Bài giảng Dinh dưỡng và thức ăn thủy sản chương 7: Năng lượng và nhu cầu năng lượng

DINH DƯỠNG VÀ THỨC ĂN THUỶ SẢNCHƯƠNG 7NĂNG LƯỢNG VÀ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG NỘI DUNG KHÁI NIỆM CÁCH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ NĂNG LƯỢNG THỨC ĂN BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG CƠ THỂ SỐNG NHU CẦU NĂNG LƯỢNG TÍCH LŨY VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG 1. KHÁI NIỆM Năng lượng là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh ra công của vật chất (Từ điển tiếng Việt, 1998) Trong dinh dưỡng ĐV: Năng lượng là nhiệt lượng sản sinh ra trong quá trình đốt cháy các hợp chất hữu cơ và được tính bằng calori hay Joule. Đơn vị đo năng lượng: cal, Kcal, Mcal Mcal = 1.000 Kcal = 1.000.000 cal J, KJ, MJ MJ = 1.000 KJ = 1.000.000 J 1 KJ = 0,24 Kcal 1 Kcal = 4,19 KJ Năng lượng khả năng làm việc ĐVTS có nhu cầu năng lượng ở tất cả các giai đoạn sống Cần E để thực hiện các phản ứng sinh hóa trong cơ thể phục vụ cho duy trì, sinh trưởng và phát triển để tạo ra sản phẩm Được sử dụng hoặc tích lũy dưới dạng mỡ hoặc glycogen Sử dụng năng lượng ở cá 2. Cách xác định giá trị năng lượng Hai phương pháp xác định giá trị E: PP trực tiếp: Đốt cháy thức ăn trong bomb calorimeter, nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy thức ăn là năng lượng của TĂ PP gián tiếp: xác định thông qua năng lượng của các thành phần dinh dưỡng có trong TĂ (PP ước tính) Bộ phận đánh lửa Nhiệt kế Cánh khuấy Nước Môi trường chứa oxi Mẫu chứa trong cốc Bomb caloriemeter Phương pháp ước tính giá trị năng lượng của thức ăn: + Năng lượng thức ăn có thể biểu thị theo năng lượng thô (GE), năng lượng tiêu hoá (DE) và NL trao đổi (ME). + Ước tính E của TA: định lượng thành phần DD của TA, rồi sử dụng giá trị E của 1g chất dinh dưỡng để tính Giá trị E cho 1g các chất dinh dưỡng Nguồn ADCP 1983 BÀI TẬP Tính hiệu suất sử dụng năng lượng của các chất DD nêu trên? Rút ra nhận xét? 3. Một HHTA chứa 13% nước, 35% CP, 10% EE, 5% CF và 7% khoáng. Hãy ước tính GE của HH này bằng Kcal và MJ? Giải:NFE = 100 – (% Nước + % CP + % EE + % CF + % CA) = 100 – (13 + 35 + 10 + 5 + 7) = 30Tổng carbohydrate: 30% NFE + 5% CF = 35% 3- ĐẶC ĐIỂM CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG Ở ĐVTS 3.1. Các dạng năng lượng chuyển hóa Trong cơ thể ĐV, NL có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác, đó là: Năng lượng thô (GE): lấy từ thức ăn Năng lượng tiêu hóa (DE) Năng lượng của phân (FE) Năng lượng nước tiểu (UE) Năng lượng bài tiết qua mang (GEE) Năng lượng trao đổi (ME) Năng lượng tỏa ra dưới dạng nhiệt (HE) Năng lượng thuần (NE) Năng lượng dùng để duy trì (NEm) Năng lượng dùng để sản xuất (NEp) 3.1.1. Năng lượng tổng số (thô) NL tổng số (Năng lượng thô - Gross Energy - GE) Năng lượng hóa học có trong thức ăn chuyển đổi thành nhiệt năng nhờ đốt cháy Nhiệt lượng sản sinh ra do đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng thức ăn gọi là năng lượng thô. Năng lượng thô được xác định bằng máy đo năng lượng (Bomb calorimeter). Giá trị năng lượng thô của một số chất dinh dưỡng và thức ăn như sau (MJ/kg VCK): Glucose 15,6 Tinh bột 17,7 Xelulose 17,5 Casein 24,5 Mỡ 38,5 Dầu 39,0 Axit axetic 14,6 Propionic 20,8 Butyric 24,9 Lactic 15,2 Metan 55,0 Nạc 23,6 MJ/kg VCK Mỡ 39,3 Hạt ngô 18,5 Cỏ 18,9 Khô dầu ôliu 21,4 Sữa (4% mỡ) 24,9 GE cao thấp do tỷ lệ C+H so với Oxy Thức ăn chứa nhiều tinh bột thì năng lượng thô thấp hơn so với thức ăn chứa nhiều dầu, mỡ GE của các acid béo khác nhau do chuỗi Carbon dài hay ngắn quyết định GE của Protein cao hơn Carbohydrate do có chứa N, S. Metan chỉ có C và H nên GE cao 3.1.2. Năng lượng của phân Là NL thô của phân (FE: Feces Energy) Bao gồm: NL của phần TĂ không tiêu hóa Từ các sản phẩm TĐC: enzyme tiêu hóa Từ các sản phẩm nội sinh: tế bào biểu bì, tê bào màng nhầy… Từ sản phẩm bài tiết khác -> Xác định TLTH biểu kiến và TLTH thực các chất DD có trong thức ăn. Chiếm 20-60% GE ăn vào 3.1.3. Năng lượng tiêu hóa NL tiêu hóa: DE (Digestible Energy) DE là năng lượng của tổng các chất hữu cơ tiêu hóa Hoặc DE là hiệu số của NL thô của TĂ với NL thô trong phân: DE = GE – FE Bài tập: Lượng ăn vào/cá/1kg/ngày: 0,1kg VCK GE/kgTĂ: 18,5MJ. Lượng phân thải ra/ngày: 30gr (18,5MJ/kg). Tính TLTH NL khẩu phần? Tổng GE ăn vào/cá/ngày: 18,5 MJ x 0,1kg = 1,85MJ FE: 0,03 x 18,5 MJ = 0,55MJ/ngày DE = 1,85 – 0,55 = 1,3MJ TLTH Năng lượng KP = (1,85 – 0,55)/1,85 = 70% Giá trị DE tính toán bao giờ cũng thấp hơn giá trị thật vì trong phân chứa các chất trao đổi không có nguồn gốc từ thức ăn DE phụ thuộc vào khả năng tiêu hóa thức ăn, TLTH cao thì DE cao và ngược lại Giá trị GE và DE của một số chất dinh dưỡng 3.1.4. Năng lượng nước tiểu NLNT: UE – Urine Energy UE là tổng năng luợng thô của nước tiểu UE gồm: NL của các chất DD thức ăn được tiêu hóa, hấp thu nhưng không được sử dụng NL của các chất thải trong quá trình TĐC NL mất qua nước tiểu khoảng 3% GE 3.1.5. Năng lượng thải qua mang NL thải qua mang: GEE (Gill Excretion Energy) Là NL thô của các thành phần bài tiết qua mang của ĐVTS Ở người, ĐV bậc cao thải qua phổi, có giá trị nhỏ nên thường bỏ qua Ở ĐVTS, NL mất qua mang lớn (5%) nên cần phải được tính toán UE + GEE = WE (Waste Energy) 3.1.6. Năng lượng trao đổi NLTĐ: ME – Metabolisable Energy ME là năng lượng tiêu hóa các chất DD trừ đi các NL mất qua nước tiểu và mang ME = DE – (UE + GEE) = GE – (FE + UE + GEE) Các yếu tố ảnh hưởng đến ME: Khả năng tiêu hóa Lượng các chất mất qua mang, nước tiểu Loại thức ăn Chế biến thức ăn Đối tượng nuôi Cá thể Tính biệt Mùa sinh sản …. Sự sai khác giữa giá trị DE và ME ở cá hồi Giá trị DE và ME của một số loại thức ăn cá  3.1.7. Năng lượng nhiệt tổng số NL nhiệt tổng số: HE (Heat Energy) hay HP (Total Heat Production) Gồm NL nhiệt sản sinh ra trong: Tiêu hóa Hấp thu Quá trình lên men Tạo chất thải & bài tiết Các hoạt động cơ học (bơi, bắt mồi…) Các hoạt động sinh lý bình thường: hô hấp, tuần hoàn, hoạt động tế bào… 3.1.8. Năng lượng thuần NL thuần (NL tích lũy): NE – Net Energy NE là hiệu số giữa năng lượng trao đổi với năng lượng nhiệt NE = ME – HE = DE – (UE + GEE + HE) = GE – (FE + UE + GEE + HE) Các yếu tố ảnh hưởng đến NE? NE gồm: + NL cho duy trì (NEm) + NL cho sản xuất (NEp) -> NE = NEm + NEp NE là phần NL hữu ích cuối cùng trong quá trình chuyển hóa NL của thức ăn trong cơ thể động vật THẢO LUẬN Các bạn có suy nghĩ gì về tỷ lệ NE/ME? 3.1.9. Năng lượng cho duy trì NL cho duy trì: NEm (Net Energy for Maintenance) NL cho duy trì bao gồm: NL cho vận động NL cho duy trì các chức năng của cơ thể (hô hấp, tuần hoàn, trao đổi chất cơ bản…) 3.1.10. Năng lượng cho sản xuất NL cho sản xuất: NEp (Net Energy for Production) NEp gồm: NL cho tăng trưởng NL cho sản phẩm THẢO LUẬN Dòng chuyển hóa năng lượng thức ăn ăn vào trong cơ thể động vật thủy sản? 3.2. Sự biến đổi NL trong cơ thể ĐVTS Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong cơ thể cá (Smith, 1989) Sơ đồ Chuyển hóa năng lượng của thức ăn trong cơ thể ĐV (Webster, Lim, 2002) GE DE FE ME UE, GEE NE HE (Nhiệt sinh ra do tiêu hóa, hấp thu; tạo SP tiêu hóa; tạo chất thải & bài tiết) NEp NEm (Trao đổi cơ bản, hoạt động bắt buộc, điều chỉnh thân nhiệt) 3.3. Nguồn cung cấp năng lượng ĐVTS có thể sử dụng cả 3 nguồn protein, lipid và carbohydrate trong thức ăn làm nguồn năng lượng: Nguồn năng lượng từ protein: đắt tiền nhất, do đó nên cung cấp ở mức tối đa các nguồn năng lượng không phải protein. Tuy nhiên, cá yêu cầu năng lượng từ protein, lipid hơn ở nhóm động vật trên cạn. Lipid chứa năng lượng nhiều nhất, được cá sử dụng hiệu quả. Lipid có trong thức ăn còn làm tăng mùi vị và độ trơn láng của viên thức ăn. Lượng lipid cao sẽ trở ngại trong chế biến và bảo quản thức ăn. Khả năng sử dụng carbohydrate làm năng lượng khác nhau tùy loài cá (cá ăn động vật có khả năng sử dụng carbohydrate kém hơn so với cá ăn thực vật) và tùy loại carbohydrate: - Dạng đường đơn được tiêu hóa dễ dàng, - Cellulose, hemicellulose chỉ được tiêu hóa do vi khuẩn. - Carbohydrate là nguồn năng lượng rẻ tiền nhất -> sử dụng trong thức ăn ở mức tối đa có thể để giảm giá thành. Tuy nhiên lượng dùng thích hợp là bao nhiêu đối với từng loài thì vẫn còn đang nghiên cứu. THẢO LUẬN Các giải pháp làm tăng năng lượng tiêu hóa và năng lượng tích lũy đối với ĐVTS 4- NHU CẦU NĂNG LƯỢNG Khó xác định nhu cầu năng lượng cho tôm cá vì rất khó đo năng lượng mất đi ở HE, U, G và F. Nhu cầu năng lượng phụ thuộc vào: 1/ Nhiệt độ nước 2/ Khối lượng tôm và cá 3/ Trạng thái sinh lý (tăng trong kỳ sinh sản) 4/ Dòng chảy của nước 5/ Ánh sáng 6/ Chất lượng nước và stress (ô nhiễm, độ mặn, oxy…tăng nhu cầu năng lượng duy trì) 7/Thức ăn tiêu thụ Trong đó, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất vì: - Thân nhiệt cá gần giống với t0môi trường - Khi t0môi trường gần với nhiệt độ tối ưu của ĐVTS thì tăng trao đổi chất, độ ngon miệng và sinh trưởng. - Khi t0môi trường giảm dưới ngưỡng thích hợp thì giảm trao đổi chất -> Cần theo dõi t0môi trường nước thường xuyên trong quá trình nuôi. Trong thực tế, ĐVTS có nhu cầu về protein cao hơn và nhu cầu năng lượng thấp hơn các động vật khác. Nguyên nhân: - ĐVTS không cần năng lượng để duy trì nhiệt độ cơ thể như ĐV khác. - ĐVTS sống trong nước nên hạn chế tối thiểu năng lượng mất đi để duy trì thăng bằng trong khoảng không. Động vật trên cạn phải mất năng lượng để giữ vị trí cơ thể khỏi tác động với trọng lực. Nhiều loài cá có bong bóng nhằm duy trì vị trí cơ thể trong các tầng nước nên cơ của chúng ít hoạt động để giữ yên vị trí của chúng. - Cá và tôm nhận nhiều năng lượng hơn 15-20% so với động vật trên cạn khi phân giải protein (Cá thải khoảng 85% chất thải trao đổi dưới dạng NH3 trực tiếp qua mang vào môi trường nước và cần rất ít năng lượng do không tốn năng lượng để biến amoniac thành ure hay acid uric trong lúc động vật có vú phải dùng năng lượng để tạo urea và gia cầm thì tạo acid uric. Là năng lượng cần thiết để cá đạt một cân bằng giữa năng lượng hấp thu và sử dụng, giữ trọng lượng các mô và của cơ thể không thay đổi trong khoảng thời gian thí nghiệm. Năng lượng duy trì được tính bằng Kcal (kJ)/kg cá trong 24 giờ và ở một nhiệt độ nhất định. Để xác định nhu cầu năng lượng người ta tiến hành phương pháp cân bằng cacbon hay cân bằng năng lượng hoặc bằng phương pháp nuôi dưỡng 4.1. Nhu cầu năng lượng duy trì Nhu cầu năng lượng duy trì của cá thấp hơn động vật trên cạn vì: - Tiêu hao ít năng lượng cho sự vận động và giữ thăng bằng cơ thể - Không có cơ chế điều tiết thân nhiệt, - Bài tiết amonia mà không bài tiết ure hay axit uric. Nhu cầu năng lượng duy trì cho cá bình quân 70 kJ/kg thể trọng hay 50 kJ/kg W0.75 (khi nhiệt độ nước 20-240C). Nhu cầu năng lượng duy trì so với tổng nhu cầu năng lượng hàng ngày: - Cá chép: 14-17% - Cá hồi: 17-24% - Động vật có vú: 30-59%. Nhu cầu NL duy trì của ba nhóm cá (Guillaume, 1999 theo Lê Thanh Hùng, 2000) . 4.2. Nhu cầu năng lượng tăng trưởng Là năng lượng cần thiết để được 1 kg cá tăng trọng. Mức nhu cầu này thay đổi tùy theo thành phần của thức ăn, đặc biệt là tỉ lệ protein và năng lượng.   Khẩu phần đủ protein, tăng năng lượng thì tăng sinh trưởng, ví dụ: GE (MJ/kg VCK) Tăng (% so với BW đầu) 13,8 148 16,8 257 18,6 392 20,9-18,2 380 – 150 20,5 218 22,8 283 24,9 320 Ảnh hưởng của năng lượng và protein khẩu phần đến tốc độ sinh trưởng của cá (cá chép W=170g, cung cấp thức ăn ở mức 2% khối lượng cơ thể, t0: 240C) Page&andrews,1973 Garling&Wilson,1976 Mangalik, 1986 Mangalik, 1986 Li&Lovell, 1992 El Sayed, 1987 Takeuchi et al., 1979 22,7 22,5 23,2 20,5 19,3 24,6 25,8 9,71 2,8 11,6 13,1 12,8 12,3 12,3 22,2 28,8 27,0 27,0 24,4 30 31,5 526 34 10 266 600 50 20 Cá trơn Mỹ Rô phi Đloan Cá chép Tác gia DP/DE (mg/KJ) DE (KJ/g) DP (%) Khối lượng (g) Giống loài TỶ LỆ DP/DE CHO TĂNG TRƯỞNG TỐI ƯU CỦA MỘT SỐ LOÀI CÁ (NRC, 1993) Cho&Kaushik, 1985 Machiels&Henken, 1985 Hung L.T, 1999 Hung L.T, 1999 22,0 21,5** 18,6** 14,4** 15,1 18,6* 33 40 32 28 90 - 15 20 Cá hồi Cá trê phi Cá tra Cá basa Tác gia DP/DE (mg/KJ) DE (KJ/g) DP (%) Khối lượng (g) Giống loài TỶ LỆ DP/DE CHO TĂNG TRƯỞNG TỐI ƯU CỦA MỘT SỐ LOÀI CÁ (NRC, 1993) *GE: năng lượng thô **CP/GE Phương trình cân bằng về năng lượng của ĐVTS có thể được diễn tả như sau: GE = NE + HE + WE (UE+GEE) + FE Theo Brett và Groves (1979) cân bằng năng lượng thức ăn của cá khác nhau tùy theo tính ăn của cá. Cá ăn động vật: 100 GE = 29 NE + 44 HE + 7 WE + 20 FE Cá ăn thực vật : 100 GE = 20 NE + 37 HE + 2 WE + 41 FE 4.3. Phương pháp xác định nhu cầu năng lượng 5. Tích lũy và sử dụng năng lượng ở cá 5.1. Hình thức tích lũy năng lượng Lipid: Nguồn dự trữ chủ yếu Cá tầng nổi (mè, trắm..) dự trữ lipid nhiều hơn cá tầng đáy (chép, trê…) do nhiều O2. Dự trữ ở mô liên kết dưới da (chép, chình, ngừ), ở trong cơ và giữa các vách cơ (nục, hồi), ở trong xoang bụng, màng treo ruột (chép, vược..), trong gan Tích lũy dưới dạng triglycerid, phospholipid, sterol, cholesterol, acid béo tự do Cơ chế chuyển hoá năng lượng và vận chuyển lipid ME khẩu phần GAN Liponeogenesis Pyruvat carboxylase Tích luỹ mỡ ở gan Glucose Acetyl Co-A (theo con đường Acety Co-A carboxylase gluconeogenesis ) (phụ thuộc Biotin) Malonyl Co-A Axit béo + Methyl Vận chuyển tới mô mỡ dưới dạng lecithin Glycogen: Nguồn dự trữ quan trọng - Dự trữ đủ sử dụng trong 24giờ (0,5-1,5%P cơ thể) - 30-50% glycogen dự trữ biến thành NL - Định khu ở gan (8-10%P gan), cơ (0,01-1% P cơ), tim (1-2%P tim), não (0,1-0,5%). - Được sử dụng nhiều khi cá bị đói. - Glycgen ở cơ là NL trực tiếp cho vận động ở giai đoạn đầu, sau đó là từ lipid - Có sự phối hợp chặt chẽ trong sử dụng NL từ glycogen và lipid Protein - Mùa đông, P mất 10-30% (Lipid mất 40-60%) chủ yếu từ mô cơ và dịch cơ thể. - Bỏ đói dài ngày -> P mô cơ bị huy động để tạo NL - Trong quá trình di cư: P hao hụt 42-58% (Lipid là 94-98%) Các hợp chất cao năng (ATP, ADP, …) - Được tích lũy qua dị hóa thức ăn - Được huy động trực tiếp và nhanh chóng để cung cấp NL cho cơ thể 5.2. Sử dụng năng lượng 5.2.1. Mục đích sinh sản - Cường độ và quy mô phân giải lipid trước sinh sản. - Giảm Lipid ở GĐ I chín sinh dục (quá trình phân hóa), phân giải lipid chậm lại ở GĐ III và IV (quá trình sinh trưởng) - Lượng lipid dự trữ ban đầu trước thời kỳ sinh sản đẩy nhanh tốc độ chín sinh dục. Cá già tuổi dễ tích lũy lipid hơn -> Khối lượng gan lớn hơn - Khối lượng tuyến sinh dục tăng theo sinh trưởng -> mất Protein ở các mô nếu không cung cấp đủ từ thức ăn 5.2.2. Mục đích di cư - Di cư để củng cố loài, đa dạng cấu trúc quần thể, mở rộng phạm vi phân bố, cải thiện điều kiện sống và tăng tỷ lệ sống sót - Di cư trú đông: do nhiệt độ thấp -> thay đổi chỗ ở. Cá tích lũy Lipid trước khi di cư. Lượng Lipid càng cao cá càng nhạy cảm với nhiệt độ và độ tập trung của đàn (tín hiệu di cư) - Di cư sinh sản: do bản năng giống nòi, điều kiện sinh sản, thay đổi hoạt tính ở vùng dưới đồi, tuyến yên. Nghiên cứu tiếp tục để biết được đặc trưng của quá trình trao đổi lipid trong cơ thể cá chuẩn bị cho sinh sản. 5.2.3. Mục đích trú đông Lipid là nguồn NL cơ bản đảm bảo duy trì và trao đổi chất trong thời gian trú đông Mức độ TĐC và vận động giảm rất nhiều để tiết kiệm NL Lipid giữ cân bằng NL, giảm tác hại trực tiếp của nhiệt độ, tăng khả năng chống bệnh Tỷ lệ sống là chỉ tiêu đánh giá khả năng thích nghi của cá qua mùa đông BÀI TẬP a) Một hỗn hợp thức ăn gồm các thành phần như sau: - Protein: 40%VCK - Lipid: 12%VCK - Carbohydrate: 45%VCK - Premix khoáng: 3%VCK Biết rằng độ ẩm của hỗn hợp này là 15%, hãy tính OM (g) và GE của 1kg hỗn hợp (Kcal và MJ)? Cho GE (Kcal/g) của Protein là 5,5; Lipid là 9,1 và Carbohydrate là 4,1. b) Đem 5kg hỗn hợp này cho cá ăn trong một ngày đêm. Thức ăn còn thừa chiếm 20% tổng số thức ăn cho ăn. Hiệu suất sử dụng NE/GE là 30%; Năng lượng cho duy trì chiếm 20% NE. Hỏi năng lượng cá đã sử dụng cho sản xuất? c) Trong phân cá ăn hỗn hợp TĂ trên nguời ta thu được tổng số 204g CP; 40,8g Lipid; 765g HC và 71,4g Khoáng. Hỏi TLTH VCK, OM, CP, Lipid và khoáng? THẢO LUẬN NHÓM Giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng thức ăn đối với tôm, cá XIN CÁM ƠN