来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
全球蛋白质需求持续增长，传统动植物蛋白的生产面临着资源与环境的双重压力。在此背景下，利用微生物将低值副产物转化为高值蛋白已成为合成生物学与食品科技交叉的前沿热点。Ferrero 等人近期发表的研究，系统探索了以药用蘑菇为底盘、通过深层发酵技术将多种农工业副产物转化为富含蛋白质生物质的可行路径。该工作不仅证实了药用真菌在替代蛋白领域的巨大潜力，更揭示了副产物类型与发酵策略对蛋白产量和功能特性的精细调控作用，为构建循环型、低碳的蛋白质供给体系提供了全新视角。
研究背景
随着世界人口向百亿迈进，食品体系亟需一场深刻的蛋白质革命。动物性蛋白的生产占用大量土地和水资源，并伴随着高强度的温室气体排放；植物蛋白则面临氨基酸平衡和功能特性的天然局限。微生物蛋白，尤其是由真菌发酵获得的菌丝体蛋白，因生产周期短、碳足迹低、营养可塑性强而备受瞩目。然而，当前商业化真菌蛋白仍主要依赖单一或少数的子囊菌或接合菌，对于担子菌门中庞大多样的药用蘑菇资源，其蛋白合成能力尚未被充分挖掘。
药用蘑菇如灵芝、云芝、蛹虫草等，自古因其免疫调节、抗氧化的活性物质而被珍视，现代研究则进一步证实其菌丝体含有丰富的优质蛋白、膳食纤维和次生代谢产物。若能将这类真菌发展为蛋白细胞工厂，不仅可以赋予产品天然的功能性成分，还能满足消费者对“药食同源”的心理预期。与此同时，农工业副产物——如麦麸、豆渣、果渣和酒糟等，数量庞大且处理成本高昂，它们富含纤维素、半纤维素和残余蛋白质，恰好为真菌生长提供了廉价的碳氮源。因此，将两者结合，通过固态或深层发酵实现“变废为宝”，理论上是一条极具吸引力的技术路线。然而，系统的可行性评估、菌种筛选、过程优化与蛋白品质解析，一直是制约该理念落地的关键瓶颈。
研究方法
本研究构建了一条完整的技术路线：从多株药用蘑菇的初筛，到深层发酵条件的正交优化，再到蛋白提取与多维度表征，最后对安全性进行评价。
**菌种与接种物制备**
研究团队保藏的十余株食药用担子菌被纳入候选，涵盖灵芝属、云芝属、虫草属等代表性物种。所有菌株首先经PDA平板活化，随后接入含有农副产物浸提液的种子培养基中，于25–28 ℃、150 rpm条件下培养5–7天，以获得均一、活力旺盛的菌丝球悬浮液作为发酵种子。
**农工业副产物及培养基设计**
选取六种典型副产物：小麦麸皮、大豆皮、苹果渣、葡萄渣、啤酒糟和马铃薯皮。副产物经干燥、粉碎、过筛预处理后，按10–30 g/L的浓度单独或组合添加至基础无机盐培养基中，构成不同的发酵基质。基础培养基中包含必要的磷、钾、镁、硫等元素，初始pH调节至5.5–6.0。
**深层发酵与过程监控**
采用250 mL挡板摇瓶，装液量100 mL，接入10% (v/v) 种子液，在旋转摇床上以28 ℃、180 rpm进行深层发酵。发酵周期设定为7–14天，定时取样监测生物量（以菌丝干重计）、残糖、pH及溶氧等参数。每组实验设三平行，并以无副产物的合成培养基作为对照。
**蛋白质提取与含量测定**
菌丝体收获后经去离子水充分洗涤，冷冻干燥至恒重。蛋白含量采用凯氏定氮法（转换系数4.38，专门针对真菌生物量校正）和Bradford法进行双重测定，以排除非蛋白氮干扰。可溶性蛋白提取则通过碱溶酸沉法并结合超声辅助，提升回收率。
**氨基酸组成与功能特性分析**
采用酸水解联合OPA柱前衍生-HPLC法，分析菌丝蛋白的氨基酸谱。体外消化率通过胃蛋白酶-胰酶两步酶解法模拟胃肠环境进行评估。技术功能特性方面，分别测定了蛋白分散体的持水性、持油性、乳化性与起泡性。
**代谢物安全性与活性筛查**
为防止药用真菌产生真菌毒素，研究利用LC-HRMS靶向筛查了黄曲霉毒素、赭曲霉毒素等常见毒素；同时非靶向代谢组学描绘了次生代谢轮廓，检测了总酚、多糖及特定活性成分（如灵芝酸、虫草素），以确保生物质的安全性，兼评其潜在的附加功能。
研究结果
研究获得了系列关键数据，清晰展示了不同菌株、不同副产物基质在蛋白合成能力上的分野，并揭示了发酵时间对产物组成的动态影响。
**菌株与副产物的“最佳搭档”**
在初筛阶段，灵芝（*Ganoderma lucidum*）G1菌株和云芝（*Trametes versicolor*）T2菌株对各类副产物均表现出强劲的适应性，而蛹虫草菌株则相对敏感。小麦麸皮和大豆皮组合（配比2:1）脱颖而出，使G1菌株的生物量干重达到18.3 g/L，较对照（基础培养基）提升4.2倍；粗蛋白含量高达干重的42.7%，蛋白产量为7.8 g/L，在所有组合中位列第一。苹果渣和啤酒糟单独使用时效果次之，但经过氮源补加后，蛋白产量也有显著提升。
**蛋白氨基酸谱与营养质量**
对最优组合（G1+小麦麸皮/大豆皮）所得的菌丝蛋白进行氨基酸分析，其必需氨基酸占比达到38.9%，高于联合国粮农组织推荐的理想蛋白标准（≈33%）。赖氨酸和苏氨酸这类谷类蛋白的限制性氨基酸，在菌丝蛋白中含量丰富，化学评分分别为0.85和0.92，显示出良好互补谷物蛋白的能力。支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）总和高达18.5 g/100 g蛋白，这对于运动营养和肌肉维持极具吸引力。
**功能特性与体外消化率**
提取的蛋白在pH 7.0时持水性为3.2 g水/g蛋白，持油性为2.1 g油/g蛋白，接近大豆分离蛋白；乳化活性指数和乳化稳定性在pH 7–9范围内表现优异，这主要得益于菌丝蛋白中含有适量暴露的疏水基团和多糖-蛋白复合物的天然乳化效应。体外消化率经两步酶解后达到78.4%，虽略低于乳清蛋白，但高于多数植物蛋白，表明该真菌蛋白具有较好的生物可及性。
**发酵过程的时间解构**
动态监测显示，胞外多糖和次生代谢产物在发酵中期（6–8天）迅速积累，而蛋白质的快速合成则主要在进入稳定期早期阶段（10天后）。若过早收获，生物量及蛋白含量尚未达峰值；过晚则菌丝体自溶，蛋白分解，提取率下降。这一发现为精准发酵控制提供了依据。
**安全性肯定与功能加成**
靶向毒素筛查结果均为阴性，非靶向代谢组学检测到灵芝酸A、灵芝酸B等三萜类物质和多糖-蛋白复合物，总量达43.2 mg/g干重，赋予了生物质抗氧化活性（DPPH清除率EC50为1.8 mg/mL）。这意味着所得蛋白生物质除基础营养外，天然搭载了健康功能模块，这正是药用蘑菇区别于普通食用菌或酵母蛋白的核心优势。
讨论与展望
该研究从“菌-渣”适配、过程调谐到蛋白品质的全链条验证，确认了药用蘑菇深层发酵转化农副产物为蛋白质的工业可行性，并为替代蛋白赛道注入了一股“真菌系”新势力。
**科学意义**
研究揭示了担子菌不同于丝状真菌和酵母的氮代谢偏好——某些药用蘑菇能够同时利用有机氮与复杂碳源，通过发达的水解酶系将植物细胞壁多糖分解为可发酵糖，并将其高效导向氨基酸合成。灵芝菌丝高达42.7%的蛋白含量已逼近甚至超越部分商品化真菌蛋白产品，而其自带的萜类、多糖活性物质则构成了独特的“蛋白质载体+功能因子”二合一模式，在功能性食品和特膳领域具有错位竞争优势。
**应用前景与痛点**
利用农工业副产物降低原料成本，是微生物蛋白商业化的关键。文中采用的麸皮和豆皮在食品加工业中来源广、价格低，深层发酵技术相较于固态发酵更易实现规模化、自动化和无菌控制，有利于产品质量稳定。然而，现有数据仍处于摇瓶水平，迈向百升级乃至吨级发酵罐时，溶氧、传质、剪切力对菌丝球形态及蛋白合成的影响尚需摸索。此外，菌丝蛋白通常含有较高核酸，需在后续工艺中加以去除，以满足人体摄入标准。口感、质地等感官属性也是决定消费者接受度的关键维度，而此方面研究仍属空白。
**未来方向**
合成生物学的手段未来或可赋予这些“细胞工厂”更强的定殖与转化能力。通过过表达纤维素酶、半纤维素酶基因，强化菌株对天然纤维的分解速率；或者，沉默产孢相关基因，使代谢流更集中地涌向蛋白质合成。还可以利用CRISPR系统对三萜或多糖合成途径进行微调，衍生出“高蛋白—高活性”或“高蛋白—低苦味”等系列产品线。从环境角度看，完整的生命周期评估必不可少，需量化水耗、能耗和碳排放，以验证其真正的可持续性。若上述瓶颈被逐一突破，药用蘑菇蛋白有望在不久的将来，从实验室的新奇发现蜕变为货架上的日常选择。
参考来源
Ferrero DJ, Moscato E, Spina F, et al. The fungal alternative: Insights on medicinal mushrooms-based protein-rich biomasses by submerged fermentation of agro-industrial by-products. *Innovative Food Science and Emerging Technologies*, 2024. DOI: 10.1016/j.ifset.2024.103721.
DOI: 10.1016/j.ifset.2024.103721