雙孢菇培養(yǎng)料發(fā)酵中的物質(zhì)變化研究現(xiàn)狀

吳回易，王胤晨，劉 訊

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550005； 2.貴州師范學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018)

雙孢菇(Agaricusbisporus)又稱白蘑菇、蘑菇、洋蘑菇，分布極廣泛，是世界性栽培和消費(fèi)的菇類，也是當(dāng)前食用菌類發(fā)展前景最好的品類之一。我國(guó)當(dāng)前雙孢菇培養(yǎng)料一次發(fā)酵質(zhì)量偏低，其原因在于發(fā)酵過(guò)程存在培養(yǎng)料堆偏大、翻堆不徹底等問(wèn)題，導(dǎo)致供氧不足引起厭氧發(fā)酵[1]。因此，我國(guó)雙孢菇培養(yǎng)料發(fā)酵主要采用二次發(fā)酵，二次發(fā)酵包括巴氏消毒和恒溫發(fā)酵，為控溫過(guò)程，該過(guò)程中各種高溫菌嗜熱微生物使培養(yǎng)基充分分解轉(zhuǎn)化成更利于蘑菇生長(zhǎng)的物質(zhì)[2-3]。發(fā)展雙孢菇產(chǎn)業(yè)必須從培養(yǎng)料著手研究，培養(yǎng)料的物質(zhì)能否高效且最大化地轉(zhuǎn)化為雙孢菇生長(zhǎng)所需物質(zhì)，很大程度上取決于培養(yǎng)料的發(fā)酵。培養(yǎng)料發(fā)酵質(zhì)量的好壞，直接影響雙孢菇的生產(chǎn)。鑒于此，對(duì)雙孢菇培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及微生物的變化情況進(jìn)行綜述，歸納總結(jié)影響發(fā)酵過(guò)程中C/N、纖維素、總糖等物質(zhì)變化和真菌、放線菌、細(xì)菌等微生物變化的因素，以促進(jìn)雙孢菇培養(yǎng)料完全發(fā)酵并最大程度轉(zhuǎn)化為雙孢菇生長(zhǎng)所需的有利物質(zhì)，旨在提高雙孢菇培養(yǎng)料的發(fā)酵質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)雙孢菇生產(chǎn)效益最大化。

1 雙孢菇培養(yǎng)料種類

雙孢菇生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)來(lái)自于培養(yǎng)料，培養(yǎng)料的原料不同會(huì)使雙孢菇的質(zhì)量產(chǎn)生差異。近年來(lái)培養(yǎng)料配方越來(lái)越多，一般基質(zhì)配方有玉米秸稈與牛糞、玉米芯與牛糞、大麥秸稈與牛糞[4]、黑木耳糠與牛糞[5]、麥粒與牛糞[6]等。

2 培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化

2.1 C/N

培養(yǎng)料的C/N是發(fā)酵過(guò)程中反映其腐熟程度的重要指標(biāo)，C源來(lái)自于牲畜的糞便，N源來(lái)自于農(nóng)作物秸稈。侯曉偉等[4,7]研究發(fā)現(xiàn)，在一次發(fā)酵過(guò)程使全N含量升高，有機(jī)C含量下降，但在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中總N和總C的含量都在逐漸下降，C下降速率高于N下降速率。鄭福琴等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在后發(fā)酵結(jié)束后，全C繼續(xù)減少，全N含量仍在增加，所以C/N在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中呈下降趨勢(shì)。侯曉偉等[4]研究表明，在發(fā)酵前到第一次翻堆之間由于微生物的分解作用將N元素以NH3的形式釋放；第一次翻堆后到第二次發(fā)酵開始的過(guò)程中，部分N元素?cái)U(kuò)散到空氣中引起全N含量下升。當(dāng)培養(yǎng)料溫度為70℃左右時(shí)，嗜熱微生物大量繁殖成為優(yōu)勢(shì)菌群后消耗了易于降解的C源，導(dǎo)致中溫性微生物死亡，第二次翻堆后，由于培養(yǎng)料中N源被嗜熱放線菌固定且大部分以氨化物的形式存在[9]，木質(zhì)素-腐殖質(zhì)是蛋白質(zhì)和木質(zhì)素的最終存在形式，因此蛋白N含量隨發(fā)酵持續(xù)升高[10]。

2.2 總糖

總糖含量是培養(yǎng)料內(nèi)中外三層糖含量的平均值，在發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵時(shí)間越久總糖含量越低，其原因是由于微生物的生長(zhǎng)需要消耗糖類，使得糖含量不斷下降[9]；第二次翻堆后總糖含量隨嗜熱微生物的增殖快速下降，二次發(fā)酵過(guò)程中的嗜熱微生物會(huì)進(jìn)一步分解糖類，在發(fā)酵初期下降明顯，隨后總糖含量略有上升，之后下降幅度逐漸變小[11]。侯曉偉等[4]研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)料在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)發(fā)生顏色變化，具體表現(xiàn)為黃色變?yōu)樽睾谏?，原因是高溫條件下糖類發(fā)生了焦糖化反應(yīng)。

2.3 纖維素及半纖維素

纖維素含量在培養(yǎng)料的第一次發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的下降，而半纖維素含量從發(fā)酵開始就不斷下降，木質(zhì)素含量在第三次翻堆前持續(xù)上升，木質(zhì)素含量總體呈上升趨勢(shì)[4]。李曉博等[10]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖、低聚纖維素和纖維二糖等是發(fā)酵過(guò)程中在纖維素酶的作用下被纖維素分解后的產(chǎn)物，纖維素酶是復(fù)合酶，所以會(huì)有多種產(chǎn)物。除木質(zhì)素酶可以降解木質(zhì)素外，有些微生物也能夠有效降解木質(zhì)素的微生物(真菌、放線菌、細(xì)菌)，微生物是通過(guò)在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)氧化物酶等有關(guān)酶將木質(zhì)素降解。而將半纖維素降解為低聚木糖或木寡糖的酶是木聚糖酶，木聚糖酶是多種木聚糖內(nèi)切酶和外切的酶總稱[12]。

2.4 木質(zhì)素

DIAZLF等[13]研究表明，高溫期和腐熟期是木質(zhì)素分解的關(guān)鍵時(shí)期，堆肥初期由于營(yíng)養(yǎng)比較豐富，微生物主要是分解易降解的有機(jī)質(zhì)，難降解的木質(zhì)素類物質(zhì)在堆肥進(jìn)入高溫期后開始大量分解[14-15]。BERNAL等[16]和ALBRECHTR等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥降溫期和腐熟期腐植酸含量會(huì)增加，降溫期和腐熟期木質(zhì)纖維素類聚合物仍不斷分解。CRAWFORD等[18]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素被降解后的產(chǎn)物存在少量的丁香酸和阿魏酸。NILADEVI等[19]研究發(fā)現(xiàn)，高溫期的木質(zhì)素降解酶主要來(lái)源于放線菌，所以在培養(yǎng)料中木質(zhì)素主要是被放線菌分解利用，通過(guò)復(fù)雜的反應(yīng)形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)[13,16]，所以該時(shí)期大部分木質(zhì)素均以木質(zhì)素-腐殖質(zhì)復(fù)合物的形式存在[20]，一般情況下微生物不能利用這種復(fù)合物，使得木質(zhì)素的含量上升，但溫度達(dá)到60℃及以上后微生物數(shù)量下降，木質(zhì)纖維素分解受到抑制[21-22]。在多種酶共同作用下木質(zhì)素被催化氧化分解[23]。席北斗等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素大分子的結(jié)構(gòu)被解聚后，形成能夠被微生物吸收利用的腐殖質(zhì)前體物質(zhì)(富芳香族、脂肪族羥基基團(tuán))，經(jīng)復(fù)雜反應(yīng)形成含芳香族結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)等穩(wěn)定終產(chǎn)物[15,24]。

2.5 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)的變化與發(fā)酵過(guò)程中的物理因素(溫度和發(fā)酵時(shí)間等)有必然聯(lián)系。熊佳欣等[26]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為40℃同時(shí)糞稈配比為4∶1時(shí)，發(fā)酵效果好且發(fā)酵周期最短(31 d)。溫度為 40℃ 時(shí)，蛋白質(zhì)含量最高，超過(guò)40℃時(shí)隨溫度的升高蛋白含量呈下降趨勢(shì)，因?yàn)闇囟冗^(guò)高，菌群失活、衰老等，從而影響蛋白質(zhì)最終含量。溫度低40℃時(shí)，蛋白質(zhì)含量因微生物菌群數(shù)量受影響而降低，發(fā)酵溫度為40℃是發(fā)酵的最佳時(shí)期。里百爾·努爾等[27]研究發(fā)現(xiàn)，接種量和發(fā)酵時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響顯著，接種量為1.5%時(shí)蛋白含量最高，接種量超過(guò)1.5%菌體易過(guò)快生長(zhǎng)且積累有害物，使后期菌體生長(zhǎng)受到抑制，蛋白質(zhì)含量降低。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為9 d時(shí)，蛋白質(zhì)含量最高；發(fā)酵時(shí)間小于或大于9 d，微生物菌群數(shù)量受到限制，粗蛋白含量受到影響，隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗，粗蛋白最終含量受到影響，因此發(fā)酵時(shí)間9 d和接種量為1.5%時(shí)蛋白質(zhì)的含量最佳。纖維素酶的降解作用原理是使細(xì)胞壁的通透性增大破壞植物細(xì)胞壁，包內(nèi)蛋白質(zhì)被釋放，從而發(fā)酵堆的蛋白質(zhì)含量增加，纖維素酶和菌類發(fā)酵劑共同處理培養(yǎng)料效果更加顯著,其蛋白質(zhì)含量是不加菌類發(fā)酵劑的4倍，因此在發(fā)酵時(shí)選擇菌類發(fā)酵劑作為輔助劑發(fā)酵效果較好[27]。

3 培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程中微生物的變化

3.1 細(xì)菌

孟祥博等[28]研究表明，發(fā)酵過(guò)程中微生物與溫度具有倒“U”函數(shù)關(guān)系，溫度主要影響微生物生存和生化反應(yīng)，在微生物最佳溫度范圍內(nèi)代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率與溫度呈正比關(guān)系。發(fā)酵過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)菌主要是中溫性細(xì)菌、嗜熱細(xì)菌，且嗜溫細(xì)菌對(duì)培養(yǎng)料的升溫和維持高溫起重要作用[29]。嗜熱微生物是在二次發(fā)酵期間溫度為50℃的高溫下培養(yǎng)的[30]，且堆肥溫度在50℃時(shí)，高溫細(xì)菌非常活躍[31]，在前發(fā)酵剛開始時(shí)，嗜溫微生物是培養(yǎng)料中的主要菌群，而中溫性微生物主要存在于開始發(fā)酵階段，由于中溫性微生物對(duì)培養(yǎng)料中簡(jiǎn)單有機(jī)質(zhì)的利用而產(chǎn)熱，溫度迅速上升，細(xì)菌數(shù)量下降[32]。堆肥后期細(xì)菌的數(shù)量明顯低于堆肥前期，當(dāng)培養(yǎng)料的溫度上升至80℃左右時(shí)，微生物總數(shù)量下降，嗜熱微生物開始迅速繁殖。在第二、三次翻料時(shí)細(xì)菌總數(shù)量增加,第四次翻料時(shí)嗜熱細(xì)菌數(shù)量上升，后發(fā)酵階段經(jīng)過(guò)巴氏殺菌后，嗜熱細(xì)菌下降[33]。

3.2 放線菌

培養(yǎng)料在發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)其腐熟度可分為三層(上、中、下)，腐熟度的高低為中層料>上層料>下層料，腐熟度越高放線菌數(shù)量最高，下層料的腐熟度低是因?yàn)橥笟庑圆?，不利于好氧發(fā)酵，所以放線菌數(shù)量最少[7]。LEE等[34]研究發(fā)現(xiàn)，中溫型放線菌在堆肥發(fā)酵過(guò)程中主要存在于堆肥的外層。陳璋等[35]發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)酵過(guò)程推進(jìn)，料堆溫度逐漸升高，噬熱放線菌大量增殖。而料堆溫度升高嗜熱放線菌增加有助于堆肥中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。MCCARTHY等[36]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化是因嗜熱放線菌改變了其結(jié)構(gòu)。在第二次翻堆時(shí)，放線菌數(shù)量達(dá)到最高峰，此時(shí)放線菌最活躍且分解能力最強(qiáng)；在第二次翻堆后放線菌數(shù)量開始下降，第二次倒料時(shí)下降最多，二次發(fā)酵后降到最低點(diǎn)[20]。

3.3 真菌

在發(fā)酵過(guò)程中微生物種類繁多，由于多種微生物的代謝活動(dòng)共同作用，培養(yǎng)料中的化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)等方面的變化較大，使其中不易吸收的物質(zhì)分解為有利于雙孢菇吸收與轉(zhuǎn)化的物質(zhì)[37]。WARNSTROM等[38]研究發(fā)現(xiàn)，將提取培養(yǎng)料中的DNA放大，發(fā)現(xiàn)真菌屬的微生物種群差異最大，在堆料發(fā)酵過(guò)程中高溫真菌的優(yōu)勢(shì)種群變化較大，而在開始與結(jié)束階段常溫真菌差異比較明顯。真菌群落在前發(fā)酵初期階段變化較大，在中后期階段變化較小，但堆肥后期真菌的增長(zhǎng)幅度大于細(xì)菌，而溫度到65℃時(shí)，真菌數(shù)量極少，因?yàn)槎蚜系腃/N影響了真菌群落結(jié)構(gòu)。

3.4 纖維素降解菌

培養(yǎng)料中含有大量纖維素，主要依靠纖維素降解菌的降解形成簡(jiǎn)單化合物后被其他菌種或被雙孢菇再利用，如固碳菌就是在纖維素降解菌提供碳源的條件下大量繁殖。孫海英[39]研究發(fā)現(xiàn)，在不同的發(fā)酵階段加入不同量的纖維素降解復(fù)合菌劑(一次發(fā)酵0.5%，二次發(fā)酵1%)，可增加纖維素降解菌的密度，提高纖維素的降解率(提高23.64%)。張家齊[40]研究表明，堆料含有高濃度有機(jī)酸(以乳酸為主)的常溫堆料，含有更多具有發(fā)酵能力的細(xì)菌。進(jìn)入高溫階段后，隨著pH值和溫度逐漸升高,具有發(fā)酵能力的細(xì)菌逐漸消失，與嗜熱芽孢桿菌相關(guān)的微生物相繼出現(xiàn)，因?yàn)榇穗A段發(fā)生了蛋白水解，隨著溫度升高，水解蛋白和產(chǎn)氨的細(xì)菌增加,NH3的產(chǎn)生引起pH的增加。王琳等[41]研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌種群是培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程中最為豐富的，甚至在整個(gè)過(guò)程都存在的細(xì)菌群落，像木質(zhì)纖維素降解菌一樣能夠降解纖維素，降解為雙孢菇易于吸收利用的物質(zhì)，在發(fā)酵過(guò)程中纖維素降解菌能產(chǎn)沼氣，因此可用產(chǎn)氣量間接評(píng)價(jià)纖維素的分解效率[42]。

4 小結(jié)

雙孢菇是當(dāng)前發(fā)展前景最好的食用菌類之一，但在研究方面遠(yuǎn)不如國(guó)外，發(fā)展雙孢菇必須從栽培雙孢菇培養(yǎng)料著手研究，培養(yǎng)料物質(zhì)能否高效、最大化地轉(zhuǎn)向雙孢菇，很大程度上取決于培養(yǎng)料的發(fā)酵。前人研究表明，發(fā)酵過(guò)程中雙孢菇培養(yǎng)基質(zhì)的C/N、纖維素、總糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及真菌、放線菌、細(xì)菌等微生物的變化復(fù)雜。因此，為高效生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雙孢菇產(chǎn)品，必須掌握發(fā)酵過(guò)程中雙孢菇培養(yǎng)基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物的變化規(guī)律，使培養(yǎng)料中的物質(zhì)得到充分分解并利用，提高雙孢菇培養(yǎng)基質(zhì)發(fā)酵質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)雙孢菇優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生產(chǎn)。