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Ontogenetic shifts in digestive enzyme kinetics drive age-dependent in vitro digestibility outcomes for fungal biomass and conventional ingredients in Oncorhynchus mykiss

本研究表明，真菌生物量与虹鳟鱼中传统原料相比的体外消化率具有高度的年龄依赖性，这是由胃肠道酶动力学的非线性发育阶段转变所驱动的，这种转变导致在较年长（2+）的鱼类中真菌蛋白比鱼粉更易被水解，但在较年轻（0+和1+）的鱼类中则不然。

原作者： Mahtab Mohammadi, Enric Gisbert, Mohammad J. Taherzadeh, Amir Mahboubi Soufiani

发布于 2026-10-05

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原作者： Mahtab Mohammadi, Enric Gisbert, Mohammad J. Taherzadeh, Amir Mahboubi Soufiani

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

全球水产养殖业——即通过养殖鱼类供人类食用——正面临着一个日益增长的困境。为了喂养数十亿条养殖鱼，生产者长期以来一直依赖鱼粉，这是一种由捕捞的野生海洋生物制成的蛋白质来源。这种做法使海洋生态系统承受压力，促使人们转向大豆和小麦等植物性替代品。然而，这些陆地作物带来了自身的问题，包括森林砍伐以及与人类食物供应的竞争，而且它们往往缺乏鱼类茁壮成长所需的营养平衡。作为回应，科学家们正转向另一种类型的蛋白质：真菌生物量。通过发酵有机物培育出的这些微型真菌，提供了一种可持续且可规模化的营养来源。但在这些真菌能够取代传统原料之前，研究人员必须了解鱼类的身体对其进行分解和吸收的效果如何。这个过程并非静止不变的；随着鱼类从微小的幼鱼成长为巨大的成年鱼，它们的消化系统会发生剧烈的变化，就像人类儿童的胃与成年人的胃不同一样。如果科学家仅使用一个年龄组来测试新的饲料成分，就有可能对食物在现实世界中的表现产生误导性的认知。

一个研究小组致力于通过研究虹鳟鱼在生命周期中三个不同阶段的表现来解决这一难题：重约100克的幼鱼、重约700克的中型鱼，以及接近3,000克的大型成年鱼。研究团队并没有采用喂食并等待数月观察其生长情况的方法，而是使用了一种模拟鱼类消化道的实验室方法。他们收集了鱼类的胃部和肠道组织，提取了负责消化的天然酶，并测试了这些酶与六种不同蛋白质来源的相互作用。这些来源包括标准的鱼粉、豆粕和麦麸蛋白，以及三种在实验室培育的真菌生物量。研究人员仔细测量了酶的速度和效率，并注意到这些生物工具的化学行为在每种鱼的大小下并不相同。他们发现，最年轻鱼类的酶在低浓度食物下工作效果最好，而最大鱼类的酶表现则不同，显示出在面对过多食物时速度会放缓的倾向。

当团队进行模拟消化实验时，结果显示出一种取决于鱼类年龄的惊人性能逆转。对于幼鱼和中型虹鳟鱼，传统的鱼粉最容易消化，酶能分解超过一半的蛋白质。真菌蛋白质表现良好，但并未完全达到鱼粉的水平，而植物性成分则最难分解。然而，对于大型成年鱼，情况发生了彻底的变化。在这些较年长的样本中，鱼粉变得异常难以消化，酶仅能分解其约14%的蛋白质。相比之下，两种真菌成分（特别是来自中间新孢菌 Neurospora intermedia 和荣 гри亚菌 Aspergillus oryzae 的品种）成为了最易消化的选择，其酶能释放近28%的蛋白质。对于这一年龄组，植物性成分依然是最难消化的。

研究人员将这种转变归因于鱼类消化酶随成熟而发生的性质变化。幼鱼拥有的酶能够高效地捕捉并快速分解简单蛋白质，这非常适合易消化的鱼粉。随着鱼类的生长，它们的消化策略发生了转变。大型成年鱼发育出了更适合缓慢、持续分解复杂猎物的酶，这一特性无意中使得标准鱼粉在实验的短时间内难以被处理。然而，真菌蛋白质似乎具有一种独特的结构优势，适合这些年长的鱼类。研究表明，成年鱼的胃酶可能具有一种特定的能力，可以削弱真菌坚韧的外壁，从而让内部的蛋白质比植物性饲料中僵硬的结构更容易被释放和有效消化。这一发现强调了“最佳”饲料成分并非一个固定的选择，而是完全取决于鱼类所处的生命阶段。

该研究还排除了真菌在没有鱼类帮助的情况下仅在胃内自行分解的可能性。虽然某些真菌成分确实表现出轻微的自我消化能力，但绝大部分的蛋白质分解是由鱼类自身的酶驱动的。此外，研究人员指出，如果之前的研究没有考虑到这些与年龄相关的变化，那么比较这些成分的研究可能会产生误导。例如，另一项研究曾暗示一种真菌优于另一种，但目前的研究表明，这种排名会根据鱼是年轻还是年长而发生反转。团队得出结论，要创造真正高效且可持续的水产养殖饲料，营养学家必须停止将所有鱼类视为具有相同的消化需求。相反，他们必须设计出与鱼类每个阶段的具体酶促能力相匹配的饮食，以确保像真菌生物量这样的替代蛋白质能在其表现最佳的环节得到应用。

技术摘要：虹鳟鱼消化酶动力学的发育性转变与年龄依赖性体外消化率

问题陈述
水产养殖业正面临着由依赖有限海洋资源（鱼粉）以及陆基植物替代品（如森林砍伐、抗营养因子）的生态与营养局限性所驱动的可持续性危机。真菌生物质（真菌蛋白）已成为一种极具前景的替代蛋白来源；然而，其营养验证传统上依赖于高成本的体内试验。现有的体外消化模型往往未能考虑到鱼类胃肠道（GIT）的发育过程。现有文献大多采用单一生命阶段模型，这可能导致误导性的结果，因为从幼鱼到成鱼，消化生理、酶谱和形态成熟度都会发生显著变化。本研究旨在填补理解研究空白，即探讨年龄依赖性的酶动力学如何影响真菌生物质与传统原料在虹鳟鱼（Oncorhynchus mykiss）中的体外消化率。

方法论
本研究采用了改进的体外消化方案，该方案改编自 INFOGEST 框架，并使用了具有生理相关性的酶提取物而非商业酶。

实验对象： 从三个不同的年龄组中采集消化组织：0+（约 100 g）、1+（约 700 g）和 2+（约 3000 g）的虹鳟鱼。
原料： 测试了六种蛋白质来源：三种真菌菌株（Neurospora intermedia、Aspergillus oryzae、Rhizopus oligosporus）和三种传统原料（鱼粉、烘烤豆粕、小麦蛋白）。
酶动力学： 制备了胃肠道酶提取物，并针对不同底物浓度进行了动力学建模。胃部活性在 pH 2 条件下使用血红蛋白进行测定，肠道活性在 pH 8 条件下使用酪蛋白进行测定。通过 Michaelis-Menten、Hill 和底物抑制模型确定了动力学参数（ $V_{max}$ 、 $K_m$ 和抑制常数 $K_i$ ）。
消化率测定： 在 13°C 下进行了两阶段消化（2 小时胃部消化，pH 2；4 小时肠道消化，pH 8）。根据每个年龄组的特定动力学参数对底物浓度进行标准化（目标为胃部 $2 \times K_m$ ，肠部则受限于 $K_i$ ）。基于释放的游离初级氨基相对于总氨基酸的比例计算了水解度（DH%）。

关键结果

酶动力学的发育性转变：
- 胃部酶： 在所有年龄组中均遵循 Michaelis-menten 动力学。 $V_{max}$ 值呈非线性波动：11.02 (0+)、7.85 (1+) 和 15.71 $\mu$ mol mg $^{-1}$ min $^{-1}$ (2+)。 $K_m$ 随年龄增长而增加（从 0+ 的 0.36% 增加到 2+ 的 1.21%），表明酶从幼鱼的高亲和力向成鱼的低亲和力转变，其中 1+ 阶段代表了催化能力的过渡性最低点。
- 肠道酶： 表现出底物抑制动力学。抑制常数（ $K_i$ ）差异显著：0.55% (0+)、3.99% (1+) 和 2.02% (2+)。0+ 阶段表现出最强的抑制作用，暗示存在一种防止在快速生长期间发生自噬的调节机制，而成年鱼对底物抑制的敏感性较低。
年龄依赖性消化率结果：
- 0+ 和 1+ 鱼类： 鱼粉表现出最高的分解率（49–55%），其次是 N. intermedia (39–43%) 和 A. oryzae (~40%)。植物性原料（豆粕、小麦蛋白）和 R. oligosporus 的水解率最低（21–29%）。
- 2+ 鱼类： 发生完全的等级倒置。N. intermedia (27%) 和 A. oryzae (28%) 成为水解程度最高的原料，显著优于鱼粉 (14%)。
- 自身水解： N. intermedia 和 A. oryzae 表现出显著的内源性蛋白水解活性（自身水解），这有助于提高其 DH 值，尤其是在鱼类酶基线水平较低的 2+ 年龄组中。

主要贡献

动力学标准化： 本研究建立了一种表征不同鱼类体型类别精确酶动力学的方法，从而实现体外分析参数（底物与酶的比例）的标准化，超越了静态模型。
动态消化率： 研究证明，蛋白质消化率并非原料的一种静态属性，而是一个动态变量，本质上取决于鱼类生命阶段与原料结构基质之间的相互作用。
真菌蛋白评估： 研究提供了对比数据，表明虽然鱼粉对幼年鳟鱼而言更优，但特定的真菌蛋白（N. intermedia、A. oryzae）在成年鳟鱼中可能具有更优或相当的消化率，这挑战了“鱼粉在所有阶段都是最具消化性蛋白质来源”的假设。

意义与主张
本文声称，对饲料原料的营养评估不能依赖于单一发育阶段。研究结果强调，原料排名并非静态，而是取决于原料结构与鱼类消化特征在特定年龄的特定相互作用。

生理学见解： 酶动力学的转变（从幼鱼的高亲和力/低容量向成年鱼的低亲和力/高容量转变）反映了代谢重心的重新定向：从快速躯体生长转向代谢维持与繁殖。
方法论意义： 将成年鱼的体外模型应用于幼鱼饲料（或反之亦然）在科学上是不合理的，并可能产生错误的结果。本研究提倡在体外消化率评估中使用针对年龄的方法，以准确指导水产饲料配方。
真菌蛋白潜力： 真菌蛋白，特别是子囊菌门菌株，显示出作为竞争性替代来源的潜力，其表现相对于鱼粉的表现高度依赖于目标鱼龄组。研究表明，真菌细胞壁的结构复杂性与不断演变的鳟鱼酶能力有着不同的相互作用，特别是在成年鱼阶段，其中胃部几丁质酶活性与真菌自溶作用可能发挥协同作用。

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