不同白腐菌預(yù)處理對(duì)木薯渣營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

■宋麗麗 魏 濤 梁 萌 郭 原

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)和食品大國(guó)，各種食品糟渣和農(nóng)業(yè)廢棄物得不到綜合利用，造成了極大的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的填埋、堆積、焚燒等方法處理不僅占用土地資源，而且產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。另一方面，這些廢棄物富含有機(jī)物質(zhì)，若能將其合理利用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)資源的高效轉(zhuǎn)化，并且具有生態(tài)、環(huán)保、資源等多種效益[1]。

木薯渣是木薯生產(chǎn)加工淀粉或乙醇后的殘料，木薯渣營(yíng)養(yǎng)成分豐富，含有高達(dá)78.7%的非氮化合物，主要成分是殘余淀粉，還含有纖維素、半纖維素和蛋白質(zhì)等大分子化合物[2]。木薯渣可廣泛應(yīng)用于飼料生產(chǎn)、菌菇栽培、沼氣發(fā)酵和化工生產(chǎn)等行業(yè)。Zhang等[3]采用混合菌群預(yù)處理的木薯渣，甲烷和氫氣產(chǎn)量較未處理的提高96.63%，進(jìn)一步研究表明，生物處理過(guò)程中纖維素酶、半纖維素酶活力的增強(qiáng)有利于甲烷氣體的產(chǎn)生。唐春梅等[4]研究發(fā)現(xiàn)，用7%～14%的木薯渣添加替代麥麩，能降低夏季肥育牛的飼養(yǎng)成本，且對(duì)飼料轉(zhuǎn)化效率和肉牛日增重?zé)o影響，提高養(yǎng)殖效益。木薯渣原料中富含淀粉、纖維素、半纖維素等生物可利用物質(zhì)，如果直接作為飼料原料投入使用，其中的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)以及其結(jié)晶組織、木質(zhì)素和纖維素的包裹作用對(duì)木薯渣的高效利用轉(zhuǎn)化具有一定的抑制作用[5]。此外，木薯渣中還含有少量氰化物，具有生物毒性，易造成飼喂中毒現(xiàn)象。以木薯渣作為飼用原料具有適口性差、易霉腐、蛋白含量低等一系列缺點(diǎn)，因此，必須采用一定的方法對(duì)木薯渣進(jìn)行處理，將固相不溶物質(zhì)（纖維素、半纖維素等）轉(zhuǎn)為液相可溶性糖類物質(zhì)；同時(shí)降低淀粉顆粒的黏性，增加其溶解性，提升蛋白含量，并降低其生物毒性，以提高木薯渣飼用效率和利用價(jià)值。艾必燕等[6]采用黑曲霉、綠色木霉和根霉混合菌種，通過(guò)優(yōu)化工藝條件，發(fā)酵木薯渣蛋白含量最高為18.6%，提升木薯渣的飼用價(jià)值。馬靜靜等[7]使用乳酸菌處理木薯渣，結(jié)果顯示，乳酸菌處理后的木薯渣乳酸含量得到積累；同時(shí)，氰化物含量降低，發(fā)酵飼料品質(zhì)提升。

白腐菌是自然界中唯一可以把木質(zhì)素徹底礦化為CO2和H2O的一類微生物，利用白腐菌胞外降解酶系統(tǒng)可有效降解木質(zhì)纖維素組分，降低生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)抗性，有利于可還原性糖（葡萄糖、木糖）等的釋放。傳統(tǒng)木薯渣生物預(yù)處理均采用常規(guī)單一或混合菌種發(fā)酵，如乳酸菌[7]、酵母菌[8]、木霉[9]、黑曲霉[10]等，對(duì)白腐菌預(yù)處理木薯渣改善其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的研究報(bào)道較少。

本研究以木薯渣作為發(fā)酵底物，研究白腐菌固態(tài)發(fā)酵對(duì)木薯渣改性效果，評(píng)價(jià)木薯渣發(fā)酵過(guò)程中感官品質(zhì)、成分變化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)改善等；同時(shí)，經(jīng)過(guò)生物預(yù)處理，期望降解木薯渣中的氰化物等對(duì)后期發(fā)酵不利的有毒物質(zhì)，降低木薯渣難降解物質(zhì)含量，提升木薯渣品質(zhì)，以便最終促進(jìn)木薯渣高效轉(zhuǎn)化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 木薯渣

由河南天冠企業(yè)提供。

1.1.2 微生物

黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）、硬毛蓋孔菌（Funalia trogii）、糙皮側(cè)耳（Pleurotus ostreatus）、雜色云芝（Coriolus versicolor）、刺芹側(cè)耳（Pleurotus eryngi）于4℃冰箱斜面保存。

1.1.3 培養(yǎng)基

1.1.3.1 活化培養(yǎng)基

土豆液體培養(yǎng)基(PDY)(m/v)：20%土豆浸出液，2%～3%蔗糖，121℃滅菌30 min。

1.1.3.2 固體發(fā)酵培養(yǎng)基

稱取50 g新鮮木薯渣（干重為15 g）至250 ml三角瓶中，塑料膜封口，121℃滅菌30 min。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 木薯渣生物預(yù)處理

從馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）斜面上劃分小塊接種塊至PDY培養(yǎng)基，搖床（28℃、120 r/min）培養(yǎng)7 d，吸取5 ml菌球至固體發(fā)酵培養(yǎng)基中，28℃靜置培養(yǎng)15 d。

1.2.2 木薯渣感官評(píng)定

白腐菌預(yù)處理后的木薯渣發(fā)酵效果及感官評(píng)定參照德國(guó)農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)青貯質(zhì)量感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定打分[11]。主要評(píng)估木薯渣色澤、氣味、質(zhì)地及霉變程度。

1.3 分析測(cè)試項(xiàng)目

木薯渣中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、灰分含量依據(jù)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL制定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[12]。水分、粗脂肪、粗蛋白含量參照《飼料分析及飼料質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)》[13]；發(fā)酵固體中可溶性還原糖、總糖含量依據(jù)《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)》[14]，采用吡啶-巴比妥酸法測(cè)定木薯渣中氰化物含量[15]。

計(jì)算公式為：

纖維素降解量（%）=(M1-M2)/M1×100。

式中：M1——原料木薯渣中纖維素的含量（%）；

M2——白腐菌處理后木薯渣中纖維素的含量(%)。

半纖維素降解量和木質(zhì)素降解量計(jì)算方法同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 木薯渣成分分析（見(jiàn)表1）

表1 木薯渣成分分析

新鮮木薯渣含水量為70.54%，pH值為4.6，含水率較高且本身有一定酸性。總固體含量中有機(jī)物含量高達(dá)98.06%，無(wú)機(jī)物灰分僅占1.94%。而有機(jī)物中粗纖維和淀粉為主要成分，作為潛在葡萄糖的主要來(lái)源，為后期微生物發(fā)酵提供底物。由表1所示，木薯渣中還含有4.01%的蛋白質(zhì)，可以為白腐菌的生長(zhǎng)提供充足氮源。木質(zhì)素含量為5.61%，為生物不可利用部分，木質(zhì)素是構(gòu)成木薯渣生物降解屏障物質(zhì)，是影響生物處理的關(guān)鍵抗性因素。另外，木薯渣中含有20.57 mg/kg氰化物，氰化物的存在對(duì)微生物生長(zhǎng)及發(fā)酵有一定的毒害作用。

2.2 生物處理木薯渣品質(zhì)評(píng)定

不同白腐菌發(fā)酵后的木薯渣品質(zhì)感官評(píng)定如表2所示，刺芹側(cè)耳和硬毛蓋孔菌在木薯渣生長(zhǎng)較為緩慢，發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)木薯渣酸化腐敗現(xiàn)象，因此評(píng)價(jià)總分低于或等于10分，發(fā)酵效果不佳。黃孢原毛平革菌、糙皮側(cè)耳和雜色云芝在木薯渣上生長(zhǎng)良好，發(fā)酵后的木薯渣均有酸香味，色澤正常，質(zhì)地優(yōu)良。其中雜色云芝發(fā)酵后的木薯渣還帶有菌香味，評(píng)分最高。

表2 不同白腐菌處理木薯渣發(fā)酵品質(zhì)感官評(píng)定

2.3 生物處理對(duì)木薯渣營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響

2.3.1 生物處理對(duì)木薯渣組分的影響

白腐菌處理生物質(zhì)主要依靠其胞外強(qiáng)大的木質(zhì)素降解酶系（漆酶、錳過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶），木質(zhì)素作為微生物不能利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，組成了生物質(zhì)結(jié)構(gòu)抗性屏障，阻礙纖維類物質(zhì)的水解釋放。同時(shí)，以木質(zhì)纖維素作為原料生產(chǎn)飼料過(guò)程中，木質(zhì)素作為動(dòng)物難以消化的物質(zhì)，不僅造成飼料適口性差，而且降低了飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。由感官評(píng)定結(jié)果及發(fā)酵效果評(píng)價(jià)選擇以黃孢原毛平革菌、雜色云芝和糙皮側(cè)耳作為預(yù)處理木薯渣出發(fā)菌株。白腐菌對(duì)木薯渣組分降解結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 白腐菌處理前后木薯渣組分變化

經(jīng)白腐菌處理后的木薯渣其組分含量均有不同程度的降低。但三株白腐菌呈現(xiàn)不同的降解模式，黃孢原毛平革菌選擇性降解木質(zhì)素的能力較差，木質(zhì)素僅降解了11.07%，纖維素與半纖維素分別消耗了25%和24.81%。雜色云芝表現(xiàn)出較強(qiáng)的選擇性降解木質(zhì)素的能力，木質(zhì)素降解了42.14%，纖維素僅降解8.85%，較多的保留了可利用底物。糙皮側(cè)耳則對(duì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素呈現(xiàn)出同步降解的能力，預(yù)處理15 d后分別降解了26.56%、24.39%和25.89%。木質(zhì)素作為動(dòng)物難消化部分，降低了飼料的適口性及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，纖維素和半纖維素作為可食用部分，如果在預(yù)處理過(guò)程中被微生物過(guò)度消耗，則造成飼料利用率的降低。因此，針對(duì)不同白腐菌對(duì)木質(zhì)纖維素的降解特性，以選擇性降解木質(zhì)素同時(shí)較多保留纖維素和半纖維素的雜色云芝為佳。

2.3.2 發(fā)酵前后木薯渣可溶性糖含量變化

白腐菌在降解木質(zhì)素的同時(shí)，也會(huì)利用掉一部分纖維素和半纖維素作為自身營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)需要，纖維素和半纖維素的降解依賴于白腐菌胞外分泌的一系列酶系，如纖維素外切酶、纖維素內(nèi)切酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶等。部分白腐菌自身還向胞外分泌一系列真菌活性多糖。經(jīng)白腐菌處理后木薯渣疏松度增加，增強(qiáng)了木薯渣的可消化性（見(jiàn)表2）。白腐菌處理前后可溶性糖含量的變化一定程度上反映菌體將不溶性大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性小分子物質(zhì)的能力，結(jié)果如圖2所示。

圖2 白腐菌生物處理前后木薯渣可溶性糖含量

原料木薯渣中可溶性糖含量較低，原料組成均為大分子不溶性物質(zhì)（如淀粉和粗纖維等）。經(jīng)白腐菌處理后木薯渣中可溶性糖含糖量明顯升高，黃孢原毛平革菌、雜色云芝和糙皮側(cè)耳處理后的木薯渣可溶性糖含量較原料分別提升4.34、7.25倍和9.98倍。同時(shí)，樣品pH值較原料也有一定程度的下降（見(jiàn)表2），說(shuō)明白腐菌處理木薯渣的過(guò)程中不僅降解了纖維素類物質(zhì)產(chǎn)生可溶性糖，同時(shí)也產(chǎn)生出一部分有機(jī)酸等其它非糖類的小分子物質(zhì)，增加了原料的酸香性。Yang等[16]研究表明，木薯渣中可溶性糖濃度對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)發(fā)酵飼料非常重要。

2.3.3 生物處理對(duì)木薯渣粗蛋白含量的影響(見(jiàn)圖3)

白腐菌在以木薯渣作為基質(zhì)生長(zhǎng)的過(guò)程中，不僅將木薯渣中不溶性大分子顆粒轉(zhuǎn)化為小分子糖、酸等物質(zhì)，改善木薯渣的物理、化學(xué)性質(zhì)，提升木薯渣的消化吸收效率；同時(shí)，菌絲生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的菌體蛋白，增加了木薯渣中粗蛋白含量，提升木薯渣品質(zhì)。同時(shí)，菌體代謝會(huì)產(chǎn)生一系列醇、酸、酯等增加木薯渣芳香氣味的小分子物質(zhì)，增加飼喂動(dòng)物食欲。由圖3可知，三種白腐菌處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較低，經(jīng)白腐菌處理后粗蛋白含量分別提升了55.6%、111.7%和107.9%。天然木薯渣中氮含量較低，作為飼料使用難以滿足動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)需求，白腐菌預(yù)處理能有效降低粗纖維中不消化物質(zhì)木質(zhì)素的含量，同時(shí)增加木薯渣中粗蛋白含量，對(duì)于改善木薯渣飼料品質(zhì)、提升木薯渣營(yíng)養(yǎng)價(jià)值具有重大意義。

圖3 白腐菌處理前后木薯渣粗蛋白含量變化

2.3.4 生物處理對(duì)木薯渣氰化物含量的影響

氰化物作為木薯渣中有害成分，若過(guò)量食用，可造成中毒，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致呼吸麻痹甚至死亡[17]。GB13078—2001規(guī)定的雞、豬配合飼料中氰化物含量標(biāo)準(zhǔn)≤50 mg/kg[18]，中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《食用木薯淀粉》中規(guī)定氫氰酸含量≤10 mg/kg[19]。原料中氰化物含量符合飼用標(biāo)準(zhǔn)但高于食用要求標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)白腐菌處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，且對(duì)木薯渣中的氰化物均有不同程度的降解，黃孢原毛平革菌降解氰化物的能力較差，處理15 d后氰化物含量?jī)H降低了15.17%，雜色云芝對(duì)木薯渣的脫毒能力較強(qiáng)，氰化物含量降低了49.34%，而糙皮側(cè)耳對(duì)氰化物的去除能力最強(qiáng)，經(jīng)處理后氰化物僅4.52 mg/kg，較原料降低了78.03%，符合食用和飼用標(biāo)準(zhǔn)。糙皮側(cè)耳處理是實(shí)現(xiàn)安全有效降解木薯中氰化物的有效途徑。

表3 白腐菌處理前后木薯渣氰化物含量（mg/kg）

3 結(jié)論

本研究系統(tǒng)比較了黃孢原毛平革菌、硬毛蓋孔菌、雜色云芝、糙皮側(cè)耳和刺芹側(cè)耳五種白腐菌對(duì)木薯渣處理效果的影響，其中，黃孢原毛平革菌、雜色云芝和糙皮側(cè)耳在木薯渣上生長(zhǎng)良好，感官評(píng)定結(jié)果均大于10分。對(duì)木薯渣的降解模式上，黃孢原毛平革菌優(yōu)先利用纖維素和半纖維素，對(duì)木質(zhì)素的降解較少，雜色云芝選擇性降解木質(zhì)素，較多的保留了可利用底物，糙皮側(cè)耳對(duì)三組分呈現(xiàn)同步降解模式。三株菌均表現(xiàn)出較強(qiáng)改善木薯渣品質(zhì)的能力，生物處理后木薯渣中可溶性糖及粗蛋白含量較對(duì)照樣品均有顯著提升。糙皮側(cè)耳表現(xiàn)出對(duì)木薯渣中氰化物去除能力，經(jīng)生物處理后木薯渣中氰化物的含量?jī)H為4.52 mg/kg，較原料降低78.03%。經(jīng)白腐菌處理后的木薯渣在營(yíng)養(yǎng)成分、感官品質(zhì)及氰化物含量等方面均表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明白腐菌預(yù)處理能夠促進(jìn)木薯渣高效轉(zhuǎn)化，提升木薯渣飼用價(jià)值與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。