秸秆栽培香菇技术中多聚物降解酶协调作用研究分析

刘 晨，潘长明

（1.苏州晨光生物科技有限公司，江苏 苏州 215000；2.杨凌明光食用菌栽培专业合作社，陕西 杨凌 712100）

香菇（Lentinus edodes）是一种著名的食、药兼用的木腐真菌，美味可口的同时具有抗病毒、降低血脂及提高人体免疫力的作用。香菇通过分解木材来维持生存，主要原理是将木质素、纤维素和半纤维素等大分子降解为可以直接利用的小分子并将其作为主要的碳源[1］。早期人工栽培香菇主要是段木栽培，经过不断的发展，目前主要采用木屑进行栽培。但由于该栽培方法对林木资源的浪费较大，需求量的增加将直接导致栽培规模的不断扩大，林木资源的消耗也将随之增加[2］，因此，寻找新型培养基质成为了香菇栽培领域研究的热门课题。本研究以农作物秸秆作为香菇栽培的原料，对香菇转化过程中降解酶的作用进行了研究。

秸秆是农作物收获后的废副产物，这部分剩余物含有农作物光合作用50%以上的产物，且富含香菇生长所需的营养元素及有机质[3］。因其来源广泛，成本低廉，必将成为一种值得研究推广的香菇栽培原料。

香菇不含叶绿素，无法进行光合作用，属于化能异养型微生物，其营养来源主要依靠分解吸收生长基质内的营养[4-5］，香菇转化利用秸秆的原理见图1:

图1 香菇转化利用秸秆的原理图Fig.1 Principle of Lentinus edodes transformation and utilization of straw

香菇菌丝细胞通过不同的降解酶类最终将秸秆降解为小分子物质供自身生长需要[6］。国内外已经进行了大量的研究，研究发现，当秸秆的配料合适时，其生物学效率与传统段木或木屑培养时没有明显的差异[7］，即证明用农作物秸秆栽培香菇的技术具有可行性。

本文主要从多聚物降解酶的种类入手，分析其特征，研究其降解机理。通过分析秸秆的结构及不同降解过程种参与的酶类，为实现利用秸秆栽培香菇提供了理论指导。

1 香菇转化利用秸秆过程中的多聚物降解酶类

在香菇的生长过程中，不同时期都会有不同的降解酶单独或协同作用，为香菇生长提供必需的营养物质。

1.1 木质素降解酶

秸秆具有复杂多样的结构，主要成分由木质素、纤维素及半纤维素等高聚物组成。植物细胞壁的骨架主要是纤维素构成的，在骨架的外侧，缠绕的主要有木质素和果胶，它们一起形成了致密的结构，从而把真菌与纤维素分子隔离开来，阻止了它们的接触，从而阻止了纤维素被降解[8］。常见的几类农作物秸秆中木质素的含量如表1所示。

表1 秸秆中木质素的含量Tab.1 Lignin content in straw

木质素是地球上第2位最丰富的有机质，因其化学结构复杂，抗降解能力较强，从而降低了秸秆的营养价值和利用率。真菌为了吸收秸秆中的营养，就必须先降解木质素，通常真菌会分泌胞外酶来降解木质素，木质素降解酶主要有3类:前2类是上世纪八十年代初被发现的木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶，第3类是由日本学者发现的漆酶。经过后续不断的研究，还发现了为这些酶提供过氧化氢的辅助酶等。这些酶通过单独作用相互协同，将大分子的木质素降解为小分子的可被直接利用的糖类[9-12］。

在木质纤维被降解的过程中，降解的过程有明显的顺序特征。首先降解木质素，接着降解纤维素，这与植物细胞壁的构成有关。研究表明，木质素降解酶的活性与木质素降解的趋势正相关。大部分研究表明，食用菌分泌木质素降解酶，主要集中在营养生长阶段，即原基形成前期。木质素降解酶不仅在降解木质素时发挥作用，近年来的研究表明，它们还在子实体发育中起到关键作用，可以使得子实体的成熟时间提前[13］。木质素降解酶将秸秆中的木质素降解为小分子营养物质供香菇利用，为香菇的生长发育提供了物质基础。

1.2 纤维素酶

纤维素酶是能够将纤维素水解生成葡萄糖的一类酶的总称，其作用位点在纤维素中葡萄糖单元之间的β-1,4-糖苷键。按照不同的作用机理，纤维素酶主要分为3类:第1类是内切葡聚糖酶，第2类是外切葡聚糖酶，第3类是β-葡萄糖苷酶[14-15］。

内切葡聚糖酶是一类将木质纤维水解为无定形纤维素的酶类。这类酶主要在纤维素分子链的非结晶区起作用，通过将β-1,4-糖苷键随机水解，把长链分子被打断产生大量的短链分子，从而极大程度地降低了聚合度。

外切葡聚糖酶是一类将木质纤维水解为结晶度较高的纤维素酶类。这类酶主要在纤维素分子链的还原端或非还原端起作用，依次水解β-1,4-糖苷键，水解过程中每次切下一个纤维二糖，从而降低了纤维素的聚合度。

β-葡萄糖苷酶是一类将木质纤维水解为纤维寡糖和纤维二糖的酶类。这类酶主要从纤维二糖及短链纤维寡糖的非还原端开始水解，通过其作用使长链的木质纤维降解产生葡萄糖。

香菇菌丝在生长过程中通过纤维素降解酶降解秸秆中的纤维素，大分子物质被降解为小分子的葡萄糖，为其自身生长发育提供了所需的营养物质。

1.3 半纤维素酶

半纤维素降解酶是一类极其丰富多样的酶系。由于其在单糖组成上具有多样性和结构高度分支化，故半纤维素降解酶系无论是种类还是数量上，都远远大于纤维素酶。根据半纤维素酶在降解木质纤维过程中作用位点的不同，可将其分为主链降解酶和侧链降解酶[16-17］。

研究表明，半纤维素酶的活性高峰期主要出现在香菇生长转色期[18］。在这个阶段，由于半纤维素酶系的存在，促使了香菇菌丝生长发育并进入生理成熟期，表面白色的菌丝逐渐转变为棕褐色，在香菇的整个生长过程中，这个步骤是十分必要的[19］，因而在这个阶段作用的酶类也具有非常重要的作用。随着香菇的进一步生长，半纤维素酶系的活性逐渐开始减弱。

1.4 果胶降解酶

果胶是一种具有异质性结构的复杂物质，其完全被降解需要多种具酶的协同作用才能完成。研究表明降解果胶骨架需要两类酶，一类是糖苷水解酶，另一类是多糖裂解酶。其中糖苷水解酶作用于半乳糖醇酸单元之间的β-1,4-糖苷键或残基之间的α-l,2-糖苷键；多糖裂解酶则通过β消除机理降解果胶骨架，包括果胶裂解酶、果胶酸裂解酶和鼠李糖裂解酶[20-21］。

在香菇的生长阶段，果胶酶的活性与香菇的生长速度成正相关，从而加速了培养基的降解，来满足香菇生长过程中对营养的需求。

1.5 脂肪酶

脂肪酶的作用主要是催化三酰甘油的酯键水解，从而释放小分子的甘油酯、甘油和脂肪酸。脂肪酶的含量在细菌、真菌及酵母中较丰富[22］。在香菇的基因组中，存在着编码脂肪酶的基因，同样这种酶在香菇生长发育过程中也是必不可少的。

2 降解酶的协同作用研究

秸秆中木质纤维具有极其复杂的结构，其完全的降解需要多种酶的协同。酶类间的协同作用，即是多种酶共同作用，其结果远大于单一酶类单独作用的总和。自然界中木质纤维素的降解基本都存在着协同作用。通过研究不同酶系之间的协同作用，可提高单糖产率，降低纤维素酶解成本，使得香菇转化利用秸秆具有较好的生物学效率[23］。

2.1 纤维素酶的协同作用

在自然界中，由于3种纤维素水解酶的共同作用，才使纤维素能够完全降解。其中内切葡聚糖酶主要作用于纤维素大分子链的非结晶区域，通过随机切割β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短。截短后的纤维素分子链产生大量的反应末端，供外切纤维素酶进一步作用。外切葡聚糖酶在这些纤维素链的自由末端起作用，并通过进一步水解释放出纤维二糖。同时，外切葡聚糖酶通过水解，将纤维素结晶区域的结构打散使其变得松散，反过来有利于内切葡聚糖酶的作用，即这两种酶在作用过程中是协同作用的。β-葡萄糖苷酶可将外切酶水解产生的纤维二糖进一步水解，从而解除纤维二糖对内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的抑制作用，使得这2种酶能更加有效地作用[24］。这3种酶的相互协作，最终将秸秆中复杂的纤维素降解成葡萄糖，最终形成香菇生长过程中的营养物质。

2.2 半纤维素酶的协同作用

半纤维素组成结构复杂，故完全降解必将需要多种半纤维素酶类的相互协同。例如在木聚糖的降解中，内切木聚糖酶随机切割木聚糖主链骨架上的β-1,4-糖苷键，产生木寡糖和少量木糖，从而大大降低了木聚糖的聚合度。这些低聚合度的木聚糖对于木聚糖酶的催化作用具有末端产物抑制效应，而β-木糖苷酶能够将其水解生成木糖，使得木聚糖酶的抑制效应解除，从而实现木聚糖的降解效率显著提高[25］。在降解的过程中，内切木聚糖酶与β-木糖苷酶相互协同从而提高了催化效率，最终加速了木聚糖的降解进程，为香菇生长提供必须的营养物质。

2.3 纤维素酶系和其他酶系的协同作用

表面上看，纤维素水解为葡萄糖只需将β-1,4-糖苷键水解，但在天然木质纤维中，纤维素和其他组分交错盘结，由于化学组成和分子结构非常复杂，从而增加了维素酶水解木质纤维的难度。因此，纤维素组分想要水解彻底，除了需要纤维素水解酶之间的协同作用，还需要半纤维素酶、果胶酶和木质素降解酶等[26］。水解酶之间的协同，进一步保障了香菇生长过程中营养物质的供给。

3 总结

在香菇的生长过程中，不同的降解酶都作用于不同的生长时期，它们或单独作用或协同作用，通过降解秸秆将其转化为香菇可以直接吸收利用的小分子营养物质。香菇菌丝在分解秸秆的时候，通常会先降解木质素，然后再降解纤维素。研究发现，木质素降解酶其中的漆酶活性与木质素降解变化趋势是一致的，酶活高峰期和木质素降解高峰期也呈正相关；纤维素酶的作用位点在于葡萄糖单元之间的β-1,4-糖苷键；半纤维素酶活性高峰期出现在香菇生长转色期；果胶的降解酶主要有糖苷水解酶和多糖裂解酶；脂肪酶通过催化使得酯键水解，释放含更少酯键的小分子物质。同时，自然界高效的木质纤维素降解系统中都存在着协同作用。这种作用可以发生在不同酶分子之间，也可以发生在酶分子复合体的不同酶组分之间，还可以发生在酶分子内部的不同催化结构之间。

近年来，随着香菇需求量的不断增加和栽培规模的不断扩大，有效地利用农作物秸秆作为原料栽培香菇将会成为该领域研究的热点课题。而对香菇转化利用秸秆过程中多聚物降解酶的研究，必将对以秸秆为原料大规模栽培香菇提供重要的理论指导意义。