食用菌培養料發酵過程中理化性質及微生物群落結構研究

趙玉陽 周金看 夏會楠 李東曉 鄭素月 王春霞

（河北工程大學園林與生態工程學院，河北 邯鄲 056038）

食用菌味道鮮美、營養豐富，還具有保健和藥用價值，備受消費者青睞。近年來，在精準扶貧、大健康產業、鄉村振興和“一帶一路”戰略等方針政策背景下，食用菌產業迎來了前所未有的良好發展機遇，產業規模發展迅速。目前食用菌產業已是中國農業產業中繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產業，產量占世界總產量的70%以上，中國成為世界上最大的食用菌生產國和消費國。

食用菌培養料發酵是通過溫度、濕度、氧氣等環境調控，為培養料中有益微生物創造良好生態，促進其生長繁殖，使培養料逐漸腐熟，積蓄食用菌所需營養物質并消除有害生物的過程。培養料發酵影響培養料質量，而培養料質量好壞關系食用菌產量與品質高低。在實際生產中，雙孢蘑菇、草菇、姬松茸等通常采用發酵料栽培。如，李文華[1]研究發現姬松茸在生產上一般采用發酵料栽培，其利用培養料中的微生物對基質進行降解轉化，獲得生長發育所需營養。忻龍祚[2]認為雙孢蘑菇的培養料經過高溫好氧發酵，使得原料中的大分子物質降解為小分子物質，更利于雙孢蘑菇菌絲利用。楊小兵等[3]研究發現在草菇生產中，培養料發酵栽培能夠提高其產量，期間利用機械通風還可以縮短發酵時間。此外，龔鳳萍等[4]對比研究了生料、滅菌料、發酵料、發酵后熟料等4 種不同處理方式培養料對平菇生長的影響，結果以發酵后熟料的發菌成功率最高，為100%，生物學效率高達82.67%。黃保成等[5]探究以桉樹木屑為主料，發酵不同時間后栽培靈芝的效果發現，發酵4 天、8 天后的培養料栽培靈芝，菌絲生長旺盛、發菌成品率高，且出芝整齊、生物學效率高。

研究食用菌培養料發酵過程中的理化性質及微生物群落結構的變化及演替規律，不僅能夠為改進并開發新的培養料發酵技術提供更加科學的理論依據與數據支撐，而且對實際生產中的原材料選擇調整、培養料配方優化等具有重要的指導意義。

1 食用菌培養料發酵過程中溫度、含水率、pH 和電導率的變化

食用菌培養料發酵過程極為復雜，溫度、含水率、pH 等是影響發酵效果的重要因素，也是控制發酵參數的關鍵指標，直接影響發酵時間及發酵料質量。在培養料發酵進程中，這些理化指標處于不斷動態變化中，最終用于判定培養料是否適宜食用菌生長發育，同時對微生物群落的動態變化起決定性作用[6]。通過調節理化性質可以控制微生物群落組成，提高發酵料的氧化還原能力[7]。張昊琳等[8]研究發現培養料發酵過程中其理化性狀直接關系到雙孢蘑菇的品質和產量，也影響菌絲對培養料的選擇。姬快樂等[9]研究發現在大球蓋菇培養料中添加玉米漿會改變其理化性質，使發酵溫度上升更快，高溫期更長，并且在一定程度上促進氮循環，更有利于秸稈腐熟發酵。

1.1 溫度

溫度是培養料發酵過程最直觀、最重要的控制參數，能夠反映不同階段微生物的代謝活性，也是決定發酵料質量好壞的重要因素。溫度過高或過低都不利于發酵的順利進行，同時也制約著有機質的分解、酶的活性及微生物活性等。培養料發酵過程中溫度的升高不僅可以提高多種酶活性，還可以結合有益微生物的拮抗作用共同實現致病菌的滅活[10]。研究發現，在培養料發酵過程中，溫度的變化一般呈先上升后下降的趨勢，通常可劃分為升溫、高溫、降溫3 個階段；料堆溫度會在最初3 天急劇上升，這是因為培養料中的有機物在微生物的分解下釋放熱量，且培養料中的大部分物質對熱量的傳導性不佳所致[11]。Dias 等[12]研究表明發酵料降溫階段的溫度下降是由于隨著堆體中易被降解的物質逐漸減少，微生物代謝繁殖的營養不足，從而導致微生物的代謝活動減弱所致。

1.2 含水率

含水率是推動培養料發酵進程的一個重要因素，一方面有機物氧化分解產生水分，會造成發酵料中含水率增加，另一方面水蒸氣揮發及被微生物利用又會導致含水率下降[13]。含水率過低會不利于微生物的生長代謝；含水率過高則不利于通風，導致厭氧發酵。李月明[14]以玉米芯和牛糞為主料優化巴西菇發酵料，培養料發酵過程中含水率整體呈下降趨勢，培養料起始含水量宜在50%～60%，發酵過程宜在60%～70%。張永澤[15]認為在發酵前期，物料中易被微生物分解利用的有機物較多，且初期產熱量較高，大部分水分會得到蒸發，因此含水率在發酵前期下降較快；之后微生物的代謝活性下降，對水分的利用減少導致含水率下降速率減緩，最后趨于穩定。Kong 等[10]研究發現在培養料發酵過程中適當降低含水率會增加發酵料的孔隙率，從而保持充足的氧氣提高微生物活性，加速有機物的降解。

1.3 pH

在培養料發酵過程中pH 會隨著物料中有機質的降解發生變化，微生物在中性偏堿的環境下活性良好、代謝旺盛，pH 過高或過低都不利于其生長代謝[8]。培養料發酵前期pH 呈下降趨勢，這是由于培養料中的糖類、脂類等被降解生成草酸、蘋果酸、乳酸、乙酸等小分子有機酸所致[16]。李文華[1]研究發現巴西菇有糞培養料在發酵過程中pH 升高的原因是發酵料中微生物將有機物轉變為有機酸，而有機酸也在不斷地被分解，最后含氮的有機物被分解為氨氣，從而使pH 上升。Li 等[17]研究發現培養料發酵初期小分子有機酸和有機物質持續被微生物降解利用，形成銨態氮并釋放NH3，使pH 不斷升高。高溫期后，大量CO2溶解于水中，以及NH3揮發減少，使pH 開始下降，最終趨于穩定。

1.4 電導率

電導率（Electrical Conductivity，EC）表示物質傳導電流的能力，對于培養料則代表其可溶性鹽的含量，是判斷發酵料腐熟的標準[18]。Henry 等[19]研究發現木質纖維素發酵早期EC 值呈下降趨勢，這可能與有機酸被微生物分解、氨的揮發及礦物離子的沉淀有關；后期EC 值增加可能是由于有機物的分解釋放出大量小分子物質和氨離子等導致鹽類離子濃度增加。康健[20]研究發現畜禽糞便堆肥過程中電導率呈先降后升再降的趨勢，通過分析認為電導率升高是因堆體中有機物的分解、礦化產生大量無機離子所致；EC值下降則是由于隨著NH3的揮發及微生物的利用，可溶性無機鹽不斷減少而造成的。李月明[14]發現玉米芯牛糞培養料發酵過程中EC 值不斷升高，這是由于在發酵過程中有機物被分解成大量的小分子物質，其中各種陰、陽離子及小分子有機酸的存在導致了電導率上升。

2 培養料發酵過程中的營養變化

不同種類食用菌對營養物質的需求基本一致，通常包含碳源、氮源、無機鹽（礦質元素）和生長因子（維生素）四大類。其中，碳源是構成食用菌細胞和代謝產物骨架的營養來源，也是食用菌生命活動所需能量的主要來源；氮源是合成食用菌細胞蛋白質和核酸的關鍵原料。食用菌生長發育過程中不僅需要足夠的碳源與氮源，而且還要求碳、氮之間有一恰當的比例，即適宜的碳氮比。

2.1 有機質

有機質降解情況是培養料發酵效果好壞的重要指標之一，微生物為了自身生長需求將培養料中的有機質選擇性地進行分解，使得有機質含量隨著堆肥過程的持續推進而逐漸降低[21]。培養料發酵過程中，有機質含量一般呈現下降趨勢，直至最后趨于平穩狀態，其主要原因是有機質為微生物生長代謝的能量來源，微生物會對其進行持續的分解利用，升溫階段有機質降解速度最快，進入高溫階段后，可能是料堆溫度升高使微生物的活性降低，且發酵后期殘留的大部分營養物質為難降解的有機物，導致微生物降解有機質的速度減慢[8,22-24]。

2.2 總氮

氮是細胞中氨基酸、蛋白質和核酸的關鍵成分，主要分為硝態氮與銨態氮，其中銨鹽比硝酸鹽更容易被食用菌吸收利用，對雙孢蘑菇菌絲生長和產量形成至關重要[24]。吳一凡等[25]發現添加適量的氮素能夠促進竹屑培養料發酵腐熟，顯著提升大球蓋菇的蛋白質和多糖含量。吳娟[26]認為豬糞發酵過程中氮素的主要損失形態為NH3，占到總氮損失的75%～82%，其次是N2O 和N2。應正河等[27]研究認為雙孢蘑菇培養料發酵過程中氮含量上升的現象是由于微生物生長代謝分解有機物以及微生物繁殖增長導致的。李月明[14]研究發現巴西菇培養料發酵過程中氮含量呈上升趨勢，主要是由于發酵過程中微生物生長代謝旺盛，使培養料固形物的損失速率大于氮素的揮發速率，因此培養料中全氮含量相對升高。

2.3 碳氮比

食用菌菌絲生長階段對氮素的需求較高，碳氮比宜為15～20∶1，含氮量低菌絲生長緩慢；子實體發育階段培養料碳氮比宜30～40∶1，含氮量過高會抑制子實體的形成及生長。碳氮比（C/N）是控制培養料發酵的一個重要參數，直接影響發酵料的質量。易榮菲[28]發現牛糞發酵過程中C/N 呈下降趨勢，由于全氮變化在發酵過程中較穩定，因此C/N 的變化規律與碳的變化規律一致。蔣寧等[29]發現用于草菇栽培的菌渣培養料發酵過程碳氮比逐漸下降，說明培養料發酵過程中微生物的大量繁殖有效促進了有機物的降解。劉順杰等[18]研究指出在草菇培養料發酵期間，其C/N 在一次發酵時顯著下降，之后趨于穩定，表明一次發酵時期微生物的繁殖代謝極大促進了有機物的降解。

3 培養料發酵過程中的物質變化

食用菌生產離不開秸稈資源，而植物秸稈的主要組成成分為木質纖維素（Lignocellulose）。木質纖維素主要由纖維素（Cellulose）、半纖維素（Hemicellulose）和木質素（Lignin）組成，是發酵中不易降解的有機質[30]。楊容容[31]指出新鮮木屑中的木質細胞不會完全死亡，木質纖維素等大分子物質沒有得到降解直接使用時不易被食用菌菌絲分解和吸收。而發酵的目的就是破壞阻礙降解的秸稈表層結構，把半纖維素、纖維素和木質素等物質轉變成食用菌能夠利用的營養成分。

3.1 纖維素

纖維素是一種十分常見的多糖，也是植物細胞壁的主要組成成分之一，其基本組成單位為纖維二糖。研究發現，雙孢蘑菇培養料發酵過程中纖維素被大量利用，含量顯著下降[32]。Ma 等[33]認為發酵過程中纖維素的損耗速率低于半纖維素與木質素，這可能與半纖維素、木質素包裹在纖維素周圍，二者優先被降解有關。劉順杰等[18]發現草菇培養料發酵過程中纖維素含量不斷下降，在二次發酵期間顯著降低，表明微生物對纖維素的利用主要集中于發酵后期。

3.2 半纖維素

半纖維素的分子量比纖維素小，通常是木質纖維素中最容易被降解的基質，其水解產物主要有木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖和少量乙酸等[34]。馬超凡[35]研究發現在培養料發酵升溫階段，半纖維素的降解率最高，這可能與該階段微生物代謝活動強有關，進入降溫階段后，半纖維素降解率逐漸平穩。高曉靜等[36]研究表明雙孢蘑菇培養料二次發酵過程中半纖維素利用率在40%～60%，同時在菌絲生長和出菇期間半纖維素也被持續利用。吳娟[26]報道豬糞堆肥發酵期間半纖維素含量不斷減少，分解速率相對較快，這是因為能夠降解纖維素的微生物，大部分也能分解半纖維素，通常在纖維素被分解前半纖維素已被消耗。

3.3 木質素

木質素結構復雜且很難被水解，但微生物能在一定程度上使木質素結構發生變化，成為可溶于水的產物。郁紅艷[37]發現隨著發酵的進行木質素不斷被利用，高溫期是木質素被降解的快速時期，而降溫期木質素的降解速率逐漸減緩；進入二次發酵后期，木質素降解速率再次加快。但也有研究表明，雙孢蘑菇培養料發酵期間主要利用的是纖維素與半纖維素，而在菌絲生長和原基形成階段則以木質素消耗速率最高[38]。吳娟[26]指出堆肥發酵過程中木質素的降解速率低于纖維素和半纖維素，可能與木質素較難被微生物利用有關。

4 培養料發酵過程中酶活性變化

食用菌培養料發酵的本質是微生物不斷分泌酶將有機物轉化成穩定的腐殖質的過程，因此整個發酵過程需要多種酶的參與。李曉博等[38]在研究培養料不同發酵階段和接種雙孢蘑菇后不同生長階段的酶活性變化中發現，發酵過程木質纖維素的降解受酶活性的影響，需要經相應的酶分解成葡萄糖、果糖等小分子化合物后才可以直接被雙孢蘑菇吸收利用。Kong 等[10]研究表明木聚糖酶對半纖維素的降解至關重要。

4.1 纖維素酶

纖維素能在纖維素酶的作用下將低分子葡聚糖分解為葡萄糖，被微生物直接吸收利用供其生長繁殖。研究表明，雙孢蘑菇培養料發酵過程中纖維素酶活性較穩定，但可能受到溫度下降的影響，纖維素酶活性在二次發酵時期有顯著下降，一潮菇時復又迅速達到峰值[30]；草菇培養料發酵過程中纖維素酶活性不斷升高，在原基形成期達到最大值，而后開始下降，表明培養料中纖維素酶的表達主要集中于原基形成期前[39]。

4.2 木聚糖酶

半纖維素的降解是一個復雜過程，需要多種半纖維素酶的協同作用，其中木聚糖酶是主要的半纖維素降解酶。姚琴[40]研究顯示，在雙孢蘑菇培養料發酵過程中木聚糖酶活性呈上升趨勢，說明在整個發酵過程中木聚糖酶均保持較高的活力。劉順杰等[18]研究發現草菇培養料在發酵過程中木聚糖酶活性同樣呈升高趨勢，可能是微生物在發酵中耗盡大部分有機質之后，只能通過分泌大量的酶來分解木質纖維素，從而維持其代謝需求。李曉博等[38]研究則顯示，雙孢蘑菇培養料發酵過程中木聚糖酶活性呈先上升后下降趨勢，在第2 次翻堆時酶活性達到最高，后期酶活性下降的原因可能是溫度過高導致微生物活性降低，從而使酶合成減少[36]。

4.3 漆酶

漆酶是一種酚氧化酶，可以催化和氧化許多芳香族化合物，它是木質素降解酶系統的一員，可以通過不同類型銅離子催化氧化酚類及其衍生物，生成酚醛類化合物，在木質素降解和腐殖質形成中發揮關鍵作用。有研究發現，雙孢蘑菇培養料發酵過程中幾乎不表現漆酶的活性，在菌絲長滿至一潮菇時漆酶活性顯著提高[30]；草菇培養料發酵過程中漆酶活性也幾乎為零，可能是高溫導致漆酶活性喪失，其活性在原基形成期開始升高[39]。

5 培養料發酵過程中微生物群落結構變化

培養料發酵過程中微生物演替規律通常為細菌—放線菌—真菌，微生物各菌群以一定的規律共存，同時又具有各自明顯的營養及代謝類型。一些細菌和真菌可以提高發酵料的生產力并抑制病原菌的傳播，也可促進食用菌菌絲的生長，誘導子實體的形成[41]。

5.1 細菌

在培養料發酵過程中，細菌的豐度遠高于真菌，是降解有機物和提升料堆溫度的主要微生物群落。與真菌相比，細菌具有適應惡劣環境的優勢[42]。姚琴[40]發現雙孢蘑菇培養料發酵過程中放線菌數量不斷上升，與漆酶、木聚糖酶、錳過氧化物酶和木質素過氧化物酶等酶活性呈正相關，在培養料發酵腐熟中發揮著重要作用。曹娜等[43]研究表明，發酵時間加長可以增加放線菌的豐度，并且放線菌可以通過分泌β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶等水解酶來降解木質纖維素等較難降解的有機物。

5.2 真菌

真菌在培養料發酵過程中能分泌多種胞外酶分解有機質，同時由于其菌絲具有機械穿透能力，可以對發酵料產生一定的物理破壞作用，從而促進有機質的降解[44]。Zhao 等[45]研究發現真菌是發酵料內殘留物分解的關鍵參與者，分泌的多種胞外酶能夠有效降解木質纖維素等。真菌群落組成在發酵初始階段和發酵完成后極為相似，發酵過程中以子囊菌（Ascomycota）為主。Liang 等[46]研究發現培養料發酵過程中真菌群落結構較為穩定，子囊菌門是唯一的優勢門，尤其在高溫階段占比最大，表明子囊菌在木質纖維素降解過程中占據主導地位。

6 結 語

培養料發酵質量決定食用菌栽培成敗，關乎食用菌的產量、品質及栽培效益。培養料中營養物質能否被食用菌高效吸收利用，主要取決于培養料發酵情況。本文通過綜述培養料發酵過程中理化性質、微生物群落結構、各類物質、關鍵酶活性的變化情況的研究進展，為食用菌生產實現高產、優質提供依據和支撐。