DOI: https://doi.org/10.3390/biology14070764
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40723325
تاريخ النشر: 2025-06-25
المؤلف: Korale Kankanamge Dinuka Chamodi وآخرون
الموضوع الرئيسي: استخدام الحشرات وتأثيراتها
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على إمكانيات البروتينات أحادية الخلية (SCPs) كبدائل مستدامة لمصادر البروتين التقليدية في تربية الأحياء المائية، مع معالجة الطلب المتزايد على علف الأسماك. تستعرض مصادر SCP المختلفة، بما في ذلك الطحالب الدقيقة، والبكتيريا، والخمائر، والفطريات، والاندوفيت، مع التأكيد على فوائدها الغذائية وخصائصها الوظيفية التي تعزز صحة الأسماك، والمناعة، وأداء النمو. ومن الجدير بالذكر أن الاندوفيت معروفة بمحتواها العالي من البروتين والنشاط الحيوي. ومع ذلك، فإن التحديات مثل تكاليف الإنتاج، وقابلية التوسع، وقبول المستهلك تعيق الاعتماد الأوسع على SCPs في أعلاف الأحياء المائية.
تؤكد الاستنتاجات على أن SCPs تمثل حلاً تحويليًا لتقليل الاعتماد على وجبة السمك، مع آثار على التخصيب الحيوي ومزايا التغذية الجينية التي يمكن أن تحسن أداء النمو وصحة الأمعاء في أنواع الأحياء المائية. تتماشى قدرة الكائنات الدقيقة على تحويل المنتجات الزراعية والصناعية منخفضة التكلفة إلى بروتين عالي الجودة مع مبادئ الاقتصاد الدائري، مما يعزز الاستدامة البيئية. لاستغلال إمكانيات SCPs بالكامل، من الضروري معالجة القضايا المتعلقة بتوافر العناصر الغذائية، ومحتوى الأحماض النووية، والإنتاج الفعال من حيث التكلفة على نطاق واسع من خلال نهج متعدد التخصصات. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين عمليات إنتاج SCP، واستكشاف مصادر جديدة مثل الاندوفيت، وفهم الآليات الجزيئية لتأثيراتها، مما يسهل دمج SCPs كمواد غذائية وظيفية ويساهم في الأمن الغذائي العالمي والقدرة على التكيف البيئي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي الملح للأمن الغذائي حيث من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى حوالي 8.5 مليار بحلول عام 2030، مع وجود أكثر من 735 مليون فرد يعانون حاليًا من نقص التغذية، لا سيما في جنوب آسيا وأفريقيا جنوب الصحراء الكبرى. تعتبر تربية الأحياء المائية، أسرع قطاعات إنتاج الغذاء نموًا، ضرورية لتلبية الطلبات الغذائية المستقبلية، مع توقع أن يصل الإنتاج العالمي إلى حوالي 111 مليون طن بحلول عام 2032. ومع ذلك، فإن نمو الصناعة يعيقه تحديات في صياغة العلف، ويرجع ذلك أساسًا إلى الاعتماد على وجبة السمك، التي تواجه مخاوف تتعلق بالاستدامة بسبب الإفراط في استغلال مخزونات الأسماك البرية وارتفاع التكاليف.
لمعالجة هذه التحديات، تناقش المقدمة إمكانيات البروتينات أحادية الخلية (SCPs) المستمدة من الكائنات الدقيقة كبدائل قابلة للتطبيق لوجبة السمك. تقدم SCPs محتوى بروتين عالي، وقدرات إنتاج سريعة، وتأثير بيئي ضئيل، مما يجعلها مناسبة لكل من النظام الغذائي البشري والحيواني. تهدف المراجعة إلى استكشاف القيمة الغذائية لـ SCPs في تربية الأحياء المائية، ودورها في تعزيز النمو والمناعة، والآليات الجزيئية التي تكمن وراء فوائدها من خلال التغذية الجينية. من خلال التركيز على هذه الجوانب، تسعى الورقة إلى تقديم رؤى حول التنمية المستدامة لأعلاف الأحياء المائية وتقليل الاعتماد على مصادر وجبة السمك التقليدية.
نقاش
يسلط النقاش حول البروتينات أحادية الخلية (SCP) الضوء على المشهد الديناميكي لصناعة SCP، المدفوعة بالتقدم في تقنيات البروتينات الميكروبية من الشركات الراسخة والحلول المبتكرة من الشركات الناشئة. اعتبارًا من عام 2023، تنتج حوالي 35 شركة SCP من مختلف الكائنات الدقيقة، بما في ذلك الخمائر، والفطريات، والطحالب الدقيقة، والبكتيريا، مع تصدر الولايات المتحدة وأوروبا في الإنتاج. تشمل التقدم الملحوظ FeedKind من Calysta، الذي يعزز صحة الأمعاء في أنواع الأحياء المائية، وKnipBio Meal، أول SCP يحصل على حالة معترف بها عمومًا كآمنة (GRAS) من إدارة الغذاء والدواء، مما يمثل معالم مهمة في الصناعة. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال تكلفة SCP تشكل عائقًا أمام التنافسية مقارنة بمصادر البروتين التقليدية مثل فول الصويا ووجبة السمك.
تقوم القسم أيضًا بتصنيف SCPs بناءً على مصادرها الميكروبية، موضحة المزايا والقيود الفريدة للخمائر، والفطريات، والطحالب الدقيقة، والبكتيريا في تطبيقات تربية الأحياء المائية. تُعرف الخمائر بمحتواها من الأحماض الأمينية والفيتامينات ولكن تواجه تحديات بسبب انخفاض مستويات بعض الأحماض الأمينية الأساسية. تُستخدم الطحالب الدقيقة، التي تحتوي على بروتين عالي وأحماض دهنية أساسية، بشكل متزايد في تربية الأحياء المائية، على الرغم من أن تكاليف الإنتاج المرتفعة تعيق اعتمادها على نطاق واسع. تقدم SCPs البكتيرية، التي تتميز بتركيزات بروتين عالية ومعدلات نمو سريعة، بديلاً واعدًا، لا سيما في أنظمة البيوفلوك. يقدم النقاش أيضًا الاندوفيت كمصادر محتملة لـ SCP، مع التأكيد على علاقاتها التبادلية مع النباتات وقدرتها على إنتاج مركبات نشطة حيويًا. بشكل عام، يبرز القسم القيمة الغذائية لـ SCPs والجهود المستمرة لتحسين عمليات الإنتاج، وتعزيز ملفات العناصر الغذائية من خلال التخصيب الحيوي، واستكشاف طرق الزراعة المبتكرة لدعم ممارسات تربية الأحياء المائية المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.3390/biology14070764
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40723325
Publication Date: 2025-06-25
Author(s): Korale Kankanamge Dinuka Chamodi et al.
Primary Topic: Insect Utilization and Effects
Overview
The review highlights the potential of single-cell proteins (SCPs) as sustainable alternatives to traditional protein sources in aquaculture, addressing the increasing demand for fish feed. It examines various SCP sources, including microalgae, bacteria, yeasts, fungi, and endophytes, emphasizing their nutritional benefits and functional properties that enhance fish health, immunity, and growth performance. Notably, endophytes are recognized for their high protein content and bioactivity. However, challenges such as production costs, scalability, and consumer acceptance impede broader adoption of SCPs in aquafeeds.
The conclusions underscore SCPs as a transformative solution to reduce reliance on fishmeal, with implications for biofortification and nutrigenomic advantages that can improve growth performance and gut health in aquaculture species. The ability of microorganisms to convert low-cost agricultural and industrial by-products into high-quality protein aligns with circular economy principles, promoting environmental sustainability. To fully harness the potential of SCPs, it is crucial to address issues related to nutrient bioavailability, nucleic acid content, and cost-effective large-scale production through a multidisciplinary approach. Future research should focus on optimizing SCP production processes, exploring novel sources like endophytes, and understanding the molecular mechanisms of their effects, thereby facilitating the integration of SCPs as functional feed ingredients and contributing to global food security and environmental resilience.
Introduction
The introduction highlights the pressing challenge of food security as the global population is projected to reach approximately 8.5 billion by 2030, with over 735 million individuals currently experiencing undernourishment, particularly in South Asia and Sub-Saharan Africa. Aquaculture, the fastest-growing food production sector, is crucial for meeting future food demands, with global production expected to reach around 111 million tonnes by 2032. However, the industry’s growth is hindered by challenges in feed formulation, primarily due to the reliance on fishmeal, which is facing sustainability concerns due to overexploitation of wild fish stocks and rising costs.
To address these challenges, the introduction discusses the potential of single-cell proteins (SCPs) derived from microorganisms as viable alternatives to fishmeal. SCPs offer high protein content, rapid production capabilities, and minimal environmental impact, making them suitable for both human and animal diets. The review aims to explore the nutritional value of SCPs in aquaculture, their role in enhancing growth and immunity, and the molecular mechanisms underlying their benefits through nutrigenomics. By focusing on these aspects, the paper seeks to provide insights into the sustainable development of aquafeeds and reduce dependence on traditional fishmeal sources.
Discussion
The discussion on Single-Cell Protein (SCP) highlights the dynamic landscape of the SCP industry, driven by advancements in microbial protein technologies from established firms and innovative solutions from startups. As of 2023, around 35 companies are producing SCP from various microorganisms, including yeasts, fungi, microalgae, and bacteria, with the U.S. and Europe leading in production. Notable advancements include Calysta’s FeedKind, which enhances gut health in aquaculture species, and KnipBio Meal, the first SCP to receive Generally Recognized As Safe (GRAS) status from the FDA, marking significant milestones in the industry. Despite these advancements, the cost of SCP remains a barrier to competitiveness against traditional protein sources like soy and fishmeal.
The section further categorizes SCPs based on their microbial sources, detailing the unique advantages and limitations of yeasts, fungi, microalgae, and bacteria in aquaculture applications. Yeasts are recognized for their amino acid and vitamin content but face challenges due to low levels of certain essential amino acids. Microalgae, with high protein content and essential fatty acids, are increasingly utilized in aquaculture, although high production costs hinder their widespread adoption. Bacterial SCPs, characterized by high protein concentrations and rapid growth rates, present a promising alternative, particularly in biofloc systems. The discussion also introduces endophytes as potential SCP sources, emphasizing their symbiotic relationships with plants and ability to produce bioactive compounds. Overall, the section underscores the nutritional value of SCPs and the ongoing efforts to optimize production processes, enhance nutrient profiles through biofortification, and explore innovative cultivation methods to support sustainable aquaculture practices.