植物蛋白源草鱼饲料挤压温度优化带来的环境与经济效益

《Water Biology and Security》：Improved extrusion temperature of plant protein-based grass carp aquafeeds for environmental and economic gains

　　

挤压温度影响了草鱼的生产性能和饲料利用率。改进的挤压工艺降低了营养物废物排放和每公斤鱼产量的饲料成本。优势细菌属（黄杆菌属 Flavobacterium、弯杆菌属 Curvibacter、气单胞菌属 Aeromonas）与关键水质参数相关。推广至全国规模，每年可减少中国水产养殖温室气体（GHG）排放1.24–6.18百万吨CO2当量。

一、研究背景与问题提出

水产养殖在全球粮食安全和营养供给中扮演着重要角色，但其快速扩张也带来了日益严峻的环境可持续性问题。水产饲料中大量营养物，尤其是氮和磷，被排放进入水生生态系统，导致水质退化和生态失衡。研究表明，在淡水池塘养殖中，投入的氮仅有约15%、磷不足3%被收获的鱼类保留，其余均释放到环境中。与此同时，全球粮食系统贡献了约三分之一的 anthropogenic 温室气体（GHG）排放，这使得采用更可持续的生产方式成为迫切需求。

在水产养殖集约化体系中，配合饲料及其成本是核心问题。鱼粉被认为不可持续，因其对海洋生态系统的影响以及相较于植物蛋白源更高的营养物排放。鱼粉短缺导致价格持续高企，制约了水产养殖业的发展。虽然已实现用植物蛋白部分替代鱼粉，且降低饲料转化率（FCR）的努力正在进行，但仍需更全面的环境改善。此外，环境评估往往忽视了饲料原料的上游生命周期影响。

挤压技术相比传统制粒在提高饲料效率和减少环境影响方面具有明显优势。通过施加更高的温度、压力和剪切力，挤压可提高营养物消化率和鱼类生长性能，同时允许更低的饲料蛋白添加水平，并改善营养物保留、减少废物输出。虽然挤压饲料的单位碳足迹可能高于制粒饲料，但由于饲料效率提高，每吨鱼产量的整体碳足迹可以相当甚至更低。

草鱼是中国最重要的淡水养殖品种，年产量超过600万吨。其饲料通常鱼粉含量低，而菜籽粕、豆粕和棉籽粕等植物蛋白比例高。作为无胃草食性鱼类，草鱼在处理植物源性碳水化合物和抗营养因子方面面临特殊挑战。因此，影响淀粉糊化、蛋白质结构和抗营养因子失活的挤压条件很可能强烈影响该物种的营养物消化率和生长性能。

然而，以往关于挤压优化的研究主要集中在生长速率和饲料利用率等生产性结果上，对下游环境后果（包括废物营养物排放、水质动态和微生物群落响应）以及综合考虑饲料成本和生产效率的经济评估关注较少。这一知识空白限制了研究人员充分利用挤压技术实现可持续性增益的能力。研究人员因此假设，改进的挤压条件可以通过提高植物蛋白基础日粮的效率，减少废物输出和碳足迹，从而带来额外的环境和经济效益。

二、研究内容与主要结论

为验证上述假设，研究人员在室内循环水养殖系统（RAS）中开展了两项平行实验。投喂实验（EP1）和水质监测实验（EP2）均在中国科学院水生生物研究所进行。实验采用单一基础日粮混合物，通过双螺杆挤压机在两种不同温度条件下制备饲料：情景1（S1）目标温度为105/120/120°C，情景2（S2）目标温度为105/120/140°C。

EP1实验中，每个有效容积0.15 m³的养殖缸投放20尾平均初始体重约30 g的草鱼，每日两次表观饱食投喂，持续九周。EP2实验使用同一批鱼群，在有效容积0.30 m³的12个养殖缸中评估两种挤压饲料对水质和细菌群落动态的影响。

研究得出以下主要结论：S2条件下草鱼表现出显著更低的饲料转化率（1.39 vs. 1.68）和更高的特定生长率及增重率。S2组的碳、氮、磷、硫的饲料投入量均显著低于S1组。营养物保留效率（NRE）方面，S2组碳和氮的保留效率显著高于S1组，磷和硫虽未达显著差异但数值上更高。废物排放方面，S2组的总营养物输出和固体营养物排放均显著低于S1组。碳足迹评估显示，S2条件下每吨鱼产量的饲料相关碳足迹为2201.1 kg CO₂当量，较S1的2660.3 kg CO₂当量降低17.3%。经济评估表明，S2组每公斤增重的饲料成本较S1组降低16.7%，每公斤蛋白质增重的饲料成本降低15.5%。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：利用双螺杆挤压机在不同温度条件下制备实验饲料，以氧化钇（Y₂O₃）作为不可消化标记物测定表观消化系数（ADC）；使用元素分析仪测定碳、氮含量，采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定磷和钇含量；通过连续流动自动分析仪测定水质参数，使用TOC分析仪测定总碳（TC）、总有机碳（TOC）和总无机碳（TIC）；基于16S rRNA基因V4-V5高变区扩增子测序分析细菌群落结构，在Illumina NovaSeq平台测序；采用生命周期评估（LCA）方法估算碳足迹；通过饲料转化率和饲料成本计算经济指标。

四、研究结果

4.1 鱼体组成与饲料投入

初始草鱼全鱼营养物浓度为碳49.76、氮8.90、磷2.13、硫0.51 g/100g。实验结束时，两种情景下全鱼营养物浓度无显著差异。但粪便样本中，S1组碳、氮、磷浓度显著更高，与S1组较低的ADC一致。S1组饲料转化率（1.68）显著高于S2组（1.39），特定生长率和增重率均低于S2组。每公斤增重的碳、氮、磷、硫饲料投入量在S1组均显著高于S2组，Hedges' g效应量范围为2.85（磷）至5.74（氮），表明四种元素均存在大效应差异。

4.2 营养物保留、废物排放与化学计量比

S1组碳保留效率（17.45% vs. 22.13%）和氮保留效率（23.07% vs. 28.21%）显著低于S2组。磷和硫的保留效率虽未达显著差异，但S2组数值更高。Hedges' g分析显示碳、氮、硫存在大效应，磷存在中等效应。总营养物输出方面，S1组碳、氮、磷、硫均高于S2组。固体营养物排放中，S1组碳（278.54 vs. 178.85 g kg^?1）、氮（29.62 vs. 15.52 g kg^?1）、磷（12.79 vs. 9.23 g kg^?1）均显著高于S2组。溶解性碳排放同样在S1组更高。化学计量比方面，S1组的C/P、N/P和N/S比显著高于S2组，而P/S比低于S2组。

4.3 碳减排潜力

饲料碳足迹初步估算为1583.5 kg CO₂当量/吨，其中原料占76.6%。基于实测FCR，S1组每吨草鱼产量的饲料相关碳足迹为2660.3 kg CO₂当量，S2组为2201.1 kg CO₂当量，减少459.2 kg CO₂当量，降幅17.3%。在全国尺度上，假设挤压饲料占水产饲料市场20%份额，若所有挤压饲料均采用S2条件生产，年GHG减排约1.24×10⁶吨CO₂当量。敏感性分析显示市场份额±20%变化时，减排范围为0.99至1.49×10⁶吨CO₂当量。若所有水产饲料均挤压并在S2条件下生产，潜在年减排量可达6.18×10⁶吨CO₂当量。

4.4 水质与营养物动态

S2组溶解氧在17:00降至6.55 mg/L后于次日早晨恢复至6.99 mg/L，表现出显著的时间变化。S1组pH在17:00（8.45 vs. 8.25）和22:00（7.90 vs. 7.27）显著高于S2组。总氮和氨氮在两种情景下均持续上升，亚硝酸盐氮在22:00时S1组显著高于S2组。总磷持续上升，S1组在17:00和22:00显著低于S2组。总碳和总有机碳在12:00达到峰值后下降，S2组在多个时间点显著低于S1组。

4.5 细菌群落组成与动态

共获得1,950,928条原始读段，平均每个样本54,116条高质量读段。NMDS分析显示养殖水和粪便样本间存在显著分离（PERMANOVA，R²=0.279，p<0.001）。门水平上，变形菌门（Proteobacteria）在水体中占59.47%，在粪便中占33.75%；梭杆菌门（Fusobacteria）在粪便中占32.26%，显著高于水体的8.94%。属水平上，链球菌属（Cetobacterium）在粪便中占36.08%，显著高于水体的8.83%。水体细菌群落表现出显著的时间演替，S2组在8:00和12:00的ASV丰富度、Shannon和PD指数趋于高于S1组。冗余分析（RDA）显示，TOC是S1组细菌群落变异的最主要因素（40.4%），而pH是S2组的最主要因素（32.3%）。黄杆菌属（Flavobacterium）、弯杆菌属（Curvibacter）和气单胞菌属（Aeromonas）与关键水质参数显著相关。

4.6 经济评估

基于2025年当地市场原料价格，两种饲料的原料成本均为4.09 CNY/kg。但S2组每公斤增重的饲料成本为5.69元，较S1组的6.83元降低16.7%；每公斤蛋白质增重的饲料成本为32.01元，较S1组的37.86元降低15.5%。

五、讨论与结论

讨论部分指出，将植物蛋白基础草鱼饲料的挤压温度提高至140°C可显著改善鱼类生产、减少环境影响并降低饲料成本。高温度挤压可能促进美拉德反应导致营养物损失，但本研究中S2组表现出更好的生长性能和更低的FCR，表明适当提高挤压温度对植物蛋白基础日粮具有积极效果。改进的挤压工艺通过提高营养物消化率、减少抗营养因子的负面影响，降低了每单位鱼产量的营养物投入和废物排放。虽然挤压饲料的单位质量碳足迹高于制粒饲料，但每单位鱼产量的碳足迹主要由FCR决定，因此优化挤压工艺可有效降低水产养殖的GHG排放。

研究还发现，S2组虽然减少了总固体废物和碳足迹，但可能通过将化学计量平衡转向磷富集而增加富营养化潜力。这一权衡凸显了在评估饲料加工策略的环境绩效时，需要考虑废物输出的数量和质量组成。水质和微生物数据表明，不同挤压温度的饲料通过改变废物输出质量和生物活性，影响了细菌群落的组装和环境驱动因素。

研究结论为：将植物蛋白基础草鱼饲料的挤压温度提高至140°C可改善鱼类生产、减少环境影响并降低饲料成本。每吨鱼产量的碳足迹降低17.3%，每单位蛋白质或增重的饲料成本降低15.5%–16.7%。挤压温度还影响水质和细菌群落组成，表明该加工参数可能与水质监测和病原管理相关。总体而言，这些结果支持饲料挤压作为可持续水产养殖集约化的有前景策略。140°C下观察到的一致效益值得进一步优化和实际应用。然而，由于仅在受控RAS条件下测试了两种温度，需要更宽的温度范围或响应面设计来确定真正的最优条件。