白腐真菌處理稻草秸稈飼料的研究范文

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摘要:隨著我國畜牧行業(yè)的高速發(fā)展，飼糧短缺與養(yǎng)殖環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。為了解決這一問題，人們開始研究將農(nóng)作物秸稈用于動物飼料。但未經(jīng)加工的農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)價值較低，不能滿足動物對營養(yǎng)物質(zhì)的需求量。將白腐真菌用于發(fā)酵稻草飼料的生產(chǎn)，解決了稻草飼料粗蛋白含量低、適口性差、消化率不高等缺點(diǎn)，為畜牧業(yè)飼糧不足以及人畜爭糧問題提供了有效的解決方案。文章就稻草秸稈的利用現(xiàn)狀、稻草秸稈的處理方法以及白腐真菌發(fā)酵稻草飼料的原理和研究進(jìn)展等進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞:白腐真菌;稻草秸稈;木質(zhì)素;干物質(zhì)消化率;發(fā)酵飼料

我國是產(chǎn)糧大國，在糧食高產(chǎn)的同時，大量的農(nóng)作物秸稈既為我國可再生資源應(yīng)用方面提供了優(yōu)勢，也帶來了不可忽視的環(huán)境污染等問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年世界秸稈的產(chǎn)量為20億～30億t，而中國各類農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量占全世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%［1］。其中稻草作為中國第一大農(nóng)作物秸稈，產(chǎn)量占全國農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量的五分之一以上［2］。稻草秸稈作為動物的劣質(zhì)粗飼料可以被加以利用，但是如果將稻草秸稈直接飼喂動物，其營養(yǎng)價值較低，不能滿足動物對營養(yǎng)物質(zhì)的需求，因此人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向微生物發(fā)酵飼料。稻草秸稈經(jīng)白腐真菌等特殊微生物發(fā)酵后，可以改善其營養(yǎng)價值，增加動物的采食量，從而提高畜牧養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時，農(nóng)作物秸稈的二次開發(fā)利用更有助于緩解當(dāng)今人類所面臨的糧食短缺、人畜爭糧等矛盾，為新能源的開發(fā)提供了可能。農(nóng)作物秸稈通過動物過腹還田的方式，創(chuàng)造了更好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展指明了方向。

1稻草秸稈的利用現(xiàn)狀

水稻是我國主要的種植農(nóng)作物之一，其產(chǎn)生的秸稈數(shù)量龐大，根據(jù)2014年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》和相應(yīng)的折算系數(shù)計(jì)算，我國稻草秸稈產(chǎn)量為2.065億t，且其總產(chǎn)量呈上升趨勢［3］。稻草秸稈中含有豐富的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素，因此可作為動物的粗飼料加以利用。但是由于稻草秸稈營養(yǎng)成分不平衡，粗蛋白含量過低，且適口性較差，導(dǎo)致其飼料利用率不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)作物秸稈直接用作動物飼料或經(jīng)加工處理后作為動物飼料的比例僅占23%，另外23%的秸稈用于燃燒供暖，35%的秸稈還田作為肥料處理，19%的秸稈被作為造紙工業(yè)和手工藝品的原料以及就地焚燒或胡亂堆放處理［4］。因此運(yùn)用微生物對稻草秸稈進(jìn)行發(fā)酵處理生產(chǎn)動物飼料具有廣闊的應(yīng)用前景。

2稻草秸稈常規(guī)處理方法以及普通菌種發(fā)酵的不足

2.1稻草秸稈的營養(yǎng)成分

如果將稻草秸稈直接飼喂動物，因其適口性較差、消化率低、營養(yǎng)價值不高等缺點(diǎn)只能作為動物的劣質(zhì)粗飼料使用。稻草秸稈的飼料總能約為16.97MJ/kg，較優(yōu)于其他農(nóng)作物秸稈，但其粗蛋白含量較低，僅占飼料總營養(yǎng)成分的6.02%左右，粗脂肪約占1.59%，粗灰分約占10.07%，鈣、磷含量分別為0.59%和0.57%［5］。同時與其他農(nóng)作物秸稈一樣，稻草秸稈有較高的粗纖維含量，約占總營養(yǎng)成分的31.00%，其中纖維素含量為39.69%，半纖維素含量為24.81%，木質(zhì)素含量為25.22%［6］。稻草秸稈所含有的大量粗纖維可以為反芻動物提供必需的能量，但是由于稻草秸稈細(xì)胞壁硅化程度較高，以及木質(zhì)素與纖維素、半纖維素之間鑲嵌形成堅(jiān)固的酯鍵結(jié)構(gòu)，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)不能被反芻動物充分利用，導(dǎo)致稻草秸稈消化率低下，而且稻草的木質(zhì)化程度越高，其消化率越低。因此，木質(zhì)素能否被降解是提高秸稈飼料利用率的關(guān)鍵。

2.2稻草秸稈常規(guī)處理方法

稻草秸稈的常規(guī)處理方法一般分為物理處理法、化學(xué)處理法和普通微生物發(fā)酵處理法。

2.2.1物理處理法

物理處理法主要是借助人工或機(jī)械手段通過對秸稈進(jìn)行切短、粉碎、蒸煮、浸泡、熱噴、爆破或是微波輻射等方式使其表面積增大，提高秸稈與可降解纖維素微生物的接觸面積，或是直接用高能量破壞秸稈中的木質(zhì)素和纖維素等成分。例如，熱噴技術(shù)處理稻草秸稈主要是應(yīng)用了熱力效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的雙重作用，通過高溫蒸氣處理，可以使稻草秸稈細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的氫鍵斷裂，從而水解為小分子物質(zhì)。同時通過高壓噴放以及高溫蒸氣的張力作用，農(nóng)作物秸稈可以被粉碎為更小的顆粒，增大了秸稈與發(fā)酵菌和各種酶的接觸面積，從而提高稻草秸稈的利用率。微波輻射預(yù)處理農(nóng)作物秸稈也可以提高纖維素的分解率。例如，用電子束所產(chǎn)生的高能射線對稻草秸稈進(jìn)行照射處理時，秸稈中的纖維素會形成自由基并與氧氣結(jié)合生成超氧自由基，破壞纖維素分子內(nèi)的氫鍵，最大限度地降低了纖維素的結(jié)晶程度。有試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過這種射線預(yù)處理后的稻草秸稈，其酶解后的葡萄糖獲得率比直接進(jìn)行酶解處理的稻草秸稈葡萄糖獲得率高出29.50%［7］。物理處理法可以顯著提高農(nóng)作物秸稈作為動物粗飼料的利用率，但是因其存在耗能大、處理成本高等缺陷至今無法全面普及到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。

2.2.2化學(xué)處理法

化學(xué)處理法是通過酸、堿或有機(jī)溶劑等作用于農(nóng)作物秸稈，使半纖維素與木質(zhì)素間的共價鍵以及纖維素分子內(nèi)的氫鍵斷裂，從而最大程度地發(fā)揮分解纖維素酶類的降解效果。化學(xué)處理主要包括酸化處理、堿化處理、氨化處理、氧化處理以及SO3微熱爆處理等［8］。化學(xué)處理法普遍成本低廉，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，但是大量化學(xué)試劑的使用易造成環(huán)境污染，而且在秸稈處理過程中殘留或新生成的有害化學(xué)物質(zhì)如果沒有被妥善處理，很可能造成采食該秸稈飼料的動物中毒。

2.2.3普通微生物發(fā)酵處理法

微生物處理農(nóng)作物秸稈是利用特定微生物(如乳酸菌、酵母菌等)對秸稈進(jìn)行發(fā)酵處理。這些微生物在自身繁殖過程中合成了大量的蛋白質(zhì)，同時其代謝過程中產(chǎn)生的酶可以將秸稈中的纖維素、半纖維素等有機(jī)碳水化合物轉(zhuǎn)化為糖類，最后發(fā)酵生成乳酸或揮發(fā)性脂肪酸，從而改變了秸稈飼料的物理性狀及營養(yǎng)成分，提高了飼料的利用率。微生物發(fā)酵秸稈飼料品質(zhì)的好壞，與參與發(fā)酵的菌種種類密不可分，普通的發(fā)酵菌雖然能分解纖維素和半纖維素，但是并不能從根本上解決秸稈飼料消化率低的問題，木質(zhì)素的大量存在仍然制約著秸稈作為動物粗飼料的利用價值。因此人們開始研究能夠分解木質(zhì)素的菌種用于發(fā)酵飼料的生產(chǎn)，如白腐真菌。白腐真菌用于發(fā)酵秸稈飼料既保留了微生物發(fā)酵飼料的優(yōu)勢，同時也極大地提高了農(nóng)作物秸稈類發(fā)酵飼料的品質(zhì)。

3白腐真菌發(fā)酵稻草秸稈飼料的原理

白腐真菌是一類可分泌胞外氧化酶的絲狀真菌，其種類繁多，大多數(shù)為擔(dān)子菌亞門，部分為子囊菌亞門，主要包括革蓋菌屬、臥孔菌屬、多孔菌屬、原毛平革菌屬、層孔菌屬、側(cè)耳屬、煙管菌屬以及栓菌屬等［9］。將白腐真菌應(yīng)用于發(fā)酵飼料的生產(chǎn)不會對環(huán)境造成污染，對動物也無毒副作用，且成本低廉，發(fā)酵效果卓越，因發(fā)酵菌種的不同發(fā)酵產(chǎn)物會具有特殊的風(fēng)味，可吸引動物采食，提高采食量。白腐真菌分解木質(zhì)素發(fā)生在次生代謝階段，并且只有在氮、碳、硫等元素不足時才會產(chǎn)生分解木質(zhì)素相關(guān)的酶。白腐真菌的菌絲會分泌超纖維氧化酶使秸稈表面的蠟質(zhì)溶解，使菌絲進(jìn)入到秸稈內(nèi)部并釋放降解木質(zhì)素的酶系［10］，包括錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶、漆酶等。錳過氧化物酶與木質(zhì)素過氧化物酶的化學(xué)本質(zhì)都是含有血紅素的糖蛋白，并且在催化反應(yīng)過程中都需要H2O2作為電子受體。不同的是，在分解木質(zhì)素的過程中木質(zhì)素過氧化物酶可以直接與芳香族底物反應(yīng)產(chǎn)生一個電子，形成陽離子自由基，使芳環(huán)結(jié)構(gòu)開裂，木質(zhì)素單體烷基側(cè)鏈氧化。而錳過氧化物酶在分解木質(zhì)素過程中可將木質(zhì)組織中的Mn2+氧化成Mn3+，Mn3+再作為氧化劑氧化分解木質(zhì)素。木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶都具有氧化分解木質(zhì)素的能力，但兩種酶能分解不同的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。錳過氧化物酶主要分解木質(zhì)素中的酚型結(jié)構(gòu)，而木質(zhì)素過氧化物酶主要分解木質(zhì)素中的非酚型結(jié)構(gòu)［11］。漆酶是一種含銅多酚的氧化酶，化學(xué)本質(zhì)也是一種糖蛋白，與其他兩種酶不同的是，漆酶分子結(jié)構(gòu)中不存在血紅素，催化過程也不需要H2O2參與。在有氧條件下，漆酶可將單電子傳遞給氧分子，同時從底物分子中獲得一個電子，使之形成自由基。該自由基具有不穩(wěn)定性，可進(jìn)一步發(fā)生聚合或解聚反應(yīng)，因此漆酶同時具有催化解聚和聚合木質(zhì)素的能力。所以，當(dāng)漆酶單獨(dú)存在時不能有效地降解木質(zhì)素，只有同時存在木質(zhì)素過氧化物酶或錳過氧化物酶時，才能避免聚合反應(yīng)的發(fā)生，使木質(zhì)素得到有效降解。木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶以及漆酶可協(xié)同作用于木質(zhì)素之間的酯鍵或醚鍵，將木質(zhì)素徹底氧化分解為二氧化碳和水。同時白腐真菌還可以分泌纖維素酶、半纖維素酶等，徹底分解粗纖維。因此白腐真菌被認(rèn)為是目前較為理想的一類發(fā)酵秸稈飼料的真菌。

4白腐真菌對發(fā)酵稻草飼料的影響

4.1提高發(fā)酵稻草飼料的干物質(zhì)消化率

因?yàn)轶w外消化率與常規(guī)體內(nèi)消化試驗(yàn)具有高度的相關(guān)性，所以測定發(fā)酵飼料的體外消化率可以間接反映動物對該飼料的利用情況。韋麗敏［12］用黃孢原毛平革菌和紅芝與綠色木霉發(fā)酵稻草秸稈，并通過兩級離體消化試驗(yàn)法測定該發(fā)酵飼料的干物質(zhì)消化率。結(jié)果表明，黃孢原毛平革菌和綠色木霉組合的發(fā)酵飼料與紅芝和綠色木霉組合的發(fā)酵飼料干物質(zhì)消化率均極顯著高于空白組(P＜0.01)，兩種發(fā)酵飼料的干物質(zhì)消化率分別為43.47%和41.56%。代小偉［13］選用木質(zhì)擬層孔菌發(fā)酵處理稻草，木質(zhì)素降解率最高可達(dá)13.49%，而后通過水牛瘤胃液對該飼料進(jìn)行反芻家畜二級離體消化試驗(yàn)，結(jié)果顯示稻草用木質(zhì)擬層孔菌發(fā)酵處理后干物質(zhì)、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、酸性洗滌木質(zhì)素、半纖維素以及纖維素的體外消化率分別比未處理組提高了51.04%、21.16%、7.62%、245.11%、62.53%和31.54%，均差異顯著(P＜0.05)。說明稻草經(jīng)白腐真菌發(fā)酵后，有助于反芻動物瘤胃微生物對其纖維成分的消化。R．K．Sharma等［14］選用黃孢原毛平革菌發(fā)酵稻草秸稈，測得該發(fā)酵飼料的體外消化率最高為25%，且此時木質(zhì)素的損失量為394g/kg。白腐真菌將木質(zhì)素降解，釋放了被其保護(hù)的纖維素和半纖維素，大大提高了稻草飼料的利用效率。同時隨著發(fā)酵時間的增加，稻草飼料的pH值逐漸降低，纖維素、半纖維素會被分解為小分子糖類，使發(fā)酵飼料散發(fā)出能夠吸引動物采食的香味，從而提高了動物的采食量。

4.2降低稻草飼料中粗纖維含量

白腐真菌對秸稈的降解無特異性，除了能分解木質(zhì)素，還能無差異地降解纖維素與半纖維素。湯濟(jì)超［15］用白腐真菌與綠色木霉等比例對稻草秸稈進(jìn)行固體發(fā)酵，綠色木霉繁殖速度快于白腐真菌，因此先接種白腐真菌發(fā)酵4d，再接種綠色木霉發(fā)酵4d。發(fā)酵結(jié)束后，稻草秸稈纖維素的分解率為33.28%，木質(zhì)素的分解率為31.23%。可以看出，白腐真菌對纖維素的分解能力不弱于對木質(zhì)素的分解能力。王輝［16］利用糙皮側(cè)耳生長過程中所分泌的漆酶對稻草進(jìn)行預(yù)處理，研究了白腐真菌分泌到胞外的氧化酶對秸稈飼料的直接作用，并對糙皮側(cè)耳產(chǎn)漆酶的條件進(jìn)行了優(yōu)化，研究結(jié)果顯示在28℃下向培養(yǎng)基中添加天然成分的馬鈴薯浸出液能有效提高糙皮側(cè)耳的漆酶產(chǎn)量，添加少量沸石粉末后漆酶活性可達(dá)到175IU/L。研究還發(fā)現(xiàn)，稻草秸稈的粉碎程度對發(fā)酵效果有明顯的影響，在溫度為40℃、pH值為5的最佳條件下，過80目篩的稻草秸稈木質(zhì)素降解率明顯高于過40目篩的稻草秸稈，在第15天時木質(zhì)素降解率為18.00%。M．Taniguchi等［17］用平菇處理稻草秸稈將其轉(zhuǎn)化為還原糖，在試驗(yàn)第24天時稻草的木質(zhì)素降解率為21.00%，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第60天時有32%的稻草秸稈被轉(zhuǎn)化為水溶性的單糖。白腐真菌分解木質(zhì)纖維素的能力不僅使劣質(zhì)粗飼料的利用價值得到提升，還可用于單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)。孟順利等［18］通過紅芝與綠色木霉共同發(fā)酵稻草，然后進(jìn)行二次發(fā)酵接種熱帶產(chǎn)朊假絲酵母生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白。紅芝與綠色木霉在發(fā)酵過程中會將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等分解生成大量的小分子糖類，這些小分子糖類會競爭性反饋抑制纖維素的降解，使纖維素的降解率不能達(dá)到最大值。若此時接種熱帶產(chǎn)朊假絲酵母，可以消耗掉這些小分子糖類，消除對纖維素降解活動的抑制，同時熱帶產(chǎn)朊假絲酵母的大量繁殖可以生產(chǎn)大量優(yōu)質(zhì)的蛋白飼料。該試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過紅芝與綠色木霉4∶1混合發(fā)酵后，稻草秸稈的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的分解率分別達(dá)到29.02%、27.70%和39.23%，接種熱帶產(chǎn)朊假絲酵母24h后真蛋白含量可達(dá)到10%左右。稻草秸稈在經(jīng)過白腐真菌發(fā)酵后，粗纖維的含量會顯著下降，粗纖維減少會使秸稈質(zhì)地變得軟而松散，極大改善飼料適口性，間接增加了被飼喂動物的采食速度與采食量。

4.3提高稻草飼料中粗蛋白含量

白腐真菌中包括很多的可食用菌種，如平菇、側(cè)耳菌等。這些白腐真菌在分解木質(zhì)纖維素的同時，還能使發(fā)酵稻草飼料的粗蛋白含量顯著提高。萬小保［19］將稻草按1∶2固液比加水后，接種15%自行篩選培養(yǎng)的白腐真菌菌株LS05，在30℃條件下發(fā)酵一段時間后，再在105℃溫度下烘干至恒重，測定木質(zhì)素和蛋白質(zhì)含量。結(jié)果顯示，經(jīng)該種白腐真菌發(fā)酵后稻草秸稈的木質(zhì)素含量下降20.48%，蛋白質(zhì)含量增加42.83%。宋瑞清等［20］選用平菇處理稻草秸稈，在適宜條件下培養(yǎng)30d后，稻草秸稈由原來的褐色逐漸變?yōu)辄S色，而后變?yōu)榘咨举|(zhì)素含量由接種前的9.49g下降到7.27g，纖維素含量由27.64g下降到23.21g，蛋白質(zhì)含量由4.70%增加到6.85%。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，白腐真菌不但對木質(zhì)素和纖維素具有分解能力，還能利用這些分解產(chǎn)物用于自身菌絲的生長，從而達(dá)到將稻草秸稈轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的目的。經(jīng)白腐真菌發(fā)酵后的稻草蛋白質(zhì)含量顯著增加，提高了稻草飼料的營養(yǎng)價值，如果能將其大規(guī)模應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖，可以創(chuàng)造出較高的經(jīng)濟(jì)效益。

5展望

白腐真菌分解木質(zhì)素、纖維素的能力與其他菌種相比具有明顯的優(yōu)勢。但是將白腐真菌應(yīng)用于秸稈飼料的發(fā)酵大多還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，想要將白腐真菌發(fā)酵飼料應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中仍有諸多問題有待解決。例如，在發(fā)酵過程中白腐真菌的生長速度會比某些雜菌的生長速度慢，那么如何防止雜菌的污染是解決其批量生產(chǎn)問題的關(guān)鍵;而且為了使發(fā)酵效果更好，在發(fā)酵的過程中往往會選擇多菌種混合發(fā)酵，不同菌種間會有相互頡頏或是協(xié)同現(xiàn)象的發(fā)生，因此白腐真菌與其他菌種之間的相互作用仍需要繼續(xù)探索。隨著當(dāng)前畜牧產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，以及環(huán)境與資源問題的日益嚴(yán)峻，微生物發(fā)酵秸稈飼料的研究必將成為熱點(diǎn)，如何將白腐真菌發(fā)酵秸稈飼料應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中也必將為人們所關(guān)注。

作者：張仲卿；張愛忠；姜寧 單位：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)