玉米秸秆生物降解

西安工程大学学报

Journal ofXi’an PolytechnicUniversity

第24卷第3期(总103期) 2010年6月Vo.l 24,No. 3(Sum.No. 103) 文章编号:1674-649X(2010)03-0294-04 收稿日期:2010-04-12

基金项目:陕西省科学技术厅自然科学基金项目(2009JM3019)

通讯作者:李海红(1971-),女,陕西省西安市人,西安工程大学副教授.E-mai:l lihhcn@ 163. com

玉米秸秆的生物降解效果研究 李海红,郭雅妮,同 帜

(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048)

摘要:分析不同菌种对玉米秸秆的降解效果,生产出易于消化和吸收的高蛋白饲料.选育白腐真

菌、黑曲霉、绿色木霉等分别进行糖化与发酵,最佳发酵条件为温度35℃,时间60h.研究结果表

明,白腐真菌+黑曲霉+绿色木霉的组合菌发酵效果优于单菌种发酵. 关键词:玉米秸秆,高蛋白饲料,糖化,发酵 中图分类号:X 172 文献标识码:A

玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,而细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素和木质素.相关研究表明,玉

米秸秆中的纤维素、半纤维素不但被木质素包裹,而且半纤维素的部分共价和木质素结合,形成紧密的结

构[1].这种复杂的结构使得玉米秸秆降解较为缓慢.常用玉米秸秆处理方法有物理方法、化学方法和生物

方法[2].目前,生物法降解玉米秸秆已成为研究热点,玉米秸秆的生物利用研究主要集中在预处理方法的

研究[3].不同的菌种对玉米秸秆的降解效果差异很大,本文通过选育优势菌种组合固体发酵玉米秸秆,进

一步提高玉米秸秆降解效果. 1 玉米秸秆的组成成分 表1 玉米秸秆的化学组成%

组成灰粉纤维素半纤维素木质素可溶出物酯酸盐其他 含量6·1 37·3 20·6 17·5 13·0 2·0 3·5 有关数据显示[4],我国秸秆的 资源总量达5·541×108,t其中含有 的N、P2O5、K2O分别为4·939× 106,t 1·567×106,t 9·825×106,t总

养分为1. 633×107,t相当于全国1999年化肥用量的2/5.秸秆中碳元素占绝大部分,含碳量约占40%以

上,其次为钾、硅、氮、钙、镁、磷、硫等元素.秸秆的有机成分以纤维素、半纤维素为主,其次为木质素、蛋

白质、氨基酸,树脂、单宁等[5].玉米秸秆的化学组成和营养成分组成见表1~2. 表2 玉米秸秆的营养成分 % 成份粗脂肪粗蛋白粗纤维水份灰份钙磷

含量1·03 3·70 31·42 5·54 0·35 0·08 6·522 发酵玉米秸秆菌种的选取

降解玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素,首先要筛选出具有针对性的菌种,利用菌种所分泌的

酶系,对这些物质进行专性的分解. 2·1 木质素的降解

白腐真菌是最有效的木质素降解微生物,其中黄抱原毛平革(phanerochaete chrysosporium)可能是研

究最为深入、最具有代表性的微生物.其他著名的白腐真菌,如彩绒革盖菌(co riolusve rsicolor),其不仅具

有降解纤维素的能力,同时也表现出更强的降解木质素的能力.在严酷的环境中,白腐真菌利用菌丝、木质

素降解酶及自由基反应作为“利器”攻击和降解木质素,以获得自身的生存和繁殖[6].

从白腐真菌分离出的木质素降解酶有木质素过氧化酶(Lignin Peroxidase/LiP)、猛依赖过氧化酶

(ManganasesPeroxidase/MnP)和漆酶(Laccase)等3种. 2·2 纤维素的降解

纤维素是一种难以被食草动物直接吸收的物质,如果饲料中纤维素含量较高,势必影响喂养效果.因

此,要用玉米秸秆生产高蛋白饲料就必须要降低其纤维素含量.不同来源的纤维素酶的分子特征和催化活

性不尽相同.目前,纤维素酶活力较高的微生物有木霉、黑曲霉、青霉等[7].对于降解玉米秸秆中纤维素多

采用绿色木霉和黑曲霉. 2·3 半纤维素的降解

木聚糖类半纤维素是仅次于纤维素的第二个重要的异源多糖,它以其数量大、组分易提取成为最具潜

力的可再生资源.玉米秸杆中约94%的半纤维素是阿拉伯糖葡萄糖醛酸木聚糖.能降解纤维素的真菌所

分泌的酶系,基本上可以满足半纤维素的降解,因此不再针对半纤维素的降解特别选取专用菌种,既采用

绿色木霉和黑曲霉一次完成纤维素和半纤维素的降解. 3 玉米秸秆的降解与发酵

依据各菌种特性,采用混合菌种发酵.针对玉米秸秆组分特点,选取酵母菌、白腐真菌、绿色木霉、黑曲

霉进行生物降解处理.利用不同菌种分解的酶系,对木质素、纤维素、半纤维素进行有针对性的分解,同时

对比不同菌种组合的发酵效果,以及在不同温度下的效果,最终得出最优组合. 3·1 菌种培养

采用未经特殊化处理的玉米秸秆为原料,利用生产纤维素分解酶的菌提高其含糖量,用酵母菌发酵提

高其蛋白质及生物活性.

菌种的提取源有牛胃内涵物、腐烂树枝.对于菌种的要求有①能产生多种分解纤维素、半纤维素和木

质素的酶.②能有效提高原料中蛋白质的含量.③发酵后能改善饲料的口感.④菌种有很好的

互生共生性,

没有抑制作用.⑤不产生有毒物质,菌体耐性高,不容易自溶分解等5点.

分离菌种用培养基有酵母菌采用麦芽培养基,霉菌采用霉菌培养基,白腐真菌采用专用培养基等3种

培养基.分离纯化采用平板固体培养.

霉菌分离用牛胃内含物溶于无菌水,取上清液用霉菌培养基(玉米秸秆粉20g,尿素0·3g, (NH4)2SO41·4g,CaCl0·3g, MgSO40·3g,蛋白粉0·75g,吐温-80 1g,FeSO4·7H2O 5·0mg,MnSO4·7H2O

1·6mg,ZnSO4·7H2O 1·4mg,CoCl22mg),在30℃恒温箱中用体培养基分离、纯化.

酵母菌分离用牛胃内含物溶于无菌水,取上清液用麦芽培养基(酵母膏3g,麦芽汁3g,葡萄糖5g,琼

脂20g)平板分离,在30℃恒温箱中用体培养基48h分离、纯化.

白腐真菌分离用腐烂潮湿的朽木溶于无菌水,取上清液用白腐真菌培养基(KH2PO41·0g,NaH2PO4

0·2g,MgSO40·5g, VB10·1mg, CaCl 0·1mg, FeSO4·7H2O 0·4mg, CuSO4·7H2O 0·2mg, ZnSO4·7H2O

1·4mg,琼脂20g,适量葡萄糖和酒石酸铵),平板分离,在30℃恒温箱中用体培养48h分离、纯化[8].

3·2 菌株形态

白腐真菌菌落呈椭圆形绒毛状或粉状,扁平、均匀,有同声圆或放射线;菌丝有两叉分支裂殖孢子,单

个或成链状、长筒形;能分解包括木质素在内的全部木材成份.酵母菌菌落,乳白色平滑.绿色木霉,初为白

295第3期 玉米秸秆的生物降解效果研究色致密,菌落为圆形,边缘不规则;菌丝透明有隔膜,分枝复杂,孢子为球形绿色,含有水解结晶纤维素的全

部酶组分,酶蛋白产量高,不能代谢木质素.黑曲霉其营养菌丝分化出厚壁的足细胞,顶端膨大为椭球形或

圆形的顶囊,生长出分生孢子梗,最上层小梗为瓶状,顶端生成串的分生孢子为黑色,黑曲霉产生的酶系与

绿色木霉形成互补. 3·3 糖化与发酵

(1) 糖化实验 从不同比例的培养基对比实验得出,食用玉米秸秆与麸皮4∶1组和效果最好.所

以,糖化试验应选取4∶1的比例.培养基与水的比例为1∶1·2, 2~3g吐温, -80级微量盐,用单菌种糖

化和混合菌种糖化.通过测定还原糖含量检测糖化效果.菌种组合见表3.

不同菌种由于分泌酶系不同,所以降解具有针对性.如白腐真菌降解木质素较好,黑曲霉与绿色木霉

主要针对降解纤维素与半纤维素.实验结果表明白腐真菌+黑曲霉+绿色木霉的降解效果最好.具体结果 见表4.

表3 糖化菌种组合 菌种组合方式菌种名称 单菌种

白腐真菌 黑曲霉 绿色木霉 混合菌种

白腐真菌+绿色木霉 黑曲霉+绿色木霉

白腐真菌+黑曲霉+绿色木霉

表4 不同菌种及混合菌的糖化效果 菌种糖化结果/mg·g-1 白腐真菌251·6 黑曲霉245·7 绿色木霉334·36

白腐真菌+绿色木霉340·23 黑曲霉+绿色木霉331·73

白腐真菌+黑曲霉+绿色木霉389·56

不难看出白腐真菌+黑曲霉+绿色木霉的降解效果最好,含糖量达到389·56mg·g-1.单纯绿色木霉

次之,达到340·23 mg·g-1,但纯白腐真菌仅为251·6 mg·g-1,说明绿色木霉糖化能力强,产酶量高.白

腐真菌+黑曲霉+绿色木霉由于酶系最全,因而降解效果最好. 表5 发酵菌种组合 菌种组合方式菌种名称 单菌种酵母菌Ⅰ、酵母菌Ⅱ 混合菌种酵母菌Ⅰ+酵母菌Ⅱ

(2) 发酵试验 用糖化后的材料进行发酵.本次培

养出的酵母菌有2种菌落形态,将其分为酵母菌Ⅰ、酵母菌 Ⅱ.应用2种酵母菌进行3组实验.发酵组合见表5. ①温度对发酵的影响.取糖化后原料100g分别以表5 的组合进行实验.选择pH约为5,根据温度的不同设定为

20℃, 30℃, 35℃, 40℃, 50℃.每组进行5组发酵实验,在不同温度测定发酵产物蛋白质含量.不同湿度对

发酵的影响见表6.

表6 温度对发酵的影响% 菌种组合方式 温度/℃

20 30 35 40 50

酵母菌Ⅰ20 25 28 25 15 酵母菌Ⅱ21 28 31 27 12

酵母菌Ⅰ+酵母菌Ⅱ22 30 35 23 14 从表6可以看出, 35℃为最佳 温度,酵母菌Ⅰ+酵母菌Ⅱ效果最 好.随着温度的升高蛋白质产量呈 现下降趋势.

②时间对发酵的影响.取糖化

后原料100g分别以表5的组合分3

组进行实验.选pH约为5,温度控制在前一组中得出的最佳温度35℃.根据发酵时间的不同设定为24h,

36h, 48h, 60h, 72h, 84h, 96h.在发酵的不同时间分别对发酵结果进行测定蛋白质含量最终得出有效发酵的

最短时间.不同湿度对发酵的影响见表7. 表7 时间对发酵的影响% 菌种组合方式 时间/h

24 36 48 60 72 84 96

酵母菌Ⅰ20 24 28 30 31 31 31 酵母菌Ⅱ21 25 28 31 32 32 32

酵母菌Ⅰ+酵母菌Ⅱ21 26 28 32 33 33 33

296 西安工程大学学报 第24卷从表7中可以看出, 60h后蛋白质含量的变化趋于平稳.通过表6~7可以看出,酵母菌Ⅰ、酵母菌Ⅱ

以及酵母菌Ⅰ+酵母菌Ⅱ的组合均有很好的共性,这是由于这2种酵母菌均来源于牛胃,有很好的共生 性.

4 结 论

(1) 降解玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素的菌种为木质素降解菌为白腐真菌,纤维素和半纤

维素降解菌为黑曲霉和绿色木霉.从动物消化系统中分离出的菌种酶系全,共生性好,对秸秆纤维有较强 的分解作用.

(2) 白腐真菌+黑曲霉+绿色木霉组合的发酵结果优于单菌种发酵.糖化、发酵分步骤进行时的发

酵产物蛋白质含量更高.

(3) 玉米秸秆混合菌发酵中温度对发酵效果影响显著, 35℃为最佳发酵温度, 60h为最有效发酵时 间.

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(School ofEnvironmental& ChemicalEngineering, Xi′an PolytechnicUniversity, Xi′an 710048,China)

Abstract:Different strainswere bred for saccharification and ferment in linewith the components ofcorn straw.

The corn strawwere saccharified and fermented byWhite-RotFung,i AspergillusNiger and TrichodermaViride,

respectively.The optimum ferment temperature and time is35℃and 60h, respectively. The results show that the

ferment effectofWhite-RotFungi+Aspergillusniger+Trichoderma viride isbetter than thatofsingle bacterium.

Key words:corn straw; strain breeding; saccharification; ferment

编辑、校对:田 莉

297第3期 玉米秸秆的生物降解效果研究

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i68t.html