CN113249411A - 一种不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物发酵工程技术领域，公开一种不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，步骤如下：在碎秸秆中添加质量浓度3％以上的有机酸，控制pH在4以上并调节秸秆含水量为65％‑85％(重量)，接种白囊耙齿菌，20‑37℃下好氧发酵28‑56天，发酵过程中维持发酵体系的水分在65％‑85％；有机酸为甲酸和/或乙酸。本发明操作简单、成本低、木质素降解效率高，可有效提高秸秆的营养价值，是秸秆饲料化、能源化过程中有效降解木质素的一种生物处理方法，符合规模化生产的要求。

Description

一种不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法
技术领域
本发明涉及一种不灭菌条件下微生物发酵降解秸秆中木质素的技术工艺，属于微生物发酵工程领域。
背景技术
秸秆是指农作物收获后，残留的不能食用的根、茎、叶等废弃物，主要包括粮食、油料、棉花、麻类、糖类、烟叶、蔬菜瓜果类、药材等农作物的茎、叶、枝、梢、秆、壳、芯、藤蔓、秧、穗及残渣等剩余物。由于秸秆中蕴藏着丰富的能量，因此被视为重要的可再生资源，在饲料、能源和酶制剂生产领域有广阔的应用前景。
作物在自然成熟的过程中，叶片等组织细胞中的脂肪、淀粉、蛋白等物质会被转移到果实或种子中，茎秆被高度木质化，较高的木质素含量限制了微生物对秸秆中纤维素和半纤维素的利用，因此高效降解秸秆中木质素的方法成为秸秆资源化利用的关键。
白囊耙齿菌(学名为Irpex lacteus)是腐生在树木或木材上，引起木质白色腐烂的一种丝状真菌。作为一种有效降解秸秆中木质素、提高秸秆营养价值和能源价值的微生物，该菌降解秸秆的有效性已被证实。然而，由于在自然发酵过程中，该菌生长和降解不可避免受其它微生物生长的影响，因此导致白囊耙齿菌生长缓慢，木质素降解能力差。因此，关于白囊耙齿菌降解木质素的研究主要在高温灭菌的条件下进行。高温灭菌不仅会改变秸秆的结构，还需要较高的设备和能源投入，因此限制了该技术的推广和应用。
目前，不灭菌条件下接种白囊耙齿菌的方法有三种：一是CaO处理后用水洗，然后接种白囊耙齿菌；二是加大接种量，提高白囊耙齿菌对其它菌的竞争优势；三是将秸秆青贮后接种白囊耙齿菌进行发酵。然而，上述方法均存在一定的局限性，第一种方法不仅会造成水资源的巨大浪费，而且，大量污水又会进一步造成环境污染；第二种方法需要50％以上的接种量，生产效率低下；第三种方法需要在接种白囊耙齿菌前需要严格的厌氧环境对秸秆进行青贮发酵。因此，急需一种操作简单、成本低廉方法，为白囊耙齿菌的生长创造优势，进而实现不灭菌条件下白囊耙齿菌进行发酵秸秆的工艺。
发明内容
为了克服上述现有技术中问题，本发明提出一种不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，是一种简单、经济、高效的降解秸秆中木质素的白囊耙齿菌发酵工艺，可破解木质素对纤维素和半纤维的阻碍作用，提高秸秆在饲料、能源领域的应用价值。
为了实现本发明目的，所采用的技术方案为：步骤如下：将秸秆切碎，添加质量浓度在3％以上的有机酸，控制pH在4以上并调节秸秆含水量为65％-85％(重量)，接种白囊耙齿菌，在20-37℃条件下好氧发酵28-56天，即可得到木质素被有效降解的秸秆，发酵过程中维持发酵体系的水分在65％-85％。
所用水可以为不灭菌的干净自来水或地下水，发酵场所可以为培养箱或自然条件下。
所述有机酸为甲酸和/或乙酸。
本发明以甲酸和/或乙酸结合白囊耙齿菌，并将pH控制在白囊耙齿菌耐受范围内，抑制或杀灭秸秆中的有害微生物为白囊耙齿菌生长创造优势条件，使之快速成为优势菌群，进而有效降解秸秆中的木质素。
作为优选，所述有机酸的质量浓度为3％-5％。
作为优选，pH控制在3.5-5.0。
作为优选，所述秸秆为无霉变的农作物秸秆。
作为优选，所述秸秆为无霉变的小麦秸秆或玉米秸秆。
作为优选，所述秸秆切碎长度为2-3cm，调节秸秆含水量为70％-80％。
优选的，所述好氧发酵在聚乙烯保鲜袋中进行，可以为市售保鲜袋，在保持水分的同时，保证了透气性。所述固体发酵罐不需要强制通入灭菌空气。
和/或，所述白囊耙齿菌的接种量为秸秆和水总质量的1％-10％；
和/或，所述白囊耙齿菌的接种条件为在不灭菌条件下人工或机器接种，接种后需要充分混匀。
优选的，所述种子培养基为以谷物为底物制成的培养基，制作过程中添加培养基质量含量为1％-5％的硫酸钙和1％-10％的粉碎秸秆，水分含量调节到培养基质量的50％-80％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明首次提出在酸性条件下，抑制有害微生物生长，为白囊耙齿菌生长创造优势环境，进而实现不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆并有效降解木质素的工艺(秸秆中木质素可被降解60％以上)。
2)整个过程除菌种制作环节需要无菌操作外，其他均无需高温灭菌、无化学试剂的添加、无需水洗，整个过程绿色无污染，且简单易行，流程少，降低了对操作人员、发酵设备的要求，可显著降低发酵成本。
3)本工艺对接种量的要求显著降低，不仅可以降低接种过程的劳动强度，还能够提高对发酵空间的利用率，进而显著提高生产效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
1)取100g小麦粒，加入88mL蒸馏水，室温浸泡24小时后，加入3g粉碎的小麦秸秆和2.5g硫酸钙，混匀后，置于高压蒸汽灭菌锅中，121℃条件下灭菌20min。灭菌结束后，冷却至室温，在超净工作台中分别接种10粒直径为5mm的白囊耙齿菌、黄孢原毛平革菌和糙皮侧耳，三种不同的白腐菌，并分别于28℃条件下培养，待菌丝长满后，置于4℃冰箱中保存，备用。
2)向切碎的小麦秸秆(收获籽粒后自然风干且无霉变)中加入蒸馏水及质量浓度为3％的乙酸，调节pH至4.0，并用蒸馏水将小麦秸秆的水分含量调节至75％(重量)，充分混匀后，按照4％(秸秆和水总质量的4％，下同)的接种量，分别接种步骤1)制备的白囊耙齿菌、黄孢原毛平革菌和糙皮侧耳菌种，28℃条件下好氧发酵56天，发酵期间每隔5-7天补充水分(控制水分含量在75％)。然后将发酵前后的秸秆干燥、粉碎，测定秸秆中木质素的质量百分含量，通过体外瘤胃产气法和纤维素酶水解法测定发酵前后秸秆的体外产气量和酶解得糖率。试验结果如表1所示：
表1不同菌种发酵小麦秸秆化学组成和营养价值变化
Figure BDA0003094292040000041
注：DM干物质；同行不同小写字母(a-c)代表显著差异(P<0.05)。
白囊耙齿菌、黄孢原毛平革菌和糙皮侧耳三种不同类型白腐菌发酵小麦秸秆的化学组成和营养价值变化如表1所示。其中，只有白囊耙齿菌能够在该小麦秸秆中稳定生长并降解其中的木质素，与原料相比，白囊耙齿菌处理小麦秸秆木质素含量下降35％，体外产气量和酶解得糖率分别上升21％和40％，综合上述结果发现，该工艺可有效降解秸秆中木质素，提高秸秆在饲料和能源领域的应用价值。
实施例2
1)按照实施例1所述方法制作小麦粒种子培养基，置于高压蒸汽灭菌锅中，121℃条件下灭菌20min后，冷却，在超净工作台中接种在PDA平板上活化的白囊耙齿菌，于28℃条件下培养，待菌丝长满后，置于4℃冰箱中保存，备用。
2)向切碎的小麦秸秆中添加蒸馏水及质量浓度为3％的乙酸，调节pH至4.0、4.5、5.0、5.5，并用蒸馏水将小麦秸秆的水分含量调节至75％(重量)，充分混匀后，按照4％的接种量，接种本实施例步骤1)制备的白囊耙齿菌菌种，28℃条件下好氧发酵56天，发酵期间每隔5-7天补充水分，控制水分含量在75％。发酵结束后将秸秆干燥、粉碎，测定秸秆中木质素的质量百分含量，通过体外瘤胃产气法和纤维素酶水解法测定秸秆的体外产气量和酶解得糖率。试验结果如表2所示：
表2不同pH条件下白囊耙齿菌发酵小麦秸秆化学组成和营养价值变化
Figure BDA0003094292040000051
注：DM干物质；同行不同小写字母(a-d)代表显著差异(P<0.05)
不同pH条件下白囊耙齿菌发酵小麦秸秆化学组成和营养价值变化如表2所示。除pH＝5.5处理组外，其它三组的木质素均得到显著降解(P<0.05)，体外产气量和酶解得到显著提升(P<0.05)。综合不同pH处理组结果发现，pH＝4.5处理组效果最好，木质素含量下降41％，体外产气量和酶解得糖率上升27％和47％。
实施例3
1)按照实施例1所述方法制作小麦粒种子培养基，置于高压蒸汽灭菌锅中，121℃条件下灭菌20min后，冷却，在超净工作台中接种在PDA平板上活化的白囊耙齿菌，于28℃条件下培养，待菌丝长满后，置于4℃冰箱中保存，备用。
2)向切碎玉米秸秆中添加蒸馏水及质量浓度为2％的甲酸和乙酸混合物，调节pH至4.5，用蒸馏水将玉米秸秆的水分含量调节至75％(重量)，充分混匀后，按照4％的接种量，接种步骤1)制备的白囊耙齿菌菌种，28℃条件下好氧发酵56天，定期补充水分，控制水分含量在75％。发酵结束后将秸秆原料和发酵后的秸秆干燥、粉碎，测定秸秆原料和发酵后的秸秆中的木质素含量，通过体外瘤胃产气法和纤维素酶水解法测定秸秆原料和发酵后的秸秆的体外产气量和酶解得糖率。试验结果如表3所示：
表3白囊耙齿菌处理前后玉米秸秆化学组成和营养价值变化
Figure BDA0003094292040000061
注：DM干物质；同行不同小写字母(a-b)代表显著差异(P<0.05)
白囊耙齿菌处理前后玉米秸秆化学组成和营养价值变化如表3所示。经该工艺处理后玉米秸秆木质素含量下降20％，体外产气量和酶解得糖率分别上升11％和32％，玉米秸秆的营养价值得到显著提升。
此外，经试验验证，有机酸必须选自甲酸和/或乙酸，其他有机酸，如乳酸经试验效果并不理想。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：步骤如下：将秸秆切碎，添加质量浓度在3％以上的有机酸，控制pH在4以上并调节秸秆含水量为65％-85％(重量)，接种白囊耙齿菌，在20-37℃条件下好氧发酵28-56天，发酵过程中维持发酵体系的水分在65％-85％(重量)；
所述有机酸为甲酸和/或乙酸。
2.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述有机酸的质量浓度为3％-5％。
3.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述pH控制在3.5-5.0。
4.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述秸秆为无霉变的农作物秸秆。
5.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述秸秆为无霉变的小麦秸秆或玉米秸秆。
6.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述秸秆切碎长度为2-3cm，调节秸秆含水量为70％-80％。
7.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述好氧发酵在聚乙烯保鲜袋中进行；
和/或，所述白囊耙齿菌的接种量为秸秆和水总质量的1％-10％；
和/或，所述白囊耙齿菌的接种条件为在不灭菌条件下人工或机器接种，接种后需要充分混匀。
8.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述白囊耙齿菌的接种量为秸秆和水总质量的1％-4％。
9.根据权利要求1所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述白囊耙齿菌通过如下方式培养：利用马铃薯葡萄糖琼脂培养基将白囊耙齿菌活化后，接种到灭菌后的种子培养基上，置于28℃霉菌培养箱中培养5-7天，取出置于4℃冰箱中备用。
10.根据权利要求9所述的不灭菌条件下白囊耙齿菌发酵秸秆的方法，其特征在于：所述种子培养基为以谷物为底物制成的培养基，制作过程中添加培养基质量含量为1％-5％的硫酸钙和1％-10％的粉碎秸秆，水分含量调节到培养基质量的50％-80％。
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