【很长，但很专业】鱼粉替代品及其对水生动物免疫和肠道功能的影响

Venerability Dharet al. Comparative Immunology Reports

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cirep.2024.200171

【摘要】长期以来，鱼粉一直是水产饲料行业的主要原料。然而，随着水产养殖行业持续快速增长，其对鱼粉的严重依赖受到资源限制和可持续性的限制。因此，研究越来越关注水产饲料制备的替代蛋白质来源。通过确定不损害鱼类和贝类生长的替代品，这一转变获得了成功。虽然替代蛋白质可以在不同程度上替代鱼粉，但它们的作用是有物种特异性和剂量依赖性的。同时许多替代品缺乏合适的微量营养素成分，同时可能含有损害动物生长的有毒元素。植物性蛋白质可能会改变肠道菌群并引起适度的肠道炎症，但它们也可能适度增强免疫反应。微生物和动物来源的蛋白质可以增强抗氧化能力和抗病性。关于水生动物的研究报告仍然零散有限，还需要系统评估，重点关注此类替代引起的免疫和肠道损伤。本综述探讨了用替代蛋白质来源替代鱼粉对水产养殖中水生动物免疫功能和肠道健康的影响。它综合了基于植物、动物和微生物的蛋白质替代品的研究，评估了它们对宿主微生物组、免疫能力、抗病性和肠道组织形态学的影响。最后，它强调需要对特定物种和特定成分进行评估，以优化水产饲料，并确定长期影响和潜在机制方面的差距。

1. 背景介绍

近年来，由于对海鲜需求的增加和野生鱼类种群的减少，水产养殖业迅速扩张。然而，由于对环境的担忧，特别是对鱼粉在水产饲料中的使用的担忧，水产养殖方法的生态影响正受到更多的考验。鱼粉通常从海洋鱼类中获得，由于其高营养价值和对各种水生生物的吸引力，通常被用作水产饲料的主要蛋白质来源。然而，鱼粉的有限供应和不断增加的费用，以及维持可持续性的困难，促使人们努力寻找水产饲料的替代蛋白质来源。在水产饲料中用其他蛋白质来源代替鱼粉作为提高水产养殖业务可持续性的一种方法引起了相当大的关注。研究人员已经研究了来源于植物、微生物和昆虫的多种蛋白质，作为水产饲料中鱼粉的可能替代品。这些替代品有可能提供优势，例如对野生鱼类种群的依赖性较低，对环境的影响较小，成本效益更高。然而，替代鱼粉对水生动物免疫功能和肠道健康的影响仍然是一个讨论和研究的话题。了解替代鱼粉对免疫和消化功能的影响对于确保养殖水生动物的健康和护理至关重要。免疫系统和胃肠道在保护水生生物免受感染、维持生理平衡和最大限度地利用营养方面至关重要。饲料蛋白质来源的改变会影响免疫反应、肠道微生物群的组成、肠道的结构和粘膜的完整性，这些变化有可能影响疾病易感性、生长性能和一般健康状况。

尽管鱼粉是动物饲料中最受欢迎和最有效的蛋白质来源，但它也有一些缺点，其中最重要的是成本高昂，这导致渔民和其他利益相关者寻找其他解决上述问题的方法。因此，植物源成分、昆虫粉、细菌粉等可以有效地用作鱼粉的替代品。尽管如此，每种物质和来源都有一些必须接受和适当处理的缺点。例如，当鱼类饲料中使用植物性成分时，肠道炎症疾病是一个值得关注的问题。由于肠上皮是抵御侵袭性病原体的第一道防线，除了肠的形态变化外，对这一屏障的任何破坏或损伤都可能导致上皮免疫系统的广泛激活、炎症反应、屏障功能降低，最终增加病原体的易位和疾病易感性。此外，豆粕中常见的肠炎诱导物质可能会引起肠道刺激。肠道特别容易受到有害物质的影响，因为它是第一个接触摄入饲料的组织，对身体有各种影响。因此，任何影响重要肠道功能的物质都会对鱼类健康构成风险。

因此，本综述试图全面评估有关替代鱼粉对水生动物免疫和胃肠功能影响的现有知识。本综述旨在通过结合现有和确定缺乏理解的研究领域，从这次研究中获得的知识将指导未来的研究工作，促进环保水产饲料成分的创造，并促进具有生态意识的水产养殖方法的进步。

2.1植物性饲料替代：对宿主微生物组的影响

研究了用超微粉碎混合植物蛋白（uPP）来研究提高鱼粉替代率的效果。他们发现，5%uPP的内含物上调了与炎症相关的基因（如NF-B p65、TNF-、IL-1、IL10和TGF-等基因）的肠道表达，并降低了HIF-1的表达。在进行的一项研究中，对斑点叉尾鮰（Ictalurus punctatus）进行了酿酒酵母培养物部分替代鱼粉的研究。制备了两种等量的氮和能量饲料：一种是含有10%鱼粉的基础饲料（对照组），另一种是用酵母培养物代替20%鱼粉的实验饲料（RFM）。这些饲料被喂给斑点叉尾鮰持续12周。虽然RFM组中肠和肝脏中NF-κB的表达显著降低，但肠HIF1基因的表达显著增强。该研究还表明，与HFM-0相比，LFM-0饲料增加了前肠和中肠的LPW（固有层宽度）和SMW（粘膜下层宽度），但HFM饲料的影响更为明显。在大口黑鲈（Micropterus salmoides）的饲料中，小球藻（ChM）、自生乙醇梭菌（CAP）和棉籽蛋白浓缩物（CSM）完全替代了鱼粉，绒毛高度或宽度显著降低，但藻类蛋白组中绒毛没有明显变化。通过调节胰腺分泌、蛋白质消化和吸收、肝胰腺转录组分析显示，CAP的过量摄入对蛋白质合成和营养物质的使用产生了有害影响。CSM肠道微生物群的高通量测序表明，有害细菌种类（变形杆菌属、不动杆菌属）的数量增加。相反，在CAP和ChM中，有更多有益的细菌种类（厚壁菌门、拟杆菌门和鲸蜡菌门）。

在其他研究中，研究了植物蛋白浓缩物的效果，特别是1:1比例的大豆蛋白浓缩物（SPC）和豌豆蛋白浓缩液（PPC），以三种不同水平鱼粉替代试验饲料的形式提供，包括25%（PP25）、50%（PP50）和75%（PP75）。鱼饲试验饲料与对照组显示出许多差异，包括远端肠（DI）固有层（WLP）宽度增加，杯状细胞（GC）增多，前肠（AI）粘膜褶皱高度（MFH）缩短。与对照组相比，给予PP50饲料的鱼在幽门盲肠中表现出亮氨酸氨基肽酶（LAP）活性增加，在大肠（MI）中表现出糜蛋白酶（CHY）活性降低。

2.2动物性饲料替代：对宿主微生物组的影响

根据对肠道组织形态计量学的检查，喂食低鱼粉（LFM）饲料的鱼表现出肠道炎症的迹象。商业饲料添加剂LUMANCE®（0.2%和0.5%）和NOVIGEST®（0.4%）在添加时显示出一些调节作用，最明显的是增加了肠中的肠绒毛长度和固有层宽度。在LFM-0.6和LFM-0.9组中，也观察到上皮内细胞数量增加、粘液分泌增加和肝空泡减少，但没有统计学意义。消化酶，被视为消化能力，在鱼类吸收营养的能力中起着重要作用。此外，由于它们与饲料消化率直接相关，消化酶活性在这项评估中也非常重要。胰蛋白酶被认为是蛋白质消化中的关键酶，因为在消化蛋白酶中，它会激活其他最初作为无活性酶原产生的酶，如胰凝乳蛋白酶或碳肽酶。

2.3. 微生物粉替代：对宿主微生物组的影响

有人进行了一项研究，用甲烷氧化菌（Methylococcuscapsulatus，Bath）细菌粉（FeedKind®，FK）代替鱼粉（FM）的效果，其中六种等氮饲料用FK配制以代替FM（对照组，FM含量：35%）。肠道菌群分析显示，在FK浓度为7%和10.5%的处理组中，乳杆菌的相对丰度——拟杆菌属、厚壁菌门和变形菌门——约占整个肠道菌群的70%。与FM组相比，给予7%和10.5%FK饲料组显示出较高的乳杆菌相对丰度。

此外，根据植物成分、水产养殖副产品、藻类油、昆虫粉和细菌发酵生物质作为主要膳食油脂和蛋白质来源，评估了无FM饲料（NoPAP SANA）的效果。结果显示，肠道细菌组成的多样性或门水平没有显著差异。当鱼的饲料中用酵母培养物代替基础饲料中20%的鱼粉时，厚壁菌门的相对丰度都有上升的趋势。在研究中，未发现幼年金边鲷（Sparus aurata）的前肠和中肠存在HFM-0饲料和LFM-0饲料之间的差异，该研究考察了两种商业饲料添加剂Lumance®（0.2%和0.5%）和Novigest®（0.4%）在添加到高（HFM-0）和低鱼粉（LFM-0）饲料中时的调节作用。

 然而，当在HFM饲料中添加0.5%的Lumance®时，前肠的GC指数确实略有上升。与此类似，在LFM-0饲料中添加两种添加剂后，中肠指数略有上升。根据对用MBM代替鱼粉（FM）对消化酶活性的影响的分析，用MBM喂养的鱼饲料中的胰蛋白酶和脂肪酶活性往往会降低，但胃蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性随着添加MBM而呈显著增加的线性模式。在研究中，使用Methanotroph细菌粉（FeedKind®，FK）代替鱼粉（FM），含3.5%FK的添加量显示出明显更高的胰蛋白酶和脂肪酶活性，而其他组的值与FM组相当。

3.1植物性饲料替代鱼粉：对免疫能力和抗病性的影响

根据研究发现，黑石斑鱼（Sebastes schlegelii）幼鱼被饲喂含各种蔬菜和果汁副产品的饲料添加剂，如大蒜汁加工副产品（GLJB）、雪莲果汁加工副产物（YCJB）和蓝莓汁加工副品（BBJB），以评估其溶菌酶活性。研究发现，与对照组相比，这些添加剂显著提高了溶菌酶活性。此外，与喂食对照饲料的鱼类相比，所有富含植物汁加工副产品的饲料都提高了哈维氏弧菌治病攻击后的鱼类存活率。在一项研究中测试了小球藻（ChM）、自乙醇梭菌（CAP）和棉籽蛋白浓缩物（CSM）作为替代鱼粉的潜在蛋白质来源，以了解它们在大口鲈鱼（Micropterus salmoides）中的效果。根据研究结果，CSM的肠道丙二醛水平明显高于ChM，CSM的超氧化物歧化酶活性明显低于CAP。此外，CSM显著降低了抗炎细胞因子il-10和tgf-β的表达，增加了促炎细胞因子il-8、il-1β和tnf-α的表达。相比之下，CAP和ChM减少了肠道炎症，改善了肠道屏障的完整性，标志物基因表达的增加证明了这一点。

与对照组相比，用RPC替代FM高达25%导致肠道细胞因子IL-1β、IL-10β、TGF-β和TNF-α的mRNA水平升高，表明免疫系统受到非特异性刺激。在感染维氏气单胞菌的鱼类中，RPC75组的累积死亡率最高，其次是RPC50、RPC25和对照组。因此，确定建议尼罗罗非鱼的RPC掺入水平达25%，以提高抗氧化能力、免疫能力和抗病性。

3.2动物源饲料替代：对免疫能力和抗病性的影响

此外观察到，与对照组相比，在饲料中添加罗非鱼蛋白水解物（TPH）可以提高银绒螯蟹幼鱼对鳗弧菌的抗病性，并提高溶菌酶活性。在一项为期12周的研究中，研究了用脱脂黑战士幼虫粉（PD-BSLM）代替鱼粉中全部或部分蛋白质的效果。他们的研究结果表明，给予更高剂量PD-BSLM组在非特异性免疫标志物如血清溶菌酶、IgM、一氧化氮以及抗炎细胞因子IL-10和TGF-β的表达方面有所上升。在PD-BSLM的100%添加水平下，促炎细胞因子基因（IL-1和TNF-）下调，但饲料干预对血清C-反应蛋白没有影响。

3.3微生物粉替代：对免疫能力和抗病性的影响

研究了用自乙醇梭菌蛋白（CAP）代替鱼粉的饲料效果，发现所有鱼粉替代组都增加了血清天冬氨酸氨基转移酶和酚氧化酶活性，CAP45和CAP-70组增加了溶菌酶活性。血清抗氧化标志物，包括T-AOC、SOD、CAT、GSH和MDA，可用于衡量个体的抗氧化能力。在一项研究中，饲料MBM似乎对不同的抗氧化系统有不同的影响，其中饲料鱼粉（FM）被不同量的MBM（嗜甲烷菌粉）替代。所有替代组的CAT活性均显著降低。当替代水平达到80%MBM时，通过用甲烷氧化菌（荚膜甲基球菌）细菌粉（FeedKind®，FK）替代鱼粉（FM），发现ACP和AKP的活性随着饲料中FK含量的增加而显著降低。与对照组相比，两种磷酸酶的活性都降低了，这一事实表明，在饲喂FK饲料的鱼中，FK不会引起炎症或应激反应。两种磷酸酶都参与抗炎和免疫反应；此外，当10-20%FM被FK替代时，溶菌酶和C4活性会增强，表明FK可能在较低的替代下具有免疫刺激作用。然而，SOD活性和GSH含量显著降低。根据研究表明，在用维氏气单胞菌和嗜水气单胞菌攻击后，含RFM组的斑点叉尾鮰存活率显著提高。RFM饲料产生的肠道微生物群大大增强了对维氏气单胞菌Hm091和嗜水气单胞菌NJ-1的抗病性。

4.鱼粉替代对甲壳动物免疫消化系统的影响

甲壳类动物和无脊椎动物一样，主要依靠其固有的免疫反应来防御和保护自己免受疾病的侵害。先天免疫系统由细胞免疫和体液免疫反应组成。细胞免疫反应主要发生在血细胞中，细胞膜上的各种模式识别受体（PRR）通过吞噬、凋亡、结节形成和包囊来识别和清除病原体。相比之下，体液免疫反应主要依赖于血淋巴中含有的免疫成分，如酚氧化酶（proPO）、凝集素、抗菌肽（AMP）等。有人说，饲料中包含的元素会影响虾的免疫系统，而蛋白质水平会影响饲料中的免疫系统。例如，使用豆粕作为蛋白质来源会降低非特异性免疫反应，但用乳杆菌发酵豆粕可以减轻不利影响。一项研究发现，在配方饲料中添加100 g/ kg羽扇豆仁粉可以通过增加酚氧化酶活性来改善虾的免疫状态。另一项研究表明，25%的钝顶螺旋藻替代水平改善了个体免疫标志物，包括颗粒血细胞百分比的增加。

蛋白质的膳食成分显著影响免疫标志物、抗氧化反应和肠道健康，影响整体健康表现和甲壳类动物对感染的抵抗能力。此外，已经发现免疫系统和代谢系统之间存在密切关系。当免疫系统活跃时，能量和代谢底物需求急剧上升。免疫系统主要从食物中获得这些代谢底物，食物提供能量，并作为产生新细胞、效应器（如抗体、细胞因子和急性期蛋白）和保护分子（如谷胱甘肽）的前体。甲壳动物严重依赖氨基酸和/或其代谢产物来调节其免疫系统。例如，一项研究表明，在饲料中添加2.7-3.7%的精氨酸可以提高幼年中华绒螯的免疫力和抗病性。在一项类似的研究中，赵等人研究了组胺对中华绒螯蟹存活和免疫参数的影响。他们发现组胺增加了PO和SOD活性，同时降低了THC、ACP和AKP。

消化酶活性表明了动物消化和吸收饲料营养素能力的最基本生理反应。Wang等人研究了用棉籽浓缩蛋白（CPC）代替鱼粉对凡纳滨对虾的生长性能、免疫反应、消化能力和肠道微生物群的影响，得出的结论是CPC增加了肠道中消化酶的活性。Lin和Chen研究了发酵豆粕（FSBM）替代鱼粉的效果，并得出结论，建议适当的替代量为75%，以提高白虾的营养消化率。Lin等人发现，用大米蛋白粉代替10%的鱼粉可以显著提高消化率、蛋白质合成、抗氧化能力和抗病性。

在评估甲壳类动物——虾饲料中植物性膳食替代的影响时，图1说明了对宿主微生物组相互作用的显著影响。从传统鱼粉到植物替代品的转变导致肠道微生物群组成的显著变化，进而影响免疫反应和消化率。如图1所示，这些微生物的变化可能会增强或阻碍虾有效地消化植物性蛋白质的能力，这突显了优化这种饲料变化以维持免疫健康和消化功能的重要性。

5.抗氧化能力效应

尽管对抗氧化能力的影响各不相同，但新型蛋白质饲料在后续的实验阶段显示出优异的生长性能。小球藻饲料增强了抗氧化活性，而棉籽浓缩蛋白饲料降低了抗氧化活性。这些发现来自最近的水产养殖研究，旨在通过评估替代蛋白质来源，如黄粉虫、棉籽蛋白浓缩液、自乙醇梭菌和小球藻，减少对鱼粉的依赖。一项平行研究首次评估了红鲷饲料中的发酵菜籽粕（RM Koji）。RM Koji的中等替代水平（25%和50%）产生了多方面的益处：支持生长、提高营养利用率、刺激免疫反应和增强抗氧化防御。用RM替代高达50%的鱼粉可以保持生长速度和饲料效率，同时显著提高免疫参数和抗氧化状态。这些结果强调了新型蛋白质来源在可持续水产养殖发展中的潜力。

水产养殖饲料中的替代蛋白质来源对不同物种的鱼类抗氧化能力产生了不同的影响。水解豆粕（HSM）已成功替代银鲶日粮中高达20%的鱼粉，促进生长和抗氧化能力。同样，用钝顶螺旋藻和0.3%的多糖提取物代替3-6%的鱼粉可以提高大口黑鲈的抗氧化防御能力。在尼罗罗非鱼中，补充5%和7.5%的干牛血红蛋白（DBH）可增强肝脏抗氧化参数，上调脾脏中的相关基因表达，并降低丙二醛水平。当40%的鱼粉被发酵豆粕（FSM）替代时，金鱼（鲫鱼）的血清总抗氧化能力、过氧化物酶活性和免疫球蛋白M水平显著提高。相比之下，幼年杂交种日粮中棉籽蛋白浓缩物（CPC）比例的增加降低了总超氧化物歧化酶（T-SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性。然而，虹鳟显示出适度的抗氧化和免疫功能改善，50%的昆虫蛋白替代，丙二醛和酸性磷酸酶水平降低就是明证。这些发现强调了进行物种特异性和特异性恒分评估以优化水产饲料配方的必要性，同时考虑到替代蛋白质来源对鱼类抗氧化系统的可变影响。

图1植物性原料替代对甲壳类虾宿主微生物群的影响

6. 增强肠道屏障功能

膳食成分和免疫功能之间的复杂相互作用强调了继续研究的必要性，特别是在阐明益生元对免疫反应的直接影响方面。这些功能分子因其增强上皮屏障完整性、培养有益的肠道微生物群和增加中间代谢物（如短链脂肪酸（SCFA））的产生而受到关注，这些代谢物在维持免疫系统稳态方面起着至关重要的作用。反过来，益生菌已被证明可以通过与多种物质的多方面相互作用来调节肠道环境的炎症反应。它们与肠上皮、M细胞和先天免疫成分（包括树突细胞和其他抗原呈递细胞）结合。此外，益生菌通过刺激粘液分泌和抗体产生来增强粘膜屏障功能。

最近对水生物种的研究阐明了替代蛋白质来源对肠道健康的微妙影响。在大西洋鲑鱼中，饲料中的产朊假丝酵母诱导水通道蛋白8ab下调，而不影响生长或肠道健康。同样，斑马鱼用昆虫粉部分替代鱼粉可以保持肠道形态和功能基因表达，表明其作为可持续替代品的可行性。

对饲料添加剂的调查却得出了不同的结果。豆粕中的功能性复合添加剂在不改变肠道菌群的情况下缓解了日本鲈鱼的肠炎。相反，棉籽粕的高含量显著降低了幼年金龟子的微生物多样性，可能损害肠道屏障功能。

这些发现强调了不同物种饲料-肠道免疫相互作用的复杂性，并强调了有必要进行有针对性的研究，以优化平衡生长性能和肠道健康的饲料配方。随着理解的加深，水产养殖及其他领域的创新营养策略将会出现。

7. 结论

总之，本综述为水产养殖中蛋白质-肠道健康-免疫相互作用提供了有价值的见解。它强调需要进行物种特异性和成分特异性评估，以优化水产饲料配方。展望未来，研究应侧重于了解替代蛋白质使用的长期后果，并制定减轻潜在不利影响的策略。通过仔细选择和组合替代蛋白质来源，可以配制出功能性水产饲料，支持最佳生长，增强健康和生产效益，同时促进环境可持续性。这种整体方法对水产养殖业的未来发展至关重要。