基于D-optimal法優化香菇菌種培養基配方的研究

摘要：為了篩選和優化香菇原種及栽培種的培養基質配方，采用D-optimal設計方法，以麥粒和木屑不同配比為原料優化香菇原種培養基質，以木屑、玉米芯、麩皮不同配比為原料優化香菇栽培種培養基質，以香菇品種L808作為供試菌種，分別以其菌絲萌發期、菌絲長速、滿袋期為評價指標，通過對各評價指標的測量，建立了各配比基質與香菇培養基質配方響應值之間的回歸模型，從而科學的優化出香菇原種及栽培種栽培基質的配方。試驗結果表明，香菇原種栽培基質最優配方為50%麥粒+50%木屑；香菇栽培種栽培基質最優配方為37.69%玉米芯+23.33%麩皮+38.98%木屑。在以上2個配方的栽培基質接種后，香菇菌絲的生長旺盛，萌發期短、滿袋期短，且理化性質較優，說明優化得到的栽培基質配方具有較高的可行性，該設計方法也在優化培養料配比上是科學并且可行的。

關鍵詞：D-optimal法；香菇；原種；栽培種；培養基質；配方

中圖分類號：S646.1 文獻標志碼：A 文章編號：2097-2172（2024）08-0724-10

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.08.006

Optimization of Lentinula edodes Spawn Medium Formula Based on

D-optimal Method

REN Aiming 1， Bao Yzheng 2， Han Aimin 2， LI Tong 1， LIU Mingjun 1， WANG Xiaowei 1，

YANGJianjie 1， Yang Qin 1， YANG Renlu 3， FU Aifang 3

（1. Institute of Vegetables， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Agricultural Technology Extension Centre of Tanchang County， Tanchang Gansu 742500， China; 3. Tanchang County Xingtan

Fungi Industry Co.， Ltd.， Tanchang Gansu 742500， China）

Abstract： In order to screen and optimize the culture medium formula of Lentinula edodes original and cultivated species， the D-optimal design method was used to optimize the original culture medium of Lentinula edodes with different ratios of wheat grain and sawdust as raw materials， and the cultivation medium of Lentinula edodes with different ratios of sawdust， corncob and bran as raw materials. The Lentinula edodes variety L808 was used as the test strain， and the mycelial germination period， mycelial growth rate and full bag period were used as the evaluation indexes， respectively. Through the measurement of the indexes， the regression model between the ratio matrix and the response value of the Lentinula edodes culture medium formula was established， so as to scientifically optimize the formula of the original and cultivated species of Lentinula edodes. The results showed that the optimal formula of Lentinula edodes original culture was： 50% wheat grain + 50% sawdust; the optimal formula of Lentinula edodes cultivation was： 37.69% corncob+23.33% bran+38.98% sawdust. After inoculating the cultivation substrates of the above two formulas， the mycelium of Lentinula edodes grew vigorously， with a short germination period and a short full bag period， and the physicochemical properties were also superior， indicating that the optimized cultivation substrate formula is highly feasible. This design method is scientific and feasible in optimizing the ratio of cultivation materials.

Key words： D-optimal design; Lentinula edodes; Original species; Cultivated species; Culture medium; Formula

香菇（Lentinula edodes）是目前國內種植規模最大、產量最高的食用菌［1 ］。菌種是香菇栽培中的關鍵，香菇菌種的優劣通常取決于純度高、活力強的香菇母種以及原種和栽培種培養料的科學合理選擇［2 ］。近年來，香菇菌種的培養以及菌棒的栽培主要原料為各種闊葉樹木的木屑，由于全國鄉村振興戰略的開展，香菇栽培面積的擴大，導致栽培原材料木屑缺乏嚴重［3 ］，為了緩解木屑資源短缺的問題，培養料中可添加玉米芯、棉籽殼、秸稈等代替木屑培養香菇原種、栽培種及栽培香菇［4 - 6 ］，這也是解決目前面臨資源短缺困境的有效途徑。同時，使用部分麥粒、玉米芯和麩皮代替木屑培養香菇菌種能有效利用多種農業廢棄物，緩解對木屑資源的采用，以及減少栽培種植成本，促進農業的可持續發展［3 ］。但培養基原料的不同，也會影響原種、栽培種的菌絲的生長速度及活力［7 ］，并影響后期香菇的營養成分、品質、產量［8 ］。因此進行科學的篩選并優化菌種的培養料配方并培養出優質的菌種是香菇栽培過程中的關鍵途徑。楊建杰等［9 ］根據對多年文獻的匯總，選擇出多個優良的配方，再結合當地地理優勢篩選并優化出香菇的栽培種配方。夏敏等［10 ］通過有限的配方均勻設計篩選并優化出了玉米秸稈代料栽培香菇的優良配方。周韜［11 ］采用正交試驗設計優化出了香菇液體菌種的優良配方。但是目前采用D-optimal設計優化原種及栽培種配方卻鮮有研究，更多的使用在蔬菜基質的優化試驗和藥品處方的優化方面［12 - 13 ］。

本試驗將通過D-optimal設計對香菇的原種及栽培種的培養料配方進行科學的優化，即用麥粒代替木屑設計不同的配比對原種培養基質配方進行優化，用玉米芯和麩皮代替部分木屑設計不同配比的栽培種培養料配方進行優化，從而獲得一個優良的原種培養料配方和一個栽培種培養料配方，最終為有效地緩解目前木屑資源短缺的問題提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

供試菌種為香菇L808試管種及麥粒種，由甘肅省農業科學院蔬菜研究所食用菌研究室提供。供試木屑購買于陜西省漢中市寧強縣，供試麥粒、玉米芯和麩皮均購買于甘肅省白銀市景泰縣。各供試原料的理化性質如表1所示。

供試設備有QY-8型電腦程序控制裝袋機（啟源機械有限公司）、免鍋爐節能環保滅菌鍋（諸城市良工機械有限公司）、ST20型pH儀（奧豪斯儀器常州有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 混料配方設計 根據前期研究及相關文 獻［14 - 16 ］，本試驗將原種所用的麥粒用量設置為0～50.0%，木屑用量設置為50.0%～100.0%；將栽培種所用的木屑的用量設置為20.0%～100.0%，玉米芯的用量設置為0～40.0%，麩皮的用量設置為0～40.0%。根據Design-Expert 8.0.6軟件中的Mixture-Optimal進行設計試驗，原種栽培料共設計出13個混料組合配方（表2），栽培種栽培料共設計出16個混料組合配方（表3）。

1.2.2 制作方法 分別按照表2、表3中不同混料組合配方將原料混合均勻，使用裝料機將原料裝入17 cm×33 cm的菌袋，每個配方制作15袋，完成裝袋后轉移至滅菌鍋121 ℃滅菌3 h，滅菌完成后轉移至已消毒的接種室中冷卻備用。隨機從滅菌后每個配方中的菌袋中取出6袋用于測量培養基質的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度、pH、含水量、含氮量；不同混料組合配方的原種培養基質中均使用試管種接種，栽培種培養基質中均使用麥粒種接種。接種后轉移至養菌室中培養，并觀察記錄菌絲長速、萌發期、滿袋期。每個處理均重復6次。

1.2.3 指標測量 采用環刀法并參考倪琳［17 ］的方法測量培養料的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度；參考王濤等［18 ］方法并稍作修改，測量培養料pH。即稱取5 g培養料，放入50 mL去離子水中充分震蕩，靜置30 min后取上清液使用pH儀測量pH。含水量用烘干恒重法測量，含氮量用凱式法測量。菌絲萌發期、滿袋期通過感官觀察進行記錄，菌絲長速測量參考常婷婷等［19 ］的方法采用劃線法測量。

1.2.4 驗證實驗 驗證試驗的制作方法同1.2.2，測量方法同1.2.3。

1.3 數據整理與分析

數據采用Microsoft Excel 2016軟件進行計算、整理；使用SPSS 26.0統計軟件單因素ANOVA檢測對數據進行方差分析并使用Duncan法做差異顯著性分析；使用Design Expert 8.0.6軟件分析模型、進行擬合分析、建立回歸方程模型，得出等高線圖和響應曲面圖，利用Optimization功能，進行多目標的優化分析。

2 結果與分析

2.1 不同混料組合配方栽培基質的理化性質

2.1.1 原種混料組合配方基質的理化性質 由表4可知，不同原種混料組合配方栽培基質的容重以配方3、8最高，均為0.310 g/cm3，均顯著高于其余配方（P < 0.05）；配方1、4、6、7、9、12的容重次之，均為0.290 g/cm3，均與配方2、5、11差異顯著（P < 0.05），均與配方10、13差異不顯著（P > 0.05）；配方5的容重最小，僅為0.260 g/cm3，與配方2、11均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）?？偪紫抖纫耘浞?0、12、11的較高，分別為75.01%、74.23%、71.91%，與其他配方均差異顯著（P < 0.05）。通氣孔隙度以配方8最高，為22.33%，與配方13差異不顯著（P > 0.05），與其他配方均差異顯著（P < 0.05）；配方13次之，為18.78%，與配方3、6、9、10、12均差異不顯著（P > 0.05），與配方1、2、4、5、7、11均差異顯著（P < 0.05）；配方5的通氣孔隙度最小，為9.36%，與配方1、2、4、7均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。持水孔隙度以配方10的最高，為60.43%，顯著高于其他配方（P < 0.05）；配方11次之，為57.72%，與配方12差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方8最小，為31.44%，與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。pH以配方2的最高，為7.71，均顯著高于其他配方（P < 0.05）。含水量以配方1的最高，為496.8 g/kg，除與配方12的差異顯著（P < 0.05）外，與其余配方均無顯著性差異（P > 0.05）。含氮量以配方13、9、8的較高，分別為13.6、13.3、13.1 g/kg，均與配方3差異不顯著（P > 0.05），均與其余配方差異顯著（P < 0.05）；配方5含氮量最低，為3.6 g/kg，與配方2、10、11差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。

2.1.2 栽培種混料組合配方栽培基質的理化性質

由表5可知，不同栽培種混料組合配方栽培基質的容重以配方10最大，為0.32 g/cm3，與其他配方均呈現顯著性差異（P < 0.05）；配方4、11的容重次之，均為0.30 g/cm3，均與配方14、16差異不顯著（P > 0.05），均與其余配方差異顯著（P < 0.05）；配方2、3容重最小，均為0.25 g/cm3，均與其余配方差異顯著（P < 0.05）?？偪紫抖纫耘浞?1最大，為79.02%，與配方12差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方12次之，為77.47%，與配方3、5、15均差異顯著（P < 0.05），與其余配方均差異不顯著（P > 0.05）。通氣孔隙度以配方11最大，為24.19%，與配方1、2、5、6、7、8、10、12、13均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方2次之，為23.69%，與配方3、4、9、14、15均差異顯著 （P < 0.05），與其余配方均差異不顯著（P > 0.05）。持水孔隙度以配方4最大，為60.05%，均顯著高于其他配方（P < 0.05）；配方9次之，為55.68%，與配方5、6均差異顯著（P < 0.05），與其余配方均差異不顯著（P > 0.05）；配方5的持水孔隙度最小，為48.46%，與配方1、2、3、6、7、8均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。pH以配方9最高，為7.53，與配方1、4、8、11均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方2最低，為6.71，與配方7差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。含水量以配方7最高，為475.6 g/kg，與配方5差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方5次之，為464.3 g/kg，與配方1、4、10、14、16均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方2最小，為395.7 g/kg，與配方3差異不顯著（P &gt; 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。含氮量以配方11最高，為15.0 g/kg，與配方2、16、10 均差異不顯著（P > 0.05），與其余配方均差異顯著（P < 0.05）；配方2、16、10較高，分別為14.3、14.3、13.0 g/kg，均與配方11差異不顯著（P > 0.05），但均與其余配方差異顯著（P < 0.05）；配方7最低，為3.5 g/kg，與配方3、5、6均差異不顯著，與其余配方均差異顯著（P < 0.05）。

2.2 預測模型及回歸方程的建立

2.2.1 原種配方的預測模型及回歸方程的建立 原種混料各配方基質香菇生長情況見表6，采用Design-Expert軟件分別對香菇萌發期、菌絲長速、滿袋期各指標進行回歸擬合分析。根據Design-Expert建議原種的萌發期、菌絲長速、滿袋期選用線性分析模型，得到的預測方程如表7所示。

根據表7可知，對于香菇原種的萌發期指標而言，預測方程的P < 0.01，表示選用的模型高度顯著；回歸系數R2=0.986 3，說明香菇原種萌發期的變異中有98.63%是由變量（A麥粒、B木屑）引起的，即表明該模型與試驗數據有98.63%的符合度；校正相關系數R2Adj=0.985 1、失擬項（0.522 3） > 0.05不顯著，說明該模型與實際擬合較好，具有較高的可信度?；貧w方程的自變量系數K，反應各自變量對方程的貢獻程度，由原種萌發期方程可知，KB（6.00） > KA（2.46），表明2種培養料對萌發期的貢獻程度為木屑優于麥粒（B > A）。

對于香菇原種的菌絲長速指標而言（表7），預測方程的P < 0.01，表示選用的模型高度顯著；回歸系數R2=0.968 8，說明香菇原種菌絲長速的變異中有96.88%是由變量（A麥粒、B木屑）引起的，即表明該模型與試驗數據有96.88%的符合度；校正相關系數R2Adj=0.965 9，失擬項（0.051 5） > 0.05不顯著，說明該模型與實際擬合較好，具有較高的可信度。回歸方程的自變量系數K，反應各自變量對方程的貢獻程度，由原種菌絲長速方程可知，KA（0.67） > KB（0.21），表明2種培養料對菌絲長速的貢獻程度為麥粒優于木屑（A > B）。說明就菌絲長速而言麥粒的貢獻程度高于木屑，即可以使用麥粒代替木屑作為培養香菇原種的培養料。

對于香菇原種的滿袋期指標而言（表7），預測方程的P < 0.01，表示選用的模型高度顯著；回歸系數R2=0.960 9，說明香菇原種滿袋期的變異中有96.09%是由變量（A麥粒、B木屑）引起的，即表明該模型與試驗數據有96.09%的符合度；校正相關系數R2Adj=0.957 4，失擬項（0.421 3） > 0.05不顯著，說明該模型與實際擬合較好，具有較高的可信度。回歸方程的自變量系數K，反應各自變量對方程的貢獻程度，由原種滿袋期方程可知，KB（53.87） > KA（35.26），表明2種培養料對滿袋期的貢獻程度為木屑優于麥粒（B > A）。

2.2.2 栽培種配方的預測模型及回歸方程的建立

栽培種混料各配方基質的香菇生長情況見表8，采用Design-Expert軟件分別對香菇萌發期、菌絲長速、滿袋期進行回歸擬合分析。根據Design-Expert建議原種的萌發期、菌絲長速、滿袋期選用線性分析模型，得到的預測方程如表9所示。

根據表9可知，對于香菇栽培種的萌發期指標而言，預測方程的P < 0.01，表示選用的模型高度顯著；回歸系數R2=0.951 5，說明香菇栽培種萌發期的變異中有95.15%是由變量（A玉米芯、B麩皮、C木屑）引起的，即表明該模型與試驗數據有95.15%的符合度；校正相關系數R2Adj=0.927 3、失擬項（0.496 8） > 0.05不顯著，說明該模型與實際擬合較好，具有較高的可信度?；貧w方程的自變量系數K，反應各自變量對方程的貢獻程度，由栽培種萌發期方程可知，KB（5.89） > KC（5.84） > KA（2.94），表明3種培養料對萌發期的貢獻程度由高到低依次為麩皮、木屑、玉米芯（B > C > A）。二次項系數KAB（-4.08） > KAC（-4.68） > KBC（-5.50），說明玉米芯（A）和麩皮（B）搭配對栽培種萌發期的貢獻最大。

對于香菇栽培種的菌絲長速指標而言，預測方程的P < 0.01，表示選用的模型高度顯著；回歸系數R2=0.988 7，說明香菇栽培種菌絲長速的變異中有98.87%是由變量（A玉米芯、B麩皮、C木屑）引起的，即表明該模型與試驗數據有98.87%的符合度；校正相關系數R2Adj=0.971 7、失擬項（0.869 4） > 0.05不顯著，說明該模型與實際擬合較好，具有較高的可信度。回歸方程的自變量系數K，反應各自變量對方程的貢獻程度，由栽培種菌絲長速方程可知，KB（2.73） > KA（0.85） > KC（0.18），表明3種培養料對萌發期的貢獻程度由大到小依次為麩皮、玉米芯、木屑（B > A > C）。二次項系數KAC（-0.52） > KBC（-4.29） > KAB（-4.84），說明玉米芯和木屑搭配對栽培種菌絲長速的貢獻最大（表9）。

對于香菇栽培種的滿袋期指標而言，預測方程的P < 0.01，表示選用的模型高度顯著；回歸系數R2=0.991 2，說明香菇栽培種滿袋期的變異中有99.12%是由變量（A玉米芯、B麩皮、C木屑）引起的，即表明該模型與試驗數據有99.12%的符合度；校正相關系數R2Adj=0.977 9、失擬項（0.366 5） > 0.05不顯著，說明該模型與實際擬合較好，具有較高的可信度?；貧w方程的自變量系數K，反應各自變量對方程的貢獻程度，由栽培種滿袋期方程可知，KB（256.00） > KA（158.13） > KC（54.91），表明3種培養料對萌發期的貢獻程度由大到小依次為麩皮、玉米芯、木屑（B > A > C）。二次項系數KAC（-260.19） > KBC（-457.81） > KAB（-663.17），說明玉米芯和木屑搭配對栽培種滿袋期的貢獻最大（表9）。

2.3 不同原料配比對香菇原種和栽培種的影響

2.3.1 不同原料配比對香菇原種的影響 原種混合料為麥粒和木屑2種，其不同配比與原種萌發期、菌絲長速、滿袋期的影響曲線見圖1、圖2、圖3。根據圖1可知，隨著麥粒含量的增加，隨之木屑含量越小，菌絲的萌發期逐漸變短，配方3、8、13的試驗基質均為麥粒50%和木屑50%，其萌發期分別為2.50、2.50、2.17 d，均短于其他配方（表6）；由圖2可知，隨著麥粒含量的增加，原種菌絲長速越快，配方3、8、13的菌絲長速分別為0.64 、0.67 、0.63 cm/d，均高于其他配方（表6）。由圖3可知隨著麥粒含量的增加，香菇原種的滿袋期越短，配方3、8、13的滿袋期分別為35.75 、35.58 、36.80 d，均短于其他配方（表6）。根據建立的回歸方程及響應圖最終預測認為香菇原種栽培基質的最佳優化配方為50%麥粒+50%木屑。

2.3.2 不同原料配比對香菇栽培種的影響 栽培種混合原料為玉米芯、麩皮、木屑，其不同配比與香菇栽培種菌絲萌發期、菌絲長速、滿袋期的影響曲線見圖4、圖5、圖6。由圖4可知不同原料配比與栽培種萌發期的響應面圖為曲面，故三者之間存在交互作用。配方12的萌發期最短，為2.67 d；而配方5、7的萌發期最長，為5.75 d（表8）。曲面波動較小，但受木屑的影響較大，木屑添加量越少，栽培種的萌發期就越短。由圖5可知不同原料配比與栽培種菌絲長速的響應面圖為曲面，故三者之間存在交互作用。配方2號的菌絲長速最快為0.57 cm/d，而配方5的栽培種的菌絲長速最慢，為0.17 cm/d（表8）。受玉米芯的影響曲面波動較大，玉米芯添加量越多，栽培種的菌絲長速越快。由圖6可知不同原料配比與栽培種滿袋的響應面圖為曲面，故三者之間存在交互作用。配方4、8的滿袋期最短，均為37.67 d；而配方5的栽滿袋期最長，為55.17 d（表8）。受木屑的影響曲面波動較大，木屑添加量越少，栽培種的滿袋期越短。根據建立的回歸方程及響應面圖最終預測認為香菇栽培種栽培基質的最佳優化配方為37.69%玉米芯+23.33%麩皮+38.98%木屑。

2.4 驗證實驗

為了讓香菇原種和栽培種建立模型中的預測值，更加擬合實際，故再次通過優化的配方進行驗證，驗證實驗結果表明，香菇原種的萌發期、菌絲長速、滿袋期的實際值與預測值均差異較小，誤差率分別為1.60%、1.49%、0.74%；香菇栽培種的萌發期、菌絲長速、滿袋期的實際值與預測值差異較小，誤差率分別為0.67%、2.00%、4.64%。

3 討論與結論

優質的培養料及科學的配方是菌種生產中的關鍵，培養料的多元化既能改善菌絲生長所需的營養物質，又可以緩解原料單一造成的資源缺乏問題［20 - 22 ］。香菇作為木腐菌，其菌絲生長過程中將分解木材中的木質素、半纖維素、纖維素以及有機氮提供其生長［23 ］，為了解決木材資源缺乏的問題，大量的研究學者將使用木質素及纖維素含量較高的玉米芯、秸稈等代替了木材［24 ］。但很多研究人員在香菇種植過程中均憑借多年的經驗來添加代替原料，未能科學客觀的指出相關的原料配比，香菇培養料種類的不同，其中所含有的營養物質也會隨之改變，進而導致菌種質量的優劣有所差別［25 - 27 ］。楊建杰等［28 ］采用單純形格子試驗設計方法，以木屑、棉籽殼、玉米芯和麥草為原料優化出平菇的優質栽培配方，改試驗設計方法為最先出現的、最基本的一種混料回歸設計，但是最后試驗結果將需人工計算［29 ］。而本試驗中所采用的D-optimal最優混料設計試驗則與其原理類似，優點在于除了數據的測量與錄入以外，其他計算均可在計算機軟件中完成，大大節省了工作效率以及提高了人工計算帶來的誤差，從而更科學的得出試驗結果［30 - 31 ］。

沈霞［32 ］采用D-optimal最優混料設計法，以蘆葦、五節芒、斑茅和芒萁為原料，代替全部木屑，經過不同的配比，優化出灰樹花的栽培基質配方，得出最優的配方為45%五節芒+30%芒萁+5%麥麩+18%玉米粉+2%石膏，但對不同配比的基質理化性質未作研究。本試驗通過測定不同配比培養料的理化性質，更加詳細深入地研究了香菇原種及栽培種的培養基質配方，經分析得出香菇原種和栽培種栽培基質的最優配方分別為50%麥粒+50%木屑和37.69%玉米芯+23.33%麩皮+ 38.98%木屑，在以上2個配方的栽培基質接種后，香菇菌絲的生長旺盛，萌發期短、滿袋期短，且理化性質優，說明優化得到的栽培基質配方具有較高的可行性，該設計方法也在優化培養料配比上是科學并且可行的。由于液體菌種的發展迅速，目前國內外學者通過D-optimal最優混料設計法對菌種培養料配方優化鮮有研究，關于適宜西北地區香菇菌棒混料培養基的篩選和優化也有待進一步研究。

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