不同白腐菌预处理对木薯渣营养品质的影响

■宋丽丽 魏 涛 梁 萌 郭 原

（郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州 450002）

我国是农业和食品大国，各种食品糟渣和农业废弃物得不到综合利用，造成了极大的浪费。传统的填埋、堆积、焚烧等方法处理不仅占用土地资源，而且产生严重的环境污染问题。另一方面，这些废弃物富含有机物质，若能将其合理利用，不仅能够实现资源的高效转化，并且具有生态、环保、资源等多种效益[1]。

木薯渣是木薯生产加工淀粉或乙醇后的残料，木薯渣营养成分丰富，含有高达78.7%的非氮化合物，主要成分是残余淀粉，还含有纤维素、半纤维素和蛋白质等大分子化合物[2]。木薯渣可广泛应用于饲料生产、菌菇栽培、沼气发酵和化工生产等行业。Zhang等[3]采用混合菌群预处理的木薯渣，甲烷和氢气产量较未处理的提高96.63%，进一步研究表明，生物处理过程中纤维素酶、半纤维素酶活力的增强有利于甲烷气体的产生。唐春梅等[4]研究发现，用7%～14%的木薯渣添加替代麦麸，能降低夏季肥育牛的饲养成本，且对饲料转化效率和肉牛日增重无影响，提高养殖效益。木薯渣原料中富含淀粉、纤维素、半纤维素等生物可利用物质，如果直接作为饲料原料投入使用，其中的淀粉颗粒结构以及其结晶组织、木质素和纤维素的包裹作用对木薯渣的高效利用转化具有一定的抑制作用[5]。此外，木薯渣中还含有少量氰化物，具有生物毒性，易造成饲喂中毒现象。以木薯渣作为饲用原料具有适口性差、易霉腐、蛋白含量低等一系列缺点，因此，必须采用一定的方法对木薯渣进行处理，将固相不溶物质（纤维素、半纤维素等）转为液相可溶性糖类物质；同时降低淀粉颗粒的黏性，增加其溶解性，提升蛋白含量，并降低其生物毒性，以提高木薯渣饲用效率和利用价值。艾必燕等[6]采用黑曲霉、绿色木霉和根霉混合菌种，通过优化工艺条件，发酵木薯渣蛋白含量最高为18.6%，提升木薯渣的饲用价值。马静静等[7]使用乳酸菌处理木薯渣，结果显示，乳酸菌处理后的木薯渣乳酸含量得到积累；同时，氰化物含量降低，发酵饲料品质提升。

白腐菌是自然界中唯一可以把木质素彻底矿化为CO2和H2O的一类微生物，利用白腐菌胞外降解酶系统可有效降解木质纤维素组分，降低生物质原料结构抗性，有利于可还原性糖（葡萄糖、木糖）等的释放。传统木薯渣生物预处理均采用常规单一或混合菌种发酵，如乳酸菌[7]、酵母菌[8]、木霉[9]、黑曲霉[10]等，对白腐菌预处理木薯渣改善其营养品质的研究报道较少。

本研究以木薯渣作为发酵底物，研究白腐菌固态发酵对木薯渣改性效果，评价木薯渣发酵过程中感官品质、成分变化、营养物质改善等；同时，经过生物预处理，期望降解木薯渣中的氰化物等对后期发酵不利的有毒物质，降低木薯渣难降解物质含量，提升木薯渣品质，以便最终促进木薯渣高效转化。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 木薯渣

由河南天冠企业提供。

1.1.2 微生物

黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）、硬毛盖孔菌（Funalia trogii）、糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）、杂色云芝（Coriolus versicolor）、刺芹侧耳（Pleurotus eryngi）于4℃冰箱斜面保存。

1.1.3 培养基

1.1.3.1 活化培养基

土豆液体培养基(PDY)(m/v)：20%土豆浸出液，2%～3%蔗糖，121℃灭菌30 min。

1.1.3.2 固体发酵培养基

称取50 g新鲜木薯渣（干重为15 g）至250 ml三角瓶中，塑料膜封口，121℃灭菌30 min。

1.2 试验方法

1.2.1 木薯渣生物预处理

从马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）斜面上划分小块接种块至PDY培养基，摇床（28℃、120 r/min）培养7 d，吸取5 ml菌球至固体发酵培养基中，28℃静置培养15 d。

1.2.2 木薯渣感官评定

白腐菌预处理后的木薯渣发酵效果及感官评定参照德国农业协会青贮质量感官评分标准进行评定打分[11]。主要评估木薯渣色泽、气味、质地及霉变程度。

1.3 分析测试项目

木薯渣中纤维素、半纤维素、木质素、灰分含量依据美国可再生能源实验室NREL制定标准进行[12]。水分、粗脂肪、粗蛋白含量参照《饲料分析及饲料质量检测技术》[13]；发酵固体中可溶性还原糖、总糖含量依据《生物化学实验方法和技术》[14]，采用吡啶-巴比妥酸法测定木薯渣中氰化物含量[15]。

计算公式为：

纤维素降解量（%）=(M1-M2)/M1×100。

式中：M1——原料木薯渣中纤维素的含量（%）；

M2——白腐菌处理后木薯渣中纤维素的含量(%)。

半纤维素降解量和木质素降解量计算方法同上。

2 结果与分析

2.1 木薯渣成分分析（见表1）

表1 木薯渣成分分析

新鲜木薯渣含水量为70.54%，pH值为4.6，含水率较高且本身有一定酸性。总固体含量中有机物含量高达98.06%，无机物灰分仅占1.94%。而有机物中粗纤维和淀粉为主要成分，作为潜在葡萄糖的主要来源，为后期微生物发酵提供底物。由表1所示，木薯渣中还含有4.01%的蛋白质，可以为白腐菌的生长提供充足氮源。木质素含量为5.61%，为生物不可利用部分，木质素是构成木薯渣生物降解屏障物质，是影响生物处理的关键抗性因素。另外，木薯渣中含有20.57 mg/kg氰化物，氰化物的存在对微生物生长及发酵有一定的毒害作用。

2.2 生物处理木薯渣品质评定

不同白腐菌发酵后的木薯渣品质感官评定如表2所示，刺芹侧耳和硬毛盖孔菌在木薯渣生长较为缓慢，发酵过程中出现木薯渣酸化腐败现象，因此评价总分低于或等于10分，发酵效果不佳。黄孢原毛平革菌、糙皮侧耳和杂色云芝在木薯渣上生长良好，发酵后的木薯渣均有酸香味，色泽正常，质地优良。其中杂色云芝发酵后的木薯渣还带有菌香味，评分最高。

表2 不同白腐菌处理木薯渣发酵品质感官评定

2.3 生物处理对木薯渣营养价值的影响

2.3.1 生物处理对木薯渣组分的影响

白腐菌处理生物质主要依靠其胞外强大的木质素降解酶系（漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶），木质素作为微生物不能利用的营养物质，组成了生物质结构抗性屏障，阻碍纤维类物质的水解释放。同时，以木质纤维素作为原料生产饲料过程中，木质素作为动物难以消化的物质，不仅造成饲料适口性差，而且降低了饲料的营养价值。由感官评定结果及发酵效果评价选择以黄孢原毛平革菌、杂色云芝和糙皮侧耳作为预处理木薯渣出发菌株。白腐菌对木薯渣组分降解结果见图1。

图1 白腐菌处理前后木薯渣组分变化

经白腐菌处理后的木薯渣其组分含量均有不同程度的降低。但三株白腐菌呈现不同的降解模式，黄孢原毛平革菌选择性降解木质素的能力较差，木质素仅降解了11.07%，纤维素与半纤维素分别消耗了25%和24.81%。杂色云芝表现出较强的选择性降解木质素的能力，木质素降解了42.14%，纤维素仅降解8.85%，较多的保留了可利用底物。糙皮侧耳则对纤维素、半纤维素和木质素呈现出同步降解的能力，预处理15 d后分别降解了26.56%、24.39%和25.89%。木质素作为动物难消化部分，降低了饲料的适口性及营养价值，纤维素和半纤维素作为可食用部分，如果在预处理过程中被微生物过度消耗，则造成饲料利用率的降低。因此，针对不同白腐菌对木质纤维素的降解特性，以选择性降解木质素同时较多保留纤维素和半纤维素的杂色云芝为佳。

2.3.2 发酵前后木薯渣可溶性糖含量变化

白腐菌在降解木质素的同时，也会利用掉一部分纤维素和半纤维素作为自身营养生长需要，纤维素和半纤维素的降解依赖于白腐菌胞外分泌的一系列酶系，如纤维素外切酶、纤维素内切酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶等。部分白腐菌自身还向胞外分泌一系列真菌活性多糖。经白腐菌处理后木薯渣疏松度增加，增强了木薯渣的可消化性（见表2）。白腐菌处理前后可溶性糖含量的变化一定程度上反映菌体将不溶性大分子物质转化为可溶性小分子物质的能力，结果如图2所示。

图2 白腐菌生物处理前后木薯渣可溶性糖含量

原料木薯渣中可溶性糖含量较低，原料组成均为大分子不溶性物质（如淀粉和粗纤维等）。经白腐菌处理后木薯渣中可溶性糖含糖量明显升高，黄孢原毛平革菌、杂色云芝和糙皮侧耳处理后的木薯渣可溶性糖含量较原料分别提升4.34、7.25倍和9.98倍。同时，样品pH值较原料也有一定程度的下降（见表2），说明白腐菌处理木薯渣的过程中不仅降解了纤维素类物质产生可溶性糖，同时也产生出一部分有机酸等其它非糖类的小分子物质，增加了原料的酸香性。Yang等[16]研究表明，木薯渣中可溶性糖浓度对获得优质发酵饲料非常重要。

2.3.3 生物处理对木薯渣粗蛋白含量的影响(见图3)

白腐菌在以木薯渣作为基质生长的过程中，不仅将木薯渣中不溶性大分子颗粒转化为小分子糖、酸等物质，改善木薯渣的物理、化学性质，提升木薯渣的消化吸收效率；同时，菌丝生长过程中产生的菌体蛋白，增加了木薯渣中粗蛋白含量，提升木薯渣品质。同时，菌体代谢会产生一系列醇、酸、酯等增加木薯渣芳香气味的小分子物质，增加饲喂动物食欲。由图3可知，三种白腐菌处理后木薯渣粗蛋白含量均有所提升，原料木薯渣中粗蛋白含量较低，经白腐菌处理后粗蛋白含量分别提升了55.6%、111.7%和107.9%。天然木薯渣中氮含量较低，作为饲料使用难以满足动物的营养需求，白腐菌预处理能有效降低粗纤维中不消化物质木质素的含量，同时增加木薯渣中粗蛋白含量，对于改善木薯渣饲料品质、提升木薯渣营养价值具有重大意义。

图3 白腐菌处理前后木薯渣粗蛋白含量变化

2.3.4 生物处理对木薯渣氰化物含量的影响

氰化物作为木薯渣中有害成分，若过量食用，可造成中毒，严重的话会导致呼吸麻痹甚至死亡[17]。GB13078—2001规定的鸡、猪配合饲料中氰化物含量标准≤50 mg/kg[18]，中华人民共和国农业行业标准《食用木薯淀粉》中规定氢氰酸含量≤10 mg/kg[19]。原料中氰化物含量符合饲用标准但高于食用要求标准，经白腐菌处理后木薯渣氰化物含量如表3所示。三株白腐菌均有耐受氰化物的能力，且对木薯渣中的氰化物均有不同程度的降解，黄孢原毛平革菌降解氰化物的能力较差，处理15 d后氰化物含量仅降低了15.17%，杂色云芝对木薯渣的脱毒能力较强，氰化物含量降低了49.34%，而糙皮侧耳对氰化物的去除能力最强，经处理后氰化物仅4.52 mg/kg，较原料降低了78.03%，符合食用和饲用标准。糙皮侧耳处理是实现安全有效降解木薯中氰化物的有效途径。

表3 白腐菌处理前后木薯渣氰化物含量（mg/kg）

3 结论

本研究系统比较了黄孢原毛平革菌、硬毛盖孔菌、杂色云芝、糙皮侧耳和刺芹侧耳五种白腐菌对木薯渣处理效果的影响，其中，黄孢原毛平革菌、杂色云芝和糙皮侧耳在木薯渣上生长良好，感官评定结果均大于10分。对木薯渣的降解模式上，黄孢原毛平革菌优先利用纤维素和半纤维素，对木质素的降解较少，杂色云芝选择性降解木质素，较多的保留了可利用底物，糙皮侧耳对三组分呈现同步降解模式。三株菌均表现出较强改善木薯渣品质的能力，生物处理后木薯渣中可溶性糖及粗蛋白含量较对照样品均有显著提升。糙皮侧耳表现出对木薯渣中氰化物去除能力，经生物处理后木薯渣中氰化物的含量仅为4.52 mg/kg，较原料降低78.03%。经白腐菌处理后的木薯渣在营养成分、感官品质及氰化物含量等方面均表现出较大的优势，说明白腐菌预处理能够促进木薯渣高效转化，提升木薯渣饲用价值与营养品质。