食用菌菌糠作为反刍动物饲料的研究进展

袁国宏,张立东,段平平,许贵善,2*

(1. 塔里木大学 动物科学与技术学院,新疆 阿拉尔 843300;2. 塔里木畜牧科技兵团重点实验室,新疆 阿拉尔 843300)

目前,食用菌产业已成为乡村振兴战略的重要产业之一[1]。据统计,2020年,中国28个省(市、自治区)共生产食用菌4.06×107t(鲜重),比2019年增加3.2%[2]。食用菌收菇后,剩余的废弃培养基叫做菌糠(spent mushroom substrate,SMS),也叫菌棒或菌渣。每生产1 kg食用菌约产生5 kg菌糠[3],推算2020年中国菌糠产量约为2.03×108t。因生产地域、工艺及食用菌种类不同,菌糠的组分也不尽相同。常见菌糠组分一部分为真菌发酵过的稻草、木屑、玉米芯、秸秆、棉籽壳、甘蔗渣、酒糟、玉米粉、麸皮等培养基原料,另一部分为食用菌生长过程中残留在培养基中的菌丝体。

目前,菌糠的处理方式及用途有焚烧[4]、堆肥还田[5]、开发生物质燃料[6]、用作动物饲料[7]、作为动物垫料[8]、提取生物功能性活性物质[9]、制作复合材料[10]和制作绿色吸附剂[11]等。中国菌糠产量极高但利用率很低,大部分菌糠被焚烧,造成严重环境污染的同时也浪费了资源。菌糠不能被合理处理利用也阻碍了食用菌产业的健康发展。食用菌基地遍布全国各地且生产不受季节影响,加之菌糠具有较高的饲用价值,可缓解中国粗饲料资源分布的不均衡性,因此菌糠资源的开发迫在眉睫,任重道远。本文就菌糠作为反刍动物饲料研究进展进行阐述,以期对菌糠饲料的进一步开发和利用提供参考。

1 菌糠的营养价值

蘑菇对培养基原料的降解效率为50%～80%,培养基中仍有一部分物质具有营养价值[12]。蘑菇在生长过程中,其氮源是培养基中的蛋白质,碳源和能量源主要由培养基中的木质素提供[13]。Zhu等[14]指出:菌糠较培养基原料蛋白质和脂肪提高2倍以上,木质素下降30%,纤维素下降50%,棉酚下降60%。培养基经食用菌发酵后,蛋白质含量增加,主要原因是食用菌将培养基中的碳水化合物水解并将其作为碳源合成食用菌蛋白质,食用菌的一部分(如菌丝)留在菌糠中,导致菌糠蛋白质升高[15],或者可能是由于发酵过程中菌丝酶分泌到了底物中[16]。Bae等[17]研究认为,菌糠的化学成分主要跟食用菌培养基原料有关,而非食用菌种类,如以棉籽壳为主要成分菌糠的干物质(dry matter,DM)和中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)消化率远高于以木屑为主要成分的菌糠。Kim等[18]认为,在用作动物饲料时,应根据培养基原料分类,而不是用蘑菇种类。但李天宇等[19]将培养基原料完全相同的平菇、滑子菇、猴头菇菌糠的营养成分进行比较,却发现各组间干物质、粗蛋白质等营养物质存在显著差异。XU等[20]认为菌糠营养价值跟培养基原料和蘑菇种类有关。也有研究表明,菌糠的营养成分还与收菇次数有关[21]。

食用菌培养基原料中含有较高的木质素,营养价值偏低[22]。食用菌作为分解者[23],在栽培过程中,可以产生降解木质素的木质素过氧化物酶、漆酶和锰过氧化物酶[24]。Rajavat等[25]通过测定平菇菌糠和平菇培养基原料两者的营养成分,发现菌糠与培养基原料相比木质素和半纤维素分别减少了26.8%和50%,对菌糠和培养基原料的X射线衍射图谱进行对比,发现菌糠的显色指数低于培养基原料,主要原因是细胞外有木质素水解酶的分布,对上述2种物质做傅里叶变换红外光谱对比,发现菌糠中木质素化合物的透射比较培养基原料显著降低,说明木质素分子的官能团被破坏,直接揭示了木质素被降解的原因。Mhlongo等[26]研究表明,将葡萄渣接种平菇培养28 d,葡萄渣中NDF、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)显著降低,菌糠较培养基原料的纤维素降低,主要原因是菌糠中有纤维素酶。Rajavat等[25]的研究可以佐证这一观点:将弗洛里达平菇菌糠用碱处理后提取到内切葡聚糖酶(267.1～561.1 U/g)、外切葡聚糖酶(60.4～120.7 U/g)、纤维素二糖酶(403.7～543.0 U/g)、木聚糖酶(122.9～1,266.3 U/g)。食用菌原培养基在食用菌发酵过程中会产生不同种类的微生物,如平菇菌糠中存在好气性细菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌等[27],但只要不变质,仍可饲用。周静鹏等[28]测得菌糠中霉菌毒素、菌落总数、霉菌总数、重金属、游离棉酚含量均低于国家标椎。

1.1 菌糠的常规营养成分

菌糠的常规营养物质较常规饲料浮动更大,主要受到培养基组成和蘑菇种类的影响。表1列出了常见菌糠的营养成分。

表1 菌糠常规营养成分

1.2 菌糠中的生物活性物质

菌糠具有抗菌活性,残留在菌糠中的菌丝体具有食用和药用价值。从香菇菌丝中可以分离出能够抗肿瘤和艾滋病病毒的物质[32]。有研究指出,平菇和香菇菌糠对大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和黄体微球菌有抑菌活性[33]。蘑菇中的β-葡聚糖具有增强巨噬细胞的作用,能够增强免疫力抵抗微生物感染[34]。Park等[31]检测到杏鲍菇菌糠中β-葡聚糖含量为19.9%。菌丝体中含有酚类和黄酮类化合物,具有抗氧化性[34]。Saifullah报道[36],双孢菇菌糠和平菇菌糠的堆肥物中酚类物质含量分别为8.75 μg/mg和10.75 μg/mg。赵泽文等[37]用超声浸提、热水浸提、稀酸水解3种方法处理茶树菇菌糠,提取到菌糠多糖后发现其具有清除自由基(DPPH、羟基自由基、ABTS)的能力,可见菌糠有预防与自由基相关疾病的功能[35]。菌糠含有多糖、微量元素、维生素等活性成分,可以改善畜禽消化道菌群平衡,有利于畜禽健康[38]。

1.3 菌糠的处理方式

1.3.1 青贮、微贮、碱贮菌糠 部分菌糠中含木屑、石灰等物质,导致适口性比常规饲料差,通过青贮或发酵可以提高菌糠的适口性和营养价值。另外,青贮、发酵也使菌糠更容易保存,菌糠营养价值要高于干草[39]。Rangubhet等[40]发现,菌糠青贮后极显著提高了木质素降解酶(木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶)的活性,显著提高粗脂肪含量,降低粗纤维、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素含量。青贮菌糠时营养物质的变化可能与青贮时间也有关系。Kwak等[30]指出,平菇菌糠青贮10 d后与青贮前相比,NDF/ADF/半纤维素、粗蛋白质水平无显著变化。碱贮也可提高菌糠的营养价值。许锦聪等[41]认为碱贮真姬菇菌糠可以显著降低游离棉酚、ADF、NDF和酸性洗涤木质素含量,且可以长期保存。通过青贮菌糠可以显著增加水溶性碳水化合物、氨态氮、乳酸菌、酵母菌[30]。混贮也可提高菌糠的营养价值。如Kwak等[42]将75%菌糠与25%家禽掉落物混合青贮或将50%菌糠与50%家禽掉落物混合青贮,与仅用菌糠青贮相比,极显著提高了DM、CP、NDF含量,显著增加pH、可溶性碳水化合物、氨态氮含量。Rangubhet等[39]也指出,金针菇菌糠与尿素、全株玉米混贮可以提高营养价值。除单独青贮或混贮外,也可青贮添加菌糠的TMR饲料。如XU等[20]发现饲粮中添加0～6.5%的菌糠时,总可消化营养物质和可消化能量无差异,但添至13.0%时差异较大,因此建议添加量为6.5%。

1.3.2 发酵菌糠 发酵菌糠也是提高菌糠营养价值的一种方式。高旭红等[43]将杏鲍菇菌糠(94%)、麸皮(2%)、豆粕(4%)混合,加入EM原液发酵后发现,与发酵前相比,粗纤维(crude fibre,CF)、NDF和ADF分别降低8.78%、11.56%和18.88%,而CP和ASH分别升高19.32%、8.29%,且黄曲霉毒素B1未超过国家标准。周静鹏等[28]研究得出,用枯草芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌混合菌发酵杏鲍菇菌糠,与自然发酵组相比,微生物发酵组粗蛋白质和粗脂肪分别提高27.12%、38.92%,粗纤维和干物质分别降低19.52%、3.41%,且霉菌毒素含量也有所降低。李佳腾等[44]用响应面法探明黑曲霉与枯草芽孢杆菌体积比1.00∶1.94、麸皮添加10.4%、含水量46.1%、发酵8 d时为最优发酵条件,在该条件下,可以显著降低NDF和黄曲霉毒素B1含量。

2 菌糠在反刍动物中的应用

2.1 菌糠对反刍动物采食相关行为的影响

大量文献表明,日粮中添加适量菌糠不会对动物采食量造成不利影响。反刍动物对菌糠的采食量主要与菌糠的成分有关。当菌糠组分为饲料原料时,采食量较大。如王霞等[29]用30%金针菇菌糠(成分为棉籽壳、玉米芯、麦麸、稻草、木屑等)代替粗饲料饲喂湖羊公羔,发现羔羊日均采食时长、日均采食量、日均饮水量和日均饮水时长与对照组无显著差异,试验组反刍时间、反刍次数、食团咀嚼总次数、每个食团咀嚼时间高于对照组,说明添加30%的菌糠有助于提高采食和反刍行为。Kholif等[45]用平菇菌糠(菌糠成分全部为稻草)替代三叶草饲喂奶山羊,发现用45%菌糠替代三叶草,粗饲料采食量极显著下降,总采食量显著下降,但替代量为25%时没有影响。Fazaeli和Masoodi等[46]研究发现,绵羊饲粮中添加30%双孢菇菌糠(成分为堆肥后的小麦秸、畜禽粪便、硫酸钙等)时,采食量显著降低,但添加20%时无显著变化。

通过青贮或碱贮可以提高动物对菌糠饲料的采食量。XU等[20]发现,用菌糠(主要成分为木屑、米糠和玉米芯)等比替代牧草制作TMR青贮饲喂饲喂萨福克羯羊,替代至13%后仍不影响羊干物质采食量。何祥波等[47]将尿素和Ca(OH)2加入真姬菇菌糠(主要成分为棉籽壳)碱贮后饲喂川中黑山羊发现,饲喂碱贮菌糠可以显著增加山羊平均采食量,但随着添加比例增加,采食量有下降的趋势。在饲粮中添加菌糠提取物亦可增加动物采食量。如Liu等[48]在荷斯坦奶牛日粮中每日添加100 g灵芝菌糠(主要成分为菌草)水提物,TMR采食量显著增加。综上所述,日粮中添加一定比例的菌糠对反刍动物采食行为无不良影响或有促进作用,但添加比例不宜过高。

2.2 菌糠处理方式对反刍动物生产性能的影响

2.2.1 直接饲喂 有研究认为,添加适量菌糠可以提高反刍动物生长性能。王霞等[29]研究发现,添加30%金针菇菌糠,湖羊公羔平均日增重和总增重显著高于对照组。王宇等[49]也得到类似结果,用30%金针菇菌糠等比例替代玉米青贮饲料饲喂西门塔尔杂交公牛可以显著增加牛平均日增重,料重比极显著降低,单位增重成本低于对照组。当菌糠中有非饲料成分时,添加菌糠会降低消化率,因此添加量不宜过高。如Fazaeli和Masoodi[46]研究发现,绵羊日粮中添加双孢菇菌糠(菌糠成分为堆肥后的小麦秸、畜禽粪便等)至30%时,绵羊干物质、有机物、NDF和ADF显著降低;菌糠添加至20%时显著降低CP消化率。也有研究人员将菌糠和其它常规饲料作比较,用菌糠替代部分常规饲料饲喂动物。Aldoori等[50]用不同比例(0%,5%,10%,15%,20%)的平菇菌糠替代大麦饲喂5.5～6.5月龄公羔羊,发现添加15%和20%的菌糠较对照组(0%)屠宰体重、空腹活重、热胴体重、24 h排酸后胴体重和屠宰率显著降低,添加5%和10%时对上述指标无显著影响。Kholif等[45]用平菇菌糠(菌糠成分全部为稻草)替代三叶草饲喂泌乳奶山羊,当用45%菌糠替代三叶草时,奶山羊产奶量显著降低;用25%和45%菌糠替代三叶草时乳蛋白含量和乳脂率显著增加。添加菌糠对肉质也有影响。张变英等[51]将醋糟菌糠(接种菌为平菇,主要成分为醋糟、玉米芯和麸皮等)代替部分玉米秸秆饲喂肉羊,发现各组肉色和肉pH差异不显著,但日粮中菌糠含量为37.5%时,羊肉滴水损失极显著高于其他组;菌糠含量为50%时肌肉脂肪酸含量显著高于其它组;添加醋糟菌糠显著增加了肌肉硬度、咀嚼性。Aldoori等[50]用不同比例(0%、5%、10%、15%、20%)的平菇菌糠替代大麦饲喂5.5～6.5月龄公羔羊,菌糠替代15%和20%大麦时可以显著降低尾部脂肪重量、背膘厚和眼肌面积。

2.2.2 青贮、发酵、提取活性物质后饲喂 青贮菌糠可以提高动物生产性能。林东文[52]将乳酸菌接种到蛹虫草菌糠微贮后补饲放牧山羊,发现可以显著提高山羊平均日增重、屠宰率和净肉重,与补饲精料效果相当。青贮菌糠品质高于青贮前。Rangubhet等[40]发现,较青贮前,青贮后金针菇菌糠能显著增加荷斯坦奶牛对干物质、粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的消化率。陈超等[53]将金针菇菌糠加入青贮添加剂后微贮,用尼龙袋法测定奶水牛对微贮菌糠营养物质的降解率,发现微贮45 d后金针菇菌糠粗蛋白质降解率、干物质降解率、粗脂肪降解率显著高于未微贮菌糠。但部分菌糠中含有大量的植物细胞壁,特别是ADF较高,造成消化率较低。如XU等[20]用0%、6.5%、13%的菌糠等比替代梯牧草制作TMR青贮饲喂萨福克羯羊,发现随着菌糠添加比例的升高,会降低干物质、有机物、中性洗涤纤维和粗蛋白、酸性洗涤纤维消化率。对菌糠做发酵处理可增加菌糠的饲用价值。高旭红等[43]发现,日粮中添加30%发酵杏鲍菇菌糠后,马头山羊日增重、体增重高于未发酵杏鲍菇菌糠组,但差异不显著。发酵菌糠可以提升羊肉品质。黄丽琴等[54]将全株水稻与菌糠发酵后饲喂山羊,与对照组(全株玉米青贮)相比,熟肉率、肌肉pH24h、肌纤维密度显著增加;失水率和肌纤维面积显著降低。有研究者通过提取菌糠中活性成分饲喂动物,发现可以提高生产性能,如Liu等[48]发现:将灵芝菌糠(菌糠成分为菌草)水提物以100 g/d饲喂荷斯坦奶牛60 d后,平均产奶量、乳蛋白提高了4.02%和4.49%,体细胞数降低了28.45%。菌糠中有抗菌活性成分,Kim等[55]认为,乳酸菌发酵后的平菇菌糠可以作为断奶犊牛抗生素的替代品。

2.3 菌糠对反刍动物血液生化指标的影响

饲喂添加菌糠的饲粮会改变动物血液生化指标。王宇等[49]用30%金针菇菌糠等比替代玉米青贮饲料饲喂西门塔尔杂交公牛发现,添加金针菇菌糠组平均红细胞血红蛋白含量、平均红细胞体积极显著升高,红细胞数目极显著降低,平均红细胞血红蛋白质量浓度显著降低,其它血液生化指标无显著差异,所有血液生化指标均处于正常范围内。Liu等[48]用灵芝菌糠水提物饲喂荷斯坦奶牛,每日饲喂67 g或100 g,能显著降低血液丙氨酸转氨酶,显著增加甘油三酯,但均处于正常范围内,对奶牛无不良影响。Kholif等[45]用平菇菌糠(菌糠成分全部为稻草)替代三叶草饲喂泌乳奶山羊,发现用25%和45%菌糠替代三叶草,奶山羊血清球蛋白、血清胆固醇、肌酐显著降低,血糖极显著降低,但所有血液生化指标均处于正常范围内。何祥波等[47]将尿素和Ca(OH)2加入真姬菇菌糠(主要成分为棉籽壳)碱贮后饲喂川中黑山羊,发现日粮中添加30%菌糠后山羊血液中甘油三酯、血糖浓度、总胆固醇较对照组显著升高。Park等[31]将杏鲍菇菌糠饲喂麋鹿,发现日粮中添加15%杏鲍菇菌糠可以显著增加麋鹿血液单核细胞(巨噬细胞)数量,添加15%和20%杏鲍菇菌糠可以显著提高血红蛋白、红细胞压积、尿素氮、血糖浓度,高密度脂蛋白胆固醇含量提高14%;饲喂20%菌糠相比饲喂0%和15%菌糠组血清铁浓度、睾酮显著升高。

2.4 菌糠对反刍动物瘤胃组织形态及器官指数的影响

日粮结构会影响瘤胃组织形态及瘤胃对营养物质的吸收[56],进而影响机体健康状况。添加适量的菌糠可以促进反刍动物瘤胃发育。何祥波等[47]将尿素和Ca(OH)2加入真姬菇菌糠(主要成分为棉籽壳)碱贮后饲喂川中黑山羊,发现日粮中添加30%菌糠会显著提高山羊瘤胃重量和瘤胃指数,且各消化组织重量为各组间最大。史陈博等[57]将添加不同比例杏鲍菇菌糠(0%、20%、25%、30%)的日粮饲喂湖羊公羊,发现添加菌糠后可以显著增加羊瘤胃乳头长度,添加20%和25%菌糠羊的瘤胃乳头厚度显著高于对照组。

2.5 菌糠对反刍动物瘤胃发酵参数及瘤胃微生物区系的影响

白腐真菌在生长过程中的代谢产物可能对瘤胃微生物活性产生影响[58],进而影响瘤胃发酵参数。Rangubhet等[39]发现,与饲喂干草相比,饲喂青贮菌糠可以提高荷斯坦牛瘤胃中总短链脂肪酸、丙酸含量、螺旋体虫数量,降低原虫总量、甲烷排放量、甲烷能量损失、乙酸含量与乙酸/丙酸值,其机制尚不清楚。钟港等[59]用发酵后的菌糠替代酒糟饲喂肉牛,结果显示,牛瘤胃pH、NH3-N、挥发性脂肪酸没有显著的变化;瘤胃微生物在门水平上,用50%发酵菌糠替代酒糟时TM7丰度显著低于100%替代组,但酒糟组和100%替代组没有显著差异;属水平上,酒糟组瘤胃球菌丰度显著高于50%和100%替代组;假丁酸弧菌属的丰度显著低于50%替代组,但是与100%替代组无显著差异;酒糟组脱硫弧菌属丰度极显著高于50%替代组,但与100%替代组差异不显著;3组的微生物多样性差异不显著。XU等[20]用0%、6.5%、13%的菌糠等比替代梯牧草制作TMR青贮,并饲喂萨福克羯羊发现瘤胃液中氨态氮含量差异不显著;挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)逐渐降低,pH、乙酸/丙酸有升高的趋势,但差异不显著,主要原因可能是菌糠相比梯牧草有较高植物细胞壁与较低非纤维碳水化合物(non-fiber carbohydrates,NFC)。Kholif等[45]用平菇菌糠(菌糠成分全部为稻草)替代三叶草饲喂泌乳奶山羊,发现用25%和45%菌糠代替三叶草时,瘤胃总挥发性脂肪酸、瘤胃液总氮、非蛋白氮、氨态氮极显著降低,pH、微生物蛋白极显著升高。史陈博等[57]将添加不同比例杏鲍菇菌糠(0%、20%、25%、30%)的日粮饲喂湖羊公羊,发现对照组瘤胃乙酸含量显著低于其它组,添加20%菌糠组乙酸含量显著高于对照组,添加菌糠后总挥发性脂肪酸含量和乙酸/丙酸值显著高于对照组,瘤胃液pH组间差异不显著,且都处于正常范围内。

2.6 菌糠对反刍动物生产相关基因表达的影响

史陈博等[57]将添加不同比例杏鲍菇菌糠(0%、20%、25%、30%)的日粮饲喂湖羊公羊发现,添加菌糠可以显著增加胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBP-6 mRNA)的表达量,说明添加菌糠后可能加快了瘤胃上皮细胞的增殖;添加菌糠使得单羧酸转运蛋白(MCT-1和MCT-4)mRNA的相对表达量显著高于对照组,说明添加菌糠后可能增加瘤胃对VFA吸收量。此结果与前文所述饲喂适量菌糠可以促进瘤胃发育一致。

2.7 菌糠饲料未规模化利用的可能原因

国内外研究菌糠时间较早,但目前未能大规模使用。食用菌在收菇后,菌糠中含有大量的水分,很容易受到真菌和细菌的污染,存储3～4 d就开始腐烂变质[42],因此需要及时将菌糠晒干。李瑞银等[60]的结果表明,菌糠收菇后第7天相较第1天黄曲霉毒素增加199.09%,玉米赤霉烯酮增加83.09%,呕吐毒素也极显著增加。Baek等[61]也指出,将平菇菌糠装入密闭袋子,30 ℃状态下3 d就可以看到明显腐败,5 d可以检测出霉菌。由于菌糠有较大的微孔结构及大量的官能团,如磷基、酚基、羟基等,这种结构和官能团具有吸附环境中重金属离子的能力[62],大量微孔结构对周围污染物或有害物质也有吸附作用,如果菌糠储存在有污染环境中,极易受到污染。菌糠的营养成分波动较大,质量不稳定,不易制作长期使用的配方,在规模化养殖场不易推广。将菌糠作为饲料的研究也相对滞后,部分研究成果未能转化到生产中。

2.8 提高菌糠饲料利用率的措施

提高菌糠利用率的最根本措施是提高菌糠自身的营养价值。可以开发既不降低食用菌品质和产量,又能提高菌糠营养价值的培养基配方。针对菌糠含水量高,易于发霉变质的特性,对菌糠进行青贮可以很好地储存菌糠[42]。对菌糠进行综合利用和分级利用亦可以促进菌糠饲料的利用,例如将生物化工产业与农业结合起来,如Grimm和Wösten提出[63],可以先提取菌糠中的酶,将剩余的物质再作为动物的饲料。研究层面,通过各学科交叉研究,实现菌糠在工业和农业中连续利用。就食用菌种植业而言,若能将食用菌培养基原料标椎化,将容易获得质量稳定的菌糠,提高利用率。

3 展 望

菌糠量大、价廉、具有营养价值,可以作为反刍动物饲料。利用菌糠可以发展循环经济、提高废物利用率,也可以解决部分反刍动物饲料短缺的问题。日粮中加入适量菌糠可以降低饲料成本,提高经济效益。部分菌糠也可开发为功能性饲料,提高动物免疫力、促进动物消化道发育、调节反刍动物消化道微生物区系、提高生产性能和改善肉质。菌糠含水量高,不易存储,通过青贮或发酵可以延长存储期并改善适口性。菌糠添加需适量,不可过多,最好与优质饲料搭配使用。