食用菌菌棒自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用效果研究

趙 清，陳 磊，通占元*，隋 杰，宋東閣，馬寶玲，趙 全，李慧杰，郝建博

（1.河北省農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)技術(shù)指導(dǎo)總站，河北石家莊 050011；2.石家莊裝備制造學(xué)校，河北石家莊 050899）

我國(guó)食用菌工廠化生產(chǎn)自2011 年開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展期，至2013 年食用菌工廠化占比達(dá)到最大值，較2006 年的工廠化占比增加了10 多倍[9]。相關(guān)研究表明，自2017 年后，我國(guó)食用菌工廠化占比開(kāi)始下降，尤其是一些勞動(dòng)密集型的中小型工廠，因機(jī)械化、自動(dòng)化水平較低，造成勞動(dòng)力成本投入較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[10]?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)食用菌制棒裝備自動(dòng)化，構(gòu)建食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)流程一體化的生產(chǎn)技術(shù)體系，對(duì)提升食用菌產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展具有重要意義。本研究比較了食用菌傳統(tǒng)生產(chǎn)模式、簡(jiǎn)易工廠化生產(chǎn)模式與全鏈條自動(dòng)化快速生產(chǎn)模式下的菌包滅菌及冷卻應(yīng)用效果、菌種接種及菌袋培育應(yīng)用效果、以及菌包生產(chǎn)效率等，以期為食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)模式的示范推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

試驗(yàn)于2020 年1～12 月在河北翔天菌業(yè)集團(tuán)股份有限公司進(jìn)行。

1.2 儀器與設(shè)備

滅菌-真空冷卻-緩存原料處理系統(tǒng)，XTXZ7A，江蘇銳源裝備制造有限公司；無(wú)菌裝袋機(jī)，ZDJXW600/160，河北翔天農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)集團(tuán)股份有限公司；5000 L 全自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)，GS8100，江蘇貝朗生物工程設(shè)備有限公司；1 000 L恒溫水箱，GS81000L/H，江蘇貝朗生物工程設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 食用菌菌棒自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)

（1）自動(dòng)上料與攪拌

利用電動(dòng)運(yùn)料車(chē)（8 m3）將原料運(yùn)至原料攪拌機(jī)，將料斗吊起并翻轉(zhuǎn)，原料落入已啟動(dòng)的攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌機(jī)自動(dòng)加水及各種輔料，攪拌完成后，進(jìn)入自動(dòng)上料系統(tǒng)，最后通過(guò)螺旋輸送機(jī)將原料輸送至滅菌罐。

（2）滅菌與冷卻

由式(7)和式(8)可以看出，企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際邊際成本不僅會(huì)影響名義邊際成本，而且還會(huì)影響企業(yè)加成率。在其他條件不變的情況下，企業(yè)出口產(chǎn)品質(zhì)量越高，實(shí)際生產(chǎn)成本越小，則企業(yè)加成率也越高。

通過(guò)蒸汽滅菌系統(tǒng)進(jìn)行高壓滅菌，滅菌完成后，將原料自動(dòng)輸入冷卻罐，冷卻完成后，將原料自動(dòng)輸入原料貯存罐。

（3）液體接種

將繁育好的菌種自動(dòng)輸送至原料貯存罐，進(jìn)行自動(dòng)拌勻接種。

（4）自動(dòng)裝袋

從儲(chǔ)袋裝置中吸取無(wú)菌透氣栽培袋套入抱筒，將完成接種的基質(zhì)定量裝入袋內(nèi)并壓緊，用自動(dòng)扎口機(jī)將透氣栽培袋兩端封口，制成長(zhǎng)45 cm，直徑10.32 cm、含菌種200 mL、質(zhì)量2.3 kg、緊密度一致的菌棒，經(jīng)出袋機(jī)輸出機(jī)外。

1.3.2 自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)

以自動(dòng)化散料一體封閉滅菌、常規(guī)裝袋高壓滅菌及常規(guī)裝袋常壓滅菌為處理，調(diào)查了不同方式滅菌的生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)、能耗、用工數(shù)量及污染率等生產(chǎn)指標(biāo)。滅菌生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)以原料進(jìn)入滅菌罐開(kāi)始，至出料閥門(mén)打開(kāi)、出料結(jié)束為止，該環(huán)節(jié)應(yīng)用的時(shí)間，能耗以平均生產(chǎn)一袋滅菌料耗費(fèi)的電能為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，用工數(shù)量以生產(chǎn)1 萬(wàn)袋滅菌料所用的人工數(shù)為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（個(gè)/萬(wàn)袋），污染率以1 000 袋滅菌料中出現(xiàn)的污染袋數(shù)為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 自動(dòng)化散料冷卻降溫技術(shù)

以自動(dòng)化散料冷卻、裝袋自然冷卻、裝袋強(qiáng)制冷卻為處理，比較了不同冷卻方式下的生產(chǎn)用時(shí)、用工量、破袋污損率等生產(chǎn)指標(biāo)。

1.3.4 散料液體接種及培育

以散料液體接種、工廠化固體接種、傳統(tǒng)模式接種為處理，比較了不同接種方式下的菌種成本、用工數(shù)量、菌種活力、菌絲滿(mǎn)袋時(shí)長(zhǎng)以及菌袋污損率等生產(chǎn)指標(biāo)。菌種活力以實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)并輔以文字描述，分為強(qiáng)、較強(qiáng)、一般3 個(gè)類(lèi)型。

1.3.5 自動(dòng)化生產(chǎn)

以自動(dòng)化生產(chǎn)模式和傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為處理，統(tǒng)計(jì)了10 萬(wàn)包香菇菌棒所用時(shí)長(zhǎng)、用工數(shù)量、投資成本、生產(chǎn)成本及復(fù)種周期等。時(shí)長(zhǎng)以同一批次生產(chǎn)10 萬(wàn)袋菌棒的耗時(shí)時(shí)間為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，投資成本以生產(chǎn)10 萬(wàn)菌棒的場(chǎng)地租賃費(fèi)和生產(chǎn)設(shè)備投入費(fèi)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)；生產(chǎn)成本以生產(chǎn)過(guò)程中投入的原料費(fèi)、人工費(fèi)、耗能費(fèi)綜合為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。菇棚復(fù)種周期以每年復(fù)種批次（批/年）計(jì)算。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)的應(yīng)用效果

由表1 可知，與常規(guī)裝袋高壓或傳統(tǒng)常壓滅菌技術(shù)相比，自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)下，滅菌倉(cāng)體積10 m3，裝料7 m3，裝倉(cāng)用時(shí)僅為0.3 h，可實(shí)現(xiàn)升溫125 ℃用時(shí)0.6 h，恒溫用時(shí)0.7 h，泄壓用時(shí)0.2 h，整個(gè)滅菌過(guò)程總耗時(shí)為1.8 h，滅雜菌用時(shí)遠(yuǎn)低于其它兩種生產(chǎn)方式，同時(shí)自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)滅菌溫度高，可達(dá)125 ℃，且破解了現(xiàn)行菌棒滅雜菌能耗高、用工多、多次搬運(yùn)導(dǎo)致污染高的問(wèn)題，該生產(chǎn)模式下能耗為28 kJ/袋，生產(chǎn)1 萬(wàn)袋僅用工0.1個(gè)，且污染率為0。

表1 香菇菌包散料快速滅菌與袋裝常規(guī)滅菌效果對(duì)比Table 1 Comparison of rapid sterilization and conventional sterilization of mushroom packaging powder

2.2 自動(dòng)化散料冷卻降溫技術(shù)的應(yīng)用效果

在自動(dòng)化生產(chǎn)模式下，滅菌后的散料通過(guò)無(wú)菌管道輸送到無(wú)菌真空冷卻罐內(nèi)通過(guò)抽濕熱、給無(wú)菌冷空氣、夾層通冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。由表2 可知，傳統(tǒng)的裝袋自然冷卻和簡(jiǎn)易工廠化生產(chǎn)的強(qiáng)制冷卻方式下需要消毒棚室或消毒冷卻室不同，自動(dòng)化散料冷卻模式不需要場(chǎng)地，滅菌后的散料冷卻時(shí)間僅為1 h，自動(dòng)化控制基質(zhì)由99 ℃降至25 ℃，而裝袋自然冷卻需用時(shí)72 h 以上，裝袋強(qiáng)制冷卻需用時(shí)24 h 以上，冷卻時(shí)間大大縮短；自動(dòng)化生產(chǎn)模式下的散料冷卻方式不需要人工和消毒藥品，破袋污染率為0，且比其它兩種生產(chǎn)方式更安全，不會(huì)因冷卻過(guò)程中使用藥劑消毒對(duì)操作人員造成安全隱患。

表2 自動(dòng)化散料冷卻與常規(guī)裝袋冷卻效果對(duì)比Table 2 Comparison of automatic bulk cooling and conventional bag cooling effect

2.3 散料液體接種與傳統(tǒng)裝袋接種效果對(duì)比

常規(guī)的香菇等食用菌接種方式是先裝袋、再滅菌冷卻后在菌袋上打孔進(jìn)行穴播方式接種，該接種方式受人為和環(huán)境因素影響較大，易污染[3]。自動(dòng)化生產(chǎn)模式下是利用液體菌種輸送接種設(shè)備，將繁育好的菌種與布料螺旋輸送機(jī)分配的冷卻基質(zhì)定量輸入、自動(dòng)化拌勻接種[11]。由表3 可知，在接種方面，散料自動(dòng)化接種需要場(chǎng)地小，采用的液體菌種成本僅為0.05 元/袋，不需要人工輔助，污損率低，能夠保證菌種菌齡一致，菌種活力強(qiáng)，繁殖后菌絲生長(zhǎng)一致，且菌絲滿(mǎn)袋所需時(shí)長(zhǎng)短（10～12 d），可有效縮短生產(chǎn)時(shí)間。而傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和簡(jiǎn)易工廠化生產(chǎn)模式不僅所需接種場(chǎng)地面積大，且接種過(guò)程中需要人工輔助（每萬(wàn)袋接種用工為4 穴接種8 人或3 穴接種7 人），菌種活力低，菌齡不一致，菌絲生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，傳統(tǒng)模式下接種效果最差。

表3 散料液體接種與傳統(tǒng)裝袋接種及培育效果對(duì)比Table 3 Comparison of liquid bulk inoculation and traditional bag inoculation and cultivation effect

2.4 產(chǎn)出效果對(duì)比

表4 顯示了每生產(chǎn)10 萬(wàn)香菇菌棒，對(duì)傳統(tǒng)模式與自動(dòng)化生產(chǎn)模式下的香菇菌棒生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)果表明，每生產(chǎn)10 萬(wàn)香菇菌棒，自動(dòng)化生產(chǎn)模式下制棒時(shí)長(zhǎng)為4 h，滅菌時(shí)長(zhǎng)1 h，冷卻時(shí)長(zhǎng)1 h，養(yǎng)菌時(shí)長(zhǎng)10 d，出菇時(shí)長(zhǎng)150 d，分別比傳統(tǒng)模式節(jié)省時(shí)長(zhǎng)80、9、35、25、60 d，大幅降低了生產(chǎn)時(shí)間。與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下每日產(chǎn)10 萬(wàn)香菇菌棒用工150 個(gè)相比，自動(dòng)化生產(chǎn)模式僅需用工5個(gè)，省工效果極為顯著。對(duì)比生產(chǎn)投資成本，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式每棒菌包成本為2.6元，自動(dòng)化生產(chǎn)模式為2.08元，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式出菇成本為4.2 元/kg，自動(dòng)化生產(chǎn)模式為4 元/kg，且自動(dòng)化生產(chǎn)模式1 年內(nèi)復(fù)種批次多于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，可實(shí)現(xiàn)周年多批生產(chǎn)，有利于提高年產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

表4 傳統(tǒng)與自動(dòng)化生產(chǎn)模式生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 4 Comparison of production data between traditional and automatic production

3 討論與結(jié)論

李玉等[11]研究表明，食用菌傳統(tǒng)生產(chǎn)方式一般采用常壓滅菌，即多層菌棒疊加滅菌，菌棒中心溫度達(dá)到100℃后多維持12 h 以上。常壓滅菌投資少，但能耗大，滅菌時(shí)間長(zhǎng)；而工廠化裝袋滅菌通常使用滅菌柜，多層菌棒疊加，116 ℃高壓滅菌，一般滅菌8 h 以上。本研究中的自動(dòng)化散料快速滅菌方式是基于基質(zhì)快速熟化發(fā)酵倉(cāng)、自動(dòng)攪拌滅菌罐進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓蒸汽滅菌，可實(shí)現(xiàn)在121～125 ℃，從上料到泄壓1.72 h 滅菌基質(zhì)7 m3，滅菌省時(shí)78.5%，滅菌過(guò)程中可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌軸翻動(dòng)基質(zhì)達(dá)到均勻滅菌，且通過(guò)控制蒸汽閥門(mén)在設(shè)定的溫度、壓力下將蒸汽送達(dá)物料各處，確保滅菌徹底、無(wú)死角。裝袋生產(chǎn)中，滅菌后需菌棒中心溫度降至20 ℃左右時(shí)才可接種，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為自然冷卻，一般冷卻需3 d 以上，工廠化裝袋滅菌需在凈化車(chē)間的冷卻室中通過(guò)制冷機(jī)強(qiáng)制冷卻，一般需要1 d 以上[12]。本研究中的散料快速冷卻是基于負(fù)壓冷卻罐、無(wú)菌氣源裝置進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)了0.45 h 自動(dòng)控制基質(zhì)由99 ℃降至25 ℃，快速冷卻省時(shí)95.8%，無(wú)污染，符合各種類(lèi)菌棒含水量要求。同時(shí)該自動(dòng)化模式將高溫高壓蒸汽滅菌與負(fù)壓快速冷卻高效偶聯(lián)，以自動(dòng)化散料一體封閉滅菌冷卻技術(shù)，破解了現(xiàn)行菌棒滅菌能耗高、冷卻需要空間大、多次搬運(yùn)導(dǎo)致污染、消毒劑污染環(huán)境、效率低等難題。與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式或簡(jiǎn)易工廠化模式相比，節(jié)時(shí)省工。

菌種接種作為食用菌菌棒生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，關(guān)系著后續(xù)栽培生產(chǎn)的成敗[13]。傳統(tǒng)的香菇生產(chǎn)主要采用固體接種方式，固體菌種接種方式存在制種周期長(zhǎng)、工藝繁瑣、用種量大、雜菌污染率高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、發(fā)菌周期長(zhǎng)、菌齡不一致等弊端，嚴(yán)重影響了香菇產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[14]。與固體菌種相比，液體菌種具有用種量少、發(fā)菌快等優(yōu)點(diǎn)[15]。李賀等[16]認(rèn)為在推進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)工廠化的進(jìn)程中，液體菌種代替固體菌種并廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。但當(dāng)前我國(guó)食用菌液體菌種接種主要采用開(kāi)袋或打孔植入，該技術(shù)靠藥劑消毒滅雜菌，凈化環(huán)境后打孔或開(kāi)袋接種，存在雜菌侵染風(fēng)險(xiǎn)；菌絲由接種點(diǎn)緩慢向基質(zhì)生長(zhǎng)，整棒菌齡不一、成熟度不同，影響出菇質(zhì)量和產(chǎn)量。本研究中的自動(dòng)化生產(chǎn)模式，是利用液體菌種輸送接種設(shè)備，將繁育好的菌種與布料螺旋輸送機(jī)分配的冷卻基質(zhì)定量輸入，將菌種噴灑至無(wú)菌散料中，攪拌均勻混合接種；突破了精準(zhǔn)計(jì)量接種量、攪拌傷害菌種、攪拌染菌等散料接種液體菌種難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了菌種的均勻分布、萌發(fā)一致、生長(zhǎng)健壯。

工廠化生產(chǎn)是我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率[17-18]，加強(qiáng)食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)食用菌生產(chǎn)現(xiàn)代化[19-20]。本研究中應(yīng)用的自動(dòng)化食用菌菌棒（以香菇為例）生產(chǎn)模式，利用散料快速滅菌冷卻傳輸、基質(zhì)全料均勻接種、全封閉自動(dòng)化無(wú)菌操作等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了食用菌菌棒的一體化、自動(dòng)化生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)過(guò)程省時(shí)省力，提高了生產(chǎn)效率，而且可減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)的污染，保證菌絲生長(zhǎng)一致，大大縮短菌絲滿(mǎn)袋所需時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)降低生產(chǎn)耗能和相關(guān)消毒藥劑施用量，使食用菌工廠化生產(chǎn)自動(dòng)化、快速化、安全化、低耗化，克服了當(dāng)前食用菌菌棒生產(chǎn)過(guò)程中存在的用工多、污染率高、滅菌能耗大、操作環(huán)境消毒用藥多等“瓶頸”問(wèn)題，可大面積應(yīng)用于我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)。