國內(nèi)袋栽食用菌生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀和展望

廖 劍 王 銳 盧澤民 高星星 龐雄斌 羅 欣 羅友誼

(武漢市農(nóng)業(yè)科學院，武漢 430345)

0 引言

食用菌在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中的比重僅次于糧、菜、果、油，居第5位，已成為農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1-3]。隨著食用菌行業(yè)的技術升級和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國食用菌產(chǎn)量從1978年占全球總產(chǎn)量的5.7%發(fā)展到2018年的70%以上，從5.8萬t激增至3842t。特別是2000年以后食用菌行業(yè)迎來黃金發(fā)展期，其中2006-2013年期間年均增長率達到10%以上，成為世界食用菌生產(chǎn)、消費和出口大國。

中國食用菌生產(chǎn)經(jīng)歷了房前屋后的庭院生產(chǎn)、特種蔬菜生產(chǎn)、集約化生產(chǎn)、工廠化生產(chǎn)4大階段[4]。目前，中國食用菌工廠化生產(chǎn)中，金針菇、雙胞蘑菇等適合瓶、床栽模式的品種隨著國外技術和裝備的引進已初步實現(xiàn)工廠化、機械化生產(chǎn)，但這些生產(chǎn)裝備投資成本高，且適用品種、生產(chǎn)模式較為單一，不能完全滿足國內(nèi)食用菌多品種模式的生產(chǎn)需要。且我國食用菌主要栽培方式仍然是傳統(tǒng)的袋栽方式，袋栽產(chǎn)量占國內(nèi)食用菌總產(chǎn)量的70%以上[5]，袋栽食用菌生產(chǎn)裝備面臨的機械裝備配套不全、手工操作占有比例高、勞動強度大等問題已經(jīng)成為制約食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的主要因素。10多年來，各科研院校、農(nóng)機企業(yè)、技術推廣部門和種植企業(yè)、合作社在袋栽食用菌生產(chǎn)裝備的研制和開發(fā)方面共同努力，取得了較好的成績，在提升生產(chǎn)效率、降低勞動強度、資源節(jié)約等方面發(fā)揮了重要作用。

1 袋栽食用菌生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀

1.1 培養(yǎng)料粉碎機械

針對食用菌栽培基質(zhì)對粒度的大小和柔軟程度等的要求，粉碎機需首先滿足對硬質(zhì)秸稈的粉碎揉搓，在保證一定粒度的基礎上，盡可能實現(xiàn)軟化基質(zhì)，以減少破袋率或空隙率。根據(jù)粉碎方式和粉碎手段的不同可將粉碎技術分為鍘切式、錘片式、揉切式和組合式4種[6]，鍘切式的主要原理是切斷，鍘切式粉碎機可作為食用菌基質(zhì)粉碎粗加工，其結構簡單，價格較低，使用方便，但存在人工勞動強度大、切割質(zhì)量和效率較低等問題。錘片式粉碎機是我國食用菌栽培基質(zhì)粉碎的主要機型[7]。我國第一臺錘片式粉碎機于1955年引自前蘇聯(lián)[8]，錘片式粉碎機的結構是由幾組錘片安裝在主軸上，錘片可以隨著主軸的轉動而轉動，而且錘片可以相對主軸轉動。其原理是高速旋轉的錘片和喂入粉碎室的秸稈之間產(chǎn)生偏心撞擊，秸稈被撞擊后環(huán)繞著粉碎室進行旋轉，在錘片和粉碎室齒板的碰撞和搓擦下得到粉碎，直至物料顆粒度達到要求后從篩孔中排出。錘片式粉碎機可滿足食用菌栽培軟質(zhì)秸稈原料的要求，對硬質(zhì)和高纖維秸稈原料仍不能完全適應。揉切式粉碎機同時具有鍘切和揉搓功能，其原理是用高速旋轉的動刀把喂入進料口的秸稈抓取至粉碎室；在動刀、定刀、粉碎室罩殼以及由動刀軸旋轉形成的環(huán)流層的共同作用下，在圓周方向運動過程中受到打擊、剪切及搓擦作用而被粉碎成斷口形狀不規(guī)則的細條狀短片，達到要求的物料在動刀高速旋轉形成的氣流中從篩網(wǎng)排出，未達到要求的物料進一步粉碎從排料口排出。揉切式粉碎機粉碎效果好，性能穩(wěn)定，但刀具結構復雜，磨損快且加工難度大。組合式粉碎機是集鍘切、粉碎、揉搓等功能于一體的粉碎設備，既有錘片的打擊作用，又有動刀的剪切作用，同時齒板和定刀也會產(chǎn)生揉搓和切割作用，提高了粉碎效率和質(zhì)量。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所宋衛(wèi)東、王明友等人設計的帶風引出料裝置的雙喂料口粉碎機，第一進料口處設置圓盤切刀，用于硬質(zhì)和高纖維物料的先切后粉作業(yè)；第二進料口則直接與粉碎室相連，軟質(zhì)物料不經(jīng)切斷直接進入粉碎室進行錘片粉碎，降低能耗的同時提高了切刀的使用壽命[9]。

1.2 裝袋設備

目前食用菌培養(yǎng)料裝袋機主要分為臥式裝袋機和立式?jīng)_壓裝袋機2種：立式?jīng)_壓裝袋機與攪拌機、輸送帶、儲備機等配套，可實現(xiàn)食用菌培養(yǎng)料裝袋的自動化生產(chǎn)，適合生產(chǎn)規(guī)模較大的工廠使用，而生產(chǎn)規(guī)模較小的通常選擇臥式裝袋機[10]。

1982年，為了解決人工攪拌裝袋勞動強度大，生產(chǎn)效率低，攪拌效果差、不均勻、裝袋大小不一、袋內(nèi)物料緊實度差等問題，福建農(nóng)機所開始著手研制和試驗用木屑栽培一菇三耳的成套機械。福建省古田縣教學器材廠生產(chǎn)了GE培養(yǎng)基裝袋機，其原理是從喂料斗將培養(yǎng)基送入，經(jīng)攪拌軸壓入攪龍，再由螺旋攪拌軸送入筒口進行裝袋，結構簡單，操作方便，生產(chǎn)效率較高[11]；福建省農(nóng)機所設計了ZDP3型木屑培養(yǎng)基裝袋裝瓶兩用機，可用于白木耳、香菇、黑木耳等食用菌培養(yǎng)基的裝袋和裝瓶；配有適應口袋寬12cm和17cm的裝袋部件，其工作原理為把袋口套在攪龍上，物料由料斗進入，經(jīng)攪拌器攪拌后送入攪龍，擠壓入袋并壓實，裝滿后自動退出，裝袋效率為250～300袋/h，耗電量0.2kWh/百袋，操作簡便，價格低廉[12]；福建農(nóng)學院研制了6ZP-500A型培養(yǎng)基裝瓶裝袋兩用機，該機采用旋轉料斗加臥式擠壓攪龍的結構形式，有效利用物料粘附性強的特性，解決了物料在料斗內(nèi)容易架空的問題，性能穩(wěn)定可靠，針對1kg/袋的規(guī)格，裝袋效率可達379袋/h[13]。

1999年，安徽省五河縣科委食用菌研究所研制出多功能裝袋機，該設備設置了機械離合裝置，裝料量一致性好，配合快速套袋，效率較高，還可配合拖拉機機械動力，適用性強[14]；2004年，黑龍江柴河林業(yè)局劉照友等研制了XS-1型裝袋機，可實現(xiàn)裝袋、平口、打孔3道工序1次完成[15]；2005年，河北科技師范學院劉長榮等設計了一種多功能自動裝袋機，用電磁離合器替代了機械離合裝置，結構簡單，裝袋工作只需1人即可完成，效率達到333袋/h[16]；2010年，浙江理工大學李國一等設計了一種自動定量裝袋機，能自動控制裝料松緊度和裝袋長度，提高了裝袋效率，實現(xiàn)了自動定量的功能；漳州益利食用菌科技有限公司涂選來等發(fā)明了一種全自動螺旋式裝袋機，可控制料袋松緊度和裝料高度[17]；2011年，徐壽海等發(fā)明了一種食用菌全自動裝袋機，實現(xiàn)了取袋、裝袋、套袋、推袋作業(yè)自動化[18]；2013年，張小奇發(fā)明了一種食用菌培養(yǎng)料裝袋機，可實現(xiàn)較細培養(yǎng)料分布在培養(yǎng)料最外層，避免粒度較粗的培養(yǎng)料刺破塑料袋，降低了裝袋過程中的廢袋率[19]；漳州金黑寶食用菌有限公司盧國良發(fā)明了一種自動香菇培養(yǎng)料裝袋機，可有效控制菌袋的松緊度、長短度，實現(xiàn)了自動機械化裝袋，裝袋質(zhì)量和生產(chǎn)效率較高[20]；2014年，羅連富發(fā)明了一種食用菌氣動電磁離合智能裝袋機，可實現(xiàn)食用菌塑料袋自動裝袋、打孔和傳送，可按生產(chǎn)標準進行編程，提高裝袋效率和質(zhì)量[21]；2015年，攀枝花學院楊艷等設計了一種基于PLC的食用菌速裝袋機控制系統(tǒng)，可控制食用菌袋長短、壓實度變化并自動計數(shù)，可任意采用1～3人的操作模式，自動化程度較高[22]；2016年，浙江慶元縣春曉自動化科技有限公司吳小春設計了一種自動套袋裝袋一體機，減少了菌棒與人工、外界空氣的接觸，可有效降低雜菌感染[23]；山東福國菌業(yè)有限公司王克振等發(fā)明了一種食用菌裝袋機，每次出料可以同時填裝2個菌袋，還可以根據(jù)自身情況調(diào)節(jié)裝袋機的工作速度，使得食用菌培養(yǎng)料裝袋機更加便于使用[24]；朱松鶴發(fā)明了一種全自動食用菌裝袋機，能自動實現(xiàn)撐開袋口、套袋、裝袋、窩口和插棍等功能[25]；史彥昌等發(fā)明了一種食用菌培育裝袋機，能適應不同直徑的菌袋裝料，適應性較強[26]；隨州市雙翼隆基機械科技有限公司李逵發(fā)明了一種食用菌培養(yǎng)料裝袋機，裝袋效率高，裝袋質(zhì)量好，可以減少工人的勞動量[27]。2018年，金華市農(nóng)業(yè)機械研究所陳長卿等發(fā)明了一種食用菌原料基質(zhì)自動裝袋機，可完成送袋、撐袋、進料、壓料等工作，并設有菌袋檢測裝置，自動化程度較高[28]；2020年，南京農(nóng)機所王明友等設計一種雙工位同步作業(yè)的自動膜式裝袋機，整機采用套袋與裝料雙轉盤結構型式，可實現(xiàn)套袋和裝料同時作業(yè)，生產(chǎn)效率可達1720袋/h，裝料質(zhì)量差異性小，性能穩(wěn)定[29]。漳州興寶食用菌機械有限公司、龍泉市菇源自動化設備有限公司、隨州市三龍食用菌機械有限公司、浙江慶元菇星節(jié)能機械有限公司等企業(yè)也開發(fā)了一系列裝袋機，市場應用較廣。

1.3 滅菌設備

2014年，中國農(nóng)業(yè)大學汪政富等發(fā)明了一種高溫高壓免鍋爐臥式食用菌滅菌設備，采用多層料架菌種車，可充分利用釜體空間，殺菌均勻[30]；姚小金等發(fā)明了食用菌智能滅菌設備，使用廢菌棒作為燃料，經(jīng)過對其雙面和多級燃燒，實現(xiàn)蒸汽滅菌[31]；2018年，黑龍江省樂豐科技有限公司姜永成等發(fā)明了一種連續(xù)式食用菌菌料全自動滅菌機，包括進料單元、滅菌倉和蒸汽滅菌單元，進料單元用于將菌料傳送至滅菌倉中，蒸汽滅菌單元用于對滅菌倉中的菌料進行滅菌[32]；連云港國鑫食用菌成套設備有限公司研發(fā)的GXMQ系列滅菌器，具有滅菌周期短、無死角、充分保護培養(yǎng)基有效成分等特點[33]。諸城市良工機械有限公司研發(fā)的新型燃油、燃氣式節(jié)能環(huán)保免鍋爐殺菌鍋，燃燒室多種燃料一體化設計，與傳統(tǒng)殺菌鍋相比節(jié)能50%，菌包專用型容量1000～20000袋，生產(chǎn)成本低，操作方便[34]；山東諸城還有眾多廠家也對食用菌滅菌設備進行了研發(fā)和生產(chǎn)。

1.4 接種設備

2009年，江蘇大學張西良等發(fā)明了一種袋栽食用菌液體菌種接種機，可以自動完成接種工作環(huán)境凈化、栽培袋傳輸、自動定量接種和封口作業(yè)，自動化程度較高，不容易產(chǎn)生污染[35]；2010年，陳俏彪發(fā)明了一種食用菌菌棒打孔接種機，打孔位置均勻、深度一致性好，操作簡單[36]；2013年，連云港國鑫食用菌成套設備有限公司研制了袋栽食用菌菌包全自動液體接種機和固體接種機，接種量可以自動控制，菌包感染率低，生產(chǎn)效率較高；樸行萬發(fā)明了一種全自動袋栽香菇固體菌種接種機，接種的全部過程都能自動完成，可適應多種菌種培養(yǎng)基(如細木屑、木片或成型菌種)，自動化程度高，節(jié)省勞動力，操作簡單，能保證香菇菌棒制作的效率和質(zhì)量要求，每小時接種量達1500～2000袋，成品率可達98%以上[37-38]。2015年，連云港國鑫食用菌成套設備有限公司發(fā)明了一種適用于菌棒的自動接種機，可以同時適用于液體菌種、固體菌種的接種，特別適用于香菇和其它食用菌菌棒的接種[39]；2016年，應國華等發(fā)明了一種食用菌菌棒式全自動接種機，接種環(huán)境可控、菌種損傷小，菌種分配均勻，接種成品率和效率高，適合于香菇、黑木耳等食用菌的菌棒式打孔接種，該裝置可以滿足在大棚、普通室內(nèi)、潔凈室等多種環(huán)境條件下使用[40]；內(nèi)黃縣日星食用菌自動化設備廠劉軍飛等發(fā)明了一種香菇全自動接種機，能夠?qū)崿F(xiàn)菌棒的有效定位和輸送，并且能夠配合打孔組件和接種組件實現(xiàn)定位打孔和接種，整個過程單次能夠?qū)崿F(xiàn)4個菌棒的同步打孔[41]；內(nèi)黃縣昌興生物機械設備有限公司張鈺堯等發(fā)明了一種多工位全自動接種機，同一工序上設置有多個工位，可一次對多個菌袋完成消毒、打孔、壓種、壓平及推袋，設備生產(chǎn)能力較高[42]；2017年，山東省科創(chuàng)食用菌產(chǎn)業(yè)技術研究院發(fā)明了一種液體菌種自動接種機，可以同時自動完成多個菌袋的固定菌袋、夾菌袋蓋、移動菌袋蓋、向敞開口的菌袋中注射菌種、扣好菌袋蓋等菌種接種工作，自動化程度較高[43]；隨州市三龍食用菌機械有限公司李逵發(fā)明了一種食用菌接種機，接種效率高，菌種顆粒大小均勻，接種質(zhì)量好，感染雜菌率低，食用菌生長速度均勻，利于管理[44]；2018年，連云港國鑫食用菌成套設備有限公司發(fā)明了一種食用菌培養(yǎng)基的滅菌冷卻接種一體化裝備，可一次完成對食用菌培養(yǎng)基的滅菌、冷卻、接種操作，生產(chǎn)利用效率高[45]；安徽省佳康食用菌科技開發(fā)有限責任公司發(fā)明了一種智能全自動多功能食用菌液體種接種機，能夠?qū)崿F(xiàn)同時對菌種袋進行消毒、接種和封口作業(yè)，解決了食用菌液體菌接種機自動化低，接種效果差的問題[46]；2019年，漳州市興寶機械有限公司盧國寶等發(fā)明了一種香菇雙面固體接種機，能夠進行雙面接種[47]；2020年，中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院景全榮等發(fā)明了一種適用于袋栽食用菌的接種機，可完成菌棒連續(xù)輸送狀態(tài)下的多孔穴貼膜覆蓋，不規(guī)則菌棒自動識別排隊輸送、周向定位打孔、多點位定量均勻接種、仿形貼膜等全自動流程的一體化作業(yè)，實現(xiàn)了袋栽食用菌液體菌種快速精確、均勻接種，提高了接種效率和精準度[48]。

1.5 種植設備

目前袋栽種植設備多采用簡易焊接層架式和標準貨架式，存在菌棒上下架、日常巡檢、采菇勞動強度大，食用菌出菇一致性差等問題，武漢市農(nóng)業(yè)科學院依托湖北省重點研發(fā)計劃項目研制了一種循環(huán)式立體栽培床，采用W型鏈輪鏈條驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)多層栽培架的循環(huán)往復移動，保證溫濕度、光照、空氣接觸均勻性和食用菌生長一致性，且能夠在固定工位上完成上架、微噴灌溉、施肥、現(xiàn)場巡檢、日常管理、采收、下架等作業(yè)，空間利用率為單層的3～8倍，菌棒容量150～200棒/m2，人工成本降低60%以上，設備運行能耗低，可進行自動控制和遠程監(jiān)控，食用菌生長一致性好，智能化程度高，并已在十堰香蕈科技有限公司投入使用，生產(chǎn)效果較好。

1.6 采收設備

2017年，開縣群輝食用菌種植場許超群發(fā)明了一種食用菌便攜式采裝裝置，通過布帶將整個裝置穿戴在采摘人員的腰部，更加便于采摘人員進行采摘，且對采摘人員的腰部皮膚的損害性較低，能夠增加采摘人員的使用舒適性[49]；福州市凱達生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司曹光標發(fā)明了一種食用菌采摘用移動式升降裝置，采用移動式升降裝置，進行菌菇采摘的過程中可以將堆積滿了的采摘框放置在放置板上方進行堆積，進而方便進行連續(xù)的采摘工作，提高了采摘效率[50]；中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所柴秀娟等發(fā)明了一種自動采摘機器人，可完成食用菌采摘作業(yè)，但效率和精度均不高[51]；袋栽食用菌出菇環(huán)節(jié)自動化設備一直研究較少，大多處于專利層面，尚未有成熟設備在市場應用，屬于全程機械化空白環(huán)節(jié)。

2 國內(nèi)食用菌生產(chǎn)裝備存在的主要問題

國內(nèi)食用菌生產(chǎn)裝備起步較晚，起點較低，隨著中國食用菌產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)裝備水平也有了大幅提升，但與國外先進技術仍有較大差距，國內(nèi)食用菌生產(chǎn)技術裝備主要存在以下問題：

(1)龍頭企業(yè)帶動作用不強。目前全國形成一定規(guī)模的食用菌生產(chǎn)裝備企業(yè)有100多家，但真正擁有核心技術、產(chǎn)品市場占有率高的企業(yè)不多，無法發(fā)揮行業(yè)引領作用，大多數(shù)企業(yè)仍然屬于“小作坊”，產(chǎn)品多以仿制為主，創(chuàng)新和自主研發(fā)少，市場競爭力和抗風險能力較弱。

(2)自動化、智能化程度不高。設備以引進及部分仿制為主，配套不全，裝備不成體系，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)處于半自動化階段，人工勞作與機械作業(yè)等多種手段并存，出菇管理和采收等環(huán)節(jié)還未實現(xiàn)自動化，菇房環(huán)境控制智能化程度較低。

(3)行業(yè)標準缺失。食用菌生產(chǎn)裝備在設計、生產(chǎn)及使用過程中缺少國家標準或行業(yè)標準，生產(chǎn)企業(yè)均是根據(jù)自身情況自行設計生產(chǎn)，設備零部件通用性差，使用和維修成本高，且不利于成套化流水線的集成，制約了食用菌生產(chǎn)裝備快速發(fā)展的進程。

3 結論和展望

隨著中國食用菌產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，圍繞食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術裝備需求，解決食用菌生產(chǎn)技術裝備瓶頸問題，切實提高食用菌生產(chǎn)裝備水平，對推動食用菌產(chǎn)業(yè)升級和健康快速發(fā)展具有重要意義。

當前我國食用菌生產(chǎn)裝備的研究趨勢主要在于：

(1)自動化、智能化。食用菌生產(chǎn)裝備將實現(xiàn)袋栽食用菌培養(yǎng)料制備、裝袋、滅菌、接種、培養(yǎng)、出菇管理、采收等環(huán)節(jié)的自動化作業(yè)，菇房環(huán)境精細化、智能化控制。同時配套各環(huán)節(jié)之間輸送系統(tǒng)，真正實現(xiàn)食用菌生產(chǎn)的全程自動化、智能化。

(2)成套化。目前，大多數(shù)企業(yè)產(chǎn)品以單機設備為主，各環(huán)節(jié)之間的銜接轉運還需人工完成，各環(huán)節(jié)之間的連接輸送系統(tǒng)成為了食用菌生產(chǎn)全程自動化的“最后一公里”，對于集成優(yōu)秀單機產(chǎn)品，形成成套化生產(chǎn)線尤為重要。

(3)標準化。充分發(fā)揮龍頭企業(yè)帶動作用，建立統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)技術支撐平臺，制定食用菌生產(chǎn)裝備的國家標準和行業(yè)標準，打通設備互換性壁壘，實現(xiàn)食用菌生產(chǎn)裝備的標準化生產(chǎn)，降低企業(yè)生產(chǎn)成本和食用菌生產(chǎn)企業(yè)使用成本。

(4)國情化。針對國外食用菌生產(chǎn)裝備投資成本高，且適用品種、生產(chǎn)模式較為單一，不能完全滿足國內(nèi)食用菌多品種模式的生產(chǎn)需要的現(xiàn)狀，開展適應國內(nèi)食用菌栽培工藝和模式的生產(chǎn)裝備研究勢在必行。