食用菌菌糠雙螺桿擠壓膨化工藝的優(yōu)化

陳曉明，高雋，張志軍

（天津市林業(yè)果樹研究所，天津300112）

食用菌菌糠雙螺桿擠壓膨化工藝的優(yōu)化

陳曉明，高雋，張志軍*

（天津市林業(yè)果樹研究所，天津300112）

以混合食用菌菌糠為原料，以菌糠粗纖維降解率作為評價(jià)參數(shù)，采用邊心響應(yīng)面設(shè)計(jì)（Box-Behnken Design，BBD），考察食用菌菌糠雙螺桿擠壓膨化中4個(gè)重要因素，并優(yōu)化菌糠雙螺桿擠壓膨化工藝。結(jié)果表明，混合食用菌菌糠修正后最佳擠壓膨化工藝條件為：菌糠水分含量30%，機(jī)筒溫度160℃，螺桿轉(zhuǎn)速為125 r/min，進(jìn)料速度100 kg/h，在此工藝條件下，食用菌菌糠的粗纖維降解率平均為（40.86±0.18）%。

菌糠；食用菌；擠壓膨化；工藝

隨著我國食用菌產(chǎn)量大幅度的提高，作為食用菌生產(chǎn)副產(chǎn)物之一的食用菌菌糠（Spent Mushroom Substrate，SMS）也隨之增多。目前我國對于廢菌糠的處理手段，絕大多數(shù)仍然通過廢棄，簡易堆制或就地燃燒進(jìn)行處理[1]，既污染環(huán)境，又浪費(fèi)了其中所含有用物質(zhì)，造成了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)損失。

在食用菌的生產(chǎn)過程中，被用作培養(yǎng)基的農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)品（諸如棉籽殼，鋸木屑，玉米芯或稻草麥草以及多種農(nóng)作物秸稈）或輕工業(yè)廢料（諸如刨花，制糖廢渣，造紙廢渣等）經(jīng)過食用菌菌絲體生長后，其中所含的多糖類物質(zhì)（如纖維素，半纖維素，木質(zhì)素）、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)均已被食用菌菌絲在不同程度的降解和轉(zhuǎn)化利用，尤其是纖維類多糖轉(zhuǎn)化為食用菌菌絲的胞壁多糖成分[2]，使得食用菌菌糠在纖維類物質(zhì)的組成和空間密度與原料截然不同，而正是食用菌菌糠中的多糖類成分對食用菌菌糠的利用產(chǎn)生了不小的影響。因此，利用擠壓膨化技術(shù)[3]對食用菌菌糠進(jìn)行處理，可以使得菌糠在擠壓膨化機(jī)中，在瞬時(shí)高溫高壓和機(jī)械剪切力的聯(lián)合作用下，一步完成纖維多糖類物質(zhì)降解，菌絲體蛋白質(zhì)變性，從而改善菌糠成分中最主要的纖維類物質(zhì)的降解率[4]；同時(shí)，擠壓膨化過程中的瞬時(shí)高溫高壓還可起到滅菌的作用。對雙螺桿擠壓膨化機(jī)處理食用菌菌糠相關(guān)工藝參數(shù)的研究，可以使在食用菌菌糠加工的關(guān)鍵問題上引入擠壓膨化技術(shù)成為可能，可以充分利用雙螺桿擠壓膨化技術(shù)操作簡單，生產(chǎn)效率高，工藝通用性好的一系列優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)出纖維類物質(zhì)降解充分、具有多種用途的膨化菌糠。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)用混合菌糠由天津市各區(qū)縣食用菌種植戶提供。將無腐爛，無霉變，無雜菌的表觀正常的食用菌菌糠，脫袋或去瓶后經(jīng)破碎，烘干，混合均勻以備試驗(yàn)用，平均含水量30%。

1.2 設(shè)備

DS56-X型雙螺桿擠壓膨化機(jī)：賽信機(jī)械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菌糠預(yù)處理

將廢棄食用菌棒脫袋或脫瓶后，進(jìn)行破碎工序，打碎粒度與原栽培料相近即可，剔除混雜其中的硬物后干制備用。按照GB/T 6434-2006《飼料中粗纖維的含量測定》測得菌糠粗纖維含量為39.23%。食用菌菌糠的預(yù)處理詳見天津市林業(yè)果樹研究所起草制定的天津市地方標(biāo)準(zhǔn)DB12/T 519-2014《食用菌菌糠處理技術(shù)規(guī)范》。

1.3.2 單因子試驗(yàn)

使用雙螺桿擠壓膨化機(jī)具有三區(qū)段加熱功能，包括：Ⅰ區(qū)（原料輸送）；Ⅱ區(qū)（混合，剪切，擠壓）；Ⅲ區(qū)（物料出口），根據(jù)前期預(yù)備試驗(yàn)的結(jié)果和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，固定Ⅰ區(qū)溫度為50℃，Ⅲ區(qū)溫度為180℃，模孔（即III區(qū)物料出口）直徑為10 mm，助膨劑NH4HCO3，添加量為1%。重點(diǎn)考察菌糠含水量，機(jī)筒溫度（Ⅱ區(qū)），螺桿轉(zhuǎn)速，進(jìn)料速度4個(gè)因素對菌糠的粗纖維降解率的影響，確定食用菌菌糠的雙螺桿擠壓膨化參數(shù)。

1.3.2.1 菌糠含水量對膨化效果的影響

固定機(jī)筒溫度90℃，螺桿轉(zhuǎn)速100 r/min，進(jìn)料速度40 kg/h，分別以20%、25%、30%、35%、40%的菌糠水分含量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.3.2.2 機(jī)筒溫度對膨化效果的影響

固定菌糠含水量20%，螺桿轉(zhuǎn)速100 r/min，進(jìn)料速度 40 kg/h，分別對 90、110、130、150、170 ℃機(jī)筒溫度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.3.2.3 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化效果的影響

固定菌糠含水量20%，固定機(jī)筒溫度90℃，進(jìn)料速度 40 kg/h，分別以 100、110、120、130、140 r/min 進(jìn)料速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.3.2.4 進(jìn)料速度對膨化效果的影響

固定菌糠含水量20%，固定機(jī)筒溫度90℃，螺桿轉(zhuǎn)速 100 r/min，分別以 40、60、80、100、120 kg/h 進(jìn)料速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.3.3 因子的響應(yīng)面優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以水分含量、機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度作為4個(gè)因素，以菌糠的粗纖維降解率為考察指標(biāo)，采用邊心設(shè)計(jì)（Box-Behnken Design，BBD）法[5]，使用Design Expert 8.1進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析，優(yōu)化食用菌菌糠雙螺桿擠壓膨化工藝參數(shù)，并驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)曲面因子水平表Table 1 Factor and levels of RSM

1.3.4 檢測指標(biāo)

單因素試驗(yàn)以及響應(yīng)面優(yōu)化中，均以菌糠粗纖維降解率作為考察指標(biāo)，膨化后粗纖維含量越低，則粗纖維降解率越高，說明擠壓膨化效果越好。粗纖維降解率計(jì)算公式如下：

式中：CF1為膨化前菌糠粗纖維含量，%；CF2為膨化后菌糠粗纖維含量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌糠含水量對膨化效果的影響

水分含量對粗纖維降解率的影響見圖1。

圖1 水分含量對粗纖維降解率的影響Fig.1 Effect of moisture content on the crude fiber degradability

從圖1中可以看出，隨著水分含量的增加，菌糠粗纖維降解率在逐漸升高，當(dāng)水分含量為30%時(shí)，達(dá)到最高，當(dāng)水分含量大于30%時(shí)，粗纖維降解又突然降低。在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)菌糠水分含量太低時(shí)擠出困難，容易出現(xiàn)設(shè)備堵塞和返料現(xiàn)象，當(dāng)水分含量太高后，在擠壓膨化機(jī)模頭出口有明顯水流，這都會(huì)影響菌糠的擠壓膨化效果。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較后，水分含量的5個(gè)水平的含水量之間都有顯著性差異（P＜0.05），考慮到菌糠水分含量太低而會(huì)出現(xiàn)設(shè)備堵塞或返料現(xiàn)象，不能連續(xù)擠出，故選擇水分含量25%、30%、35%3個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 機(jī)筒溫度對膨化效果的影響

機(jī)筒溫度對食用菌混合菌糠粗纖維降解率的影響見圖2。

圖2 機(jī)筒溫度對粗纖維降解率的影響Fig.2 Effect of temperature on the crude fiber degradability

圖2顯示，隨著機(jī)筒溫度的不斷升高，菌糠粗纖維降解率逐漸增加，當(dāng)溫度大于150℃后，粗纖維降解率又有所降低，這是由于機(jī)筒溫度高，機(jī)筒內(nèi)壓力大，容易破壞纖維素類結(jié)構(gòu)，而機(jī)筒溫度過高后，壓力太大，導(dǎo)致物料被壓的很實(shí)，反而不能很好的破壞纖維素類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，且溫度太高后，容易出現(xiàn)碳化現(xiàn)象而堵塞設(shè)備，造成菌糠中碳水化合物含量的降低[6]。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較后，機(jī)筒溫度的5個(gè)水平之間，機(jī)筒溫度150℃與170℃之間無顯著性差異（P=0.10＞0.05），而其余水平之間的差異性極顯著。考慮到參試因子水平選取的平衡性，所以選取機(jī)筒130、150、170℃3個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化效果的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對混合食用菌菌糠粗纖維降解率的影響見圖3。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對粗纖維降解率的影響Fig.3 Effect of screw speed on the crude fiber degradability

從圖3中可以看出，在螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí)，粗纖維降解率達(dá)到相對最大，而到140 r/min時(shí)相對最低，這說明螺桿轉(zhuǎn)速低，機(jī)筒內(nèi)的剪切作用小，不能充分降解菌糠粗纖維；螺桿轉(zhuǎn)速過高時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間太短，以至于菌糠中的纖維類結(jié)構(gòu)不能被很好的破壞，所以膨化后的菌糠粗纖維降解率較低[7]。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較后，螺桿轉(zhuǎn)速的5個(gè)水平之間都具有極顯著性差異（P＜0.01）?？紤]到螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí)，降解率達(dá)到相對最大，所以選取機(jī)筒120、130、140 r/min 3個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)。

2.4 進(jìn)料速度對膨化效果的影響

進(jìn)料速度對粗纖維降解率的影響見圖4。

圖4 進(jìn)料速度對粗纖維降解率的影響Fig.4 Effect of feeding speed on the crude fiber degradability

從圖4中可以看出，隨著進(jìn)料速度的逐漸增加，機(jī)筒內(nèi)物料單位時(shí)間內(nèi)相對量增加，機(jī)筒內(nèi)壓力升高，有利于破壞纖維結(jié)構(gòu)，而當(dāng)進(jìn)料速度太大時(shí)，機(jī)筒內(nèi)物料的相對密度大且物料停留時(shí)間短，不能及時(shí)擠出，機(jī)筒壓力增大且溫度升高，物料出現(xiàn)碳化焦結(jié)而不能連續(xù)擠出[8]。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較后，進(jìn)料速度的5個(gè)水平之間都具有極顯著性差異（P＜0.01）?？紤]到進(jìn)料速度為100 kg/h時(shí)，粗纖維降解率達(dá)到相對最大，所以選取機(jī)筒80、100、120 kg/h 3個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)。

2.5 菌糠擠壓膨化工藝響應(yīng)面優(yōu)化

響應(yīng)面試驗(yàn)四因素三水平共29次獨(dú)立試驗(yàn)，其中析因部分試驗(yàn)次數(shù)為24次，中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)為5次，用以估算試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of RSM

續(xù)表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果Continue table 2 Design and results of RSM

利用Design Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到食用菌菌糠粗纖維降解率（Y）對水分含量（X1）；機(jī)筒溫度（X2）；螺桿轉(zhuǎn)速（X3）及進(jìn)料速度（X4）的實(shí)際值全變量二次多項(xiàng)回歸模型方程為：

對該回歸模型進(jìn)行方差分析后進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of significance for regression coefficient

從表 3 中可以看出，模型一次項(xiàng) X1、X2、X3、X4對響應(yīng)值 Y 影響都極顯著（P＜0.000 1）；二次項(xiàng) X12、X22、X32、X42對Y影響也是極顯著（P＜0.000 1）；交互項(xiàng)中X1X2、X3X4對響應(yīng)值Y有極顯著影響，其余交互項(xiàng)對響應(yīng)值Y影響都不顯著，這也說明水分含量×機(jī)筒溫度；螺桿轉(zhuǎn)速×進(jìn)料速度的交互作用對食用菌菌糠粗纖維降解率具有極顯著影響。

通過對響應(yīng)曲面的交互作用分析后，發(fā)現(xiàn)各因素以及各因素之間的交互作用對菌糠的粗纖維降解率都有重要的影響。因此需要對提取條件進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)回歸模型，通過軟件分析得到菌糠的擠壓膨化最優(yōu)工藝條件為：水分含量29.48%，機(jī)筒溫度155.97℃，螺桿轉(zhuǎn)速為125.84 r/min，進(jìn)料速度100.14 kg/h，在此條件下，菌糠的粗纖維降解率為41.78%。為了檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，又考慮到通用性及實(shí)際操作的便利，將最優(yōu)工藝條件修正為：水分含量30%，機(jī)筒溫度160℃，螺桿轉(zhuǎn)速為125 r/min，進(jìn)料速度100 kg/h，在修正后的優(yōu)化提取工藝條件下，食用菌菌糠的粗纖維降解率平均為（40.86±0.18）%，與得率的理論值相比，相對誤差為（2.21±0.43）%，因此采用響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化膨化工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

1）得到在雙螺桿擠壓膨化機(jī)中，食用菌菌糠粗纖維降解率（Y）對原料菌糠水分含量（X1）；機(jī)筒溫度（X2）；螺桿轉(zhuǎn)速（X3）及進(jìn)料速度（X4）的二次多項(xiàng)回歸模型方程為：

2）食用菌混合菌糠雙螺桿擠壓膨化，修正后的最優(yōu)工藝條件為：水分含量30%，機(jī)筒溫度160℃，螺桿轉(zhuǎn)速為125 r/min，進(jìn)料速度100 kg/h，在修正后的優(yōu)化提取工藝條件下，食用菌菌糠的粗纖維降解率平均為（40.86±0.18）%

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The Optimization of Double-Screw Extrusion Technology by Spent Edible Fungi Substrate

CHEN Xiao-ming，GAO Jun，ZHANG Zhi-jun*
（Tianjin Institute of Forestry and Pomology，Tianjin 300112，China）

The Double-screw extrusion technology of spent edible fungi substrate （SMS）has been studied and optimized though four facters Box-Behnken design （BBD）of response surface method （RSM），as index by curde fiber degradability.The optimal technology condition were material moisture of SMS 30%，extrusion temperature 160℃，screw speed 125 r/min and feeding speed 100 kg/h，the crude fiber degradability of mixture SMS could reach up（40.86±0.18）%under this extrusion technology condition.

spent mushroom substrate（SMS）；edible fungi；double-screw extrusion；technology

2016-10-12

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.019

院長基金項(xiàng)目（11009）

陳曉明（1977—），男（漢），助理研究員，博士，主要從事天然產(chǎn)物與食品加工研究。

*通信作者：張志軍，研究員，學(xué)士，主要從事食用菌栽培與產(chǎn)品開發(fā)。