食用菌菌渣的处理方法及其应用与流程

1.本发明涉及菌渣处理技术领域，具体是一种食用菌菌渣的处理方法及其应用。


背景技术：

2.食用菌菌渣是食用菌栽培过程中收获子实体后剩下的废弃栽培基质，主要由菌丝体和降解后的木质纤维素组成，其中含有大量的粗纤维、多糖等成分，还含有丰富的菌丝体蛋白、氨基酸、碳水化合物和微量元素等，具有很高的研究利用价值。目前，我国对食用菌菌渣菌渣的利用率很低，除部分通过二次栽培、堆肥和动物饲料等方式被利用以外，大部分都被随意丢弃或焚烧，使得资源无法得到有效利用，并且对周围环境的污染也不可忽视。因此，对食用菌菌渣的合理开发利用，不仅可以开辟资源“变废为宝”，而且具有显著的生态学效益。
3.由于菌渣主要是锯末、棉籽壳和稻草等，因此可视为一种木质纤维素混合物。不同的是在食用菌生产中，这些木质纤维素也会被白腐真菌生物降解。因此，食用菌菌渣非常适合微生物的降解和吸收，是沼气发酵的理想原料。利用食用菌菌渣生产沼气，不仅能够缓解目前对化石燃料的依赖，同时能够减少温室气体排放，具有显著的环境效应。但是，直接利用食用菌菌渣作为发酵原料仍然存在沼气的产气率低和大量厌氧发酵残渣难以处理等问题，这些问题成为了制约该技术发展的瓶颈。
4.因此，目前亟需一种食用菌菌渣的处理方法，以达到提高沼气的产气率和降低厌氧发酵残渣的处理难度的效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种食用菌菌渣的处理方法及其应用，至少达到了降低厌氧发酵残渣的处理难度并且回收得到高品质木质素的效果。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一方面，提供一种食用菌菌渣的处理方法。所述处理方法包括以下步骤：
8.s1.对所述食用菌菌渣进行厌氧消化，分别收集所述厌氧消化的过程中产生的沼气和消化残渣；
9.s2.将所述消化残渣依次进行离心、干燥和水洗，直至除去其吸附的糖和蛋白质，得到水洗残渣；
10.s3.对所述水洗残渣进行回流萃取，得到混合物；其中，所述回流萃取采用的萃取剂包括乙醇、异丙醇、甲酸、乙酸、γ
‑
戊内酯和水中的至少一种；
11.s4.对所述混合物依次进行离心和固液分离，得到提取液和萃余渣；
12.s5.对所述提取液依次进行浓缩、沉淀、离心和固液分离，得到固体木质素。
13.在上述实施例中，利用所述厌氧消化和所述回流萃取的复合工艺，首先对所述食用菌菌渣进行所述厌氧消化以生产沼气以及富集木质素，在此基础上，再对所述消化残渣经过水洗得到的所述水洗残渣进行所述回流萃取以纯化木质素以及去除蛋白质和灰分等
杂质，达到了降低厌氧发酵残渣的处理难度并且回收得到高品质木质素的效果。
14.在一些实施例中，s3中，所述回流萃取采用的萃取剂为所述乙醇、所述异丙醇、所述甲酸、所述乙酸和所述γ
‑
戊内酯中的至少一种与所述水的混合物。
15.在一些实施例中，s3中，所述回流萃取采用的萃取剂为所述乙醇和所述异丙醇中的至少一种、所述甲酸和所述乙酸中的至少一种以及所述水的混合物。
16.在一些实施例中，s3中，所述回流萃取采用的萃取剂为所述甲酸和所述乙酸中的至少一种与所述水的混合物。
17.在上述一些实施例中，利用多相(包括水相和有机相)的所述萃取剂进行回流萃取，通过所述萃取剂中的有机相与所述水洗残渣中的木质素相互作用，通过所述萃取剂中的水相进一步加快有机相与木质素的相互作用，达到了获得更高得率和更高纯度的木质素的效果。
18.需要说明的是，水相与有机相的比例对提取效果的影响不是很大，这是因为木质素为亲油性聚合物，其与水不能互溶。
19.在一些实施例中，s3中，所述回流萃取采用的萃取剂为所述γ
‑
戊内酯与所述水的混合物。示例性的，所述γ
‑
戊内酯与所述水的体积比为2:1。
20.在上述一些实施例中，通过将所述γ
‑
戊内酯和所述水的混合物作为萃取剂，能够进一步提高木质素的萃取得率。这是因为所述γ
‑
戊内酯中的酯基为大极性官能团，可以与木质素有强的相互作用力；更重要的是，所述γ
‑
戊内酯中的酯基可以与木质素发生反应，导致木质素降解，物理性质发生改变，溶解度也随之改变，从而使提取效果明显提高。
21.在一些实施例中，s3中，在所述回流萃取前，还包括对所述水洗残渣依次进行干燥、研磨和筛分，得到待萃取物的步骤。
22.在一些实施例中，s3中，所述回流萃取的温度为90～110℃，所述回流萃取的时间为24h。
23.在一些实施例中，s3中，所述待萃取物与所述萃取剂的重量体积比为1:20(g:ml)。
24.在一些实施例中，s3中，所述干燥的温度为80℃，所述干燥的时间为48h。
25.在一些实施例中，s3中，所述筛分是过80目筛。
26.在一些实施例中，s1中，所述厌氧消化，是将所述食用菌菌渣、禽畜粪便与接种物充分混合以得到混合料，并在厌氧条件下对所述混合料进行发酵，直至不再产气。
27.在一些实施例中，所述禽畜粪便包括鸡粪、牛粪和猪粪中的至少一种。
28.在上述一些实施例中，通过使所述食用菌菌渣与所述禽畜粪便进行混合发酵，使其产生了协同增效的作用，达到了显著提高甲烷累积产量的效果。
29.在一些实施例中，所述接种物为厌氧发酵消化污泥；和/或，所述食用菌菌渣中的挥发性固体与所述禽畜粪便中的挥发性固体的质量比为(1～2):(1～2)；和/或，所述接种物中的挥发性固体的质量占所述食用菌菌渣中的挥发性固体与所述禽畜粪便中的挥发性固体的总质量的30％；和/或，所述混合料的含固率为10wt％～15wt％；和/或，所述发酵为中温发酵或高温发酵；其中，所述中温发酵的发酵温度为30～40℃，所述高温发酵的发酵温度为50～60℃；和/或，所述发酵的ph为6.8～7.2。
30.在上述一些实施例中，通过限定所述混合料的含固率，能够控制所述厌氧消化中的挥发性脂肪酸(vfa)的积累，在此基础上，通过限定所述食用菌菌渣中的挥发性固体与所
等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。
50.以下，术语“a、b和c中的至少一个”与“a、b或c中的至少一个”具有相同含义，均包括以下a、b和c的组合：仅a，仅b，仅c，a和b的组合，a和c的组合，b和c的组合，及a、b和c的组合。
51.术语“a和/或b”，包括以下三种组合：仅a，仅b，及a和b的组合。
52.实施例1
53.一种对食用菌菌渣进行厌氧消化的方法，包括以下步骤：
54.将14.0g食用菌菌渣、50.6g新鲜鸡粪与46.3g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合后，得到含固率(ts)为10wt％的混合料，将混合料添加到发酵瓶中，加入适量水将发酵体积调节至350ml，用1m hcl或1m naoh将ph值调节至7.0，充入氮气3min以排除发酵瓶内的空气，最后密封发酵瓶，在35℃下进行厌氧发酵，直至不再产气，分别收集厌氧发酵的过程中产生的沼气和消化残渣。
55.其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜鸡粪(cm)＝1:2；
56.以所含挥发性固体(vs)的质量计，接种物占食用菌菌渣与新鲜鸡粪总和的30％；
57.食用菌菌渣取自什邡市昊阳农业发展有限公司黄背木耳种植基地的黄背木耳菌渣，将其取回后自然风干，并用粉碎机粉碎后备用；黄背木耳生产的原料基质主要含有木屑、玉米芯及玉米粉和石灰等；
58.新鲜鸡粪取自双流县附近的农场，在
‑
20℃冰箱中冷藏保存备用；
59.接种物是取自农业部沼气科学研究所双流基地的秸秆厌氧发酵消化污泥，将其取回后置于4℃密闭桶保存，使用前先在35℃条件下培养7天左右，直至不再产气，再接种到发酵瓶中。
60.实施例2
61.本实施例与实施例1的不同之处在于：将19.0g食用菌菌渣、34.5g新鲜鸡粪与42.1g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合；其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜鸡粪(cm)＝1:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例1相同。
62.实施例3
63.本实施例与实施例1的不同之处在于：将23.2g食用菌菌渣、21.1g新鲜鸡粪与38.6g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合；其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜鸡粪(cm)＝2:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例1相同。
64.实施例4
65.一种对食用菌菌渣进行厌氧消化的方法，包括以下步骤：
66.将11.9g食用菌菌渣、66.4g新鲜猪粪与39.6g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合后，得到含固率(ts)为10wt％的混合料，将混合料添加到发酵瓶中，加入适量水将发酵体积调节至350ml，用1m hcl或1m naoh将ph值调节至7.0，充入氮气3min以排除发酵瓶内的空气，最后密封发酵瓶，在35℃下进行厌氧发酵，直至不再产气，分别收集厌氧发酵的过程中产生的沼气和消化残渣。
67.其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜猪粪(pm)＝1:2；
68.以所含挥发性固体(vs)的质量计，接种物占食用菌菌渣与新鲜猪粪总和的30％；
69.食用菌菌渣取自什邡市昊阳农业发展有限公司黄背木耳种植基地的黄背木耳菌渣，将其取回后自然风干，并用粉碎机粉碎后备用；黄背木耳生产的原料基质主要含有木屑、玉米芯及玉米粉和石灰等；
70.新鲜猪粪取自双流县附近的农场，在
‑
20℃冰箱中冷藏保存备用；
71.接种物是取自农业部沼气科学研究所双流基地的秸秆厌氧发酵消化污泥，将其取回后置于4℃密闭桶保存，使用前先在35℃条件下培养7天左右，直至不再产气，再接种到发酵瓶中。
72.实施例5
73.本实施例与实施例4的不同之处在于：将17.0g食用菌菌渣、47.5g新鲜猪粪与37.8g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合；其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜猪粪(pm)＝1:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例4相同。
74.实施例6
75.本实施例与实施例4的不同之处在于：将21.8g食用菌菌渣、30.2g新鲜猪粪与35.9g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合；其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜猪粪(pm)＝2:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例4相同。
76.实施例7
77.一种对食用菌菌渣进行厌氧消化的方法，包括以下步骤：
78.将12.3g食用菌菌渣、51.7g新鲜牛粪与41.0g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合后，得到含固率(ts)为10wt％的混合料，将混合料添加到发酵瓶中，加入适量水将发酵体积调节至350ml，用1m hcl或1m naoh将ph值调节至7.0，充入氮气3min以排除发酵瓶内的空气，最后密封发酵瓶，在35℃下进行厌氧发酵，直至不再产气，分别收集厌氧发酵的过程中产生的沼气和消化残渣。
79.其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜牛粪(dm)＝1:2；
80.以所含挥发性固体(vs)的质量计，接种物占食用菌菌渣与新鲜牛粪总和的30％；
81.食用菌菌渣取自什邡市昊阳农业发展有限公司黄背木耳种植基地的黄背木耳菌渣，将其取回后自然风干，并用粉碎机粉碎后备用；黄背木耳生产的原料基质主要含有木屑、玉米芯及玉米粉和石灰等；
82.新鲜牛粪取自双流县附近的农场，在
‑
20℃冰箱中冷藏保存备用；
83.接种物是取自农业部沼气科学研究所双流基地的秸秆厌氧发酵消化污泥，将其取回后置于4℃密闭桶保存，使用前先在35℃条件下培养7天左右，直至不再产气，再接种到发酵瓶中。
84.实施例8
85.本实施例与实施例7的不同之处在于：将17.4g食用菌菌渣、36.6g新鲜牛粪与38.7g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合；其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌渣(sms):新鲜牛粪(dm)＝1:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例7相同。
86.实施例9
87.本实施例与实施例7的不同之处在于：将22.0g食用菌菌渣、23.2g新鲜牛粪与36.8g秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合；其中，以所含挥发性固体(vs)的质量计，食用菌菌
渣(sms):新鲜鸡粪(dm)＝2:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例7相同。
88.实施例10
89.一种对消化残渣进行处理的方法，包括以下步骤：
90.1)将实施例4得到的消化残渣在4000rpm的转速下离心10min，将离心得到的固体烘干后进行3次水洗，以除去其吸附的糖和蛋白质，得到水洗残渣；其中，每次水洗依次包括洗涤、在4000rpm的转速下离心30min、以及固液分离的步骤；
91.2)将10g
±
0.01g水洗残渣在80℃的温度下干燥48h，再研磨并过80目筛，得到待萃取物；
92.3)将待萃取物与萃取剂混合，在100℃的温度下回流萃取24h，得到混合物；其中，待萃取物与萃取剂的重量体积比为1:20(g:ml)；萃取剂为γ
‑
戊内酯与水的混合物，γ
‑
戊内酯与水的质量比为2:1；
93.4)使混合物在10000rpm的转速下离心10min，再经固液分离，得到提取液和萃余渣；
94.5)用萃取剂洗涤萃余渣，得到洗涤液；将洗涤液与提取液混合并浓缩至50ml，得到浓缩液；将浓缩液与250ml去离子水混合，以使木质素沉淀，并在12000rpm的转速下离心20min，再经固液分离，得到固体木质素；
95.6)将固体木质素置于
‑
80℃的冰箱中冷冻1h，再在冷冻干燥箱中干燥24h，得到干燥木质素。
96.实施例11
97.本实施例与实施例10的不同之处在于：萃取剂为γ
‑
戊内酯与水的混合物，γ
‑
戊内酯与水的质量比为1:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例10相同。
98.实施例12
99.本实施例与实施例10的不同之处在于：萃取剂为乙酸、甲酸与水的混合物，乙酸、甲酸与水的质量比为3:5:2。本实施例的其余步骤和条件均与实施例10相同。
100.实施例13
101.本实施例与实施例10的不同之处在于：萃取剂为乙酸、甲酸与水的混合物，乙酸、甲酸与水的质量比为4:5:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例10相同。
102.实施例14
103.本实施例与实施例10的不同之处在于：萃取剂为异丙醇、甲酸与水的混合物，异丙醇、甲酸与水的质量比为3:5:2。本实施例的其余步骤和条件均与实施例10相同。
104.实施例15
105.本实施例与实施例10的不同之处在于：萃取剂为异丙醇、甲酸与水的混合物，异丙醇、甲酸与水的质量比为4:5:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例10相同。
106.实施例16
107.本实施例与实施例10的不同之处在于：萃取剂为甲酸与水的混合物，甲酸与水的质量比为2:1。本实施例的其余步骤和条件均与实施例10相同。
108.对照组
109.采用本发明实施例1中的方法与对照组进行对比，其中，对照组与实施例1的区别在于：仅将食用菌菌渣与秸秆厌氧发酵消化污泥充分混合，而不添加新鲜鸡粪；其他条件如
剩余物料的选择和用量以及其他的工艺步骤等均与本发明实施例1相同。
110.需要说明的是，上述实施例1～9和对照组中所提及的食用菌菌渣、禽畜粪便和接种物的ts和vs均根据标准方法进行测量(apha et al.,1998)：称取坩埚质量m1，取2g左右样品于坩埚重质量m2，在105℃烘干8h后冷却至室温称重m3，之后放在马弗炉600℃灼烧2h，冷却至室温后称重m4，通过公式计算ts、vs。
[0111][0112][0113]
试验效果
[0114]
1.为了验证本发明的处理方法对产沼气潜力的提升，分别在实施例1～9和对照组中的厌氧发酵过程中进行了以下操作：在发酵过程，每天手动摇动发酵瓶2次，以混合原料；每天定时通过排水量测量产生的沼气体积并分析沼气成分，每三天取样一次液体样品用于分析挥发酸(vfa)浓度。
[0115]
1)沼气成分的测定：采用排水法测定气体体积，采用气相色谱仪panna
‑
a60测定沼气成分。检测器为tcd检测器，色谱柱是碳分子筛tdx
‑
01，内径为3mm
×
3mm；柱箱、进样器和检测器温度分别为180℃、100℃和200℃；载气为氢气，流速为38ml/min(结果如图1～2所示)。
[0116]
由图1～2可知，食用菌菌渣分别和新鲜鸡粪、新鲜猪粪和新鲜牛粪混合发酵的累积甲烷产量和最大甲烷含量均显著高于单一菌渣。从累积甲烷产量来看，食用菌菌渣分别与新鲜鸡粪、新鲜牛粪和新鲜猪粪混合发酵时均存在协同效应；其中，食用菌菌渣与新鲜鸡粪混合发酵的产甲烷潜力高于新鲜猪粪和新鲜牛粪。另外，在相同的ts条件下，随着禽畜粪便比例的提高，累积甲烷产量逐渐增加，但滞后期逐渐延长。
[0117]
2)挥发性脂肪酸的测定：向发酵液样品加入50μl甲酸处理以除去蛋白质等杂质，之后在13000rpm的转速下离心7分钟，收集所得的上清液，并通过0.22μm的薄膜注射器过滤器过滤。利用气相色谱仪(gc112n)分析挥发性脂肪酸，检测器为fid检测器，色谱柱为水中酸分析柱，尺寸内径为2m
×
2mm；柱箱、进样器和检测器的温度分别为180℃、210℃和230℃；载气为氮气，流速75ml/min；进样量为1μl(结果如图3所示)。
[0118]
由图3可知，在混合发酵过程，在相同的ts条件下，vfa积累量随着禽畜粪便比例的提高而降低，说明添加禽畜粪便可以调节混合物料的c/n比，从而改善发酵过程的稳定性。
[0119]
2.为了验证本发明的处理方法对木质素的提取效果，分别对实施例10～16中的木质素的萃取得率进行了测定。其中，木质素的萃取得率＝(干燥木质素的质量/消化残渣中木质素的质量)
×
100％(结果如图4所示)。
[0120]
由图4可知，不同的萃取剂对木质素提取的作用力不同，萃取剂进入木质素大分子链间的能力不同，导致不同的萃取剂有不同的提取率。具体来说，甲酸与水的混合物，γ
‑
戊内酯与水的混合物，乙酸、甲酸和水的混合物以及异丙醇、甲酸和水的混合物均有较高的萃取得率。其中，γ
‑
戊内酯:水为2:1时有最高的木质素萃取得率，其原因在于酯基为大极性官能团，可以与木质素有强的相互作用力，更重要的是γ
‑
戊内酯中酯基可以与木质素发生反应，导致木质素降解，物理性质发生改变，溶解度也随之改变，提取效果明显提高。而醇类
和酸类，虽然也可以与木质素有强的相互作用，但是其不能改变木质素原有的物理性质，所以提取率不及γ
‑
戊内酯。另一方面，水与有机溶剂的比例对提取效果影响不是很大，其原因是木质素为亲油性聚合物，与水不能互溶，鉴于此水在此的作用主要是加快木质素与有机溶剂的相互作用。
[0121]
3.为了进一步验证本发明的处理方法对木质素的提取效果，分别对实施例10～16中的木质素进行了主要组成成分分析，以测定其中碳水化合物、酸不溶木质素和灰分的含量，其方法参照美国国家可再生能源实验室(nrel)建立的标准方法(sluiter et al.,2008a；sluiter et al.,2005；sluiter et al.,2008b)。结果如下表所示：
[0122]
组别葡聚糖％木聚糖％阿拉伯聚糖％碳水化合物％木质素％灰分％实施例101.891.890.844.629.8346.00实施例111.871.870.734.4710.8642.61实施例121.711.110.002.8285.711.76实施例131.581.300.403.2893.900.77实施例140.430.540.000.9783.466.67实施例150.400.640.121.1680.637.56实施例161.550.710.392.6562.8612.71
[0123]
结合上表从碳水化合物、木质素以及灰分的角度来分析所得木质素的纯度，可知：
[0124]
实施例13所得木质素的纯度最高，木质素的含量为93.90％，碳水化合物的含量为3.28％，灰分的含量仅为0.77％，其次为实施例12和实施例14～15，这说明了酸
‑
酸或醇
‑
酸的混合多相萃取剂能显著提高木质素的纯度。另外，从图4可看出实施例10～11有最高的木质素得率，但是由上表可注意到实施例10～11所得木质素的纯度只有9.83％～10.86％，其纯度远低于其他实施例所得木质素，并且其灰分杂质有42.61％～46.00％。究其原因是因为γ
‑
戊内酯会使木质素降解，在增加木质素的溶解性，提高得率的同时，会产生一种混合物，杂质多，这不利于所得木质素的高值化利用。
[0125]
综上所述，本发明的一种食用菌菌渣的处理方法及其应用，达到了降低厌氧发酵残渣的处理难度并且回收得到高品质木质素的效果。
[0126]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。