整合代谢组学与理化分析：黑水虻生物转化裂殖壶菌残渣生产高附加值ω-3产品的创新路径

本研究针对微藻加工残渣中ω-3脂肪酸资源浪费问题，通过黑水虻幼虫(BSFL)生物转化技术，创新性地整合多组学分析与理化表征技术，成功实现ω-3脂肪酸含量从1.18%提升至17.37%，n-6/n-3比率降至0.62，并揭示其通过直接同化膳食PUFAs而非从头合成的富集机制，为藻类废弃物的高值化利用和功能性食品开发提供新范式。

　　

在全球微藻加工行业快速发展的背景下，每年产生大量富含ω-3脂肪酸的加工残渣，这些残渣既是有待开发的宝贵资源，也面临着废弃物处理的严峻挑战。裂殖壶菌(Schizochytrium)作为工业化生产ω-3脂肪酸的主要菌株，其加工残渣(SCR)仍含有大量未被充分利用的生物活性化合物。传统的处理方式如堆肥和厌氧消化存在ω-3脂肪酸利用效率低、渗滤液污染环境等局限，而新兴技术如水热液化虽能提取生物活性成分，但高昂成本制约了其广泛应用。与此同时，市场对二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)的需求持续增长，已超过24.1万吨，开发SCR的可持续增值策略迫在眉睫。

黑水虻幼虫(BSFL)因其高效的有机废弃物转化能力而备受关注，能将有机废弃物转化为富含蛋白质(40-43%)和脂质(21-38%)的生物质。然而，BSFL自身脂质以月桂酸(C12:0)为主(31-54%)，ω-3脂肪酸含量极低(0.5-3.2%)。通过底物优化可实现BSFL营养成分的定向调控，但现有研究多集中于宏量营养素量化，缺乏对小分子代谢物的系统分析，对黑水虻幼虫油(BSFLO)理化特性和幼虫浆液抗氧化功能的综合评价不足，生物活性成分富集的代谢通路机制尚不明确。

针对这些科学问题，南开大学生命科学学院的张雅茹等人开展了创新性研究，成果发表在《Future Foods》上。研究人员通过整合生长性能评估、理化特性分析、抗氧化活性检测和代谢组学技术，系统探究了SCR对BSFL生长性能、营养成分、脂质特性和代谢通路的影响，揭示了SCR促进ω-3脂肪酸富集的机制，为SCR的高值化利用和定制化ω-3强化BSFL产品开发提供了理论依据。

研究采用的主要技术方法包括：使用实验室饲养的黑水虻幼虫(武汉品系)进行为期10天的饲养实验；通过数学模型计算幼虫生长性能和生物转化效率；采用国家标准方法分析近似成分和氨基酸组成；使用气相色谱分析脂肪酸组成；结合傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)和X射线衍射(XRD)表征BSFLO的理化特性；采用试剂盒测定抗氧化指标；运用HPLC-QE非靶向代谢组学技术分析代谢物变化。

3.1. 生长性能和生物转化效率

SCR添加显著提升了BSFL的生长性能和生物转化效率。SCR组最终幼虫重量(245.72克)较对照组(228.50克)增加7.5%，个体幼虫重量也显著更高(103.33毫克 vs. 96.93毫克)。虽然存活率仅略高(84.93% vs. 84.19%)，但特定生长率(50.99%·天^-1)显著增加。SCR组底物干物质减少率(DMR)(61.22%)显著低于对照组(76.37%)，而生物转化率(BCR)(15.73%)和蛋白质转化率(PCR)(45.31%)分别提高了19.9%和21.6%，表明SCR supplementation有效促进了幼虫生长和营养物质转化。

3.2. 近似组成和功能成分

SCR添加显著改变了BSFL的近似组成和功能成分。SCR组干物质含量(32.01%)高于对照组(28.70%)，而粗蛋白含量(44.31%干物质)略低于对照组(45.29%干物质)。几丁质含量(10.84%干物质)较对照组(12.31%干物质)降低12%，总酚含量(36.75毫克/100克干物质)显著低于对照组(52.81毫克/100克干物质)，表明SCR可能影响了碳代谢分配和抗氧化成分。

3.3. 氨基酸谱

SCR添加显著改变了BSFL的氨基酸组成。甘氨酸(Gly)含量(46.12毫克/克)较对照组(20.96毫克/克)增加120%，而半胱氨酸(Cys)含量(1.02毫克/克)显著降低。必需氨基酸中，缬氨酸(Val)和异亮氨酸(Ile)分别增加至36.90毫克/克和24.09毫克/克，而蛋氨酸(Met)和赖氨酸(Lys)有所降低。值得注意的是，SCR组的必需氨基酸指数(EAAI)(50.75)显著高于对照组(38.49)，表明氨基酸平衡更接近理想蛋白源。

3.4. BSFLO的理化特性

3.4.1. 脂肪酸谱

SCR添加显著改变了BSFL的脂肪酸组成。SCR组C12:0含量(22.30%)显著低于对照组(33.03%)，而棕榈酸(C16:0)含量(21.33%)显著增加。EPA和DHA在对照组中未检测到，在SCR组中分别达到5.47%和11.90%。总ω-3含量从1.18%增加至17.37%，n-6/n-3比率从18.84降至0.62，低于推荐的健康阈值(<5)。SCR组多不饱和脂肪酸(PUFA)含量(28.20%)高于对照组(23.40%)，而单不饱和脂肪酸(MUFA)含量(17.44%)低于对照组(23.99%)。

3.4.2. FT-IR光谱

FT-IR光谱显示SCR组3009厘米^-1处不饱和C-H伸缩振动峰吸收更高，1745厘米^-1处酯键(C=O)峰无显著差异，1163厘米^-1处C-O酯伸缩振动和721厘米^-1处CH₂摇摆振动吸收更高，表明SCR促进了短中链脂肪酸合成。

3.4.3. DSC分析

DSC热分析图显示SCR组在55°C附近有更大的峰面积和更高的峰差(2.70瓦/克 vs. 1.34瓦/克)，热分解峰温度提高9.6°C，活化能(Ea)提高11.4%，证实SCR改善了热稳定性。

3.4.4. TGA分析

热重分析表明SCR组在50-450°C温度范围内保留质量更高，热稳定性更优，可能与高熔点SFAs和氧化PUFAs的交联作用有关。

3.4.5. X射线衍射分析

XRD图谱显示对照组在19.8°有强β-多晶型峰(d=4.46?)，而SCR组在21.5°有尖锐的β′-多晶型峰(d=4.13?)，23.7°处衍射峰强度更高，表明结晶有序度增强。

3.5. 抗氧化能力

SCR添加显著改变了BSFL浆液的抗氧化特性。SCR组总抗氧化能力(T-AOC)(0.01毫摩尔/克)显著低于对照组(0.84毫摩尔/克)，而ABTS自由基清除活性(63.87%)和超氧化物歧化酶(SOD)活性(746.36单位/克)显著提高。羟基自由基(·OH)清除能力无显著差异，但丙二醛(MDA)含量(168.73纳摩尔/克)急剧增加，表明存在严重的脂质过氧化。

3.6. 代谢组学分析

非靶向代谢组学揭示了SCR对BSFL代谢谱的深刻影响。主成分分析(PCA)显示两组明显分离，在1750个注释代谢物中，743个存在显著差异表达，其中390个上调和353个下调。泛酸和CoA生物合成途径显著激活，三羧酸(TCA)循环中间产物如柠檬酸(FC=1.98)和氧化戊二酸(FC=1.98)显著积累。不饱和脂肪酸生物合成途径显著富集，EPA(FC=217.79)、DHA(FC=734.98)及其前体十八碳四烯酸(C18:4n3)(FC=554.40)显著升高。丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径也显著富集，L-谷氨酸(FC=2.04)增加而D-天冬氨酸(FC=0.19)减少。

研究结论表明，SCR添加通过促进TCA循环中间体和CoA生物合成而上调脂肪酸合成，但NADPH限制抑制了内源性ω-3延长，表明ω-3积累主要通过外源性同化而非从头合成实现。SCR衍生的脂质表现出改善的热稳定性和β′-晶体形成。这项工作建立了一种可持续、技术驱动的策略，将藻类废物转化为营养增强的食品成分，弥合了循环生物经济原理与下一代食品生产之间的差距。

讨论部分强调，该研究首次整合了宏量营养素和代谢组学数据来阐明SCR对BSFL的影响，对BSFLO的理化特性和幼虫浆液的抗氧化功能进行了多维表征，并筛选了生物转化过程中的关键生物活性化合物和代谢途径。这些发现为SCR增值和开发定制化ω-3强化BSFL产品提供了理论基础，推动了循环经济和碳中和目标的实现。未来研究应通过微生物发酵、Elovl工程或添加富含Δ6-去饱和酶的微生物等方式优化ω-3 PUFA生物转化，并开展工业规模验证以评估SCR饲喂BSFL作为功能性饲料和食品成分的经济可行性和环境效益。