羊肚菌营养袋制作原料的化学成分分析及配方优化

苗人云 刘天海 罗建华 唐利民 黄忠乾彭卫红 甘炳成 谭 昊,4*

（1.四川省农业科学院土壤肥料研究所，成都610066；2.农业部西南区域农业微生物资源利用科学观测实验站，成都610066；3.四川金地菌类有限责任公司，成都610066；4.江南大学生物工程学院，江苏 无锡214062）

羊肚菌（Morchella spp.）又名羊雀菌、蜂窝蘑、羊肚菜、包谷菌等[1]，是羊肚菌科羊肚菌属所有种类的总称，因子实体外形呈蜂窝状酷似羊肚而得名，是世界公认的名贵、珍稀食药用真菌。羊肚菌富含蛋白质、氨基酸、肽类、维生素、多糖和矿质元素等多种营养成分[2,3]，具有增强免疫力、抗菌、抗肿瘤、保肝、降血脂、抗氧化、抗疲劳、抗衰老等药理功能[4～8]，在国内外市场上倍受青睐，经济价值高，栽培前景广阔[9]。

外源营养袋是供给羊肚菌菌丝生长和子实体发育的主要营养来源，直接影响羊肚菌产量。目前国内公开的营养袋配方主要原料包括小麦粒、木屑、玉米芯、草粉、谷壳、麦麸、玉米粉、土豆粉、鲜土、腐殖土、草木灰等[10～14]，种类繁多，用量变化幅度大，缺乏营养成分组成和栽培产量数据支撑。

我们前期研究发现，人工栽培羊肚菌的生命周期中外源营养袋的主要作用并不像由Ower 的专利首先提出、目前被许多羊肚菌从业者相信的观点——让羊肚菌从营养丰富条件转变到营养匮乏条件[15～17]，而在于向地表土壤持续供应有机碳营养，供羊肚菌出菇使用[18]；而在氮元素方面，营养袋不仅不向地表土壤产生氮的净输出，还需要从土壤中临时获取一些氮素用于制造各种分解酶蛋白，使地表土壤中羊肚菌菌丝所处环境的氮素水平出现短暂下降——上述碳、氮营养变化情况与野生羊肚菌从森林生态系统中覆盖着枯枝败叶层的土壤中自然出菇的生态环境类似[18]。

从这一原理出发，推测羊肚菌营养袋制作原料应该包含两大类：一类原料主要作用是在诱使菌丝制造大量酶蛋白的过程中消耗氮素，从而促进土壤中的氮素向营养袋中转移，特点是碳氮比高且较难分解，例如杂木屑、谷壳、秸秆等；另一类原料主要作用是提供羊肚菌生长出菇的主要物质和能量来源，特点是营养丰富、相对容易被羊肚菌分解利用，且碳氮比不能太低，例如以淀粉为主要成分的麦粒。通过这两类原料的合理选择与配比，达到既有效供给碳源营养、又能使土壤表层氮素水平在特定阶段显著下降的效果。为在生产实践中验证这一推测，使相关理论得到应用，本研究对营养袋的制作原料进行化学营养成分检测及主成分分析（principal component analysis，PCA），综合考虑营养袋生产成本、栽培出菇产量和经济效益，得到重量轻、成本低、出菇产量高的营养袋优选配方，为循环利用农业废弃物资源制作羊肚菌营养袋提供配方设计参考。

1 材料与方法

1.1 供试品种

试验用羊肚菌品种为川羊肚菌6 号（六妹），由四川省农业科学院土壤肥料研究所选育，栽培种购于四川金地田岭涧生物科技有限公司。

1.2 供试原材料

营养袋原料主料包括谷壳、油菜秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、麦粒、麦麸；辅料为石灰、石膏。营养袋包装材料为15×28（cm）聚丙烯袋和捆绳。

1.3 试验方法

（1）原料搭配筛选。试验于2016年11月至2017年4月在四川省简阳市养马镇田家坝村试验基地进行。将1.2 节中7 种主料搭配石灰和石膏，设计9 个营养袋配方（表1）进行栽培试验。各配方分别配制培养料，装入聚丙烯袋，经121 ℃高压灭菌150 min，冷却后用钉板打孔分别置于试验田畦面上。每个配方为一个处理，每处理4 个重复，每个重复栽培面积5 m2。营养袋使用量为主料干重1.08 kg/m2，按每亩（1 亩≈667 m2，下同）有效栽种面积450 m2计算，相当于每亩用主料486 kg。按羊肚菌栽培的常规田间管理和采收方法进行田间管理与出菇采收[19,20]，称量并记录鲜菇产量。

表1 营养袋主料筛选试验配方（%）

（2）配方优化。从1.3（1）中初步筛选出产量最高的营养袋原料搭配，按表2的配比梯度分别制得11 种营养袋，每处理3 个重复，每重复5 m2，单位面积营养袋使用量同1.3（1）。试验于2018年11月至2019年4月在四川省成都市新都区四川省农业科学院现代农业科技创新示范园内进行。按羊肚菌栽培的常规田间管理和采收方法进行管理与采收[19,20]，称量并记录鲜菇产量。

1.3 检测项目与数据分析

观测分析指标包括营养成分、碳氮比及产量。产量为各处理的单位面积鲜子实体重量。结果采用SPSS18.0 分析软件中单因素方差分析的Tukey 检验进行多重比较，分析差异显著性。营养成分检测：7 种主料从大批量样品中随机取样，分别粉碎均匀后检测全碳、全氮、铵态氮等20 种化学成分，并计算碳氮比（表3）。检测方法参考文献[18]。采用SPSS18.0 分析软件对7 种主料进行主成分分析。各配方的碳氮比是根据各配方原料的用量比推算出全碳量和全氮量并计算得出的理论值。

表2 营养袋优化试验配方（%）

2 结果与分析

2.1 化学成分及主成分分析

对营养袋7 种主料的成分检测结果（表3）显示，小麦秸秆的半纤维素和总甘油三酯的含量较高，而全碳、全钾、可溶性糖、游离脂肪酸、游离氨基酸和可溶性果胶的含量较低。水稻秸秆的半纤维素和总甘油三酯的含量较高，而全碳、全钾和游离脂肪酸的含量较低。玉米秸秆的还原糖、总蛋白和硝态氮的含量较高，而全碳、直链淀粉、支链淀粉和植物糖原及游离脂肪酸的含量较低。油菜秸秆的碳氮比和纤维素含量较高，而全氮、全磷、总碳水化合物碳、还原糖、直链淀粉、支链淀粉、半纤维素、原果胶、总甘油三酯、总蛋白、游离氨基酸和铵态氮的含量较低。谷壳的碳氮比和木质素含量较高，而全碳、全氮、可溶性糖、支链淀粉、水溶性果胶、总甘油三酯、游离脂肪酸、总蛋白、铵态氮和硝态氮的含量较低。麦麸的全氮、全磷、全钾、可溶性糖、水溶性果胶、总甘油三酯、游离脂肪酸、游离氨基酸和铵态氮的含量较高，而全碳、纤维素和木质素含量较低。麦粒的全碳、总碳水化合物碳、直链淀粉、支链淀粉、原果胶和总甘油三酯含量较高，而还原糖、木质素和硝态氮的含量较低。

由于制作营养袋基质的秸秆、麦粒等原料营养成分组成较为复杂，对酶活性的影响可能不是简单地由某一两项营养物质的含量比例决定，而是受多种营养物质含量属性协同影响。为了解不同材料在营养成分组成方面的相似性和差异性，对7 种原料的20 种营养成分进行主成分分析。根据主成分提取方法[18]即特征值〉1、累计贡献率〉85%，前2 个主成分特征值都大于1，累计贡献率达到97.552%，说明7 种原料的多方向性低。以主成分1 为X 轴、主成分2 为Y 轴作图可知，7 种原料从化学成分属性上大致可分为三类，同类中的原料成分相近：麦粒和麦麸为一类，油菜秸秆单独为一类，小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆和谷壳为一类（图1）。

2.2 营养袋内容物原料搭配

以7 种主料搭配的9 种配方组合中，全碳含量最高的是配方E（油菜秸秆+麦粒），最低的是配方D（小麦秸秆+麦麸）；全氮含量最高的是配方B（水稻秸秆+麦麸），最低的是配方I（谷壳+麦粒）；碳氮比最高的是配方E，最低的是配方B（表4）。

上述9种配方的营养袋栽培羊肚菌均能正常出菇，但产量差异显著（图2）。其中，产量最高的是配方I，最低的是配方F（油菜秸秆+麦麸）；配方I 显著高于配方A、B、D、F 和H；配方C（小麦秸秆+麦粒）显著高于配方B、D、F 和H，配方A、E 和G 显著高于配方B、F 和H，其他配方间无显著差异。表明在制作营养袋的原料选择上，麦粒好于麦麸，谷壳好于水稻秸秆。

图1 7 种原料主成分分析散点图

2.3 配方优化

（1）全碳、全氮及碳氮比。配方F1～F11 为谷壳与麦粒的11 个配比梯度。其中，全碳、全氮含量最高的是F11（纯麦粒），最低的是F1（纯谷壳）；碳氮比最高的是F1，最低的是F11（表5）。与原料中麦粒碳氮比偏低、谷壳碳氮比较高的趋势一致。

表3 营养袋7 种主料的化学成分（mg/g）

表4 9 种营养袋配方的全碳、全氮含量及理论碳氮比

图2 9 种营养袋配方的的羊肚菌产量

（2）产量。F1～F11 配方的营养袋栽培羊肚菌均能正常出菇，但产量有显著差异（图3，表6），其中产量最高的是F9，最低的是F2。F9 产量显著高于F1、F2 和F5，F7、F8 和F10 的产量显著高于F2，其他配方间产量无显著性差异。

（3）营养袋成本。营养袋原材料、燃料动力消耗和人工投入等的成本按照2018—2019年四川省成都市周边地区的平均价格计算，每亩按固定投入有机物料风干重为486 kg 计算。由表6可知，随着麦粒用量的增加，原料成本升高，由于原料的密度差异，同质量的原料随麦粒用量的增加而营养袋的装袋量减少，使制袋人工成本降低；但营养袋综合成本随麦粒用量增加而增加，其中成本最低的是F1，最高的是F11。

表5 谷壳、麦粒不同配比营养袋的理论碳氮比

图3 谷壳与麦粒11 个营养袋配方的羊肚菌产量

（4）经济效益。按照2018—2019年四川省成都市周边地区的原种成本，原材料、燃料动力、生产人工投入成本，土地租金和棚架设施等的平均价格合计，产品鲜销价格按照每千克80 元计，计算营养袋原料配比F1～F11 各自的成本及经济效益。由表6可知，每亩栽培效益在-5 141.35～5 576.90元，其中最高的是F9，最低的是F2。F9，即谷壳19%、麦粒79%、石灰和石膏各1%，栽培产量和效益均最高，因此作为推荐营养袋配方。

3 结论与讨论

本研究调查的7 种主料，除高碳的麦粒和高氮的麦麸外，其余5 种（谷壳，以及小麦、水稻、油菜和玉米的秸秆）虽均以木质素、纤维素和半纤维素为主，但在化学成分组成上存在明显差异。通过主成分分析，可将谷壳、小麦、水稻和玉米秸秆分为一类，油菜秸秆单列为一类，显示单子叶禾本科作物与双子叶作物秸秆成分差异较大，而栽培试验结果也验证了不同秸秆制作营养袋的出菇产量存在显著差异。

主成分分析结果显示，麦麸与麦粒的营养成分较接近，但麦麸的实际使用效果不佳。前期研究表明，营养袋中羊肚菌菌丝产生的一个GH15 家族γ-淀粉酶的降解能力十分强大，多种GH 家族纤维素酶基因的酶蛋白产物叠加在一起的总活性水平也较高，是分解利用营养袋中碳源成分的主力酶[18]，而麦麸的淀粉含量和纤维素含量水平分别只有麦粒的61%和72%左右，尤其是羊肚菌优先使用的直链淀粉[18]含量只相当于麦粒的22%，因此麦麸向菌丝提供易利用的糖类的能力不如麦粒，不是制作营养袋的好选择。

营养袋主料筛选试验的9 种配方碳氮比在24.83～78.54 之间，主要可分为两大类：一类与麦粒复配，理论碳氮比在65.83～78.54，另一类与麦麸复配，理论碳氮比在24.83～27.98。栽培试验结果显示，碳氮比在65.83～78.54 之间的配方产量均高于碳氮比在24.83～27.98 之间的配方。营养袋碳氮比过低将导致羊肚菌产量降低。

在营养袋原料配比优化试验中，11 个配方的碳氮比在69.78～122.36 之间，产量随配方碳氮比的降低有先上升后下降趋势，显示出碳氮比对羊肚菌产量有一定影响，营养袋适宜的理论碳氮比在71.68～80.12 之间。虽然麦粒用量是影响羊肚菌产量的重要因素，但纯麦粒营养袋产量并不是最高，可能涉及的因素有营养袋的容重和通透性等。谷壳可以改善营养袋的通透性，但比例过高，使整个配方的淀粉含量不足，总体上不利于羊肚菌菌丝分解利用，无法快速充分满足营养需求。

前期研究中使用麦粒与谷壳干重比为85∶15的配方，未添加石灰和石膏，实测得到的营养袋碳氮比约37∶1[18]，低于本研究推算的麦粒与谷壳配方的理论碳氮比。这是由于在实际生产中，浸泡麦粒和谷壳过程会有部分可溶性糖类被水浸出而丢失，且长时间的高压蒸汽灭菌过程也可使一些小分子有机物如短链脂肪酸等随着饱和水蒸气被带走，导致营养袋实际碳氮比下降。麦粒在浸泡过程中丢失可溶性营养是个值得注意的问题。美国食药用菌栽培专家John Holliday 谈到麦粒菌种的制作经验时称，浸泡麦粒的用水量不宜过多，以麦粒充分吸水膨胀后刚好完全浸没为宜，否则过多的用水会使更多的营养溶在外水体积中，无法随着被捞出的麦粒一起带走而流失（ 视频链接：https://mushroom-consulting.com/consulting-video/）。这一经验值得羊肚菌营养袋制作时浸泡麦粒环节借鉴。

表6 不同谷壳与麦粒配方的营养袋每亩制作成本、产量及效益

与目前流行的其他营养袋配方相比，本研究推荐配方与每袋含小麦50～100 g，木屑50～100 g，谷壳、玉米芯或草粉50～60 g，鲜土50～100 g 的配方[10]相比，避免使用土壤，重量较轻，利于节约运输成本；与谷壳30%～35%、小麦30%、木屑25%～33%、土4%～5%、土豆粉1%～1.5%、石膏0.5%～1%、石灰0.5%～1%、草木灰0.5%～1%、丁酸钠0.3%～0.6%、氯化钠0.2%～0.5%、硫酸镁0.4%～0.6%、6-苄基腺嘌呤0.2%～0.4%、赤霉素0.1%的配方[14]相比，原料种类较少，大宗采购备料较为简单。

本研究通过检测分析7 种常见食用菌栽培原料的化学成分，结合栽培试验验证，探究了羊肚菌栽培产量背后的营养袋化学成分差异效应，为现有的营养袋配方提供了理论支撑。试验得到高产高效的羊肚菌营养袋配方（重量比）为谷壳19%、麦粒79%、石灰1%、石膏1%。