农用酵素发酵三阶段原理

原创 2023-03-30 16:56 · 中国农业大学王小芬

作 者：高游慧、郑泽慧、程小倩、张越、刘小平、胡跃高、蔡亚凡和王小芬

单 位：中国农业大学农学院

期 刊：Environmental Research

影响因子：8.431

全文链接： https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115727

研究背景

农用酵素通常是由一种或多种有机废弃原料自然发酵而成，该项技术简单易操作、制作成本低，可以有效的将有机废弃物资源转化为农业生态增值品。但是，农用酵素的本质特征和发酵规律并没有得到科学、系统的研究，而且不同的发酵底物会直接影响农用酵素的代谢产物组成及微生物群落结构。

中国农业大学王小芬课题组为揭示农用酵素的本质，以单一果蔬原料（SF）、复合果蔬原料（CF）、单一中药材原料（SM）和复合中药材原料（CM）制备了四种农用酵素，对其发酵动态的理化性质（包括pH值、有机酸、还原糖等）进行检测，使用高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱（GC-MS）技术研究了不同底物发酵的农用酵素的有机酸、挥发性有机化合物的代谢产物组成，使用16S rRNA基因高通量测序技术研究了微生物的丰度、多样性、组成和功能。进而阐明农用酵素的发酵原理，揭示不同底物对农用酵素发酵特性、代谢产物组成和微生物群落结构的影响，为农用酵素的稳定发酵及精准应用提供了科学依据。

该研究得到国家十四五重点研发项目（项目号：2021YFD1901103）和国家自然科学基金（项目号：52200178）的支持。

研究发现

高游慧博士在Environmental Research 发表农用酵素三阶段原理

该研究表明，农用酵素的pH值在发酵的前两天迅速降至3.5以下，并在第5天后稳定。在发酵结束时（90天），复合底物农用酵素（CF和CM）的pH值低于单一底物农用酵素的pH值（SM和SF）。

在发酵的前两天，由于糖的水解，还原糖浓度迅速增加。在发酵的前2-5天，还原糖迅速转化为乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸。因此，有机酸的浓度呈波动上升趋势，在60天后有机酸趋于稳定。

通过对四种农用酵素发酵90天时的pH、有机酸、挥发性有机化合物的组成和相关性分析结果表明，不同农用酵素的有机酸、醇、酯、酚等代谢产物的组成显著不同，而且还原糖与有机酸呈负相关关系，与酯类、酚类、酮类、醛类、醚类和其他挥发性有机物呈正相关。pH与乳酸、甲酸和丙酸等主要有机酸呈负相关，而与酯类、酚类、酮类、醛类和醚类呈正相关。有机酸与挥发性有机物呈负相关。

由此，可以得出在农用酵素发酵过程中有机物和还原糖首先转化为有机酸，然后有机酸转化为醇、酯、酚等结论。

农用酵素发酵三阶段原理

因此，该研究首次揭示了农用酵素的发酵机理。结果表明农用酵素的发酵过程概括为三个阶段：水解、产酸和后熟阶段。

1. 水解阶段

在水解阶段，复杂的有机物分解成小分子化合物，例如蔗糖被水解成还原糖。因此，还原糖和有机酸的浓度增加，农用酵素的pH值迅速下降。

2. 产酸阶段

在产酸阶段，前一阶段的小分子化合物（如还原糖）转化为有机酸。因此，还原糖浓度迅速下降，有机酸浓度呈波动上升趋势，pH值进一步降低并稳定。

3. 后熟阶段

在后熟阶段，有机酸转化为醇类、酯类、酚类和其他代谢产物。最后，代谢产物达到稳定和平衡状态。这些代谢产物的类型和含量，如醇类、酯类、酚类，通常决定农用酵素在农业中的潜在价值。

因此，当农用酵素用于农业时，发酵时间应足够。将农用酵素用于污泥、秸秆等有机废弃物的预处理，可以缩短其的发酵时间。

微生物群落特征

此外，该项研究进一步的分析了不同农用酵素的微生物群落多样性和功能，结果表明：

在门水平上，厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是农用酵素的优势细菌。

在属水平上，乳酸杆菌属（Lactobacillus）、醋酸菌（Acetobacter）、解氢芽孢杆菌属（Hydrogenibacillus）、盐单胞菌属（Halomonas）和Prevotella_1是农用酵素的细菌优势属。

农用酵素的细菌群落具有六大相关功能，包括生物体系统(Organismal Systems)、代谢(Metabolism)、人类疾病(Human Diseases)、遗传信息处理(Genetic Information Processing)、环境信息处理(Environmental Information Processing)和细胞进程(Cellular Processes)。其中，与代谢相关的基因丰度占30%以上，是绝对优势酶基因。

在代谢相关的功能性基因丰度中高于4%的代谢途径是碳水化合物代谢（Carbohydrate metabolism）、辅因子和维生素代谢（Metabolism of cofactors and vitamins）和氨基酸代谢（Amino acid metabolism）。

研究结论

本研究揭示了农用酵素发酵的三阶段原理，分别为：水解阶段、产酸阶段和后熟阶段。

研究结果表明，不同原料发酵农用酵素均具有低pH值、富含有益微生物、有机酸、醇类、酯类、酚类、酮类等次生代谢产物的共性。

此外，不同原料发酵的农用酵素中有机酸浓度、次级代谢产物浓度和关键微生物的组成取决于原料的类型。

因此，农用酵素在实际应用中应根据需求和应用领域（如农业、堆肥和污泥预处理）合理选择原料。

本研究为农用酵素的发酵原理提供了科学支撑，也为农用酵素的精确应用提供了理论和实践指导。