降解玉米秸稈粗纖維擔子菌篩選及其應用

張 卉 劉長江 薛景珍

隨著我國經濟的高速發展和人民生活水平的提高，國民對畜產品的需求呈剛性增長。十二五期間，我國畜牧業產值占農業總產值的比重將達36%。但畜牧資源特別是飼料資源將成為我國畜牧業發展的長期制約因素，飼料資源缺乏和成本上漲影響畜牧業可持續發展。因此，我國迫切需要發展新型非常規飼料。其中玉米秸稈由于產量大、成本低、易收集等優勢而具有廣闊的應用前景。但由于秸稈蛋白質含量低，其它營養成分又由粗纖維組成的細胞壁緊密包裹著，因而單胃動物不能消化。目前我國秸稈利用方式主要是經氨化或青貯后部分飼喂反芻動物，少部分直接還田作肥料或焚燒掉，既浪費資源，又污染環境。秸稈作為飼料的關鍵環節是粗纖維的降解，并將其纖維素類物質轉化為蛋白質，從而提高其飼料利用率。迄今為止對于秸稈的降解已開發了化學處理、物理處理和微生物處理等技術。理化方法一般僅改善秸稈的質地，粗纖維降解率很低，沒有蛋白質的改變，因而其營養價值改變不大。微生物處理技術所利用的微生物中乳酸菌、酵母菌只能利用秸稈中的微量糖產酸及一定量菌體蛋白，提高適口性和采食量，但不能從根本上解決秸稈中纖維素類物質分解這一關鍵問題。有些霉菌雖能分解纖維素，但存在霉菌毒素污染問題。只有擔子菌有望從根本上解決粗纖維降解問題。擔子菌是自然界有機質循環的重要一環，尤其是纖維素、木質素的主要分解菌。擔子菌中的白腐真菌是目前已知降解粗纖維能力最強的微生物，可將纖維素、木質素徹底降解為二氧化碳和水。人類已有幾千年食用歷史的食用菌大多屬擔子菌亞門，它們的自然生長條件和人類的生產實踐、科學研究都證明它們具有降解粗纖維的能力。若利用食用菌生長過程中通過菌絲體產生的一系列胞外酶，把纖維素、木質素等分解為低分子化合物，然后將其吸收并轉化為可供生物體吸收利用的菌體蛋白，將能極大地提高秸稈的營養價值和生物利用率。

本試驗探索利用擔子菌降解玉米秸稈粗纖維分解,并轉化為可供生物體吸收利用的菌體蛋白,并嘗試用此飼料部分代替非反芻動物日糧,為開發非常規飼料開辟新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種

平菇（Pleurotus ostreatus）、香菇（Lentinula edodes）、黑木耳（Auriculara auricula）等23種擔子菌，由沈陽農業大學食品學院微生物實驗室提供。

1.1.2 培養基配方

一級斜面培養基PDA（質量分數%）：葡萄糖2、瓊脂2、馬鈴薯20，pH值自然；

二級玉米粒培養基（質量分數%）：玉米粒99.5、石膏粉0.5；

篩選培養基（質量分數%）：秸稈粉5、瓊脂2。

秸稈發酵培養料配方（料水比為1：1.3）：

A.秸稈 100 kg，石膏 1 kg，石灰 1 kg；

B.配方A加麥麩10 kg；

C.配方A加玉米粉10 kg；

D.配方A加玉米粉10 kg，尿素0.5 kg；

E.配方A加玉米粉10 kg，磷酸二胺0.5 kg。

上述秸稈培養料裝入17 cm×33 cm耐壓聚乙烯塑料袋,121℃滅菌2 h，裝料量1 kg/袋。

1.2 方法

1.2.1 玉米秸稈菌化優良菌種及其培養料配方篩選

通過二因素隨機區組試驗，以粗纖維分解率為主要指標，篩選玉米秸稈菌化的擔子菌及培養料配方。因素A為培養料配方，因素B為菌種，一次重復。采用多元統計分析程序分析。

發酵條件：非控溫發酵，實際培養室溫11～24℃，濕度40%～60%，避光。

1.2.2 分析測定項目及方法

水分采用干燥恒重法；蛋白質采用凱氏定氮法；粗纖維采用酸堿醇醚法；灰分采用灼燒法；粗脂肪采用索氏提取法；Ca采用高錳酸鉀滴定法；P采用釩鉬黃比色法；氨基酸采用氨基酸分析儀法；電鏡掃描采用日立 S－450。

1.2.3 雛雞飼喂增重試驗

家禽飼喂增重試驗在沈陽農業大學畜牧獸醫學院科研種雞場進行。試驗選用初生海蘭商品代蛋用公雞雛50只，隨機分為5組，每組10只。各試驗組分別喂以不同日糧組成的飼料，按正常雛雞飼養程序進行管理。試驗至雛雞滿3周齡結束，對照組飼喂全價飼料。

2 結果與分析

2.1 秸稈培養基上擔子菌菌絲生長情況

23種擔子菌中有4株在玉米秸稈粉為唯一碳源的培養基上生長最好，具體生長情況及菌化后秸稈狀態見表1。

表1 4種擔子菌在玉米秸稈上菌絲生長情況及菌化秸稈狀態

由表1可見，秸稈經擔子菌菌化后色香味均有較大改善。其中S－2號菌株萌動快，發菌充分需要時間短，其菌化料較對照組及其它菌化組色澤明顯變白。S－9、S－14號菌種萌動、發菌充分也較快。而作為對照的未菌化秸稈的顏色、風味等感觀狀況不好。試驗所用的其他19種擔子菌因在1 kg玉米秸稈為唯一碳源培養基上長滿所需時間超過40 d或長勢不佳而被淘汰。

2.2 轉化菌種和秸稈培養料配方篩選結果

將在玉米秸稈粉為唯一碳源的培養基上生長良好的4株擔子菌在5種秸稈培養料上進行二因素隨機區組菌化試驗。菌化后測定各區組菌化秸稈樣品及對照組的粗纖維含量，結果見表2。為確定每種培養基、菌種對粗纖維降解率的影響，分別用新復極差法對二者進行了最小顯著極差(LSR)檢驗，結果見表3和表4。

由表3可見，秸稈培養料A與C、D、E相比對于粗纖維降解率皆有極顯著差異(P＜0.01)，與培養料配方B比差異顯著(P＜0.05)；培養料配方D、E降解效果最差，表明培養基中加入尿素，磷酸二銨等氮源不利于粗纖維的降解，而且基質中氮素含量增加與粗纖維降解率呈負相關。

由表 4 可見，菌種 S－2、S－9 與菌種 S－14、S－13 相比對于粗纖維降解有極顯著差異 (P＜0.01),S－2、S－9菌種間無顯著性差異(P＞0.05)，表明 S－2、S－9 為降解粗纖維能力強的優良菌株。

表2 培養料及菌種二因素隨機區組試驗結果

表3 培養料配方對粗纖維降解率LSR檢驗結果

表4 菌種對粗纖維降解率LSR檢驗結果

上述試驗表明，秸稈培養料A接種S－2或S－9菌株為最佳組合是有利于粗纖維降解。其中S－2菌株為平菇（Pleurotus ostreatus），早在 20世紀 90年代，一些研究者就開始利用平菇降解農作物秸稈的研究，如Kerem(1992)進行了平菇固態發酵棉花秸稈降解木質纖維素的試驗,取得了較好的效果；(1998)[10]利用菌絲體發酵麥秸120 d，麥秸的中性洗滌纖維從824 g/kg降低到485 g/kg,酸性洗滌纖維從561 g/kg降低到412 g/kg。此外，科學家們還發現平菇除了具有降解粗纖維的能力，平菇中的一些物質還具有重要的生理活性。Paulík等(1996)就發現平菇子實體含有可溶性葡聚糖對小鼠具有免疫調節活性；KurashigeS等(1997)發現平菇子實體提取物具有抑制癌癥、促進巨噬細胞、淋巴細胞活性作用；Sarangi等(2006)發現平菇的菌絲體所含的蛋白聚糖也具有免疫調節活性；而 Miguel(1997)、Hearst等(2009)，發現，平菇中的某些成分具有抗細菌和抗真菌的作用。因此，本文對S－2菌株轉化玉米秸稈進行進一步研究。

2.3 菌化秸稈營養成分分析

S－2菌株菌化后的玉米秸稈的主要營養成分及氨基酸分析結果見表5及表6。

表5 玉米秸稈發酵前后營養成分比較

表6 發酵秸稈氨基酸含量

由表5和表6可見，經S－2菌株發酵后秸稈的粗纖維含量下降了30.5%，而粗蛋白增加了31.3%，粗脂肪提高25.0%。此外，經S－2菌株發酵后秸稈的氨基酸種類豐富，達16種(色氨酸未測)。這些營養成分的變化，使玉米秸稈的營養價值大幅度提高，尤其是粗纖維含量的降低對于提高玉米秸稈的消化利用率有重要意義。

2.4 菌化秸稈電鏡觀察結果

為研究菌化后玉米秸稈組織結構變化，本試驗將未處理混合料及擔子菌S－2轉化作用后的菌化料分別進行表面電鏡掃描，結果見圖1和圖2(放大倍數1： 600)。由圖1、圖2可見，未菌化的秸稈細胞壁完整，組織結構清晰可辨。而經S－2擔子菌固態發酵后的秸稈細胞結構有不同程度破壞，細胞間隙及表面產生大量絮狀菌絲體。

圖1 未處理秸稈表面狀態

圖2 S－2擔子菌發酵后秸稈表面狀態

2.5 菌化秸稈對雛雞飼養效果的研究

菌化秸稈替代部分日糧試驗選用初生海蘭商品代蛋用公雞雛作為試驗動物，按正常雛雞飼養程序進行管理，試驗至雛雞滿3周齡結束。試驗組及對照組日糧組成及試驗期內雛雞采食、排便情況見表7，雛雞增重情況見表8，數據處理結果見表9。

表7 不同日糧組成雛雞喂養效果

表8 雛雞增重效果

表9 雛雞增重LSR檢驗結果

由表7至表9可見，不同日糧組成的試驗組間雛雞的采食、排便情況和增重效果差異顯著。第1、2、4組雛雞出現不同程度稀便，采食量下降情況，且增重效果與對照組比均有極顯著差異（P＜0.01）。第3組，即用S－2菌體蛋白飼料代替5%配合飼料飼養的雛雞采食、排便情況正常，3周增重效果與對照組無顯著性差異（P＞0.05）。上述試驗結果說明，擔子菌S－2菌體蛋白飼料有可能代替5%全價配合飼料用于雛雞飼養，但還需進行較長飼養周期的試驗來進一步確證。未菌化秸稈粉部分代料飼養雛雞不可行。

3 結論

3.1 對于玉米秸稈粗纖維降解率，5種秸稈培養料配方間及4種擔子菌菌種間均有極顯著差異；菌種與培養料交互作用間有極顯著差異。最佳組合為培養料A接種S－2菌株。

3.2 擔子菌S－2菌株發酵后秸稈與未菌化料相比粗纖維含量下降了30.5%，粗蛋白增加了31.3%，粗脂肪提高25.0%，氨基酸達16種(色氨酸未測)，提高了秸稈的營養價值。

3.3 擔子菌S－2菌體蛋白飼料有可能代替5%配合飼料飼喂雛雞。

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