我国香菇菌棒脱袋装备研究现状与展望*

马士鑫，宋卫东，王明友，丁天航，王教领，周德欢

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

香菇(Lentinula edodes)，又称冬菰、香蕈、香菰、珍珠菇[1]，起源于我国，是我国久负盛名的食用菌，目前已成为世界第二大菇，被人们誉为“菇中皇后”[2]。香菇不仅含有丰富膳食纤维、蛋白质、矿物微量元素等营养物质，具有极高的食用价值，且同时含有香菇核酸、香菇多糖等多种生物活性化合物，具有抗菌消炎、降低胆固醇、增强身体抵抗力等药用价值[3-7]。据中国食用菌协会统计[8]，2019年我国食用菌总产量达到39 338.7 kt，其中香菇产量达到11 159.4 kt，占全球香菇总产量的90%以上。另据中国海关总署数据显示，2019年我国食用菌出口679.7 kt，创汇36.35亿美元，其中香菇出口94.4 kt，创汇15.95亿美元。我国成为世界香菇产量最大的国家，同时也是最大的香菇消费国和出口国[9]。

袋料栽培是我国主要的香菇栽培方式[10]，与其他木腐生菌类栽培流程工艺不同的是，香菇袋料栽培过程中需要有转色工序[11]。转色就是指香菇菌棒表面白色的菌丝在一定条件下逐渐变成一层褐色的菌皮，形成的褐色菌皮不但对菌棒有保护作用，而且有利于出菇[12-13]。目前，最常采用的转色方式有两种，一种是脱袋转色，就是将菌棒外包裹的菌袋适时脱掉后再进行转色，脱袋要准确把握时机，即待菌丝长满菌袋并且接种穴处有些褐色时[14]，脱袋太早了不易转色，太晚了菌丝老化，造成杂菌污染，香菇原基分化困难[15-16]；另一种是袋内转色，就是通过打孔透气的方式促进袋内转色，待转色完成后适时脱袋出菇，脱袋也要准确把握时机，即在菌棒达到生理成熟时，脱袋过早菌丝成熟度不够会导致香菇畸形[17]，脱袋过晚菌丝成熟度过高会导致爆发出菇[18]。

由此可见，脱袋作为转色或出菇前的一道工序至关重要，直接影响到后续香菇生长的产量和质量。目前，香菇菌棒脱袋基本以人工为主，菌棒成熟时期集中，脱袋窗口期短，随着香菇产量的增加，传统人工脱袋方式存在的问题日益突显：人工长时间持刀作业，易疲劳，无法保证割口深度的一致性，割口过深易损坏菌皮；由于菌丝已布满整个菌袋，菌棒和菌袋之间存在较大的粘附力，脱袋动作过快易擦伤菌丝；随着中国逐渐迈入人口老龄化，人口红利快速消失，人工成本迅速上升。香菇菌棒脱袋作为香菇生产的关键环节之一，其机械化程度直接制约着香菇产业的发展，因此迫切需要研发出适合我国香菇栽培模式的菌棒脱袋装备，提高作业效率，减少损伤率，降低生产成本，从而促进我国香菇菌业高质高效的发展。本文综述了国内香菇菌棒脱袋装备的研究发展现状，总结分析了现有香菇菌棒脱袋的不同机械装备及其主要优缺点，最后提出了我国香菇菌棒脱袋装备未来发展的对策与建议。

1 香菇菌棒脱袋装备研究现状

我国香菇产量占到世界总产量的90%以上，是最大的香菇生产国和出口国[19]。国外对于香菇的研究，除少量关于香菇干制与加工[20]以及生物吸附特性[21-22]的研究外，主要集中于香菇食用以及药用价值[23-24]的研究，对于香菇生产过程机械化关键技术与装备研究较少，有关香菇菌棒脱袋技术与装备的研究更是鲜见有报道；而国内对于香菇菌棒脱袋装备的研发也起步较晚，正处于初级阶段，最早是从菌棒破袋机开始研究的。

1.1 菌棒破袋装备

叶伟俊[25]研究并设计了一种食用菌的菌棒破袋机，如图1所示。该机主体结构包括有工作架和放置于工作架上的菌棒工作板和菌棒推动挡板，其中菌棒工作板的上端面还设置有菌棒放置区域和菌棒破袋区域，其中菌棒破袋区域上均匀分布有破袋钉。工作时，将菌棒安放在菌棒工作板的菌棒放置区域，人工移动菌棒推动挡板带动菌棒朝破袋区域滚动，从而达到破袋的效果。该机初步实现了菌棒破袋半机械化，具有破口位置均匀等优点。但是，由于菌棒需要在密集排列的破袋钉上滚动破袋，使得菌棒表面菌皮受到一定程度的破坏，易造成霉菌污染。

图1 食用菌的菌棒破袋机

汪飞等[26]在叶伟俊研究的基础上，进一步研究，针对菌棒滚动破袋方案易破坏菌皮的缺点设计了一种菌棒破袋机，如图2所示。该机在滚轮上固定有多个向上弯曲的钩齿，工作时，将菌棒放置在转板上，再移动菌棒使菌棒外包裹的菌袋插入到钩齿中，转动滚轮对菌棒实施破袋，由于钩齿的弯曲造型，在一定程度上保护了菌棒表面菌皮不受破坏。

图2 食用菌菌棒破袋机

苏立勇等[27]设计了一种能够实现对不同规格菌棒的阻挡定位控制的菌棒破袋机，以便在最佳的位置进行破袋作业。如图3所示，该机采用两片电动切割锯片进行破袋，破袋效率得到了提高，同时割口数目减少到两条，有效地避免了大面积菌皮损伤。

图3 食用菌菌棒破袋机

菌棒破袋机只是实现了划破菌袋的工序，需要人工辅助脱掉菌袋，达不到理想的效果，但在一定程度上弥补了人工划破菌袋易疲劳、危险程度高的不足之处，其中所采用的破袋方案也为研制香菇菌棒自动脱袋机提供了一定的参考价值。

1.2 菌棒脱袋装备

近几年，为了进一步节约成本，提高脱袋效率，降低劳动强度，菌棒脱袋装备开始得到重视，并进行了初步研发设计，按脱袋作业方式划分主要有机械撕扯式脱袋装备和气力吸取式脱袋装备，但大部分仍处于理论试验阶段，真正能推广使用的机型甚少。

1.2.1 机械撕扯式脱袋装备

黄道洪等[28]设计了一种工厂化生产香菇的菌苞脱袋机。该机主要由送料轨道和菌苞脱袋部件构成。工作时，菌苞脱袋部件通过弹簧割刀、垂直和水平安置的快速割刀将菌袋割开，然后撕袋装置将菌袋与菌棒分离开，甩袋装置将分离开的菌袋挂在挂袋装置上，最后吹气管将菌袋吹落，避免了人工将菌袋取出的麻烦。该机利用多个传感器和电磁阀实现了脱袋即时动作，自动化程度较高，但在撕袋甩袋过程中，会将菌袋内的栽培基质甩的到处都是，造成栽培基质的浪费。

山西农业大学的刘靖宇等[29]设计了一种香菇菌棒脱袋装置，如图4所示。工作时，位于主筒内的菌棒由直线驱动装置推动前进，先由纵割单元和环割单元完成割袋，然后下拉夹单元夹住下拉完成割袋后的菌袋扎口，最后直线驱动装置继续推动菌棒前进，完成脱袋。纵割刀片和环割刀片都配置有弹簧，可根据切割阻力上下浮动，自主调节切割深度，减少菌棒表面菌皮的损伤。

图4 香菇菌棒脱袋装置

李武[30]设计了一种食用菌菌棒脱袋机，如图5所示。工作时，传送机构首先将位于前置托盘上的菌棒送至后置托盘，当菌棒通过割袋机构时，其上的割袋刀片将菌袋割开，完成割袋工序，然后支架上的电动夹爪将菌袋扎口夹住，最后传送机构回撤时将菌袋剥离，完成脱袋工序，整个过程动作迅速，在一定程度上提高了脱袋效率，但由于菌丝已布满整个菌袋，菌棒和菌袋之间存在较大的粘附力，在撕扯过程中会擦伤菌丝。

图5 食用菌菌棒脱袋机

以上机械撕扯式脱袋装备在脱袋的过程中需要使用机械夹等刚性机构夹住菌袋扎口等部位，然后将菌袋以撕扯的方式脱离菌棒，由于菌丝已布满整个菌袋，菌棒和菌袋之间存在较大的粘附力，在撕扯过程中会擦伤菌丝。

1.2.2 气力吸取式脱袋装备

为了避免机械撕扯脱袋过程中对菌丝的损伤，章礼通[31]研究设计了气力式香菇菌苞脱袋装置。工作时，先使用锥形刀对菌袋两端进行切割，然后使用切割刀对菌棒轴向进行切割。该装置在切割刀上设置有多个吸附孔，如图6所示，在切割刀对菌棒轴向进行切割的时候，通过吸附孔对菌袋吸附带走，不会造成菌皮损伤。由于需要在切割刀内部开设多个吸附孔，所以造成了切割刀制造工艺复杂且造价过高，同时吸附效果也有待进一步试验确定。

图6 切割刀

赵爽[32]设计了一种气力式菌棒脱袋系统，如图7所示。该系统在进行割袋作业时，所采用的刀片露出长度是固定值，且配置有弹簧，保证在切割过程中躲避凸起，避免割伤菌皮及菌丝。在进行脱袋作业时，应用位于菌棒两侧的吸盘将割开的菌袋掀起来，然后取袋机构将菌袋拉出。由于香菇菌棒表面凹凸不平，两侧的吸盘不能完全形成密闭空间，从而导致脱袋成功率较低，对其研究尚需进一步改善和提高。

图7 菌棒脱袋系统

1.2.3 其他类型菌棒脱袋装备

章礼通[33]设计了一款香菇菌棒自动化脱袋机，如图8所示。工作时，处于竖直状态的带袋菌棒在自由下落过程中，刮袋刀进入菌棒外表面和菌袋之间，菌棒就进入到脱袋圆筒内，而菌袋则套在脱袋圆筒的外壁上，脱袋圆筒外壁的周向上安装有破袋刀片，在菌棒下落的过程中，菌袋在竖直方向上被破开，然后在重力的作用下自然下落。为保证菌棒始终以竖直的姿态下落，防止菌棒被刮袋刀损坏，设计了导向槽和螺旋杆，螺旋杆旋转时不仅能对菌棒进行定向，还能带动菌棒向下移动。但因位于菌棒轴线处的螺旋杆需要动力输入，需要使用破棒刀在菌棒竖直方向上割出一道凹槽使传动轴通过，菌棒损坏较为严重，易造成霉菌污染，有待进一步解决。

图8 香菇菌棒自动化脱袋机

2 存在问题

经对现有菌棒脱袋装备比较分析发现(表1)，我国在菌棒脱袋技术与装备研发方面起步较晚，现正处于初级研发阶段，取得的科研成果数量有限，主要以技术专利为主，缺乏有关香菇菌棒力学特性、菌袋气吸特性等基础研究理论。其次，菌棒脱袋装备研发主体极其不合理，主要以菇农和中小型企业为主，科研实力雄厚的大专院校和科研院所取得的研究成果仅占全部研究成果的10%左右，由于菇农和中小型企业相较于大专院校和科研院所研发基础差，同时又受到高层次技术人才和科研经费的限制，菌棒脱袋装备的研发设计主要以实践生产经验为依据，缺乏相关基础研究理论的指导，大部分装备还主要处于理论试验阶段，存在较多不足，其具体如下。

1) 破袋技术相对落后。目前，主要采用破袋钉滚动破袋和弹簧割刀划破菌袋的技术方案，两者会对菌棒表面的菌皮甚至是培养基质造成不同程度上的损坏，易造成霉菌污染，影响到香菇产量。

2) 脱袋成功率低、效果不理想。采用的脱袋方式有机械撕扯和气力吸取，两者都存在不可避免的弊端。机械撕扯是先使用机械夹等刚性机构夹住菌袋扎口等部位，然后将菌袋撕扯下来，由于菌袋与菌棒之间有粘连，在一定程度上会将菌棒表面的菌丝擦伤，影响香菇质量；气力吸取是利用吸附孔或者吸盘产生的负压将菌袋吸取下来，由于菌棒表面凹凸不平和菌袋破损，无法形成密闭空间导致脱袋成功率低。

3) 脱袋装备功能不完善。菌棒脱袋装备已具有香菇菌棒破袋工序和香菇菌棒脱袋工序，但是缺少菌种去除和菌袋收集工序，现有装备需要人工辅助去除菌种以及接种口处残留菌袋并收集菌袋，劳动强度大，机械化和自动化程度有待提高。

4) 工作连续性和稳定性较差，脱袋效率低。缺乏同一制造标准，菌棒脱袋装备设计制造简陋，脱袋过程中易发生故障，严重影响工作的连续性和稳定性。

表1 国内几款香菇菌棒脱袋装备Tab. 1 Several domestic Lentinus edodes stick debagging equipment

3 对策与建议

1) 加大菌棒脱袋装备研发资金投入。政府部门要统筹谋划，积极发挥引导和带动作用，争取多渠道研发资金投入，提高科研院所、企业以及相关学者们的研发积极性，努力形成以政府投入为引导、大型食用菌装备企业投入为主体、菇农投入为补充的多元化菌棒脱袋装备研发投入机制，以满足菌棒脱袋装备研发项目对资金的需求。

2) 加强理论与实践融合共进。实施创新人才培养计划，加大对专业人才培养的投入力度，提高科研人员专业素质；在深入分析菌棒脱袋装备生产实践的基础上，加大香菇菌棒力学特性、菌袋气吸特性等基础研究理论，以建立一套完善、系统的理论体系，使得理论与实践紧密结合，为今后的菌棒脱袋装备研发工作提供理论指导。

3) 着力推进产学研一体化。食用菌装备企业应积极与科研实力雄厚的大专院校、科研院所合作，充分发挥三者各自的资源优势，逐步建立起一套强大的集研究、开发、生产于一体的先进体系，并在运行过程中表现出三者综合优势。不仅满足了食用菌装备企业的技术需求，又能实现大专院校的人才培养目标，还能有效推动香菇菌棒脱袋技术与装备的创新。

4) 完善菌棒脱袋装备相关技术研究，加强自动化、智能化设计。引进借鉴其他领域的新技术，将其消化吸收再创新后应用到菌棒脱袋装备上，以进一步减少菌棒表面菌皮损伤率，保证菌棒转色质量，全面提升香菇产量；加强菌棒脱袋装备的自动化、智能化设计，设计全自动菌种去除装置与菌袋收集装置，形成智能、连续的菌棒脱袋作业机组，以全面提升菌棒脱袋作业质量和效率。

5) 加强食用菌全程机械化示范基地建设。实践表明，国内农业机械化示范基地在推广应用新农机技术和机具装备方面发挥了重要作用。因此，加强食用菌全程机械化示范基地建设将有助于菌棒脱袋机械化发展。围绕香菇产业发展的要求和目标，在食用菌全程机械化示范基地内立项一批菌棒脱袋科研项目，有针对性地示范并推广一批高效、低损伤、低成本的菌棒脱袋装备，通过示范带动基地周边区域菇农使用新技术新装备的积极性，进而提高菌棒脱袋机械化水平。

4 结语

香菇产业快步朝着产业化、集团化和现代化方向迈进[34-36]，具有良好的发展态势。脱袋作为转色前的一道工序至关重要，直接关系到转色质量进而影响到香菇产量，其机械化发展水平直接制约着香菇菌业发展，菌棒全自动脱袋装备必然成为研发的重点环节，得到政府部门、食用菌装备企业以及科研院所的高度重视。为促进菌棒机械化脱袋替代手工劳动，实现香菇菌业机械化、设施化、工厂化栽培生产，未来主要研究内容和研究方向应为完善菌棒脱袋理论研究，建立一套系统的、完整的理论体系，夯实菌棒脱袋装备研发基础；攻克菌棒破袋、菌棒脱袋等关键技术难点，基本实现香菇菌棒的高效、低损伤、低成本的脱袋；应用物联网、智能控制等前沿技术，完善菌棒脱袋装备相关技术研究，实现菌棒脱袋环节全程机械化和智能化。