雙孢菇培養料發酵中的物質變化研究現狀

吳回易，王胤晨，劉 訊

(1.貴州省農業科學院 畜牧獸醫研究所，貴州 貴陽 550005； 2.貴州師范學院，貴州 貴陽 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的菇類，也是當前食用菌類發展前景最好的品類之一。我國當前雙孢菇培養料一次發酵質量偏低，其原因在于發酵過程存在培養料堆偏大、翻堆不徹底等問題，導致供氧不足引起厭氧發酵[1]。因此，我國雙孢菇培養料發酵主要采用二次發酵，二次發酵包括巴氏消毒和恒溫發酵，為控溫過程，該過程中各種高溫菌嗜熱微生物使培養基充分分解轉化成更利于蘑菇生長的物質[2-3]。發展雙孢菇產業必須從培養料著手研究，培養料的物質能否高效且最大化地轉化為雙孢菇生長所需物質，很大程度上取決于培養料的發酵。培養料發酵質量的好壞，直接影響雙孢菇的生產。鑒于此，對雙孢菇培養料發酵過程中的營養物質及微生物的變化情況進行綜述，歸納總結影響發酵過程中C/N、纖維素、總糖等物質變化和真菌、放線菌、細菌等微生物變化的因素，以促進雙孢菇培養料完全發酵并最大程度轉化為雙孢菇生長所需的有利物質，旨在提高雙孢菇培養料的發酵質量，實現雙孢菇生產效益最大化。

1 雙孢菇培養料種類

雙孢菇生長所需的營養來自于培養料，培養料的原料不同會使雙孢菇的質量產生差異。近年來培養料配方越來越多，一般基質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 培養料發酵過程中營養物質變化

2.1 C/N

培養料的C/N是發酵過程中反映其腐熟程度的重要指標，C源來自于牲畜的糞便，N源來自于農作物秸稈。侯曉偉等[4,7]研究發現，在一次發酵過程使全N含量升高，有機C含量下降，但在整個發酵過程中總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]研究發現，在后發酵結束后，全C繼續減少，全N含量仍在增加，所以C/N在整個發酵過程中呈下降趨勢。侯曉偉等[4]研究表明，在發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酵開始的過程中，部分N元素擴散到空氣中引起全N含量下升。當培養料溫度為70℃左右時，嗜熱微生物大量繁殖成為優勢菌群后消耗了易于降解的C源，導致中溫性微生物死亡，第二次翻堆后，由于培養料中N源被嗜熱放線菌固定且大部分以氨化物的形式存在[9]，木質素-腐殖質是蛋白質和木質素的最終存在形式，因此蛋白N含量隨發酵持續升高[10]。

2.2 總糖

總糖含量是培養料內中外三層糖含量的平均值，在發酵過程中發酵時間越久總糖含量越低，其原因是由于微生物的生長需要消耗糖類，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，二次發酵過程中的嗜熱微生物會進一步分解糖類，在發酵初期下降明顯，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]研究發現，培養料在發酵過程中會發生顏色變化，具體表現為黃色變為棕黑色，原因是高溫條件下糖類發生了焦糖化反應。

2.3 纖維素及半纖維素

纖維素含量在培養料的第一次發酵過程中出現不同程度的下降，而半纖維素含量從發酵開始就不斷下降，木質素含量在第三次翻堆前持續上升，木質素含量總體呈上升趨勢[4]。李曉博等[10]研究發現，葡萄糖、低聚纖維素和纖維二糖等是發酵過程中在纖維素酶的作用下被纖維素分解后的產物，纖維素酶是復合酶，所以會有多種產物。除木質素酶可以降解木質素外，有些微生物也能夠有效降解木質素的微生物(真菌、放線菌、細菌)，微生物是通過在發酵過程中產生過氧化物酶等有關酶將木質素降解。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切酶和外切的酶總稱[12]。

2.4 木質素

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

2.5 蛋白質

蛋白質的變化與發酵過程中的物理因素(溫度和發酵時間等)有必然聯系。熊佳欣等[26]研究發現，當溫度為40℃同時糞稈配比為4∶1時，發酵效果好且發酵周期最短(31 d)。溫度為 40℃ 時，蛋白質含量最高，超過40℃時隨溫度的升高蛋白含量呈下降趨勢，因為溫度過高，菌群失活、衰老等，從而影響蛋白質最終含量。溫度低40℃時，蛋白質含量因微生物菌群數量受影響而降低，發酵溫度為40℃是發酵的最佳時期。里百爾·努爾等[27]研究發現，接種量和發酵時間對蛋白質含量的影響顯著，接種量為1.5%時蛋白含量最高，接種量超過1.5%菌體易過快生長且積累有害物，使后期菌體生長受到抑制，蛋白質含量降低。當發酵時間為9 d時，蛋白質含量最高；發酵時間小于或大于9 d，微生物菌群數量受到限制，粗蛋白含量受到影響，隨著發酵時間延長，營養物質被消耗，粗蛋白最終含量受到影響，因此發酵時間9 d和接種量為1.5%時蛋白質的含量最佳。纖維素酶的降解作用原理是使細胞壁的通透性增大破壞植物細胞壁，包內蛋白質被釋放，從而發酵堆的蛋白質含量增加，纖維素酶和菌類發酵劑共同處理培養料效果更加顯著,其蛋白質含量是不加菌類發酵劑的4倍，因此在發酵時選擇菌類發酵劑作為輔助劑發酵效果較好[27]。

3 培養料發酵過程中微生物的變化

3.1 細菌

孟祥博等[28]研究表明，發酵過程中微生物與溫度具有倒“U”函數關系，溫度主要影響微生物生存和生化反應，在微生物最佳溫度范圍內代謝和物質轉化效率與溫度呈正比關系。發酵過程中的優勢菌主要是中溫性細菌、嗜熱細菌，且嗜溫細菌對培養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酵期間溫度為50℃的高溫下培養的[30]，且堆肥溫度在50℃時，高溫細菌非常活躍[31]，在前發酵剛開始時，嗜溫微生物是培養料中的主要菌群，而中溫性微生物主要存在于開始發酵階段，由于中溫性微生物對培養料中簡單有機質的利用而產熱，溫度迅速上升，細菌數量下降[32]。堆肥后期細菌的數量明顯低于堆肥前期，當培養料的溫度上升至80℃左右時，微生物總數量下降，嗜熱微生物開始迅速繁殖。在第二、三次翻料時細菌總數量增加,第四次翻料時嗜熱細菌數量上升，后發酵階段經過巴氏殺菌后，嗜熱細菌下降[33]。

3.2 放線菌

培養料在發酵過程中根據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量最高，下層料的腐熟度低是因為透氣性差，不利于好氧發酵，所以放線菌數量最少[7]。LEE等[34]研究發現，中溫型放線菌在堆肥發酵過程中主要存在于堆肥的外層。陳璋等[35]發現，隨著發酵過程推進，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轉化。MCCARTHY等[36]研究發現，木質素的轉化是因嗜熱放線菌改變了其結構。在第二次翻堆時，放線菌數量達到最高峰，此時放線菌最活躍且分解能力最強；在第二次翻堆后放線菌數量開始下降，第二次倒料時下降最多，二次發酵后降到最低點[20]。

3.3 真菌

在發酵過程中微生物種類繁多，由于多種微生物的代謝活動共同作用，培養料中的化學成分、物理結構等方面的變化較大，使其中不易吸收的物質分解為有利于雙孢菇吸收與轉化的物質[37]。WARNSTROM等[38]研究發現，將提取培養料中的DNA放大，發現真菌屬的微生物種群差異最大，在堆料發酵過程中高溫真菌的優勢種群變化較大，而在開始與結束階段常溫真菌差異比較明顯。真菌群落在前發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幅度大于細菌，而溫度到65℃時，真菌數量極少，因為堆料的C/N影響了真菌群落結構。

3.4 纖維素降解菌

培養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]研究發現，在不同的發酵階段加入不同量的纖維素降解復合菌劑(一次發酵0.5%，二次發酵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酸(以乳酸為主)的常溫堆料，含有更多具有發酵能力的細菌。進入高溫階段后，隨著pH值和溫度逐漸升高,具有發酵能力的細菌逐漸消失，與嗜熱芽孢桿菌相關的微生物相繼出現，因為此階段發生了蛋白水解，隨著溫度升高，水解蛋白和產氨的細菌增加,NH3的產生引起pH的增加。王琳等[41]研究發現，細菌種群是培養料發酵過程中最為豐富的，甚至在整個過程都存在的細菌群落，像木質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，在發酵過程中纖維素降解菌能產沼氣，因此可用產氣量間接評價纖維素的分解效率[42]。

4 小結

雙孢菇是當前發展前景最好的食用菌類之一，但在研究方面遠不如國外，發展雙孢菇必須從栽培雙孢菇培養料著手研究，培養料物質能否高效、最大化地轉向雙孢菇，很大程度上取決于培養料的發酵。前人研究表明，發酵過程中雙孢菇培養基質的C/N、纖維素、總糖等營養物質及真菌、放線菌、細菌等微生物的變化復雜。因此，為高效生產優質的雙孢菇產品，必須掌握發酵過程中雙孢菇培養基質營養物質和微生物的變化規律，使培養料中的物質得到充分分解并利用，提高雙孢菇培養基質發酵質量，實現雙孢菇優質高產生產。