秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼料添加用菌種概述

王國樺，姜高亮，崔俊樂

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

秸稈固態(tài)發(fā)酵飼料，就是利用高活性微生物菌劑，如霉菌、酵母和細(xì)菌等，針對秸稈纖維素含量高的特點(diǎn)，使霉菌分泌出的多種酶類將秸稈中的淀粉、纖維物質(zhì)及果膠等轉(zhuǎn)化為各種糖類，再利用酵母和乳酸類細(xì)菌將初步分解后的飼料中的某些成分進(jìn)一步合成為營養(yǎng)價(jià)值較高、適口性更好的物質(zhì)，如維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、其它有機(jī)酸、促生長因子等[1]。

秸稈固態(tài)發(fā)酵飼料現(xiàn)有技術(shù)主要是通過添加特定酶或菌種來實(shí)現(xiàn)，但特定酶往往由菌種分泌產(chǎn)生，因此主要研究適用于秸稈發(fā)酵飼料所用的菌種。根據(jù)秸稈發(fā)酵飼料所要解決秸稈纖維素過多、粗蛋白較少的特點(diǎn)，秸稈發(fā)酵飼料添加用菌種所要求需解決的問題主要包含以下幾個(gè)方面：①高效分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等植物細(xì)胞壁組分；②能夠產(chǎn)生多種分解酶；③能將無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，合成和分泌多種營養(yǎng)物質(zhì)；④顯著改變秸稈適口性；⑤不產(chǎn)生有毒和致病物質(zhì)；⑥繁殖發(fā)育速度快；⑦菌種性能穩(wěn)定；⑧菌種間兼容性好，具有協(xié)同作用。根據(jù)以上特點(diǎn)，將菌種按照主要作用分為以下幾類：①用于分解木質(zhì)素菌種；②用于分解纖維素菌種；③用于生產(chǎn)蛋白菌種。

1 用于分解木質(zhì)素菌種

木質(zhì)素占植物秸稈細(xì)胞壁的絕大部分，且因其與纖維素之間的酯鍵作用而形成復(fù)雜致密的結(jié)構(gòu)，秸稈較難直接被利用，因而如何破除分解木質(zhì)素是制作秸稈發(fā)酵飼料的重中之重。常用于分解木質(zhì)素的微生物為木腐菌，主要有白腐真菌、褐腐真菌和軟腐真菌三類，在這三類中尤以白腐真菌分解木質(zhì)素效果最好[2]。

白腐真菌在生物學(xué)分類上屬于真菌界擔(dān)子菌亞門擔(dān)子菌綱[3]，白腐真菌能有效降解木質(zhì)素，主要是因?yàn)榘赘婢木z分泌出的超纖維氧化酶能夠溶解秸稈表面的蠟質(zhì)，從而使菌絲進(jìn)入秸稈內(nèi)部，再分泌釋放出能降解木質(zhì)素的酶系酵母菌[4]。除此之外，多數(shù)白腐真菌在分解木質(zhì)素的同時(shí)還能夠釋放單細(xì)胞蛋白，這便顯著提升了秸稈的營養(yǎng)價(jià)值。

2 用于分解纖維素菌種

自然條件下，秸稈放置一段時(shí)間后也可以自行被分解，其主要是因?yàn)樽匀唤绱嬖诹硕喾N微生物能夠分解纖維素。經(jīng)研究，能分解纖維素的微生物主要有放線菌、細(xì)菌和真菌[5]。放線菌大多能產(chǎn)生抗菌素，高溫放線菌可產(chǎn)生C1和CX酶，具有很強(qiáng)的分解纖維素的能力，可利用尿素、硝酸鹽、無機(jī)銨鹽等無機(jī)氮源及葡萄糖、甘油、麥芽糖等有機(jī)物質(zhì)，但卻難以利用乳糖，多數(shù)放線菌適宜的生長環(huán)境為pH值=4.8～5.0，溫度6～38℃[1]。細(xì)菌雖然可以產(chǎn)生一定數(shù)量的纖維素酶，但往往因?yàn)檫@些酶不容易釋放到外部，且?guī)缀鯚o法分解木質(zhì)素，因而使用較少[5]。但研究發(fā)現(xiàn)，仍然有一部分細(xì)菌適宜用來生產(chǎn)秸稈發(fā)酵飼料，主要有枯草芽孢桿菌，這是芽孢桿菌屬的一種，生物學(xué)分類上來講屬于細(xì)菌的一種，它能夠產(chǎn)生多種消化酶及營養(yǎng)物質(zhì)。這些物質(zhì)不但能分解纖維素和脫毒，而且能提高瘤胃環(huán)境氨態(tài)氮總量、總揮發(fā)性脂肪酸及丙酸含量，同時(shí)能夠降低瘤胃環(huán)境乙酸質(zhì)量濃度及乙酸/丙酸，營造合適的瘤胃環(huán)境，從而促進(jìn)動物消化，除此之外還可以增加蛋白質(zhì)含量，顯著改善飼料的適口性[6]。不過，具體到實(shí)際研究和生產(chǎn)中，往往用來分解纖維素的多是真菌，而其中又以霉菌居多。

霉菌是某些絲狀真菌的統(tǒng)稱，嚴(yán)格意義上來講，并不是生物學(xué)上的一個(gè)分類名詞，在分類上屬于真菌門的各個(gè)亞門。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞核，無隔或有隔，細(xì)胞壁分三層：內(nèi)層為幾丁質(zhì)微纖維，夾雜無定形蛋白質(zhì)(20 nm)；中層為糖蛋白，蛋白質(zhì)網(wǎng)中間填充葡聚糖(49 nm)；外層為無定形的β葡聚糖(87 nm)[7]。用于秸稈發(fā)酵飼料的霉菌主要有青霉、木霉、曲霉、根霉及添斑霉等，這些霉有一個(gè)共同點(diǎn)就是可以產(chǎn)生纖維素酶。其中根霉主要用于產(chǎn)生淀粉酶，黑曲霉可產(chǎn)生果膠酶、淀粉酶及可分解直鏈纖維素的CX酶；綠色木霉可產(chǎn)生C1、CX、淀粉酶及纖維二糖，能夠降解纖維素從而破壞植物細(xì)胞壁，從而進(jìn)一步釋放細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和淀粉等物質(zhì)，提高秸稈發(fā)酵飼料的營養(yǎng)價(jià)值[6]；康氏木霉也能夠產(chǎn)生纖維素酶，其胞外酶的特點(diǎn)很好地適用于外部纖維素的分解[1,8]。

3 用于生產(chǎn)菌體蛋白菌種

單細(xì)胞蛋白(Single cell protein，簡寫為SCP)，又被稱作菌體蛋白或微生物蛋白，是經(jīng)微生物作用將植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)分解為糖類后，與分泌出的細(xì)胞內(nèi)容物被乳酸菌和酵母菌利用后所形成的單細(xì)胞蛋白[8]。生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物主要包括酵母、細(xì)菌、藻類等，其中尤以乳酸菌和酵母菌最為常見。

乳酸菌(Lactic acid bacteria)指發(fā)酵糖類主要產(chǎn)物為乳酸的一類無芽孢、革蘭氏染色陽性細(xì)菌的總稱，其特點(diǎn)是可利用糖類等營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生乳酸。凡是能從葡萄糖或乳糖的發(fā)酵過程中產(chǎn)生乳酸的細(xì)菌統(tǒng)稱為乳酸菌，目前已知的共有200多種，生物學(xué)上至少可分為18個(gè)屬，其中絕大部分都是動物體內(nèi)必不可少的且具有重要生理功能的菌群，主要負(fù)責(zé)維持消化系統(tǒng)平衡，適宜的生長環(huán)境為厭氧或微需氧，溫度20～50℃，含水量40%～50%，而且可與酵母菌共同培養(yǎng)[1,9]。

酵母菌是一種單細(xì)胞真菌，含有細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核等結(jié)構(gòu)，目前已知的酵母菌有1000多種。酵母菌適宜在水分含量高的原料中生長繁殖。其代謝方式可分為有氧和無氧發(fā)酵，主要產(chǎn)物為乙酸、乙醇、乳酸、琥珀酸等?？衫脽o機(jī)鹽及糖分在極短的時(shí)間內(nèi)合成蛋白質(zhì)，且其營養(yǎng)價(jià)值與動物性蛋白相近，同時(shí)還能產(chǎn)生維生素、未知促生長因子等有益副產(chǎn)物[1,10]。

秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼料有著極大的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保價(jià)值，尤其是在當(dāng)今環(huán)保政策愈加趨緊的情況下如何更加有效地利用秸稈，解決環(huán)境污染并使其變廢為寶有著重大意義，秸稈固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)飼料添加用菌種已有較為成熟的發(fā)展，但現(xiàn)有工藝條件及生產(chǎn)設(shè)備都面臨很多待解決的問題，仍然需要進(jìn)行長期的深入研究。