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酵素农业的提出及其在现代农业中的作用

[2016-09-24]
酵素农业的提出及其在现代农业中的作用
高亮  谭德星
(潍坊岛本微生物技术研究所, 山东潍坊261041)
摘  要: 本文从酵素和酵素菌技术入手,系统阐述了酵素农业的概念、特征,以及在现代农业中的地位和作用。通过现代农业科技手段发展酵素农产品,引领传统农产品向安全、天然、健康的酵素农产品发展,以期对现代农业发展有所贡献。
关键词酵素;酵素菌技术;酵素农业;现代农业
 
农业是国民经济的基础。近年来,随着以“现代家庭农场”为代表的农业经济迅速发展[1],我国从传统农业向现代农业转化进程又向前推进了一大步[2]。现代农业具有动态性和历史性的特点,它不是一成不变的概念不是抽象的东西,而是具有鲜活时代特色的实实在在的事物,它在农业发展史上占据重要地位,是农业发展史上的一个重要阶段
    农业生产通常包括种植业、畜牧业、林业和渔业等,其中都包含
了鲜活的生命特征。众所周知,凡是有生命的存在就有代谢性的特征,而在生命代谢的过程中,几乎所有的生理生化反应都需要酵素(酶)的参与。本文从酵素入手,阐述酵素农业的特征及其在现代农业中的作用,通过现代农业科技手段发展酵素农产品,以引领传统农产品向安全、天然、健康方向发展。
 
 
1 酵素及其在农业上的应用
1.1 酵素的概念
酵素(enzyme),即酶是指具有生物催化功能的高分子物质又叫生物催化剂[3]。在酶反应中,底物(即反应物分子)通过酶的催化转化为另一种分子。自然界中几乎所有的细胞活动都需要酶的参与。生物体内的各种应用物质如碳水化合物、蛋白质、脂肪等的分解和合成,都要依靠酶的参与才能完成。生物有机体中的酶不下2000多种。酶是通过降低生理生化反应的活化能使更多反应粒子能拥有不少于活化能的动能,来加快反应速率,一般来说大多数酶将其催化反应速率提高上百万倍酶作为催化剂,在生化反应前后不发生变化,也不影响生化反应的化学平衡。酶的催化作用既有正
即加速生化反应速率也有负的,减缓反应速率。与化学催化剂不同的是,酶具有高度的专一性,一种酶只能催化特定的反应或产生特定的构型。
20世纪30年代,科学界普遍认为酶是一类具有催化作用的蛋白质。到了20世纪80年代,T.R.Cech和S.Altman发现少数RNA也具有生物催化作用,从而使酶的种类有所扩展,到目前为止,科学界将酶的种类归结为,酶大多是蛋白质,有一些被称为核酶的RNA分子 和一些DNA分子同样具有催化功能。此外,人工合成的也具有与生物內源酶类似的催化活性。
1.2 酵素在农业上的应用
作物体内的酶(酵素)种类很多,但用于商业用途的酶仅有200多种,仅占作物体内酶总量的10%。但酶在农业上具有广泛的用途。
(1)用于果蔬保鲜。用酵素进行果蔬保鲜实质上是借助酵素的催化作用消除环境中能使果蔬腐败的因子。如利用葡萄糖氧化酶可以进行果蔬除氧保鲜;溶菌酶可以进行灭菌保鲜。酵素保鲜的优点是高效、安全、稳定。缺点是价格高、重复利用率低。
    (2)用于农产品加工。最常见的就是酿酒、酿醋、酸奶等。最常用的是酶有纤维素酶、淀粉酶、葡聚糖酶、糖化酶、蛋白酶、以及复合酶制剂。如木瓜蛋白酶常被大量用作啤酒、果汁饮料等的澄清剂,以去除其在储藏过程中出现浑浊现象;木瓜蛋白酶还可用作肉类软化剂,如在煮牛肉和排骨时,加入少量木瓜蛋白酶,不仅更加软嫩,而且风味更佳。利用葡萄糖异构酶转化果糖制成葡国糖浆,在糖果和糕点中应用。
(3)用于农产品质量检测。农产品的质量检测包括微生物检测、重金属检测、农药残留检测、转基因检测等。如利用胆碱酯酶抑制剂法可快速检测农产品中有机磷农药残留量。
(4)用作饲料添加剂。家禽、家畜、鱼虾蟹等动物体内有些酶系不完全或活性较弱,尤其是处于幼龄期的动物,在其饲料中加入酶制剂,会辅助这些动物消化吸收营养物质,从而提高饲料报酬,增强机体免疫力,提高养殖效益。酶制剂的作用机制主要包括:提高机体内代谢激素水平,提高免疫力;破碎细胞壁,提高饲料利用率;降低食糜的粘度,提高消化机能;消除抗营养因子;消除SNSP对内源消化酶的抑制;补充內源消化酶的不足;催化植酸盐的水解反应等。
(5)用于生产维生素。利用微生物酶反应制造维生素。如以山梨酸为原料,经微生物氧化法生产维生素C。美国罗氏制药厂利用微生物酶转化法和化学合成相结合的方法生产维生素E,并实现了产业化开发。
2酵素菌技术
2.1 酵素菌技术概述
    酵素菌是由细菌(bacteria)、酵母菌(yeast)和丝状真菌(mold,霉菌)组成的好气性有益微生物群,简称为BYM,酵素菌含有24种有益微生物[4]。利用酵素菌高温固态发酵或常温液态发酵可生产出系列发酵有机肥,能满足作物基肥、追肥和叶面喷施的要求。该技术对改良土壤、提高肥料利用率、抑制病虫害具有良好的效果,是传统农业和现代生物技术的完美结合。该技术产品可广泛应用于种植业、林业、畜牧业和水产养殖业。
2.2 酵素菌技术在农业上的应用
酵素菌技术在种植业和林业上主要是生产发酵有机肥和农作物栽培基质;在畜牧业和渔业上主要是生产各种微生态制剂和复合酶制剂。
3 酵素农产品、生产及其特点
2.1 酵素农产品
酵素农产品主要包括酵素果蔬类产品、酵素粮食类产品、酵素食用菌类产品、酵素畜禽类产品、酵素鱼虾蟹类水产品,以及加工后的酵素产品等。
2.2 酵素农产品的生产及特点
酵素农产品的生产基于“根系培育不好,作物繁茂不了;只有造好了土,育好根才是栽培作物的根本之道。”酵素农产品的生产原料几乎全部来自农业生产的各种废弃物,系天然植物材料和动物材料。如针对草莓、西瓜、甜瓜等鲜食性水果,为了提高其糖度、口感和色泽,延长保质期,选用的全部肥料的发酵原材料和抑菌除虫原材料主要有鱼粉、骨粉、豆粕、米糠、中药渣、红糖、食醋、白酒等,将这些富含蛋白质、氨基酸、碳水化合物、维生素、矿物质和天然酶类的有机原料根据不同需要,设计不同配方,利用酵素菌不同发酵方式生产出相应的精品生物有机肥和菌制剂,用于水果生长发育的全过程。不再使用人工合成的化肥、农药和激素等化学成分,从而消除了药残、肥残、除草剂、激素等的污染,提高了农产品质量。
在水产养殖和畜禽养殖上,利用酵素菌技术发酵生产微生物态制剂和复合酶制剂,用作饲料添加剂,可显著提高动物自身免疫力,消化系统健康,饲料转化率高,粪尿臭味减轻,养殖环境改善,肉蛋奶品质提高。真正的酵素动物产品在养殖过程中药物、激素的使用量会逐步减少,肉蛋奶的药残、激素、重金属含量逐步降低,粪尿中也会相应减少。
4 酵素农业
4.1 酵素农业的概念
酵素农业(enzyme agriculture)是一种充分利用生物酶系来调动和调节农作物自身正常生理生化反应,激发农作物机体自然免疫力,以实现农作物最大生产潜能和农产品最佳质量的一种生产方式和管理模式。
4.2 酵素农业的基本原理
利用天然有机质材料,提高酵素菌生物发酵技术,生产出集营养、调理、植保于一体的生物产品;利用外源酶系激发内源酶系,促进生物机体内的生物酶系效力的充分表达,其自身免疫系统强大,抗逆性强,生长发育环境不易被破坏,生物始终处于最佳生长发育状态,
表现出发育更好、产量更高、品质最佳、更加天然、更有营养。
4.3 酵素农业的特点
(1)药食俱佳,道法自然。利用酵素菌技术种植的农产品摒弃了化肥、农药、除草剂、激素等的使用,其营养更多是通过发酵有机质材料生产出生物有机肥和微生物菌剂来实现,可以促使作物根系发达,吸收、转化土壤中潜在的营养,激发出固氮、溶磷和解钾的特性,微生物还可将植物根系分泌出的化感物质,尤其是自毒物质加以分解转化,克服土壤酸化、次生盐渍化和作物自毒等连作障碍。发达的根系和优质肥沃的土壤保证了农产品的质量品质,其药理成分也能充分表达。
(2)循环利用,高效环保,可持续发展。农业生产在产出农产品的同时,也会产生大量的秧蔓、秸秆、尾菜、畸形果、病残果等,畜禽养殖和水产养殖也会产生产生大量粪污,这些有机质材料均可利用酵素菌来解决,变废为宝,资源重新利用。高亮、张俊生等在山西省浮山县规模化养牛场和蔬菜示范基地进行试验研究,利用酵素菌腐植酸生物除臭技术改善了养殖环境,将除臭牛粪污与蔬菜基地中的秧蔓、参果等充分混合,采用高温固态发酵技术生产出生物有机肥,经检测质量优于NY884-2012和NY525-2012行业标准,尾菜中的寄生性病原体和粪污中的蛔虫卵被高温杀死,使用安全环保,应用于蔬菜生产,做到了园区内农业废弃物的循环利用,克服了困扰畜农的养殖环境污染问题和设施蔬菜连作障碍问题,项目于2016年通过了山西省科技厅组织的科技成果鉴定,项目总体达到国内领先水平。
(3)土壤健康,地力持续提高。2014年4月17日,国家环境保护部和国土资源部联合公布了“全国土壤污染状况调查公报”,国务院近期出台的“土壤污染防治行动计划”(“ 土十条”),保持土壤健康显得尤为重要。保持土壤健康的根源是杜绝或减少非土壤本源性物质的过量、无序投放。酵素农业倡导的是农业生产副产品经酵素菌生物转化,经无害化检测后的循环利用,作物秸秆、秧蔓、残果、尾菜等材料均来源于土壤,经生物酶转化后重新反哺土壤,不仅降低土壤容重,增加孔隙度和田间持水率,而且能补充植物营养,挖掘土壤潜在肥力,还能补充有益微生物,提升其物质转化和能量转换的效率,土壤有机质、腐植酸含量逐年提高,加之矿质营养元素的科学合理添加,土壤肥力、地力和土壤的生产性能得以保持在良好水平并且逐年提高。
5 酵素农业在现代农业中的作用
现代农业是用现代工业装备的、用现代科学技术武装的、用现代组织管理方式经营的社会化、商品化农业,在国民经济中具有较强竞争力的农业。酵素农业在现代农业中作用主要表现在以下三个方面:
 
 
一是酵素农业贯穿土壤、环境、生产、加工等环节,是以高品质安全农产品为代表,是现代农业发展的一项重要目标。现代农业离不开现代工业装备、现代科技手段和现代组织管理方式,而酵素农业正是利用现代工业装备和现代生物发酵技术,将农副产品废弃物转化成有益营养,满足作物、畜禽和水产的需要,循环利用自然材料,最大限度杜绝化石原料,有效保护资源。
    二是酵素农业生产方式是让作物、环境、土壤、养分处于自然修复状态,尽量减少人为干预措施,土壤更加肥沃,地力显著提高,生产性能显著改善,农产品质量更高,完全符合现代农业中对商品化农业的要求,只是农产品质量标准更高,单位土地可持续生产的时间更长,种植者的收益更高。
三是酵素农业让农产品更安全,人类更健康。酵素农业始终关注的是土壤调理和改良,这是抓住了农业生产的根本。健康的土壤表现在土壤物理肥力、化学肥力和生物肥力三方面协调统一,相得益彰。在健康的土壤中栽植的农作物,通常不会出现明显的植物缺素症和严重的病虫害,也不会出现诸如土壤酸化、碱化、盐渍化等连坐重茬障碍问题,农产品中维生素、矿物质、碳水化合物、蛋白质、脂肪、膳食纤维和特种营养成分含量更高,更具营养,对人类健康更有帮助。
 
6 结语与讨论
我国是历史悠久的文明古国,也是传统的农业大国,近万年的农耕生产活动是中国传统文化产生和发展的社会基础,也是几千年农耕文化产生和发展取之不尽的源泉。农耕文化是中国传统文化的重要组成部分,是中国文化的根基,它贯穿中国传统文化发展的始终。时至今日,农耕文化中的许多哲理、理念、思想和对自然规律的认知在现代的今日仍具有一定的现实意义和应用价值,值得当代人传承和发扬。农耕文化在普通农民的日常生活中,在现代农业的发展中仍起着潜移默化的作用[5]
酵素农业来源于农耕文明又与现代农业息息相关。酵素农业的提出旨在保持土壤健康,预防土壤污染,杜绝或减少化石原料的无序投入;利用酵素菌等现代生物技术高效循环利用农业废弃物,防治环境污染,节约资源;利用现代科技手段保持农产品质量安全、品质上乘,助力人类健康。酵素农业是现代农业集成出的高品位健康产业,在我国具有广阔的应用前景。
 
参考文献
    [1]李博.现代家庭农场—中国农场经济的一种发展模式[D]西南财经大学硕士学位论文,2009.
 [2]闫虹霞.我国传统农业向现代农业转变的模式研究[D]太原理工大学硕士学位论文,2005.
   [3]阎隆飞,吴显荣.酶工程在农业上的应用[J].世界农业,1984,(07):35-36,55.
   [4]高亮,谭德星.中国酵素菌技术[M].北京:中国农业出版社,2016.
   [5]夏学禹.农耕文化与现代农业论坛论文集[M].北京:中国农业出版社,2009.