平菇培養(yǎng)料發(fā)酵過程中理化性質(zhì)及物質(zhì)變化研究

周金看 趙玉陽 夏會楠 李東曉 鄭素月 王春霞

(河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生秸稈皮殼、樹枝、樹皮、木屑、畜禽糞便等農(nóng)林牧廢棄物約30 億噸，為食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了充足的資源[1]。發(fā)展食用菌栽培不僅能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，推進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，還能生產(chǎn)出美味、營養(yǎng)豐富的食用菌，是中國糧食安全的生力軍[2]。據(jù)中國食用菌協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021 年我國平菇產(chǎn)量達611.34萬噸，是我國第三大食用菌栽培品種。

平菇主要利用棉籽殼、木屑、玉米芯及作物秸稈等栽培[3]，栽培方式有生料栽培、滅菌料栽培及發(fā)酵料栽培三種。其中，發(fā)酵料栽培因成本低、操作簡單、經(jīng)濟效益高，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。然而平菇培養(yǎng)料的發(fā)酵技術(shù)是實際生產(chǎn)中根據(jù)經(jīng)驗探索而來，培養(yǎng)料發(fā)酵過程及最終質(zhì)量缺乏系統(tǒng)的研究和數(shù)據(jù)支撐，不利于平菇工廠化、規(guī)模化栽培對培養(yǎng)料發(fā)酵質(zhì)量的控制。發(fā)酵過程一旦操作失誤，將給生產(chǎn)帶來巨大損失。

理化性質(zhì)及物質(zhì)的變化可影響和反映培養(yǎng)料質(zhì)量，如水分的多少直接決定發(fā)酵質(zhì)量[4-5]；pH 過高、過低均不利于微生物生長繁殖，進而影響發(fā)酵進程[6]；電導(dǎo)率反映發(fā)酵料中可溶性鹽含量，是對食用菌產(chǎn)生毒害作用的因素之一[7]，柯斌榕等發(fā)現(xiàn)雙孢蘑菇培養(yǎng)料發(fā)酵過程電導(dǎo)率呈降低趨勢[8]。培養(yǎng)料發(fā)酵過程中，微生物不斷降解利用木質(zhì)纖維素，各種降解酶發(fā)揮了重要作用[9-10]。

本研究以玉米芯為主要原料發(fā)酵24 天，測定發(fā)酵過程中不同時期的理化性質(zhì)及物質(zhì)變化情況，旨在為改進平菇培養(yǎng)料發(fā)酵技術(shù)提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試樣品培養(yǎng)料配方為玉米芯95%、石灰2.5%、石膏2.5%，為河北邯鄲菇農(nóng)常用平菇發(fā)酵料栽培配方。由河北邯鄲魏縣菇農(nóng)于2021 年11 月2 日至2021 年11 月26 日期間在當?shù)剡M行室外建堆發(fā)酵，堆寬2 m、高1.5 m、長3 m，分別在發(fā)酵第5、12、18、24 天進行翻堆。

分別在平菇培養(yǎng)料未發(fā)酵（C-0）、發(fā)酵第5天（C-1）、發(fā)酵第12 天（C-2）、發(fā)酵第18 天（C-3）、發(fā)酵第24 天（C-4）進行取樣。一部分樣品烘干磨碎過篩，一部分樣品置于 - 80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 檢測方法

（1）含水量。采用恒重烘干法測量含水量。稱取新鮮平菇培養(yǎng)料樣品3 g 于干凈玻璃培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿置于100 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）中，烘至恒重，記錄重量為W。根據(jù)含水量計算公式：

計算結(jié)果，每個樣品3 次重復(fù)。

（2）pH。采用pH 計（雷磁pHS-3C）測量樣品pH。稱取新鮮樣品3 g 置于30 mL 無菌水中，120 r/min 震蕩浸提1 h，5 000 r/min 離心10 min，取上清液進行pH 測量，每個樣品3 次重復(fù)。

（3）電導(dǎo)率。采用電導(dǎo)率儀（雷磁DDSJ-308F）測量樣品電導(dǎo)率。稱取新鮮樣品3 g 置于30 mL 無菌水中，120 r/min 震蕩浸提1 h，5 000 r/min 離心10 min，取上清液進行電導(dǎo)率測量，每個樣品3 次重復(fù)。

（4）有機質(zhì)、碳。利用重鉻酸鉀法測量有機質(zhì)的含量，有機質(zhì)含量除以1.724 即為碳含量。具體操作步驟見《有機肥料》（NY525—2012）[11]。

（5）氮。氮含量的測定采用凱氏定氮法（格林凱瑞自動凱氏定氮儀）。具體操作步驟見《有機肥料》（NY525—2012）[11]。

（6）木質(zhì)纖維素降解酶酶活。漆酶酶活測定方法為ABTS 法，具體方法參照王強[12]。纖維素酶活、木聚糖酶活測定方法為DNS 法，具體方法參照王琳[13]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 進行數(shù)據(jù)整理作圖，SPSS 25.0 進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料含水量的變化

培養(yǎng)料發(fā)酵過程中，含水量直接影響堆體的溫度，進而影響發(fā)酵質(zhì)量。含水量過低會抑制微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)，含水量過高會使培養(yǎng)料通透性變差，進行厭氧發(fā)酵。本研究中不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料含水量變化情況如表1 所示，初始未發(fā)酵階段即C-0 時期，含水量為66.65%；由于室外發(fā)酵，受降雨影響，C-1 時期含水量顯著上升，達到73.04%；隨著發(fā)酵進程推進，水分不斷消耗及蒸發(fā)，C-2、C-3、C-4 時期含水量顯著下降，分別為71.15%、69.03%、65.24%，直至發(fā)酵結(jié)束。

表1 不同發(fā)酵階段培養(yǎng)料的含水量、pH、電導(dǎo)率

2.2 不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料pH 的變化

pH 過高或過低均會抑制發(fā)酵進程，影響發(fā)酵效率[6]。不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料的pH 見表1，培養(yǎng)料初始pH 為9.66，C-1 時期顯著上升達到10.21，這是由于微生物降解有機質(zhì)產(chǎn)生氨基酸，氨基酸又被分解生成氨氣所導(dǎo)致。隨著發(fā)酵進程推進，微生物代謝活動中產(chǎn)生的有機酸增多，C-2、C-3、C-4 時期pH 顯著降低，分別為8.92、8.56 和8.18。

2.3 不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率反映了培養(yǎng)料的鹽濃度，是判斷培養(yǎng)料是否對食用菌產(chǎn)生毒害作用的重要依據(jù)。由表1 可知，本研究中不同發(fā)酵時期平菇培養(yǎng)料電導(dǎo)率呈波動降低趨勢，未發(fā)酵時為1 419.63 us/cm，C-1 時期顯著下降至686.75 us/cm，C-2 時期上升至873.5 us/cm，C-3 時期又降為755.88 us/cm。電導(dǎo)率上升可能是有機質(zhì)被微生物降解產(chǎn)生無機鹽導(dǎo)致；下降則可能是因為微生物分解利用部分有機鹽，致使鹽濃度下降。發(fā)酵結(jié)束時培養(yǎng)料電導(dǎo)率為930 us/cm，小于4 ms/cm，因此不會對食用菌的生長產(chǎn)生毒害作用。

2.4 不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料有機質(zhì)、碳、氮含量的變化

培養(yǎng)料發(fā)酵過程有機質(zhì)含量過高，容易造成厭氧發(fā)酵，使培養(yǎng)料發(fā)臭[14]。稻草、秸稈等是用于栽培食用菌的主要碳源，適宜的碳含量，有利于縮短發(fā)酵時間，提高發(fā)酵質(zhì)量[15]。表2 為不同發(fā)酵時期有機質(zhì)和碳的含量變化情況，兩者變化趨勢一致，隨著發(fā)酵的進行，微生物不斷利用營養(yǎng)物質(zhì)滿足自身生長繁殖的需求，培養(yǎng)料中有機質(zhì)、碳的含量逐漸減少。C-0 至C-2 時期嗜熱微生物發(fā)揮主要作用，大量分解有機質(zhì)，使有機質(zhì)含量顯著下降。C-3 和C-4 時期有機質(zhì)和碳含量變化不顯著，說明培養(yǎng)料發(fā)酵到達終點，大分子物質(zhì)基本被降解完全。

表2 不同發(fā)酵階段培養(yǎng)料的有機質(zhì)、碳、氮含量

發(fā)酵過程中微生物消耗利用碳源的同時也要利用氮源，氮含量低，微生物繁殖速度低，有機物降解速度變慢，發(fā)酵時間延長；氮含量高易造成氮揮發(fā)降低肥效[16]。本研究中氮含量整體呈上升趨勢（表2），C-0 至C-2 時期隨著發(fā)酵的進行，堆體溫度逐漸升高，嗜熱微生物生長繁殖加快，大量微生物將有機質(zhì)分解為低分子的氨、尿素、硝酸鹽等可溶性的無極化合物和有機酸，而使氮含量持續(xù)增加。C-3 時期氮含量下降可能由于在此階段氮以氨氣形式揮發(fā)了一部分。

2.5 不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料木質(zhì)纖維素降解酶活性的變化

玉米秸稈、稻草及木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的木質(zhì)纖維素，發(fā)酵過程中微生物不能直接利用，需要經(jīng)過特定的酶降解為小分子物質(zhì)后才能進行吸收利用[17]。木質(zhì)纖維素的降解主要依賴漆酶、纖維素酶和木聚糖酶。如表3 所示，本研究中漆酶、纖維素酶、木聚糖酶3 種酶的活性變化趨勢基本一致，即發(fā)酵初始階段酶活性較高，隨發(fā)酵進程先降低，在進入高溫期（C-2 至C-3 時期）后微生物降解酶活性升高；發(fā)酵即將完成時，木質(zhì)纖維素被完全降解，降解酶活性降低。3 種酶中，以漆酶活性最高，其降解木質(zhì)素能力較強；其次是木聚糖酶，木聚糖酶對半纖維素的降解發(fā)揮關(guān)鍵作用。

表3 不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料3 種木質(zhì)纖維素酶活性

3 討論與結(jié)論

隨著生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，食用菌栽培在推動農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用方面發(fā)揮了重要作用[18]。采用發(fā)酵料栽培與滅菌料相比，無需進行高溫滅菌，即節(jié)約了資源成本，又簡單、快速、高效。但培養(yǎng)料發(fā)酵技術(shù)是菇農(nóng)憑借實際生產(chǎn)經(jīng)驗形成，沒有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)程和參數(shù)，不利于技術(shù)的推廣和把控，對發(fā)酵過程中培養(yǎng)料的理化性質(zhì)及物質(zhì)的變化規(guī)律進行探索可為其提供技術(shù)支撐。

本研究以玉米芯為主要原料進行為期24 天的發(fā)酵，探究發(fā)酵過程中理化性質(zhì)及物質(zhì)的變化情況。結(jié)果顯示，在整個發(fā)酵過程中培養(yǎng)料含水量保持在65.24%～73.04%，呈先升高后降低趨勢。排除室外降雨影響，與李海渤等[19]在以牛糞和靈芝菌渣為發(fā)酵原料進行發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)不同處理組含水量隨發(fā)酵時間增加均逐漸下降的研究結(jié)果一致。

pH在C-1時期出現(xiàn)上升可能是因為溫度升高，加快了微生物對有機物的利用，分解產(chǎn)生的副產(chǎn)物氨導(dǎo)致pH 上升；后期微生物利用有機物產(chǎn)生酸性物質(zhì)使pH 下降[20]。王柯壇等[21]以玉米秸稈為原料進行發(fā)酵，發(fā)酵前期pH 呈上升狀態(tài)，然后下降。不同比例的羊糞和玉米秸稈發(fā)酵時，其pH 變化均為先升高后降低[22]，與本研究結(jié)果一致。

電導(dǎo)率是判斷培養(yǎng)料發(fā)酵是否完成的標準之一，研究發(fā)現(xiàn)，添加微生物菌劑可以改變發(fā)酵質(zhì)量，使電導(dǎo)率呈下降趨勢[23]；使用鵝糞和玉米秸稈為原料進行發(fā)酵，電導(dǎo)率呈快速下降趨勢[24]，均與本研究結(jié)果基本一致。電導(dǎo)率下降可能與有機物的分解及氨的揮發(fā)有關(guān)。

碳源、氮源是微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)。整個發(fā)酵階段微生物不斷消耗有機物，有機質(zhì)含量呈下降趨勢。平菇培養(yǎng)料發(fā)酵過程中氮含量整體呈上升趨勢。在高溫期，氮會以氨氣的形式揮發(fā)，氮含量略有下降，在發(fā)酵后期，在硝化細菌的作用下，NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-，硝態(tài)氮的含量又會增加。研究報道以牛糞和玉米秸稈為原料進行發(fā)酵時氮含量整體呈上升趨勢[25]，與本研究結(jié)果基本一致。

木質(zhì)纖維素是一種由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素交織而成的復(fù)雜聚合物，資源化利用率低，通過微生物進行降解是非常有效的方法[26-27]。本研究結(jié)果顯示，培養(yǎng)料發(fā)酵過程漆酶、纖維素酶、木聚糖酶三種酶活性整體均呈先降低后升高再降低的趨勢。朱屹等[28]在探究番茄秸稈和玉米秸稈發(fā)酵過程中微生物變化時發(fā)現(xiàn)纖維素酶、木聚糖酶活性在發(fā)酵前3 周呈上升趨勢，之后逐漸下降。

平菇培養(yǎng)料發(fā)酵過程受水分、溫度、酸堿度等多種因素影響，任何一種因素都能夠影響發(fā)酵進程，決定發(fā)酵質(zhì)量，進而影響平菇栽培效益。本研究通過探究不同發(fā)酵階段平菇培養(yǎng)料理化性質(zhì)及物質(zhì)的變化情況，為改進平菇培養(yǎng)料發(fā)酵技術(shù)提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。