Текст книги "Вешенка: великое будущее"

Вот мы и подошли к наиболее технологичному способу обработки субстрата – стерилизации. Целью стерилизации является полное уничтожение микроорганизмов в субстрате. Так как добиться этого можно разными способами, то мы остановимся на термической стерилизации.

Термическая стерилизация осуществляется путём воздействия высокой температуры на субстрат и присутствующие в нём микроорганизмы. Но поскольку полной стерилизации трудно добиться из – за высокой живучести некоторых видов микрофлоры в пассивной форме, то существуют разновидности способов стерилизации. Условно выделяют два вида стерилизации: сухая (которая осуществляется до увлажнения субстрата) и влажная (когда субстрат уже увлажнён). Если для сухой стерилизации используется как теплоноситель горячий воздух или сухой пар с низким содержанием влаги, то для влажной – насыщенный пар (при использовании сухого пара он все равно быстро насыщается при контакте с субстратом). По степени температурного воздействия следует выделить мягкую стерилизацию (как правило, без повышенного давления), стерилизацию под давлением и таутамеризацию (или дробную стерилизацию). Часто для усиления эффекта стерилизации её используют в сочетании с другими приёмами подготовки субстрата, которые мы планируем упомянуть при описании основных способов стерилизации.

Мягкая стерилизация

Мягкая стерилизация осуществляется для предварительно увлажненного субстрата без увеличения давления. Так как при 100 °C (плюс – минус с учётом атмосферного давления) вода закипает, то субстрат не нагревается выше 100 °C. По сути этот способ можно считать одним из видов пастеризации субстрата. Для большого количества микроорганизмов в пассивной фазе развития подобная температура не смертельна, поэтому зачастую при этом способе не удаётся уничтожить всю конкурирующую микрофлору. Однако в сочетании с другими операциями этот способ может дать хорошие результаты.

Давайте разберём пример мягкой стерилизации предварительно увлажнённого субстрата. Как правило, стерилизация проводится партиями, по объёму стерилизационной ёмкости. Пока наберётся партия, субстрат до начала стерилизации находится в увлажнённом состоянии иногда несколько часов, что является благоприятным для развития большинства микроорганизмов. Основная часть их переходит в активное состояние. После того, как субстрат помещают в стерилизационную ёмкость и начинают разогрев (подают в ёмкость горячий воздух или пар), температура субстрата начинает повышаться. Если скорость разогрева высока, большинство микроорганизмов не успевают перейти в пассивную форму и погибают, но если разогрев субстрата затягивается, то начинается процесс ферментации. В субстрате по мере разогрева виды активизировавшихся микроорганизмов в активной форме сменяют друг друга, оставляя после себя ферменты и антибиотические вещества. Качество ферментации зависит от продолжительности разогрева – достаточно ли времени будет для развития того или иного вида микрофлоры. Во время активного развития микроорганизмов (когда температура субстрата не превышает 45 °C), интенсивность ферментных реакций относительно невелика, однако при дальнейшем повышении температуры на каждые 10 °C их скорость увеличивается в несколько раз. Как мы уже говорили, во время ферментных реакций происходит улучшение доступности элементов питания в субстрате, а также они способствуют разрушению клеточных оболочек микроорганизмов. При высокой температуре, близкой к 100 °C, начинается разложение ферментов и некоторых других веществ микробиологической природы, неблагоприятных для развития вешенки. Таким образом, активность процесса улучшения доступности элементов питания возрастает при повышении температуры субстрата вплоть до температуры их дезактивации и разрушения. Поэтому если не удаётся разогреть субстрат настолько быстро, чтобы уничтожить активизировавшуюся микрофлору, то иногда стоит увеличить время обработки. После окончания стерилизации температура субстрата чересчур высока для проведения инокуляции. Его необходимо остудить. Так как субстрат может потерять свою стерильность при длительном остывании в контакте с внешним воздухом, богатом спорами микроорганизмов, то остывание субстрата лучше проводить в замкнутом объёме с подачей чистого воздуха или за счёт охлаждения внешней поверхности стерилизационного сосуда.

При мягкой стерилизации с сухим субстратом (перед его увлажнением) происходят процессы, отличающиеся от только что рассмотренного способа. Так как в сухом субстрате влажность невысока, то его можно разогреть выше 100 °C, что значительно увеличивает эффективность стерилизации. При сухой стерилизации целлюлозосодержащего субстрата верхним пределом температуры является около 130 °C, выше которой начинается обугливание клетчатки. Естественно, если в субстрате содержится высокая концентрация вещества при более низкой температуре, то температура стерилизации также будет ниже. При отсутствии влаги в субстрате ферментация не происходит, однако под воздействием высокой температуры происходит распад высокомолекулярных веществ на более простые, что улучшает питательность субстрата, но масштаб происходящих изменений в субстрате намного меньше, чем при ферментации или стерилизации под давлением.

Сухой способ стерилизации имеет ряд преимуществ:

• при разогреве не надо греть воду, что в несколько раз снижает теплозатраты;

• стерилизация происходит при более высокой температуре, что обеспечивает более качественную дезинфекцию субстрата (хотя теплопроводность сухого субстрата ниже, чем влажного, ускорить разогрев можно с помощью продувки разогретого воздуха сквозь субстрат);

• при остывании субстрата на нём не происходит развития конкурирующих микроорганизмов до увлажнения.

Применение стерилизации сухого субстрата требует увлажнения субстрата перед инокуляцией мицелия вешенки. Вода для этих целей должна быть очищенной от микроорганизмов. При увлажнении легко регулировать температуру субстрата, поэтому специальные операции и время для его остужения не требуются.

Стерилизация под давлением

Как мы уже упоминали, при стерилизации субстрата высокое значение имеет температура. При стерилизации влажного субстрата предел температуры ограничивается температурой вскипания воды при нормальном давлении (около 100 °C). Однако при повышении давления температура вскипания воды повышается. Так, например, при давлении 2 атм температура вскипания достигает 128 °C. Таким образом, температура стерилизации может быть увеличена за счёт увеличения давления. Обугливание клетчатки начинается выше 130 °C, что позволяет производить стерилизацию под давлением до 2, 2 атм.

Рис. 13 и 14. Наиболее эффективным способом основной подготовки субстрата является стерилизация под давлением. Стерилизация осуществляется за счёт высокой температуры пара. Чтобы вся масса субстрата равномерно простерилизовалась за короткое время, используют перепад давления пара (подача – сброс пара). Стерилизацию можно осуществлять как для сухого субстрата (увлажнение после стерилизации), так и для увлажнённого. Вместо пара можно использовать перегретую воду (температура выше 100 °C), подаваемую в стерилизатор под давлением, а после завершения стерилизации её также под давлением выталкивают. При продувке паром или чистым воздухом под напором происходит выравнивание влажности субстрата

При стерилизации увлажнённого субстрата под давлением он проходит те же этапы, что и при мягкой. При длительном разогреве или применении ферментации субстрата также происходят ферментные реакции, но их масштаб и глубина часто превосходят мягкую стерилизацию. Под давлением происходит более качественное уничтожение микроорганизмов. Кроме того, возможность прогонять через субстрат горячий пар (путём сброса давления) обеспечивает более равномерный разогрев субстрата во всём объёме, нормализацию влажности и улучшение механического состава субстрата (при резком понижении давления вода вскипает в субстрате, вызывая его разрыхление). Так как под давлением качество стерилизации и превращения веществ происходит значительно быстрее, то процесс стерилизации может занимать от нескольких часов до нескольких минут, что значительно увеличивает эффективность использования технологического оборудования по сравнению с ферментацией, пастеризацией или мягкой стерилизацией.

При стерилизации под давлением увлажнённого хлопкового орешка его урожайность была на 20–30 % выше, чем при пастеризации, причём в основном улучшались качество и величина первой волны плодоношения. Однако риск развития микроорганизмов после подобной стерилизации остаётся – часто из – за заражения субстрата после стерилизации, перед или во время инокуляции.

Дробная стерилизация

Так как при мягкой стерилизации или под давлением остаётся риск сохранения в живых определённой части микрофлоры, то для более качественного её уничтожения применяют дробную стерилизацию или таутамеризацию. Суть её сводится к следующему. В стерилизованном влажном субстрате при остывании активизируются выжившие микроорганизмы. Если им создать благоприятные условия для развития и время, достаточное для пробуждения, то при повторной стерилизации основная часть их будет уничтожена. При трёхкратной стерилизации подобным образом удаётся достичь очень высокой степени стерильности субстрата. Следует заметить, что если во время провокационной экспозиции (выдержке) субстрата при благоприятных для развития микрофлоры условиях микроорганизмам дать достаточно времени для развития (но не размножения), то во время повторной стерилизации за счёт их ферментов удастся добиться улучшения доступности элементов питания для вешенки. При трехкратной стерилизации медицинской ваты с периодичностью одни сутки удалось достичь рекордной урожайности – 225 % грибов от массы сухого субстрата в течение 4 волн плодоношения.

Несмотря на явные преимущества метода дробной стерилизации, при его применении теряется основное достоинство стерилизации под давлением – эффективность использования технологического оборудования. Поэтому таутамеризация в основном используется в исследовательских целях и для получения особо чистого от микроорганизмов субстрата.

Как мы видим, после термической обработки субстрата остаётся актуальной задача сохранения его стерильности вплоть до полного зарастания мицелием вешенки. Её можно частично решить с помощью использования химических средств защиты. Поскольку термическая обработка субстрата сама по себе является средством уничтожения микроорганизмов, то количество требующихся пестицидов будет значительно меньше, чем при самостоятельном использовании химического способа стерилизации. При совместном использовании ферментации, термической обработки и химического способа обработки субстрата можно добиться практически идеально подготовленного субстрата (представленным высокодоступными элементами питания, защищёнными от развития конкурентных микроорганизмов). Но поскольку абсолютная безвредность антибиотических химических соединений для человека и окружающей среды остаётся не окончательно доказанной, то применение термических способов обработки субстрата остаётся наиболее перспективным направлением для практического использования.

Как мы знаем, для достижения оптимальных стартовых условий развития мицелия вешенки после инокуляции неплохо бы устранить или снизить количество конкурирующих микроорганизмов. Хорошо себя показала термическая обработка субстрата, но она имеет три основных недостатка:

• энергоёмкость;

• потребность в особом технологическом оборудовании и специально приспособленном сооружении для его размещения;

• отсутствие последействия (если после обработки микроорганизмы попадают на субстрат, то они могут успешно развиваться).

Одним из способов минимизации этих недостатков является химическая обработка субстрата. Как правило, её применяют во время увлажнения субстрата. В этом случае практически не требуется затрат энергии; время обработки сведено до минимума, что снижает необходимость в дорогостоящем оборудовании и месте для его размещения; и что наиболее привлекательно – действие препарата продолжается и после инокуляции. Чем не здорово?

Однако в применении химического способа есть также свои сложности, связанные с действием химического вещества. Для эффективного его использования оно должно отвечать ряду требований:

• быть эффективным в подавлении развития конкурирующей микрофлоры и вредителей вешенки;

• быть безопасным для развития вешенки и формирования обильного урожая;

• быть безопасным для людей во время работы на производстве и употреблении грибов в пищу;

• быть безопасным для окружающей среды на всех стадиях использования (от производства вещества до утилизации отработанного субстрата).

Поскольку далеко не все препараты и способы их применения безоговорочно соответствуют этим требованиям, то перспектива замены термической обработки химической выглядит весьма туманно. Кроме того, антибиотические химические вещества, используемые для защиты субстрата, хоть и позволяют использовать для выращивания вешенки отличные от целлюлозы источники питания, но сами мало влияют на улучшение доступности элементов питания. Однако совместное применение этого способа с другими вышеописанными может принести следующие преимущества:

1. При использовании термического способа перед химическим можно улучшить доступность элементов питания для вешенки и защитить их действием химических препаратов. Причём возможность использования меньшей концентрации химических веществ потенциально снижает их вредное воздействие.

2. При использовании ферментации перед химической обработкой субстрата можно также улучшить доступность элементов питания для вешенки и предупредить развитие микрофлоры, причём практически без использования энергоресурсов. С экономической и экологической точки зрения уменьшение энергозатрат может быть не менее важно, чем ограждение окружающей среды от действия малотоксичных химических веществ защиты.

Как мы уже упоминали, для эффективного производства грибов вешенки совершенно не обязательно уничтожать имеющуюся микрофлору. Можно просто создать условия для активного роста и развития вешенки, в которых с ней не смогут конкурировать микроорганизмы (с помощью ферментации, например), либо выбрать изначально чистый от микроорганизмов субстрат, на котором вешенка сможет развиваться успешнее других видов грибов или микроорганизмов, например, при использовании для её выращивания чурбаков или пней в условиях, максимально приближенных к природным. Мы рассматривали его в выборе субстрата, но поскольку этот способ не является достаточно интенсивным и не позволяет получать качественные грибы в не грибной сезон, то мы его рассматривать в этой книге не будем.

При подготовке субстрата важную роль играет доступность элементов питания для роста, развития мицелия вешенки и формирования обильного урожая. Доступность элементов питания во многом зависит от влажности субстрата. Как мы уже знаем, клетки мицелия выделяют во внешнюю среду ферменты, которые воздействуют на субстрат, разлагают его на растворимые легкодоступные элементы, которые в виде водного раствора впитываются обратно клетками. Таким образом, основные процессы питания происходят в водной среде. Можно предположить, что чем больше влаги в свободном виде содержится в субстрате, тем эффективнее идут процессы обмена веществ (в том числе и питания).

Давайте рассмотрим влияние влажности субстрата на урожайность. Как мы знаем, при традиционных способах выращивания вешенки во время зарастания и плодоношения ни субстрат, ни плодовые тела не берут существенно влагу извне – источником влаги является увлажнённый субстрат перед инокуляцией. Теоретически, поскольку свежие грибы содержат около 90 % влаги, идеальный субстрат (переходящий на 100 % в тело гриба) для избежания дефицита влаги должен также содержать около 90 % воды. Хотя на практике этого достичь ещё не удалось, но, предположим, у нас имеется 100 % целлюлоза в качестве субстрата при влажности 65 %. Предположим, целлюлоза может без остатка и расхода перейти в органическое вещество вешенки (на самом деле значительно меньше). Тогда, если учесть, что влажность плодовых тел около 90 % (для простоты расчёта возьмём 90 %), то есть на формирование 1 кг грибов расходуется 0, 1 кг целлюлозы и 0, 9 кг воды, то с 1 кг нашего субстрата можно получить не более 720 г. плодовых тел и мицелия вешенки. На формирование 720 г. плодовых тел и мицелия вешенки должно быть использовано органическое вещество только с 80 г. целлюлозы – 77 % целлюлозы осталось в качестве балласта или в лучшем случае послужили источником энергии для развития вешенки. Однако источником влаги также может являться клетчатка. При окислении 1 кг целлюлозы образуется 0, 6 кг воды. В этом случае можно предположить, что невостребованная клетчатка для строительства клеток вешенки (в 1 кг увлажнённого субстрата при влажности 65 % содержится 350 г. целлюлозы, минус 80 г. на формирование 720 г плодовых тел и мицелия – остаётся 270 г) используется как энергетический источник – попросту окисляется. Таким образом, за счёт окисления целлюлозы влаги хватит на формирование дополнительно до 150 г. плодовых тел. В общей сложности это составит до 870 г. плодовых тел вешенки с 1 кг влажного субстрата или 249 % от массы сухого субстрата.

Теперь возьмём этот же субстрат с влажностью 75 %. В этом случае влаги хватит на формирование до 830 г. плодовых тел, а разложения оставшейся клетчатки ещё до 95 г, что в общем составит 925 г. плодовых тел вешенки с 1 кг влажного субстрата или 370 % от массы сухого субстрата. Таким образом, увеличение влажности субстрата с 65 % до 75 % увеличивает эффективность использования сухого вещества почти в полтора раза.

Конечно, мы знаем, что не вся целлюлоза может перейти в тело гриба. Очевидно, что часть тела гриба остаётся в субстрате в качестве мицелия, значит выход плодовых тел вешенки будет значительно меньше. А потом, при промышленном выращивании не целесообразно держать субстрат до полного его разложения, причём в его разложении участвуют и другие микроорганизмы. Но даже принимая во внимание все эти доводы, напрашивается вывод: давай больше влаги – получишь больше урожай.

Осталось только подобрать субстрат, который бы в идеале смог держать влажность до 90 % (если принять все вышеизложенные предположения, то по вышеприведённым расчётам он обеспечил бы до 1000 % выход плодовых тел и мицелия вешенки с сухого субстрата). Практически при увеличении влажности стерильного субстрата с 30–40 % до 65–75 % происходило увеличение урожайности, но в дальнейшем при всех попытках довести влажность субстрата до 90 % урожайность не только не увеличивалась, чаще бывало, что мицелий не хотел расти на подобном субстрате, и до плодоношения дело не доходило.

В чём же причина? Для создания оптимальных условий развития вешенки также необходим кислород. При увеличении влажности субстрата настолько, что во внутреннем пространстве жидкостная влага вытесняет воздух, развитие вешенки замедляется. В таких условиях хорошо развиваются анаэробные бактерии, конкурирующие с вешенкой за питательные вещества. Словом, ничего хорошего не получается. Что же делать? Создавать оптимальную плотность субстрата.

Плотность субстрата – количество субстрата в единице объёма – характеризует соотношение сухого вещества, воды и воздушного пространства. Хотя это соотношение во многом зависит от вида субстрата, его измельчения и равномерности плотности во всём объёме, для большинства видов субстрата оптимальная плотность не превышает 140–170 кг сухого вещества на 1 м3 или 400–550 кг увлажнённого субстрата при влажности 65–70 %.

Для удобства расчётов плотность субстрата легче считать в относительной плотности на воду: 140–170 кг сухого вещества соответственно примерно равны 1/7 и 1/6 плотности воды. Например, при плотности воды 1000 кг/м3 1/6 плотности воды составит 1000 / 6 = 167 кг/м3, а 1/7 составит 143 кг/м3.

Допустим, увлажнённый субстрат равномерно занимает объём. Влажность субстрата 65 %. Плотность на воду составляет 1/6. По весу в 1 кг субстрата содержится 35 % сухого вещества, 65 % воды и почти 0 % по весу газообразных веществ (воздуха). Но если мы возьмём объём, например, 1 м3 (1000 л), при плотности воды 1000 кг/м3 и сухого вещества 800 кг/м3, то:

• сухое вещество займёт 1000 л / 6 / 800 кг = почти 21 %,

• вода 21 % сухого вещества (65 % воды / 35 % сухого вещества) × (800 кг сухого вещества / 1000 кг воды в 1 м3) = 31 %,

• следовательно воздух занимает 100 % – 21 % – 31 % = 48 %.

Таким образом, хотя воздушная среда по весу занимает практически ничего (мало влияет на ход химических процессов), по объёму она составляет почти половину. Практически трудно добиться большей плотности равномерной забивки субстрата без риска возникновения проблем зарастания (замедление зарастания или закисание субстрата). Однажды нам удавалось достичь плотности 1/5 при равномерной забивке хлопковой ваты, но влажность была на уровне 45 %. Зарастание прошло хорошо, но плодоношения не было – для полноценного накопления питательных веществ необходимых для формирования урожая необходима вода. По – видимому, основой проблемы зарастания при высокой плотности равномерно забитого субстрата является образование слабо проходимых для вешенки скоплений воды и субстрата (нарушение равномерности распределения сухого субстрата, воды и газообразной среды), где развиваются анаэробные микроорганизмы, которые, подкисляя среду, делают её ещё менее пригодной для роста вешенки. Для высокопроизводительных видов субстрата (где волокна целлюлозы равномерно распределены в объёме отдельно друг от друга) возможно достичь ещё большую плотность без ухудшения зарастания и плодоношения, если добиться сохранения равномерности распределения субстрата в объёме и ориентировать волокна таким образом, чтобы мицелий смог беспрепятственно захватить их.

Теперь давайте рассмотрим плотность субстрата с точки зрения экономической эффективности выращивания грибов. Допустим, мы знаем, что максимальная оптимальная плотность сухого вещества (при этой величине вешенка хорошо растёт и даёт хороший урожай, но при большей – происходит ухудшение роста и снижение урожайности) составляет около 1/6 плотности воды. Произошло снижение плотности до 1/7, что не привело к увеличению урожайности с единицы сухого субстрата. Так как в производстве используются определённые ёмкости для зарастания субстрата и плодоношения, которые размещаются определённым образом в культивационных сооружениях (постоянное количество ёмкостей на единицу площади сооружения), то при снижении плотности сухого вещества субстрата с 1/6 плотности воды до 1/7 количество сухого вещества на 1 м2 культивационного сооружения уменьшится на 13 %. Другими словами, при тех же затратах на 1 м2 культивационных сооружений урожай будет ниже почти на 13 %. Таким образом, становится понятно, что плотность субстрата при зарастании и плодоношении не должна быть существенно ниже максимальной оптимальной.

Хотя плотность сухого субстрата при зарастании и плодоношении – величина довольно стабильная, при подготовке субстрата она может сильно варьироваться, поскольку не столько зависит от особенности условий роста вешенки, сколько от условий технологического процесса. Например, при плотности сухого вещества соломистого субстрата выше 1/10 плотности воды или 100 кг на м3 эффективность промывки водой резко снижается. При таких операциях, как освобождение от посторонних примесей в воде или в воздушном потоке, плотность субстрата должна быть ещё ниже. При стерилизации субстрата продувкой горячим паром или воздухом плотность субстрата зависит от толщины продуваемого слоя и мощности потока. Таким образом, при выборе оптимальной плотности для проведения технологических операций по подготовке субстрата лучше руководствоваться практическими результатами на конкретной производственной линии.