杏鮑菇菌糠循環利用安全性研究

陳芙蓉,韓宇,尹嬌,王小艷,王小蓉,鄧毅書

1(云南農業大學 資源與環境學院,云南 昆明,650201)2(陸良爨鄉綠圓菇業有限公司,云南 陸良,655601)3(云南農業大學 建筑工程學院,云南 昆明,650201)

食用菌菌糠(spent mushroom substrates, SMS)又叫廢菌料、菌渣[1],是食用菌子實體采收后的栽培廢料。我國是食用菌栽培大國,2020年我國食用菌總產量達4 133.96萬t(鮮重),總產值3 475.63億元[2],占世界食用菌總產量的70%以上[3],在種植業中僅次于糧食、蔬菜、果品、油料。每年產生的菌糠總量就達1億t以上[4],隨之而來的是對培養原材料需求的急劇增長,同時,隨著食用菌產業的不斷壯大,菌糠數量越來越多,菌糠成為了一種可再利用的資源,因此菌糠能否安全循環利用于食用菌栽培,對此開展深入研究就顯得十分必要。杏鮑菇菌糠是栽培杏鮑菇之后的培養料,隨著食用菌產業的發展,杏鮑菇工廠化生產普及,杏鮑菇2020年產量排在全國第5位,年產213.47萬t[5],目前生產中的主要栽培原料是棉籽殼、木屑和甘蔗渣等,棉籽殼成本偏高,甘蔗渣易受地域限制,這些對食用菌產業帶來不小的困擾。目前工廠化杏鮑菇栽培中大多只收獲一潮菇,杏鮑菇菌糠中的豐富的蛋白質及其他營養成分未得到充分利用。據研究杏鮑菇菌糠中粗蛋白、粗纖維、木質素、氨基酸、鈣及磷等營養物質含量豐富[6],汞、鎘和鉛等重金屬含量較低[7],具有重新作為栽培基質[8]、菌糠飼料或有機肥的潛力[6,9]。目前,杏鮑菇菌糠作為食用菌栽培基質已有一定的研究報道[10-11]。菌糠中含有重金屬,而重金屬的超標可能造成二次利用栽培作物、或施用土地的污染,食用菌具有富集重金屬的能力[9],其可以降解含有重金屬的有機物,并將它們作為養分吸收。富集的重金屬能通過污染的食用菌子實體進入人體,對人類健康構成巨大威脅因此對食用菌中重金屬進行檢測和質量安全風險評估具有一定的社會意義和商業價值[12]。有研究表明,杏鮑菇菌糠雖然營養物質豐富,但并不是對所有的食用菌菌絲的生長均有利,如杏鮑菇菌糠水提取液對白靈菇、杏鮑菇的菌絲生長沒有影響[13],但對靈芝、真姬菇、秀珍菇和平菇菌絲生長具有不同程度的抑制作用[14]。這可能是由于杏鮑菇菌糠中存在一些次生代謝物質,對食用菌的生長存在化感作用。因此,杏鮑菇菌糠若作為栽培基質循環利用需要進行較系統的研究,才能將龐大的菌糠安全合理地作為栽培基質循環利用于食用菌生產,成為一種有效資源,緩解食用菌產生的原材料困境及降低生產成本[9]。而且在實現資源充分利用的同時也滿足農業生態的良性循環。因此本研究開展了菌糠中的重金屬含量的檢測與分析,分別用杏鮑菇菌糠的水提液和醇提液對杏鮑菇(Pleurotuseryngii)、平菇(Pleurotusostreatus)、金針菇(Flammulinavelutiper)3種食用菌菌絲體生長的化感作用開展試驗,評價杏鮑菇菌糠作為培養基質循環利用時的安全性,為杏鮑菇菌糠循環再利用栽培食用菌提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試菌株

供試食用菌品種為平菇(Pleurotusostreatus)、杏鮑菇(Pleurotuseryngii)、金針菇(Flammulinavelutiper),云南省陸良縣爨鄉綠圓菇業有限公司。

1.1.2 杏鮑菇菌糠

杏鮑菇菌糠為一潮菇后樣品,云南省陸良縣爨鄉綠圓菇業有限公司。杏鮑菇培養基料為玉米芯40%、桑枝木屑13%、甘蔗渣12%、麥麩17%、豆粕7%、玉米粉7%、石灰2%、輕質CaCO32%,以上均為質量分數。

1.1.3 栽培原料

供試原料:玉米芯、桑枝木屑、甘蔗渣、麥麩、豆粕、玉米粉、棉籽殼、石灰、輕質CaCO3;杏鮑菇菌糠原培養基料為玉米芯40%、桑枝木屑13%、甘蔗渣12%、麥麩17%、豆粕7%、玉米粉7%、石灰2%、輕質CaCO32%,以上均為質量分數,云南省陸良縣爨鄉綠圓菇業有限公司。

1.2 試驗設計

1.2.1 化感效應試驗

試驗按體積分數0%、30%、40%、50%、60%、70%的比例分別加入杏鮑菇菌糠水提液、醇提液制作培養基,共設計6個處理(CK、30、40、50、60、70),每個處理3次重復,分別對杏鮑菇、平菇、金針菇菌株進行培養。

1.2.2 不同杏鮑菇菌糠替代量栽培平菇試驗

試驗所有處理設置碳氮比均為20∶1,按不同菌糠替代量(0%、30%、40%、50%、60%、70%)共設計6個處理(CK、E1、E2、E3、E4、E5),每個處理3次重復,每個重復樣本5袋,進行栽培試驗。具體配方設計見表1。

表1 不同杏鮑菇菌糠替代量栽培平菇試驗設計 單位:%

1.3 試驗方法

1.3.1 杏鮑菇菌糠營養成分測定

菌糠中酸不溶木質素、酸溶木質素、纖維素、半纖維素檢測參照NY/T 3494—2019《農業生物質原料 纖維素、半纖維素、木質素測定》;粗蛋白的檢測方法參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》;脂肪的檢測方式參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》;淀粉的檢測方式參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》;菌糠中總糖的檢測方式參照GB 15672—2009《食用菌中總糖含量的測定》。

1.3.2 杏鮑菇菌糠水提取液的制備

水提液的制備參照趙玉卉等[15]的方法,選取干燥、無霉變的杏鮑菇菌糠粉碎至40目過篩,采用四分法將樣品縮減至200 g,加水1 000 mL,煮沸20 min,用6層紗布過濾,補水至1 000 mL。

1.3.3 杏鮑菇菌糠醇提液的制備

按李挺等[16]的方法選取干燥、無霉變的杏鮑菇菌糠試樣,粉碎至40目,用四分法將試樣縮減至200 g,加無水乙醇1 000 mL,浸泡過夜,將上清液旋轉蒸發,回收乙醇再浸泡菌糠過夜,重復2次,得到杏鮑菇菌糠醇提膏狀物,加水1 000 mL,制成渾濁液。

1.3.4 平板培養基的制備

按李挺等[16]的方法取馬鈴薯200 g洗凈去皮,切成小塊,分別按體積分數0(對照)、30%、40%、50%、60%、70%加入杏鮑菇菌糠水提液、醇提液,煮沸30 min,用紗布過濾,濾液加入瓊脂20 g,煮沸溶解后加葡萄糖20 g,或用水補至1 000 mL,得到10種不同的平板培養基,以PDA培養基為對照處理,分裝于500 mL三角瓶里,115 ℃滅菌20 min,冷卻至常溫備用,每個處理3次重復。

1.3.5 培養

按李挺等[16]的方法在超凈工作臺上將滅菌后的培養基倒入口徑為9.0 cm的無菌培養皿中,每皿約10 mL,搖勻并冷卻制成平板。取在PDA試管培養基上培養好的3種食用菌菌絲體,分別轉接到平板培養基上,倒置于培養箱中,25 ℃暗照培養,記錄菌絲萌發時間,待菌絲萌發后,每隔24 h觀測菌絲生長狀態,并用十字交叉法測定菌落直徑,取平均值。

1.3.6 杏鮑菇菌糠及平菇子實體重金屬含量測定

杏鮑菇菌糠中的重金屬均參照HJ 766—2015《固體廢物 金屬元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》中電感耦合等離子體質譜法測定,平菇子實體中的重金屬檢測參照GB 5009.12—2023《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》、GB 5009.17—2021《食品安全國家標準 食品中總汞和有機汞的測定》和GB 5009.11—2014《食品安全國家標準 食品中總砷和無機砷的測定》、GB 5009.15—2023《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》中電感耦合等離子體質譜法(儀器型號為ICP-MS:Aglient 7800)測定。

1.3.7 栽培方法

1.3.7.1 菌袋的制備及接種

按照試驗設計表1分別稱取試驗材料,將栽培基質拌勻后,調節含水量為65%～68%,用聚丙烯塑料袋(25 cm×13 cm)人工裝袋制作菌包,每袋菌包濕重為1.5 kg,平菇菌袋用報紙、橡膠圈封袋(從拌料到裝袋的整個過程應當在6 h之內完成),于121 ℃,0.1 MPa高壓蒸汽鍋中滅菌8 h,待自然冷卻至室溫后,無菌轉移至超凈工作臺,用75%(體積分數)酒精表面消毒后移入超凈工作臺中,用消毒后的鑷子分別將菌種接種到菌包中央預留孔穴中后封袋,每接種5袋對工具進行消毒。

1.3.7.2 發菌

接種后的菌包,控制溫度為25 ℃,空氣濕度為60%～70%,通風、避光條件下置于培養房中培養發菌。

1.3.7.3 出菇管理

平菇待菌絲長滿菌袋,發菌結束后,挑選長勢一致的菌袋運至出菇棚內。棚內地面墊編織袋,將菌袋擺于其上,提高空氣濕度,現蕾后去除封口報紙,每天用噴霧壺噴灑2～3次、保持通風。待平菇子實體菌蓋邊緣內卷,菌柄中實,手感密實,顏色由深逐漸變淺,未彈射孢子前及時采收。

1.4 指標測定

1.4.1 化感效應指數計算

觀察、記錄菌絲萌發時間,菌絲萌發后每隔24 h觀測菌絲生長狀態,并用十字交叉法測定菌落直徑,取平均值,同時記錄菌絲長勢及菌絲顏色?；行笖?response index, RI)按照BRUCE WILLIAMSON等[17]提出的方法計算,其計算如公式(1)所示:

(1)

式中:C,對照值(CK),T,處理值。RI>0表示促進作用,RI<0表示抑制作用,RI絕對值大小反應化感作用的強度?！?++”表示菌絲生長濃密健壯,“++”表示菌絲生長較濃密,“+”表示菌絲生長[15]。

1.4.2 平菇產量的測定

將采摘的平菇用電子天平稱量鮮重,記錄數據,計算每個處理的產量。

1.5 數據處理統計及處理

試驗數據采用SPSS 20.0統計軟件進行處理,各組間數據比較采用單因素方差分析,顯著性水平為0.05,作圖采用Origin 2021軟件。

2 結果與分析

2.1 杏鮑菇菌糠中的營養成分

杏鮑菇菌糠中的木質素、纖維素、半纖維素、粗蛋白、脂肪、淀粉、總糖含量如表2所示。由表2可知,采收一潮菇后的杏鮑菇菌糠中木質素、纖維素、半纖維素分解不完全,其中酸不溶木質素平均含量22.01%、酸溶木質素平均含量22.66%、纖維素平均含量25.13%、半纖維素平均含量36.39%。并且菌糠中的營養成分未得到充分利用,其中,粗蛋白13.24%,淀粉10.78%,總糖含量2.55%。由此可見,杏鮑菇菌糠具備作為食用菌栽培基質循環利用的營養條件。

表2 杏鮑菇菌糠中養分含量 單位:%

2.2 杏鮑菇菌糠提取液對菌絲萌發及生長的影響

2.2.1 杏鮑菇菌糠水提液對菌絲萌發及生長的影響

杏鮑菇菌糠水提液對平菇菌絲萌發及生長的影響如表3、圖1所示,由表3、圖1可知,不同濃度的杏鮑菇菌糠水提液對平菇、杏鮑菇和金針菇的菌絲萌發與對照相比無顯著差異,均在2～3 d內萌發,不同濃度的水提液對同一種菌的菌絲萌發無影響,萌發時間相同,平菇和杏鮑菇均為2 d,金針菇為3 d;與CK相比,不同濃度的水提液對杏鮑菇和金針菇的菌絲生長速度影響無明顯差異,30%～70%體積分數杏鮑菇菌糠水提液對平菇和杏鮑菇菌絲生長無明顯抑制作用,70%時生長最快,平菇菌絲生長速度為11.01 mm/d,化感效應指數達到最高為9.55%,杏鮑菇菌絲生長速度為10.12 mm/d,化感效應指數達到最高為59.62%,杏鮑菇菌糠水提液體積分數30%～40%時對金針菇菌絲生長具有一定抑制作用,體積分數在60%抑制作用最強,化感效應指數為-21.08%;不同濃度杏鮑菇水提液對3種菌的菌絲長勢與CK相比無明顯差異,杏鮑菇菌糠水提液在體積分數30%～70%時,平菇、杏鮑菇菌絲長勢好,菌絲濃密、粗壯,添加體積分數為70%時長勢最好。

圖1 杏鮑菇菌糠水提液對平菇、杏鮑菇、金針菇菌絲生長的影響Fig.1 Effect of water extract of spent P. eryngii substrates on mycelial growth of P. ostreatus, P. eryngii and F. velutipes

表3 杏鮑菇菌糠水提液對菌絲生長的影響Table 3 Effect of water extract of spent P. eryngii substrates on mycelial growth

由此可知,杏鮑菇水提液對平菇和杏鮑菇的菌絲萌發和生長速度及長勢無抑制作用,在提取液濃度為70%對菌絲和生長速度及長勢促進作用明顯;水提液對金針菇的菌絲萌發無影響,低濃度時對菌絲生長速度和長勢影響不明顯,但濃度達到50%時即產生抑制作用,且抑制作用隨著濃度的增加而增強。

2.2.2 杏鮑菇菌糠醇提液對菌絲萌發及生長的影響

不同濃度杏鮑菇菌糠水提液和醇提液對平菇菌絲生長的影響如表4、圖2所示,與CK相比,杏鮑菇醇提液對平菇和杏鮑菇的菌絲萌發有明顯的抑制作用,均慢于CK,所有處理平菇均比CK晚2 d,杏鮑菇比CK晚1 d,對金針菇的菌絲萌發無影響;醇提液對3種菌的菌絲的生長速度和長勢與CK相比抑制作用明顯,差異顯著,且濃度越高抑制作用越明顯,隨著濃度的升高,平菇和杏鮑菇菌絲的生長速度急劇下降,濃度為70%時,平菇菌絲生長速度降為1.59 mm/d,化感效應指數達到-79.87%,杏鮑菇菌絲生長速度降為2.55 mm/d,化感效應指數達-74.63%,菌絲稀疏;添加杏鮑菇菌糠醇提液對金針菇菌絲的生長也表現為抑制作用,但抑制強度弱于平菇和杏鮑菇,濃度為40%時抑制作用最強,化感效應指數為-16.93%,菌絲稀疏。

圖2 杏鮑菇菌糠醇提液對平菇、杏鮑菇、金針菇菌絲生長的影響Fig.2 Effect of alcohol extract of spent P. eryngii substrates on mycelial growth of P. ostreatus, P. eryngii and F. velutipes

表4 杏鮑菇菌糠醇提液對菌絲生長的影響Table 4 Effect of alcohol extract from spent P. eryngii substrates on mycelial growth

由此可見,杏鮑菇菌糠醇提液對平菇、杏鮑菇的菌絲萌發有明顯的抑制作用;對平菇、杏鮑菇和金針菇的菌絲生長速度和長勢有明顯的抑制作用,且隨著醇提液濃度的增加抑制作用增強,對金針菇的抑制作用弱于平菇和杏鮑菇。

2.3 杏鮑菇菌糠中重金屬安全性分析

為研究濃縮效應是否會導致杏鮑菇菌糠中重金屬含量增加,以及是否會影響其作為食用菌栽培基質循環利用的安全性,通過對杏鮑菇菌糠進行重金屬檢測及對其他菌糠研究數據的整理分析,菌糠重金屬含量見表5。對平菇子實體中重金屬含量進行檢測及對其他利用菌糠栽培的杏鮑菇、金針菇、香菇、黑木耳中重金屬含量的研究數據整理分析結果如表5所示。

表5 廢棄菌糠重金屬含量 單位:mg/kg

由表5可知,平菇、香菇、金針菇、黑木耳、秀珍菇、茶樹菇菌糠的As、Hg、Pb、Cd、Cr 5項指標均顯著低于NY/T 525—2021《有機肥料》規定的安全限值,表明杏鮑菇菌糠中的重金屬含量均能符合要求,在重金屬含量方面是安全的,可作為栽培基質二次利用,不會對食品、環境造成風險。

由表6可知,雖然不同食用菌對同種重金屬的累積能力存在較大差異,但平菇、杏鮑菇、金針菇、香菇、黑木耳中Hg、Cd、As、Pb含量均遠低于GB 2762—2022《食品安全國家標準 食品中污染物限量》規定的限量標準,不存在食品安全風險。

表6 食用菌中常見重金屬含量 單位:mg/kg

由以上對菌糠中和食用菌子實體中重金屬含量的檢測與分析可以看出,無論是子實體還是菌糠中的重金屬含量均低于國家的相關標準,因此,菌糠作為食用菌栽培基質循環利用在重金屬方面是安全的。

2.4 不同杏鮑菇菌糠替代量栽培平菇經濟效益分析

不同菌糠替代量栽培的平菇產量如表7所示。由表7可知,平菇總產量在菌糠替代量為30%、40%、50%時無顯著差異,當菌糠替代量大于50%時總產量顯著下降。根據該總產量計算栽培1 000袋平菇的經濟效益,栽培原料市場價格如表8所示,平菇售賣價格按當季市場價8元/kg計算,由表9可以看出,隨著菌糠替代量的增加,成本逐漸下降,收入隨菌糠替代量的增加呈先上升后下降的趨勢。與對照組相比,處理E1、E2和E3利潤分別增加13.56%、10.68%和12.47%,處理E4、E5利潤下降4.83%、25.59%。

表7 不同杏鮑菇菌糠替代量栽培平菇產量Table 7 Yield of P. ostreatus cultivated with different amounts of spent P. eryngii substrates substitution

表8 栽培原料市場價格Table 8 Market prices of cultivated raw materials

結果表明,當菌糠替代量為30%時,利潤較高,栽培平菇經濟效益最高?？紤]到菌糠回收用于二次栽培時,通過新的配方和方法對材料進行整合,具有降低生產成本和減少環境影響的雙重優勢,兼顧降低成本和減少環境影響,菌糠替代量為50%時,綜合效果最佳。

3 討論

經過食用菌分解、產菇、采收后留下來的培養料,其中含有豐富的脂肪、氨基酸、礦物質、菌絲殘體蛋白以及菌絲體的次生代謝產物[20],多糖及鐵、鈣、鋅、鎂等礦物質含量也較豐富,還含有較多的木質素、纖維素和半纖維素。工廠化的杏鮑菇菌糠由于大多只采收一潮菇,菌糠中還有大量營養物質未得到充分利用,本研究中杏鮑菇菌糠的纖維素平均含量25.13%、半纖維素平均含量36.39%,粗蛋白平均含量13.24%,脂肪平均含量0.99%,淀粉平均含量10.78%,總糖平均含量2.55%,其所余營養成分還較多且明顯高于多次采收的平菇及其他菌的菌糠,與周亞紅等[21]的研究結果一致,因此杏鮑菇菌糠具備作為食用菌栽培基質循環利用的營養條件。

特定的代謝產物會對其他生物產生抑制和促進,具有化感作用的化學物質稱作化感作用化合物,多是次生代謝化合物,其組成成分包括簡單的氣體、脂族化合物、多環芳香化合物等[22]。曾榮耀等[23]研究表明食用菌菌糠中除了豐富的營養物質外還含有菇類、類脂等一些次生代謝物質,而這些次生代謝物質可能會不利于食用菌菌絲的生長。本研究中杏鮑菇菌糠水提液對平菇和杏鮑菇的菌絲萌發和生長速度及長勢無抑制作用,對金針菇的菌絲萌發無影響,但濃度達到50%時對菌絲生長速度和長勢產生抑制作用,該結果與李挺等[16]的研究結果一致;杏鮑菇菌糠醇提液對平菇、杏鮑菇的菌絲萌發有明顯的抑制作用,隨濃度的增加,抑制作用增強。杏鮑菇菌糠水提液對平菇和杏鮑菇的菌絲萌發和生長無抑制而醇提液有顯著抑制的的現象可能是菌糠中某些成分與醇類物質發生了發應,生成了具有抑制作用的脂溶性化感物質。杏鮑菇菌糠水提液對金針菇的生長有抑制作用,杏鮑菇菌糠醇提液對金針菇的抑制作用弱于平菇和杏鮑菇,與張國廣等[14]研究一致,原因可能是親緣關系較近的菌物具有特定元素吸收利用偏好性特征。因此,由于杏鮑菇菌糠作為栽培基質循環利用時沒有有機溶劑的加入,用作平菇和杏鮑菇的栽培基質是不會產生抑制作用,是安全的。

由于濃縮效應會導致重金屬在菌糠中產生富集,且食用菌具有富集重金屬的能力,其可以降解含有重金屬的有機物,并將它們作為養分吸收。富集的重金屬能通過污染的食用菌子實體進入人體,對人類健康構成巨大威脅,因此對食用菌中重金屬進行檢測和質量安全風險評估十分必要[12]。本研究中對常見食用菌菌糠及子實體重金屬含量進行了檢測和統計分析,結果表明無論是子實體還是菌糠中的重金屬含量均低于國家的相關標準,與饒書愷等[18]的研究一致,一般來說菌糠作為食用菌栽培基質循環利用在重金屬方面是安全的,大多數食用菌產品重金屬含量均符合國家標準,安全性較高。但這是基于新鮮原材料的重金屬含量本身就低于國家標準,且即使是在發生濃縮效應后含量依然低于國家標準,是安全的。

平菇產量在菌糠替代量達50%之前,產量無顯著差異,但均高于對照,可能是由于蘑菇的生態生境和生長營養需求之間的差異,食用蘑菇分為初級分解者和次級分解者,杏鮑菇作為初級分解者,其分解、產菇、采收后留下來的培養料中含有豐富的脂肪、氨基酸、礦物質、菌絲殘體蛋白以及菌絲體的次生代謝產物,還含有較多的木質素、纖維素和半纖維素,而平菇作為次級分解者,能分解已經被一級分解者部分分解的有機物;替代量超過50%,產量會下降,且低于對照,可能是和碳源供給有關,在所有的營養物質中,碳源最為重要,菌體成分中50%～65%為碳素,碳代謝不僅為食用菌碳水化合物和氨基酸的生物合成提供原料,還是維持食用菌生長的主要能量來源,菌糠替代量過多,有可能對碳代謝造成影響。

4 結論與展望

杏鮑菇菌糠水提液對平菇和杏鮑菇的菌絲萌發和生長沒有抑制作用,杏鮑菇菌糠中的重金屬含量滿足國家的相關規定,因此,杏鮑菇菌糠作為平菇和杏鮑菇栽培基質循環利用是安全的,且能充分利用資源并在一定程度緩解食用菌產業的原材料來源問題和降低生產成本,但不建議用于金針菇的基質栽培,無論是水提還是醇提對金針菇的菌絲生長速度和長勢都會產生抑制作用。建議在生產過程中要注重菌糠的存放條件,在堆放時要注意不要發霉發酵,以免產生有毒有害物質。

杏鮑菇菌糠提取液中的具體成分還需要進一步檢測并開展深入研究,分析對菌絲的萌發和生長產生促進或抑制的具體因素,明確其作用機理,為菌糠的安全高效廣泛利用提供科學依據。