我國香菇菌棒脫袋裝備研究現(xiàn)狀與展望*

馬士鑫，宋衛(wèi)東，王明友，丁天航，王教領(lǐng)，周德歡

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

香菇(Lentinula edodes)，又稱冬菰、香蕈、香菰、珍珠菇[1]，起源于我國，是我國久負盛名的食用菌，目前已成為世界第二大菇，被人們譽為“菇中皇后”[2]。香菇不僅含有豐富膳食纖維、蛋白質(zhì)、礦物微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)，具有極高的食用價值，且同時含有香菇核酸、香菇多糖等多種生物活性化合物，具有抗菌消炎、降低膽固醇、增強身體抵抗力等藥用價值[3-7]。據(jù)中國食用菌協(xié)會統(tǒng)計[8]，2019年我國食用菌總產(chǎn)量達到39 338.7 kt，其中香菇產(chǎn)量達到11 159.4 kt，占全球香菇總產(chǎn)量的90%以上。另據(jù)中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)顯示，2019年我國食用菌出口679.7 kt，創(chuàng)匯36.35億美元，其中香菇出口94.4 kt，創(chuàng)匯15.95億美元。我國成為世界香菇產(chǎn)量最大的國家，同時也是最大的香菇消費國和出口國[9]。

袋料栽培是我國主要的香菇栽培方式[10]，與其他木腐生菌類栽培流程工藝不同的是，香菇袋料栽培過程中需要有轉(zhuǎn)色工序[11]。轉(zhuǎn)色就是指香菇菌棒表面白色的菌絲在一定條件下逐漸變成一層褐色的菌皮，形成的褐色菌皮不但對菌棒有保護作用，而且有利于出菇[12-13]。目前，最常采用的轉(zhuǎn)色方式有兩種，一種是脫袋轉(zhuǎn)色，就是將菌棒外包裹的菌袋適時脫掉后再進行轉(zhuǎn)色，脫袋要準確把握時機，即待菌絲長滿菌袋并且接種穴處有些褐色時[14]，脫袋太早了不易轉(zhuǎn)色，太晚了菌絲老化，造成雜菌污染，香菇原基分化困難[15-16]；另一種是袋內(nèi)轉(zhuǎn)色，就是通過打孔透氣的方式促進袋內(nèi)轉(zhuǎn)色，待轉(zhuǎn)色完成后適時脫袋出菇，脫袋也要準確把握時機，即在菌棒達到生理成熟時，脫袋過早菌絲成熟度不夠會導(dǎo)致香菇畸形[17]，脫袋過晚菌絲成熟度過高會導(dǎo)致爆發(fā)出菇[18]。

由此可見，脫袋作為轉(zhuǎn)色或出菇前的一道工序至關(guān)重要，直接影響到后續(xù)香菇生長的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前，香菇菌棒脫袋基本以人工為主，菌棒成熟時期集中，脫袋窗口期短，隨著香菇產(chǎn)量的增加，傳統(tǒng)人工脫袋方式存在的問題日益突顯：人工長時間持刀作業(yè)，易疲勞，無法保證割口深度的一致性，割口過深易損壞菌皮；由于菌絲已布滿整個菌袋，菌棒和菌袋之間存在較大的粘附力，脫袋動作過快易擦傷菌絲；隨著中國逐漸邁入人口老齡化，人口紅利快速消失，人工成本迅速上升。香菇菌棒脫袋作為香菇生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其機械化程度直接制約著香菇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此迫切需要研發(fā)出適合我國香菇栽培模式的菌棒脫袋裝備，提高作業(yè)效率，減少損傷率，降低生產(chǎn)成本，從而促進我國香菇菌業(yè)高質(zhì)高效的發(fā)展。本文綜述了國內(nèi)香菇菌棒脫袋裝備的研究發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)分析了現(xiàn)有香菇菌棒脫袋的不同機械裝備及其主要優(yōu)缺點，最后提出了我國香菇菌棒脫袋裝備未來發(fā)展的對策與建議。

1 香菇菌棒脫袋裝備研究現(xiàn)狀

我國香菇產(chǎn)量占到世界總產(chǎn)量的90%以上，是最大的香菇生產(chǎn)國和出口國[19]。國外對于香菇的研究，除少量關(guān)于香菇干制與加工[20]以及生物吸附特性[21-22]的研究外，主要集中于香菇食用以及藥用價值[23-24]的研究，對于香菇生產(chǎn)過程機械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究較少，有關(guān)香菇菌棒脫袋技術(shù)與裝備的研究更是鮮見有報道；而國內(nèi)對于香菇菌棒脫袋裝備的研發(fā)也起步較晚，正處于初級階段，最早是從菌棒破袋機開始研究的。

1.1 菌棒破袋裝備

葉偉俊[25]研究并設(shè)計了一種食用菌的菌棒破袋機，如圖1所示。該機主體結(jié)構(gòu)包括有工作架和放置于工作架上的菌棒工作板和菌棒推動擋板，其中菌棒工作板的上端面還設(shè)置有菌棒放置區(qū)域和菌棒破袋區(qū)域，其中菌棒破袋區(qū)域上均勻分布有破袋釘。工作時，將菌棒安放在菌棒工作板的菌棒放置區(qū)域，人工移動菌棒推動擋板帶動菌棒朝破袋區(qū)域滾動，從而達到破袋的效果。該機初步實現(xiàn)了菌棒破袋半機械化，具有破口位置均勻等優(yōu)點。但是，由于菌棒需要在密集排列的破袋釘上滾動破袋，使得菌棒表面菌皮受到一定程度的破壞，易造成霉菌污染。

圖1 食用菌的菌棒破袋機

汪飛等[26]在葉偉俊研究的基礎(chǔ)上，進一步研究，針對菌棒滾動破袋方案易破壞菌皮的缺點設(shè)計了一種菌棒破袋機，如圖2所示。該機在滾輪上固定有多個向上彎曲的鉤齒，工作時，將菌棒放置在轉(zhuǎn)板上，再移動菌棒使菌棒外包裹的菌袋插入到鉤齒中，轉(zhuǎn)動滾輪對菌棒實施破袋，由于鉤齒的彎曲造型，在一定程度上保護了菌棒表面菌皮不受破壞。

圖2 食用菌菌棒破袋機

蘇立勇等[27]設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對不同規(guī)格菌棒的阻擋定位控制的菌棒破袋機，以便在最佳的位置進行破袋作業(yè)。如圖3所示，該機采用兩片電動切割鋸片進行破袋，破袋效率得到了提高，同時割口數(shù)目減少到兩條，有效地避免了大面積菌皮損傷。

圖3 食用菌菌棒破袋機

菌棒破袋機只是實現(xiàn)了劃破菌袋的工序，需要人工輔助脫掉菌袋，達不到理想的效果，但在一定程度上彌補了人工劃破菌袋易疲勞、危險程度高的不足之處，其中所采用的破袋方案也為研制香菇菌棒自動脫袋機提供了一定的參考價值。

1.2 菌棒脫袋裝備

近幾年，為了進一步節(jié)約成本，提高脫袋效率，降低勞動強度，菌棒脫袋裝備開始得到重視，并進行了初步研發(fā)設(shè)計，按脫袋作業(yè)方式劃分主要有機械撕扯式脫袋裝備和氣力吸取式脫袋裝備，但大部分仍處于理論試驗階段，真正能推廣使用的機型甚少。

1.2.1 機械撕扯式脫袋裝備

黃道洪等[28]設(shè)計了一種工廠化生產(chǎn)香菇的菌苞脫袋機。該機主要由送料軌道和菌苞脫袋部件構(gòu)成。工作時，菌苞脫袋部件通過彈簧割刀、垂直和水平安置的快速割刀將菌袋割開，然后撕袋裝置將菌袋與菌棒分離開，甩袋裝置將分離開的菌袋掛在掛袋裝置上，最后吹氣管將菌袋吹落，避免了人工將菌袋取出的麻煩。該機利用多個傳感器和電磁閥實現(xiàn)了脫袋即時動作，自動化程度較高，但在撕袋甩袋過程中，會將菌袋內(nèi)的栽培基質(zhì)甩的到處都是，造成栽培基質(zhì)的浪費。

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉靖宇等[29]設(shè)計了一種香菇菌棒脫袋裝置，如圖4所示。工作時，位于主筒內(nèi)的菌棒由直線驅(qū)動裝置推動前進，先由縱割單元和環(huán)割單元完成割袋，然后下拉夾單元夾住下拉完成割袋后的菌袋扎口，最后直線驅(qū)動裝置繼續(xù)推動菌棒前進，完成脫袋?？v割刀片和環(huán)割刀片都配置有彈簧，可根據(jù)切割阻力上下浮動，自主調(diào)節(jié)切割深度，減少菌棒表面菌皮的損傷。

圖4 香菇菌棒脫袋裝置

李武[30]設(shè)計了一種食用菌菌棒脫袋機，如圖5所示。工作時，傳送機構(gòu)首先將位于前置托盤上的菌棒送至后置托盤，當菌棒通過割袋機構(gòu)時，其上的割袋刀片將菌袋割開，完成割袋工序，然后支架上的電動夾爪將菌袋扎口夾住，最后傳送機構(gòu)回撤時將菌袋剝離，完成脫袋工序，整個過程動作迅速，在一定程度上提高了脫袋效率，但由于菌絲已布滿整個菌袋，菌棒和菌袋之間存在較大的粘附力，在撕扯過程中會擦傷菌絲。

圖5 食用菌菌棒脫袋機

以上機械撕扯式脫袋裝備在脫袋的過程中需要使用機械夾等剛性機構(gòu)夾住菌袋扎口等部位，然后將菌袋以撕扯的方式脫離菌棒，由于菌絲已布滿整個菌袋，菌棒和菌袋之間存在較大的粘附力，在撕扯過程中會擦傷菌絲。

1.2.2 氣力吸取式脫袋裝備

為了避免機械撕扯脫袋過程中對菌絲的損傷，章禮通[31]研究設(shè)計了氣力式香菇菌苞脫袋裝置。工作時，先使用錐形刀對菌袋兩端進行切割，然后使用切割刀對菌棒軸向進行切割。該裝置在切割刀上設(shè)置有多個吸附孔，如圖6所示，在切割刀對菌棒軸向進行切割的時候，通過吸附孔對菌袋吸附帶走，不會造成菌皮損傷。由于需要在切割刀內(nèi)部開設(shè)多個吸附孔，所以造成了切割刀制造工藝復(fù)雜且造價過高，同時吸附效果也有待進一步試驗確定。

圖6 切割刀

趙爽[32]設(shè)計了一種氣力式菌棒脫袋系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)在進行割袋作業(yè)時，所采用的刀片露出長度是固定值，且配置有彈簧，保證在切割過程中躲避凸起，避免割傷菌皮及菌絲。在進行脫袋作業(yè)時，應(yīng)用位于菌棒兩側(cè)的吸盤將割開的菌袋掀起來，然后取袋機構(gòu)將菌袋拉出。由于香菇菌棒表面凹凸不平，兩側(cè)的吸盤不能完全形成密閉空間，從而導(dǎo)致脫袋成功率較低，對其研究尚需進一步改善和提高。

圖7 菌棒脫袋系統(tǒng)

1.2.3 其他類型菌棒脫袋裝備

章禮通[33]設(shè)計了一款香菇菌棒自動化脫袋機，如圖8所示。工作時，處于豎直狀態(tài)的帶袋菌棒在自由下落過程中，刮袋刀進入菌棒外表面和菌袋之間，菌棒就進入到脫袋圓筒內(nèi)，而菌袋則套在脫袋圓筒的外壁上，脫袋圓筒外壁的周向上安裝有破袋刀片，在菌棒下落的過程中，菌袋在豎直方向上被破開，然后在重力的作用下自然下落。為保證菌棒始終以豎直的姿態(tài)下落，防止菌棒被刮袋刀損壞，設(shè)計了導(dǎo)向槽和螺旋桿，螺旋桿旋轉(zhuǎn)時不僅能對菌棒進行定向，還能帶動菌棒向下移動。但因位于菌棒軸線處的螺旋桿需要動力輸入，需要使用破棒刀在菌棒豎直方向上割出一道凹槽使傳動軸通過，菌棒損壞較為嚴重，易造成霉菌污染，有待進一步解決。

圖8 香菇菌棒自動化脫袋機

2 存在問題

經(jīng)對現(xiàn)有菌棒脫袋裝備比較分析發(fā)現(xiàn)(表1)，我國在菌棒脫袋技術(shù)與裝備研發(fā)方面起步較晚，現(xiàn)正處于初級研發(fā)階段，取得的科研成果數(shù)量有限，主要以技術(shù)專利為主，缺乏有關(guān)香菇菌棒力學(xué)特性、菌袋氣吸特性等基礎(chǔ)研究理論。其次，菌棒脫袋裝備研發(fā)主體極其不合理，主要以菇農(nóng)和中小型企業(yè)為主，科研實力雄厚的大專院校和科研院所取得的研究成果僅占全部研究成果的10%左右，由于菇農(nóng)和中小型企業(yè)相較于大專院校和科研院所研發(fā)基礎(chǔ)差，同時又受到高層次技術(shù)人才和科研經(jīng)費的限制，菌棒脫袋裝備的研發(fā)設(shè)計主要以實踐生產(chǎn)經(jīng)驗為依據(jù)，缺乏相關(guān)基礎(chǔ)研究理論的指導(dǎo)，大部分裝備還主要處于理論試驗階段，存在較多不足，其具體如下。

1) 破袋技術(shù)相對落后。目前，主要采用破袋釘滾動破袋和彈簧割刀劃破菌袋的技術(shù)方案，兩者會對菌棒表面的菌皮甚至是培養(yǎng)基質(zhì)造成不同程度上的損壞，易造成霉菌污染，影響到香菇產(chǎn)量。

2) 脫袋成功率低、效果不理想。采用的脫袋方式有機械撕扯和氣力吸取，兩者都存在不可避免的弊端。機械撕扯是先使用機械夾等剛性機構(gòu)夾住菌袋扎口等部位，然后將菌袋撕扯下來，由于菌袋與菌棒之間有粘連，在一定程度上會將菌棒表面的菌絲擦傷，影響香菇質(zhì)量；氣力吸取是利用吸附孔或者吸盤產(chǎn)生的負壓將菌袋吸取下來，由于菌棒表面凹凸不平和菌袋破損，無法形成密閉空間導(dǎo)致脫袋成功率低。

3) 脫袋裝備功能不完善。菌棒脫袋裝備已具有香菇菌棒破袋工序和香菇菌棒脫袋工序，但是缺少菌種去除和菌袋收集工序，現(xiàn)有裝備需要人工輔助去除菌種以及接種口處殘留菌袋并收集菌袋，勞動強度大，機械化和自動化程度有待提高。

4) 工作連續(xù)性和穩(wěn)定性較差，脫袋效率低。缺乏同一制造標準，菌棒脫袋裝備設(shè)計制造簡陋，脫袋過程中易發(fā)生故障，嚴重影響工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

表1 國內(nèi)幾款香菇菌棒脫袋裝備Tab. 1 Several domestic Lentinus edodes stick debagging equipment

3 對策與建議

1) 加大菌棒脫袋裝備研發(fā)資金投入。政府部門要統(tǒng)籌謀劃，積極發(fā)揮引導(dǎo)和帶動作用，爭取多渠道研發(fā)資金投入，提高科研院所、企業(yè)以及相關(guān)學(xué)者們的研發(fā)積極性，努力形成以政府投入為引導(dǎo)、大型食用菌裝備企業(yè)投入為主體、菇農(nóng)投入為補充的多元化菌棒脫袋裝備研發(fā)投入機制，以滿足菌棒脫袋裝備研發(fā)項目對資金的需求。

2) 加強理論與實踐融合共進。實施創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃，加大對專業(yè)人才培養(yǎng)的投入力度，提高科研人員專業(yè)素質(zhì)；在深入分析菌棒脫袋裝備生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，加大香菇菌棒力學(xué)特性、菌袋氣吸特性等基礎(chǔ)研究理論，以建立一套完善、系統(tǒng)的理論體系，使得理論與實踐緊密結(jié)合，為今后的菌棒脫袋裝備研發(fā)工作提供理論指導(dǎo)。

3) 著力推進產(chǎn)學(xué)研一體化。食用菌裝備企業(yè)應(yīng)積極與科研實力雄厚的大專院校、科研院所合作，充分發(fā)揮三者各自的資源優(yōu)勢，逐步建立起一套強大的集研究、開發(fā)、生產(chǎn)于一體的先進體系，并在運行過程中表現(xiàn)出三者綜合優(yōu)勢。不僅滿足了食用菌裝備企業(yè)的技術(shù)需求，又能實現(xiàn)大專院校的人才培養(yǎng)目標，還能有效推動香菇菌棒脫袋技術(shù)與裝備的創(chuàng)新。

4) 完善菌棒脫袋裝備相關(guān)技術(shù)研究，加強自動化、智能化設(shè)計。引進借鑒其他領(lǐng)域的新技術(shù)，將其消化吸收再創(chuàng)新后應(yīng)用到菌棒脫袋裝備上，以進一步減少菌棒表面菌皮損傷率，保證菌棒轉(zhuǎn)色質(zhì)量，全面提升香菇產(chǎn)量；加強菌棒脫袋裝備的自動化、智能化設(shè)計，設(shè)計全自動菌種去除裝置與菌袋收集裝置，形成智能、連續(xù)的菌棒脫袋作業(yè)機組，以全面提升菌棒脫袋作業(yè)質(zhì)量和效率。

5) 加強食用菌全程機械化示范基地建設(shè)。實踐表明，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械化示范基地在推廣應(yīng)用新農(nóng)機技術(shù)和機具裝備方面發(fā)揮了重要作用。因此，加強食用菌全程機械化示范基地建設(shè)將有助于菌棒脫袋機械化發(fā)展。圍繞香菇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求和目標，在食用菌全程機械化示范基地內(nèi)立項一批菌棒脫袋科研項目，有針對性地示范并推廣一批高效、低損傷、低成本的菌棒脫袋裝備，通過示范帶動基地周邊區(qū)域菇農(nóng)使用新技術(shù)新裝備的積極性，進而提高菌棒脫袋機械化水平。

4 結(jié)語

香菇產(chǎn)業(yè)快步朝著產(chǎn)業(yè)化、集團化和現(xiàn)代化方向邁進[34-36]，具有良好的發(fā)展態(tài)勢。脫袋作為轉(zhuǎn)色前的一道工序至關(guān)重要，直接關(guān)系到轉(zhuǎn)色質(zhì)量進而影響到香菇產(chǎn)量，其機械化發(fā)展水平直接制約著香菇菌業(yè)發(fā)展，菌棒全自動脫袋裝備必然成為研發(fā)的重點環(huán)節(jié)，得到政府部門、食用菌裝備企業(yè)以及科研院所的高度重視。為促進菌棒機械化脫袋替代手工勞動，實現(xiàn)香菇菌業(yè)機械化、設(shè)施化、工廠化栽培生產(chǎn)，未來主要研究內(nèi)容和研究方向應(yīng)為完善菌棒脫袋理論研究，建立一套系統(tǒng)的、完整的理論體系，夯實菌棒脫袋裝備研發(fā)基礎(chǔ)；攻克菌棒破袋、菌棒脫袋等關(guān)鍵技術(shù)難點，基本實現(xiàn)香菇菌棒的高效、低損傷、低成本的脫袋；應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等前沿技術(shù)，完善菌棒脫袋裝備相關(guān)技術(shù)研究，實現(xiàn)菌棒脫袋環(huán)節(jié)全程機械化和智能化。