降解玉米秸秆粗纤维担子菌筛选及其应用

张 卉 刘长江 薛景珍

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，国民对畜产品的需求呈刚性增长。十二五期间，我国畜牧业产值占农业总产值的比重将达36%。但畜牧资源特别是饲料资源将成为我国畜牧业发展的长期制约因素，饲料资源缺乏和成本上涨影响畜牧业可持续发展。因此，我国迫切需要发展新型非常规饲料。其中玉米秸秆由于产量大、成本低、易收集等优势而具有广阔的应用前景。但由于秸秆蛋白质含量低，其它营养成分又由粗纤维组成的细胞壁紧密包裹着，因而单胃动物不能消化。目前我国秸秆利用方式主要是经氨化或青贮后部分饲喂反刍动物，少部分直接还田作肥料或焚烧掉，既浪费资源，又污染环境。秸秆作为饲料的关键环节是粗纤维的降解，并将其纤维素类物质转化为蛋白质，从而提高其饲料利用率。迄今为止对于秸秆的降解已开发了化学处理、物理处理和微生物处理等技术。理化方法一般仅改善秸秆的质地，粗纤维降解率很低，没有蛋白质的改变，因而其营养价值改变不大。微生物处理技术所利用的微生物中乳酸菌、酵母菌只能利用秸秆中的微量糖产酸及一定量菌体蛋白，提高适口性和采食量，但不能从根本上解决秸秆中纤维素类物质分解这一关键问题。有些霉菌虽能分解纤维素，但存在霉菌毒素污染问题。只有担子菌有望从根本上解决粗纤维降解问题。担子菌是自然界有机质循环的重要一环，尤其是纤维素、木质素的主要分解菌。担子菌中的白腐真菌是目前已知降解粗纤维能力最强的微生物，可将纤维素、木质素彻底降解为二氧化碳和水。人类已有几千年食用历史的食用菌大多属担子菌亚门，它们的自然生长条件和人类的生产实践、科学研究都证明它们具有降解粗纤维的能力。若利用食用菌生长过程中通过菌丝体产生的一系列胞外酶，把纤维素、木质素等分解为低分子化合物，然后将其吸收并转化为可供生物体吸收利用的菌体蛋白，将能极大地提高秸秆的营养价值和生物利用率。

本试验探索利用担子菌降解玉米秸秆粗纤维分解,并转化为可供生物体吸收利用的菌体蛋白,并尝试用此饲料部分代替非反刍动物日粮,为开发非常规饲料开辟新途径。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌种

平菇（Pleurotus ostreatus）、香菇（Lentinula edodes）、黑木耳（Auriculara auricula）等23种担子菌，由沈阳农业大学食品学院微生物实验室提供。

1.1.2 培养基配方

一级斜面培养基PDA（质量分数%）：葡萄糖2、琼脂2、马铃薯20，pH值自然；

二级玉米粒培养基（质量分数%）：玉米粒99.5、石膏粉0.5；

筛选培养基（质量分数%）：秸秆粉5、琼脂2。

秸秆发酵培养料配方（料水比为1：1.3）：

A.秸秆 100 kg，石膏 1 kg，石灰 1 kg；

B.配方A加麦麸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。

上述秸秆培养料装入17 cm×33 cm耐压聚乙烯塑料袋,121℃灭菌2 h，装料量1 kg/袋。

1.2 方法

1.2.1 玉米秸秆菌化优良菌种及其培养料配方筛选

通过二因素随机区组试验，以粗纤维分解率为主要指标，筛选玉米秸秆菌化的担子菌及培养料配方。因素A为培养料配方，因素B为菌种，一次重复。采用多元统计分析程序分析。

发酵条件：非控温发酵，实际培养室温11～24℃，湿度40%～60%，避光。

1.2.2 分析测定项目及方法

水分采用干燥恒重法；蛋白质采用凯氏定氮法；粗纤维采用酸碱醇醚法；灰分采用灼烧法；粗脂肪采用索氏提取法；Ca采用高锰酸钾滴定法；P采用钒钼黄比色法；氨基酸采用氨基酸分析仪法；电镜扫描采用日立 S－450。

1.2.3 雏鸡饲喂增重试验

家禽饲喂增重试验在沈阳农业大学畜牧兽医学院科研种鸡场进行。试验选用初生海兰商品代蛋用公鸡雏50只，随机分为5组，每组10只。各试验组分别喂以不同日粮组成的饲料，按正常雏鸡饲养程序进行管理。试验至雏鸡满3周龄结束，对照组饲喂全价饲料。

2 结果与分析

2.1 秸秆培养基上担子菌菌丝生长情况

23种担子菌中有4株在玉米秸秆粉为唯一碳源的培养基上生长最好，具体生长情况及菌化后秸秆状态见表1。

表1 4种担子菌在玉米秸秆上菌丝生长情况及菌化秸秆状态

由表1可见，秸秆经担子菌菌化后色香味均有较大改善。其中S－2号菌株萌动快，发菌充分需要时间短，其菌化料较对照组及其它菌化组色泽明显变白。S－9、S－14号菌种萌动、发菌充分也较快。而作为对照的未菌化秸秆的颜色、风味等感观状况不好。试验所用的其他19种担子菌因在1 kg玉米秸秆为唯一碳源培养基上长满所需时间超过40 d或长势不佳而被淘汰。

2.2 转化菌种和秸秆培养料配方筛选结果

将在玉米秸秆粉为唯一碳源的培养基上生长良好的4株担子菌在5种秸秆培养料上进行二因素随机区组菌化试验。菌化后测定各区组菌化秸秆样品及对照组的粗纤维含量，结果见表2。为确定每种培养基、菌种对粗纤维降解率的影响，分别用新复极差法对二者进行了最小显著极差(LSR)检验，结果见表3和表4。

由表3可见，秸秆培养料A与C、D、E相比对于粗纤维降解率皆有极显著差异(P＜0.01)，与培养料配方B比差异显著(P＜0.05)；培养料配方D、E降解效果最差，表明培养基中加入尿素，磷酸二铵等氮源不利于粗纤维的降解，而且基质中氮素含量增加与粗纤维降解率呈负相关。

由表 4 可见，菌种 S－2、S－9 与菌种 S－14、S－13 相比对于粗纤维降解有极显著差异 (P＜0.01),S－2、S－9菌种间无显著性差异(P＞0.05)，表明 S－2、S－9 为降解粗纤维能力强的优良菌株。

表2 培养料及菌种二因素随机区组试验结果

表3 培养料配方对粗纤维降解率LSR检验结果

表4 菌种对粗纤维降解率LSR检验结果

上述试验表明，秸秆培养料A接种S－2或S－9菌株为最佳组合是有利于粗纤维降解。其中S－2菌株为平菇（Pleurotus ostreatus），早在 20世纪 90年代，一些研究者就开始利用平菇降解农作物秸秆的研究，如Kerem(1992)进行了平菇固态发酵棉花秸秆降解木质纤维素的试验,取得了较好的效果；(1998)[10]利用菌丝体发酵麦秸120 d，麦秸的中性洗涤纤维从824 g/kg降低到485 g/kg,酸性洗涤纤维从561 g/kg降低到412 g/kg。此外，科学家们还发现平菇除了具有降解粗纤维的能力，平菇中的一些物质还具有重要的生理活性。Paulík等(1996)就发现平菇子实体含有可溶性葡聚糖对小鼠具有免疫调节活性；KurashigeS等(1997)发现平菇子实体提取物具有抑制癌症、促进巨噬细胞、淋巴细胞活性作用；Sarangi等(2006)发现平菇的菌丝体所含的蛋白聚糖也具有免疫调节活性；而 Miguel(1997)、Hearst等(2009)，发现，平菇中的某些成分具有抗细菌和抗真菌的作用。因此，本文对S－2菌株转化玉米秸秆进行进一步研究。

2.3 菌化秸秆营养成分分析

S－2菌株菌化后的玉米秸秆的主要营养成分及氨基酸分析结果见表5及表6。

表5 玉米秸秆发酵前后营养成分比较

表6 发酵秸秆氨基酸含量

由表5和表6可见，经S－2菌株发酵后秸秆的粗纤维含量下降了30.5%，而粗蛋白增加了31.3%，粗脂肪提高25.0%。此外，经S－2菌株发酵后秸秆的氨基酸种类丰富，达16种(色氨酸未测)。这些营养成分的变化，使玉米秸秆的营养价值大幅度提高，尤其是粗纤维含量的降低对于提高玉米秸秆的消化利用率有重要意义。

2.4 菌化秸秆电镜观察结果

为研究菌化后玉米秸秆组织结构变化，本试验将未处理混合料及担子菌S－2转化作用后的菌化料分别进行表面电镜扫描，结果见图1和图2(放大倍数1： 600)。由图1、图2可见，未菌化的秸秆细胞壁完整，组织结构清晰可辨。而经S－2担子菌固态发酵后的秸秆细胞结构有不同程度破坏，细胞间隙及表面产生大量絮状菌丝体。

图1 未处理秸秆表面状态

图2 S－2担子菌发酵后秸秆表面状态

2.5 菌化秸秆对雏鸡饲养效果的研究

菌化秸秆替代部分日粮试验选用初生海兰商品代蛋用公鸡雏作为试验动物，按正常雏鸡饲养程序进行管理，试验至雏鸡满3周龄结束。试验组及对照组日粮组成及试验期内雏鸡采食、排便情况见表7，雏鸡增重情况见表8，数据处理结果见表9。

表7 不同日粮组成雏鸡喂养效果

表8 雏鸡增重效果

表9 雏鸡增重LSR检验结果

由表7至表9可见，不同日粮组成的试验组间雏鸡的采食、排便情况和增重效果差异显著。第1、2、4组雏鸡出现不同程度稀便，采食量下降情况，且增重效果与对照组比均有极显著差异（P＜0.01）。第3组，即用S－2菌体蛋白饲料代替5%配合饲料饲养的雏鸡采食、排便情况正常，3周增重效果与对照组无显著性差异（P＞0.05）。上述试验结果说明，担子菌S－2菌体蛋白饲料有可能代替5%全价配合饲料用于雏鸡饲养，但还需进行较长饲养周期的试验来进一步确证。未菌化秸秆粉部分代料饲养雏鸡不可行。

3 结论

3.1 对于玉米秸秆粗纤维降解率，5种秸秆培养料配方间及4种担子菌菌种间均有极显著差异；菌种与培养料交互作用间有极显著差异。最佳组合为培养料A接种S－2菌株。

3.2 担子菌S－2菌株发酵后秸秆与未菌化料相比粗纤维含量下降了30.5%，粗蛋白增加了31.3%，粗脂肪提高25.0%，氨基酸达16种(色氨酸未测)，提高了秸秆的营养价值。

3.3 担子菌S－2菌体蛋白饲料有可能代替5%配合饲料饲喂雏鸡。

15篇，刊略，需者可函索）