刺梨果渣资源化利用试验研究

潘雄邓廷飞葛丽娟黄明李良群严艳芳李立郎杨小生

(1.贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室，贵州 贵阳 550014；2.贵州大学明德学院,贵州 贵阳 550025)

刺梨为蔷薇科多年生落叶灌木缫丝花的果实，又称送春归、刺莓果、茨梨、木梨子，是一种稀有的果实，是滋补健身的营养珍果[1]。刺梨果实含有丰富的维生素C，被称为“维C之王”、“炎黄圣果”等，具有药用和食用双重属性，是一种集保健功能和治疗功能于一身的营养珍果。在我国贵州、陕西、甘肃、江西、福建、广西、湖北、四川、云南等地均有分布[2]，在种植规模上，2019年仅贵州省刺梨种植面积约达12万hm2，鲜果产量达10万t。目前，对刺梨的提取利用主要是通过物理榨汁，刺梨果渣是刺梨经物理榨汁后产生的废弃物，现传统的处理手段主要通过填埋，这不仅浪费土地资源，同时对生态环境产生不良影响，堆放刺梨的周边环境会产生恶臭味，影响空气质量，经研究发现，刺梨果渣长期不合理堆放可以发生氨化作用[3]，释放氨离子。

刺梨果渣资源化利用是指将废弃的刺梨渣直接作为原料进行利用，或者对废弃的刺梨渣进行再生利用。然而，很多研究对刺梨果渣的利用模式比较单一，利用效率比较低，有的将刺梨果渣用于栽培食用菌，但忽略了对栽培食用菌后产生的刺梨菌糠的利用问题，有的直接将刺梨果渣用于动物饲料，而直接用于动物饲料的适口性及营养价值有待考证。因此，在大力发展刺梨相关产品的情况下，如何充分有效地利用这些废弃物，实现资源高值化利用已成为刺梨果渣综合利用的一个紧迫问题。

本文将刺梨果渣用于栽培食用菌，并以栽培后产生的菌糠为研究对象，探讨刺梨果渣菌糠用于反刍动物饲料及复合高吸水材料的制备方法，以期为刺梨果渣或其它植物源性废弃物的综合利用提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试菌株

平菇菌种，通过贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室分离纯化。

1.1.2 培养基材料

刺梨果渣，由贵州贵定敏子食品有限公司提供；玉米芯、玉米面、普钙及生石灰，购买于当地市场。

1.1.3 主要仪器及试剂

iCAN9傅立叶变换红外光谱仪；钨灯丝扫描电子显微镜(型号:EVO MA 15/LS 15)；101型鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，上海秋佐科学仪器有限公司；XM-2500Y高速粉碎机，永康市鑫之鸿电器有限公司；电子天平，上海菁海仪器有限公司。

丙烯酸(AA)，化学纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，分析级，阿拉丁试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)，分析纯，成都金山化学试剂有限公司；过硫酸铵(APS)，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；无水亚硫酸钠(SBS)，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；乙醇，分析级，天津市富宇精细化工有限公司；溶液用过滤水制备。

1.1.4 刺梨果渣高值化利用流程

采用刺梨渣废弃物复配其它物料，得到食用菌栽培基质，以食用菌为附加值产品产出后，再以产生的刺梨菌糠为研究对象，分别采用菌糠制备复合高吸水树脂及反刍动物饲料，复合高吸水材料可用于农业、林业、中药材种植等，反刍动物饲料喂养反刍动物后产生的粪便也可作为肥料添加剂用于农业、林业、中药材种植，实现刺梨果渣的零废弃。具体循环工艺流程如图1所示。

图1 刺梨果渣零废弃利用流程示意图

1.2 方法

1.2.1 刺梨果渣栽培平菇及平菇营养品质评价

1.2.1.1 刺梨果渣栽培平菇

根据表1将栽培基质中各组分按照设计的配比准确称量添加，其中T1为对照组，拌料湿度为紧握指间有水渗出，欲滴不下，用石灰调节pH值到7.5～8，搅拌均匀后盖上塑料薄膜静置1d。静置完后将培养料装入14cm×28cm，厚0.04cm聚丙烯折角塑料袋，每袋干料为0.3kg，每组做10个平行。将装好的菌袋及时放于灭菌锅内灭菌，压力为0.1～0.15MPa、温度为120℃，灭菌时间为2h。灭菌结束后自然冷却，然后迅速将菌袋转入接种室，将已准备好的栽培种接入菌袋中，接种量以栽培种铺满菌袋端口培养料为度。接种完的菌袋迅速移入空气新鲜的暗培养室。保持培养室温度在25℃左右、空气相对湿度在70%以下[4]。待菌丝体长满菌袋后给予光照，解开袋口，温度保持20℃左右，相对湿度80%～90%，通风，增大昼夜温差。子实体成熟时，及时采收，并统计出菇的产量，分析生物学转化率，生物学转化率为子实体鲜重与培养料的物质之间的质量比例[5]。

1.2.1.2 平菇营养品质评价

比较传统栽培基质组(T1)与刺梨基质栽培中生物学转化率最高组的平菇营养成分，包括水分、粗蛋白、膳食纤维、灰分、脂肪和无氮浸出物。

1.2.1.3 安全性评价

对平菇重金属含量进行分析(As、Cd、Cr、Hg、Ni及Pb)，测定方法参照P Martínez-Nieto等的研究方法[6]。重金属分析是基于平均每个成年人体重为60kg，每天食用200g鲜菇的假设，以每周内每千克人体吸入多少重金属进行评估，然后与食品药品添加剂联合专家委员会(JECFA)、联合国农业组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)制定的每周耐受摄入量(PTWI)，即每周内每千克人体吸入多少重金属进行对比评估[7-11]。

1.2.2 刺梨果渣菌糠作为反刍动物饲料的营养品质分析

以相对饲料值(Relative Forage Value，RFV)评价刺梨果渣菌糠作为反刍动物饲料的营养品质，RFV通过干物质摄入量(DMI)和干物质消化率(DMD)进行计算，其中，DMI与DMD分别通过中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)计算，计算公式[12]：

RFV=(DMD×DMI)/1.29

DMI=120/NDF

DMD=88.9-(0.779×ADF)

1.2.3 复合高吸水树脂的合成及参数表征

1.2.3.1 复合高吸水树脂的合成

将盛有不同质量AA的烧杯放在冰水浴中，缓慢加入质量分数为20%的NaOH溶液至不同的中和度，边滴加边搅拌，配制成中和度为40%、50%、60%、70%、80%的AA溶剂，倒入已标记好的试剂瓶中，备用。

将栽培食用菌后的刺梨菌糠在烘箱中60℃下干燥，粉碎，过100目筛。称取一定量的菌糠，加水润湿。在油浴锅升温至55℃，准确加入一系列不同质量的AA、不同中和度AA、交联剂(MBA)、引发剂(APS)和助引发剂(SBS)，待反应成凝胶后，在55℃下持续2h后取出；将生成物乙醇浸泡，丙酮索氏提取24h，取出后干燥，粉碎，即得菌糠复合高吸水性树脂(SAP)。

1.2.3.2 产物接枝聚合参数的测定

对最佳条件制备所得吸水树脂进行接枝率和接枝效率的测定[13]。

接枝率GY(%)计算公式：

(1)

式中，m0为菌糠干基的质量；m1为溶剂浸提后接枝产物的质量。

接枝效率GE(%)计算公式：

(2)

式中，m0为菌糠干基的质量；m1为溶剂浸提后接枝产物的质量；m2为浸提前接枝产物的质量。

1.2.3.3 吸水性能测试

在室温下，准确称取一定质量的复合高吸水树脂，记为m1，分别浸入到过滤水和0.9%的NaCl溶液中，使其分别吸水饱和，达到溶胀平衡后用200目筛过滤分离，悬挂静置，直至30s内无液滴滴出为准[14]。称量溶胀后的复合吸水树脂质量，记为m2，通过公式计算复合高吸水树脂的吸水倍率Qeq：

Qeq=(m2-m1)/m1

(3)

式中，Qeq为吸水率；m1为复合高吸水树脂的质量；m2为溶胀平衡时吸水凝胶的质量。

1.2.3.4 红外光谱分析

称取2mg左右的复合高吸水树脂样品与200mg的KBr制备，通过研磨使样品压片。使用傅立叶变换红外光谱仪测定所得样品的红外光谱。

1.2.3.5 EDS分析扫描分析

将样品粉碎后，取粉末样品粘在黏有导电胶的铝台上，喷金后使用扫描电镜对其表面形貌进行观察，并用其所带能谱EDS进行元素分析。

2 结果

2.1 刺梨果渣栽培平菇及平菇营养品质评价

由表2可知，T1、T4及T5组原基最早形成，且第1茬菇、第2茬菇比T2、T3组早，在第3茬菇时，T4组最早出菇。此外，T4组生物学转化率最高，而T2组(刺梨果渣占92%)无论在出菇时间还是生物学转化率方面都表现最差。综上所述，T4(刺梨果渣占72%)组为最佳配方。

对照组(T1)与最佳配方组(T4)的平菇营养成分含量如表2所示，T1、T4的水分分别为65.6%、68.4%，粗蛋白分别为22.1%、32.5%，脂肪分别为0.3%、0.5%，粗纤维分别为29.8%、40.3%，无氮浸出物分别为48.1%、30.3%，灰分分别为7.2%、4.5%。

表2 不同培养基中平菇的生长及生物学转化率

对照组(T1)与最佳配方组(T4)的平菇重金属含量如表3所示，食品药品添加剂联合专家委员会(JECFA)、联合国农业组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)对砷、镉、铬、汞、镍和铅制定的每周耐受摄入量(PTWI)分别为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，采用刺梨果渣作为培养基质时，平菇的重金属含量均低于此标准[6]。

表3 常规培养基及生物学转化率高的刺梨培养基中平菇的营养成分及重金属含量

由表4可知，经平菇栽培后，NDF值与ADF值降低，RFV值升高。

表4 接种前与出菇后T4组培养基质的NDF、ADF及RFV变化

2.2 反应条件对吸水树脂吸水性的影响

各反应条件对刺梨菌糠复合吸水材料的影响如图2所示，当AA中和度为60%，交联剂用量为菌糠的1.4%，菌糠用量与AA之比为1∶4时，引发剂用量为菌糠用量的7%时，刺梨菌糠复合吸水材料有最大吸水倍率，在蒸馏水和0.9%的NaCl溶液中的吸水率分别为285.1g·g-1、41.7g·g-1。

图2 AA中和度、交联剂用量、AA与菌糠质量比、引发剂用量对吸水率的影响

2.3 刺梨菌糠的接枝率及接枝效率

刺梨菌糠制备高吸水材料(CC-SAP)与直接采用刺梨果渣制备高吸水材料(C-SAP)的接枝率与接枝效率结果如表5所示。结果发现，直接采用刺梨果渣无法完成接枝聚合反应，而采用刺梨菌糠反应的接枝率与接枝效率分别为65.5%、30.8%，这是因为刺梨果渣经平菇降解后，顽固的木质纤维结构遭到破坏，结构变得疏松，提高了反应的可及度。

表5 复合吸水材料的接枝率与接枝效率

2.4 红外光谱分析

刺梨菌糠(CC)与刺梨菌糠复合高吸水材料(CC-SAP)的傅立叶变换红外光谱(FT-IR)如图3所示。CC与CC-SAP都为3397cm-1的吸收峰，为O-H的伸缩振动峰，2942cm-1处的吸收峰为-CH2-的对称伸缩振动，1418cm-1和1075cm-1为-C-O-C-的伸缩振动，这些是刺梨菌糠中纤维素的特征吸收峰。此外，在1322cm-1处吸收峰为纤维素C-H的变形振动，1647cm-1是C=C伸缩振动吸收峰，这些在刺梨菌糠中显现明显，但反应后与刺梨菌糠复合高吸水材料相比消失。此外，高吸水材料在1636cm-1、1560cm-1处出现新的强吸收峰，为-COO-的非对称伸缩振动。因此，傅立叶变换红外光谱显示在刺立菌糠的存在下AA单体进行了共聚反应，从而形成了菌糠基复合高吸水材料。

2.5 EDS分析

通过能谱对CC与CC-SAP中的元素衍射强度及相对重量百分比含量进行分析，如表6所示。在CC中含有丰富的C、O元素，占总量的99.41%，而其它微量元素Mg、S、K、Ca占总量只有0.59%，这说明刺梨菌糠中主要成分是以纤维、多糖等碳水化合物。CC-SAP较高的Na含量，为9.29%，这是因为丙烯酸钠中存在钠元素，CC-SAP中CC所含的一些元素如Mg、K元素没有被检测出来，可能是由于在材料制备的过程中这些元素流失或者含量太低而没有被检测出来。能谱的元素衍射峰图及面分析图进一步直观地说明以上结论，具体如图4所示。这些能谱检测分析可以认为高吸水材料被合成。

表6 CC与CC-SAP的元素强度和重量百分比

图4 CC与CC-SAP的EDS曲线和映射分析

3 讨论

3.1 刺梨果渣栽培平菇及平菇营养品质评价

在栽培配方中，过高的刺梨果渣占比导致生物学转化率低，原因可能是刺梨果渣吸水比玉米芯多，当刺梨果渣占比过多时，菌包透气性差，氧气不足导致。生物学转化率最高的T4组粗纤维与粗蛋白含量高于对照组，较高的粗纤维含量有助于预防某些慢性疾病，如心脏病、某些癌症、肥胖和糖尿病[6]。本试验结果与其它研究报道存在差异，这可能与菌种、底物组成、温度等有关[15,16]。

在栽培的不同阶段，出菇后NDF与ADF含量均低于接种前，原因可能是平菇分泌相关的木质纤维降解酶，导致刺梨果渣中纤维素、半纤维素、木质素被降解。从结果还发现，出菇后基质的RFV值由51.9升高至94.4，根据美国牧草原委员会对粗饲料质量标准的规定[17]，认为RFV值高于151的为高品质，为第1级，125～151为第2级，103～124为第3级，87～102为第4级，75～86为第5级，<75的为第6级。这为栽培平菇后的菌糠包运用于反刍动物饲料提供了可能。

3.2 反应条件对吸水树脂吸水性的影响

丙烯酸(AA)的中和度<60%时，由于-COOH的电离程度小于-COONa，随着AA中和度的提高AA被NaOH使强亲水性集团-COONa浓度增大，导致高吸水材料内部与外界水溶液的渗透压增加，有利于水分子进入吸水材料中，从而提高其吸水倍率；但当AA中和度超过60%后，更多的Na+在聚合物的网络中导致其电荷密度过高，溶胀能力下降。另一个原因是高聚物分子间主要发生氢键交联反应，从而形成致密的网络结构，网络上的离子浓度过大，使水溶性成分增加，膨胀能力减小，导致高吸水材料吸水倍率降低[19]。

交联剂是影响高吸水材料吸水性的重要因素之一，其用量对高吸水材料吸水性呈现先增加后降低的趋势。这是因为增加交联剂用量能够增加聚合物的交联密度，使聚合物内部网格结构趋于完整，弹性的收缩能力增加，有利于吸水材料吸收好保持水分，而当交联剂用量较少时，聚合物的交联度低，聚合物的网络结构松散，不足以锁住水分。当交联剂用量过多时，吸水材料的吸水能力降低显著，这是因为交联剂用量过高时，使吸水材料内部交联过于紧密，阻碍水分子进入网格内部，进而导致其吸水率降低[20]。

当菌糠用量与AA之比为1∶4时，刺梨菌糠复合吸水材料有最大吸水倍率。原因可能是菌糠的用量较低时，生成了大量的可溶均聚物，所以吸水量较低。另外，在菌糠中含有氨基、羧基、羟基等多种非离子型亲水集团，当在聚合体系的丙烯酸钠阴离子型单体中引入适量的菌糠时，会使非离子型集团的含量增加，使吸水材料的内部离子强度降低，由于各个亲水集团的协同作用，改变了吸水材料的吸水性能，因此吸水材料的吸水性随着菌糠用量的增加而升高。但当菌糠的用量进一步增加时，由于菌糠的亲水性要比丙烯酸钠低得多，使吸水材料中的大量亲水集团-COOH，-COONa的比例下降，进而导致吸水材料的吸水倍率下降[18]。

吸水率随着引发剂的增加呈现先升高后降低的趋势，这是因为当引发剂量太低时，由于菌糠中一些酚羟基能够抑制自由基的形成[18]，导致接枝聚合反应不完全，当引发剂量过多时，自由基产生过多，导致聚合反应过快终止，聚合产物分子量小，吸水率降低[21]。

综上所述，以刺梨果渣为基质进行食用菌栽培，既可有效降解刺梨果渣中的木质纤维素，又可产出营养价值高且符合食品要求标准的食用菌，还使得废弃物菌糠可用于制备复合高吸水树材料及反刍动物饲料，从而实现了刺梨果渣的高值化利用。这为植物源废弃物的资源化利用提供了新的思路。