刺梨果渣資源化利用試驗研究

潘雄鄧廷飛葛麗娟黃明李良群嚴艷芳李立郎楊小生

(1.貴州省中國科學院天然產(chǎn)物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550014；2.貴州大學明德學院,貴州 貴陽 550025)

刺梨為薔薇科多年生落葉灌木繅絲花的果實，又稱送春歸、刺莓果、茨梨、木梨子，是一種稀有的果實，是滋補健身的營養(yǎng)珍果[1]。刺梨果實含有豐富的維生素C，被稱為“維C之王”、“炎黃圣果”等，具有藥用和食用雙重屬性，是一種集保健功能和治療功能于一身的營養(yǎng)珍果。在我國貴州、陜西、甘肅、江西、福建、廣西、湖北、四川、云南等地均有分布[2]，在種植規(guī)模上，2019年僅貴州省刺梨種植面積約達12萬hm2，鮮果產(chǎn)量達10萬t。目前，對刺梨的提取利用主要是通過物理榨汁，刺梨果渣是刺梨經(jīng)物理榨汁后產(chǎn)生的廢棄物，現(xiàn)傳統(tǒng)的處理手段主要通過填埋，這不僅浪費土地資源，同時對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，堆放刺梨的周邊環(huán)境會產(chǎn)生惡臭味，影響空氣質(zhì)量，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，刺梨果渣長期不合理堆放可以發(fā)生氨化作用[3]，釋放氨離子。

刺梨果渣資源化利用是指將廢棄的刺梨渣直接作為原料進行利用，或者對廢棄的刺梨渣進行再生利用。然而，很多研究對刺梨果渣的利用模式比較單一，利用效率比較低，有的將刺梨果渣用于栽培食用菌，但忽略了對栽培食用菌后產(chǎn)生的刺梨菌糠的利用問題，有的直接將刺梨果渣用于動物飼料，而直接用于動物飼料的適口性及營養(yǎng)價值有待考證。因此，在大力發(fā)展刺梨相關(guān)產(chǎn)品的情況下，如何充分有效地利用這些廢棄物，實現(xiàn)資源高值化利用已成為刺梨果渣綜合利用的一個緊迫問題。

本文將刺梨果渣用于栽培食用菌，并以栽培后產(chǎn)生的菌糠為研究對象，探討刺梨果渣菌糠用于反芻動物飼料及復合高吸水材料的制備方法，以期為刺梨果渣或其它植物源性廢棄物的綜合利用提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試菌株

平菇菌種，通過貴州省中國科學院天然產(chǎn)物化學重點實驗室分離純化。

1.1.2 培養(yǎng)基材料

刺梨果渣，由貴州貴定敏子食品有限公司提供；玉米芯、玉米面、普鈣及生石灰，購買于當?shù)厥袌觥?/p>

1.1.3 主要儀器及試劑

iCAN9傅立葉變換紅外光譜儀；鎢燈絲掃描電子顯微鏡(型號:EVO MA 15/LS 15)；101型鼓風干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，上海秋佐科學儀器有限公司；XM-2500Y高速粉碎機，永康市鑫之鴻電器有限公司；電子天平，上海菁海儀器有限公司。

丙烯酸(AA)，化學純，天津市科密歐化學試劑有限公司；N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，分析級，阿拉丁試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，成都金山化學試劑有限公司；過硫酸銨(APS)，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；無水亞硫酸鈉(SBS)，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；乙醇，分析級，天津市富宇精細化工有限公司；溶液用過濾水制備。

1.1.4 刺梨果渣高值化利用流程

采用刺梨渣廢棄物復配其它物料，得到食用菌栽培基質(zhì)，以食用菌為附加值產(chǎn)品產(chǎn)出后，再以產(chǎn)生的刺梨菌糠為研究對象，分別采用菌糠制備復合高吸水樹脂及反芻動物飼料，復合高吸水材料可用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、中藥材種植等，反芻動物飼料喂養(yǎng)反芻動物后產(chǎn)生的糞便也可作為肥料添加劑用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、中藥材種植，實現(xiàn)刺梨果渣的零廢棄。具體循環(huán)工藝流程如圖1所示。

圖1 刺梨果渣零廢棄利用流程示意圖

1.2 方法

1.2.1 刺梨果渣栽培平菇及平菇營養(yǎng)品質(zhì)評價

1.2.1.1 刺梨果渣栽培平菇

根據(jù)表1將栽培基質(zhì)中各組分按照設(shè)計的配比準確稱量添加，其中T1為對照組，拌料濕度為緊握指間有水滲出，欲滴不下，用石灰調(diào)節(jié)pH值到7.5～8，攪拌均勻后蓋上塑料薄膜靜置1d。靜置完后將培養(yǎng)料裝入14cm×28cm，厚0.04cm聚丙烯折角塑料袋，每袋干料為0.3kg，每組做10個平行。將裝好的菌袋及時放于滅菌鍋內(nèi)滅菌，壓力為0.1～0.15MPa、溫度為120℃，滅菌時間為2h。滅菌結(jié)束后自然冷卻，然后迅速將菌袋轉(zhuǎn)入接種室，將已準備好的栽培種接入菌袋中，接種量以栽培種鋪滿菌袋端口培養(yǎng)料為度。接種完的菌袋迅速移入空氣新鮮的暗培養(yǎng)室。保持培養(yǎng)室溫度在25℃左右、空氣相對濕度在70%以下[4]。待菌絲體長滿菌袋后給予光照，解開袋口，溫度保持20℃左右，相對濕度80%～90%，通風，增大晝夜溫差。子實體成熟時，及時采收，并統(tǒng)計出菇的產(chǎn)量，分析生物學轉(zhuǎn)化率，生物學轉(zhuǎn)化率為子實體鮮重與培養(yǎng)料的物質(zhì)之間的質(zhì)量比例[5]。

1.2.1.2 平菇營養(yǎng)品質(zhì)評價

比較傳統(tǒng)栽培基質(zhì)組(T1)與刺梨基質(zhì)栽培中生物學轉(zhuǎn)化率最高組的平菇營養(yǎng)成分，包括水分、粗蛋白、膳食纖維、灰分、脂肪和無氮浸出物。

1.2.1.3 安全性評價

對平菇重金屬含量進行分析(As、Cd、Cr、Hg、Ni及Pb)，測定方法參照P Martínez-Nieto等的研究方法[6]。重金屬分析是基于平均每個成年人體重為60kg，每天食用200g鮮菇的假設(shè)，以每周內(nèi)每千克人體吸入多少重金屬進行評估，然后與食品藥品添加劑聯(lián)合專家委員會(JECFA)、聯(lián)合國農(nóng)業(yè)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)制定的每周耐受攝入量(PTWI)，即每周內(nèi)每千克人體吸入多少重金屬進行對比評估[7-11]。

1.2.2 刺梨果渣菌糠作為反芻動物飼料的營養(yǎng)品質(zhì)分析

以相對飼料值(Relative Forage Value，RFV)評價刺梨果渣菌糠作為反芻動物飼料的營養(yǎng)品質(zhì)，RFV通過干物質(zhì)攝入量(DMI)和干物質(zhì)消化率(DMD)進行計算，其中，DMI與DMD分別通過中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)計算，計算公式[12]：

RFV=(DMD×DMI)/1.29

DMI=120/NDF

DMD=88.9-(0.779×ADF)

1.2.3 復合高吸水樹脂的合成及參數(shù)表征

1.2.3.1 復合高吸水樹脂的合成

將盛有不同質(zhì)量AA的燒杯放在冰水浴中，緩慢加入質(zhì)量分數(shù)為20%的NaOH溶液至不同的中和度，邊滴加邊攪拌，配制成中和度為40%、50%、60%、70%、80%的AA溶劑，倒入已標記好的試劑瓶中，備用。

將栽培食用菌后的刺梨菌糠在烘箱中60℃下干燥，粉碎，過100目篩。稱取一定量的菌糠，加水潤濕。在油浴鍋升溫至55℃，準確加入一系列不同質(zhì)量的AA、不同中和度AA、交聯(lián)劑(MBA)、引發(fā)劑(APS)和助引發(fā)劑(SBS)，待反應成凝膠后，在55℃下持續(xù)2h后取出；將生成物乙醇浸泡，丙酮索氏提取24h，取出后干燥，粉碎，即得菌糠復合高吸水性樹脂(SAP)。

1.2.3.2 產(chǎn)物接枝聚合參數(shù)的測定

對最佳條件制備所得吸水樹脂進行接枝率和接枝效率的測定[13]。

接枝率GY(%)計算公式：

(1)

式中，m0為菌糠干基的質(zhì)量；m1為溶劑浸提后接枝產(chǎn)物的質(zhì)量。

接枝效率GE(%)計算公式：

(2)

式中，m0為菌糠干基的質(zhì)量；m1為溶劑浸提后接枝產(chǎn)物的質(zhì)量；m2為浸提前接枝產(chǎn)物的質(zhì)量。

1.2.3.3 吸水性能測試

在室溫下，準確稱取一定質(zhì)量的復合高吸水樹脂，記為m1，分別浸入到過濾水和0.9%的NaCl溶液中，使其分別吸水飽和，達到溶脹平衡后用200目篩過濾分離，懸掛靜置，直至30s內(nèi)無液滴滴出為準[14]。稱量溶脹后的復合吸水樹脂質(zhì)量，記為m2，通過公式計算復合高吸水樹脂的吸水倍率Qeq：

Qeq=(m2-m1)/m1

(3)

式中，Qeq為吸水率；m1為復合高吸水樹脂的質(zhì)量；m2為溶脹平衡時吸水凝膠的質(zhì)量。

1.2.3.4 紅外光譜分析

稱取2mg左右的復合高吸水樹脂樣品與200mg的KBr制備，通過研磨使樣品壓片。使用傅立葉變換紅外光譜儀測定所得樣品的紅外光譜。

1.2.3.5 EDS分析掃描分析

將樣品粉碎后，取粉末樣品粘在黏有導電膠的鋁臺上，噴金后使用掃描電鏡對其表面形貌進行觀察，并用其所帶能譜EDS進行元素分析。

2 結(jié)果

2.1 刺梨果渣栽培平菇及平菇營養(yǎng)品質(zhì)評價

由表2可知，T1、T4及T5組原基最早形成，且第1茬菇、第2茬菇比T2、T3組早，在第3茬菇時，T4組最早出菇。此外，T4組生物學轉(zhuǎn)化率最高，而T2組(刺梨果渣占92%)無論在出菇時間還是生物學轉(zhuǎn)化率方面都表現(xiàn)最差。綜上所述，T4(刺梨果渣占72%)組為最佳配方。

對照組(T1)與最佳配方組(T4)的平菇營養(yǎng)成分含量如表2所示，T1、T4的水分分別為65.6%、68.4%，粗蛋白分別為22.1%、32.5%，脂肪分別為0.3%、0.5%，粗纖維分別為29.8%、40.3%，無氮浸出物分別為48.1%、30.3%，灰分分別為7.2%、4.5%。

表2 不同培養(yǎng)基中平菇的生長及生物學轉(zhuǎn)化率

對照組(T1)與最佳配方組(T4)的平菇重金屬含量如表3所示，食品藥品添加劑聯(lián)合專家委員會(JECFA)、聯(lián)合國農(nóng)業(yè)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)對砷、鎘、鉻、汞、鎳和鉛制定的每周耐受攝入量(PTWI)分別為0.013mg·kg-1、0.0058mg·kg-1、0.023mg·kg-1、0.004mg·kg-1、0.035mg·kg-1及0.021mg·kg-1。由表3可知，采用刺梨果渣作為培養(yǎng)基質(zhì)時，平菇的重金屬含量均低于此標準[6]。

表3 常規(guī)培養(yǎng)基及生物學轉(zhuǎn)化率高的刺梨培養(yǎng)基中平菇的營養(yǎng)成分及重金屬含量

由表4可知，經(jīng)平菇栽培后，NDF值與ADF值降低，RFV值升高。

表4 接種前與出菇后T4組培養(yǎng)基質(zhì)的NDF、ADF及RFV變化

2.2 反應條件對吸水樹脂吸水性的影響

各反應條件對刺梨菌糠復合吸水材料的影響如圖2所示，當AA中和度為60%，交聯(lián)劑用量為菌糠的1.4%，菌糠用量與AA之比為1∶4時，引發(fā)劑用量為菌糠用量的7%時，刺梨菌糠復合吸水材料有最大吸水倍率，在蒸餾水和0.9%的NaCl溶液中的吸水率分別為285.1g·g-1、41.7g·g-1。

圖2 AA中和度、交聯(lián)劑用量、AA與菌糠質(zhì)量比、引發(fā)劑用量對吸水率的影響

2.3 刺梨菌糠的接枝率及接枝效率

刺梨菌糠制備高吸水材料(CC-SAP)與直接采用刺梨果渣制備高吸水材料(C-SAP)的接枝率與接枝效率結(jié)果如表5所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直接采用刺梨果渣無法完成接枝聚合反應，而采用刺梨菌糠反應的接枝率與接枝效率分別為65.5%、30.8%，這是因為刺梨果渣經(jīng)平菇降解后，頑固的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)構(gòu)變得疏松，提高了反應的可及度。

表5 復合吸水材料的接枝率與接枝效率

2.4 紅外光譜分析

刺梨菌糠(CC)與刺梨菌糠復合高吸水材料(CC-SAP)的傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)如圖3所示。CC與CC-SAP都為3397cm-1的吸收峰，為O-H的伸縮振動峰，2942cm-1處的吸收峰為-CH2-的對稱伸縮振動，1418cm-1和1075cm-1為-C-O-C-的伸縮振動，這些是刺梨菌糠中纖維素的特征吸收峰。此外，在1322cm-1處吸收峰為纖維素C-H的變形振動，1647cm-1是C=C伸縮振動吸收峰，這些在刺梨菌糠中顯現(xiàn)明顯，但反應后與刺梨菌糠復合高吸水材料相比消失。此外，高吸水材料在1636cm-1、1560cm-1處出現(xiàn)新的強吸收峰，為-COO-的非對稱伸縮振動。因此，傅立葉變換紅外光譜顯示在刺立菌糠的存在下AA單體進行了共聚反應，從而形成了菌糠基復合高吸水材料。

2.5 EDS分析

通過能譜對CC與CC-SAP中的元素衍射強度及相對重量百分比含量進行分析，如表6所示。在CC中含有豐富的C、O元素，占總量的99.41%，而其它微量元素Mg、S、K、Ca占總量只有0.59%，這說明刺梨菌糠中主要成分是以纖維、多糖等碳水化合物。CC-SAP較高的Na含量，為9.29%，這是因為丙烯酸鈉中存在鈉元素，CC-SAP中CC所含的一些元素如Mg、K元素沒有被檢測出來，可能是由于在材料制備的過程中這些元素流失或者含量太低而沒有被檢測出來。能譜的元素衍射峰圖及面分析圖進一步直觀地說明以上結(jié)論，具體如圖4所示。這些能譜檢測分析可以認為高吸水材料被合成。

表6 CC與CC-SAP的元素強度和重量百分比

圖4 CC與CC-SAP的EDS曲線和映射分析

3 討論

3.1 刺梨果渣栽培平菇及平菇營養(yǎng)品質(zhì)評價

在栽培配方中，過高的刺梨果渣占比導致生物學轉(zhuǎn)化率低，原因可能是刺梨果渣吸水比玉米芯多，當刺梨果渣占比過多時，菌包透氣性差，氧氣不足導致。生物學轉(zhuǎn)化率最高的T4組粗纖維與粗蛋白含量高于對照組，較高的粗纖維含量有助于預防某些慢性疾病，如心臟病、某些癌癥、肥胖和糖尿病[6]。本試驗結(jié)果與其它研究報道存在差異，這可能與菌種、底物組成、溫度等有關(guān)[15,16]。

在栽培的不同階段，出菇后NDF與ADF含量均低于接種前，原因可能是平菇分泌相關(guān)的木質(zhì)纖維降解酶，導致刺梨果渣中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素被降解。從結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，出菇后基質(zhì)的RFV值由51.9升高至94.4，根據(jù)美國牧草原委員會對粗飼料質(zhì)量標準的規(guī)定[17]，認為RFV值高于151的為高品質(zhì)，為第1級，125～151為第2級，103～124為第3級，87～102為第4級，75～86為第5級，<75的為第6級。這為栽培平菇后的菌糠包運用于反芻動物飼料提供了可能。

3.2 反應條件對吸水樹脂吸水性的影響

丙烯酸(AA)的中和度<60%時，由于-COOH的電離程度小于-COONa，隨著AA中和度的提高AA被NaOH使強親水性集團-COONa濃度增大，導致高吸水材料內(nèi)部與外界水溶液的滲透壓增加，有利于水分子進入吸水材料中，從而提高其吸水倍率；但當AA中和度超過60%后，更多的Na+在聚合物的網(wǎng)絡中導致其電荷密度過高，溶脹能力下降。另一個原因是高聚物分子間主要發(fā)生氫鍵交聯(lián)反應，從而形成致密的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡上的離子濃度過大，使水溶性成分增加，膨脹能力減小，導致高吸水材料吸水倍率降低[19]。

交聯(lián)劑是影響高吸水材料吸水性的重要因素之一，其用量對高吸水材料吸水性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這是因為增加交聯(lián)劑用量能夠增加聚合物的交聯(lián)密度，使聚合物內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)趨于完整，彈性的收縮能力增加，有利于吸水材料吸收好保持水分，而當交聯(lián)劑用量較少時，聚合物的交聯(lián)度低，聚合物的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)松散，不足以鎖住水分。當交聯(lián)劑用量過多時，吸水材料的吸水能力降低顯著，這是因為交聯(lián)劑用量過高時，使吸水材料內(nèi)部交聯(lián)過于緊密，阻礙水分子進入網(wǎng)格內(nèi)部，進而導致其吸水率降低[20]。

當菌糠用量與AA之比為1∶4時，刺梨菌糠復合吸水材料有最大吸水倍率。原因可能是菌糠的用量較低時，生成了大量的可溶均聚物，所以吸水量較低。另外，在菌糠中含有氨基、羧基、羥基等多種非離子型親水集團，當在聚合體系的丙烯酸鈉陰離子型單體中引入適量的菌糠時，會使非離子型集團的含量增加，使吸水材料的內(nèi)部離子強度降低，由于各個親水集團的協(xié)同作用，改變了吸水材料的吸水性能，因此吸水材料的吸水性隨著菌糠用量的增加而升高。但當菌糠的用量進一步增加時，由于菌糠的親水性要比丙烯酸鈉低得多，使吸水材料中的大量親水集團-COOH，-COONa的比例下降，進而導致吸水材料的吸水倍率下降[18]。

吸水率隨著引發(fā)劑的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這是因為當引發(fā)劑量太低時，由于菌糠中一些酚羥基能夠抑制自由基的形成[18]，導致接枝聚合反應不完全，當引發(fā)劑量過多時，自由基產(chǎn)生過多，導致聚合反應過快終止，聚合產(chǎn)物分子量小，吸水率降低[21]。

綜上所述，以刺梨果渣為基質(zhì)進行食用菌栽培，既可有效降解刺梨果渣中的木質(zhì)纖維素，又可產(chǎn)出營養(yǎng)價值高且符合食品要求標準的食用菌，還使得廢棄物菌糠可用于制備復合高吸水樹材料及反芻動物飼料，從而實現(xiàn)了刺梨果渣的高值化利用。這為植物源廢棄物的資源化利用提供了新的思路。