廢棄食用菌菌糠品質(zhì)評(píng)價(jià)及加工適宜性研究

聶 瑩 趙金紅 丁 洋 李淑英 劉學(xué)銘 唐選明*

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所/省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510610）

食用菌菌糠（以下簡(jiǎn)稱菌糠）是指以木屑、棉子殼、玉米芯等農(nóng)作物副產(chǎn)物為主料，栽培食用菌后剩余的廢棄培養(yǎng)基。我國(guó)作為食用菌生產(chǎn)大國(guó)，2010年食用菌總產(chǎn)量達(dá)2000萬(wàn)t，廢棄菌糠產(chǎn)量也高達(dá)1200萬(wàn)t[1]。

但是目前菌糠并未得到充分利用，而是被隨意丟棄或燃燒，對(duì)環(huán)境造成極大污染。菌糠作為食用菌菌絲殘?bào)w和食用菌酶解后發(fā)生質(zhì)變的纖維復(fù)合物，含有粗蛋白、粗脂肪、氨基酸等豐富營(yíng)養(yǎng)和大量有機(jī)質(zhì)，尤其在養(yǎng)殖業(yè)[2]（還有種植業(yè)[3]、工業(yè)[4]、建筑業(yè)[5]等各領(lǐng)域）具有廣泛應(yīng)用潛質(zhì)。利用食用菌菌糠開(kāi)發(fā)飼料，不僅可使菌糠資源得到充分利用，也可解決我國(guó)飼料資源短缺，人畜爭(zhēng)糧問(wèn)題。然而菌糠種類繁多，營(yíng)養(yǎng)成分不一，無(wú)法確定何種菌糠適合加工飼料；故有必要對(duì)各種菌糠營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)并歸類，充分發(fā)揮菌糠資源的利用價(jià)值。

多元統(tǒng)計(jì)方法中主成分分析法和聚類分析法可分別對(duì)多個(gè)變量起到降維和歸類作用。公麗艷等[6]利用主成分分析法對(duì)30個(gè)品種蘋(píng)果的30個(gè)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行分析并提取了6個(gè)主成分，應(yīng)用聚類分析法將30個(gè)品種蘋(píng)果分為5類；張小燕等[7]在研究不同馬鈴薯品種對(duì)油炸薯片的加工適宜性時(shí)，首先對(duì)馬鈴薯原料的8個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得出4個(gè)主成分因子，消除了原料各指標(biāo)間的相關(guān)性。目前在食用菌菌糠營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)研究方面，主要是針對(duì)單一菌糠進(jìn)行簡(jiǎn)單理化指標(biāo)測(cè)定，而對(duì)菌糠多種營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)間相互關(guān)系和多種菌糠系統(tǒng)性比較方面研究甚少，尤其是采用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)菌糠加工適宜性研究方面，國(guó)內(nèi)外至今未見(jiàn)報(bào)道[8]。

筆者研究目的是應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)方法分析我國(guó)普遍栽培食用菌所產(chǎn)生的廢棄菌糠各理化指標(biāo)差異性，并對(duì)廢棄食用菌菌糠進(jìn)行分類，確定哪（幾）種菌糠適合作為加工飼料原料使用，以對(duì)廢棄食用菌菌糠加工飼料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料采集工廠化栽培廢棄食用菌菌糠材料：香菇菌糠（主料：木屑，河北承德）、黃金針菇菌糠（主料：木屑，河北保定）、杏鮑菇菌糠（主料：木屑，河北承德）、黑木耳菌糠（主料：木屑，河北保定）、平菇菌糠（主料：棉子殼，河北保定）、云耳菌糠（主料：木屑，河北承德）、蟹味菇菌糠（主料：棉子殼，福建古田）；銀耳菌糠（主料：棉子殼，福建古田）；雞腿菇菌糠（主料：棉子殼，河北保定）；金針菇菌糠（主料：棉子殼，廣東廣州）；雙孢蘑菇菌糠（主料：木屑，北京房山）；毛木耳菌糠（主料：木屑，山東青島）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 廢棄食用菌菌糠理化指標(biāo)測(cè)定 水分按照GB/T 6435—2006方法測(cè)定；粗灰分按照GB/T 6348—2007方法測(cè)定；粗蛋白按照GB/T 6432—1994方法測(cè)定；粗脂肪按照GB/T 6433—2006方法測(cè)定；粗纖維按照GB/T 6434—2006方法測(cè)定；鈣按照GB/T 6436—2002方法測(cè)定；總磷按照GB/T 6437—2002方法測(cè)定；氨基酸按照GB/T 18246—2000方法測(cè)定。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS20.0和Origin8.6對(duì)廢棄食用菌菌糠理化指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，相關(guān)性分析，主成分分析以及聚類分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 食用菌菌糠理化指標(biāo)描述性分析及相關(guān)性分析表1是12種廢棄食用菌菌糠理化指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。食用菌菌糠各指標(biāo)的變異系數(shù)均大于10%[9]，說(shuō)明離散性較好，指標(biāo)間差異顯著，無(wú)需將幾個(gè)指標(biāo)合并，即不同種類食用菌菌糠差異性較大；尤其是粗灰分的變異系數(shù)最大，為150.01%，這有可能與不同種類菌糠的配料不同有關(guān)[8]。同時(shí)，表1顯示不同菌糠同一指標(biāo)的均值和中位數(shù)較為接近，說(shuō)明數(shù)據(jù)離群點(diǎn)少，選定的菌糠樣品具有較好代表性。上述結(jié)果表明研究所選12種廢棄食用菌菌糠間品質(zhì)差異性大，具有一定廣泛性與代表性。另外，表1理化指標(biāo)變化范圍與李彥霖等[1]所測(cè)結(jié)果基本一致（粗蛋白3.2%～14.2%，粗纖維2.0%～54.7%，粗脂肪0.12%～4.53%，粗灰分22.1%～73.9%，鈣0.5%～2%，磷0.07%～0.54%）。

表2為菌糠理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析，從表2中看出11個(gè)指標(biāo)間相互獨(dú)立但又聯(lián)系緊密，例如：水分與粗蛋白、粗脂肪等5個(gè)指標(biāo)均互呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，粗灰分與鈣呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，幾種氨基酸間互為正相關(guān)等。以上信息雖表明了各指標(biāo)間關(guān)系，但存在信息重疊現(xiàn)象，單憑此表無(wú)法簡(jiǎn)單而又概括描述出廢棄食用菌菌糠品質(zhì)評(píng)價(jià)規(guī)律，故有必要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化歸類。

2.2 主成分分析由于多個(gè)變量之間往往存在一定程度的相關(guān)性，人們自然希望通過(guò)線性組合的方式，從指標(biāo)中盡可能快地提取信息。當(dāng)一個(gè)線性組合不能提取更多信息時(shí)，再考慮用第二個(gè)組合繼續(xù)這個(gè)快速提取的過(guò)程，……直到所提取的信息與原指標(biāo)相差不多時(shí)為止。主成分分析的思想是用較少的主成分就可以得到較多的信息量。以各個(gè)主成分為分量，就得到一個(gè)更低維度隨機(jī)向量[10]。因此，通過(guò)主成分既可以降低數(shù)據(jù)“維數(shù)”又保留了原數(shù)據(jù)大部分信息。

表1 廢棄食用菌菌糠理化指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)mg/kg

表3 特征值相關(guān)系數(shù)矩陣

表2 廢棄食用菌菌糠理化指標(biāo)間的相關(guān)性

研究旨在將廢棄食用菌菌糠11個(gè)理化指標(biāo)變量進(jìn)行主成分分析，得到較低維度的隨機(jī)向量，并用此來(lái)表示較全面的菌糠信息。一般主成分?jǐn)?shù)目選定常用累積方差貢獻(xiàn)率不低于某一閾值（如85%）和特征值大于1這兩個(gè)指標(biāo)綜合考慮。11個(gè)變量經(jīng)主成分分析所得結(jié)果如表3所示，前兩個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為83.50%，特征值均大于1，已涵蓋了菌糠理化品質(zhì)大部分信息。

圖1 變量PC1、PC2載荷圖

圖1變量載荷圖直觀反應(yīng)了各主成分所包含的菌糠各理化指標(biāo)信息。第一主成分PC1主要綜合了水分、粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、總磷、賴氨酸、蛋氨酸+胱氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸等9類信息，其中水分在第一主成分上呈負(fù)向分布，其余均為正向分布，即在PC1坐標(biāo)軸正向，PC1越大，粗蛋白、粗纖維、粗脂肪等8類指標(biāo)數(shù)值越大，水分則相反；第二主成分PC2涵蓋了粗灰分和鈣的信息，并在第二主成分上呈正向分布，即在PC2正向坐標(biāo)軸上PC2越大，粗灰分和鈣值會(huì)逐漸增大。

另外，圖1又表達(dá)了各理化指標(biāo)間相互關(guān)系，粗蛋白與粗脂肪、總磷及賴氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸坐標(biāo)點(diǎn)在載荷圖上位置分布密集，都落在PC1正向與偏PC2正向交叉區(qū)域，而與粗纖維、蛋氨酸+胱氨酸距離較遠(yuǎn)，說(shuō)明粗蛋白與粗脂肪等5個(gè)指標(biāo)具有極顯著正相關(guān)性，與粗纖維、蛋氨酸+胱氨酸相關(guān)性不顯著（與表2一致）。粗灰分和鈣坐標(biāo)點(diǎn)均落在PC2正向區(qū)域，且遠(yuǎn)離粗蛋白、粗脂肪等指標(biāo)，說(shuō)明粗灰分與鈣關(guān)系緊密（表2中在P＜0.01水平上相關(guān)系數(shù)為0.842）。

圖2 主成分PC1、PC2得分圖

基于圖1各理化指標(biāo)載荷坐標(biāo)點(diǎn)位置，可清楚解釋圖2中每種菌糠所在位置。黃金針菇、杏鮑菇、黑木耳、平菇、云耳、雞腿菇菌糠因含水量相對(duì)較高但其余理化指標(biāo)含量偏低而處于PC1與PC2負(fù)向區(qū)間。蟹味菇、銀耳、金針菇菌糠因所含主料為棉子殼（含量大于50%），所以粗蛋白粗脂肪氨基酸含量豐富[11]，故落在PC1正向區(qū)域（但由于銀耳菌糠粗纖維含量相對(duì)于蟹味菇、金針菇菌糠偏高，落在其他2種菌糠偏下位置）；另外廢棄菌糠中含有蟹味菇、銀耳、金針菇殘留菌絲體，或可能是這三種食用菌在生長(zhǎng)過(guò)程中分泌各種生物酶，使相應(yīng)菌糠營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富[12]。此三種菌糠經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理后可以作為飼料等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，對(duì)廢棄菌糠進(jìn)行二次利用。香菇菌糠和毛木耳菌糠因各理化指標(biāo)含量整體處于偏低水平，在圖2中處于原點(diǎn)附近區(qū)域。雙孢蘑菇菌糠在圖2中位置遠(yuǎn)離其他菌糠，說(shuō)明雙孢蘑菇菌糠各理化指標(biāo)與其他菌糠相比，差別顯著，這與Ankit等[13]得到的結(jié)果相似。綜合圖1，雙孢蘑菇菌糠的粗灰分、鈣含量均明顯高于其他菌糠。

2.3 聚類分析聚類分析是對(duì)樣品或者指標(biāo)進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計(jì)方法[14]，其將已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算樣品或指標(biāo)間某一度量距離（本次研究選用歐氏距離），計(jì)算相似性并逐漸歸類，相似的研究對(duì)象歸為一類，相似性差的歸為第二類，依次類推，最終對(duì)研究對(duì)象分類[15]。圖3是12種菌糠聚類樹(shù)形圖，經(jīng)聚類分析將其分為4類。香菇、毛木耳菌糠為一類，這主要因?yàn)閮烧吒骼砘笜?biāo)含量均相對(duì)偏低；蟹味菇、銀耳、金針菇菌糠歸為一類，是因?yàn)榇值鞍?、粗脂肪等含量豐富；黃金針菇、杏鮑菇、黑木耳、平菇、云耳、雞腿菇菌糠歸為一類，是由于水分含量高，但營(yíng)養(yǎng)缺乏；雙孢蘑菇菌糠單獨(dú)一類，主要因?yàn)榇只曳?、鈣兩指標(biāo)明顯高于其他菌糠。S.N.Jor-dan等[8]也對(duì)愛(ài)爾蘭13種廢棄菌糠進(jìn)行聚類分析，聚類樹(shù)形圖顯示來(lái)自愛(ài)爾蘭兩個(gè)不同地區(qū)的菌糠被分為兩類。此外，圖3所得結(jié)果與主成分分析所得結(jié)果一致，說(shuō)明利用主成分分析和聚類分析方法可以有效將廢棄食用菌菌糠較為合理進(jìn)行歸類，對(duì)廢棄菌糠二次利用提供理論基礎(chǔ)。

2.4 歐氏距離法研究參照相關(guān)飼料標(biāo)準(zhǔn)[16-19]確定了符合上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的飼料理化指標(biāo)，通過(guò)SPSS20.0計(jì)算了理想飼料與各廢棄食用菌菌糠間的歐氏距離，各食用菌菌糠與理想飼料間的距離越短，表示與理想飼料的品質(zhì)越相似，從而更適合于加工為飼料。具體結(jié)果如表4所示。

圖3 聚類樹(shù)形圖

表4 飼料與廢棄食用菌菌糠的歐氏距離

表4中顯示，銀耳菌糠與飼料的歐氏距離最小，其次為金針菇、蟹味菇，說(shuō)明此三種菌糠從理化指標(biāo)方面適合加工為飼料，這也與2.2、2.3中得到的這三種菌糠歸為一類的分析結(jié)果相符。雙孢蘑菇菌糠與飼料的歐氏距離為4.043，遠(yuǎn)大于其他菌糠與飼料的歐氏距離，這主要是灰分、鈣含量過(guò)高，使其不適合作為飼料原料。

3 結(jié) 論

對(duì)采集的12種廢棄食用菌菌糠的11個(gè)理化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)其均值、中位數(shù)、變異系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明所測(cè)數(shù)據(jù)各理化指標(biāo)均值、中位數(shù)較為接近，離群點(diǎn)少，所選菌糠樣品具有代表性；變異系數(shù)較大，所測(cè)各理化指標(biāo)間差異顯著。

利用主成分分析法對(duì)11個(gè)理化指標(biāo)進(jìn)行分析，提取的兩個(gè)主成分PC1、PC2反應(yīng)了原變量83.50%的信息。根據(jù)PCA得分圖、變量載荷圖直觀得出廢棄食用菌菌糠種類與主成分之間關(guān)系。明確區(qū)分出粗蛋白、粗脂肪等營(yíng)養(yǎng)成分豐富的菌糠品種：蟹味菇、銀耳、金針菇；粗灰分、鈣含量高的菌糠品種：雙孢蘑菇；營(yíng)養(yǎng)較匱乏菌糠品種：香菇、毛木耳菌糠；營(yíng)養(yǎng)匱乏菌糠品種：黃金針菇菌糠、杏鮑菇菌糠、黑木耳菌糠、平菇菌糠、云耳菌糠、雞腿菇菌糠。

根據(jù)廢棄食用菌菌糠理化指標(biāo)間相似性，利用聚類分析法將12種菌糠分為4類，與PCA分析結(jié)果一致；并計(jì)算了各菌糠與飼料間的歐氏距離，初步確定了適合加工成飼料的菌糠品種依次為：銀耳菌糠、金針菇菌糠、蟹味菇菌糠。