真菌降解木質素在反芻動物飼料中的應用

潘春方，鄭付華，任延銘，白兆鵬，孫奇

（1.黑龍江省獸藥飼料監察所，哈爾濱 150069；2.錦州濱海新區動物衛生監督所，遼寧 錦州 121007）

真菌降解木質素在反芻動物飼料中的應用

潘春方1，鄭付華2，任延銘1，白兆鵬1，孫奇1

（1.黑龍江省獸藥飼料監察所，哈爾濱 150069；2.錦州濱海新區動物衛生監督所，遼寧 錦州 121007）

作為我國糧食集中區，東北地區農作物種植面積大，因此隨之而來的農作物秸稈處理成為了東北地區農區的主要生態問題之一。利用真菌對秸稈木質素進行發酵降解使其作為反芻動物飼料，能夠改善其營養價值、提高秸稈的消化率。為開發和利用東北地區農作物秸稈資源、擴大反芻動物飼料來源，文章從木質素對秸稈飼料品質的影響、真菌降解木質素的優勢及其在反芻動物飼料中的應用3方面進行綜述。

木質素；真菌；農作物秸稈；反芻動物飼料

作為我國糧食集中區，東北地區農作物種植面積較大，秸稈種類和數量日益增多，主要以玉米秸稈、水稻秸稈為主，秸稈處理問題隨之產生。由于對這些農作物秸稈資源的開發利用的途徑很少，因而秸稈處理成為東北地區重要問題之一。當前大部分地區處理秸稈的方式還是焚燒，焚燒之后會破壞土壤表層結構，造成土壤動物減少、地表水分大量蒸發，甚至引起大氣污染。

秸稈的主要成分為粗纖維（纖維素、半纖維素和木質素），同時秸稈中也含有大量的氮、磷、鉀等礦質元素和有機質，木質素作為難利用的成分之一，可以采用微生物方法處理，其中主要采用真菌處理。真菌處理可以使秸稈在適宜溫度和濕度條件下進行有機物質礦質化、腐殖化等無害變化，一方面可以使秸稈變成腐熟的生物有機質肥料，另一方面使秸稈中的各種微量元素、有機物以及速效氮、磷、鉀返還到土壤中，對土壤肥力和土壤結構的改善起到顯著效果。我國東北地區的秸稈數量巨大，在東北地區的氣溫條件下，使用真菌高效降解秸稈木質素并用于反芻動物飼料，可促進東北地區秸稈的合理利用及畜牧業發展，對解決東北地區生態安全及畜牧業安全都有重大的現實意義。

2 木質素對秸稈飼料品質的影響

2.1 木質素

木質素化學結構復雜，是以苯環為核心的結構單元通過多種共價鍵結合而成的三維網絡大分子氧化縮合形成的芳香族化合物。這類聚合物不溶于水，光學特性也不活躍[1-2]。木質素在植物中廣泛存在，構成了植物的維管束和其他木質化器官，木質素在農作物秸稈中大量存在，在玉米秸稈中含量約為15%，在水稻和小麥秸稈中含量約為20%，在農作物秸稈、果殼等下腳料中含量為10%～25%，在飼用牧草中木質素的含量約為30%，當木質素含量占植物干重40%時，就會造成纖維難以分解，因此木質素的存在對反芻動物粗飼料的營養價值、適口性和消化率等均具有一定的影響。

木質素的化學結構沒有嚴格的順序，共價鍵和氧化縮合都十分緊密，因此十分穩定，不溶于水，抗酸水解。雖然反芻動物瘤胃中含有大量微生物，但缺乏降解木質素的酶，造成與木質素結合在一起的纖維素和半纖維素無法被利用，細胞內的其他營養成分利用也受到一定影響。

2.2 飼料中木質素的影響

在反芻動物飼料中，營養物質的組成和含量是決定飼料品質的關鍵因素，而在粗飼料的評價中，纖維物質的組成決定粗飼料的品質，粗飼料中粗蛋白等營養成分含量很低。纖維物質主要包括纖維素和半纖維素，在瘤胃中可以被微生物發酵生成揮發性脂肪酸被動物利用。粗飼料中還有一種在數量上僅次于纖維素的物質——木質素，即不能被微生物分解，也無法被動物利用。木質素這種無法被利用的特性，使其能夠作為影響反芻動物瘤胃對纖維的消化率的指標之一。反芻動物通過瘤胃中的微生物產生的纖維素酶和半纖維素酶，將纖維素和半纖維素分解，一方面為微生物的生長和繁殖提供養分，同時不斷分泌纖維分解酶，將植物細胞壁分解，產生的單糖及其衍生物繼續被微生物重新吸收并生成可揮發性脂肪酸或者糖原類物質，最終被動物所利用。就理論上而言，反芻動物能夠通過瘤胃微生物將飼料中全部的纖維素和半纖維素分解并利用，但由于木質素的存在，將一部分纖維素和半纖維素與木質素緊密結合在一起，使得其不能被利用，因此有研究將木質素在中性洗滌纖維中所占的比例作為影響反芻動物瘤胃對纖維的消化率的指標之一[3-4]。

由于木質素完全不能被微生物所利用，因此會形成一個阻礙微生物和酶進入的堅固屏障，不僅限制了瘤胃微生物對纖維素和半纖維素的利用，同時也限制了細胞內其他營養物質的釋放和利用。因此，日糧纖維中，纖維素和半纖維素完全被微生物分解利用僅僅存在理論上的可能。國外學者研究發現，通過減少木質素的濃度或者打破木質素與細胞壁碳水化合物之間的連接能夠顯著增加中性洗滌纖維體外消化率（P＜0.05）[5]。研究表明，木質素含量已被確定為限制無芒雀麥和紫花苜蓿IVNDFD的一個關鍵因子[6]。

3 真菌降解木質素的機制及影響因素

3.1 真菌降解秸稈木質素作用機制

木質素能夠被完全降解也是可能的，通過真菌、細菌和其他微生物群落相互構成的共生關系，可以達到木質素的完全降解。其中，對木質素降解起最顯著作用的是真菌，其次為放線菌，細菌作用最小[7]。真菌降解木質素主要發生在次級代謝階段，通過酶化作用，將木質素變為不穩定的自由活性中間體，而后進行一系列的自發降解[8]。已有研究表明，有3類真菌降解木質素十分有效：白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，在有氧條件下將木質素降解為H2O和CO2。其中以白腐菌降解能力最強，也是目前為止研究最為深入的木質素降解真菌。白腐菌的優勢在于能分泌高活力、增長速度快、酶活性持續時間長的胞氧化酶對木質素進行降解。典型的白腐菌有雜色木云芝、黃白臥孔菌和粉狀側孢菌等，其中云芝對木質素的降解能力較強。褐腐菌的優勢在于能礦化木質素的甲氧基結構并使其發生變質，進而形成腐殖質[9]。軟腐菌的作用與褐腐菌相似，主要對腐殖質的形成起一定作用。目前，研究表明最有效的木質素降解模式菌為黃孢原毛平革菌[10]。而研究最深入的為白腐真菌，白腐真菌對木質素的降解機理如下：真菌菌絲通過分泌木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶，將木質素解聚，木質素會被分解形成化學不穩定的自由基中間體，然后發生鏈式反應，自由基中間體之間的結合鍵發生斷裂，產生各種自由基，再通過一系列的氧化降解過程生成CO2。基于此降解機制，白腐真菌對于秸稈的降解效果顯著，通過形成菌絲和超纖維氧化酶，溶解秸稈表面的蠟質，進入到秸稈內部，開始木質素的降解，最終形成CO2，整個過程氧化徹底，無特殊物質產生，使秸稈變得易于消化吸收[11]。使用白腐真菌降解秸稈之前，不需要進行物理或化學性的前處理。目前，可用于秸稈降解的白腐真菌已有幾十種，不僅能夠提高木質素降解率，而且能夠顯著提高秸桿的適口性和反芻動物瘤胃干物質消化率。

3.2 真菌篩選鑒定

近年來，篩選具有選擇性木質素降解能力的白腐真菌成為國內外學者研究的重要方向，瑞典科學家從野外中分離并篩選出一種木質素高效降解菌，并對其進行了誘變育種，通過人工誘變的方式育成了沒有纖維素酶的突變株[12]。

我國學者也進行了大量的篩選鑒定工作，韋麗敏將篩選出的生長良好、降解木質素能力強的菌株進行優化，與纖維素降解菌綠色木霉混合協同發酵降解秸稈，發現紅芝（Ganoderma）真菌對木質素的降解能力最強[13]。熊莉麗獲得的纖維素降解菌株是從垃圾填埋場和泥炭中篩選出的，并用其中的芽孢桿菌屬菌株、假單胞菌屬菌株和里氏木霉工程菌水解和發酵未經預處理的木質纖維素，不僅有效的對木質素進行了降解，同時能獲得包括生物乙醇和木糖醇等附加值產品的降解產物[14]。石嬌蕊通過試驗優化了白腐真菌有效降解秸稈的工藝，使得白腐真菌對玉米秸稈的降解發酵更為快速和高效，顯著的降低了玉米秸稈中的木質素含量[15]。

3.3 影響白腐菌降解木質素的因素

白腐真菌對木質素降解能夠起到很好的效果，但不同的降解條件會影響秸稈木質素降解過程和速度，國內外學者對此也做了大量的實踐探索，發現影響的主要因素主要包括環境因素和發酵時間兩方面[16]。

環境因素主要包括真菌發酵的溫度、酸堿度、碳氮源比例、培養物氣體交換及擴散等方面。一般而言，溫度能直接影響秸稈木質素的降解率和降解速度，大多數白腐真菌在20～35℃能最有效的降解木質素，適宜生長的pH為4～5。由于秸稈在發酵早期能夠產生大量的有機酸，創造出的環境足以滿足真菌生長需要，因此酸性環境并不需要人為去調整。碳源和氮源是微生物降解木質素和產酶的一個極為主要的影響因素，真菌降解木質素主要通過酶的作用來實現，氮源限制不利于產酶，而碳源限制有利于酶的合成。在秸稈發酵過程中，氣體交換及其在秸稈料中的擴散也是影響真菌發酵過程的因素之一，過高或者過低的水分會造成氣體交換量發生變化，阻礙白腐真菌的生長和降解能力。需要注意的是在整個白腐真菌對秸稈木質素的發酵降解過程中，必須保證基質無菌和高濃度的氧氣環境，以避免受到其他菌種的污染和競爭，保證白腐真菌生長的適宜環境。

發酵時間的控制是影響秸稈木質素降解的另一個主要因素。發酵時間過短，會造成木質素降解不徹底，不能顯著提高秸稈消化率，發酵時間過長會造成木質素降解過多，飼料中的其他營養物質被微生物利用和分解，造成秸稈飼料的營養階值降低。因此，在利用白腐真菌對秸稈進行降解處理時，要保證好適宜的溫度和適宜的發酵時間，達到最佳的處理效果。

4 真菌降解木質素在反芻動物飼料的應用

4.1 改善秸稈營養價值

農作物收獲后剩余的秸稈可以通過還田和自身降解的方式，把秸稈轉化為有機肥料歸還到土壤中，但秸稈在土壤中的完全降解需要很長一段時間，利用真菌可以加快這個轉化過程[17]。應用白腐真菌處理秸稈，可以將秸稈轉化為纖維飼料，用于反芻動物營養中。目前已有20多種白腐真菌具有降解秸稈木質素的能力，但不同菌種降解能力表現出顯著的種間差異，即使是同一種白腐真菌，不同的培養發酵條件也會造成其降解秸稈能力的變化。在適宜的發酵環境下，白腐真菌能顯著的改善秸稈的營養價值，顯著提高秸稈的體外降解率。對小麥秸稈進行切碎處理后，添加白腐真菌糙皮側耳，利用固體發酵手段進行發酵，小麥秸稈體外消化率顯著提高，粗蛋白質含量也有所增加。

4.2 提高適口性和消化率

白腐真菌處理的秸稈不僅改善秸稈的營養價值，同時發酵過程中會產生的大量有機酸使pH降低，此外飼料具有芳香酸味，大量的木質素降解也會使秸稈質地柔軟，從而顯著提高其適口性和消化率。

張洪生等以小麥秸稈為材料，利用單一菌種和復合菌種進行木質素發酵降解試驗，結果表明，采用復合菌種發酵比采用單一菌種發酵效果更加明顯，兩種方法都顯著的降低木質素含量（P＜0.05）[18]。利用復合菌或者混合菌進行木質素發酵降解的優勢明顯，一般是將白腐真菌和其他種類的微生物混合在一起，這樣不但能夠達到降解木質素的目的，還能夠利用另一種微生物的發酵，從而提高營養成分的含量，提高飼料適口性和體外消化率。秦濤等采用綠色木霉和黃孢原毛平革菌兩種微生物進行混合發酵處理秸稈，結果表明，混合菌發酵可以顯著提高秸稈飼料的適口性，同時粗纖維的體外利用率達到69%[19]。

5 展望

利用微生物對秸稈進行木質素降解來獲得反芻動物家畜粗飼料的方法已經成為國內外飼料行業發展的熱點，也代表著該領域的發展趨勢。以白腐真菌為代表的真菌類微生物，具有降解木質素的獨特能力，這種降解過程是十分復雜的生理生化過程，因此，深入研究真菌對秸稈木質素的降解過程，優化真菌發酵降解的條件，對于農作物秸稈資源的開發和利用具有重要意義。利用真菌對秸稈木質素進行發酵降解之后用于反芻動物家畜營養的效果也十分顯著，這對于擴大反芻動物家畜飼料來源而言十分有利。但就目前國內外的研究來看，多數的研究集中于真菌對秸稈木質素的降解效果和提高飼料品質方面，對真菌降解木質素的機理研究尚不深入，真菌在不同的發酵過程中產生酶的種類、酶活性、酶類作用的具體機制等尚不明晰，對真菌降解秸稈木質素仍需要深入研究。

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The Application of Lignin Degraded by Fungi as Feed for Ruminant

PAN Chunfang1,ZHENG Fuhua2,REN Yanming1,BAI Zhaopeng1,SUN Qi1

（1.Heilongjiang Veterinary Drug and Feed Supervision Institute,Harbin 150069,China;2.Jinzhou Binhai New Area Animal Health Institute,Jinzhou 121007,Liaoning China）

As a national food concentration area,the planting area of crops in Northeast China is large,so the con?sequent treatment of crop straw has become one of the major ecological problems in agricultural areas in Northeast Chi?na.The lignin degraded by fungi can be used as ruminant feedstuff,improving the feedstuff nutrition and enhancing the straw digestibility.To develop and utilize crop straw resource,and enlarge the ruminant feedstuff source,the ef?fects of lignin on the quality of straw feed,the advantages of fungal degradation of lignin and its application in rumi?nantfeedweresummarized inthisarticle.

lignin;fungi;grop straw;ruminant feedstuff

S816.6；S816.5

A

1001-0084（2017）10-0001-04

2017-07-29

潘春方（1984-），女，黑龍江哈爾濱人，博士，從事動物營養與飼料科學研究。