乙醇梭菌蛋白粉对水产动物生长和肌肉品质的影响

摘 要：乙醇梭菌蛋白是一种新型的非粮蛋白源，近年来在大菱鲆、南美白对虾和大口黑鲈等多种水产养殖品种中得到了应用评估。本文通过查阅国内外相关文献报道，从乙醇梭菌蛋白作为饲用蛋白源的营养价值、其对不同水产动物生长性能和肌肉品质的影响的角度进行了文献梳理，并结合现有的报道探讨了其影响水产动物生长和肌肉品质的机理。

关键词：乙醇梭菌蛋白；新型蛋白源；生长性能；肌肉品质特性

水产品是人们日常生活中重要的食物之一，含有丰富的蛋白质、维生素和多种矿物质^[1]。据估计，2018年全球鱼类产量已达1.79亿吨，食用鱼类的消费量从1961年的9.0 kg增至2018年20.5 kg，每年增长1.5%^[2]。我国是水产养殖大国，水产养殖产量从1991年不到800万吨增加到2019年5 000多万吨，快速发展的水产养殖对饲料及其蛋白源的需求越来越大^[3]。然而，我国适合水产动物饲料的蛋白源却十分紧缺，例如我国鱼粉年产量仅40万吨，进口量却为80万吨；作为主要饲料蛋白源的豆粕来自大豆，但2020年我国大豆的年产量不到2 000万吨，进口量却超过1亿吨。由此可见，我国饲料蛋白源高度依赖进口，蛋白源紧缺是影响我国水产养殖健康发展的“卡脖子”问题。

随着居民生活水平的提高，高品质已逐渐成为消费者对水产品的要求及定位标准^[4-5]。除了食品安全外，生长和肌肉品质分别是水产养殖者和水产品消费者关注的重要指标。而饲料中的蛋白源可能通过改变鱼体肌肉氨基酸及脂肪酸组成、风味物质和胶原蛋白的含量及肌纤维的结构影响水产品的营养价值及口感；亦或是通过改变色素沉积影响鱼体的外观色泽，即体色。因此，养殖动物的生长性能及肌肉品质特性是开发可替代鱼粉、豆粕等传统蛋白源的新型蛋白源的重要评估指标。本文通过查阅国内外关于乙醇梭菌蛋白在水产动物饲料中的应用报道，乙醇梭菌蛋白及其对水产动物生长性能和肌肉品质的影响进行综述，旨在为今后探明乙醇梭菌蛋白对水产动物品质影响机制，提高其在水产饲料中的应用效果提供参考依据。

1 乙醇梭菌蛋白

单细胞蛋白是未来开发可替代鱼粉的新型蛋白源的重要方向。20世纪初期，单细胞蛋白（Single-Cell Protein，简称SCP）的概念由麻省理工学院提出，用于指代可工业化大规模培养、作为人类食品或动物饲料原料的非致病微生物的细胞制成品，也称为微生物蛋白^[6-7]。SCP由微生物利用二氧化碳、甲烷、甲醇等一碳化合物生产，其产生过程可以有效减少碳排放、缓解温室效应，具有绿色、环保的特性^[8]。SCP含有丰富的蛋白质、氨基酸、维生素，以及核苷酸和免疫多糖等，其氨基酸组成及丰富度与鱼粉相似，可作为新型原料应用于水产业^[6，9-10]。

乙醇梭菌蛋白（Clostridium autoethanogenum protein，简称CAP）是一种重要的单细胞蛋白，它的菌种是由ABRINI等从兔子粪便中发现的一种革兰氏阳性细菌，它形态呈杆状、进行厌氧呼吸、通过孢子繁殖，并可利用一氧化碳作为能量和碳源^[11]。目前，乙醇梭菌的基因组序列已被获得，并通过菌种毒力测试、毒素基因分析等一系列检验，确定其安全无毒^[7]，可作为发酵菌种产生乙醇以及乙醇梭菌蛋白等环保能源与高蛋白饲料原料。随着单细胞生产工艺的不断完善，规模化生产单细胞蛋白具有较高的可行性。

党的二十大报告中强调“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”，积极稳妥推进碳达峰、碳中和，有计划、分步骤实施碳达峰行动，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系。水产养殖绿色、可持续的良性循环是未来行业发展的主流趋势，乙醇梭菌类细菌可以利用工业尾气中的CO进行固碳生长，每消耗36 000 t一氧化碳可生产10 000 t乙醇和1 500 t乙醇梭菌蛋白^[12-14]。因此，CAP不仅在生产途径上实现了工业废气的最大利用化，而且有利于推动我国早日实现“碳中和”“碳达峰”的宣言。

在营养特性方面，乙醇梭菌蛋白也具有较高的开发应用价值。一是CAP具有被水产动物消化利用的潜力^[15]，如具有良好的溶解性、粗纤维含量较低等；二是CAP含有丰富的蛋白质（可达80%），与一级超级蒸汽鱼粉蛋白含量相似，明显优于豆粕、棉粕和菜粕等传统的非粮蛋白源^[16-17]，这为开发高蛋白质含量的水产饲料提供了饲料原料组配的空间；三是具有较好的储存性能，其粗脂肪含量较低，可降低原料在储存过程中由于脂肪氧化导致产品变质可能性。因此，在水产养殖行业面对鱼粉供需矛盾加剧时，CAP是一种可替代鱼粉的潜在可开发利用的新型蛋白源。

2 乙醇梭菌蛋白对水产动物生长性能的影响

2.1 CAP对不同食性的水产动物的生长性能的影响

生长性能作为水产动物养殖业的重要指标，其主要指水产动物的末体重（FBW）、增重率（WG）和特定生长率（SGR）等。鱼类按照其食性不同分为草食性、杂食性、肉食性三类，CAP在不同食性鱼类饲料中添加比例不同。在对草食性鱼类的研究中，薛荣荣^[16]通过养殖实验证明CAP可替代草鱼饲料中的豆粕，其较优替代水平为12.75%。在对杂食性鱼类的研究中，Sahya Maulu^[18]发现CAP替代豆粕比例不超过10%可以提高吉富罗非鱼的机体免疫力，促进其生长；Cui等^[19]发现在含有420 g/kg鱼粉的基础日粮中，暗纹东方鲀饲料中20%的鱼粉可被CAP替代。在对肉食性鱼类的研究中，陈颖等^[20]发现黑鲷饲料中CAP的较优替代水平为58.20%；Zhu等^[15]发现幼年大口黑鲈的最佳CAP替代水平为49.80%。通过分析上述研究报道可知，乙醇梭菌蛋白在不同食性的鱼类中的替代水平不同，且整体上呈现肉食性＞杂食性＞草食性的趋势，这可能与不同食性的鱼类对CAP的吸收率以及机体代谢机理差异有关。

CAP在不同水产动物饲料中应用效果不同，在对鱼类的研究中，Sahya Maulu^[18]通过对吉富罗非鱼进行养殖试验，发现CAP可以显著提高其末体重、增重率和特定生长率。Zhu等^[15]发现CAP替代大口黑鲈饲料中的鱼粉不影响其FBW、WGR、SGR，并且与对照组相比，饲喂含CAP饲料的鱼显示出更高的蛋白质效率比。Cui等^[19]发现在含有420 g/kg鱼粉的基础日粮中，暗纹东方鲀饲料中20%的鱼粉可被CAP替代，而高水平的CAP则会造成日粮牛磺酸的缺乏和氨基酸吸收的不平衡，从而抑制其生长。在对吉富罗非鱼、大口黑鲈、暗纹东方鲀等多种鱼类的研究中，我们不难发现适量的CAP代替鱼粉对鱼类的生长性能无负面影响，有的甚至带来积极影响，但较高的替代水平则会抑制鱼类生长。在对虾类的研究中，姚文祥^[21]、姜雪冉^[22]、蔡友旺^[23]、Chen^[24]均通过养殖实验得出凡纳滨对虾饲料中CAP的较优替代水平为30%，但较高替代水平则对其生长性能有着不良影响。这可能CAP营养组成不同于鱼粉，不同养殖动物对CAP具有不同的耐受性。

2.2 对水产动物生长性能影响的作用机制

目前，对于CAP代替水产动物饲料中的鱼粉对其生长性能影响的作用机制研究主要集中在mTOR信号通路方面。雷帕霉素（TOR）是一种细胞信号通路成分，它可调节蛋白质合成、细胞骨架重塑与细胞内蛋白质降解^[25]。TOR信号通路对水产动物蛋白质合成代谢、摄食调控以及机体免疫等均有一定影响^[26]，进而影响水产动物的生长性能。特别其形成的复合体TORC１对调节动物机体营养物质的代谢有着重要影响。在蛋白质的合成代谢中，翻译起始是其重要的限速步骤^[27]，TOR途径激活使下游翻译阻遏蛋白4EBP-1和S6K1磷酸化，使4EBP-1失去活性，从而对eIF4E起始翻译的抑制作用降低，促进了蛋白质的翻译；同时磷酸化的S6K1使含嘧啶基因mRNA的翻译加快，进而调节蛋白质的合成代谢。

Maulu等^[28]发现，在饲料中添加50 g/kg、100 g/kg的CAP可以增强罗非鱼中4EBP-1和S6K1的表达，但TOR基因表达未见显著上调。但与其不同的是，姚文祥^[21]发现在凡纳滨对虾饲料中CAP替代30%鱼粉后，不影响4EBP-1和S6K1的表达，当替代70%鱼粉后，其表达量下降。Cui等^[19]通过实验发现CAP代替暗纹东方鲀饲料中的鱼粉可以提升其肌肉与肝脏中TOR基因的表达，但各组4EBP-1和S6K1的表达未见明显差异。可见CAP对不同的水产动物TOR的影响不尽相同，分析其原因可能是在不同实验中CAP替代的物质不同。除了上述mTOR信号通路，饲料中添加CAP还可能通过改变水产动物AMPK信号通路、体内激素水平、酶活性水平等进而影响水产动物的生长性能，但其具体作用机制仍需进一步探究。

3 乙醇梭菌蛋白对水产动物肌肉品质的影响

水产品品质是一个复杂的概念，是消费者的感官与水产品在视觉、嗅觉、触觉、味觉等层面的交互，即水产品品质是颜色、气味、滋味、口感等多方面的组合^[29]，鱼类的品质可以反映鱼类生活的营养状态及环境状况。而肌肉是水产动物被消费者食用的主要部分，其品质优劣性不仅是评价蛋白源替代鱼粉效果的重要指标，也是消费者关注的重要指标^[30-31]。与陆生畜禽动物相比，鱼类肌肉具有其独特性，鱼类肌纤维较短，蛋白质组织松散，水分含量高，有着独特口感。肌肉组织学特性（如肌纤维粗细、数量、密度等）和肌肉的营养价值（如氨基酸、粗脂肪、脂肪酸等）显著影响着鱼类肉质品质^[32]。

在肌肉组织学特性方面，肌肉的组织结构是决定肌肉硬度、咀嚼性等感官品质的主要因素。肌纤维作为骨骼肌的基本构成单位，约占肌肉体积的75%～90%，一定程度上影响着肌肉品质与结构。Rivero等^[33]通过研究发现，肌纤维越细、密度越大，其肌肉硬度变大；侯粲等^[34]发现虹鳟肌肉中结缔组织含量较少，肌纤维密度较大，其口感细腻。其他学者研究表明，鱼类肌肉生长的本质为肌纤维数目增加和纤维体积增大^[35]。其中肌纤维数目的增多主要依赖于肌源性干细胞的增殖分化，最终形成肌纤维，该过程主要受到生肌调节因子家族（Myogenic regulatory factors，MRFs）、肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）等众多因素的调控。究其机理，一方面MSTN通过特异性显著提高p21的表达，抑制细胞周期蛋白依赖性激酶2的活性，使肌细胞的生长停滞；一方面MSTN通过促进smad3的表达进而调节MRFs家族中myod与myogenin的表达活性，使肌细胞正常分化成多核肌管。Cai等^[36]通过对红沼泽小龙虾（Procambarus clarkii）的饥饿试验发现重新喂食后小龙虾MSTN的表达被抑制，进而恢复了小龙虾肌肉纤维的特性。与之相似的，Wu等^[37]通过在大黄鱼饲料中添加乙醇梭菌蛋白发现，CAP75组与CAP100组肌肉生长抑制可能受MRFs与MSTN的调节。而肌纤维体积的增大主要依赖于肌纤维内蛋白质的沉积，这主要受雷帕霉素靶蛋白复合体1（TORC1）信号通路与eIF2B-eIF2通路的调节，其中eIF2B-eIF2通路影响蛋白质合成速率的关键在于eIF2B的活性，这主要受eIF2α亚基与eIF2Bε亚基的磷酸化的调控。少量磷酸化的eIF2α就可显著抑制eIF2B的活性^[38-39]，进而影响肌纤维中蛋白质的合成。