Pasteurization-assisted solid-state bioconversion of Caragana korshinskii residues by Irpex lacteus n6

中国北部の乾燥および半乾燥地帯において、カラガナ・コルスキニア（Caragana korshinskii）として知られるたくましい低木は、土壌を保持し、脆弱な生態系を回復させる上で極めて重要な役割を果たしています。この植物はマメ科の一種であり、他の多くの植物が生存できない環境でも、乾燥や寒さに耐えながら、深い根で風食から大地を固定して成長します。しかし、これらの低木林が成熟するにつれ、植物は木質化して硬くなり、毎年厚い剪定廃棄物の層が蓄積されます。毎年数百万トンものこの材料が発生していますが、その多くは単に燃やされるか、あるいは腐敗したまま放置されており、失われた機会を象徴しています。課題はその植物の構造にあります。その繊維は、動物による消化を困難にする、リグニンを豊富に含む硬いマトリックスの中に閉じ込められているのです。この硬い残渣を有用な家畜飼料に変えるために、科学者たちは自然界の自浄作用を持つ存在、すなわち「菌類」に注目しています。特定の菌類、特に白腐朽菌は、植物の繊維を繋ぎ止めている「糊」であるリグニンを分解する酵素を分泌する独自の能力を持っており、その中に閉じ込められた栄養素を効果的に解き放つことができます。この生物学的プロセスは、産業界でよく用いられる過酷な化学処理に代わる、より穏やかで持続可能な選択肢を提供し、この廃棄物を家畜のための価値ある資源へと変貌させる可能性を秘めています。

内モンゴル農業大学の研究者たちは、この特定の任務に最適な「菌類のパートナー」を見つけ出すべく研究を進めました。彼らは、これらの低木が生育しているまさにその生息地から、イレペックス・ラクテウス（Irpex lacteus）と呼ばれる菌類の野生株を11種類採取しました。目標は、どの在来種がこの硬い低木の残渣に最もよく定着し、効率的に分解できるかを特定することでした。チームはまず、各菌株が細かく砕かれた低木の材料の上でどれほど速く広がることができるかをテストしました。すべての菌株が増殖しましたが、n4およびn6とラベル付けされた2つの菌株は、わずか1週間でテスト表面を覆うほど急速に拡大しました。なぜこのようなことが起こるのかを理解するために、科学者たちはこれらの菌類が生成する酵素を調査しました。彼らは、単純な発色テストを用いて、菌類が異なる部位をどの程度攻撃できるかを調べました。一つのテストではリグニンに似た物質を酸化する能力を測定し、もう一つのテストでは、植物の主要な構造繊維であるセルロースを溶解する能力をチェックしました。その結果、ある菌株は一方を得意とし、別の菌株は他を得意とする一方で、n6株は最も多才であることが示されました。n6株は、リグニンの糊とセルロスの繊維の両方を解体するために必要な特定の酵素を最も高いレベルで生成しており、さらなる研究に向けた最も強力な候補となりました。

最適な菌株を特定した後、研究者たちはそれを最も効果的に増殖させる方法に焦点を当てました。彼らは、温度、酸性度、および栄養源を変えて実験を行い、何が菌類の生育を助けるのかを検証しました。その結果、この菌類は30度の温かい温度と、わずかに酸性の環境で最もよく成長することが分かりました。栄養源に関しては、この菌類は主食として、糖の一種であるマルトースと、タンパク質に由来する栄養素であるペプトンを好みました。この菌類を大量の低木残渣に対して処理するために十分な量を用意するには、穀物ベースの培地で迅速に増殖させる方法も必要でした。彼らは、そば、ソルガム、トウモроコビ、キビ、小麦の5種類の穀物をテストし、どの穀物が最も速い成長を支えるかを調べました。その結果、そばが明確な勝者となり、他のどの穀物よりも迅速かつ高密度に菌類を広げることができました。この発見により、本実験のための必要な量の菌類スターターカルチャーを生産するための実用的な手法が提供されました。

研究の最終段階では、実際に菌類を低木の残渣に投入する作業が行われました。研究者たちは、どちらの方法が最適であるかを確認するために、細かく砕いた植物材料を2通りの方法で準備しました。一方のグループのサンプルは、標準的な方法である高圧蒸気によって滅菌されました。これはすべての微生物を死滅させますが、多大なエネルギーを必要とします。もう一方は、競合する微生物を減らすものの完全に滅菌はしない、より穏やかな熱処理であるパストリゼーション（低温殺菌）が行われました。その後、両方のグループに、そばで培養されたI. lacteus n6株を接種し、56日間発酵させました。結果は驚くべきものでした。穏やかなパストリゼーション処理を施した後に菌類を接種したサンプルが、最も劇的な改善を示しました。未処理のパストリゼーション対照群と比較して、発酵後の材料は繊維含有量が大幅に減少しました。全消化不能な細胞壁を表す中性デタージェント繊維（NDF）は、17％近く減少しました。さらに、より消化しにくい部分の指標である酸デタージェント繊維（ADF）も、約16.5％減少しました。最も印象的だったのは、植物を硬くさせている頑固な成分である酸デタージェントリグニンが、ほぼ50％も減少したことです。

単に硬い繊維を分解するだけでなく、このプロセスは飼料の栄養価も向上させました。処理された材料の粗タンパク質含有量は、約8％から12％以上に上昇し、動物に素早いエネルギーを提供する水溶性炭水化物は5倍以上に増加しました。これらの変化は、菌類が植物の構造を軟らかくするだけでなく、自身のバイオマスを混合物に加えることで、最終製品を豊かにしていることを示唆しています。本研究は、地元産の菌類と単純なパストリゼーション工程を組み合わせることが、この豊富な低木廃棄物をアップグレードするための実行可能な方法であることを証明しました。研究の結果は、材料がより消化しやすく栄養価が高くなることを裏付けていますが、著者らは、動物が実際にこの新しい飼料をどの程度食べ、利用できるかについては、さらなるテストが必要であると注記しています。それにもかかわらず、この研究は、膨大で未利用の廃棄物ストリームを、地域の持続可能な畜産のための潜在的な解決策へと変えるための強固な基礎を提供しています。