随着全球人口的持续增长,食品需求日益攀升,促使全球农业生产迅猛发展,随之产生了大量的农副产物。据估计,全球227个国家的6种主要农作物(大麦、玉米、水稻、大豆、甘蔗和小麦)每年产生的农副产物干物质达37亿t[1]。大多数农副产物通常采用填埋方式进行处理,不仅造成严重的资源浪费,还易引发环境污染问题。与此同时,我国优质饲料资源紧张,能量与蛋白质饲料长期依赖进口。因此,实现农副产物的饲料化高效利用,缓解国内饲料资源短缺现状,已成为我国畜牧产业高质量发展亟待解决的关键问题。在众多转化技术中,微生物生物转化(又称微生物发酵)因其高效和环保的特性而备受瞩目[2]。
丝状真菌(filamentous fungi),俗称霉菌,是一类通过菌丝生长和扩展的真菌,其营养体的基本单元由菌丝组成,直径一般为2~18 μm,能够延伸并形成分支结构,多个分支的菌丝交织在一起,构成形态多样且细长的菌丝体[3]。真菌界中,子囊菌门是丝状真菌中最大的类群,除此之外,具有丝
状特征的担子菌门和毛霉门也是丝状真菌的主要类群。丝状真菌在人类社会的众多领域中展现出广泛的应用潜力:丝状真菌能够合成大部分目前已知的具有生物活性的真菌次级代谢产物,例如多孔木霉产生的免疫抑制剂环孢素A、土曲霉产生的降血脂药物洛伐他汀、产黄青霉产生的在临床广泛应用的抗菌药物青霉素等[4];在环境治理方面,绿色木霉、白腐真菌等丝状真菌可通过吸附污染物净化水质[5];在食品工业中,丝状真菌有望用于生产食用色素,如三孢布拉霉产生的β-胡萝卜素、草酸青霉产生的粉红色素和棉桃阿舒氏囊霉产生的核黄素等[6];在饲料领域,丝状真菌不仅能有效降解农副产物中的霉菌毒素和抗营养因子[7],还可产生有机酸、酶制剂和单细胞蛋白等高价值化合物[8],其在该领域的应用优势正日益凸显。通过应用丝状真菌的生物转化技术对农副产物进行深加工与饲料化处理,不仅有助于保护生态环境,还能够促进资源的循环利用,从而有效应对饲料资源短缺的挑战。
1 几类常见的农副产物
农副产物是指在农业生产或加工过程中产生的次要产物,大多含有抗营养因子和有毒有害物质,严重限制了其在畜禽饲料中的应用。根据原料的不同,农副产物一般可分为秸秆类、糟渣类和饼粕类。
1.1 秸秆类
秸秆是指农作物在收获籽实后剩余的茎秆和叶片等部分,经适当处理后可作为粗饲料饲喂反刍动物。我国秸秆产量位居全球首位,约占全球秸秆资源总量的1/5[9]。木质纤维素是秸秆的主要组成成分。木质纤维素主要由纤维素(40%~50%)、半纤维素(20%~35%)和木质素(15%~20%)组成。纤维素是以β-1,4-糖苷键连接形成的线性高分子聚合物,由超过10 000个葡萄糖单体聚合而成[10]。作为一种杂多糖,半纤维素由己糖(葡萄糖、甘露糖和半乳糖)、戊糖(木糖和阿拉伯糖)、尿酸和脱氧己糖(鼠李糖和岩藻糖)组成[11],并通过非共价键和共价键分别与纤维素和木质素连接,从而相互交织形成稳定的网络结构。木质素则是一类复杂的、非多糖类芳香族聚合物,与纤维素、半纤维素共同构成植物骨架。秸秆中还含有少量的钙、磷等矿物质,粗蛋白质(CP)含量较低,且品质欠佳,难以满足动物的全面营养需求。在可降解秸秆的微生物中,丝状真菌表现出较高的降解效率。研究发现,白腐真菌在发酵过程中能产生过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等木质素降解酶,是一类具有独立降解木质素能力的丝状真菌[12]。小麦秸秆经白腐真菌固态发酵30 d后,中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量均呈现明显下降趋势,纤维素、半纤维素和木质素均得到有效降解,CP含量、有机物消化率、短链脂肪酸产量和代谢能显著提高,同时降低了碳氮比[13]。使用4种白腐真菌对玉米秸秆进行固态发酵,结果显示,发酵后CP含量显著提高,同时NDF、ADF、半纤维素和纤维素含量均有所降低[14]。把西藏墨竹贡卡县的高地大麦秸秆(青稞)切碎至1~2 cm,用蒸馏水调节含水量至65%,并添加1%的玉米粉、1%的尿素、0.5%的石膏粉和1%的石灰粉作为发酵基质,随后利用白腐真菌进行发酵,结果显示,当添加1.53%葡萄糖和2.29%尿素时,木质素降解率(50.19%)达到最优,同时体外瘤胃干物质消化率、蛋白质消化率、总挥发性脂肪酸和乙酸浓度均有所增加[15]。丝状真菌在秸秆生物转化方面已显示出巨大潜力,其中白腐真菌凭借其对木质素的选择性降解能力,为提升秸秆饲料营养价值提供了有效途径。然而,该技术目前仍面临发酵周期较长、产品质量不稳定等问题,有待进一步优化和突破。
1.2 糟渣类
糟渣类副产物主要来源于酿造业、豆制品及果蔬加工等产业,产量巨大[16]。这类副产物营养丰富,可作为饲料原料开发利用,其不仅含有蛋白质、糖类、维生素、矿物质、膳食纤维等基础营养成分,还富含多酚、色素等生物活性物质。以玉米干酒糟及其可溶物(distillers dried grains with solubles,DDGS)为例,其CP含量可达30.30%~32.90%,粗脂肪(EE)含量为9.00%~12.50%[17]。然而,糟渣类产品通常是从新鲜湿态的原料中分离得到的,高水分增加了储存难度,原料极易腐烂变质。此外,糟渣中木质纤维素以及植酸、单宁等抗营养因子含量较高,其作为饲料原料直接使用时,不仅会降低动物采食意愿,也严重影响营养物质的消化吸收效率,从而制约了其在饲粮配方中的添加比例。干燥后进行微生物发酵、菌酶协同发酵等预处理,可以改善糟渣的理化特性,提高营养价值。研究表明,采用烟曲霉等混合菌对木薯渣淀粉残留物进行发酵处理,可使其氰化物、植酸和单宁含量分别降低45.0%、25.1%和44.4%[18];啤酒糟经平菇固态发酵后,纤维素含量降低11.42%,蛋白质含量提高49.49%[19];利用白腐真菌处理甘蔗渣后,其木质素降解率为49.3%,干物质体外消化率提升1.39倍,粗纤维(CF)含量提高1.04倍[20];茶渣经黑曲霉固态发酵14 d后,CF含量为30.74%,提高了33.19%,黄酮、多酚等生物活性物质、矿物元素以及天冬氨酸、谷氨酸等风味氨基酸含量均显著增加[21]。尽管糟渣类农副产物的生物转化前景十分广阔,但在实际应用过程中也面临不少挑战。例如,同一种糟渣类农副产物的来源和组成常常不稳定,所以需要精准把控发酵条件,才能够取得理想的转化效果。
1.3 饼粕类
大豆、油菜籽、棉籽等油料作物经过压榨或浸提工艺提取油脂后,所产生的副产物即为饼粕。饼粕富含蛋白质,并含有一定量的植物油脂残留,因此具有较高的营养价值,被视为优质蛋白质饲料原料。豆粕作为豆油提取过程中的副产物,其CP含量高达36%~56%,并含有丰富且结构相对均衡稳定的氨基酸,其中赖氨酸含量为2.5%~3.0%,色氨酸含量为0.6%~0.7%,蛋氨酸含量为0.5%~0.7%[22]。菜籽粕CP含量同样较高(34%~38%),氨基酸组成均衡,NDF含量为25%~30%[23],其蛋白质营养价值与大豆蛋白相当,且含硫氨基酸含量高于多数植物蛋白质。然而,饼粕类农副产物抗营养因子含量较高,限制了其在动物饲料中的应用。豆粕中的主要抗营养因子为胰蛋白酶抑制因子,它会抑制饲粮中蛋白质的消化吸收,还可能引起胰腺增生等问题[24]。此外,豆粕中的致敏蛋白,如β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白,会干扰幼龄动物肠道正常发育,因此限制了其在早期断奶仔猪饲粮中的使用[25]。硫代葡萄糖苷是菜籽粕中的主要抗营养因子[26],完整的硫代葡萄糖苷对动物无害,但其分解产物(硫氰酸盐、异硫氰酸盐等)会降低动物采食量,并对甲状腺及内脏器官产生不良影响,表现出明显的抗营养效应[27]。利用微生物发酵进行脱毒能够显著降低抗营养因子的含量,同时有效提升饼粕的营养价值。例如,采用填充床式固体发酵器,利用米曲霉对豆粕发酵48 h后,其必需氨基酸组成保持不变,CP含量提升了10%,多肽含量较未发酵豆粕显著降低22.1%,同时大部分胰蛋白酶抑制因子被有效去除[28]。另一研究采用黑曲霉发酵菜籽粕,结果显示,发酵后菜籽粕硫代葡萄糖苷、植酸和NDF含量分别下降了76.84%、44.60%和9.12%,其他抗营养因子的含量也大幅下降;同时,其干物质中总氨基酸含量从277.95 g/kg增加到345.54 g/kg,必需氨基酸含量从122.64 g/kg增加到157.56 g/kg[29]。
2 丝状真菌在生物转化中的代谢产物和功能
丝状真菌因其独特的代谢能力而成为研究的热点。在生物转化农副产物过程中,丝状真菌能够产生多种关键代谢产物,包括酶类、功能性多糖、酚类化合物等。
2.1 酶类
丝状真菌具有高效的酶系统,在农副产物发酵过程中能够高效合成并积累多种关键生物活性酶。内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶(外切葡聚糖酶)和β-葡萄糖苷酶是降解纤维素必不可少的3种纤维素酶。其中,内切葡聚糖酶主要作用于纤维素无定形区,随机切断β-1,4-糖苷键;纤维二糖水解酶则通过协同作用从纤维素链的还原端水解并释放纤维二糖;随后β-葡萄糖苷酶进一步将纤维二糖及其他寡糖水解为D-葡萄糖[10]。半纤维素酶能将半纤维素转化为木糖、甘露糖、阿拉伯糖等单糖及低聚糖。木聚糖作为半纤维素的重要组成部分,具有复杂的结构多样性,其分解需要多种酶协同作用,包括内切β-1,4-木聚糖酶、β-木糖苷酶和α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶等,这些酶分工协作,共同作用于大多数天然存在的木聚糖类半纤维素[30]。具体而言,内切β-1,4-木聚糖酶切断木聚糖主链中的β-1,4-糖苷键生成低聚糖;随后β-木糖苷酶作用于这些低聚糖的非还原端,释放出木糖残基[31]。嗜热真菌(如嗜热毁丝霉)已被证实是自然界中木聚糖酶的最佳产生者之一[32]。木质素的降解则主要依赖木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。木质素过氧化物酶通过其催化作用,促使木质素芳环被降解为小分子化合物[33];锰过氧化物酶以二价锰离子(Mn2+)为催化中心,经过氧化氢氧化生成三价锰离子(Mn3+),Mn3+螯合物作为氧化剂,直接作用于木质素中的酚类结构[34];漆酶作为含铜多酚氧化酶,可催化氧气介导的木质素和其他含酚化合物的氧化[35]。农副产物中还含有大量淀粉,已在微生物中(如曲霉属、根霉属和担子菌)发现2类主要的淀粉降解酶,即葡萄糖淀粉酶和α-淀粉酶[36],它们可有效分解农副产物中的淀粉,生成更简单的糖类。此外,丝状真菌在代谢过程中还会分泌蛋白酶,将蛋白质分解为小肽和氨基酸,小肽和部分氨基酸可直接被动物机体吸收[37]。脂肪酶能够分解脂肪,将其转化为脂肪酸和甘油。利用黑曲霉、烟曲霉、嗜热毁丝霉和少孢根霉固态发酵大米、芝麻油饼、花生油饼、椰子油饼及麦麸,可从中提取脂肪酶[38]。部分丝状真菌还会分泌乳糖酶、过氧化物酶、硫酸酯酶等,这些酶类进一步分解复杂有机物质,显著提升农副产物的营养价值。
2.2 功能性多糖
多糖是由多个单糖单元通过糖苷键连接而成的高分子聚合物,其组成单元数量通常超过10个。在饲料工业中,β-葡聚糖、杂多糖及半乳甘露聚糖等功能性多糖的应用逐渐受到广泛关注。在动物生产中,多糖具备抗氧化和抗炎的双重功效,能有效缓解应激反应、促进肠道黏膜发育,有助于提升猪、禽等养殖动物的整体健康水平。例如,真姬菇菌丝体发酵藜麦产生的多糖具有清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基、2,2'-联氮-二(3-乙基己胺-3-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐[2,2'-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate),ABTS]自由基的能力,表现出良好的抗氧化活性[39]。Lee等[40]研究发现,饲粮中添加0.1%、0.2%或0.4%的樟芝粉(富含多糖类物质),可降低肉鸡肠道中大肠菌群数量,增加乳酸菌数量,还能增强血清抗氧化能力。此外,鲍姆纤孔菌菌丝多糖可通过抑制巨噬细胞炎症因子分泌而发挥抗炎作用[41]。β-葡聚糖是一种天然存在的多糖,可通过刺激巨噬细胞和中性粒细胞等免疫活性细胞,诱导多种细胞因子的分泌,抑制肿瘤细胞的增殖和转移。Eliopoulos等[19]研究发现,啤酒糟经平菇发酵后,其β-葡聚糖含量增加了10倍。真菌多糖作为功能性饲料添加剂具有广阔的应用前景,其免疫调节、抗氧化、抗肿瘤等生物活性已被大量研究证实,但具体的作用机制仍需要深入研究。
2.3 酚类化合物
酚类化合物常以不溶性结合态存在,与细胞壁的结构成分如果胶、纤维素等通过共价键、酯键、醚苷键等化学键结合,难以被释放,限制了动物对其进行吸收利用。在微生物发酵过程中,产生的水解酶类(如酯酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶等)能够破坏植物细胞壁的结构,从而有效地释放酚类物质[42]。以米糠为例,经曲霉固态发酵后,其总酚含量显著高于未发酵的天然米糠提取物。这是由于真菌发酵过程中分泌的纤维素酶和半纤维素酶能够分解植物细胞壁中的纤维素和半纤维素,促使米糠释放出游离的酚类化合物[43]。麦麸中含有阿魏酸等多种酚酸,它们大多以结合态存在于植物细胞壁中。利用黑曲霉对麦麸进行固态发酵,能够有效释放出具有抗炎与抗氧化活性的阿魏酸[44]。此外,丝状真菌的次生代谢产物可能产生新的酚类化合物,如绿原酸、香草酸和阿魏酸等。酚类化合物展现出多样的生理活性,包括抗过敏、抗炎、抗氧化以及心脏保护作用[45]。研究表明,饲料中总酚含量的提升对反刍动物的健康与生产性能具有积极作用。例如,鞣花酸和没食子酸能够促进瘤胃发酵、减少甲烷排放并降低氨生成,从而提高营养物质利用效率和动物生长性能[46]。茶多酚类化合物则可通过调节瘤胃微生物群落,抑制产甲烷菌活性,有助于推动畜牧业的可持续发展[47]。虽然通过丝状真菌发酵能够显著提升农副产物中酚类化合物的含量,但这些酚类化合物在动物体内的吸收、分布、代谢和排泄特性尚不明确。此外,酚类化合物易于被氧化,可能在饲料加工和储存过程中发生降解。
2.4 其他代谢产物
3 丝状真菌生物转化农副产物在动物生产中的应用
3.1 在家禽生产中的应用
丝状真菌发酵料对家禽生产的影响主要体现在改善生长性能和肠道健康等方面。研究表明,使用米曲霉、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌混菌发酵豆粕饲喂肉鸡,能够显著降低肉鸡肠道中沙门氏菌数量,并促进乳酸菌数量的增加[52]。使用经黑曲霉、米曲霉和枯草芽孢杆菌发酵7 d的棉籽饼粕替代常规棉籽粕饲喂肉鸡,结果显示,肉鸡生长性能显著提升,腹脂产量降低,嗦囊中乳酸菌数量增加,回肠中大肠菌群数量显著减少,十二指肠和空肠的绒毛高度也显著增加[53]。Lai等[54]给肉鸡饲喂了0.5%杏鲍菇与大豆皮共发酵的饲粮,发现肉鸡肠道绒毛高度增加,肠道黏膜表面积增大,使营养物质的吸收达到最大化,并且盲肠乳酸菌数量及乳酸菌与产气荚膜梭菌的比值显著高于对照组。此外,在蛋鸡饲粮中适量添加发酵农副产品亦可改善生产性能与蛋品质。例如,在蛋鸡饲粮中添加0.8%黑曲霉发酵沙棘籽渣后,产蛋率提高6.68%,平均蛋重提升4.11%,盲肠中大肠杆菌和沙门氏菌数量分别下降6.23%和11.04%[55]。
3.2 在生猪生产中的应用
丝状真菌发酵饲料在猪生产中的应用日益广泛,对提升生猪生长性能、免疫功能和繁殖性能均表现出显著的积极效应。研究表明,发酵菜籽粕在促进猪只生长和提高饲料利用效率方面效果与玉米-豆粕饲粮相当,且可使猪血清中天冬氨酸转氨酶活性降低,提示发酵处理可能降低了菜籽粕中有害物质对机体器官的潜在不良影响[56]。发酵饲料还能提高仔猪和母猪的免疫功能。Luo等[57]研究发现,将黑曲霉、绿色木霉、粗糙脉孢菌和热带假丝酵母混合固态发酵的麦麸以8%比例添加到断奶仔猪饲粮中,可使仔猪空肠绒毛高度与隐窝深度比值显著升高,空肠隐窝深度显著降低,杯状细胞数量显著增加,且在20~25日龄、30~35日龄等阶段的腹泻率显著低于对照组。另有研究显示,在饲粮中添加经黑曲霉和枯草芽孢杆菌联合发酵处理的豆粕,可改善受大肠杆菌K88攻毒断奶仔猪的生长性能,增强粪便黏稠度并减轻腹泻症状,该效应主要归因于发酵豆粕对盲肠微生物群落结构的调节作用以及对炎症细胞因子表达的下调[58]。此外,在妊娠母猪饲粮中添加5%的黑曲霉、植物乳杆菌和异常威克汉姆酵母发酵的混合饲料(麸皮、豆粕等),可使母猪产后21 d血清白细胞介素-1β含量降低24.47%,血清总胆固醇含量降低37.38%,同时母猪的生产性能、初乳品质等都有不同程度的改善[59]。
3.3 在反刍动物生产中的应用
部分农副产物虽可直接作为反刍动物的粗饲料,但存在适口性差、营养价值低、易发霉变质等弊端。在反刍动物的饲粮中适当添加丝状真菌生物转化的农副产物能显著提高饲料营养水平,且特定丝状真菌产生的某些代谢产物能抑制消化道有害菌生长,从而降低疾病发生率。在全株玉米青贮中分别添加0、10和30 mg/kg侧耳科侧耳属真菌平菇进行60 d固态发酵,随后以此饲喂泌乳山羊,结果发现羊奶中多酚含量随底物含量的增加呈线性上升[60]。有研究指出,用黑曲霉、米曲霉等多种有益菌混合发酵的酒糟替代17%精料,能显著提升藏绵羊的平均日增重(ADG),降低料重比(F/G),提高饲粮营养物质表观消化率[61]。类似地,将米曲霉、黑曲霉与酿酒酵母混合发酵的白酒糟以50 g/d添加于断奶羔羊基础饲粮中,可使羔羊ADG达110.32 g/d,较对照组提高16.3%;F/G降至7.56,降低14.2%,同时有利于提高其对EE和CF的表观消化率[62]。此外,用米曲霉发酵豆粕替代5%普通豆粕饲喂犊牛,能显著降低腹泻发生率和严重程度,并且促进针对不同病原体的免疫球蛋白生成,增强机体体液免疫能力[63]。
4 小结与展望
农副产物经丝状真菌生物转化后,营养价值与适口性均得到提升,在动物生产中表现出促进生长、调节肠道菌群及增强免疫力等多重积极效应。但该技术在实际生产应用中仍存在诸多局限性:其一,菌株安全性是需要考量的重要问题,微生物的复杂性易导致发酵过程中产生霉菌毒素等有毒代谢产物,进而对畜禽生长造成不利影响;其二,不同农副产物与菌种的互作机制,以及不同菌种间的组合效应相关研究尚不深入。依据我国农业农村部颁布的《饲料添加剂品种目录》,目前仅黑曲霉和米曲霉2种丝状真菌被允许应用于饲料及饲料添加剂生产,大量具有潜在应用优势的菌种尚未得到充分开发与利用。近年来,适配高温发酵工艺的嗜热毁丝霉、常用于食品生产的白地霉以及药用真菌白囊耙齿菌等具备潜在价值的丝状真菌,逐渐被应用于农副产物的生物转化。未来研究应重点加强丝状真菌菌种资源库建设与安全评价体系构建,推动更多高效、安全的菌株完成审批并实现产业化应用;同时充分利用微生物育种技术,筛选出环境耐受能力强、目标产物表达量高的优良特性菌株。发酵工艺层面,菌酶协同发酵的转化效率显著优于纯菌发酵或单一酶解处理,通过优化发酵温度、pH、氧气浓度等条件,可进一步提升菌酶联合发酵的应用效果。随着生物技术的不断发展,菌酶联合发酵在丝状真菌生物转化农副产物领域的应用将更为广泛,有望为实现农业可持续发展、推动农副产物资源高效利用提供有力技术支撑。