秸稈飼料化預(yù)處理方式及其發(fā)酵抑制化合物的作用機(jī)理

李國(guó)棟　趙圣國(guó)　張養(yǎng)東　鄭　楠　李松勵(lì)　趙國(guó)琦　王加啟

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京畜牧獸醫(yī)研究所，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2.揚(yáng)州大學(xué)，動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州225009)

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秸稈飼料化預(yù)處理方式及其發(fā)酵抑制化合物的作用機(jī)理

李國(guó)棟1,2趙圣國(guó)1*張養(yǎng)東1鄭楠1李松勵(lì)1趙國(guó)琦2王加啟1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京畜牧獸醫(yī)研究所，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2.揚(yáng)州大學(xué)，動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州225009)

農(nóng)作物秸稈作為一種資源豐富、來(lái)源廣泛的生物質(zhì)資源，在畜牧業(yè)和生物能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力巨大。但由于其復(fù)雜的化學(xué)組成以及抗性結(jié)構(gòu)，使其不能直接高效地通過(guò)生物轉(zhuǎn)化所利用。通過(guò)預(yù)處理可以降低秸稈纖維素的結(jié)晶度，提高秸稈的利用率。然而預(yù)處理過(guò)程不可避免地使秸稈在高溫或化學(xué)催化作用下過(guò)度降解，并伴隨著副產(chǎn)物的產(chǎn)生，對(duì)后續(xù)微生物發(fā)酵有抑制作用。本文綜述了秸稈的稀酸、堿、蒸汽爆破以及生物預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)預(yù)處理副產(chǎn)物呋喃類(lèi)衍生物、弱酸類(lèi)和酚類(lèi)化合物的產(chǎn)生與抑制機(jī)理作一綜述。

農(nóng)作物秸稈；預(yù)處理；抑制物

我國(guó)是糧食生產(chǎn)大國(guó)，也是秸稈生產(chǎn)大國(guó)，每年可生產(chǎn)秸稈7億t以上，約占全世界秸稈總量的20%，其中，稻草、玉米秸、麥秸是我國(guó)產(chǎn)量最高的3大作物秸稈，占全國(guó)秸稈總產(chǎn)量的61%[1]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)村和大城市郊區(qū)，由于燃料結(jié)構(gòu)改變和化肥的廣泛使用，秸稈剩余量高達(dá)70%～80%，這些秸稈最后大多被焚燒。秸稈露天焚燒即浪費(fèi)資源又影響交通，也是秋冬季霧霾形成的原因之一，帶來(lái)嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。因而，如何開(kāi)發(fā)利用秸稈資源成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大課題之一。秸稈飼料化既可以節(jié)約大量糧食，也能解決畜牧業(yè)牧草不足的難題[2]；秸稈纖維素乙醇生產(chǎn)可直接替代工業(yè)乙醇生產(chǎn)所消耗的大量糧食，對(duì)國(guó)家糧食安全具有重大戰(zhàn)略意義[3]；秸稈沼氣作為高效清潔能源，既能解決秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，又緩解農(nóng)村能源緊張的局面[4]。近些年來(lái)，秸稈飼料化、秸稈的生物乙醇轉(zhuǎn)化以及生物沼氣轉(zhuǎn)化等逐步受到國(guó)內(nèi)外重視，并成為研究熱點(diǎn)。

農(nóng)作物秸稈的化學(xué)組成主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，由于其組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生物降解很難進(jìn)行，因此要對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。通過(guò)預(yù)處理破壞半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，降低纖維素的結(jié)晶度，使酶與纖維素充分接觸，有利于酶解反應(yīng)的進(jìn)行。然而，農(nóng)作物秸稈經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素都不可避免地在高溫或化學(xué)催化作用下過(guò)度降解產(chǎn)生對(duì)后續(xù)纖維素酶水解和生物發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)物，主要分為呋喃類(lèi)衍生物、弱酸類(lèi)和酚類(lèi)化合物3類(lèi)。這些副產(chǎn)物既能抑制纖維素酶的活性，降低酶解效率，又能抑制微生物的碳代謝過(guò)程。

1　秸稈預(yù)處理方式

秸稈預(yù)處理方式中應(yīng)用比較廣泛的主要有物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理。物理法主要包括粉碎、球磨和蒸汽爆破等，化學(xué)法主要包括堿處理和酸處理等，生物法主要包括酶解和微生物發(fā)酵等。這些預(yù)處理方法在改善秸稈特性，提高秸稈降解率的同時(shí)又各有其局限性。傳統(tǒng)的機(jī)械處理、化學(xué)處理等技術(shù)能耗較高且存在環(huán)境污染問(wèn)題，已不適應(yīng)于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用；生物處理在處理成本上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但其較長(zhǎng)的預(yù)處理時(shí)間與生產(chǎn)周期限制了其工業(yè)化應(yīng)用；蒸汽爆破處理相對(duì)于其他預(yù)處理方法，在能耗、環(huán)境友好性、處理效果上有著明顯優(yōu)勢(shì)，是預(yù)處理技術(shù)發(fā)展方向之一。表1為幾種常見(jiàn)的秸稈預(yù)處理方法之間的比較。

表1　常見(jiàn)秸稈預(yù)處理方法的比較

1.1稀酸預(yù)處理

稀酸預(yù)處理是研究最早也是目前最成熟的預(yù)處理方式之一，其能破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，打破纖維素與木質(zhì)素之間的連接，同時(shí)溶解半纖維素。用于不同木質(zhì)纖維素預(yù)處理的酸，包括稀硫酸、稀硝酸、稀鹽酸、稀磷酸和稀草酸。其中，稀硫酸成本低、效率高、環(huán)境污染小更適合工業(yè)化。陳尚钘等[19]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈在0.75%的稀硫酸、150 ℃、80 min條件下，半纖維素降解率為98.02%，預(yù)處理渣纖維素酶水解得率為66.95%。Kootstra等[20]則發(fā)現(xiàn)，與稀硫酸相比有機(jī)酸類(lèi)馬來(lái)酸和富馬酸的預(yù)處理副產(chǎn)物中抑制物糠醛的含量較少。

秸稈類(lèi)物質(zhì)稀酸預(yù)處理過(guò)程中，添加合適的表面活性劑，有提高纖維素酶解效率的作用。Qing等[21]研究了吐溫80、十二烷基苯磺酸和聚乙二醇4000作為玉米秸稈稀酸預(yù)處理添加劑的效果，結(jié)果顯示，這些表面活性劑能有效去除秸稈中的木質(zhì)素成份，且通過(guò)增加生物質(zhì)的疏水性從而提高纖維素的酶解效率。Qi等[5]在對(duì)小麥秸稈稀硫酸預(yù)處理時(shí)加入0～1%吐溫20也得到了類(lèi)似的結(jié)果。因此，秸稈類(lèi)物質(zhì)稀酸預(yù)處理中添加表面活性物質(zhì)效果更好。

稀酸處理與其他預(yù)處理方式組合，在實(shí)際生產(chǎn)中效果更好。Zhang等[6]研究發(fā)現(xiàn)酸堿復(fù)合處理可去除玉米芯中大部分非纖維材料，經(jīng)過(guò)同步糖化發(fā)酵乙醇濃度為69.2 g/L,乙醇得率高達(dá)81.2%。潘裕清等[22]研究了草酸預(yù)浸汽爆玉米芯的酶解狀況，結(jié)果顯示其葡萄糖產(chǎn)量較中性蒸汽爆破玉米芯和未處理玉米芯分別提高32.3%和214.87%。稀酸預(yù)處理具有價(jià)格低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其腐蝕性對(duì)設(shè)備要求較高，處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生乙酸、糠醛等發(fā)酵抑制物。

1.2堿預(yù)處理

堿預(yù)處理主要是利用OH-使木質(zhì)素的醚鍵斷裂，削弱半纖維素和纖維素之間的氫鍵，皂化半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，使得木質(zhì)纖維素原料的結(jié)晶度降低，更易于水解。秸稈原料的堿處理一般使用NaOH、Ca(OH)2和氨溶液。Varga等[10]研究發(fā)現(xiàn)，10% NaOH、120 ℃條件下處理玉米秸稈60 min，木質(zhì)素的去除率達(dá)到95%。NaOH對(duì)纖維素的出色的脫木質(zhì)素以及潤(rùn)脹能力，能增加纖維素酶的作用面積，降低纖維素的聚合度，對(duì)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化是必不可少的。同時(shí)，NaOH預(yù)處理也存在著試劑回收困難、環(huán)境污染等問(wèn)題。Ca(OH)2與NaOH預(yù)處理相比成本低、環(huán)境污染小，且可以通過(guò)與CO2反應(yīng)從水解產(chǎn)物中回收。Gu等[11]研究了Ca(OH)2預(yù)處理對(duì)稻草秸稈厭氧消化的影響，結(jié)果顯示，Ca(OH)2預(yù)處理顯著增加了稻草秸稈的產(chǎn)沼氣率和酶水解效率；且傅立葉變換紅外光譜(FTIR)分析表明，Ca(OH)2預(yù)處理有脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的作用。

秸稈飼料厭氧堿貯技術(shù)在國(guó)內(nèi)外有廣泛的研究進(jìn)展。Shi等[7]用CaO處理后的玉米秸稈搭配干酒糟及其可溶物(DDGS)部分替代泌乳中后期奶牛飼糧中野生黑麥、玉米青貯和玉米粒，結(jié)果顯示，乳糖含量及4%乳脂校正乳、乳脂和乳蛋白產(chǎn)量并未受到顯著影響，且收益增加。Wanapat等[8]研究發(fā)現(xiàn)，水牛飼喂經(jīng)尿素處理的水稻秸稈后，瘤胃液中產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌和白色瘤胃球菌數(shù)量均有增加，說(shuō)明經(jīng)尿素處理的秸稈更有利于水牛瘤胃纖維分解菌的黏附與定植。此外，Polyorach等[9]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，尿素和Ca(OH)2復(fù)合處理可提高稻草的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，促進(jìn)肉牛瘤胃發(fā)酵，且比單一的尿素處理更經(jīng)濟(jì)。堿處理在脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的同時(shí)，伴隨苯酚、對(duì)甲酚和香草醇等物質(zhì)產(chǎn)生，對(duì)微生物發(fā)酵產(chǎn)生抑制；堿處理還會(huì)導(dǎo)致部分生物質(zhì)的溶解，造成原料損失。

1.3蒸汽爆破

蒸汽爆破，由于其潛在破壞纖維素、木質(zhì)素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及水解半纖維素的特性，是目前使用最廣泛的物理預(yù)處理方法。在蒸汽爆破中，生物質(zhì)原料被高壓飽和蒸汽加熱，維持一定時(shí)間后，然后迅速減壓的過(guò)程。高溫高壓環(huán)境下，半纖維素部分降解，木質(zhì)素被軟化；瞬間的減壓，巨大的剪切力使纖維細(xì)胞間的結(jié)晶減弱，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞，木質(zhì)素部分降解，纖維素暴露出來(lái)。王玉等[23]研究了汽爆預(yù)處理對(duì)水稻秸稈纖維結(jié)構(gòu)的影響，F(xiàn)TIR結(jié)果顯示，汽爆預(yù)處理對(duì)秸稈纖維素結(jié)構(gòu)影響不大，對(duì)降低半纖維素含量有重要作用；掃描電鏡與X-射線(xiàn)衍射分析結(jié)果表明，汽爆預(yù)處理后秸稈表面形態(tài)變化較大，結(jié)晶度隨著壓力與穩(wěn)壓時(shí)間增加而增加。

影響蒸汽爆破效果的因素主要與溫度、維壓時(shí)間、粒徑大小以及含水量有關(guān)。在高溫和較短的維壓時(shí)間(270 ℃,1 min)或低溫和較長(zhǎng)的維壓時(shí)間(190 ℃,10 min)下木質(zhì)纖維素獲得最大的半纖維素降解率以及水解效率[15]。López-Linares等[14]運(yùn)用響應(yīng)面分析法(RSM)優(yōu)化了油菜秸稈汽爆預(yù)處理進(jìn)行生物乙醇生產(chǎn)的條件，在215 ℃、7.5 min條件下得到最大的生物乙醇產(chǎn)率。

目前，蒸汽爆破技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)造紙以及生物質(zhì)能源化等領(lǐng)域，在秸稈飼料加工領(lǐng)域相對(duì)緩慢。Viola等[12]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈、大麥秸稈和燕麥秸稈的爆破處理使綿羊?qū)斩挼母晌镔|(zhì)消化率提高25%，爆破處理后再進(jìn)行堿處理，秸稈消化率進(jìn)一步提高9%。Chang等[13]用蒸汽爆破與米曲霉發(fā)酵后的生物玉米秸稈分別等量替代愛(ài)撥益加肉雞玉米-豆粕型基礎(chǔ)飼糧中4%、8%以及12%的玉米粉，開(kāi)展為期3 d的代謝試驗(yàn)，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，4%和8%替代組的干物質(zhì)、有機(jī)物、能量、粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的代謝率沒(méi)有受到顯著影響，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的代謝率顯著增加；12%替代組的能量代謝率顯著降低。蒸汽爆破預(yù)處理秸稈處理時(shí)間短、化學(xué)藥品使用量少、無(wú)污染，但也存在著木質(zhì)素分離不完全，部分木糖被破壞，產(chǎn)生乙酸、糠醛等發(fā)酵抑制物等問(wèn)題。

1.4生物預(yù)處理

生物預(yù)處理主要是指利用降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的微生物或在培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的外切纖維素酶、內(nèi)切纖維素酶、β-糖苷酶、β-木聚糖酶以及阿魏酸酯酶、乙酸酯酶等，降解秸稈中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，達(dá)到提高纖維降解率的作用。白腐真菌能夠分泌胞外氧化酶，降解木質(zhì)素能力強(qiáng)且不產(chǎn)生色素，應(yīng)用前景較好。Lalak等[18]研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌毛柄金錢(qián)菌(F.velutipes)對(duì)長(zhǎng)穗偃麥草的半纖維素和木質(zhì)素降解率分別達(dá)到29.1%和35.4%。Shrivastava等[16]采用白腐真菌固態(tài)發(fā)酵小麥秸稈，顯著提高了飼料中的蛋白質(zhì)含量，提高了肉牛的有機(jī)物消化率，并降低了飼料中的碳氮比。農(nóng)作物秸稈經(jīng)過(guò)阿魏酸酯酶預(yù)處理，可促進(jìn)瘤胃微生物對(duì)其細(xì)胞壁纖維素和半纖維素的進(jìn)一步降解。Yang等[17]利用不同葡萄糖水平和氮源的組合培養(yǎng)基研究新麗鞭毛菌(Neocallimastixsp.YQ1)以玉米秸稈為底物時(shí)的纖維降解活性，結(jié)果顯示，阿魏酸酯酶和乙酰酯酶分別在含1.0 g/L葡萄糖、2.8 g/L酵母提取物、0.5 g/L (NH4)2SO4和1.0 g/L葡萄糖、1.7 g/L酵母提取物、1.4 g/L胰蛋白胨的培養(yǎng)基中活性最高。生物預(yù)處理?xiàng)l件溫和、能耗低且環(huán)境污染小，但也存在著可選菌種偏少、酶解效率低、周期長(zhǎng)的問(wèn)題；且微生物的引入或多或少會(huì)造成秸稈中糖分被預(yù)處理微生物所利用，降低發(fā)酵過(guò)程中的底物濃度。

2　發(fā)酵抑制化合物的種類(lèi)及其抑制機(jī)理

蒸汽爆破和化學(xué)預(yù)處理伴隨副產(chǎn)物的形成已成共識(shí)，且過(guò)量的副產(chǎn)物對(duì)微生物發(fā)酵有抑制作用。根據(jù)這些副產(chǎn)物的來(lái)源，通常分為呋喃類(lèi)衍生物、弱酸類(lèi)和酚類(lèi)化合物3類(lèi)。認(rèn)識(shí)和理解發(fā)酵抑制物的種類(lèi)及其抑制機(jī)理，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中預(yù)處理方法的選擇和預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化具有重要意義。圖1為預(yù)處理過(guò)程中各抑制物的形成。

Cellulose:纖維素；Hemicellulose:半纖維素；Lignins:木質(zhì)素；Wood extractives:木質(zhì)提取物；Glucose:葡萄糖；Mannose:甘露糖；Galactose:半乳糖；Xylose：木糖；Arabinse:阿拉伯糖；Hydroxymenthyl furfural(HMF):羥甲基糠醛；Fufural:糠醛；Levulinic acid:乙酰丙酸；Formic acid:甲酸；Acetic acid:乙酸；Phenols:酚類(lèi)化合物。

圖1秸稈預(yù)處理過(guò)程中抑制物的形成

Fig.1Formation of inhibitors during corn straw pretreatment[24]

2.1呋喃類(lèi)衍生物

糠醛和5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，5-HMF)是木質(zhì)纖維素常見(jiàn)的預(yù)處理副產(chǎn)物，他們分別由原料中半纖維素水解得到的戊糖和己糖脫水生成。呋喃醛類(lèi)化合物對(duì)釀酒酵母的影響主要是通過(guò)抑制酵母的生長(zhǎng)，使遲滯期延長(zhǎng)，從而降低乙醇得率和產(chǎn)量。當(dāng)糠醛濃度低于0.5 g/L可促進(jìn)樹(shù)干畢赤酵母的生長(zhǎng)，2.0 g/L糠醛則完全抑制酵母細(xì)胞生長(zhǎng)，糠醛濃度為1.5 g/L即可使乙醇得率降低90.4%[25]?？啡┠軌蛞种萍?xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化活性醛的醛氧化酶類(lèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species,ROS)含量的積累，對(duì)細(xì)胞線(xiàn)粒體、液泡膜、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和核染色質(zhì)等產(chǎn)生損傷。研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧條件下，釀酒酵母可利用還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)參與的還原反應(yīng)，將糠醛和5-HMF分別轉(zhuǎn)化為毒性較小的糠醇和2,5-呋喃二甲醇[26]。Li等[27]利用酵母全基因組表達(dá)譜芯片，研究了釀酒酵母在轉(zhuǎn)錄組水平上對(duì)糠醛的響應(yīng)，結(jié)果顯示，糠醛的加入導(dǎo)致酵母參與葉酸代謝、精胺和亞精胺合成等重要的相關(guān)基因的表達(dá)下調(diào)，氧化脅迫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)。因此，細(xì)胞若要在呋喃醛類(lèi)存在的條件下存活，不僅需要將醛類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為毒性較小的糠醇或2,5-呋喃二甲醇，還要形成自我保護(hù)機(jī)制，修復(fù)呋喃醛類(lèi)物質(zhì)對(duì)自身造成的損傷，以耐受呋喃醛類(lèi)物質(zhì)的抑制作用。

2.2弱酸類(lèi)

木質(zhì)纖維素預(yù)處理副產(chǎn)物中弱酸類(lèi)物質(zhì)主要包括乙酸、甲酸和乙酰丙酸。由于纖維素原料中的半纖維素和木質(zhì)素存在著廣泛的乙酰化，這些乙?；鶊F(tuán)在預(yù)處理過(guò)程中就會(huì)被轉(zhuǎn)化為乙酸。甲酸是糠醛和5-HMF的降解產(chǎn)物，乙酰丙酸是由5-HMF降解形成的。

弱酸類(lèi)物質(zhì)對(duì)微生物的抑制作用包括細(xì)胞內(nèi)酸化和解偶聯(lián)機(jī)制2種方式[24]。未解離的弱酸類(lèi)物質(zhì)可以通過(guò)擴(kuò)散透過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，由于細(xì)胞質(zhì)中性的pH環(huán)境，使得擴(kuò)散到細(xì)胞的弱酸類(lèi)物質(zhì)發(fā)生解離，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)pH的降低。維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)pH的恒定對(duì)細(xì)胞發(fā)揮正常生理功能是至關(guān)重要的，例如其會(huì)影響信號(hào)的傳導(dǎo)，破壞最佳的酶適條件等。為了維持胞內(nèi)的pH，主動(dòng)運(yùn)輸可以部分去除細(xì)胞內(nèi)解離的弱酸，腺苷三磷酸酶(ATPase)可以將游離的H+泵出胞外。而主動(dòng)運(yùn)輸和ATPase的活動(dòng)都是以消耗大量ATP為基礎(chǔ)的，在這種機(jī)制下，弱酸類(lèi)物質(zhì)濃度低于100 mmol/L時(shí)有促進(jìn)新陳代謝作用，高于100 mmol/L則導(dǎo)致微生物代謝緩慢，影響正常發(fā)酵進(jìn)行[28]。乙酸作為弱酸類(lèi)副產(chǎn)物中含量最高的一個(gè)，其對(duì)細(xì)胞的作用研究較多。Schüller等[29]研究發(fā)現(xiàn)，乙酸會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞線(xiàn)粒體損傷且伴有細(xì)胞色素C滲透到細(xì)胞質(zhì)中，出現(xiàn)染色質(zhì)凝集和細(xì)胞核塌陷等典型的細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。Almeida等[30]運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，乙酸引起的細(xì)胞凋亡是通過(guò)引起氧化脅迫，進(jìn)一步通過(guò)雷帕霉素靶途徑(target of rapamycin,TOR)相關(guān)信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)。

預(yù)處理副產(chǎn)物中的有些芳香族羥酸可以充當(dāng)解偶聯(lián)劑。Norman等[31]研究發(fā)現(xiàn),水楊酸對(duì)植物細(xì)胞有解偶聯(lián)作用，即增大線(xiàn)粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，消除H+，使細(xì)胞不能進(jìn)行磷酸化而不能生成ATP，從而抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)和發(fā)酵；而另一個(gè)常見(jiàn)的預(yù)處理副產(chǎn)物芳族羧酸，對(duì)羥基苯甲酸，卻沒(méi)有表現(xiàn)出如水楊酸的解偶聯(lián)作用，這可能是與不同弱酸的膜通透性差異有關(guān)。

2.3酚類(lèi)化合物

酚類(lèi)化合物主要是由木質(zhì)素降解形成的，產(chǎn)量低但毒性很大，特別是一些分子質(zhì)量小的單酚物質(zhì)毒性較強(qiáng)。酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)細(xì)胞的抑制作用主要體現(xiàn)在其對(duì)細(xì)胞膜的損傷，通過(guò)破壞細(xì)胞膜的完整性，影響膜的選擇透過(guò)性以及細(xì)胞內(nèi)酶的反應(yīng)環(huán)境。Fitzgerald等[32]研究發(fā)現(xiàn)酚、對(duì)甲酚和其他一些潛在的酚類(lèi)化合物有增加大腸桿菌和植物乳桿菌細(xì)胞膜流動(dòng)性的作用，使該膜允許更多物質(zhì)的擴(kuò)散，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)K+的外排。Keweloh等[33]研究了苯酚對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成的影響，發(fā)現(xiàn)苯酚能改變細(xì)胞膜的功能，改變細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的比例，使膜上的脂肪酸組成向更飽和的方向轉(zhuǎn)化。Feron等[34]研究了，苯酚對(duì)DNA損傷的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其潛在的損傷是由細(xì)胞內(nèi)ROS形成以及醛基的一側(cè)電位較大的正電荷(特別是當(dāng)醛基連接的下一個(gè)碳鍵為雙鍵)引起的。Zhang等[35]研究了苯酚、香草醇等4種預(yù)處理酚類(lèi)副產(chǎn)物對(duì)木糖醇生產(chǎn)菌C.athensensisSB18的抑制作用，發(fā)現(xiàn)上述酚類(lèi)化合物抑制細(xì)胞內(nèi)木糖還原酶的活性，但對(duì)木糖醇脫氫酶的活性沒(méi)有影響?？梢?jiàn)酚類(lèi)對(duì)細(xì)胞的毒害作用是很強(qiáng)的，進(jìn)而會(huì)影響微生物對(duì)預(yù)處理秸稈的發(fā)酵效率。

抑制物脫毒的方法包括物理法如活性炭[24]可以吸附多種抑制物，真空蒸發(fā)[36]可以去除大部分乙酸、糠醛；化學(xué)法如熟石灰[37]可以使一些抑制物沉淀；生物法如漆酶[38]可以減少酚類(lèi)物質(zhì)的毒性。脫毒過(guò)程必然會(huì)增加生產(chǎn)成本，且有些方法缺乏實(shí)用性，熟石灰法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)是使用有效的脫毒方法，生物脫毒法應(yīng)作為未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。表2為各抑制物的抑制機(jī)制及常見(jiàn)的脫毒方法。

3　小　結(jié)

預(yù)處理技術(shù)將成為農(nóng)作物秸稈得到合理有效利用的關(guān)鍵。這些預(yù)處理方法在改善秸稈特性，提高秸稈降解率的同時(shí)又各有其局限性。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)因地制宜，根據(jù)秸稈種類(lèi)和具體要求選擇合理的預(yù)處理方法。了解發(fā)酵抑制物的抑制機(jī)理，對(duì)于預(yù)處理方法的選擇，預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。目前，秸稈類(lèi)飼料僅靠預(yù)處理加工還不能解決其飼用的全部問(wèn)題，必須通過(guò)科學(xué)補(bǔ)飼或飼糧配合技術(shù)，才能達(dá)到最佳的飼喂效果。

表2　抑制物的抑制機(jī)制及常見(jiàn)的脫毒方法

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(責(zé)任編輯王智航)

Straws as Feed: Pretreatment Methods and Action Mechanism of Fermentation Inhibitors

LI Guodong1,2ZHAO Shengguo1*ZHANG Yangdong1ZHENG Nan1LI Songli1ZHAO Guoqi2WANG Jiaqi1

(1. State Key Laboratory of Animal Nutrition, Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193, China; 2. College of Animal Science and Technology, Yangzhou University,Yangzhou 225009, China)

Crop straw as a rich biological source with various origins may be widely used in industries of husbandry and bioenergy. But at the same time, its complex chemical composition and recalcitrant structure makes the conversion process more cumbersome which adversely affects the utilization of straw. Therefore, crystallinity of fiber of straw can be degraded by pretreatment, and the utilization can be improved. While, over degradation unavoidably occurs under high temperature and chemical catalytic action, and by-products formed at the same time will inhibit the following microbial fermentation. This review focused on various aspects of commonly used pretreatment methods (dilute acid, alkali, steam explosion and biological pretreatments), and production and inhibition mechanism of inhibitors (such as furans derivants, weak acids and phenolic compounds) of crop straw pretreatments.[ChineseJournalofAnimalNutrition, 2016, 28(10)：3051-3058]

crop straw; pretreatment; inhibitors

, assistant professor, E-mail: zhaoshengguo1984@163.com

10.3969/j.issn.1006-267x.2016.10.005

2016-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(31261140365)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)資金(nycytx-04-01)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(ASTIP-IAS12)

李國(guó)棟(1992—)，男，山東滕州人，碩士研究生，從事動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)專(zhuān)業(yè)。E-mail: lgd1992@sina.com

趙圣國(guó)，助理研究員，E-mail: zhaoshengguo1984@163.com

S816.5

A

1006-267X(2016)10-3051-08