食用菌菌棒自動化生產技術應用效果研究

趙 清，陳 磊，通占元*，隋 杰，宋東閣，馬寶玲，趙 全，李慧杰，郝建博

（1.河北省農業特色產業技術指導總站，河北石家莊 050011；2.石家莊裝備制造學校，河北石家莊 050899）

我國食用菌工廠化生產自2011 年開始進入快速發展期，至2013 年食用菌工廠化占比達到最大值，較2006 年的工廠化占比增加了10 多倍[9]。相關研究表明，自2017 年后，我國食用菌工廠化占比開始下降，尤其是一些勞動密集型的中小型工廠，因機械化、自動化水平較低，造成勞動力成本投入較高，無法實現可持續發展[10]。可見，實現食用菌制棒裝備自動化，構建食用菌自動化生產流程一體化的生產技術體系，對提升食用菌產業優質高效發展具有重要意義。本研究比較了食用菌傳統生產模式、簡易工廠化生產模式與全鏈條自動化快速生產模式下的菌包滅菌及冷卻應用效果、菌種接種及菌袋培育應用效果、以及菌包生產效率等，以期為食用菌自動化生產模式的示范推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點

試驗于2020 年1～12 月在河北翔天菌業集團股份有限公司進行。

1.2 儀器與設備

滅菌-真空冷卻-緩存原料處理系統，XTXZ7A，江蘇銳源裝備制造有限公司；無菌裝袋機，ZDJXW600/160，河北翔天農業開發集團股份有限公司；5000 L 全自動發酵系統，GS8100，江蘇貝朗生物工程設備有限公司；1 000 L恒溫水箱，GS81000L/H，江蘇貝朗生物工程設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 食用菌菌棒自動化生產技術

（1）自動上料與攪拌

利用電動運料車（8 m3）將原料運至原料攪拌機，將料斗吊起并翻轉，原料落入已啟動的攪拌機內，攪拌機自動加水及各種輔料，攪拌完成后，進入自動上料系統，最后通過螺旋輸送機將原料輸送至滅菌罐。

（2）滅菌與冷卻

由式(7)和式(8)可以看出，企業生產的實際邊際成本不僅會影響名義邊際成本，而且還會影響企業加成率。在其他條件不變的情況下，企業出口產品質量越高，實際生產成本越小，則企業加成率也越高。

通過蒸汽滅菌系統進行高壓滅菌，滅菌完成后，將原料自動輸入冷卻罐，冷卻完成后，將原料自動輸入原料貯存罐。

（3）液體接種

將繁育好的菌種自動輸送至原料貯存罐，進行自動拌勻接種。

（4）自動裝袋

從儲袋裝置中吸取無菌透氣栽培袋套入抱筒，將完成接種的基質定量裝入袋內并壓緊，用自動扎口機將透氣栽培袋兩端封口，制成長45 cm，直徑10.32 cm、含菌種200 mL、質量2.3 kg、緊密度一致的菌棒，經出袋機輸出機外。

1.3.2 自動化散料一體封閉滅雜菌技術

以自動化散料一體封閉滅菌、常規裝袋高壓滅菌及常規裝袋常壓滅菌為處理，調查了不同方式滅菌的生產時長、能耗、用工數量及污染率等生產指標。滅菌生產時長以原料進入滅菌罐開始，至出料閥門打開、出料結束為止，該環節應用的時間，能耗以平均生產一袋滅菌料耗費的電能為計算標準，用工數量以生產1 萬袋滅菌料所用的人工數為統計標準（個/萬袋），污染率以1 000 袋滅菌料中出現的污染袋數為統計標準。

1.3.3 自動化散料冷卻降溫技術

以自動化散料冷卻、裝袋自然冷卻、裝袋強制冷卻為處理，比較了不同冷卻方式下的生產用時、用工量、破袋污損率等生產指標。

1.3.4 散料液體接種及培育

以散料液體接種、工廠化固體接種、傳統模式接種為處理，比較了不同接種方式下的菌種成本、用工數量、菌種活力、菌絲滿袋時長以及菌袋污損率等生產指標。菌種活力以實驗室檢驗并輔以文字描述，分為強、較強、一般3 個類型。

1.3.5 自動化生產

以自動化生產模式和傳統生產模式為處理，統計了10 萬包香菇菌棒所用時長、用工數量、投資成本、生產成本及復種周期等。時長以同一批次生產10 萬袋菌棒的耗時時間為計算標準，投資成本以生產10 萬菌棒的場地租賃費和生產設備投入費為計算標準；生產成本以生產過程中投入的原料費、人工費、耗能費綜合為計算標準。菇棚復種周期以每年復種批次（批/年）計算。

1.4 統計分析方法

采用Microsoft Excel 2010 進行數據統計。

2 結果與分析

2.1 自動化散料一體封閉滅雜菌技術的應用效果

由表1 可知，與常規裝袋高壓或傳統常壓滅菌技術相比，自動化散料一體封閉滅雜菌技術下，滅菌倉體積10 m3，裝料7 m3，裝倉用時僅為0.3 h，可實現升溫125 ℃用時0.6 h，恒溫用時0.7 h，泄壓用時0.2 h，整個滅菌過程總耗時為1.8 h，滅雜菌用時遠低于其它兩種生產方式，同時自動化散料一體封閉滅雜菌技術滅菌溫度高，可達125 ℃，且破解了現行菌棒滅雜菌能耗高、用工多、多次搬運導致污染高的問題，該生產模式下能耗為28 kJ/袋，生產1 萬袋僅用工0.1個，且污染率為0。

表1 香菇菌包散料快速滅菌與袋裝常規滅菌效果對比Table 1 Comparison of rapid sterilization and conventional sterilization of mushroom packaging powder

2.2 自動化散料冷卻降溫技術的應用效果

在自動化生產模式下，滅菌后的散料通過無菌管道輸送到無菌真空冷卻罐內通過抽濕熱、給無菌冷空氣、夾層通冷卻水進行冷卻降溫。由表2 可知，傳統的裝袋自然冷卻和簡易工廠化生產的強制冷卻方式下需要消毒棚室或消毒冷卻室不同，自動化散料冷卻模式不需要場地，滅菌后的散料冷卻時間僅為1 h，自動化控制基質由99 ℃降至25 ℃，而裝袋自然冷卻需用時72 h 以上，裝袋強制冷卻需用時24 h 以上，冷卻時間大大縮短；自動化生產模式下的散料冷卻方式不需要人工和消毒藥品，破袋污染率為0，且比其它兩種生產方式更安全，不會因冷卻過程中使用藥劑消毒對操作人員造成安全隱患。

表2 自動化散料冷卻與常規裝袋冷卻效果對比Table 2 Comparison of automatic bulk cooling and conventional bag cooling effect

2.3 散料液體接種與傳統裝袋接種效果對比

常規的香菇等食用菌接種方式是先裝袋、再滅菌冷卻后在菌袋上打孔進行穴播方式接種，該接種方式受人為和環境因素影響較大，易污染[3]。自動化生產模式下是利用液體菌種輸送接種設備，將繁育好的菌種與布料螺旋輸送機分配的冷卻基質定量輸入、自動化拌勻接種[11]。由表3 可知，在接種方面，散料自動化接種需要場地小，采用的液體菌種成本僅為0.05 元/袋，不需要人工輔助，污損率低，能夠保證菌種菌齡一致，菌種活力強，繁殖后菌絲生長一致，且菌絲滿袋所需時長短（10～12 d），可有效縮短生產時間。而傳統生產模式和簡易工廠化生產模式不僅所需接種場地面積大，且接種過程中需要人工輔助（每萬袋接種用工為4 穴接種8 人或3 穴接種7 人），菌種活力低，菌齡不一致，菌絲生長時間較長，傳統模式下接種效果最差。

表3 散料液體接種與傳統裝袋接種及培育效果對比Table 3 Comparison of liquid bulk inoculation and traditional bag inoculation and cultivation effect

2.4 產出效果對比

表4 顯示了每生產10 萬香菇菌棒，對傳統模式與自動化生產模式下的香菇菌棒生產相關數據的對比分析，結果表明，每生產10 萬香菇菌棒，自動化生產模式下制棒時長為4 h，滅菌時長1 h，冷卻時長1 h，養菌時長10 d，出菇時長150 d，分別比傳統模式節省時長80、9、35、25、60 d，大幅降低了生產時間。與傳統生產模式下每日產10 萬香菇菌棒用工150 個相比，自動化生產模式僅需用工5個，省工效果極為顯著。對比生產投資成本，傳統生產模式每棒菌包成本為2.6元，自動化生產模式為2.08元，傳統生產模式出菇成本為4.2 元/kg，自動化生產模式為4 元/kg，且自動化生產模式1 年內復種批次多于傳統生產模式，可實現周年多批生產，有利于提高年產量和生產效率。

表4 傳統與自動化生產模式生產數據對比Table 4 Comparison of production data between traditional and automatic production

3 討論與結論

李玉等[11]研究表明，食用菌傳統生產方式一般采用常壓滅菌，即多層菌棒疊加滅菌，菌棒中心溫度達到100℃后多維持12 h 以上。常壓滅菌投資少，但能耗大，滅菌時間長；而工廠化裝袋滅菌通常使用滅菌柜，多層菌棒疊加，116 ℃高壓滅菌，一般滅菌8 h 以上。本研究中的自動化散料快速滅菌方式是基于基質快速熟化發酵倉、自動攪拌滅菌罐進行的，實現了高溫高壓蒸汽滅菌，可實現在121～125 ℃，從上料到泄壓1.72 h 滅菌基質7 m3，滅菌省時78.5%，滅菌過程中可通過轉動攪拌軸翻動基質達到均勻滅菌，且通過控制蒸汽閥門在設定的溫度、壓力下將蒸汽送達物料各處，確保滅菌徹底、無死角。裝袋生產中，滅菌后需菌棒中心溫度降至20 ℃左右時才可接種，傳統生產模式為自然冷卻，一般冷卻需3 d 以上，工廠化裝袋滅菌需在凈化車間的冷卻室中通過制冷機強制冷卻，一般需要1 d 以上[12]。本研究中的散料快速冷卻是基于負壓冷卻罐、無菌氣源裝置進行的，實現了0.45 h 自動控制基質由99 ℃降至25 ℃，快速冷卻省時95.8%，無污染，符合各種類菌棒含水量要求。同時該自動化模式將高溫高壓蒸汽滅菌與負壓快速冷卻高效偶聯，以自動化散料一體封閉滅菌冷卻技術，破解了現行菌棒滅菌能耗高、冷卻需要空間大、多次搬運導致污染、消毒劑污染環境、效率低等難題。與傳統生產模式或簡易工廠化模式相比，節時省工。

菌種接種作為食用菌菌棒生產中的關鍵工序，關系著后續栽培生產的成敗[13]。傳統的香菇生產主要采用固體接種方式，固體菌種接種方式存在制種周期長、工藝繁瑣、用種量大、雜菌污染率高、勞動強度大、發菌周期長、菌齡不一致等弊端，嚴重影響了香菇產業的轉型升級[14]。與固體菌種相比，液體菌種具有用種量少、發菌快等優點[15]。李賀等[16]認為在推進食用菌產業工廠化的進程中，液體菌種代替固體菌種并廣泛應用已經成為必然趨勢。但當前我國食用菌液體菌種接種主要采用開袋或打孔植入，該技術靠藥劑消毒滅雜菌，凈化環境后打孔或開袋接種，存在雜菌侵染風險；菌絲由接種點緩慢向基質生長，整棒菌齡不一、成熟度不同，影響出菇質量和產量。本研究中的自動化生產模式，是利用液體菌種輸送接種設備，將繁育好的菌種與布料螺旋輸送機分配的冷卻基質定量輸入，將菌種噴灑至無菌散料中，攪拌均勻混合接種；突破了精準計量接種量、攪拌傷害菌種、攪拌染菌等散料接種液體菌種難點，實現了菌種的均勻分布、萌發一致、生長健壯。

工廠化生產是我國食用菌產業的發展趨勢，可降低生產成本，提高生產效率[17-18]，加強食用菌自動化生產，有助于實現食用菌生產現代化[19-20]。本研究中應用的自動化食用菌菌棒（以香菇為例）生產模式，利用散料快速滅菌冷卻傳輸、基質全料均勻接種、全封閉自動化無菌操作等關鍵技術，實現了食用菌菌棒的一體化、自動化生產，不僅生產過程省時省力，提高了生產效率，而且可減少生產環節的污染，保證菌絲生長一致，大大縮短菌絲滿袋所需時長，同時降低生產耗能和相關消毒藥劑施用量，使食用菌工廠化生產自動化、快速化、安全化、低耗化，克服了當前食用菌菌棒生產過程中存在的用工多、污染率高、滅菌能耗大、操作環境消毒用藥多等“瓶頸”問題，可大面積應用于我國食用菌產業。