平菇培养料发酵过程中理化性质及物质变化研究

周金看 赵玉阳 夏会楠 李东晓 郑素月 王春霞

(河北工程大学园林与生态工程学院，河北 邯郸 056038)

我国是农业大国，每年产生秸秆皮壳、树枝、树皮、木屑、畜禽粪便等农林牧废弃物约30 亿吨，为食用菌产业发展提供了充足的资源[1]。发展食用菌栽培不仅能够实现农业废弃物资源化利用，推进循环经济的发展，还能生产出美味、营养丰富的食用菌，是中国粮食安全的生力军[2]。据中国食用菌协会发布的数据，2021 年我国平菇产量达611.34万吨，是我国第三大食用菌栽培品种。

平菇主要利用棉籽壳、木屑、玉米芯及作物秸秆等栽培[3]，栽培方式有生料栽培、灭菌料栽培及发酵料栽培三种。其中，发酵料栽培因成本低、操作简单、经济效益高，在实际生产中应用广泛。然而平菇培养料的发酵技术是实际生产中根据经验探索而来，培养料发酵过程及最终质量缺乏系统的研究和数据支撑，不利于平菇工厂化、规模化栽培对培养料发酵质量的控制。发酵过程一旦操作失误，将给生产带来巨大损失。

理化性质及物质的变化可影响和反映培养料质量，如水分的多少直接决定发酵质量[4-5]；pH 过高、过低均不利于微生物生长繁殖，进而影响发酵进程[6]；电导率反映发酵料中可溶性盐含量，是对食用菌产生毒害作用的因素之一[7]，柯斌榕等发现双孢蘑菇培养料发酵过程电导率呈降低趋势[8]。培养料发酵过程中，微生物不断降解利用木质纤维素，各种降解酶发挥了重要作用[9-10]。

本研究以玉米芯为主要原料发酵24 天，测定发酵过程中不同时期的理化性质及物质变化情况，旨在为改进平菇培养料发酵技术提供一定的理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试样品培养料配方为玉米芯95%、石灰2.5%、石膏2.5%，为河北邯郸菇农常用平菇发酵料栽培配方。由河北邯郸魏县菇农于2021 年11 月2 日至2021 年11 月26 日期间在当地进行室外建堆发酵，堆宽2 m、高1.5 m、长3 m，分别在发酵第5、12、18、24 天进行翻堆。

分别在平菇培养料未发酵（C-0）、发酵第5天（C-1）、发酵第12 天（C-2）、发酵第18 天（C-3）、发酵第24 天（C-4）进行取样。一部分样品烘干磨碎过筛，一部分样品置于 - 80 ℃冰箱保存备用。

1.2 检测方法

（1）含水量。采用恒重烘干法测量含水量。称取新鲜平菇培养料样品3 g 于干净玻璃培养皿中，将培养皿置于100 ℃电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）中，烘至恒重，记录重量为W。根据含水量计算公式：

计算结果，每个样品3 次重复。

（2）pH。采用pH 计（雷磁pHS-3C）测量样品pH。称取新鲜样品3 g 置于30 mL 无菌水中，120 r/min 震荡浸提1 h，5 000 r/min 离心10 min，取上清液进行pH 测量，每个样品3 次重复。

（3）电导率。采用电导率仪（雷磁DDSJ-308F）测量样品电导率。称取新鲜样品3 g 置于30 mL 无菌水中，120 r/min 震荡浸提1 h，5 000 r/min 离心10 min，取上清液进行电导率测量，每个样品3 次重复。

（4）有机质、碳。利用重铬酸钾法测量有机质的含量，有机质含量除以1.724 即为碳含量。具体操作步骤见《有机肥料》（NY525—2012）[11]。

（5）氮。氮含量的测定采用凯氏定氮法（格林凯瑞自动凯氏定氮仪）。具体操作步骤见《有机肥料》（NY525—2012）[11]。

（6）木质纤维素降解酶酶活。漆酶酶活测定方法为ABTS 法，具体方法参照王强[12]。纤维素酶活、木聚糖酶活测定方法为DNS 法，具体方法参照王琳[13]。

1.3 数据分析

用Excel 进行数据整理作图，SPSS 25.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同发酵阶段平菇培养料含水量的变化

培养料发酵过程中，含水量直接影响堆体的温度，进而影响发酵质量。含水量过低会抑制微生物吸收营养物质，含水量过高会使培养料通透性变差，进行厌氧发酵。本研究中不同发酵阶段平菇培养料含水量变化情况如表1 所示，初始未发酵阶段即C-0 时期，含水量为66.65%；由于室外发酵，受降雨影响，C-1 时期含水量显著上升，达到73.04%；随着发酵进程推进，水分不断消耗及蒸发，C-2、C-3、C-4 时期含水量显著下降，分别为71.15%、69.03%、65.24%，直至发酵结束。

表1 不同发酵阶段培养料的含水量、pH、电导率

2.2 不同发酵阶段平菇培养料pH 的变化

pH 过高或过低均会抑制发酵进程，影响发酵效率[6]。不同发酵阶段平菇培养料的pH 见表1，培养料初始pH 为9.66，C-1 时期显著上升达到10.21，这是由于微生物降解有机质产生氨基酸，氨基酸又被分解生成氨气所导致。随着发酵进程推进，微生物代谢活动中产生的有机酸增多，C-2、C-3、C-4 时期pH 显著降低，分别为8.92、8.56 和8.18。

2.3 不同发酵阶段平菇培养料电导率的变化

电导率反映了培养料的盐浓度，是判断培养料是否对食用菌产生毒害作用的重要依据。由表1 可知，本研究中不同发酵时期平菇培养料电导率呈波动降低趋势，未发酵时为1 419.63 us/cm，C-1 时期显著下降至686.75 us/cm，C-2 时期上升至873.5 us/cm，C-3 时期又降为755.88 us/cm。电导率上升可能是有机质被微生物降解产生无机盐导致；下降则可能是因为微生物分解利用部分有机盐，致使盐浓度下降。发酵结束时培养料电导率为930 us/cm，小于4 ms/cm，因此不会对食用菌的生长产生毒害作用。

2.4 不同发酵阶段平菇培养料有机质、碳、氮含量的变化

培养料发酵过程有机质含量过高，容易造成厌氧发酵，使培养料发臭[14]。稻草、秸秆等是用于栽培食用菌的主要碳源，适宜的碳含量，有利于缩短发酵时间，提高发酵质量[15]。表2 为不同发酵时期有机质和碳的含量变化情况，两者变化趋势一致，随着发酵的进行，微生物不断利用营养物质满足自身生长繁殖的需求，培养料中有机质、碳的含量逐渐减少。C-0 至C-2 时期嗜热微生物发挥主要作用，大量分解有机质，使有机质含量显著下降。C-3 和C-4 时期有机质和碳含量变化不显著，说明培养料发酵到达终点，大分子物质基本被降解完全。

表2 不同发酵阶段培养料的有机质、碳、氮含量

发酵过程中微生物消耗利用碳源的同时也要利用氮源，氮含量低，微生物繁殖速度低，有机物降解速度变慢，发酵时间延长；氮含量高易造成氮挥发降低肥效[16]。本研究中氮含量整体呈上升趋势（表2），C-0 至C-2 时期随着发酵的进行，堆体温度逐渐升高，嗜热微生物生长繁殖加快，大量微生物将有机质分解为低分子的氨、尿素、硝酸盐等可溶性的无极化合物和有机酸，而使氮含量持续增加。C-3 时期氮含量下降可能由于在此阶段氮以氨气形式挥发了一部分。

2.5 不同发酵阶段平菇培养料木质纤维素降解酶活性的变化

玉米秸秆、稻草及木屑等农业废弃物中含有大量的木质纤维素，发酵过程中微生物不能直接利用，需要经过特定的酶降解为小分子物质后才能进行吸收利用[17]。木质纤维素的降解主要依赖漆酶、纤维素酶和木聚糖酶。如表3 所示，本研究中漆酶、纤维素酶、木聚糖酶3 种酶的活性变化趋势基本一致，即发酵初始阶段酶活性较高，随发酵进程先降低，在进入高温期（C-2 至C-3 时期）后微生物降解酶活性升高；发酵即将完成时，木质纤维素被完全降解，降解酶活性降低。3 种酶中，以漆酶活性最高，其降解木质素能力较强；其次是木聚糖酶，木聚糖酶对半纤维素的降解发挥关键作用。

表3 不同发酵阶段平菇培养料3 种木质纤维素酶活性

3 讨论与结论

随着生态循环农业的发展，食用菌栽培在推动农业废弃物资源化利用方面发挥了重要作用[18]。采用发酵料栽培与灭菌料相比，无需进行高温灭菌，即节约了资源成本，又简单、快速、高效。但培养料发酵技术是菇农凭借实际生产经验形成，没有统一的技术规程和参数，不利于技术的推广和把控，对发酵过程中培养料的理化性质及物质的变化规律进行探索可为其提供技术支撑。

本研究以玉米芯为主要原料进行为期24 天的发酵，探究发酵过程中理化性质及物质的变化情况。结果显示，在整个发酵过程中培养料含水量保持在65.24%～73.04%，呈先升高后降低趋势。排除室外降雨影响，与李海渤等[19]在以牛粪和灵芝菌渣为发酵原料进行发酵时发现不同处理组含水量随发酵时间增加均逐渐下降的研究结果一致。

pH在C-1时期出现上升可能是因为温度升高，加快了微生物对有机物的利用，分解产生的副产物氨导致pH 上升；后期微生物利用有机物产生酸性物质使pH 下降[20]。王柯坛等[21]以玉米秸秆为原料进行发酵，发酵前期pH 呈上升状态，然后下降。不同比例的羊粪和玉米秸秆发酵时，其pH 变化均为先升高后降低[22]，与本研究结果一致。

电导率是判断培养料发酵是否完成的标准之一，研究发现，添加微生物菌剂可以改变发酵质量，使电导率呈下降趋势[23]；使用鹅粪和玉米秸秆为原料进行发酵，电导率呈快速下降趋势[24]，均与本研究结果基本一致。电导率下降可能与有机物的分解及氨的挥发有关。

碳源、氮源是微生物生长繁殖所需的基本营养物质。整个发酵阶段微生物不断消耗有机物，有机质含量呈下降趋势。平菇培养料发酵过程中氮含量整体呈上升趋势。在高温期，氮会以氨气的形式挥发，氮含量略有下降，在发酵后期，在硝化细菌的作用下，NH4+转化为NO3-，硝态氮的含量又会增加。研究报道以牛粪和玉米秸秆为原料进行发酵时氮含量整体呈上升趋势[25]，与本研究结果基本一致。

木质纤维素是一种由木质素、纤维素、半纤维素交织而成的复杂聚合物，资源化利用率低，通过微生物进行降解是非常有效的方法[26-27]。本研究结果显示，培养料发酵过程漆酶、纤维素酶、木聚糖酶三种酶活性整体均呈先降低后升高再降低的趋势。朱屹等[28]在探究番茄秸秆和玉米秸秆发酵过程中微生物变化时发现纤维素酶、木聚糖酶活性在发酵前3 周呈上升趋势，之后逐渐下降。

平菇培养料发酵过程受水分、温度、酸碱度等多种因素影响，任何一种因素都能够影响发酵进程，决定发酵质量，进而影响平菇栽培效益。本研究通过探究不同发酵阶段平菇培养料理化性质及物质的变化情况，为改进平菇培养料发酵技术提供一定的理论依据和数据支撑。