秸稈栽培香菇技術(shù)中多聚物降解酶協(xié)調(diào)作用研究分析

劉 晨，潘長明

（1.蘇州晨光生物科技有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.楊凌明光食用菌栽培專業(yè)合作社，陜西 楊凌 712100）

香菇（Lentinus edodes）是一種著名的食、藥兼用的木腐真菌，美味可口的同時具有抗病毒、降低血脂及提高人體免疫力的作用。香菇通過分解木材來維持生存，主要原理是將木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等大分子降解為可以直接利用的小分子并將其作為主要的碳源[1］。早期人工栽培香菇主要是段木栽培，經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前主要采用木屑進(jìn)行栽培。但由于該栽培方法對林木資源的浪費(fèi)較大，需求量的增加將直接導(dǎo)致栽培規(guī)模的不斷擴(kuò)大，林木資源的消耗也將隨之增加[2］，因此，尋找新型培養(yǎng)基質(zhì)成為了香菇栽培領(lǐng)域研究的熱門課題。本研究以農(nóng)作物秸稈作為香菇栽培的原料，對香菇轉(zhuǎn)化過程中降解酶的作用進(jìn)行了研究。

秸稈是農(nóng)作物收獲后的廢副產(chǎn)物，這部分剩余物含有農(nóng)作物光合作用50%以上的產(chǎn)物，且富含香菇生長所需的營養(yǎng)元素及有機(jī)質(zhì)[3］。因其來源廣泛，成本低廉，必將成為一種值得研究推廣的香菇栽培原料。

香菇不含葉綠素，無法進(jìn)行光合作用，屬于化能異養(yǎng)型微生物，其營養(yǎng)來源主要依靠分解吸收生長基質(zhì)內(nèi)的營養(yǎng)[4-5］，香菇轉(zhuǎn)化利用秸稈的原理見圖1:

圖1 香菇轉(zhuǎn)化利用秸稈的原理圖Fig.1 Principle of Lentinus edodes transformation and utilization of straw

香菇菌絲細(xì)胞通過不同的降解酶類最終將秸稈降解為小分子物質(zhì)供自身生長需要[6］。國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)秸稈的配料合適時，其生物學(xué)效率與傳統(tǒng)段木或木屑培養(yǎng)時沒有明顯的差異[7］，即證明用農(nóng)作物秸稈栽培香菇的技術(shù)具有可行性。

本文主要從多聚物降解酶的種類入手，分析其特征，研究其降解機(jī)理。通過分析秸稈的結(jié)構(gòu)及不同降解過程種參與的酶類，為實(shí)現(xiàn)利用秸稈栽培香菇提供了理論指導(dǎo)。

1 香菇轉(zhuǎn)化利用秸稈過程中的多聚物降解酶類

在香菇的生長過程中，不同時期都會有不同的降解酶單獨(dú)或協(xié)同作用，為香菇生長提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)。

1.1 木質(zhì)素降解酶

秸稈具有復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)，主要成分由木質(zhì)素、纖維素及半纖維素等高聚物組成。植物細(xì)胞壁的骨架主要是纖維素構(gòu)成的，在骨架的外側(cè)，纏繞的主要有木質(zhì)素和果膠，它們一起形成了致密的結(jié)構(gòu)，從而把真菌與纖維素分子隔離開來，阻止了它們的接觸，從而阻止了纖維素被降解[8］。常見的幾類農(nóng)作物秸稈中木質(zhì)素的含量如表1所示。

表1 秸稈中木質(zhì)素的含量Tab.1 Lignin content in straw

木質(zhì)素是地球上第2位最豐富的有機(jī)質(zhì)，因其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗降解能力較強(qiáng)，從而降低了秸稈的營養(yǎng)價值和利用率。真菌為了吸收秸稈中的營養(yǎng)，就必須先降解木質(zhì)素，通常真菌會分泌胞外酶來降解木質(zhì)素，木質(zhì)素降解酶主要有3類:前2類是上世紀(jì)八十年代初被發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶，第3類是由日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)的漆酶。經(jīng)過后續(xù)不斷的研究，還發(fā)現(xiàn)了為這些酶提供過氧化氫的輔助酶等。這些酶通過單獨(dú)作用相互協(xié)同，將大分子的木質(zhì)素降解為小分子的可被直接利用的糖類[9-12］。

在木質(zhì)纖維被降解的過程中，降解的過程有明顯的順序特征。首先降解木質(zhì)素，接著降解纖維素，這與植物細(xì)胞壁的構(gòu)成有關(guān)。研究表明，木質(zhì)素降解酶的活性與木質(zhì)素降解的趨勢正相關(guān)。大部分研究表明，食用菌分泌木質(zhì)素降解酶，主要集中在營養(yǎng)生長階段，即原基形成前期。木質(zhì)素降解酶不僅在降解木質(zhì)素時發(fā)揮作用，近年來的研究表明，它們還在子實(shí)體發(fā)育中起到關(guān)鍵作用，可以使得子實(shí)體的成熟時間提前[13］。木質(zhì)素降解酶將秸稈中的木質(zhì)素降解為小分子營養(yǎng)物質(zhì)供香菇利用，為香菇的生長發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 纖維素酶

纖維素酶是能夠?qū)⒗w維素水解生成葡萄糖的一類酶的總稱，其作用位點(diǎn)在纖維素中葡萄糖單元之間的β-1,4-糖苷鍵。按照不同的作用機(jī)理，纖維素酶主要分為3類:第1類是內(nèi)切葡聚糖酶，第2類是外切葡聚糖酶，第3類是β-葡萄糖苷酶[14-15］。

內(nèi)切葡聚糖酶是一類將木質(zhì)纖維水解為無定形纖維素的酶類。這類酶主要在纖維素分子鏈的非結(jié)晶區(qū)起作用，通過將β-1,4-糖苷鍵隨機(jī)水解，把長鏈分子被打斷產(chǎn)生大量的短鏈分子，從而極大程度地降低了聚合度。

外切葡聚糖酶是一類將木質(zhì)纖維水解為結(jié)晶度較高的纖維素酶類。這類酶主要在纖維素分子鏈的還原端或非還原端起作用，依次水解β-1,4-糖苷鍵，水解過程中每次切下一個纖維二糖，從而降低了纖維素的聚合度。

β-葡萄糖苷酶是一類將木質(zhì)纖維水解為纖維寡糖和纖維二糖的酶類。這類酶主要從纖維二糖及短鏈纖維寡糖的非還原端開始水解，通過其作用使長鏈的木質(zhì)纖維降解產(chǎn)生葡萄糖。

香菇菌絲在生長過程中通過纖維素降解酶降解秸稈中的纖維素，大分子物質(zhì)被降解為小分子的葡萄糖，為其自身生長發(fā)育提供了所需的營養(yǎng)物質(zhì)。

1.3 半纖維素酶

半纖維素降解酶是一類極其豐富多樣的酶系。由于其在單糖組成上具有多樣性和結(jié)構(gòu)高度分支化，故半纖維素降解酶系無論是種類還是數(shù)量上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖維素酶。根據(jù)半纖維素酶在降解木質(zhì)纖維過程中作用位點(diǎn)的不同，可將其分為主鏈降解酶和側(cè)鏈降解酶[16-17］。

研究表明，半纖維素酶的活性高峰期主要出現(xiàn)在香菇生長轉(zhuǎn)色期[18］。在這個階段，由于半纖維素酶系的存在，促使了香菇菌絲生長發(fā)育并進(jìn)入生理成熟期，表面白色的菌絲逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽睾稚?，在香菇的整個生長過程中，這個步驟是十分必要的[19］，因而在這個階段作用的酶類也具有非常重要的作用。隨著香菇的進(jìn)一步生長，半纖維素酶系的活性逐漸開始減弱。

1.4 果膠降解酶

果膠是一種具有異質(zhì)性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，其完全被降解需要多種具酶的協(xié)同作用才能完成。研究表明降解果膠骨架需要兩類酶，一類是糖苷水解酶，另一類是多糖裂解酶。其中糖苷水解酶作用于半乳糖醇酸單元之間的β-1,4-糖苷鍵或殘基之間的α-l,2-糖苷鍵；多糖裂解酶則通過β消除機(jī)理降解果膠骨架，包括果膠裂解酶、果膠酸裂解酶和鼠李糖裂解酶[20-21］。

在香菇的生長階段，果膠酶的活性與香菇的生長速度成正相關(guān)，從而加速了培養(yǎng)基的降解，來滿足香菇生長過程中對營養(yǎng)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鍵水解，從而釋放小分子的甘油酯、甘油和脂肪酸。脂肪酶的含量在細(xì)菌、真菌及酵母中較豐富[22］。在香菇的基因組中，存在著編碼脂肪酶的基因，同樣這種酶在香菇生長發(fā)育過程中也是必不可少的。

2 降解酶的協(xié)同作用研究

秸稈中木質(zhì)纖維具有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其完全的降解需要多種酶的協(xié)同。酶類間的協(xié)同作用，即是多種酶共同作用，其結(jié)果遠(yuǎn)大于單一酶類單獨(dú)作用的總和。自然界中木質(zhì)纖維素的降解基本都存在著協(xié)同作用。通過研究不同酶系之間的協(xié)同作用，可提高單糖產(chǎn)率，降低纖維素酶解成本，使得香菇轉(zhuǎn)化利用秸稈具有較好的生物學(xué)效率[23］。

2.1 纖維素酶的協(xié)同作用

在自然界中，由于3種纖維素水解酶的共同作用，才使纖維素能夠完全降解。其中內(nèi)切葡聚糖酶主要作用于纖維素大分子鏈的非結(jié)晶區(qū)域，通過隨機(jī)切割β-1,4-糖苷鍵，將長鏈纖維素分子截短。截短后的纖維素分子鏈產(chǎn)生大量的反應(yīng)末端，供外切纖維素酶進(jìn)一步作用。外切葡聚糖酶在這些纖維素鏈的自由末端起作用，并通過進(jìn)一步水解釋放出纖維二糖。同時，外切葡聚糖酶通過水解，將纖維素結(jié)晶區(qū)域的結(jié)構(gòu)打散使其變得松散，反過來有利于內(nèi)切葡聚糖酶的作用，即這兩種酶在作用過程中是協(xié)同作用的。β-葡萄糖苷酶可將外切酶水解產(chǎn)生的纖維二糖進(jìn)一步水解，從而解除纖維二糖對內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的抑制作用，使得這2種酶能更加有效地作用[24］。這3種酶的相互協(xié)作，最終將秸稈中復(fù)雜的纖維素降解成葡萄糖，最終形成香菇生長過程中的營養(yǎng)物質(zhì)。

2.2 半纖維素酶的協(xié)同作用

半纖維素組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故完全降解必將需要多種半纖維素酶類的相互協(xié)同。例如在木聚糖的降解中，內(nèi)切木聚糖酶隨機(jī)切割木聚糖主鏈骨架上的β-1,4-糖苷鍵，產(chǎn)生木寡糖和少量木糖，從而大大降低了木聚糖的聚合度。這些低聚合度的木聚糖對于木聚糖酶的催化作用具有末端產(chǎn)物抑制效應(yīng)，而β-木糖苷酶能夠?qū)⑵渌馍赡咎?，使得木聚糖酶的抑制效?yīng)解除，從而實(shí)現(xiàn)木聚糖的降解效率顯著提高[25］。在降解的過程中，內(nèi)切木聚糖酶與β-木糖苷酶相互協(xié)同從而提高了催化效率，最終加速了木聚糖的降解進(jìn)程，為香菇生長提供必須的營養(yǎng)物質(zhì)。

2.3 纖維素酶系和其他酶系的協(xié)同作用

表面上看，纖維素水解為葡萄糖只需將β-1,4-糖苷鍵水解，但在天然木質(zhì)纖維中，纖維素和其他組分交錯盤結(jié)，由于化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而增加了維素酶水解木質(zhì)纖維的難度。因此，纖維素組分想要水解徹底，除了需要纖維素水解酶之間的協(xié)同作用，還需要半纖維素酶、果膠酶和木質(zhì)素降解酶等[26］。水解酶之間的協(xié)同，進(jìn)一步保障了香菇生長過程中營養(yǎng)物質(zhì)的供給。

3 總結(jié)

在香菇的生長過程中，不同的降解酶都作用于不同的生長時期，它們或單獨(dú)作用或協(xié)同作用，通過降解秸稈將其轉(zhuǎn)化為香菇可以直接吸收利用的小分子營養(yǎng)物質(zhì)。香菇菌絲在分解秸稈的時候，通常會先降解木質(zhì)素，然后再降解纖維素。研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素降解酶其中的漆酶活性與木質(zhì)素降解變化趨勢是一致的，酶活高峰期和木質(zhì)素降解高峰期也呈正相關(guān)；纖維素酶的作用位點(diǎn)在于葡萄糖單元之間的β-1,4-糖苷鍵；半纖維素酶活性高峰期出現(xiàn)在香菇生長轉(zhuǎn)色期；果膠的降解酶主要有糖苷水解酶和多糖裂解酶；脂肪酶通過催化使得酯鍵水解，釋放含更少酯鍵的小分子物質(zhì)。同時，自然界高效的木質(zhì)纖維素降解系統(tǒng)中都存在著協(xié)同作用。這種作用可以發(fā)生在不同酶分子之間，也可以發(fā)生在酶分子復(fù)合體的不同酶組分之間，還可以發(fā)生在酶分子內(nèi)部的不同催化結(jié)構(gòu)之間。

近年來，隨著香菇需求量的不斷增加和栽培規(guī)模的不斷擴(kuò)大，有效地利用農(nóng)作物秸稈作為原料栽培香菇將會成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。而對香菇轉(zhuǎn)化利用秸稈過程中多聚物降解酶的研究，必將對以秸稈為原料大規(guī)模栽培香菇提供重要的理論指導(dǎo)意義。