利用豆渣作为农业废弃物流进行平菇菌丝体生物量的固态发酵生产

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Solid-state fermentation for Pleurotus ostreatus mycelial biomass production using okara as an agricultural waste stream

　　

摘要

可持续食物系统日益增长的需求加速了对替代性、低环境影响蛋白质来源的关注，真菌菌丝因其优良的营养特征和高效的生产方式而成为极具前景的候选者。尽管菌丝生物质通常通过浸没发酵生产，但固态发酵（SSF）具有较低能耗要求等优势。然而，针对菌丝生物质生产的SSF参数优化研究仍然有限。本研究以豆渣为培养基，采用固态发酵生产Pleurotus ostreatus菌丝，通过单因素实验优化关键培养条件。最佳条件确定为初始含水量65%、25°C、培养期15天或20天。通过元素组成（C、N、H）评估发酵进程，结果显示菌丝生物质和残余培养基的碳氮比均显著降低，表明氮含量提升及培养基利用率增强。同时观察到培养基中还原糖含量有所下降。扫描电镜揭示了不同组分之间明显的结构差异，而营养表征则显示脂肪和水分含量存在差异。总体而言，这些发现证明了利用豆渣通过固态发酵生产具有营养价值的菌丝生物质的可行性，为可持续升级策略以及农业工业废物流的增值利用和替代食品生产做出了贡献。

引言

全球粮食和营养安全是一个日益紧迫的问题，尤其是在预计未来几十年全球人口将超过100亿的情况下（联合国，2024年）。尽管垂直农业、食品强化和新型肉类替代品等技术创新为解决这一挑战做出了贡献（El Sadig & Wu, 2024; Erekath et al., 2024; Olson et al., 2021），但其效果仍受限于农业生产力不足以及持续存在的社会经济不平等（Fanzo et al., 2022）。因此，通过采用循环经济原则向更资源高效的食品系统转型的需求日益增长（Fanzo et al., 2022; Mhatre et al., 2021），即将农业工业废物流转化为高附加值产品。一种有前景的方法是利用菌丝，即真菌的营养生长体，由相互连接的丝状菌丝网络构成，起到类似根系的结构功能（M. Fricker et al., 2007）。由于其营养组成优良，包含丰富的宏量与微量元素、高粗蛋白含量、总脂肪含量极低以及含有活性化合物，菌丝作为可持续食物来源受到了广泛关注（Holt et al., 2024; Rathore et al., 2019）。除营养益处之外，菌丝生产还实现了将废物流中的养分重新整合到真菌生物质中，有助于资源保护与回收（Hashempour-Baltork et al., 2020）。

菌丝生物质可采用两种主要发酵方法进行培养：浸没发酵（SmF）和固态发酵（SSF）。尽管现有大部分研究聚焦于采用浸没发酵系统生产纯菌丝生物质（Di Hsu et al., 2017; Juhrich et al., 2025; Liu & Zhang, 2019; Rousta et al., 2021; Vamanu, 2012），但浸没发酵通常伴随高耗水量、大量废水产生以及离心或过滤等能耗密集型的下游处理环节（Doriya et al., 2016; Najjar & Abu-Shamleh, 2020）。相比之下，固态发酵通过模拟丝状真菌的自然生长条件，提供了一种更可持续且生物学上更具优势的系统，用水量极少且减少了废水排放（H?lker & Lenz, 2005）。此外，固态发酵可直接利用农业工业残渣作为培养基，凸显了其废弃物高值化转化的潜力（Roy et al., 2025）。因此，固态发酵为直接从富含养分的农业工业残渣中生产菌丝生物质提供了一条可行途径，同时避免了浸没发酵所需的大量液体体积。

豆渣是豆类加工过程中产生的不溶性残渣，是一种尚未被充分利用的农业工业副产品。其年产量估计在中国约为280万吨（B. Li et al., 2012），日本为80万吨（Muroyama et al., 2006），韩国为31万吨（Ahn et al., 2010），新加坡最少为1万吨（Vong & Liu, 2016）。尽管豆渣富含蛋白质、碳水化合物和必需脂肪酸，但它通常被丢弃或用作低价值的动物饲料（Asghar et al., 2023），造成经济和环境损失。然而，其营养特征使其成为真菌生物转化的理想培养基，这在先前研究中已得到证实（Farniga et al., 2026; Qiu et al., 2022; Vong et al., 2016）。在真菌物种中，平菇等食用菌因其营养益处和烹饪用途而备受推崇，传统上通过固态发酵进行栽培。平菇的广泛消费可能有助于提高消费者对其菌丝基食品产品的接受度，从而减少食物恐惧症（Tuorila & Hartmann, 2020），并将平菇菌丝定位为有前景的未来食物来源（van Dam et al., 2024）。包括本课题组在内的先前研究已证明了利用豆渣培养平菇子实体和菌丝-豆渣培养基复合体的可行性（Samarasiri et al., 2026; Samarasiri and Chen, 2025b, Samarasiri and Chen, 2025a）。然而，这些研究主要关注真菌在豆渣上的培养，而非有目的地生产分离的菌丝生物质。因此，本研究在先前平菇培养研究的基础上，采用固态发酵方法生产分离的菌丝生物质。

尽管人们对利用菌丝对农业工业残渣进行高值化越来越感兴趣，但评估固态发酵条件下关键培养参数对菌丝生物质生产影响的的研究仍然有限，尤其是以豆渣为培养基的研究。特别是，开发旨在从固体培养基中分离生产和回收菌丝生物质的固态发酵培养系统这一领域仍相对未被探索。此外，将固态发酵培养参数优化与发酵进程的时间分辨分析以及所产生菌丝生物质详细表征相结合的研究相对较少。

因此，本研究旨在采用单因素法（OFAT）系统评估固态发酵条件下影响平菇在豆渣上生长的关键因素。本研究采用了一种能够将真菌生物质与培养基分离的系统，以获得分离的菌丝生物质用于后续分析。此外，通过整合分析生物质生长、利用还原糖分析评估培养基利用率以及随时间变化的元素组成（C、N、H）变化来研究发酵进程。最后，对固态发酵衍生的分离菌丝生物质和残余菌丝-豆渣培养基复合物进行形态学和营养表征，以评估其特性并评估固态发酵衍生病丝作为可持续食物来源的潜力。

章节摘要

原料

新鲜豆渣由新加坡F&N食品公司提供，并在?20°C下储存至使用。土豆葡萄糖琼脂、D-葡萄糖、酒石酸钾钠、氢氧化钠、氯仿和甲醇购自美国Sigma-Aldrich。3,5-二硝基水杨酸购自美国Combi-Blocks。

微生物与接种物制备

灰平菇（Pleurotus ostreatus）液体培养物购自加拿大RoyalFlushMushrooms，接种于15 mL无菌土豆葡萄糖琼脂（PDA）培养基中。培养皿（90 × 15 mm）在

固态发酵系统设置与观察到的菌丝生长

固态发酵（SSF）系统为平菇菌丝在豆渣培养基上的生长提供了无菌环境（图2A）。农业木质纤维材料已在固态发酵条件下成功用作真菌培养基（Salim et al., 2018）。同样，豆渣也支持在培养基顶部形成密集的白色菌丝层，位于培养基表面与空气的界面处（图2B）。略显棉质且外观光滑的菌丝聚集体，

结论

本研究对固态发酵条件下平菇在豆渣上的培养进行了全面评估，以优化菌丝生物质生产、监测发酵进程并表征所产生菌丝生物质及残余培养基。通过单因素法优化确定了影响产率的关键培养参数，并得到了在优化条件下额外进行的小规模实验的进一步支持，该实验获得了改善的生物质产量，表明该工艺的

CRediT作者贡献声明

Cherie Chin：撰写 – 初稿，可视化，验证，正式分析，数据管理。Wei Ning Chen：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，调查研究，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

感谢南洋理工大学研究奖学金及教育部学术研究基金（RG26/23）的支持。

Cherie Chin|Wei Ning Chen

南洋理工大学化学、化工与生物技术学院，新加坡637459