双孢菇培养料发酵中的物质变化研究现状

吴回易，王胤晨，刘 讯

(1.贵州省农业科学院 畜牧兽医研究所，贵州 贵阳 550005； 2.贵州师范学院，贵州 贵阳 550018)

双孢菇(Agaricusbisporus)又称白蘑菇、蘑菇、洋蘑菇，分布极广泛，是世界性栽培和消费的菇类，也是当前食用菌类发展前景最好的品类之一。我国当前双孢菇培养料一次发酵质量偏低，其原因在于发酵过程存在培养料堆偏大、翻堆不彻底等问题，导致供氧不足引起厌氧发酵[1]。因此，我国双孢菇培养料发酵主要采用二次发酵，二次发酵包括巴氏消毒和恒温发酵，为控温过程，该过程中各种高温菌嗜热微生物使培养基充分分解转化成更利于蘑菇生长的物质[2-3]。发展双孢菇产业必须从培养料着手研究，培养料的物质能否高效且最大化地转化为双孢菇生长所需物质，很大程度上取决于培养料的发酵。培养料发酵质量的好坏，直接影响双孢菇的生产。鉴于此，对双孢菇培养料发酵过程中的营养物质及微生物的变化情况进行综述，归纳总结影响发酵过程中C/N、纤维素、总糖等物质变化和真菌、放线菌、细菌等微生物变化的因素，以促进双孢菇培养料完全发酵并最大程度转化为双孢菇生长所需的有利物质，旨在提高双孢菇培养料的发酵质量，实现双孢菇生产效益最大化。

1 双孢菇培养料种类

双孢菇生长所需的营养来自于培养料，培养料的原料不同会使双孢菇的质量产生差异。近年来培养料配方越来越多，一般基质配方有玉米秸秆与牛粪、玉米芯与牛粪、大麦秸秆与牛粪[4]、黑木耳糠与牛粪[5]、麦粒与牛粪[6]等。

2 培养料发酵过程中营养物质变化

2.1 C/N

培养料的C/N是发酵过程中反映其腐熟程度的重要指标，C源来自于牲畜的粪便，N源来自于农作物秸秆。侯晓伟等[4,7]研究发现，在一次发酵过程使全N含量升高，有机C含量下降，但在整个发酵过程中总N和总C的含量都在逐渐下降，C下降速率高于N下降速率。郑福琴等[8]研究发现，在后发酵结束后，全C继续减少，全N含量仍在增加，所以C/N在整个发酵过程中呈下降趋势。侯晓伟等[4]研究表明，在发酵前到第一次翻堆之间由于微生物的分解作用将N元素以NH3的形式释放；第一次翻堆后到第二次发酵开始的过程中，部分N元素扩散到空气中引起全N含量下升。当培养料温度为70℃左右时，嗜热微生物大量繁殖成为优势菌群后消耗了易于降解的C源，导致中温性微生物死亡，第二次翻堆后，由于培养料中N源被嗜热放线菌固定且大部分以氨化物的形式存在[9]，木质素-腐殖质是蛋白质和木质素的最终存在形式，因此蛋白N含量随发酵持续升高[10]。

2.2 总糖

总糖含量是培养料内中外三层糖含量的平均值，在发酵过程中发酵时间越久总糖含量越低，其原因是由于微生物的生长需要消耗糖类，使得糖含量不断下降[9]；第二次翻堆后总糖含量随嗜热微生物的增殖快速下降，二次发酵过程中的嗜热微生物会进一步分解糖类，在发酵初期下降明显，随后总糖含量略有上升，之后下降幅度逐渐变小[11]。侯晓伟等[4]研究发现，培养料在发酵过程中会发生颜色变化，具体表现为黄色变为棕黑色，原因是高温条件下糖类发生了焦糖化反应。

2.3 纤维素及半纤维素

纤维素含量在培养料的第一次发酵过程中出现不同程度的下降，而半纤维素含量从发酵开始就不断下降，木质素含量在第三次翻堆前持续上升，木质素含量总体呈上升趋势[4]。李晓博等[10]研究发现，葡萄糖、低聚纤维素和纤维二糖等是发酵过程中在纤维素酶的作用下被纤维素分解后的产物，纤维素酶是复合酶，所以会有多种产物。除木质素酶可以降解木质素外，有些微生物也能够有效降解木质素的微生物(真菌、放线菌、细菌)，微生物是通过在发酵过程中产生过氧化物酶等有关酶将木质素降解。而将半纤维素降解为低聚木糖或木寡糖的酶是木聚糖酶，木聚糖酶是多种木聚糖内切酶和外切的酶总称[12]。

2.4 木质素

DIAZLF等[13]研究表明，高温期和腐熟期是木质素分解的关键时期，堆肥初期由于营养比较丰富，微生物主要是分解易降解的有机质，难降解的木质素类物质在堆肥进入高温期后开始大量分解[14-15]。BERNAL等[16]和ALBRECHTR等[17]研究发现，在堆肥降温期和腐熟期腐植酸含量会增加，降温期和腐熟期木质纤维素类聚合物仍不断分解。CRAWFORD等[18]研究发现，木质素被降解后的产物存在少量的丁香酸和阿魏酸。NILADEVI等[19]研究发现，高温期的木质素降解酶主要来源于放线菌，所以在培养料中木质素主要是被放线菌分解利用，通过复杂的反应形成稳定的腐殖质[13,16]，所以该时期大部分木质素均以木质素-腐殖质复合物的形式存在[20]，一般情况下微生物不能利用这种复合物，使得木质素的含量上升，但温度达到60℃及以上后微生物数量下降，木质纤维素分解受到抑制[21-22]。在多种酶共同作用下木质素被催化氧化分解[23]。席北斗等[24-25]研究发现，木质素大分子的结构被解聚后，形成能够被微生物吸收利用的腐殖质前体物质(富芳香族、脂肪族羟基基团)，经复杂反应形成含芳香族结构的腐殖质等稳定终产物[15,24]。

2.5 蛋白质

蛋白质的变化与发酵过程中的物理因素(温度和发酵时间等)有必然联系。熊佳欣等[26]研究发现，当温度为40℃同时粪秆配比为4∶1时，发酵效果好且发酵周期最短(31 d)。温度为 40℃ 时，蛋白质含量最高，超过40℃时随温度的升高蛋白含量呈下降趋势，因为温度过高，菌群失活、衰老等，从而影响蛋白质最终含量。温度低40℃时，蛋白质含量因微生物菌群数量受影响而降低，发酵温度为40℃是发酵的最佳时期。里百尔·努尔等[27]研究发现，接种量和发酵时间对蛋白质含量的影响显著，接种量为1.5%时蛋白含量最高，接种量超过1.5%菌体易过快生长且积累有害物，使后期菌体生长受到抑制，蛋白质含量降低。当发酵时间为9 d时，蛋白质含量最高；发酵时间小于或大于9 d，微生物菌群数量受到限制，粗蛋白含量受到影响，随着发酵时间延长，营养物质被消耗，粗蛋白最终含量受到影响，因此发酵时间9 d和接种量为1.5%时蛋白质的含量最佳。纤维素酶的降解作用原理是使细胞壁的通透性增大破坏植物细胞壁，包内蛋白质被释放，从而发酵堆的蛋白质含量增加，纤维素酶和菌类发酵剂共同处理培养料效果更加显著,其蛋白质含量是不加菌类发酵剂的4倍，因此在发酵时选择菌类发酵剂作为辅助剂发酵效果较好[27]。

3 培养料发酵过程中微生物的变化

3.1 细菌

孟祥博等[28]研究表明，发酵过程中微生物与温度具有倒“U”函数关系，温度主要影响微生物生存和生化反应，在微生物最佳温度范围内代谢和物质转化效率与温度呈正比关系。发酵过程中的优势菌主要是中温性细菌、嗜热细菌，且嗜温细菌对培养料的升温和维持高温起重要作用[29]。嗜热微生物是在二次发酵期间温度为50℃的高温下培养的[30]，且堆肥温度在50℃时，高温细菌非常活跃[31]，在前发酵刚开始时，嗜温微生物是培养料中的主要菌群，而中温性微生物主要存在于开始发酵阶段，由于中温性微生物对培养料中简单有机质的利用而产热，温度迅速上升，细菌数量下降[32]。堆肥后期细菌的数量明显低于堆肥前期，当培养料的温度上升至80℃左右时，微生物总数量下降，嗜热微生物开始迅速繁殖。在第二、三次翻料时细菌总数量增加,第四次翻料时嗜热细菌数量上升，后发酵阶段经过巴氏杀菌后，嗜热细菌下降[33]。

3.2 放线菌

培养料在发酵过程中根据其腐熟度可分为三层(上、中、下)，腐熟度的高低为中层料>上层料>下层料，腐熟度越高放线菌数量最高，下层料的腐熟度低是因为透气性差，不利于好氧发酵，所以放线菌数量最少[7]。LEE等[34]研究发现，中温型放线菌在堆肥发酵过程中主要存在于堆肥的外层。陈璋等[35]发现，随着发酵过程推进，料堆温度逐渐升高，噬热放线菌大量增殖。而料堆温度升高嗜热放线菌增加有助于堆肥中的物质转化。MCCARTHY等[36]研究发现，木质素的转化是因嗜热放线菌改变了其结构。在第二次翻堆时，放线菌数量达到最高峰，此时放线菌最活跃且分解能力最强；在第二次翻堆后放线菌数量开始下降，第二次倒料时下降最多，二次发酵后降到最低点[20]。

3.3 真菌

在发酵过程中微生物种类繁多，由于多种微生物的代谢活动共同作用，培养料中的化学成分、物理结构等方面的变化较大，使其中不易吸收的物质分解为有利于双孢菇吸收与转化的物质[37]。WARNSTROM等[38]研究发现，将提取培养料中的DNA放大，发现真菌属的微生物种群差异最大，在堆料发酵过程中高温真菌的优势种群变化较大，而在开始与结束阶段常温真菌差异比较明显。真菌群落在前发酵初期阶段变化较大，在中后期阶段变化较小，但堆肥后期真菌的增长幅度大于细菌，而温度到65℃时，真菌数量极少，因为堆料的C/N影响了真菌群落结构。

3.4 纤维素降解菌

培养料中含有大量纤维素，主要依靠纤维素降解菌的降解形成简单化合物后被其他菌种或被双孢菇再利用，如固碳菌就是在纤维素降解菌提供碳源的条件下大量繁殖。孙海英[39]研究发现，在不同的发酵阶段加入不同量的纤维素降解复合菌剂(一次发酵0.5%，二次发酵1%)，可增加纤维素降解菌的密度，提高纤维素的降解率(提高23.64%)。张家齐[40]研究表明，堆料含有高浓度有机酸(以乳酸为主)的常温堆料，含有更多具有发酵能力的细菌。进入高温阶段后，随着pH值和温度逐渐升高,具有发酵能力的细菌逐渐消失，与嗜热芽孢杆菌相关的微生物相继出现，因为此阶段发生了蛋白水解，随着温度升高，水解蛋白和产氨的细菌增加,NH3的产生引起pH的增加。王琳等[41]研究发现，细菌种群是培养料发酵过程中最为丰富的，甚至在整个过程都存在的细菌群落，像木质纤维素降解菌一样能够降解纤维素，降解为双孢菇易于吸收利用的物质，在发酵过程中纤维素降解菌能产沼气，因此可用产气量间接评价纤维素的分解效率[42]。

4 小结

双孢菇是当前发展前景最好的食用菌类之一，但在研究方面远不如国外，发展双孢菇必须从栽培双孢菇培养料着手研究，培养料物质能否高效、最大化地转向双孢菇，很大程度上取决于培养料的发酵。前人研究表明，发酵过程中双孢菇培养基质的C/N、纤维素、总糖等营养物质及真菌、放线菌、细菌等微生物的变化复杂。因此，为高效生产优质的双孢菇产品，必须掌握发酵过程中双孢菇培养基质营养物质和微生物的变化规律，使培养料中的物质得到充分分解并利用，提高双孢菇培养基质发酵质量，实现双孢菇优质高产生产。