廢棄食用菌菌糠品質評價及加工適宜性研究

聶 瑩 趙金紅 丁 洋 李淑英 劉學銘 唐選明*

（1中國農業科學院農產品加工研究所/農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京100193；2廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所/農業生物技術研究所/省部共建國家重點實驗室培育基地/廣東省農產品加工重點實驗室，廣東廣州510610）

食用菌菌糠（以下簡稱菌糠）是指以木屑、棉子殼、玉米芯等農作物副產物為主料，栽培食用菌后剩余的廢棄培養基。我國作為食用菌生產大國，2010年食用菌總產量達2000萬t，廢棄菌糠產量也高達1200萬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，對環境造成極大污染。菌糠作為食用菌菌絲殘體和食用菌酶解后發生質變的纖維復合物，含有粗蛋白、粗脂肪、氨基酸等豐富營養和大量有機質，尤其在養殖業[2]（還有種植業[3]、工業[4]、建筑業[5]等各領域）具有廣泛應用潛質。利用食用菌菌糠開發飼料，不僅可使菌糠資源得到充分利用，也可解決我國飼料資源短缺，人畜爭糧問題。然而菌糠種類繁多，營養成分不一，無法確定何種菌糠適合加工飼料；故有必要對各種菌糠營養品質進行評價并歸類，充分發揮菌糠資源的利用價值。

多元統計方法中主成分分析法和聚類分析法可分別對多個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30個品種蘋果的30個營養指標進行分析并提取了6個主成分，應用聚類分析法將30個品種蘋果分為5類；張小燕等[7]在研究不同馬鈴薯品種對油炸薯片的加工適宜性時，首先對馬鈴薯原料的8個品質指標進行主成分分析，得出4個主成分因子，消除了原料各指標間的相關性。目前在食用菌菌糠營養品質研究方面，主要是針對單一菌糠進行簡單理化指標測定，而對菌糠多種營養指標間相互關系和多種菌糠系統性比較方面研究甚少，尤其是采用多元統計方法對菌糠加工適宜性研究方面，國內外至今未見報道[8]。

筆者研究目的是應用多元統計方法分析我國普遍栽培食用菌所產生的廢棄菌糠各理化指標差異性，并對廢棄食用菌菌糠進行分類，確定哪（幾）種菌糠適合作為加工飼料原料使用，以對廢棄食用菌菌糠加工飼料提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗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 試驗方法

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

1.2.2 數據處理 采用SPSS20.0和Origin8.6對廢棄食用菌菌糠理化指標數據進行描述性分析，相關性分析，主成分分析以及聚類分析等。

2 結果與分析

2.1 食用菌菌糠理化指標描述性分析及相關性分析表1是12種廢棄食用菌菌糠理化指標描述性統計結果。食用菌菌糠各指標的變異系數均大于10%[9]，說明離散性較好，指標間差異顯著，無需將幾個指標合并，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最大，為150.01%，這有可能與不同種類菌糠的配料不同有關[8]。同時，表1顯示不同菌糠同一指標的均值和中位數較為接近，說明數據離群點少，選定的菌糠樣品具有較好代表性。上述結果表明研究所選12種廢棄食用菌菌糠間品質差異性大，具有一定廣泛性與代表性。另外，表1理化指標變化范圍與李彥霖等[1]所測結果基本一致（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為菌糠理化指標間的相關性分析，從表2中看出11個指標間相互獨立但又聯系緊密，例如：水分與粗蛋白、粗脂肪等5個指標均互呈極顯著負相關關系，粗灰分與鈣呈極顯著正相關關系，幾種氨基酸間互為正相關等。以上信息雖表明了各指標間關系，但存在信息重疊現象，單憑此表無法簡單而又概括描述出廢棄食用菌菌糠品質評價規律，故有必要對各指標進行簡化歸類。

2.2 主成分分析由于多個變量之間往往存在一定程度的相關性，人們自然希望通過線性組合的方式，從指標中盡可能快地提取信息。當一個線性組合不能提取更多信息時，再考慮用第二個組合繼續這個快速提取的過程，……直到所提取的信息與原指標相差不多時為止。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。以各個主成分為分量，就得到一個更低維度隨機向量[10]。因此，通過主成分既可以降低數據“維數”又保留了原數據大部分信息。

表1 廢棄食用菌菌糠理化指標描述性統計mg/kg

表3 特征值相關系數矩陣

表2 廢棄食用菌菌糠理化指標間的相關性

研究旨在將廢棄食用菌菌糠11個理化指標變量進行主成分分析，得到較低維度的隨機向量，并用此來表示較全面的菌糠信息。一般主成分數目選定常用累積方差貢獻率不低于某一閾值（如85%）和特征值大于1這兩個指標綜合考慮。11個變量經主成分分析所得結果如表3所示，前兩個主成分累積方差貢獻率為83.50%，特征值均大于1，已涵蓋了菌糠理化品質大部分信息。

圖1 變量PC1、PC2載荷圖

圖1變量載荷圖直觀反應了各主成分所包含的菌糠各理化指標信息。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向分布，其余均為正向分布，即在PC1坐標軸正向，PC1越大，粗蛋白、粗纖維、粗脂肪等8類指標數值越大，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正向坐標軸上PC2越大，粗灰分和鈣值會逐漸增大。

另外，圖1又表達了各理化指標間相互關系，粗蛋白與粗脂肪、總磷及賴氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸坐標點在載荷圖上位置分布密集，都落在PC1正向與偏PC2正向交叉區域，而與粗纖維、蛋氨酸+胱氨酸距離較遠，說明粗蛋白與粗脂肪等5個指標具有極顯著正相關性，與粗纖維、蛋氨酸+胱氨酸相關性不顯著（與表2一致）。粗灰分和鈣坐標點均落在PC2正向區域，且遠離粗蛋白、粗脂肪等指標，說明粗灰分與鈣關系緊密（表2中在P＜0.01水平上相關系數為0.842）。

圖2 主成分PC1、PC2得分圖

基于圖1各理化指標載荷坐標點位置，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較高但其余理化指標含量偏低而處于PC1與PC2負向區間。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正向區域（但由于銀耳菌糠粗纖維含量相對于蟹味菇、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過程中分泌各種生物酶，使相應菌糠營養物質豐富[12]。此三種菌糠經過相應處理后可以作為飼料等產品開發，對廢棄菌糠進行二次利用。香菇菌糠和毛木耳菌糠因各理化指標含量整體處于偏低水平，在圖2中處于原點附近區域。雙孢蘑菇菌糠在圖2中位置遠離其他菌糠，說明雙孢蘑菇菌糠各理化指標與其他菌糠相比，差別顯著，這與Ankit等[13]得到的結果相似。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樣品或者指標進行分類的一種多元統計方法[14]，其將已標準化的數據通過計算樣品或指標間某一度量距離（本次研究選用歐氏距離），計算相似性并逐漸歸類，相似的研究對象歸為一類，相似性差的歸為第二類，依次類推，最終對研究對象分類[15]。圖3是12種菌糠聚類樹形圖，經聚類分析將其分為4類。香菇、毛木耳菌糠為一類，這主要因為兩者各理化指標含量均相對偏低；蟹味菇、銀耳、金針菇菌糠歸為一類，是因為粗蛋白、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，但營養缺乏；雙孢蘑菇菌糠單獨一類，主要因為粗灰分、鈣兩指標明顯高于其他菌糠。S.N.Jor-dan等[8]也對愛爾蘭13種廢棄菌糠進行聚類分析，聚類樹形圖顯示來自愛爾蘭兩個不同地區的菌糠被分為兩類。此外，圖3所得結果與主成分分析所得結果一致，說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行歸類，對廢棄菌糠二次利用提供理論基礎。

2.4 歐氏距離法研究參照相關飼料標準[16-19]確定了符合上述行業標準的飼料理化指標，通過SPSS20.0計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越相似，從而更適合于加工為飼料。具體結果如表4所示。

圖3 聚類樹形圖

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，說明此三種菌糠從理化指標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果相符。雙孢蘑菇菌糠與飼料的歐氏距離為4.043，遠大于其他菌糠與飼料的歐氏距離，這主要是灰分、鈣含量過高，使其不適合作為飼料原料。

3 結 論

對采集的12種廢棄食用菌菌糠的11個理化指標進行測定，并對其均值、中位數、變異系數進行分析，結果表明所測數據各理化指標均值、中位數較為接近，離群點少，所選菌糠樣品具有代表性；變異系數較大，所測各理化指標間差異顯著。

利用主成分分析法對11個理化指標進行分析，提取的兩個主成分PC1、PC2反應了原變量83.50%的信息。根據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系。明確區分出粗蛋白、粗脂肪等營養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；營養較匱乏菌糠品種：香菇、毛木耳菌糠；營養匱乏菌糠品種：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。

根據廢棄食用菌菌糠理化指標間相似性，利用聚類分析法將12種菌糠分為4類，與PCA分析結果一致；并計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。