真菌降解木质素在反刍动物饲料中的应用

潘春方，郑付华，任延铭，白兆鹏，孙奇

（1.黑龙江省兽药饲料监察所，哈尔滨 150069；2.锦州滨海新区动物卫生监督所，辽宁 锦州 121007）

真菌降解木质素在反刍动物饲料中的应用

潘春方1，郑付华2，任延铭1，白兆鹏1，孙奇1

（1.黑龙江省兽药饲料监察所，哈尔滨 150069；2.锦州滨海新区动物卫生监督所，辽宁 锦州 121007）

作为我国粮食集中区，东北地区农作物种植面积大，因此随之而来的农作物秸秆处理成为了东北地区农区的主要生态问题之一。利用真菌对秸秆木质素进行发酵降解使其作为反刍动物饲料，能够改善其营养价值、提高秸秆的消化率。为开发和利用东北地区农作物秸秆资源、扩大反刍动物饲料来源，文章从木质素对秸秆饲料品质的影响、真菌降解木质素的优势及其在反刍动物饲料中的应用3方面进行综述。

木质素；真菌；农作物秸秆；反刍动物饲料

作为我国粮食集中区，东北地区农作物种植面积较大，秸秆种类和数量日益增多，主要以玉米秸秆、水稻秸秆为主，秸秆处理问题随之产生。由于对这些农作物秸秆资源的开发利用的途径很少，因而秸秆处理成为东北地区重要问题之一。当前大部分地区处理秸秆的方式还是焚烧，焚烧之后会破坏土壤表层结构，造成土壤动物减少、地表水分大量蒸发，甚至引起大气污染。

秸秆的主要成分为粗纤维（纤维素、半纤维素和木质素），同时秸秆中也含有大量的氮、磷、钾等矿质元素和有机质，木质素作为难利用的成分之一，可以采用微生物方法处理，其中主要采用真菌处理。真菌处理可以使秸秆在适宜温度和湿度条件下进行有机物质矿质化、腐殖化等无害变化，一方面可以使秸秆变成腐熟的生物有机质肥料，另一方面使秸秆中的各种微量元素、有机物以及速效氮、磷、钾返还到土壤中，对土壤肥力和土壤结构的改善起到显著效果。我国东北地区的秸秆数量巨大，在东北地区的气温条件下，使用真菌高效降解秸秆木质素并用于反刍动物饲料，可促进东北地区秸秆的合理利用及畜牧业发展，对解决东北地区生态安全及畜牧业安全都有重大的现实意义。

2 木质素对秸秆饲料品质的影响

2.1 木质素

木质素化学结构复杂，是以苯环为核心的结构单元通过多种共价键结合而成的三维网络大分子氧化缩合形成的芳香族化合物。这类聚合物不溶于水，光学特性也不活跃[1-2]。木质素在植物中广泛存在，构成了植物的维管束和其他木质化器官，木质素在农作物秸秆中大量存在，在玉米秸秆中含量约为15%，在水稻和小麦秸秆中含量约为20%，在农作物秸秆、果壳等下脚料中含量为10%～25%，在饲用牧草中木质素的含量约为30%，当木质素含量占植物干重40%时，就会造成纤维难以分解，因此木质素的存在对反刍动物粗饲料的营养价值、适口性和消化率等均具有一定的影响。

木质素的化学结构没有严格的顺序，共价键和氧化缩合都十分紧密，因此十分稳定，不溶于水，抗酸水解。虽然反刍动物瘤胃中含有大量微生物，但缺乏降解木质素的酶，造成与木质素结合在一起的纤维素和半纤维素无法被利用，细胞内的其他营养成分利用也受到一定影响。

2.2 饲料中木质素的影响

在反刍动物饲料中，营养物质的组成和含量是决定饲料品质的关键因素，而在粗饲料的评价中，纤维物质的组成决定粗饲料的品质，粗饲料中粗蛋白等营养成分含量很低。纤维物质主要包括纤维素和半纤维素，在瘤胃中可以被微生物发酵生成挥发性脂肪酸被动物利用。粗饲料中还有一种在数量上仅次于纤维素的物质——木质素，即不能被微生物分解，也无法被动物利用。木质素这种无法被利用的特性，使其能够作为影响反刍动物瘤胃对纤维的消化率的指标之一。反刍动物通过瘤胃中的微生物产生的纤维素酶和半纤维素酶，将纤维素和半纤维素分解，一方面为微生物的生长和繁殖提供养分，同时不断分泌纤维分解酶，将植物细胞壁分解，产生的单糖及其衍生物继续被微生物重新吸收并生成可挥发性脂肪酸或者糖原类物质，最终被动物所利用。就理论上而言，反刍动物能够通过瘤胃微生物将饲料中全部的纤维素和半纤维素分解并利用，但由于木质素的存在，将一部分纤维素和半纤维素与木质素紧密结合在一起，使得其不能被利用，因此有研究将木质素在中性洗涤纤维中所占的比例作为影响反刍动物瘤胃对纤维的消化率的指标之一[3-4]。

由于木质素完全不能被微生物所利用，因此会形成一个阻碍微生物和酶进入的坚固屏障，不仅限制了瘤胃微生物对纤维素和半纤维素的利用，同时也限制了细胞内其他营养物质的释放和利用。因此，日粮纤维中，纤维素和半纤维素完全被微生物分解利用仅仅存在理论上的可能。国外学者研究发现，通过减少木质素的浓度或者打破木质素与细胞壁碳水化合物之间的连接能够显著增加中性洗涤纤维体外消化率（P＜0.05）[5]。研究表明，木质素含量已被确定为限制无芒雀麦和紫花苜蓿IVNDFD的一个关键因子[6]。

3 真菌降解木质素的机制及影响因素

3.1 真菌降解秸秆木质素作用机制

木质素能够被完全降解也是可能的，通过真菌、细菌和其他微生物群落相互构成的共生关系，可以达到木质素的完全降解。其中，对木质素降解起最显著作用的是真菌，其次为放线菌，细菌作用最小[7]。真菌降解木质素主要发生在次级代谢阶段，通过酶化作用，将木质素变为不稳定的自由活性中间体，而后进行一系列的自发降解[8]。已有研究表明，有3类真菌降解木质素十分有效：白腐菌、褐腐菌和软腐菌，在有氧条件下将木质素降解为H2O和CO2。其中以白腐菌降解能力最强，也是目前为止研究最为深入的木质素降解真菌。白腐菌的优势在于能分泌高活力、增长速度快、酶活性持续时间长的胞氧化酶对木质素进行降解。典型的白腐菌有杂色木云芝、黄白卧孔菌和粉状侧孢菌等，其中云芝对木质素的降解能力较强。褐腐菌的优势在于能矿化木质素的甲氧基结构并使其发生变质，进而形成腐殖质[9]。软腐菌的作用与褐腐菌相似，主要对腐殖质的形成起一定作用。目前，研究表明最有效的木质素降解模式菌为黄孢原毛平革菌[10]。而研究最深入的为白腐真菌，白腐真菌对木质素的降解机理如下：真菌菌丝通过分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶，将木质素解聚，木质素会被分解形成化学不稳定的自由基中间体，然后发生链式反应，自由基中间体之间的结合键发生断裂，产生各种自由基，再通过一系列的氧化降解过程生成CO2。基于此降解机制，白腐真菌对于秸秆的降解效果显著，通过形成菌丝和超纤维氧化酶，溶解秸秆表面的蜡质，进入到秸秆内部，开始木质素的降解，最终形成CO2，整个过程氧化彻底，无特殊物质产生，使秸秆变得易于消化吸收[11]。使用白腐真菌降解秸秆之前，不需要进行物理或化学性的前处理。目前，可用于秸秆降解的白腐真菌已有几十种，不仅能够提高木质素降解率，而且能够显著提高秸杆的适口性和反刍动物瘤胃干物质消化率。

3.2 真菌筛选鉴定

近年来，筛选具有选择性木质素降解能力的白腐真菌成为国内外学者研究的重要方向，瑞典科学家从野外中分离并筛选出一种木质素高效降解菌，并对其进行了诱变育种，通过人工诱变的方式育成了没有纤维素酶的突变株[12]。

我国学者也进行了大量的筛选鉴定工作，韦丽敏将筛选出的生长良好、降解木质素能力强的菌株进行优化，与纤维素降解菌绿色木霉混合协同发酵降解秸秆，发现红芝（Ganoderma）真菌对木质素的降解能力最强[13]。熊莉丽获得的纤维素降解菌株是从垃圾填埋场和泥炭中筛选出的，并用其中的芽孢杆菌属菌株、假单胞菌属菌株和里氏木霉工程菌水解和发酵未经预处理的木质纤维素，不仅有效的对木质素进行了降解，同时能获得包括生物乙醇和木糖醇等附加值产品的降解产物[14]。石娇蕊通过试验优化了白腐真菌有效降解秸秆的工艺，使得白腐真菌对玉米秸秆的降解发酵更为快速和高效，显著的降低了玉米秸秆中的木质素含量[15]。

3.3 影响白腐菌降解木质素的因素

白腐真菌对木质素降解能够起到很好的效果，但不同的降解条件会影响秸秆木质素降解过程和速度，国内外学者对此也做了大量的实践探索，发现影响的主要因素主要包括环境因素和发酵时间两方面[16]。

环境因素主要包括真菌发酵的温度、酸碱度、碳氮源比例、培养物气体交换及扩散等方面。一般而言，温度能直接影响秸秆木质素的降解率和降解速度，大多数白腐真菌在20～35℃能最有效的降解木质素，适宜生长的pH为4～5。由于秸秆在发酵早期能够产生大量的有机酸，创造出的环境足以满足真菌生长需要，因此酸性环境并不需要人为去调整。碳源和氮源是微生物降解木质素和产酶的一个极为主要的影响因素，真菌降解木质素主要通过酶的作用来实现，氮源限制不利于产酶，而碳源限制有利于酶的合成。在秸秆发酵过程中，气体交换及其在秸秆料中的扩散也是影响真菌发酵过程的因素之一，过高或者过低的水分会造成气体交换量发生变化，阻碍白腐真菌的生长和降解能力。需要注意的是在整个白腐真菌对秸秆木质素的发酵降解过程中，必须保证基质无菌和高浓度的氧气环境，以避免受到其他菌种的污染和竞争，保证白腐真菌生长的适宜环境。

发酵时间的控制是影响秸秆木质素降解的另一个主要因素。发酵时间过短，会造成木质素降解不彻底，不能显著提高秸秆消化率，发酵时间过长会造成木质素降解过多，饲料中的其他营养物质被微生物利用和分解，造成秸秆饲料的营养阶值降低。因此，在利用白腐真菌对秸秆进行降解处理时，要保证好适宜的温度和适宜的发酵时间，达到最佳的处理效果。

4 真菌降解木质素在反刍动物饲料的应用

4.1 改善秸秆营养价值

农作物收获后剩余的秸秆可以通过还田和自身降解的方式，把秸秆转化为有机肥料归还到土壤中，但秸秆在土壤中的完全降解需要很长一段时间，利用真菌可以加快这个转化过程[17]。应用白腐真菌处理秸秆，可以将秸秆转化为纤维饲料，用于反刍动物营养中。目前已有20多种白腐真菌具有降解秸秆木质素的能力，但不同菌种降解能力表现出显著的种间差异，即使是同一种白腐真菌，不同的培养发酵条件也会造成其降解秸秆能力的变化。在适宜的发酵环境下，白腐真菌能显著的改善秸秆的营养价值，显著提高秸秆的体外降解率。对小麦秸秆进行切碎处理后，添加白腐真菌糙皮侧耳，利用固体发酵手段进行发酵，小麦秸秆体外消化率显著提高，粗蛋白质含量也有所增加。

4.2 提高适口性和消化率

白腐真菌处理的秸秆不仅改善秸秆的营养价值，同时发酵过程中会产生的大量有机酸使pH降低，此外饲料具有芳香酸味，大量的木质素降解也会使秸秆质地柔软，从而显著提高其适口性和消化率。

张洪生等以小麦秸秆为材料，利用单一菌种和复合菌种进行木质素发酵降解试验，结果表明，采用复合菌种发酵比采用单一菌种发酵效果更加明显，两种方法都显著的降低木质素含量（P＜0.05）[18]。利用复合菌或者混合菌进行木质素发酵降解的优势明显，一般是将白腐真菌和其他种类的微生物混合在一起，这样不但能够达到降解木质素的目的，还能够利用另一种微生物的发酵，从而提高营养成分的含量，提高饲料适口性和体外消化率。秦涛等采用绿色木霉和黄孢原毛平革菌两种微生物进行混合发酵处理秸秆，结果表明，混合菌发酵可以显著提高秸秆饲料的适口性，同时粗纤维的体外利用率达到69%[19]。

5 展望

利用微生物对秸秆进行木质素降解来获得反刍动物家畜粗饲料的方法已经成为国内外饲料行业发展的热点，也代表着该领域的发展趋势。以白腐真菌为代表的真菌类微生物，具有降解木质素的独特能力，这种降解过程是十分复杂的生理生化过程，因此，深入研究真菌对秸秆木质素的降解过程，优化真菌发酵降解的条件，对于农作物秸秆资源的开发和利用具有重要意义。利用真菌对秸秆木质素进行发酵降解之后用于反刍动物家畜营养的效果也十分显著，这对于扩大反刍动物家畜饲料来源而言十分有利。但就目前国内外的研究来看，多数的研究集中于真菌对秸秆木质素的降解效果和提高饲料品质方面，对真菌降解木质素的机理研究尚不深入，真菌在不同的发酵过程中产生酶的种类、酶活性、酶类作用的具体机制等尚不明晰，对真菌降解秸秆木质素仍需要深入研究。

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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，黑龙江哈尔滨人，博士，从事动物营养与饲料科学研究。