食用菌菌丝对菌材分解利用的研究进展

苏世贤，李 婕，徐彦军，田风华，须 文，李 伟,3**

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 食用菌研究院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省高等学校设施蔬菜工程研究中心，贵州 贵阳 550025)

食用菌是指可食用、药用或食药兼用的大型真菌，在其生长发育过程中既会产生于菌丝体细胞内起作用的胞内酶，也会产生分泌到外界用以分解大分子营养物质的胞外酶.由于食用菌不含叶绿素，所以主要通过胞外酶将菌材中的纤维素、半纤维素、木质素等有机质水解成小分子物质进行吸收利用，以完成其生活史.对于胞外酶的研究，最早可追溯至19 世纪80 年代，日本学者Yoshida 在紫胶漆树的生漆液中发现了一种可以催化漆固化过程的蛋白质[1].之后该蛋白质被法国人Bertrand 命名为漆酶，并被认为是一种真菌酶[2].国内在20 世纪90 年代，也有关于食用菌胞外酶的一系列报道.目前就食用菌菌丝对菌材分解利用的相关研究而言，国内主要集中在筛选适合蜜环菌（Armillaria mellea）与天麻（Gastrodia elata）共生的菌材[3-4]，以及天麻种植后的废弃菌材再利用上[5-6]，而国外则是根据食用菌对菌材的分解能力探索农林废弃物的新应用和进行菌棒配方优化[7-8].本文总结前人研究，综述胞外酶和菌材的主要特性及相互关系，希望为食用菌栽培过程中菌材的选择及相关生物酶的提取提供参考.

1 菌丝胞外酶的主要生物学特性

1.1 胞外酶的作用胞外酶是被细胞分泌到外部用以分解大分子营养物质的酶的总称.菌丝通过分泌胞外酶来将菌材内的有机质降解为简单的小分子营养物质，从而完成对菌材的渗透和定植[9].胞外酶的种类众多，但与菌丝分解菌材最为相关的胞外酶主要是纤维素酶系、半纤维素酶系、木质素降解酶系、淀粉酶系、果胶酶系和蛋白酶系.其中，纤维素酶系可将纤维素水解为葡萄糖，这是食用菌菌丝生长发育所需的碳源来源之一[10].半纤维素酶系能够进入细胞壁的纤维层，释放木聚糖并使半纤维素的聚合度降低，以供食用菌菌丝进一步分解利用[11].木质素降解酶系则可降解木质素和酚类物质，通过破坏木质素形成的基质来释放纤维素和半纤维素，从而与纤维素酶和半纤维素酶协同作用，促进纤维素和半纤维素的水解[12-13].淀粉酶系主要通过将菌材中的淀粉水解为葡萄糖，为食用菌菌丝的生长发育提供碳源[14].果胶酶系的主要作用是降解植物细胞间质和初生细胞壁中的果胶质[15].蛋白酶系则是分解蛋白质使其成为小分子的蛋白胨、小肽或氨基酸物质，为食用菌菌丝的生长发育提供氮源[16].

1.2 胞外酶的分类

1.2.1 纤维素酶系 纤维素酶系是把纤维素降解为葡萄糖的一系列酶的总称，乳糖、纤维二糖等寡糖和纤维素物质都会诱导纤维素酶系的分泌[17].作为多种酶相互协同起作用的多组分酶系，根据催化反应功能的不同可以将各组分归纳为以下3 类：①内切葡聚糖酶，作用于β-1,4 糖苷键，生成大量含有非还原性末端的不同长度的纤维寡糖；②外切葡聚糖酶，作用于纤维寡糖末端，裂解β-1,4 糖苷键，产生葡萄糖或纤维二糖；③β-葡萄糖苷酶，对纤维二糖起作用并生成单分子葡萄糖，为食用菌菌丝生长提供碳源[18-19].

1.2.2 半纤维素酶系 半纤维素酶系包括木聚糖酶、木葡聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯半乳糖酶和阿拉伯聚糖酶等多组酶.其中，木聚糖酶是主要的胞外酶，通过作用于木聚糖主链的β-1,4 糖苷键，产生带有侧链的寡聚木糖或低聚木糖，从而降低半纤维素的聚合度.木葡聚糖酶则是通过连接到缺少半乳糖分支的区域后，沿着一定方向，在未取代的葡萄糖和木糖取代的葡萄糖之间的特定位置切割木葡聚糖主链.其余的半纤维素酶主要负责分解侧枝，通过与木聚糖酶和木葡聚糖酶协同作用，将菌材中的半纤维素分解为糖醛酸、六碳糖和五碳糖，供食用菌菌丝细胞生长利用[20-21].

1.2.3 木质素降解酶系 根据Juana 等[22]和Zhang等[23]的研究，木质素降解酶系主要由漆酶（laccase，Lac）、锰过氧化物酶（manganese peroxidase，MnP）和木质素过氧化物酶（lignin peroxidase，LiP）组成.其中，Lac 属于利用O2的多酚氧化酶，负责催化各种芳烃类化合物的氧化，特别是酚类化合物的氧化[24].MnP 和LiP 都属于利用H2O2的过氧化物酶，但MnP 负责催化低氧化还原电位化合物的氧化，如酚类木质素的各种单酚和多酚化合物[25]，而LiP负责催化高氧化还原电位化合物的氧化，如非酚类的芳香族化合物及氰化物等，且LiP 是唯一能够直接降解非酚型木质素的关键酶[26-27].虽然Lac、MnP和LiP 在木质素降解过程中都起着关键性的作用，但在不同菌种降解木质素时起主导作用的木质素降解酶却有所不同.在某些白腐真菌中，LiP 是降解木质素的主导酶，而在灵芝（Ganoderma lucidum）和扁韧革菌（Stereum ostrea）中，Lac 才是木质素降解酶系中的主导酶[28].在木质素降解酶系的作用下，木质素被降解为成分复杂多样的小分子化合物，纤维素和半纤维素被释放出来以便进一步分解利用.

1.2.4 淀粉酶系 淀粉酶系主要包括α-淀粉酶、β-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶等，属于水解酶中的一类[29].其中，α-淀粉酶又叫液化型淀粉酶，通过在任意位点水解α-1,4-糖苷键，将淀粉链水解为糊精.糊精中包含低聚糖、麦芽糖、α-4-葡萄糖和α-1-葡萄糖等物质.β-淀粉酶是从淀粉分子的非还原端开始催化淀粉水解，通过作用于α-1,4-糖苷键，按照一定顺序切下麦芽糖单位，并使切下的麦芽糖单位从α-型转为β-型[30].葡萄糖淀粉酶又叫糖化酶，是一种能够将淀粉直接水解成为葡萄糖的酶.该酶可以从淀粉分子的非还原性末端切开α-1,4-糖苷键，α-1,3-糖苷键和α-1,6-糖苷键，但催化α-1,4-糖苷键的水解时较催化另外两种糖苷键要快一些[31-32].淀粉、糖原和糊精等大分子物质经淀粉酶系水解后成为单糖，作为碳源供给食用菌菌丝吸收利用.

1.2.5 果胶酶系 果胶酶系是一个多酶复合体系，可通过多种机制降解果胶.根据作用方式和底物的不同，该酶系主要分为果胶甲基酯酶、果胶乙酰基酯酶、多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶[33].其中，果胶甲基酯酶和果胶乙酰基酯酶属于去酯化酶，可去除果胶中多聚半乳糖醛酸的甲氧基和乙酰基残基.多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶属于解聚酶，分别通过水解作用和反式消去作用断裂α-1,4-糖苷键，而且果胶裂解酶是唯一一种能够将高度酯化的果胶解聚成小分子的酶[34].菌材中的果胶质在果胶酶系的作用下被分解为多聚半乳糖醛酸，从而可被食用菌菌丝进一步分解利用，因此该酶系也是为食用菌菌丝的生长发育提供碳源的主要胞外酶之一.

1.2.6 蛋白酶系 蛋白酶系是催化肽键水解的一类酶的总称，也是磷蛋白的一种主要类型[35].最常用的蛋白酶分类是根据功能基团活性位点氨基酸的不同进行分类，一般可将蛋白酶分为谷氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和半胱氨酸蛋白酶[36]等.在实际应用中也可根据蛋白酶作用时的最适pH 分为酸性、中性和碱性蛋白酶.蛋白酶的调控容易受到环境因子的影响，当外界中存在优先利用的氮源、碳源、硫源如葡萄糖、铵盐和硫酸盐时，蛋白酶的表达会受到抑制.当上述任何一个营养物缺乏时，无论环境中是否存在蛋白，都能够诱导蛋白酶的分泌[37].由于蛋白质对子实体的发生有着决定性的作用，蛋白酶系可以通过降解菌材中的肽链和蛋白质等物质参与到对食用菌生长发育过程的调控当中，与孢子形成和孢子萌发相关联，所以蛋白酶系在食用菌菌丝的孢子生殖方面有着重要的地位[38].

2 菌材的主要特性

2.1 菌材的作用食用菌栽培中，菌材发挥着固体基质的作用.它不仅为食用菌菌丝提供了生长空间，支撑并固定食用菌子实体，还能为食用菌菌丝提供稳定协调的水分、氧气和肥料.由于菌材是在灭菌后使用，所以能够减少病原体的传播.此外，菌材本身也具有一定的营养价值，在食用菌栽培中，它还可以作为营养液和食用菌菌丝的中介，将养分和水分作为载体，使食用菌菌丝按照自身需求从中吸收和利用养分[39-40].

2.2 菌材的分类在食用菌栽培生产过程中，一般将菌材分为两类，即长效菌材和速效菌材.长效菌材的材质坚硬，耐腐蚀性较强，发菌较慢，但后期提供营养充足，有效成分合成较速效菌材多；速效菌材的材质疏松，耐腐蚀性较弱，发菌快，能在前期快速为食用菌生长供应营养，但后期营养供应跟不上，使得食用菌的有效成分合成相对于长效菌材较少[41].

目前人工栽培的食用菌以腐生菌为主，腐生菌又包括木腐菌和草腐菌.木腐菌如灵芝、黑木耳（Auricularia auricula-judae）和香菇（Lentinula edodes）等，以木材为主要营养来源.在进行代料栽培时，可以用棉籽壳、木屑等作为栽培料基质.草腐菌如草菇（Volvariella volvacea）、双孢蘑菇（Agaricus bisporus）和鸡腿菇（Coprinus comatus）等，以作物秸秆等腐草中的有机质作为主要营养来源.在进行床栽或畦栽时，可以用发酵料作为基质[42-43].根据栽培的菌种不同，可将菌材分为木腐菌培养料和草腐菌培养料.在现行的食用菌栽培生产过程中，常用的木腐菌培养料为不同科属树种的木屑，如壳斗科、山茱萸科、桦木科和胡桃科等（即麻栎、灯台树、桤木、核桃树等树种）.这里，要注意带油脂、芳香、杀菌的树种作为菌材时会抑制菌丝生长，不可用此类树种作为食用菌培养料.常用的草腐菌培养料为作物类秸秆（如大豆秸秆、小麦秸秆以及玉米秸秆等）以及农业废弃物（如棉籽壳、玉米芯、花生壳、咖啡壳和中药渣等），在使用农业废弃物为培养料时实现了资源的再利用[44-46].

2.3 菌材的营养成分食用菌在生长过程中，需要碳、氮化合物和部分无机物作为营养来源.不同菌材能提供的营养含量是不同的.Badu 等[47]测得3 种加纳木材的纤维素、半纤维素和木质素的大致质量分数分别为44.79%～46.76%、15.32%～16.29%和27.55%～34.08%，蛋白质质量分数为0.01%～0.02%.Patil 等[48]测得大豆、水稻和小麦秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的大致质量分数分别为36.20%～38.00%、19.00%～22.80%和23.15%～26.32%，蛋白质质量分数为2.80%～4.10%，灰分质量分数为7.40%～8.52%.Sakellari等[49]在以小麦秸秆、葡萄渣和橄榄叶为基质栽培平菇、杏鲍菇（Pleurotus eryngii）和白灵菇（Pleurotus nebrodensis）时，测得菌材中含有一系列微量元素，如K、Na、Fe、Mn、Cu 和Zn.根据以前人们的数据分析，可以知道，当使用木屑作为菌材时，它能够为菌丝提供更多的纤维素和木质素，但相对缺乏蛋白质.使用秸秆作为菌材时，半纤维素和蛋白质的供应更多，但对食用菌菌丝生长影响更关键的碳源物质，即纤维素和木质素的供应较不足.此外，不同的材料都含有一定量的微量元素，因此在实际生产栽培中，建议使用不同材料混合配制菌棒，以便全面地提供食用菌菌丝生长所需的营养.

3 胞外酶与菌材的相互关系

3.1 胞外酶对菌材的分解利用胞外酶对菌材的分解利用是多酶系协同作用的结果，现阶段常用菌材多为木屑或秸秆等植物组织.为了适应不同植物细胞壁的复杂结构和异质性，食用菌分泌一系列胞外酶，作用于相应底物，破坏糖苷键，实现对植物细胞壁的降解.此外，食用菌主要胞外酶的分泌丰度随着菌丝的生长发育而改变.不同菌种产生的各胞外酶活性大小及峰值有所不同，但同种胞外酶的变化规律大体一致.正确利用胞外酶的分泌特性有助于在食用菌的生产栽培过程中进行相关生物酶的提取，并采用合理的基质优化培养料配方.

Bak[50]通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学，对黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）分解木质纤维素的过程进行多组学联合分析.经研究发现，黄孢原毛平革菌分解木质纤维素的过程是一个多酶系级联反应过程.参与木质纤维素分解系统的稳态通路包括：与木质素纤维素降解直接相关的通路，以及与中枢或次级代谢、生长信号传导、功能障碍修复、监管防线等相关的通路.在该过程中，39 种代谢产物和123 个调控基因参与其中，尽管这些级联结构具有多样性，但它们之间存在互补的关系，从而保证了整个生物系统的效率.

Zhou 等[51]将灵芝的生长周期划分为5 个阶段：菌丝完全生长（接种后3 个月）、原基（第1 阶段后2 周）、幼子实体（第2 阶段后2 周）、子实体成熟（第3 阶段后1 周）和大量孢子产生（第4 阶段后1 个月）.通过基因组学、转录组学和分泌组学技术，研究了灵芝菌株G0119 木质纤维素降解酶的变化规律.结果显示，在菌丝生长的第1 阶段，木质素降解酶系的基因表达和蛋白丰度表现为高水平.在破坏木质素结构、接触纤维素和半纤维素表面后，随着子实体的发育，纤维素酶系和半纤维素酶系的表达量逐渐升高，食用菌菌丝对纤维素和半纤维素的降解和利用也逐渐增加.在第5 阶段，木质素降解酶系、纤维素酶系和半纤维素酶系的表达丰度短暂增加，碳水化合物的代谢迎来高峰，说明此阶段胞外酶的分泌丰度与食用菌菌丝的孢子生殖密切相关.

Huang 等[52]对鸡腿菇、双孢蘑菇和平菇进行了液体发酵培养基和固态发酵培养基培养，并在第4 天开始进行纤维素酶、木聚糖酶和漆酶的酶活测定.结果表明，所测定的3 种酶在不同培养基里，即使是由不同的菌种所分泌，却仍有大致相同的变化规律，只是酶活的大小有所区别.对于纤维素酶而言，液体发酵培养的菌丝纤维素酶活性高于固态发酵培养的菌丝纤维素酶活性，而对漆酶却是相反.在固态发酵培养基里培养的菌丝漆酶活性高于在液体发酵培养基里培养的菌丝漆酶活性.

3.2 菌材对菌丝生长的影响由于不同的菌材所含的营养物质不完全相同，因此不同的菌材会对菌丝生长产生不同的影响.我们可以充分利用这种差异性，根据不同菌种对菌材种类的偏好性，通过合理的材料搭配优化培养料配方，从而提高整体产量.

Oladipo 等[53]为了研究工厂木屑的再利用途径，进行了平菇栽培试验.他们以非洲枫木、美洲木棉和米氏破布木作为主要菌材，并在其中加入了5%的麦麸和1%的石灰.实验结果显示，3 种配方都能使平菇的分枝率达到100%，但是以非洲枫木为主要菌材时，平菇的生长速度、菌柄长度、菌盖直径、菌株高度和生物产量均达到最高值，说明非洲枫木比美洲木棉和米氏破布木更适合作为平菇栽培的主要菌材，能提高平菇的整体生物效率.

Iwuagwu 等[54]采用了完全随机设计.他们利用香蕉树芯（plantain midrib，PM）、玉米秸秆（corn straw，CS）和甘蔗渣（sugarcane bagasse，SB）进行单独和组合搭配，形成了7 种处理，每种处理都设置了3 次重复.然后，他们对每种处理接种了平菇菌丝.结果表明，以玉米秸秆单独为菌材时，菌丝生长期和原基形成期的天数最少，子实体的数量也最多，平菇鲜重和平菇干重均最高.这说明玉米秸秆是一种较好的平菇栽培材料.然而，以香蕉树芯和玉米秸秆组合搭配栽培平菇时，菌柄长度最长，菌盖直径也比单独以玉米秸秆为菌材时的菌盖直径高，这表明这种处理的单株子实体的鲜重较高.因此，香蕉树芯可以部分代替玉米秸秆进行平菇栽培，为达到充分利用农业废弃物的目的，组合搭配栽培是可行的.

4 展望

食用菌的种类繁多，虽然不同食用菌在栽培环境及自身特性上存在一定共性，但更多的是各方各面的特异性.深刻理解食用菌菌丝对菌材的分解利用特性，有利于扩大食用菌产业的整体效益.基于此，我们认为后续的研究应针对以下几点：①参照不同菌材对菌丝生长影响的差异性，进行广泛的实验，为特定品种的食用菌栽培筛选出最优菌材配方；②根据食用菌胞外酶的变化规律，在栽培生产过程中进行阶段性营养添加，提高食用菌的整体产量；③将食用菌产业与其相关生物酶的生产提取结合起来，扩大产业效益.