全 文 :食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES
86 2013 Vol. 39 No. 2 (Total 302)
双孢蘑菇工业化生产液体菌种繁育条件的优化*
宋德龙,贠建民,艾对元,张紊玮,魏龙
(甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃 兰州,730070)
摘 要 为适应双孢蘑菇工业化生产需要,以控制菌丝球直径和密度、并提高菌丝体生物量为目的,实验以双孢
蘑菇 As2796 为出发菌株,采用单因素、正交设计方法,优化其液体菌种繁育条件。结果表明,筛选的双孢蘑菇一
级液体种子的优化培养基为:马铃薯 80 g、红糖 12 g、葡萄糖 9. 0 g、蛋白胨 2 g、酵母膏 1 g、KH2PO4 2g、MgSO4·
7H2O 1g、VB1 0. 01 g、水 1 000 mL;优化的二级种子液体繁育条件为:转速 150 r /min、培养温度 25℃、初始 pH
6. 0、接种量 12%、装液量 100 mL。在此条件下菌丝球直径可有效控制在 1. 5 ~ 2. 0 mm之间,菌丝体生物量干重
可达 25. 0 mg /mL。
关键词 双孢蘑菇,液体菌种,工业化,繁育条件,优化
第一作者:硕士研究生(贠建民教授为通讯作者,E-mail:yunjian-
min@ gsau. edu. cn)。
* 甘肃省自然科学基金(1107RJZA128)
收稿日期:2012 - 11 - 27,改回日期:2013 - 01 - 07
我国双孢蘑菇产量和出口量居世界第一位,但目
前生产方式仍比较落后[1 - 3]。菌种生产多采用固体
逐级扩大培养方式,菌种的纯度低、生长周期长、菌龄
不一致,且菌种生产成本较高。随着食用菌栽培工厂
化进程的不断推进,这种食用菌制种方式已不能满足
其规模化的高效栽培需要,而深层发酵技术则可以解
决以上问题[4 - 7]。近几年,我国液体菌种生产伴随着
食用菌工业化的发展也取得了很大的进步[8],但在
西北地区食用菌液体菌种生产与应用还存在着一些
制约因素,诸如液体菌种生产过程对无菌程度控制要
求很高、对设备的依赖性和投入较大、对操作人员的
技术素养要求也较高,存在的染菌风险也相应高[9]。
为适应新形势下的食用菌大规模工厂化栽培的需求,
特别是液体菌种均匀化喷洒播种模式的要求,本文拟
对双孢蘑菇 As2796 菌株进行液体振荡培养,通过优
化液体菌种培养基组成和培养条件,有效控制液体菌
种菌丝球的直径和密度,旨在获得一种适合于双孢蘑
菇工厂化生产中可进行管道自动化喷洒播种的液体
菌种,为双孢蘑菇工厂化生产制备液体菌种提供理论
依据,并为食用菌栽培提供参考。
1 材料和方法
1. 1 供试菌株
双孢蘑菇(Agaricus bisporus imbach)As2796 菌
株,由兰州科泰现代农业科技有限公司提供。
1. 2 培养基配方
马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA) :马铃薯 200
g、葡萄糖 20 g、琼脂 20 g、水 1 000 mL,pH自然,用于
菌种斜面培养。
查阅文献资料和企业多年生产验证的配
方[10 - 11],获得以下 4 种一级液体种子培养基:
(1) MgSO4 · 7H2O 0. 5 g、KH2PO4 0. 46 g、
K2HPO4 1 g、蛋白胨 2 g、酵母浸膏 2 g、葡萄糖 20 g、
水 1 000 mL,pH自然;
(2)玉米淀粉 30 g、蔗糖 20 g、酵母粉 5 g、Mg-
SO4·7H2O 1 g、KH2PO4 1. 5 g、VB1 0. 01 g、水 1 000
mL,pH自然;
(3)马铃薯 80 g、红糖 12 g、葡萄糖 9. 0 g、蛋白
胨 2 g、酵母膏 1 g、KH2PO4 2 g、MgSO4·7H2O 1 g、
VB1 0. 01 g、水 1 000 mL,pH自然;
(4)玉米淀粉 30 g、蔗糖 20 g、蛋白胨 5 g、Mg-
SO4·7H2O 1 g、KH2PO4 1. 5 g、VB1 0. 01 g、水 1 000
mL,pH自然;
二级液体种子培养基[10]:玉米淀粉 31. 7 g、豆
饼粉 11. 3 g、MgSO4·7H2O 3. 5 g、KH2PO4 2. 5 g、
CaCl2 7. 5 g、NaCl 6. 5 g、水 1 000 mL。
1. 3 试验方法
1. 3. 1 培养方法
1. 3. 1. 1 菌种活化
从保藏的斜面试管菌种中切出 1 cm2 大小的菌
种块接种于 PDA斜面的中部,25℃恒温培养 25 d。
1. 3. 1. 2 一级液体种子培养
将活化的母种分割成约 2 cm2 大小的菌块,接种
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.2013.02.005
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到液体培养基中,一个 250 mL三角瓶接 2 块菌种,先
在 25℃静置 48 h,然后振荡培养 7 d 左右,获得一级
液体种子(摇瓶菌种)。摇瓶培养条件:250 mL 三角
瓶装液量 100 mL,在 25℃,150 r /min的摇床上培养 7
d左右。
1. 3. 1. 3 二级液体种子培养
将摇瓶菌种在 25℃静置 48 h 后,用均浆器将其
均浆。250 mL三角瓶装入二级液体种子培养基 100
mL,接入 10%一级液体种子,在 25℃,150 r /min的摇
床上振荡培养 14 d左右。
1. 3. 2 分析方法
1. 3. 2. 1 菌丝球生物量的测定[12]
摇瓶培养结束后,将发酵液置于离心机中,3 000
r /min离心 20 min,取沉淀用分析天平称重。
1. 3. 2. 2 菌丝球直径的测定[3,10]
随机取菌丝球 20 个,成直线排列,测其总长度,
重复 3 次,取平均值。
1. 3. 2. 3 菌丝球密度的测定[10]
取 5 mL的发酵液,按比例在量筒中加水稀释,摇
匀后取 1 mL在直径 9 cm的培养皿中摊匀,培养皿下
垫黑白相间的格纸,用方格计数法计数。
1. 3. 2. 4 pH值的测定
取培养液,采用精密 pH计直接测量。
1. 3. 2. 5 还原糖的测定[13]
3,5-二硝基水杨酸法(DNS)测定。
1. 3. 2. 6 氨基氮的测定[13]
用甲醛滴定法测定。
1. 3. 3 液体菌种繁育条件优化设计
1. 3. 3. 1 一级液体种子培养基的筛选
从 1. 2 所列 4 种培养基配方中优选一级液体种
子培养基,每个培养基做 3 个重复,相同条件下摇床
培养,通过观察记录液体菌种的菌丝萌发的速度、培
养液澄清度、菌丝球大小和数量、杂菌污染、菌丝球生
物量等情况,从而优选摇瓶菌种培养基。
1. 3. 3. 2 二级液体种子培养条件单因素试验
对液体培养条件温度、初始 pH、接种量、装液量
进行单因素筛选试验,考察各因素对双孢蘑菇液体菌
种培养的影响,以确定最适单因素条件。
1. 3. 3. 3 二级液体种子培养条件正交试验
在单因素试验基础上,从每个影响因素中选出对
液体菌种繁育影响最大的 3 个水平,采取正交表 L9
(34)安排正交实验(表 1) ,以菌丝体生物量为指标。
表 1 培养条件正交试验设计
Table 1 Orthogonal designs of culture conditions
水平
因素
温度 /℃ 初始 pH值 接种量 /% 装液量 /mL
1 22 5. 5 8 80
2 25 6. 0 10 100
3 28 6. 5 12 120
1. 3. 3. 4 液体菌种培养周期的确定[13]
在上述研究结果基础上,对液体制种过程中培养
液的各主要理化指标变化进行动态跟踪,从接种后第
3 天开始取样测定,每 2 天测 1 次,主要测量指标为
生物量、还原糖、pH 值、氨基氮,每次做 3 个重复,取
平均值。
2 结果与分析
2. 1 双孢蘑菇一级液体种子培养基不同配方的筛选
双孢蘑菇一级液体种子培养基不同配方的菌丝
生长情况见表 2。
表 2 双孢蘑菇一级液体种子培养基不同配方的
菌丝生长情况
Table 2 Mycelium growth of Agaricus bisporus Primary
liquid seed in different medium formulations
配方 萌发速度
培养液
澄清度
菌丝球状态
生物量 /
(mg·mL -1)
a + + + + + 菌丝球少,且多絮状 13. 969
b + + + + 菌丝球多,但不均匀 25. 408
c + + + + + 菌丝球多而均匀 37. 610
d + + + + 菌丝球少,且多絮状 19. 203
注:萌发速度:第 l天 + + +,第 2 天 + +,第 3 天及以后 +;培养
液澄清度:澄清 + + +,较澄清 + +,浑浊 +。
从表 2 可以看出,双孢蘑菇在 4 种液体种培养基
配方中均可生长。菌丝生物量分别为: (1)13. 969
mg /mL,(2)25. 408 mg /mL,(3)37. 610 mg /mL,(4)
19. 203 mg /mL。其中配方(3)效果较好,菌丝萌发快,
菌丝球多而均匀,更适合做液体种子;配方(2)次之;而
配方(1)和配方(4)则较差,菌丝量少且不均匀。
2. 2 双孢蘑菇二级液体种子培养单因素试验分析
2. 2. 1 温度对菌丝球生物量、菌丝球直径及菌丝球
密度的影响
由图 1 可知,随着温度的升高,菌丝体生物量先
增加后下降。25℃时菌丝体生物量最大,超过 25℃,
菌丝体的生物量逐渐下降。由图 2 可以看出,随着温
度的升高,菌球直径与菌球密度都是呈现先增长后下
降的趋势。这是由于在液体培养过程中,随着温度的
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上升,菌体衰老加快[12],而温度过低时,又不利于菌
丝体生长。
图 1 温度对生物量的影响
Fig. 1 Effect of temperature on biomass
图 2 温度对菌球直径、菌球密度的影响
Fig. 2 Effect of temperature on diameter and density
另外,在本试验供试装液量和摇床转速条件下,
25℃时菌球直径最大,超过 25℃后逐渐下降;22℃时
菌球密度达到最大值,随后逐渐降低。综合考虑,选
用温度 22、25、28℃。
2. 2. 2 初始 pH 值对菌丝球生物量、菌丝球直径及
菌丝球密度的影响
由图 3 可知,初始 pH值对菌丝球生物量的影响
呈现上升后下降趋势,当初始 pH 值为 6. 5 时,菌丝
体生物量最大,达到 135. 727 mg /mL。
图 3 pH值对生物量的影响
Fig. 3 Effect of pH on biomass
由图 4 可以看出,菌球直径随 pH 值增大逐渐变
大,而菌球密度随 pH值增大逐渐明显下降。
图 4 pH值对菌球直径、菌球密度的影响
Fig. 4 Effect of pH on diameter and density
初始 pH 为 6. 0 ~ 6. 5 时,菌球直径恰当,为 1. 7
~ 1. 8 mm,菌球密度较为适中,为 39 个 /mL 。这是
由于真菌生长的最适 pH 一般是中性偏酸,在 6. 0 左
右[14],过高或过低都不利于菌丝体生长。因此做正
交试验时选用 pH值为 5. 5、6. 0、6. 5。
2. 2. 3 接种量对菌丝球生物量、菌丝球直径及菌丝
球密度的影响
由图 5 可知,当接种量为 6% ~ 12%时,菌丝体
生物量随着接种量的增大而增多;接种量为 12%时,
生物量达到最大 128. 6 mg /mL。由图 6 可以看出,随
着接种量的增大,菌球直径先减小后增大,而菌球密
度先升高后降低;当接种量大于 10%后,菌球直径变
大,菌球密度反而随接种量的增大而减小。这是由于
在固定容积,同一营养水平下,随着接种量的增大,菌
体之间的营养竞争也相应地增大,生长周期减短,提
前进入衰亡期,以致菌球数量减少[15]。综合考虑,选
用接种量为 8%、10%、12%。
图 5 接种量对生物量的影响
Fig. 5 Effect of inoculum volume on biomass
2. 2. 4 装液量对菌丝球生物量、菌丝球直径及菌丝
球密度的影响
由图 7 和图 8 可以看出,装液量为 100 mL 时菌
体生长情况最好,通常装液量与培养基中的溶氧量成
反比,装液量多则培养基中的溶氧量就会相应地减
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图 6 接种量对菌球直径、菌球密度的影响
Fig. 6 Effect of inoculum volume on diameter and density
少[10]。随着装液量的进一步增加,溶氧量降低导致
菌体的生长变得缓慢,菌球密度降低,菌球直径变大。
所以选用装液量为 80 mL、100 mL、120 mL。
图 7 装液量对生物量的影响
Fig. 7 Effect of volume on biomass
图 8 装液量对菌球直径、菌球密度的影响
Fig. 8 Effect of volume on diameter and density
2. 3 双孢蘑菇二级液体种子培养条件正交试验分析
基于 2. 2 单因素所得的最佳条件,采用正交表
L9(3
4)安排正交试验,试验结果见表 3。
表 3 培养条件优化正交试验结果与分析
Table 3 Analysis of orthogonal experiment for
culture conditions optimization
试验
号
温度 /
℃
初始
pH值
接种量 /
%
装液量 /
mL
生物量 /
(mg·mL -1)
菌丝球
直径 /mm
1 1 1 1 1 159. 5 1. 3
2 1 2 2 2 212. 2 2. 0
续表 3
试验
号
温度 /
℃
初始
pH值
接种量 /
%
装液量 /
mL
生物量 /
(mg·mL -1)
菌丝球
直径 /mm
3 1 3 3 3 192. 7 2. 1
4 2 1 2 3 179. 0 1. 8
5 2 2 3 1 242. 1 1. 9
6 2 3 1 2 176. 9 1. 9
7 3 1 3 2 160. 9 1. 2
8 3 2 1 3 157. 4 1. 8
9 3 3 2 1 133. 0 1. 2
为检验各因素对菌丝球生物量的影响程度,首先
做生物量方差分析,结果见表 4。
表 4 菌丝球生物量方差分析
Table 4 Analysis of variance on biomass
因素 平方和 自由度 平均值 F值 显著性
温度 7 869. 641 2 3 934. 821 36. 780 . 000
初始 pH 5 452. 421 2 2 726. 211 25. 483 . 000
接种量 3 656. 604 2 1 828. 302 17. 090 . 001
装液量 155. 688 2 77. 844 . 728 . 509
误差 962. 835 9 106. 982
通过表 4 方差分析,结果表明,在 0. 05 的显著水
平下,装液量对双孢蘑菇菌丝体生物量的影响不显
著,而温度、初始 pH 及接种量对菌丝体生物量均有
显著影响。
表 5 菌丝球生物量极差分析
Table 5 Analysis of range on biomass
因 素 K1 K2 K3 极差 R
培养温度 188. 1 199. 3 150. 4 48. 9
初始 pH 166. 5 203. 9 167. 5 37. 4
接种量 164. 6 174. 7 198. 6 34
装液量 178. 2 183. 3 176. 4 6. 9
由表 5 极差分析结果可知:在试验取值范围内,
影响因素中对生物量影响最大的是温度(R = 48. 9) ,
其次是初始 pH(R = 37. 4) ,再次是接种量(R = 34) ,
而对生物量影响最小的是装液量(R = 6. 9)。从极差
分析表中可以得出每个因素的最佳水平,将其组合在
一起即为最优组合:培养温度 25℃、初始 pH 6. 0、接
种量 12%、装液量 100 mL。
由于在表 3 正交试验中得出的菌丝体最高生物
量的繁育条件为:培养温度 25℃、初始 pH 6. 0、接种量
12%、装液量 80 mL,生物量达到 242. 1 mg /mL;而在极
差分析结果中得出的最优组合为培养温度 25℃、初始
pH 6. 0、接种量 12%、装液量 100 mL,二者不一致,故
需通过验证实验进行比较,即在培养温度 25℃、初始
pH 6. 0、接种量 12%、装液量 100 mL 的条件下开展菌
丝体液体繁育试验,测定菌丝体生物量、菌球直径及菌
球密度,重复测定 6次,结果见表 6。
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表 6 最优组合下双孢蘑菇菌株的生物量、菌球直径及密度
Table 6 Biomass,hypha global diameter and density of Agaricus bisporus under the optimal combination
试验编号 1 2 3 4 5 6 平均值
生物量 /(mg·mL -1) 240. 5 245. 6 248. 9 250. 6 252. 8 258. 9 249. 6
菌球直径 /mm 1. 80 1. 75 1. 80 1. 90 1. 85 1. 90 1. 83
菌球密度 /(个·mL -1) 68 60 58 65 68 70 65
在最优组合即培养温度 25℃、初始 pH 6. 0、接种
量 12%、装液量 100 mL 的条件下,菌丝体生物量湿
重平均值为 249. 6 mg /mL,折算成干重为 25. 0 mg /
mL,菌球直径平均值为 1. 83 mm,菌球密度的平均值
为 65 个 /mL,高于在正交表 3 中得出的最高菌丝体
生物量。
优化得到的繁育条件为:培养温度 25℃、初始
pH 6. 0、接种量 12%、装液量 100 mL。菌球直径为
1. 5 ~ 2. 0 mm,菌球密度为 50 ~ 80 个 /mL,符合双孢
蘑菇工厂化生产中可进行自动化喷洒播种的液体菌
种要求。
2. 4 双孢蘑菇二级液体种子最适培养周期试验分析
二级液体种子最适培养周期试验结果见图 9。
在双孢蘑菇液体菌种培养过程中,菌丝球生物量的变
化符合微生物生长曲线,在第 216 h 达到最大值
260. 07 mg /mL,随后菌丝球的生物量保持相对稳定
并开始逐步下降。这可能是由于菌丝体生长进入衰
亡期而发生菌丝球自溶。
图 9 摇瓶发酵过程中各理化指标的动态变化
Fig. 9 The dynamic variation of physical and chemical
index in the submerged fermentation
液体培养过程中 pH值的变化不大,但还是呈先
下降后上升的趋势。pH 值前期降低,是因为菌丝体
在大量生长增殖过程中,消耗了碳源产酸所致,发酵
终点期 pH值上升,是因为菌丝体自溶,胞内蛋白外
流造成。还原糖含量变化先升高后降低,在第 168 h
达到最大值 10. 7 mg /100 mL,随着发酵液中基质的
大量消耗,使得还原糖的含量逐渐下降,在第 216 h
还原糖含量达到一个最低值为 5. 4 mg /100 mL,但仍
高于发酵液内还原糖原始含量 3. 2 mg /100 mL,这充
分说明菌丝体在生长过程中能够水解淀粉成为还原
糖。216 h后,菌丝体开始进入稳定期和衰亡期,生
长、增殖速度开始减慢,使得已水解的淀粉被利用的
速度逐渐降低,还原糖的含量又有一个较弱的上升趋
势。氨基氮含量在培养过程中呈波浪形变化,但在第
72 h有一个明显的上升,之后随着培养时间的延长,
其含量呈下降趋势。这也说明在液体菌种培养过程
中菌丝体对氮源的利用是随着生物量的变化而变化
的,与生物量呈负相关的关系。可选择第 216 h 为液
体菌种培养终点,此时的菌丝球生物量及活性最高。
3 结论与讨论
有关食用菌液体菌种的研究及应用在国内外已
有很多报道,大多数的研究都是基于通过对培养基及
其培养条件的优化来提高食用菌菌丝体生物量。
Marry等通过对双孢蘑菇菌丝体进行均质液体培养,
探讨了均质液体培养对双孢蘑菇菌丝体生长状况的
影响[7]。Kurbanoglu采用公羊角水解液作为营养基
质对双孢蘑菇 ATTC 10893 菌株的菌丝体进行了深
层液体培养,获得的菌丝体生物量干重达到 10. 8
mg /mL[17]。如罗帏通过对双孢蘑菇 2796 菌株液体
菌种的工艺研究,其菌丝体生物量干重达到 25. 4
mg /mL[10];马忠友通过优化双孢蘑菇液体菌种培养
基配方,筛选到在黄豆粉 2%,玉米粉 2%,葡萄糖
2%,KH2PO4 0. 05%,MgSO4 0. 2%,麦麸 0. 2%组成
的最优培养基配方下,菌丝体生物量干重达到 6. 45
mg /mL[18]。
本试验筛选出了以马铃薯为主要基质的一级液
体种子培养基,结合玉米淀粉作为二级液体种子培养
基,在优选培养条件下,不仅在菌丝体生物量上达到
25. 0 mg /mL,而且使菌球直径和菌球密度得到有效
的控制,以便应用于液体菌种的工业化生产与工厂化
栽培中的自动化播种。获得了如下结论:
(1)本试验通过对 4 种供试液体培养基的筛选,
确定出了双孢蘑菇 As2796 一级液体种子的最佳培养
基为:马铃薯 80 g、红糖 12 g、葡萄糖 9 g、蛋白胨 2
g、酵母膏 1 g、KH2PO4 2 g、MgSO4·7H2O 1 g、VB1
0. 01 g、水 1 000 mL。
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(2)运用单因素和正交试验组合优化的适合于
双孢蘑菇工厂化喷洒播种的二级液体菌种繁育条件
为:揺瓶转速 150 r /min、培养温度 25℃、初始 pH
6. 0、接种量 12%、装液量 100 mL。在此条件下双孢
蘑菇菌丝体生物量干重可达到 25. 0 mg /mL,菌丝球
直径在 1. 5 ~ 2. 0 mm,菌丝球密度为 50 ~ 80 个 /mL。
(3)通过对最优条件下双孢蘑菇二级液体种子
培养过程中的各理化指标进行动态跟踪测定,确定
216 h为二级液体种子最适培养周期。
综上所述,本试验通过双孢蘑菇 As2796 菌株一
级液体种子培养基筛选,以及二级液体种子繁育条件
的优化,对双孢蘑菇工业化生产中液体菌种的生产条
件进行了探索,为蘑菇工业化生产提供依据。
参 考 文 献
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The optimization of spawn submerged culture condition of
Agaricus bisporus based in its industrial cultivation
Song De-long,Yun Jian-min,Ai Dui-yuan,Zhang Wen-wei,Wei Long
(College of Food Science and Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)
ABSTRACT In order to obtain the proper spawn fitting for industrial cultivation of Agaricus bisporus,the study was
carried out to increase the mycelium biomass and control the hyphal ball diameter and density in submerged culture
process. Using Agaricus bisporus As2796 as the strain,the single factor tests and orthogonal design method were em-
ployed to optimize medium composition and its liquid culture condition in the trial. The results showed that the opti-
mum medium composition for culturing Agaricus bisporus primary spawn in liquid was as follows:potato 80 g,brown
sugar 12 g,glucose 9. 0 g,peptone 2 g,yeast extract 1 g,KH2PO4 2 g ,MgSO4·7H2O 1 g,and VB1 0. 01 g in
1 000 mL water. The best liquid culture conditions for secondary spawn were as follows:shaking speed of 150 r /min,
culture temperature 25℃,initial pH 6. 0,inoculation quantity 12%,and filling with 100 mL fluid in 250mL flask.
Under the conditions,the hypha ball diameter could be controlled effectively in the range of 1. 5 mm to 2. 0 mm,and
mycelium biomass yield reached 25. 0 mg /mL (on a dry-weight basis).
Key words Agaricus bisporus,liquid spawn,industrial cultivation,submerged culture condition,optimization