菌糠的資源化研究與開發利用進展

劉寧 張桂芹 王奉強

摘要 食用菌產業作為國家“十三五”規劃實施的優勢特色產業和脫貧攻堅產業，近年來發展迅速，隨之而來的菌糠廢棄物越來越多，為生態環境和產業可持續發展帶來沉重負擔和壓力。為了緩解這個矛盾，眾多學者圍繞這一問題展開了各種探索研究，力求使菌糠變廢為寶，成為一種生物質資源被充分利用。綜述了目前菌糠的開發利用方式，并就此進行淺析，以期為菌糠資源化高效利用提供思路。

關鍵詞 菌糠;生物質資源;食用菌廢棄物;生物質材料

中圖分類號 X712文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）14-0007-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract As an advantageously characteristic industry and a poverty alleviation industry implemented by the national 13th FiveYear Plan， the edible fungi industry has developed rapidly in recent years， with more and more mushroom wastes， which has brought a heavy burden and pressure to the ecological environment. Many scholars have carried out various explorations and studies around this issue in order to make the spent mushroom substrate waste become a kind of biomass resources to reuse. This paper reviews the current development and utilization of spent mushroom substrate， and analyzes it for providing ideas for the efficient use of this resource.

Key words Spent mushroom substrate;Biomass resources;Edible fungi waste residue;Biomass material

作者簡介 劉寧（1981—），女，河南鄲城人，助理研究員，博士，從事農林廢棄物資源化利用，森林和土壤生態學研究。*通信作者，講師，博士，從事生物質材料研究。

收稿日期 2019-01-16

“十三五”規劃實施以來，國家發布《關于深入推進農業供給側結構性改革加快培育農業農村發展新動能的若干意見》（簡稱2017年中央1號文件），將食用菌列入優勢特色產業之一。在國家精準扶貧、鼓勵農產品出口等相關政策的刺激下，2017年食用菌產業繼續保持產量增長和結構調整兩大趨勢，據中國食用菌協會數據統計，2017年全國食用菌總產量3 712萬t，較2016年增長3.21%，產量在100萬t以上的省份有豫、閩、魯、黑、冀、吉、蘇、川、陜、贛、鄂和遼等，年產量約為3 059萬t，占全國食用菌總產量的82.41% [1]?？晒浪憔房偖a量或超6 000萬t，并且伴隨國家農業供給側結構性改革的推進，預計這一產業局面還將持續增大。面對如此豐富的菌糠資源，據黑龍江省科顧委[2]調查統計，黑龍江省的菌糠絕大多數被廢棄，造成資源浪費和巨大的生態壓力，至今仍無法得到有效解決。雖然不同培養基質形成的菌糠成分和含量存在差異，但其中的大量纖維素、半纖維素和木質素等粗纖維[3-7]及粗脂肪、粗蛋白等營養物質和礦物質元素[8-15]，仍具有可二次開發利用的巨大潛力。

目前，國內外已有較多關于菌糠作為二次資源的研究，但多數集中在農業、能源以及功能吸附助劑等方面，并且研究的深淺不一，缺乏大宗高效利用的可行方式。筆者圍繞國內外將菌糠作為二次資源的研究開發與利用進行了梳理和分析，期望為切實有效地二次開發利用菌糠資源提供參考。

1 菌糠資源的研究與開發現狀

1.1 畜禽飼料

菌糠經干燥和粉碎及其他工藝處理后，可作為畜禽等動物的飼料使用。菌糠的發酵產物和有益菌可提高動物消化吸收率和免疫力，并阻礙動物體內的病原體繼續繁殖[16-17]。用含70%草粉香菇菌糠和全草粉香菇菌糠分別替代5%的麩皮制成豬的日糧配方，研究發現豬的行為表現、增重速度、飼料轉化率和瘦肉率與對照組無明顯差異，且飼料成本降低，收入有少許增加，分別為23.03元和155.31元，說明以菌糠代替部分精飼料是安全可行的[18]。平菇菌糠作為一部分飼料的替代物，奶牛每日奶產量可提高4.9%;替代原有飼料的10%～30%，飼養成本明顯降低，且可提高牛的體重增加速度[29-20]。平菇菌糠和金針菇菌糠替代部分鵝和魚的喂養飼料，鵝和魚的生長發育效果明顯[21-22]。杏鮑菇、香菇、金針菇、蛹蟲草、滑菇、平菇等6種菌糠均可作為飼料的添加料使用，從總氨基酸含量上看，蛹蟲草、香菇、杏鮑菇和金針菇菌糠含量較高，適合作精細飼料的填料[23]。張瑩瑩[24]分別將50%的玉米秸稈青貯和杏鮑菇菌糠與50%精飼料混合，發現菌糠對肉牛生產性能的作用近似于玉米秸稈青貯，但對瘤胃發酵和血清生化指標的影響低于玉米秸稈青貯。用3%～9%的菌糠部分替代飼料飼養生長期肉兔，通過對血液血清生化指標數據的分析發現菌糠可以提高肉兔對飼料的消化吸收能力并降低肉兔心臟及肝臟的發病率[25]。以采摘3茬的杏鮑菇菌糠為原料，選取黑曲霉、枯草芽孢桿菌和嗜酸乳桿菌3株菌種通過優化發酵條件，可提高杏鮑菇菌糠的營養價值，且在生長豬飼料中添加10%的杏鮑菇菌糠為宜[26]，而在另一項肉羊育肥試驗研究中，秸稈占比約為50%的杏鮑菇基質所得菌糠以20%比例添加入飼料中比較合適[27]。杏鮑菇菌糠配制全混合日糧顆粒的適宜用量為12%～20%，波爾山羊羔羊食用該飼料后的日增重可達0.122～0.137 kg，血液生理生化指標正常[28]。在胡須雞飼糧中添加6%～8%的桑枝食用菌菌糠，可達到最佳生產效益[29]。李志濤[30]選?。?5±2）日齡體重相近的商品肉兔90只，白靈菇菌糠發酵后替代基礎日糧中40%、60%、80%、100%的草粉，發現菌糠可100%替代草粉，飼料轉化率、營養物質消化率顯著提高（P<0.05），肉兔的生長性能最佳。杏鮑菇菌糠顆粒飼料與玉米秸稈顆粒飼料相比，對晉中綿羊瘤胃發酵、屠宰性能和血液指標無顯著差異，但對其生長性能、養分消化率、氮平衡、空腸遠端絨毛長度及產琥珀酸絲狀桿菌有負面影響[31]。Zhang等[32]發現FMBH代替64%～80%膳食魚粉可以提高異源銀鯽的生長、消化酶活性和抗氧化能力。菌糠雖可部分替代或添加進動物的日糧飼料，而對于超高的菌糠產量和區域經濟來說，消化處理的負擔和壓力仍然較重。

1.2 土壤修復劑和堆肥

菌糠中含有的氮磷鉀、有機物及微生物等可以在一定程度上豐富植物根際微生物多樣性，提高微生物活性，促進土壤動物活動，活躍土壤酶活性，增加土壤孔隙度，改善土壤結構，增大土壤持水性能，提高土壤肥力，進而提高農作物產量[33-41]。在3種不同鹽敏感性蔬菜栽培實驗中，菌糠加入到泥炭培養基中可提高系統的pH、鹽分含量、宏觀和微量營養素濃度等，從而改善土壤的微生物環境和理化性質[42]，并且能提高微生物活性，有利于農藥降解[43]。

將菌糠施入大豆田土壤耕層內，其土壤中速效磷、有機質含量增加，同時大豆植株根瘤數量、生物學產量、結莢率、單株粒數、百粒重都明顯提高，可增產16.3%～25.6%[44]。當土壤中的菌糠添加量為30%時，金魚草、綠葉雞冠、串蘭和矮牽牛4種園林花卉長勢最好，明顯改善其土壤理化性狀，增加有益微生物的數量[45]。種植小白菜的土壤經過菌糠與鏈霉菌和巨大芽孢桿菌混合處理后，其土壤有效性氮、磷含量和酶活性增加，土壤保水力提高，小白菜的產量也相應提高[46]。腐熟的平菇菌糠與腐熟的雞糞或羊糞混合作底肥的配方在改善土壤的理化性質、增加土壤養分、提高土壤酶活性和豐富土壤微生物群落等方面效果顯著[47]。用雙孢蘑菇菌糠處理土壤，能顯著增加土壤中細菌、放線菌數量，并可抑制真菌（有害菌）的繁殖[48]。以菌糠為載體通過解磷菌、解鉀菌和固氮菌發酵制備微生物菌肥，可分解土壤中的無機磷和鉀，并有效固定氮元素[49]。姬松茸菌糠可使蘇打鹽堿土中鹽分和主要陽離子的含量組成向優化土壤結構方向轉化，可降低蘇打鹽堿土的pH和堿化度，并且可提高種植在該改性土上的牧草的地上部生物量[50]。

諸葛誠祥[51]研發一種菌糠降解菌劑能使菌糠堆肥的腐熟期縮短6 d，并且在堆肥微生物群落中呈現一定的演替規律。在堆肥處理時添加菌糠能縮短進入高溫期的時間，有利于各處理堆肥的脫水，增加菌糠的添加比例，各處理的干物質降解率和有機碳損失率均降低，全磷、全鉀含量在堆肥后持續增加的幅度逐漸減小，當菌糠的添加比例大于0.3時，有利于減少豬糞渣堆肥過程中NH3的排放，堆肥36 d腐熟后其總養分和有機質均符合NY 525—2012標準要求[52]。菌糠發酵物能夠促進細菌與放線菌的生長定植，從而改善土壤微環境，對植物生長具有潛在的積極作用，并且發酵菌糠拌土比例為10%且拌土時間為6 d時對黃瓜立枯病及枯萎病的防治效果最高，分別達到了85.6%和74.3%[53]。選擇生物防治木霉在食用菌菌糠上進行發酵，所得木霉發酵物作為新型的土壤添加劑應用于設施黃瓜栽培中，可預防黃瓜土傳病害的發生[54]。

由具有耐鹽和耐 pH 特性的固氮菌 Azotobacter chroococcum N1、解鉀菌 Bacillus subtilis K3 和解磷酵母 Pichia farinosa FL7 構成的根際微生物群落將香菇菌糠發酵成具有環境耐受能力的菌糠菌肥用于修復濱海新區不同地點的鹽堿土壤，能顯著提高土壤中無機氮、有效磷、速效鉀的含量，并增強植物的抗鹽性，促進植物生長和營養吸收;另外，菌糠混合發酵解磷酵母 P.farinosa FL7、固氮菌 A.chroococcum N1 和解鉀菌 B.subtilis K3 制備生物肥料，能夠增加重金屬離子污染土壤中水溶性重金屬的固定化效率和重金屬磷酸鹽污染土壤中重金屬的生物有效性[55]。Chiu等[56]發現平菇菌糠可在不到1個月的時間內降解土壤中部分石油殘留物并降低其毒性。土壤被多環芳烴污染后，加入菌糠對減輕有機物污染也有改善作用[57-59]。在土壤中添加生物炭有助于緩解全球變暖氣候變暖，提高土壤質量，提高作物產量[60-62]。

1.3 二次培養基

把泥炭和菌糠按照一定比例混合后，可作為植物種子萌發和生長的培養基[42]。將菌糠作為雙孢菇培養基代替糞草，生物學轉化率提高18%[63]。廢菌糠與經過預先處理和消毒的菜田土混合比例為4∶1時，栽培的雙孢蘑菇長勢優于單純用菜田土[64]。研究發現杏鮑菇菌糠較稻草的生物學效率更高，當菌糠提取液添加60 g/L栽培草菇時，對草菇菌絲的生長具有最大的促進作用，并且曬干處理菌糠栽培的草菇產量明顯高于發酵處理菌糠[65]。盧嘉寶[66]將鳳尾菇菌糠62%、58%分別配合馬鈴薯渣25%、29%培育姬菇和小白側耳菇，實際收獲產量與預測值接近。在栽培釘子菇時，添加適量的杏鮑菇菌糠，可在一定范圍內促進釘子菌菌絲生長，通過建立數學模型，其菌絲生長最佳培養基配方是：麩皮11%、菌糠14%和草炭75%[67]。

1.4 轉化生物質能源

目前已有較多研究者關注生物質熱解氣/液化的研究，作為一次生物質資源的農林廢棄物的生物燃油制備技術已取得較大進展，而關于二次生物質資源的菌糠熱解利用研究的報道較少[4，68-69]。菌糠作為新燃料，又是能源材料的優勢主要包括節約能源、降低成本、降低廢棄物環境污染問題等。作為沼氣發酵底物的平菇下腳料液，每平方米的沼氣產生量為0.25 m3[70]。李亞冰[71]通過比較農業廢棄物牛糞、秸稈和菌糠的甲烷產氣量，發現菌糠要低于秸稈的產氣潛力。以平菇菌糠為原料，通過排水集氣法研究其產沼氣能力，優化工藝以沼氣池污泥為接種物，其產氣總量、產氣率和有機質利用率均比優化前顯著提高，可與以牛糞為原料的沼氣產氣量相當[72]。路子佳[73]利用菌糠作為原料進行沼氣發酵，發現添加尿素可明顯提高產氣高峰期的日產氣量及甲烷含量。姜海峰等[74]通過熱重分析技術、干餾熱解研究白靈菇菌糠的熱解性質及其液化產物，多角度表征發現制得的液化產物有較多酚類、烴類為主的有機組分，經純化改性等處理后，可以作為潛在能源被利用。油頁巖半焦對于菌糠熱裂解生物油產量具有促進作用，二者以質量比為1∶1時裂解生物油產率最高為8.59%，并且油頁巖半焦使裂解生物油中的碳、氫以及芳香與脂肪化合物的含量均提高[75]。

平菇菌糠經加壓增密制成柱狀固體燃料，其密度約為1.314 g/cm3，一般熱值在14 280～16 800 kJ之間，約為標準煤29 400 kJ的50%?；曳譃?%左右，含硫量在5‰以下，燃料率達95%以上，燃盡的灰分可做為優質的肥料直接還田改良土壤[76]。由于菌糠含有的成分以木質纖維素為主，因此可借鑒從木質纖維到乙醇的生物轉化過程，該過程主要包括原料預處理、纖維素和半纖維素的酶解糖化和發酵、乙醇產品的回收純化[77-78]。蘑菇生長的過程使纖維素等基質降解，更有利于水解反應[79]，對平菇菌糠進行稀硫酸高溫預處理，然后對處理后的菌糠進行纖維素酶和木聚糖酶的水解，添加木聚糖酶強化纖維素酶水解能夠明顯增加還原糖的產量[80]。以蒸汽爆破對香菇菌糠進行預處理后用酶解酶和釀酒酵母AM12對其同步糖化發酵，再通過水萃取，可將糖化率提高約20%，乙醇產率可達理論產率的87.6%[81]。

1.5 轉化生物質炭

關于利用菌糠制備生物質炭方面，劉向東等[82]將木耳菌糠熱裂解制備生物質炭，從炭得率、pH和灰分等角度對試驗結果進行了簡單分析。周鋒利[6]利用沙柳木屑基杏鮑菇菌糠通過水蒸汽活化得活性炭，并簡單測試了其得率和活化性能。隨微波裂解溫度升高，金針菇菌糠裂解的生物質炭表現出較高的pH（10.43）、持水量（7.886 mL/g）和比表面積（189.38 m2/g）[83]。平菇菌糠熱解生物質炭與菌糠有機肥或豬糞和稻草等組成生物堆肥，在有效固持氮、磷、鉀、鈉的基礎上可顯著增加土壤的保肥性[84-85]，菌糠裂解生物質炭的表面積和孔容隨裂解溫度升高而增加，孔徑則減小[86]。以約10%的海帶海藻與菌糠共裂解，可以獲得具有高灰分含量、豐富官能團、粗糙表面形態和最大朗格繆爾吸附容量等特點的生物質炭，其對陽離子染料結晶紫的吸附容量（610.1 mg/g）是純菌糠生物質炭的2.2倍[87]。

1.6 污水處理劑

草漿堿法蒸煮黑液是造紙廠廢水主要污染源，采用菌糠過濾—耐堿菌微酸化—產酸菌酸析—降解菌群調節—厭氧水解—接觸氧化—內電解處理的工藝，經20 d連續工作可對黑液進行有效處理[88]。草酸改性菌糠可提高其吸附能力[89]，其改性過程為：將10 g菌糠置于250 mL質量濃度為0.5 mol/L的草酸溶液中，在30 ℃下攪拌60 min，然后用蒸餾水清洗烘干。在重金屬離子Cd2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+共存的體系中，以0.5 mol/L的NaOH預處理的金針菇菌糠表現出比未處理菌糠更高的吸附能力[90]。平菇菌糠不作任何化學處理時，即對銅離子具有較強的吸附能力，而當采用海藻酸鈉-聚乙烯醇對平菇菌糠固定化處理后，測得其比表面積為 51.154 6 m2/g，對鉛、銅、鋅、鎘的最大吸附量均可超過60 mg/g，吸附-解吸循環5次時的洗脫率僅比首次下降了15%[91-93]?；旌现亟饘巽U、鉻、鎘溶液通過香菇菌糠凈化過程中，各重金屬之間存在競爭吸附現象，但在適當吸附條件下，香菇菌糠可同時對3種重金屬都有較強的去除能力[94]。菌糠基復合水凝膠是以一定中和度的丙烯酸為單體，采用紫外輻射引發法對菌糠進行化學改性而合成出來的，對金屬離子的去除主要是由于金屬離子與聚合物發生了離子交換和絡合作用，其吸水倍率可達1 793.5 g/g，并表現出具有良好的解吸和循環吸附性能[95]。

1.7 其他應用開發

以菌糠為原料，采用磷酸鋯催化劑輔助稀硫酸水解制備納米纖維素晶體是基于菌絲在降解植物成分的生長過程中已將植物原料“咬”得“千瘡百孔”，此時只需少許能量與工序就可將菌糠進一步加工成微納尺度材料，如納米纖維素等[96];用本方法制得的納米纖維素晶體呈棒狀，直徑介于10～30 nm ，屬于纖維素I 型，與原料菌糠相比，結晶度由63.79%增大到81.04%，且與傳統酸水解方法相比，簡化了工藝流程，制備過程環境友好。超氧化物歧化酶（SOD）是一種生物活性蛋白質，自從世界血防組織禁止使用動物血提取SOD后，人們轉向從食用菌中獲取，但以菌糠為原料提取SOD的報道還較少，周鋒利[6]發現杏鮑菇菌糠菌絲體內SOD的含量較高，其提取率約為0.31 g/kg，且酶比活力為769.57 U/mg。Peixin He等[97]通過熱堿液從杏鮑菇菌糠中提取粗多糖（CPS），其產率高達12.18%，再從中分離純化出主要由木糖、葡萄糖和阿拉伯糖組成的多糖-蛋白復合物（RPS），研究顯示CPS和RPS均可表現出較強的抗氧化活性，由此也顯示出菌糠在食品工業中作為制備強抗氧化劑的應用潛力。

2 我國菌糠生物質資源問題分析與思考

2.1 問題分析

我國菌糠每年的產量巨大，但由于其作為畜禽飼料使用時，在日糧配方中的比例較低，并且多數含有大量的雜菌和病毒，所含重金屬也可能超標，鈣、磷含量及比例差異較大等一系列問題，是其在畜禽飼料開發應用中的不利因素;在土壤修復劑和/或堆肥的開發應用中，它雖改善了土壤生態環境，使土壤的孔隙度、透氣性、肥力以及酶活性等有所提高，但由于土壤自身理化性質、菌糠生物降解速率等各種因素的影響下，其用量比例仍不夠大;在作為二次培養基時，其營養物質含量、與待栽培菌的種類適應性以及我國適合作食用菌培養基的農業秸稈及林業加工剩余物資源豐富等均限制了規?；瘧?以菌糠直接轉化為生物質能源，雖然在理論上可行，但仍存在較多的技術壁壘，在轉化成本和效率方面還有很大的提升空間，并且在實際操作中與農作物秸稈、木本廢料等相比，具有明顯劣勢;制備/提取高附加值的生物質炭、納米纖維素晶體、酶或多糖等，基本處于研究階段，距離實際應用仍有較長的路要走，由菌糠所帶來的環境和生態壓力仍是目前亟待解決的現實問題。

2.2 一點思考

“生物質-生物質材料-生物質能源”的生態全產業鏈模式[98]，是以拓展生物質資源產業鏈為基本途徑而提出的，可以針對每年海量的菌糠進行生物質資源化利用。該思路與國家發展與改革委員會發布2017年1號公告文件《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》相契合。菌糠作為代木代塑復合材料的原料、制作生物培養基、還田改良土壤、發酵制畜禽飼料、高效有機肥等可能更具操作性，但縱覽菌糠利用現狀并不樂觀。從提高生物質資源利用效益和循環經濟的角度出發，并考慮到延長食用菌產業鏈、提高附加值、菌農增收以及生態環保等，更為直接、易于大宗利用并可實現的途徑可能是應用于生物質材料產業。

3 結語

可以看出，隨食用菌產業的快速發展，菌糠所帶來的各類問題日益突出，如何使其可持續地資源化利用，是擺在科研工作者、企業家和政府部門面前的一道難題。進入21世紀以來，人們對生物質廢棄物帶來的生態和社會壓力的關注越來越多，對其綜合利用方式展開了多種探索和嘗試，力求尋得穩定、可靠并實用的利用技術。隨著探索的不斷深入，以“生物質資源—食用菌栽培—菌糠資源—生物質（復合）材料—生物質能源”的理念推行生物質菌糠的資源化利用，或將可掀起新的篇章，使其有望不再成為社會進步和生態環境發展的困擾。

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