运用这一方法测定了摄食量和生长率，也证实了实验日粮的营养水平是适当的。通过在参考日粮中添加指示剂的方式，可以通过测定日粮和粪便中的指示剂的含量来确定能量和营养物质的表观消化率。日粮的组成物质的表观消化率可以通过参

29、考日粮和测试日粮之间的一个简单计算而得出。然而，参考日粮的使用是假设在消化过程中日粮的组成物质并不相互影响。所以细致的计算测试日粮当是合适的。测试日粮和参考日粮的营养物质和能量的表观消化率可以通过下面的公式进行计算： ADC=1-(F/D(Di/Fi)其中ADC表观消化率；F粪便中营养物质的百分含量；D日粮中营养物质的百分含量；Di日粮中指示剂的百分含量；Fi粪便中指示剂的百分含量。基于参考日粮和测试日粮的测试物质的表观消化率的计算如下：ADCI=ADCT+(1-s)DR/sDI(ADCT-ADCR)ADCI测试物质的表观消化率；ADCT测试日粮的表观消化率；ADCR参考日粮的表观消化率；DR

30、参考日粮中营养物质的百分含量；DI测试日粮中营养物质的百分含量；s实验日粮中测试日粮的比例；1s实验日粮中参考日粮的比例。1.5饲料的可消化能 常见鱼类饲料的可消化能对于合适的饲料配方是必需的。能量和营养物质的消化能的可加性在计算最适日粮中特别有用。表1.1得出了虹鳟饲料的一些成分的干物质、粗蛋白、脂肪和能量的表观消化率。来源不同的有效的评估大量鱼类营养成分的表观消化率和可消化能的值同样有效。在高蛋白的原料的可消化能值很接近总能值，比如：蒸气干燥的血粉、鲱鱼粉、全脂大豆和浓缩大豆蛋白，表现出较高的消化性和吸收率。然而，饲料原料中还包含一定的碳水化合物和纤维素，比如：黄玉米、玉米麸、菜籽粕，这些

31、消化能值还不及总能值的一半，虹鳟在淀粉和纤维素上较低的可消化性证实了这点。饲料原料的可消化能值与干物质的可消化性有关。许多的原料物质的5080的总能都以粪能的形式丢失。许多原料的加工副产物，比如：粉碎后的玉米粉、面粉、次粉，它们大多被用作粘合剂和填充物来提高饲料颗粒的物理特性。在考虑考虑低消化率原料物质的消化水平时，在饲料的机械耐受性等方面需要一个折中的处理既要考虑日粮的营养水平还要考虑日粮实际的报酬。表1.1饲料原料的表观消化率和消化能值a原料表观消化系数（）干物质粗蛋白脂肪能量淀粉39877143血粉热风干燥878586喷雾干燥919692风干551650啤酒酵母769177黄玉米2395

32、39玉米麸239229玉米蛋白粉809683玉米酒精糟、 蒸馏、可溶解的46857151羽毛粉777777青鱼或鲱鱼鱼粉85929791肉骨粉708580家禽下脚料768982菜粕357745全脂大豆78969485压榨大豆749675次粉359246脱水乳清粉979694浓缩鱼蛋白909594浓缩大豆蛋白779784a饲喂雌性虹鳟，用Guelph系统收集粪便，方法采用Cho和Bureau（1997） 大多数鱼类对蛋白质和脂肪的消化率都很高。现有的实验数据表明对于大多数的实际日粮，不同种类之间的蛋白质的消化率是可以进行相互比较的，表面上的不同被认为是不同来源的碳水化合物而所造成的。鱼类也能吸收

33、一些简单的糖。对虹鳟而言，谷物和块茎中的淀粉的组成形式是造成其消化率低的主要原因。蒸气热处理后淀粉会使得淀粉膨胀和改变其颗粒结构产生糊化。许多的研究表明通过蒸煮或是高温挤压后的淀粉将提高鱼类对其的消化率，这可能是由于在淀粉颗粒中淀粉分解酶更容易进入到单个的葡萄糖分子的内部。研究也表明在鲑科鱼类上糊化淀粉的消化率也受其在日粮中的水平的不同而不同。通常，复杂碳水化合物的表观消化率不能像蛋白质和脂肪那样进行相加。Medale等人的研究结果表明虹鳟对淀粉的消化能力，和利用其来提供消化能的比例都受水温的影响，碳水化合物的表观消化率在18时明显高于其在8时的表观消化率。这些结果表明在含有较高水平的淀粉时，

34、可消化能在不同的水温时会有所不同。1.6 生物和环境因素的影响影响能量和营养物质的表观消化率的因素往往是研究和调查的主题，而得出的结果往往又是经常相互矛盾。所有的影响因素包括水温、盐度、鱼的大小和饲喂水平等都是研究的对象。1.6.1 饲喂水平和投饲频率由于水温和其它实际饲养条件的改变而引起的饲喂水平的改变将会引起饲料的能量和营养物质的总的消化能力的改变。在低的饲喂水平下，以升高新陈代谢粪氮的排泄水平的形式来降低蛋白质的表观消化率。然而，Cho和Kaushik的研究证明干物质、粗蛋白、脂肪和总能既不受投喂频率也不受饲喂水平的影响。投喂频率不会影响消化率这并不令人惊奇，根据鱼类自身的需要和饲料的化

35、学特性，饲料通过消化道的速率取决于鱼类自身并不是取决于投喂频率。1.6.2 水温升高水温鱼类的第一反应是增加摄食量。伴随水温的升高，它们也会增加新陈代谢率，另一个不便的特点是会加快食物通过消化道的时间，这也许会影响日粮的消化率。另一方面较长的胃的排空时间也会补偿在较低水温的情况下低效率的消化过程。许多的研究关注了虹鳟不同温度对其消化能力的影响。Azevedo等人的研究得出当水温从15降低到6，虹鳟对实际日粮中的干物质、蛋白和能量的消化率有了相当大程度的降低。随着水温的降低，干物质、蛋白和能量的表观消化率明显降低，这与Choubert得出的当水温从10升高到18，虹鳟的干物质、氮和能量的表观消化

36、率也升高结论相一致。采用不同的粪便收集方法的研究结果也表明，虹鳟的氮和能量的表观消化率也伴随水温的升高而升高。这些结论与Cho、Kaushik和Medale等人得出的结论并不一致，他们的研究表明虹鳟在水温918之间蛋白质、脂肪和能量的表观消化率并不受水温的影响。比较能量和营养物质的表观消化率受水温的影响时，我们在解释其原因时应非常的谨慎。文献在这个方面所报道出来的结果的不同可能是由实验日粮的不同组成而造成的，这主要是因为不能消化和低消化的组成物质的量的不同而引起的，比如生淀粉的量。同样，营养物质的加工过程、抗营养因子的量和粪便收集方法都会造成这些不同。研究结果的不同可能是实验误差造成的。正如前

37、面所讨论的那样，消化能力的测定的准确性和可靠性只是相对稳定。实验误差将会引起不同的摄食量，必然这也会导致不同水温鱼类粪便产生的不同。一些研究得出，在低水温条件下，伴随水温的降低表观消化能力也降低这主要是因为消化酶的活性降低或是每克日粮的内源性内脏的损耗的增多而引起的。研究也表明表观消化能力受水温的影响是水温对摄食率的影响的结果而不是水温本身的影响。摄食量的不同很大部分取决于周围水温的影响。在低摄食量的情况下，内源性内脏损耗的增加了很大部分粪便垃圾。这种影响表面上是降低了日粮的表观消化率，但事实上这不是真的。许多研究也关注不同脂肪酸来源的脂肪在不同水温下的消化能力和营养价值。Cho和Kaushi

38、k研究得出在较宽的温度范围内（515为鱼油和植物油都有较高的消化率（表观消化率胃8095）。然而，猪油和脂类的表观消化率受到水温的影响大，消化率较鱼油和植物油低。这表明水温和脂肪的熔点之间相互影响。猪油和脂类在低温下的表观消化率低，相反低熔点的油类受水温的影响小。然而近来的研究结果表明，在日粮中含有一定量的鱼油的基础上，牛油在虹鳟上具有较高的消化率和高的营养价值（表1.2）。这正如在家禽上所发现那样，这是由于在饱和脂肪酸的消化能力上多不饱和脂肪酸的协同作用而产生的结果。表1.2 虹鳟（初重为7.0g）饲喂实际日粮的性能表现a参数水温7.515日粮1日粮2日粮1日粮2脂肪源鲱鱼油168168牛油

39、 88组成可消化蛋白(DP)（）44.043.544.944.4可消化能（DE）（MJ/kg）19.519.920.920.8DP/ DE（g/MJ）22.621.921.521.3表观消化率（）粗蛋白93939595脂肪93949895b能量83858989性能体重增加13.713.138.139.2饲料系数（体重增加/饲料）1.321.271.221.15能量沉积（可消化能）47475048a日粮包含鱼油或是鱼油和牛油的混合物，在水温7.5和15下饲喂七个星期，来源于D.P.Bureau，A.M.Harris和C.Y.Cho未发表的数据。b表示与日粮1存在显著差异。1.7 尿能、鳃能和代谢

40、能日粮的消化会伴随氨基酸、脂肪酸和糖的吸收，这些物质是机体新陈代谢物质的主要来源。脂肪和碳水化合物的分解代谢形成水和二氧化碳。氨基酸的分解代谢产生氨，另外也产生水和二氧化碳。氮的排泄物在大多数鱼类上有85是以氨的形式代谢，因为这些排泄物也包含一定的能量，所以这将会导致非粪能的丧失。鱼类的排氨代谢中以尿排出的部分很少。而尿循环的酶在许多种类的鱼上已被发现。然而，在鱼上嘌呤的分解代谢是尿及其它产物的主要来源。在相当一部分海洋硬骨鱼类上，尿会以其他可燃性物质的形式排出，比如三甲氨（TMA）和氧化三甲氨（TMAO），但是在高密度养殖的条件下并没有被量化。所有这些非粪能的丧失主要是通过鳃，有时也通过肾。

41、这并不能运用日粮的可消化能的值来说明的，也就是对鱼来说，日粮的可消化能高估了其实际的能量值。鱼类日粮在生理上的燃烧值被定义为新陈代谢能，表达式为：新陈代谢能摄入总能（粪能尿能+鳃能）在饥饿34天后，测定虹鳟的内源性氮的排泄的范围为80130mgN/kg/d，这主要是受水温和鱼体大小的影响。近来在大西洋鲑的研究表明这一值很低。对于海水性鱼类，Ballestrazzi和Dosdat等人的数据表明在欧洲鮨、金头鲷和大菱鲆的内源性氮的排泄范围为100160mgN/kg/d，与虹鳟的值相近。虽然非粪氮的丧失都以氨的形式排到环境中，而从能量平衡的观点看，其贡献值很小，不会超过代谢能的3。1.7.1 测定方

42、法直接测定代谢能有一定的技术难度，因为这需要测定活鱼向养殖环境中排出的鳃能和尿能。Smith提出了一种实验方法解决了这难题，并运用其测定了165350g虹鳟的多种日粮的代谢能。在实验之前，鱼在麻醉的情况下被插入插管用于收集尿。鱼体被用隔板固定以分开鱼体的前部和其余部分，它们在麻醉的情况下一天强制摄食一次。通过这种方法测定的消化能作为总的消化能值的一部分，范围为0.720.93（平均0.87）。这种实验方法通过鳃和肾来收集和分离氮的排出。它包含许多的人为操作和对鱼有相当大的应激，这往往会引起氮的排出和燃料物质的增加。氮排出的增加和一天一次的强制摄食会引起负氮平衡和日粮中某些营养物质代谢能/消化能

43、的值较低。这也就说明通过鳃和肾的能量的丧失比通常情况下无限制性的投食的情况下的值更高。监视养殖环境下鱼类向水中排出的代谢物是一种通常用的方法。1975年，Brett和Zala通过定期测定周期性交替的封闭开放的系统内所产生的氨的方式，得出了小红大麻哈鱼的每日氮的排泄模式。Kaushik在1980年第一次在一个流动系统里利用自动分析仪测定了进食后鱼的氮的排泄率。这种方法是在鱼类特别是在幼鱼正常的生理情况下连续测定氨和尿氮的排出。然而，这种条件下注意力应集中在保持水体恒定的流量和精确测定水环境中氨的浓度上。这种方法的运用显示出不同系统发育的种类它们的氨氮排泄模型非常相似。尿插管和非介入性的测定尿的流

44、动率联合原尿的收集是另一种用于测定鱼类尿能和葡萄糖分子的排泄的方法。直接测定尿能和鳃能之和需要复杂的技术并且相当耗时，所以以氮的丢失量来测定尿能和鳃能之和是另一种直接测定的方法。因为尿能和鳃能的产生主要是由于氮产物的丢失，总的非粪氮的丢失。尿能和鳃能是通过可消化氮和用于生产的氮的不同比例来测定的，如下面的公式所示：ZN+UN=DN-RNZE+UE=(ZN+UN)24.9kJg-1NME=DE-（ZE+UE）其中ZN是鳃氮的丢失值；UN尿氮的丢失值；DN可消化氮的摄入；RN组织用于生产的氮；ZE鳃能的丧失值；UE尿能丧失值；ME消化能；DE代谢能。Kaushik和Cowey在1991的研究得出，

45、一般情况下氨至少代表了85的氮的浪费，而尿代表的氮的浪费低于15。氨（82.3N）和尿（46.7N）的燃烧能分别是20.5kJ（24.9kJ/gN）和10.5kJ（22.5kJ/gN）。因为氮都是以氨的形式丧失，所以以氨和尿的形式每可氮的能量的丢失的差异是很小的。由此可得出，鱼在正常的条件下1克氮的丢失相当于24.9kJ能量的丢失。1.8 影响代谢物排出的因素燃烧物质如粪能的排泄主要取决于鱼对饲料组成物质的消化和吸收能力，同时，饲料原料之间的一些重要的相互作用也会影响它们的消化能力。因此，当它们被作为日粮时，原料的消化能值是相对独立于饲料组成的。相反，燃烧物质通过鳃或尿所丧失的量取决于许多因素

46、，比如日粮的组成（整个氨基酸的平衡和可消化性）和其他因素（动物的生理水平、应激等）。而作为一种结果，给定成分的代谢值并不能独立于日粮的组成和饲喂的水平。像Cho和Kaushik所提及的，代谢能只有在给定的生物学状态和环境条件下，充分考虑到鱼对日粮的反应才有意义。1.8.1 日粮因素影响非粪能丢失的主要因素是那些影响机体蛋白质沉积的因素，因此需要控制氮的终末产物通过鳃和尿的形式的丧失。一个重要的影响因素是可消化蛋白能和非蛋白能之间的平衡。这一平衡代表的是日粮的可消化蛋白和可消化能之间的比值（DP/DE）。许多的研究证明伴随日粮中非蛋白能的增加日粮的可消化能也会增加，这就导致了氨氮排出、尿能和鳃能

47、的降低，因此也会导致代谢能的增加。在虹鳟上的研究表明：氮的摄入和氮的排出的回归曲线的斜率像氮的基础代谢的水平一样也受到日粮DP/DE的影响。当日粮中的DP/DE值为18mg/kJ时，氮的摄入和氮的排出的关系为：75.10.307NI（氮的摄入量）；当日粮中的DP/DE值为23mg/kJ时，关系为；84.90.343NI（氮的摄入量）。在海水鱼上，缺乏氮的排出受DP/DE影响的大量数据。然而，从已有鲑科鱼类的数据表明，在鮨科和鲷科鱼上氮的排泄会随DP/DE的降低而减少。因此，我们可以得出结论：通常情况下，在一定的DP/DE范围内，尿能和鳃能之和会随着DP/DE的降低而减少。非粪氮排泄和尿能和鳃能

48、的减少是因为非蛋白能源满足了能量的需求，结果会降低用于产生能量部分的氨基酸的分解代谢。这种现象称为“蛋白质的节约作用”。脂肪对蛋白质的节约作用在大多数鱼上被证实。可消化性碳水化合物如葡萄糖和糊状淀粉对蛋白质的节约非常有限，需要继续研究。日粮氨基酸组成是另一个影响因素，对日粮中氮的利用效率和尿能和鳃能起着决定性的影响。饲喂超过需要量的的氨基酸会引起氨基酸的氧化分解，伴随着氨的排泄和能量的丧失。在一个较好的氨基酸平衡和低的DP/DE值的情况下，虹鳟对总的可消化氮的保留率超过50，大西洋鲑超过60。不管其非蛋白能的补给充足与否，而重要氨基酸的氧化分解的范围并不是很清楚，这可能涉及到维持水平、氨基酸的

49、平衡或是氨基酸不可避免的氧化分解。已经注意到不管鱼是投喂了过量的可消化碳水化合物还是在加入了葡萄糖的实验处理后，鱼在摄食后表现出持续性的高血糖现象。在高血糖的鱼类上已发现葡萄糖分子通过尿和鳃排出。Bureau等人1988年研究表明虹鳟血糖水平超出其肾的代谢水平时，其也可以通过鳃排出相当部分的葡萄糖分子，这也使得其尿能和鳃能的值增加。葡萄糖分子通过尿排出意味着日粮中含有较高水平的可消化碳水化合物，这说明日粮的代谢能低于其根据氮的废弃物所计算出来的能量值。1.8.2 其它影响因素饲喂水平和水温并没有表现出对日粮的代谢能与消化能的比值的任何影响。种间的不同与氮的排泄和代谢能之间的关系很少研究。Dia

50、s等人得出在饲喂相同日粮的情况下海鲈和虹鳟之间的氮的沉积水平不同的结论。海水鱼类表现出其可消化蛋白的沉积量较鲑科鱼类低得多，因此也说明其尿能和鳃能也更高。在鲑科鱼之间的氮的不同沉积水平存在更明显的差异。在投喂相同的饲料的情况下，大西洋鲑的可消化蛋白的沉积量远远高于虹鳟。现有的数据并没有表明单位氮的摄入的排出量受基因起源（品系、家族、倍性）的影响。1.9 热产生正如前所讨论的，动物所释放出来的热量是用作营养物质的化学能向高能分子转化，如新陈代谢物质转化为生理水平的重要物质，或是在物理和化学的过程中ATP的水解。热量的释放率预示着正在进行的反应的强度。这也就表明了新陈代谢率。动物体热量的释放被看作

51、是新陈代谢物质转化为组织的组成物质、组织之间物质的相互转化和物理活动的结果。新陈代谢率会因摄入的能量和物质的质和量的水平以及动物的活动水平的不同而不同。一个重要的概念是基础代谢，即维持动物组织结构和功能的最小的新陈代谢水平。这也被表示为最小新陈代谢。摄食、消化和日粮中组成物质的新陈代谢中的能量的利用都被看作是一种额外的做功，结果引起新陈代谢率的增加。这中增加被以“体增热”（HiE）的方式表示。物理活动引起工作量的增加也会引起新陈代谢率的增加。新陈代谢的三种组成将会导致从日粮中获得的代谢能会以热的形式释放，同时以热的形式释放的能量并不能被生长有效的利用（增加身体的能量）。1.9.1 方法从消化道

52、吸收的营养物质会被分解或作为组织的新的组成物质，最终被储存起来。营养物质分解代谢所释放的能量最终以热的形式释放，以至于可以测定通过热量的产生（HE）或是通过身体和整个身体化学组成物质的能量组成的改变来测定能量的平衡。后一方法涉及到身体能量的平衡和在可评估阶段观察动物生长的。在一个时期内，营养学家采用动物量热术来测定动物的能量平衡。经典的量热术是通过两个物体之间的热的流动来测定，假设是热量从动物体向环境散失。体增热的测定的主要方式有两种：直接热量测定和间接热量测定。直接热量测定测定动物热量的浪费。然而直接热量测定就像它的定义那样，通常通过呼吸值（氧气的消耗、二氧化碳的产生）的测定来直接测定热量的

53、产生，同时根据其定义也包括其它方法（残骸的比较分析法）。在人类和动物上，通过呼吸量热术的方法来比较直接和间接测定法，如允许同时进行直接和间接测定的量热系统。比较的结果证明了两种方法有较好的一致性，指出与其说身体没有能源物质还不如说其是通过氧化的形式释放出来了。许多的文献资料评价了测定鱼类热产生的直接和间接量热术的可取之处。而对生物能量学的研究而言，间接量热术较直接量热术更合理、更实际，成本也更低廉。1.9.2 直接热量测定法1978年Smith等人设计出了测定鱼类的热产生的直接热量测定法。然而，运用热量计测定的热产生表现出不切实际的高，这也说明运用热量计的灵敏性不如氧气消耗方法。热产生的直接测

54、定需要测定鱼摄食后由于的新陈代谢率的改变而引起的水温的很小的变化。这种技术虽然很一流，但是很难在鱼类上运用，因为鱼类产生的能量有限并且改变一定体积的水的水温需要更高的热量。这就需要更精确的仪器来记录水温的变化。换水来去除新陈代谢的排泄物和保证水中有充足的氧气这是必需的但这也是影响测定的因素，因为这很难保证水温的改变真正是由于鱼的新陈代谢而不是其它因素而引起的。1.9.3 间接热量测定法间接热量测定法是通过监视动物呼吸的交换量（氧气的消耗、二氧化碳的排出）和氮的废弃物的排泄量来测定热量。总的热产生是动物所利用的营养物质的氧化焓的总和。因此热产生可以通过氧化分解的营养物质的化学计量学的方法来测定。

55、混合物质的热产生代表了三类产量物质，所以可以通过一个等式来计算即一摩尔的反应焓被定义为一摩尔氧气的消耗、二氧化碳的产生和氮的排出。1989年Blaxer对这种方法做了改进。在大多数已研究的鱼类中，通常测定氧气的消耗，而忽略二氧化碳的测定。尽管蛋白质、脂肪和碳水化合物被氧化分解，而新陈代谢中每升氧气所产生的热的总量很小。碳水化合物氧化分解的产热值最大为21.2kJ和蛋白质的氧化分解的产热值最小为19.2kJ，二者相差小于10。而其中间值20.1kJ被用来测定恒温动物的热产生。因为在鱼类和恒温动物相比，来源于氨基酸和脂肪的氧化分解的热量更多，每升氧气产生19.4kJ的能量被用于来测定鱼类的热产生。

56、由于热产生的测定不是很精确，所以任何条件下的单一氧化系数值可以接受的。所以在许多情况下，测定二氧化碳和氮的排出就显得没什么必要了。然而，氧气的消耗和二氧化碳的产生可以用来计算呼吸熵。呼吸熵（RQ）的知识可以用来评估脂肪和碳水化合物用于能量的产生。精确的测定这部分物质用于能量的部分主要通过测定氮的排出来测定蛋白质的氧化分解以及通过后来的非蛋白呼吸交换值的改变来测定脂肪和碳水化合物被氧化的部分。在非粪氮来源于蛋白质和蛋白质的含氮量为16的假设的基础上，大多数的蛋白质的氧化分解量是非粪氮的排出量乘以6.25计算得出；蛋白质氧化分解所需要的氧气量等于鳃氮和尿氮的量乘以5.91而得到；二氧化碳的产生量等

57、于鳃氮和尿氮的量乘以4.76。最后从总的非蛋白呼吸值的改变量中减去这些体积。非蛋白质的呼吸熵值0.7表示100的热产生来源于脂肪的氧化，而非蛋白质的呼吸熵值1.0说明所有的碳水化合物都被氧化。非蛋白质的呼吸熵值大于1说明机体利用碳水化合物合成脂肪。然而，通过RQ来测定底物的利用有许多的限制性因素。这种方法的利用应相当谨慎。在鱼类上一些间接的测定热产生的方法也被描述出来。这些方法中的大部分采用测定不同生理状态下的鱼类氧气的消耗来测定热产生的。许多早期的研究关注于鱼类游动的能量的损耗，忽略了日粮的水平和日粮的类型。典型的测定是在自由条件下不投食或是在投喂较差日粮一天一次的情况下的氧气的消耗。在这样

58、的环境下通过氧气消耗而测定出来的热产生具有很大的可疑性。伴随着动物组织提供的能量的平衡，一些未被定义的部分能量也来自于日粮组成物质的氧化分解。这就避开了在自然条件下或是在高密度养殖的条件下鱼类游动能量的损耗。在应激条件下或是在被迫游动的条件下其数据也不能很好的代表养殖条件下的活动情况。因此，一个相对可靠的环境所得出的数据更有价值。在鱼类上一个对能量平衡的描述需要测定伴随粪便和其它排泄物排泄的摄食量，允许能量以DE和ME的形式被分割。1.9.4 动物膧体分析法在实践中，由于鱼类呼吸能量的损失及其复杂性使得测定热量的丧失很不可行。Cho和Kaushik提出了以膧体比较分析为基础的一个简单方案（见表

59、1.3）。利用这种技术，鱼类的热产生的通过摄入总能、粪能、鳃能和尿能以及在膧体中能量的不同而测定。基础代谢的能量的不同部分可以通过禁食后膧体中能量的损失来测定。通常这种简单的屠杀方法相比较于陆生动物更合适和可行，因为鱼类样本的量更大和更容易混匀进行分析。这一结果与大多数的直接测定法的结果相似。Cho与Kaushik（1985）、Azevedo等人（1998）、Lupatsch等人（1998）和Rodehutscord与Pfeffer（1999）都运用这种方法进行了研究。表1.3 膧体分析法术语a1. 摄入可消化氮(DN)和可消化能(DE)的的估计2.测定膧体中生产能(RE)和用于生产的氮(RN

60、)3.在禁食前后的氮（Nf）和能量(HEf) 的丢失4.计算非粪氮的丢失（UN+ZN）=DN-RN5.估计非粪能的丧失（UE+ZE）=(UN+ZN)24.9kj g-16.计算新陈代谢能的摄入（ME）=DE-(UE+ZE)7.计算热产生（HE）ME-RE8.计算摄食后的体增热HiEHE- HEf9.计算净能（NE）ME-HiEaCho和Kaushik1985年提出1.9.5 其它研究方法许多的其它方法被利用来研究鱼类能量新陈代谢。一些令人感兴趣的方法中涉及到稳定的同位素。这些同位素在化学上很难区别但是由于其分子量的不同可以被分离和检测出，所以其在生物学的研究上的应用已超过50年。同位素在主要的