羊肚菌營養(yǎng)袋制作原料的化學成分分析及配方優(yōu)化

苗人云 劉天海 羅建華 唐利民 黃忠乾彭衛(wèi)紅 甘炳成 譚 昊,4*

（1.四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，成都610066；2.農(nóng)業(yè)部西南區(qū)域農(nóng)業(yè)微生物資源利用科學觀測實驗站，成都610066；3.四川金地菌類有限責任公司，成都610066；4.江南大學生物工程學院，江蘇 無錫214062）

羊肚菌（Morchella spp.）又名羊雀菌、蜂窩蘑、羊肚菜、包谷菌等[1]，是羊肚菌科羊肚菌屬所有種類的總稱，因子實體外形呈蜂窩狀酷似羊肚而得名，是世界公認的名貴、珍稀食藥用真菌。羊肚菌富含蛋白質(zhì)、氨基酸、肽類、維生素、多糖和礦質(zhì)元素等多種營養(yǎng)成分[2,3]，具有增強免疫力、抗菌、抗腫瘤、保肝、降血脂、抗氧化、抗疲勞、抗衰老等藥理功能[4～8]，在國內(nèi)外市場上倍受青睞，經(jīng)濟價值高，栽培前景廣闊[9]。

外源營養(yǎng)袋是供給羊肚菌菌絲生長和子實體發(fā)育的主要營養(yǎng)來源，直接影響羊肚菌產(chǎn)量。目前國內(nèi)公開的營養(yǎng)袋配方主要原料包括小麥粒、木屑、玉米芯、草粉、谷殼、麥麩、玉米粉、土豆粉、鮮土、腐殖土、草木灰等[10～14]，種類繁多，用量變化幅度大，缺乏營養(yǎng)成分組成和栽培產(chǎn)量數(shù)據(jù)支撐。

我們前期研究發(fā)現(xiàn)，人工栽培羊肚菌的生命周期中外源營養(yǎng)袋的主要作用并不像由Ower 的專利首先提出、目前被許多羊肚菌從業(yè)者相信的觀點——讓羊肚菌從營養(yǎng)豐富條件轉(zhuǎn)變到營養(yǎng)匱乏條件[15～17]，而在于向地表土壤持續(xù)供應有機碳營養(yǎng)，供羊肚菌出菇使用[18]；而在氮元素方面，營養(yǎng)袋不僅不向地表土壤產(chǎn)生氮的凈輸出，還需要從土壤中臨時獲取一些氮素用于制造各種分解酶蛋白，使地表土壤中羊肚菌菌絲所處環(huán)境的氮素水平出現(xiàn)短暫下降——上述碳、氮營養(yǎng)變化情況與野生羊肚菌從森林生態(tài)系統(tǒng)中覆蓋著枯枝敗葉層的土壤中自然出菇的生態(tài)環(huán)境類似[18]。

從這一原理出發(fā)，推測羊肚菌營養(yǎng)袋制作原料應該包含兩大類：一類原料主要作用是在誘使菌絲制造大量酶蛋白的過程中消耗氮素，從而促進土壤中的氮素向營養(yǎng)袋中轉(zhuǎn)移，特點是碳氮比高且較難分解，例如雜木屑、谷殼、秸稈等；另一類原料主要作用是提供羊肚菌生長出菇的主要物質(zhì)和能量來源，特點是營養(yǎng)豐富、相對容易被羊肚菌分解利用，且碳氮比不能太低，例如以淀粉為主要成分的麥粒。通過這兩類原料的合理選擇與配比，達到既有效供給碳源營養(yǎng)、又能使土壤表層氮素水平在特定階段顯著下降的效果。為在生產(chǎn)實踐中驗證這一推測，使相關理論得到應用，本研究對營養(yǎng)袋的制作原料進行化學營養(yǎng)成分檢測及主成分分析（principal component analysis，PCA），綜合考慮營養(yǎng)袋生產(chǎn)成本、栽培出菇產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，得到重量輕、成本低、出菇產(chǎn)量高的營養(yǎng)袋優(yōu)選配方，為循環(huán)利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源制作羊肚菌營養(yǎng)袋提供配方設計參考。

1 材料與方法

1.1 供試品種

試驗用羊肚菌品種為川羊肚菌6 號（六妹），由四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所選育，栽培種購于四川金地田嶺澗生物科技有限公司。

1.2 供試原材料

營養(yǎng)袋原料主料包括谷殼、油菜秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、麥粒、麥麩；輔料為石灰、石膏。營養(yǎng)袋包裝材料為15×28（cm）聚丙烯袋和捆繩。

1.3 試驗方法

（1）原料搭配篩選。試驗于2016年11月至2017年4月在四川省簡陽市養(yǎng)馬鎮(zhèn)田家壩村試驗基地進行。將1.2 節(jié)中7 種主料搭配石灰和石膏，設計9 個營養(yǎng)袋配方（表1）進行栽培試驗。各配方分別配制培養(yǎng)料，裝入聚丙烯袋，經(jīng)121 ℃高壓滅菌150 min，冷卻后用釘板打孔分別置于試驗田畦面上。每個配方為一個處理，每處理4 個重復，每個重復栽培面積5 m2。營養(yǎng)袋使用量為主料干重1.08 kg/m2，按每畝（1 畝≈667 m2，下同）有效栽種面積450 m2計算，相當于每畝用主料486 kg。按羊肚菌栽培的常規(guī)田間管理和采收方法進行田間管理與出菇采收[19,20]，稱量并記錄鮮菇產(chǎn)量。

表1 營養(yǎng)袋主料篩選試驗配方（%）

（2）配方優(yōu)化。從1.3（1）中初步篩選出產(chǎn)量最高的營養(yǎng)袋原料搭配，按表2的配比梯度分別制得11 種營養(yǎng)袋，每處理3 個重復，每重復5 m2，單位面積營養(yǎng)袋使用量同1.3（1）。試驗于2018年11月至2019年4月在四川省成都市新都區(qū)四川省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新示范園內(nèi)進行。按羊肚菌栽培的常規(guī)田間管理和采收方法進行管理與采收[19,20]，稱量并記錄鮮菇產(chǎn)量。

1.3 檢測項目與數(shù)據(jù)分析

觀測分析指標包括營養(yǎng)成分、碳氮比及產(chǎn)量。產(chǎn)量為各處理的單位面積鮮子實體重量。結果采用SPSS18.0 分析軟件中單因素方差分析的Tukey 檢驗進行多重比較，分析差異顯著性。營養(yǎng)成分檢測：7 種主料從大批量樣品中隨機取樣，分別粉碎均勻后檢測全碳、全氮、銨態(tài)氮等20 種化學成分，并計算碳氮比（表3）。檢測方法參考文獻[18]。采用SPSS18.0 分析軟件對7 種主料進行主成分分析。各配方的碳氮比是根據(jù)各配方原料的用量比推算出全碳量和全氮量并計算得出的理論值。

表2 營養(yǎng)袋優(yōu)化試驗配方（%）

2 結果與分析

2.1 化學成分及主成分分析

對營養(yǎng)袋7 種主料的成分檢測結果（表3）顯示，小麥秸稈的半纖維素和總甘油三酯的含量較高，而全碳、全鉀、可溶性糖、游離脂肪酸、游離氨基酸和可溶性果膠的含量較低。水稻秸稈的半纖維素和總甘油三酯的含量較高，而全碳、全鉀和游離脂肪酸的含量較低。玉米秸稈的還原糖、總蛋白和硝態(tài)氮的含量較高，而全碳、直鏈淀粉、支鏈淀粉和植物糖原及游離脂肪酸的含量較低。油菜秸稈的碳氮比和纖維素含量較高，而全氮、全磷、總碳水化合物碳、還原糖、直鏈淀粉、支鏈淀粉、半纖維素、原果膠、總甘油三酯、總蛋白、游離氨基酸和銨態(tài)氮的含量較低。谷殼的碳氮比和木質(zhì)素含量較高，而全碳、全氮、可溶性糖、支鏈淀粉、水溶性果膠、總甘油三酯、游離脂肪酸、總蛋白、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量較低。麥麩的全氮、全磷、全鉀、可溶性糖、水溶性果膠、總甘油三酯、游離脂肪酸、游離氨基酸和銨態(tài)氮的含量較高，而全碳、纖維素和木質(zhì)素含量較低。麥粒的全碳、總碳水化合物碳、直鏈淀粉、支鏈淀粉、原果膠和總甘油三酯含量較高，而還原糖、木質(zhì)素和硝態(tài)氮的含量較低。

由于制作營養(yǎng)袋基質(zhì)的秸稈、麥粒等原料營養(yǎng)成分組成較為復雜，對酶活性的影響可能不是簡單地由某一兩項營養(yǎng)物質(zhì)的含量比例決定，而是受多種營養(yǎng)物質(zhì)含量屬性協(xié)同影響。為了解不同材料在營養(yǎng)成分組成方面的相似性和差異性，對7 種原料的20 種營養(yǎng)成分進行主成分分析。根據(jù)主成分提取方法[18]即特征值〉1、累計貢獻率〉85%，前2 個主成分特征值都大于1，累計貢獻率達到97.552%，說明7 種原料的多方向性低。以主成分1 為X 軸、主成分2 為Y 軸作圖可知，7 種原料從化學成分屬性上大致可分為三類，同類中的原料成分相近：麥粒和麥麩為一類，油菜秸稈單獨為一類，小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈和谷殼為一類（圖1）。

2.2 營養(yǎng)袋內(nèi)容物原料搭配

以7 種主料搭配的9 種配方組合中，全碳含量最高的是配方E（油菜秸稈+麥粒），最低的是配方D（小麥秸稈+麥麩）；全氮含量最高的是配方B（水稻秸稈+麥麩），最低的是配方I（谷殼+麥粒）；碳氮比最高的是配方E，最低的是配方B（表4）。

上述9種配方的營養(yǎng)袋栽培羊肚菌均能正常出菇，但產(chǎn)量差異顯著（圖2）。其中，產(chǎn)量最高的是配方I，最低的是配方F（油菜秸稈+麥麩）；配方I 顯著高于配方A、B、D、F 和H；配方C（小麥秸稈+麥粒）顯著高于配方B、D、F 和H，配方A、E 和G 顯著高于配方B、F 和H，其他配方間無顯著差異。表明在制作營養(yǎng)袋的原料選擇上，麥粒好于麥麩，谷殼好于水稻秸稈。

圖1 7 種原料主成分分析散點圖

2.3 配方優(yōu)化

（1）全碳、全氮及碳氮比。配方F1～F11 為谷殼與麥粒的11 個配比梯度。其中，全碳、全氮含量最高的是F11（純麥粒），最低的是F1（純谷殼）；碳氮比最高的是F1，最低的是F11（表5）。與原料中麥粒碳氮比偏低、谷殼碳氮比較高的趨勢一致。

表3 營養(yǎng)袋7 種主料的化學成分（mg/g）

表4 9 種營養(yǎng)袋配方的全碳、全氮含量及理論碳氮比

圖2 9 種營養(yǎng)袋配方的的羊肚菌產(chǎn)量

（2）產(chǎn)量。F1～F11 配方的營養(yǎng)袋栽培羊肚菌均能正常出菇，但產(chǎn)量有顯著差異（圖3，表6），其中產(chǎn)量最高的是F9，最低的是F2。F9 產(chǎn)量顯著高于F1、F2 和F5，F(xiàn)7、F8 和F10 的產(chǎn)量顯著高于F2，其他配方間產(chǎn)量無顯著性差異。

（3）營養(yǎng)袋成本。營養(yǎng)袋原材料、燃料動力消耗和人工投入等的成本按照2018—2019年四川省成都市周邊地區(qū)的平均價格計算，每畝按固定投入有機物料風干重為486 kg 計算。由表6可知，隨著麥粒用量的增加，原料成本升高，由于原料的密度差異，同質(zhì)量的原料隨麥粒用量的增加而營養(yǎng)袋的裝袋量減少，使制袋人工成本降低；但營養(yǎng)袋綜合成本隨麥粒用量增加而增加，其中成本最低的是F1，最高的是F11。

表5 谷殼、麥粒不同配比營養(yǎng)袋的理論碳氮比

圖3 谷殼與麥粒11 個營養(yǎng)袋配方的羊肚菌產(chǎn)量

（4）經(jīng)濟效益。按照2018—2019年四川省成都市周邊地區(qū)的原種成本，原材料、燃料動力、生產(chǎn)人工投入成本，土地租金和棚架設施等的平均價格合計，產(chǎn)品鮮銷價格按照每千克80 元計，計算營養(yǎng)袋原料配比F1～F11 各自的成本及經(jīng)濟效益。由表6可知，每畝栽培效益在-5 141.35～5 576.90元，其中最高的是F9，最低的是F2。F9，即谷殼19%、麥粒79%、石灰和石膏各1%，栽培產(chǎn)量和效益均最高，因此作為推薦營養(yǎng)袋配方。

3 結論與討論

本研究調(diào)查的7 種主料，除高碳的麥粒和高氮的麥麩外，其余5 種（谷殼，以及小麥、水稻、油菜和玉米的秸稈）雖均以木質(zhì)素、纖維素和半纖維素為主，但在化學成分組成上存在明顯差異。通過主成分分析，可將谷殼、小麥、水稻和玉米秸稈分為一類，油菜秸稈單列為一類，顯示單子葉禾本科作物與雙子葉作物秸稈成分差異較大，而栽培試驗結果也驗證了不同秸稈制作營養(yǎng)袋的出菇產(chǎn)量存在顯著差異。

主成分分析結果顯示，麥麩與麥粒的營養(yǎng)成分較接近，但麥麩的實際使用效果不佳。前期研究表明，營養(yǎng)袋中羊肚菌菌絲產(chǎn)生的一個GH15 家族γ-淀粉酶的降解能力十分強大，多種GH 家族纖維素酶基因的酶蛋白產(chǎn)物疊加在一起的總活性水平也較高，是分解利用營養(yǎng)袋中碳源成分的主力酶[18]，而麥麩的淀粉含量和纖維素含量水平分別只有麥粒的61%和72%左右，尤其是羊肚菌優(yōu)先使用的直鏈淀粉[18]含量只相當于麥粒的22%，因此麥麩向菌絲提供易利用的糖類的能力不如麥粒，不是制作營養(yǎng)袋的好選擇。

營養(yǎng)袋主料篩選試驗的9 種配方碳氮比在24.83～78.54 之間，主要可分為兩大類：一類與麥粒復配，理論碳氮比在65.83～78.54，另一類與麥麩復配，理論碳氮比在24.83～27.98。栽培試驗結果顯示，碳氮比在65.83～78.54 之間的配方產(chǎn)量均高于碳氮比在24.83～27.98 之間的配方。營養(yǎng)袋碳氮比過低將導致羊肚菌產(chǎn)量降低。

在營養(yǎng)袋原料配比優(yōu)化試驗中，11 個配方的碳氮比在69.78～122.36 之間，產(chǎn)量隨配方碳氮比的降低有先上升后下降趨勢，顯示出碳氮比對羊肚菌產(chǎn)量有一定影響，營養(yǎng)袋適宜的理論碳氮比在71.68～80.12 之間。雖然麥粒用量是影響羊肚菌產(chǎn)量的重要因素，但純麥粒營養(yǎng)袋產(chǎn)量并不是最高，可能涉及的因素有營養(yǎng)袋的容重和通透性等。谷殼可以改善營養(yǎng)袋的通透性，但比例過高，使整個配方的淀粉含量不足，總體上不利于羊肚菌菌絲分解利用，無法快速充分滿足營養(yǎng)需求。

前期研究中使用麥粒與谷殼干重比為85∶15的配方，未添加石灰和石膏，實測得到的營養(yǎng)袋碳氮比約37∶1[18]，低于本研究推算的麥粒與谷殼配方的理論碳氮比。這是由于在實際生產(chǎn)中，浸泡麥粒和谷殼過程會有部分可溶性糖類被水浸出而丟失，且長時間的高壓蒸汽滅菌過程也可使一些小分子有機物如短鏈脂肪酸等隨著飽和水蒸氣被帶走，導致營養(yǎng)袋實際碳氮比下降。麥粒在浸泡過程中丟失可溶性營養(yǎng)是個值得注意的問題。美國食藥用菌栽培專家John Holliday 談到麥粒菌種的制作經(jīng)驗時稱，浸泡麥粒的用水量不宜過多，以麥粒充分吸水膨脹后剛好完全浸沒為宜，否則過多的用水會使更多的營養(yǎng)溶在外水體積中，無法隨著被撈出的麥粒一起帶走而流失（ 視頻鏈接：https://mushroom-consulting.com/consulting-video/）。這一經(jīng)驗值得羊肚菌營養(yǎng)袋制作時浸泡麥粒環(huán)節(jié)借鑒。

表6 不同谷殼與麥粒配方的營養(yǎng)袋每畝制作成本、產(chǎn)量及效益

與目前流行的其他營養(yǎng)袋配方相比，本研究推薦配方與每袋含小麥50～100 g，木屑50～100 g，谷殼、玉米芯或草粉50～60 g，鮮土50～100 g 的配方[10]相比，避免使用土壤，重量較輕，利于節(jié)約運輸成本；與谷殼30%～35%、小麥30%、木屑25%～33%、土4%～5%、土豆粉1%～1.5%、石膏0.5%～1%、石灰0.5%～1%、草木灰0.5%～1%、丁酸鈉0.3%～0.6%、氯化鈉0.2%～0.5%、硫酸鎂0.4%～0.6%、6-芐基腺嘌呤0.2%～0.4%、赤霉素0.1%的配方[14]相比，原料種類較少，大宗采購備料較為簡單。

本研究通過檢測分析7 種常見食用菌栽培原料的化學成分，結合栽培試驗驗證，探究了羊肚菌栽培產(chǎn)量背后的營養(yǎng)袋化學成分差異效應，為現(xiàn)有的營養(yǎng)袋配方提供了理論支撐。試驗得到高產(chǎn)高效的羊肚菌營養(yǎng)袋配方（重量比）為谷殼19%、麥粒79%、石灰1%、石膏1%。