白腐真菌处理稻草秸秆饲料的研究范文

摘要:随着我国畜牧行业的高速发展，饲粮短缺与养殖环境污染问题日益严峻。为了解决这一问题，人们开始研究将农作物秸秆用于动物饲料。但未经加工的农作物秸秆营养价值较低，不能满足动物对营养物质的需求量。将白腐真菌用于发酵稻草饲料的生产，解决了稻草饲料粗蛋白含量低、适口性差、消化率不高等缺点，为畜牧业饲粮不足以及人畜争粮问题提供了有效的解决方案。文章就稻草秸秆的利用现状、稻草秸秆的处理方法以及白腐真菌发酵稻草饲料的原理和研究进展等进行了综述。

关键词:白腐真菌;稻草秸秆;木质素;干物质消化率;发酵饲料

我国是产粮大国，在粮食高产的同时，大量的农作物秸秆既为我国可再生资源应用方面提供了优势，也带来了不可忽视的环境污染等问题。据统计，2002年世界秸秆的产量为20亿～30亿t，而中国各类农作物秸秆年产量占全世界秸秆总产量的20%～30%［1］。其中稻草作为中国第一大农作物秸秆，产量占全国农作物秸秆总产量的五分之一以上［2］。稻草秸秆作为动物的劣质粗饲料可以被加以利用，但是如果将稻草秸秆直接饲喂动物，其营养价值较低，不能满足动物对营养物质的需求，因此人们逐渐将目光转向微生物发酵饲料。稻草秸秆经白腐真菌等特殊微生物发酵后，可以改善其营养价值，增加动物的采食量，从而提高畜牧养殖业的经济效益。同时，农作物秸秆的二次开发利用更有助于缓解当今人类所面临的粮食短缺、人畜争粮等矛盾，为新能源的开发提供了可能。农作物秸秆通过动物过腹还田的方式，创造了更好的生态效益和经济效益，为农牧业的可持续发展指明了方向。

1稻草秸秆的利用现状

水稻是我国主要的种植农作物之一，其产生的秸秆数量庞大，根据2014年《中国统计年鉴》和相应的折算系数计算，我国稻草秸秆产量为2.065亿t，且其总产量呈上升趋势［3］。稻草秸秆中含有丰富的纤维素、半纤维素以及木质素，因此可作为动物的粗饲料加以利用。但是由于稻草秸秆营养成分不平衡，粗蛋白含量过低，且适口性较差，导致其饲料利用率不高。据统计，我国农作物秸秆直接用作动物饲料或经加工处理后作为动物饲料的比例仅占23%，另外23%的秸秆用于燃烧供暖，35%的秸秆还田作为肥料处理，19%的秸秆被作为造纸工业和手工艺品的原料以及就地焚烧或胡乱堆放处理［4］。因此运用微生物对稻草秸秆进行发酵处理生产动物饲料具有广阔的应用前景。

2稻草秸秆常规处理方法以及普通菌种发酵的不足

2.1稻草秸秆的营养成分

如果将稻草秸秆直接饲喂动物，因其适口性较差、消化率低、营养价值不高等缺点只能作为动物的劣质粗饲料使用。稻草秸秆的饲料总能约为16.97MJ/kg，较优于其他农作物秸秆，但其粗蛋白含量较低，仅占饲料总营养成分的6.02%左右，粗脂肪约占1.59%，粗灰分约占10.07%，钙、磷含量分别为0.59%和0.57%［5］。同时与其他农作物秸秆一样，稻草秸秆有较高的粗纤维含量，约占总营养成分的31.00%，其中纤维素含量为39.69%，半纤维素含量为24.81%，木质素含量为25.22%［6］。稻草秸秆所含有的大量粗纤维可以为反刍动物提供必需的能量，但是由于稻草秸秆细胞壁硅化程度较高，以及木质素与纤维素、半纤维素之间镶嵌形成坚固的酯键结构，使营养物质不能被反刍动物充分利用，导致稻草秸秆消化率低下，而且稻草的木质化程度越高，其消化率越低。因此，木质素能否被降解是提高秸秆饲料利用率的关键。

2.2稻草秸秆常规处理方法

稻草秸秆的常规处理方法一般分为物理处理法、化学处理法和普通微生物发酵处理法。

2.2.1物理处理法

物理处理法主要是借助人工或机械手段通过对秸秆进行切短、粉碎、蒸煮、浸泡、热喷、爆破或是微波辐射等方式使其表面积增大，提高秸秆与可降解纤维素微生物的接触面积，或是直接用高能量破坏秸秆中的木质素和纤维素等成分。例如，热喷技术处理稻草秸秆主要是应用了热力效应和机械效应的双重作用，通过高温蒸气处理，可以使稻草秸秆细胞壁中的纤维素、半纤维素和木质素的氢键断裂，从而水解为小分子物质。同时通过高压喷放以及高温蒸气的张力作用，农作物秸秆可以被粉碎为更小的颗粒，增大了秸秆与发酵菌和各种酶的接触面积，从而提高稻草秸秆的利用率。微波辐射预处理农作物秸秆也可以提高纤维素的分解率。例如，用电子束所产生的高能射线对稻草秸秆进行照射处理时，秸秆中的纤维素会形成自由基并与氧气结合生成超氧自由基，破坏纤维素分子内的氢键，最大限度地降低了纤维素的结晶程度。有试验结果表明，经过这种射线预处理后的稻草秸秆，其酶解后的葡萄糖获得率比直接进行酶解处理的稻草秸秆葡萄糖获得率高出29.50%［7］。物理处理法可以显著提高农作物秸秆作为动物粗饲料的利用率，但是因其存在耗能大、处理成本高等缺陷至今无法全面普及到实际生产当中。

2.2.2化学处理法

化学处理法是通过酸、碱或有机溶剂等作用于农作物秸秆，使半纤维素与木质素间的共价键以及纤维素分子内的氢键断裂，从而最大程度地发挥分解纤维素酶类的降解效果。化学处理主要包括酸化处理、碱化处理、氨化处理、氧化处理以及SO3微热爆处理等［8］。化学处理法普遍成本低廉，适用于大规模生产，但是大量化学试剂的使用易造成环境污染，而且在秸秆处理过程中残留或新生成的有害化学物质如果没有被妥善处理，很可能造成采食该秸秆饲料的动物中毒。

2.2.3普通微生物发酵处理法

微生物处理农作物秸秆是利用特定微生物(如乳酸菌、酵母菌等)对秸秆进行发酵处理。这些微生物在自身繁殖过程中合成了大量的蛋白质，同时其代谢过程中产生的酶可以将秸秆中的纤维素、半纤维素等有机碳水化合物转化为糖类，最后发酵生成乳酸或挥发性脂肪酸，从而改变了秸秆饲料的物理性状及营养成分，提高了饲料的利用率。微生物发酵秸秆饲料品质的好坏，与参与发酵的菌种种类密不可分，普通的发酵菌虽然能分解纤维素和半纤维素，但是并不能从根本上解决秸秆饲料消化率低的问题，木质素的大量存在仍然制约着秸秆作为动物粗饲料的利用价值。因此人们开始研究能够分解木质素的菌种用于发酵饲料的生产，如白腐真菌。白腐真菌用于发酵秸秆饲料既保留了微生物发酵饲料的优势，同时也极大地提高了农作物秸秆类发酵饲料的品质。

3白腐真菌发酵稻草秸秆饲料的原理

白腐真菌是一类可分泌胞外氧化酶的丝状真菌，其种类繁多，大多数为担子菌亚门，部分为子囊菌亚门，主要包括革盖菌属、卧孔菌属、多孔菌属、原毛平革菌属、层孔菌属、侧耳属、烟管菌属以及栓菌属等［9］。将白腐真菌应用于发酵饲料的生产不会对环境造成污染，对动物也无毒副作用，且成本低廉，发酵效果卓越，因发酵菌种的不同发酵产物会具有特殊的风味，可吸引动物采食，提高采食量。白腐真菌分解木质素发生在次生代谢阶段，并且只有在氮、碳、硫等元素不足时才会产生分解木质素相关的酶。白腐真菌的菌丝会分泌超纤维氧化酶使秸秆表面的蜡质溶解，使菌丝进入到秸秆内部并释放降解木质素的酶系［10］，包括锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、漆酶等。锰过氧化物酶与木质素过氧化物酶的化学本质都是含有血红素的糖蛋白，并且在催化反应过程中都需要H2O2作为电子受体。不同的是，在分解木质素的过程中木质素过氧化物酶可以直接与芳香族底物反应产生一个电子，形成阳离子自由基，使芳环结构开裂，木质素单体烷基侧链氧化。而锰过氧化物酶在分解木质素过程中可将木质组织中的Mn2+氧化成Mn3+，Mn3+再作为氧化剂氧化分解木质素。木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶都具有氧化分解木质素的能力，但两种酶能分解不同的木质素结构。锰过氧化物酶主要分解木质素中的酚型结构，而木质素过氧化物酶主要分解木质素中的非酚型结构［11］。漆酶是一种含铜多酚的氧化酶，化学本质也是一种糖蛋白，与其他两种酶不同的是，漆酶分子结构中不存在血红素，催化过程也不需要H2O2参与。在有氧条件下，漆酶可将单电子传递给氧分子，同时从底物分子中获得一个电子，使之形成自由基。该自由基具有不稳定性，可进一步发生聚合或解聚反应，因此漆酶同时具有催化解聚和聚合木质素的能力。所以，当漆酶单独存在时不能有效地降解木质素，只有同时存在木质素过氧化物酶或锰过氧化物酶时，才能避免聚合反应的发生，使木质素得到有效降解。木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶以及漆酶可协同作用于木质素之间的酯键或醚键，将木质素彻底氧化分解为二氧化碳和水。同时白腐真菌还可以分泌纤维素酶、半纤维素酶等，彻底分解粗纤维。因此白腐真菌被认为是目前较为理想的一类发酵秸秆饲料的真菌。

4白腐真菌对发酵稻草饲料的影响

4.1提高发酵稻草饲料的干物质消化率

因为体外消化率与常规体内消化试验具有高度的相关性，所以测定发酵饲料的体外消化率可以间接反映动物对该饲料的利用情况。韦丽敏［12］用黄孢原毛平革菌和红芝与绿色木霉发酵稻草秸秆，并通过两级离体消化试验法测定该发酵饲料的干物质消化率。结果表明，黄孢原毛平革菌和绿色木霉组合的发酵饲料与红芝和绿色木霉组合的发酵饲料干物质消化率均极显著高于空白组(P＜0.01)，两种发酵饲料的干物质消化率分别为43.47%和41.56%。代小伟［13］选用木质拟层孔菌发酵处理稻草，木质素降解率最高可达13.49%，而后通过水牛瘤胃液对该饲料进行反刍家畜二级离体消化试验，结果显示稻草用木质拟层孔菌发酵处理后干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素、半纤维素以及纤维素的体外消化率分别比未处理组提高了51.04%、21.16%、7.62%、245.11%、62.53%和31.54%，均差异显著(P＜0.05)。说明稻草经白腐真菌发酵后，有助于反刍动物瘤胃微生物对其纤维成分的消化。R．K．Sharma等［14］选用黄孢原毛平革菌发酵稻草秸秆，测得该发酵饲料的体外消化率最高为25%，且此时木质素的损失量为394g/kg。白腐真菌将木质素降解，释放了被其保护的纤维素和半纤维素，大大提高了稻草饲料的利用效率。同时随着发酵时间的增加，稻草饲料的pH值逐渐降低，纤维素、半纤维素会被分解为小分子糖类，使发酵饲料散发出能够吸引动物采食的香味，从而提高了动物的采食量。

4.2降低稻草饲料中粗纤维含量

白腐真菌对秸秆的降解无特异性，除了能分解木质素，还能无差异地降解纤维素与半纤维素。汤济超［15］用白腐真菌与绿色木霉等比例对稻草秸秆进行固体发酵，绿色木霉繁殖速度快于白腐真菌，因此先接种白腐真菌发酵4d，再接种绿色木霉发酵4d。发酵结束后，稻草秸秆纤维素的分解率为33.28%，木质素的分解率为31.23%。可以看出，白腐真菌对纤维素的分解能力不弱于对木质素的分解能力。王辉［16］利用糙皮侧耳生长过程中所分泌的漆酶对稻草进行预处理，研究了白腐真菌分泌到胞外的氧化酶对秸秆饲料的直接作用，并对糙皮侧耳产漆酶的条件进行了优化，研究结果显示在28℃下向培养基中添加天然成分的马铃薯浸出液能有效提高糙皮侧耳的漆酶产量，添加少量沸石粉末后漆酶活性可达到175IU/L。研究还发现，稻草秸秆的粉碎程度对发酵效果有明显的影响，在温度为40℃、pH值为5的最佳条件下，过80目筛的稻草秸秆木质素降解率明显高于过40目筛的稻草秸秆，在第15天时木质素降解率为18.00%。M．Taniguchi等［17］用平菇处理稻草秸秆将其转化为还原糖，在试验第24天时稻草的木质素降解率为21.00%，当试验进行到第60天时有32%的稻草秸秆被转化为水溶性的单糖。白腐真菌分解木质纤维素的能力不仅使劣质粗饲料的利用价值得到提升，还可用于单细胞蛋白的生产。孟顺利等［18］通过红芝与绿色木霉共同发酵稻草，然后进行二次发酵接种热带产朊假丝酵母生产单细胞蛋白。红芝与绿色木霉在发酵过程中会将纤维素、半纤维素、木质素等分解生成大量的小分子糖类，这些小分子糖类会竞争性反馈抑制纤维素的降解，使纤维素的降解率不能达到最大值。若此时接种热带产朊假丝酵母，可以消耗掉这些小分子糖类，消除对纤维素降解活动的抑制，同时热带产朊假丝酵母的大量繁殖可以生产大量优质的蛋白饲料。该试验结果显示，经过红芝与绿色木霉4∶1混合发酵后，稻草秸秆的纤维素、半纤维素以及木质素的分解率分别达到29.02%、27.70%和39.23%，接种热带产朊假丝酵母24h后真蛋白含量可达到10%左右。稻草秸秆在经过白腐真菌发酵后，粗纤维的含量会显著下降，粗纤维减少会使秸秆质地变得软而松散，极大改善饲料适口性，间接增加了被饲喂动物的采食速度与采食量。

4.3提高稻草饲料中粗蛋白含量

白腐真菌中包括很多的可食用菌种，如平菇、侧耳菌等。这些白腐真菌在分解木质纤维素的同时，还能使发酵稻草饲料的粗蛋白含量显著提高。万小保［19］将稻草按1∶2固液比加水后，接种15%自行筛选培养的白腐真菌菌株LS05，在30℃条件下发酵一段时间后，再在105℃温度下烘干至恒重，测定木质素和蛋白质含量。结果显示，经该种白腐真菌发酵后稻草秸秆的木质素含量下降20.48%，蛋白质含量增加42.83%。宋瑞清等［20］选用平菇处理稻草秸秆，在适宜条件下培养30d后，稻草秸秆由原来的褐色逐渐变为黄色，而后变为白色，木质素含量由接种前的9.49g下降到7.27g，纤维素含量由27.64g下降到23.21g，蛋白质含量由4.70%增加到6.85%。这些试验结果表明，白腐真菌不但对木质素和纤维素具有分解能力，还能利用这些分解产物用于自身菌丝的生长，从而达到将稻草秸秆转化为蛋白质的目的。经白腐真菌发酵后的稻草蛋白质含量显著增加，提高了稻草饲料的营养价值，如果能将其大规模应用于畜禽养殖，可以创造出较高的经济效益。

5展望

白腐真菌分解木质素、纤维素的能力与其他菌种相比具有明显的优势。但是将白腐真菌应用于秸秆饲料的发酵大多还停留在实验室阶段，想要将白腐真菌发酵饲料应用到实际生产当中仍有诸多问题有待解决。例如，在发酵过程中白腐真菌的生长速度会比某些杂菌的生长速度慢，那么如何防止杂菌的污染是解决其批量生产问题的关键;而且为了使发酵效果更好，在发酵的过程中往往会选择多菌种混合发酵，不同菌种间会有相互颉颃或是协同现象的发生，因此白腐真菌与其他菌种之间的相互作用仍需要继续探索。随着当前畜牧产业的高速发展，以及环境与资源问题的日益严峻，微生物发酵秸秆饲料的研究必将成为热点，如何将白腐真菌发酵秸秆饲料应用到实际生产当中也必将为人们所关注。

作者：张仲卿；张爱忠；姜宁 单位：黑龙江八一农垦大学