蘑菇采收残渣升级再造为可持续蛋白质原料：工艺优化、技术经济分析与生命周期评估

《Sustainable Food Technology》：Upcycling mushroom harvesting residues into a sustainable protein ingredient: processing optimization, techno-economic analysis, and life cycle assessmentOpen Access

蘑菇采收残渣占商业双孢蘑菇生产重量的5%–20%，尽管其具有显著营养价值，却主要被填埋处理，产生温室气体排放并给种植者带来不必要的处置成本。本研究评估了将双孢蘑菇菇柄升级再造为干制菇柄粉作为可持续替代蛋白质原料的技术、经济和环境可行性。研究人员评估了两种菇柄清洗方法：机械切割和人工修整后水洗，两者均结合冷冻干燥与研磨。营养表征证实，干制菇柄粉含有17.9%–26.5%的粗蛋白、8.9%–9.7%的粗纤维以及天然存在的维生素D和E，使其成为一种营养独特的植物基原料。基于鲜重的工艺产率为6.6%–6.9%，反映了新鲜菇柄的高初始含水量（约91%），其中冷冻干燥占总批次能耗的99%以上。针对四种工艺配置和三种生产规模的技术经济分析显示，每千克干制菇柄粉的生产成本为1.2–3.0美元。生命周期评估确认，在所有配置下，由于菇柄废弃物转移避免了填埋排放，实现了–3.91至–7.55 kg CO2e/kg干制菇柄粉的净负碳足迹。这些结果表明，蘑菇菇柄升级再造为将食品系统副产物高值化利用为高价值原料提供了一条经济可行且碳负的路径。

一、研究背景与目的

全球蘑菇产业是价值数十亿美元的行业，美国市场2023年估值约29.7亿美元，预计到2030年将超过55.8亿美元。美国年产约38.845万吨蘑菇，其中80%以上为双孢蘑菇（Agaricus bisporus）。然而，蘑菇采收过程中产生的基部菇柄修剪物及其他非商品化副产物占生产重量的5%–20%，目前缺乏成熟的资源化利用途径，主要被送往填埋场，导致温室气体（包括N₂O、CH₄和CO₂）排放、渗滤液产生，并增加种植者的处置成本。与此同时，家禽饲料行业面临原料成本和营养可靠性问题。豆粕作为传统家禽日粮的主要蛋白质来源，价格波动显著，有机和非转基因家禽产品需求的增长进一步推高了配方成本。因此，市场亟需替代性的、成本竞争力强且可持续来源的蛋白质及营养素原料用于有机家禽饲料。蘑菇菇柄作为一种有前景的资源，因其在受控认证条件下生产，天然符合有机饲料认证要求，且富含蛋白质、膳食纤维（包括β-葡聚糖）、必需氨基酸、维生素（维生素D、核黄素和生育酚）及必需矿物质。此前已有研究探索了蘑菇副产物在家禽营养中的应用，但关于营养成分、加工策略、技术经济可行性和环境影响的综合评估仍然有限，成为商业化的关键障碍。为解决这些空白，本研究对从蘑菇菇柄废弃物到干制菇柄粉的完整资源化路径进行了全面评估，旨在建立将蘑菇菇柄资源化从实验室营养研究转化为商业化、可持续的饲料原料生产的科学框架。

二、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）蘑菇菇柄收集与前处理：有机棕色和白色双孢蘑菇菇柄来自美国德克萨斯州麦迪逊维尔的Monterey Mushroom Farm，采用两种清洗方法——机械切割和人工修整后水洗；（2）近端成分分析：依据AOAC标准方法测定水分、粗蛋白（凯氏定氮法，氮-蛋白转换系数6.25）、粗脂肪、灰分、粗纤维和总碳水化合物；（3）矿物质分析：使用ICP-OES测定常量矿物和微量矿物；（4）维生素分析：使用UPLC-MRM/MS定量水溶性和脂溶性维生素；（5）氨基酸分析：采用离子交换色谱法（酸水解）和碱水解法分别测定氨基酸组成和色氨酸；（6）重金属分析：使用ICP-MS按USP通则<233>测定As、Cd、Pb、Hg浓度；（7）技术经济分析（TEA）：评估四种工艺配置在三种生产规模下的经济可行性，包括资本支出估算、年度运营成本计算、净现值、投资回报率和简单回收期分析；（8）生命周期评估（LCA）：采用从摇篮到大门的方法，以1 kg干制菇柄粉（最终水分含量5%）为功能单位，量化碳足迹和水足迹，温室气体排放使用美国EPA eGRID 2024排放因子（0.4 kg CO₂e/kWh），填埋规避效益使用美国EPA废物削减模型（WARM）的食品废弃物类别排放因子（0.55 kg CO₂e/kg新鲜菇柄）。

三、研究结果

3.1 蘑菇菇柄加工方法对干制菇柄粉性质的影响

3.1.1 近端成分：干制菇柄粉的蛋白质含量范围为17.9%（棕色菇柄-机械切割）至26.5%（白色菇柄-机械切割），介于麦麸（16.8%）和豆粕（47.3%）之间，定位为功能性补充蛋白质来源而非主要替代品。水洗通过浓缩效应增加了棕色菇柄的蛋白质含量，但因可溶性蛋白质浸出降低了白色菇柄的蛋白质含量。粗纤维含量（8.9%–9.7%）在不同加工方法间一致且低于麦麸水平，低脂肪含量（0.67%–1.07%）有助于货架稳定性。机械切割总体上更好地保留了营养价值，尤其对于白色菇柄。

3.1.2 矿物质组成：水洗显著增加了钙含量（0.30–0.40 → 2.60–3.20 mg/g），可能源于洗涤水中钙与细胞壁果胶的结合；磷含量随水洗略有下降。白色菇柄中钾含量极高（31.1–39.0 mg/g），超过豆粕和麦麸。水洗制备更适合需要高钙的蛋鸡，而机械切割样品更好地保留了磷和微量矿物，对肉鸡生长至关重要。

3.1.3 维生素组成：维生素B1在棕色菇柄中经机械切割保留更好，水洗则更好地保留了白色菇柄中的B1；维生素B2在棕色菇柄中稳定，但在水洗白色菇柄中增加。脂溶性维生素E化合物在水洗后增加，表明细胞破坏增强了提取性。维生素D2和D3水平在水洗白色菇柄中较高，维生素D3达到380–440 μg/100 g，可能减少家禽日粮中合成维生素补充的需求。

3.1.4 氨基酸组成：白色菇柄-机械切割的总氨基酸含量最高，包括较高的必需氨基酸水平。水洗降低了白色菇柄中的氨基酸水平，特别是赖氨酸（–28%）、亮氨酸（–22%）和苏氨酸（–26%），表明水溶性氨基酸在洗涤过程中浸出。棕色菇柄在两种方法间变化较小。机械切割加工，尤其是对白色菇柄，更好地保留了氨基酸含量和营养价值。

3.1.5 重金属组成：所有干制菇柄粉样品的重金属浓度远低于AAFCO安全限值。砷（0.10–0.26 ppm）、镉（约0.02 ppm）、铅（0.10 ppm）和汞（0.01 ppm）均为痕量水平，不到各自监管阈值的1%–3%，确认干制菇柄粉不存在重金属安全风险。

3.2 物料与能量平衡：在方法A（机械切割，未清洗）中，20.6 kg新鲜菇柄经机械切割去除5.56 kg（27%）废弃物，获得15.04 kg切割菇柄（约91%水分），冷冻干燥34.5小时去除13.62 kg水分，研磨后得到1.42 kg干制菇柄粉，总产率6.89%。总能耗55.6 kWh/批，冷冻干燥占99.4%。方法B（人工修整，水洗）中，相同质量菇柄经人工修整去除4.9 kg（23.8%）废弃物，水洗后菇柄质量增至16.0 kg（92%水分），冷冻干燥36小时后得到1.35 kg干制菇柄粉，产率6.55%。总能耗57.92 kWh/批，略高于方法A。方法A产率略高且能耗更低，两种方法中冷冻干燥均占能耗的99.4%，是主要工艺瓶颈。

3.3 技术经济分析（TEA）：在高生产规模（4000 kg新鲜菇柄/天，年产82,800 kg干制菇柄粉）下，四种工艺配置的年运营成本范围为97,624美元（方案2B：二次切割+喷雾干燥）至248,305美元（方案1A：机械加工+冷冻干燥），对应生产成本为1.18–3.00美元/kg干制菇柄粉。方案2B成本最低（1.18美元/kg），比基线方案1A降低61%。劳动力是冷冻干燥场景的最大开支，能源是第二大开支；喷雾干燥场景的能耗仅为冷冻干燥的约九分之一。盈利分析显示，在售价1.5美元/kg时，仅方案2B产生正净现值（108,654美元），回收期3.4年，投资回报率29.3%；在售价2.0美元/kg时，方案2B实现净现值363,039美元，回收期1.7年，投资回报率59.6%。敏感性分析表明，对方案2B的净现值影响最大的参数依次为年产量、原材料水分含量、劳动力工资率、电价和资本支出。

3.4 生命周期评估（LCA）：所有工艺配置均实现净负碳足迹，范围为–3.91至–7.55 kg CO₂e/kg干制菇柄粉。方案2B的碳足迹最优（–7.37 kg CO₂e/kg），方案1A最差（–3.96 kg CO₂e/kg）。碳负效益完全由菇柄废弃物转移避免填埋排放驱动，因为每生产1 kg干制菇柄粉可转移14.5 kg新鲜菇柄免于填埋。水足迹方面，涉及清洗的方案1A和1B因工业水回收系统仅消耗0.05 L水/kg干制菇柄粉（补充水），而无需清洗的方案2A和2B水足迹为零。

四、讨论与结论

研究表明，蘑菇菇柄升级再造为干制菇柄粉作为可持续蛋白质原料在技术上、经济上和环保上均可行。最经济的配置（方案2B：二次切割+喷雾干燥）生产成本为1.18美元/kg干制菇柄粉，与有机豆粕（约0.9美元/kg）相比具有竞争力，尤其在考虑避免填埋处置成本和有机市场价格溢价的情况下。所有配置均实现净负碳足迹（–3.91至–7.55 kg CO₂e/kg），主要由废弃物转移驱动。研究结论指出，蘑菇菇柄升级再造提供了一条经济可行且碳负的路径，用于将食品系统副产物高值化利用为高价值原料，直接推进联合国可持续发展目标12（负责任消费和生产）、目标2（零饥饿）和目标13（气候行动）。