《Applied Microbiology and Biotechnology》：Valorisation of spent mushroom substrate by secondary microbial fermentation
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这篇综述系统性地探讨了利用次级微生物发酵对废菌糠(SMS)进行高值化转化的前沿研究。文章指出，全球每年产生约1.64亿吨SMS，其残余纤维组分（纤维素、半纤维素和木质素）因初次发酵的食用菌种类和原始基质不同而存在显著差异。综述重点阐述了SMS在生物能源（如生物乙醇、生物丁醇、沼气）、改良反刍动物饲料、酶制剂生产、高价值微生物化合物（如抗菌肽、多不饱和脂肪酸）以及生物肥料等多个领域的应用潜力与挑战，并强调了实现工业化需解决大规模固态发酵(SSF)中的传质传热等问题。
引言
全球蘑菇年产量超过4500万吨，其生长依赖于木质纤维素基质。采收后剩余的废菌糠(Spent Mushroom Substrate, SMS)通常被视为低价值废弃物。然而，SMS中仍含有大量未被完全利用的纤维素、半纤维素和木质素，其具体含量因使用的白腐菌(White-rot fungi)种类和原始基质的不同而存在显著差异。这种残留的纤维成分为后续的次级发酵(Secondary fermentation)或两步发酵(Two-step fermentation)提供了底物，从而实现SMS的价值化(Valorisation)。此过程受自然环境中微生物演替的启发，例如在木材腐烂过程中，白腐菌作为初级定殖者后，通常会由生长更快的真菌（如木霉属Trichoderma sp.）等接替，开启次级定殖阶段。
蘑菇产业与废菌糠(SMS)
在已知的14,000种白腐菌（蘑菇）中，仅约90种可实现人工栽培。其中，香菇(Lentinus edodes)、平菇(Pleurotus sp.)和黑木耳(Auricularia heimuer)是全球产量最高的三种“野生”蘑菇，分别达到1290万、1193万和710万吨。而双孢蘑菇(Agaricus bisporus)虽总产量最高（1326万吨），但其主要生长在覆土上。一个普遍接受的估算是，每生产1公斤蘑菇，约产生5公斤SMS。中国是全球最大的蘑菇生产国（4110万吨/年），因此SMS的管理与价值化尤为重要。SMS的纤维组成高度可变，取决于原始基质（如锯末SD、麦秸WS、稻草PS）和食用菌种类。例如，在橡胶树木屑中，平菇(P. ostreatus)相比木耳(A. auricula)和肺形平菇(P. pulmonarius)降解了更多的半纤维素(Hemicellulose)，但对木质素(Lignin)的降解较少。这种差异直接影响了SMS作为次级发酵底物的特性。
SMS的次级发酵
次级发酵主要通过固态发酵(Solid-state fermentation, SSF)或先将SMS中有用可溶性物质回收用于液体发酵来实现。其核心应用领域包括：
SMS在能源生产中的应用
生物乙醇生产是SMS价值化的重点方向。使用商业酶制剂（如40 FPU/g-底物的纤维素酶）处理SMS，糖化率可达90%以上，但成本高昂。替代策略包括使用从美国温泉中分离的微生物复合体SV79进行发酵，可产乙醇2.13 mM/g SMS，约合124升/吨SMS。相比而言，第一代生物乙醇（以玉米、甘蔗为原料）产率可达447升/吨，而经过离子液体、AFEX等预处理的第二代生物乙醇（以小麦秸等为原料）产率为251-330升/吨，SMS基生物乙醇在产率上仍有差距，但提供了废物利用的路径。此外，利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)发酵SMS水解液可生产生物丁醇，产量可达10-14 g/L。厌氧发酵SMS生产沼气（甲烷和二氧化碳）也是一种有效方式，接种木霉(Trichoderma viride)或利用空气中天然存在的青霉(Penicillium sp.)孢子进行微生物预处理可提高产气量。利用热纤梭菌(C. thermocellum)在55°C下发酵SMS168小时可产生40 mM生物氢(Biohydrogen)，添加外源β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)后产量可提升至56 mM。甚至可将SMS用于微生物燃料电池(Microbial fuel cell)，在实现反硝化作用的同时产生平均153 mV的电压。
食品与动物饲料生产
SMS可部分混合新鲜基质后重新接种另一种蘑菇（如平菇）进行栽培，但最佳混合比例需探索，且成本效益是关键。将SMS通过乳酸菌（如植物乳杆菌Lactobacillus plantarum）进行青贮(Ensiling)，制成保存性好的反刍动物饲料是另一重要应用。接种乳酸菌后，SMS的pH可从5.3降至3.8，有效抑制杂菌。SMS水解液也可作为基质，通过被孢霉(Mortierella sp.)发酵生产鱼类饲料所需的花生四烯酸(Arachidonic acid)，产量可达45 mg/g干物质。此外，从金针菇(Enoki) SMS获得的滤液，补充糖类后接种乳酸菌、醋酸菌和酵母，可制成促进肠道健康和免疫的益生菌液。
酶生产
虽然可以直接从SMS中提取酶，但通过接种生长迅速、产酶能力强的里氏木霉(Trichoderma reesei Rut C30)或曲霉(Aspergillus)进行次级发酵，能获得更高的酶活。研究表明，在经毛木耳(Auricularia polytricha)或平菇预消化、并洗去抑制剂（如糠醛Furfural）的SMS上培养里氏木霉，其纤维素酶(Cellulase)活性可比原始基质提高八倍以上。从厌氧消化物中筛选的嗜热微生物菌群在50°C下于经1% NaOH预处理的SMS上生长，所产生的酶在相同温度下比商业酶具有更长的半衰期。
微生物有用化合物的生产
SMS可作为发酵基质生产高价值化合物。例如，在杏鲍菇(P. eryngii) SMS中添加黄粉虫粪便（比例4:1）栽培茶树菇(Agrocybe chaxingu)，其生物效率可达63%。在平菇SMS中添加玉米糖浆或甘油培养白色链霉菌(Streptomyces albus)，可产生具有抗菌活性的ε-聚赖氨酸(Poly(ε-L-lysine))和聚(L-二氨基丙酸)(Poly(L-diaminopropionic acid))，能将葡萄汁的保质期延长30天。SMS的酸水解液可用于培养乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)生产乳酸或乳酸链球菌肽(Nisin)。对尚未商业化栽培的野生蘑菇Lentinus crinitus的SMS进行水解，其水解物能显著促进副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)的生长（提高55%），并且该水解物对米根霉(Rhizopus oryzae)和鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)显示出与酮康唑(Ketoconazole)和土霉素(Oxytetracycline)相当的抗菌活性。
农业用途
直接施用SMS到农田，可以刺激有益细菌生长，并抑制如尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)等作物病原体。其价值可通过接种特定微生物进一步提升，例如接种从堆肥中分离的毕赤酵母(Pichia farinosa FL7)，该菌株能在宽温度（5-45°C）、pH（3-10）和盐度（0-23% NaCl）范围内溶解释放磷酸盐。从SMS中筛选出的具有较高纤维素酶活性的耐热微生物（包括一株能溶解无机磷的芽孢杆菌Bacillus sp.）菌群，重新接种回SMS可改善其肥料特性。堆肥化处理SMS能增加放线菌门(Actinobacteria)和子囊菌门(Ascomycota)的丰度，并显著提高氮、磷含量。
大规模发酵
将SMS的次级发酵推向工业化，需要解决大规模固态发酵中的工程问题。主要的反应器类型包括鼓式反应器(Drum reactor)、流化床反应器(Fluidised bed reactor)、填充床反应器(Packed bed reactor)和托盘反应器(Tray reactor)。关键控制因素是充足的通风以保证连续生长，以及有效的热量移除以防止过热抑制微生物活性。在利用托盘反应器（静态系统，适用于如云芝Trametes versicolor等易成团菌株）或搅拌式反应器（适用于如里氏木霉等产孢丰富的快速生长菌株）进行放大实验时，都观察到因强制通风导致的水分流失问题，需要妥善管理。早期在25 L和3400 L圆柱形生物反应器中栽培香菇于小麦秸上的研究表明，每天8转的转速最适合菌丝生长，过高转速会破坏菌丝体(Mycelium)降低其活力。在6 L搅拌式反应器中用松木片和橙皮混合物培养毛边云芝(Trametes hirsuta)生产漆酶(Laccase)时，结块(Clumping)是需要克服的技术难题。
结论
白腐菌对木质纤维素的部分降解使得SMS成为次级发酵的宝贵资源。深入研究不同白腐菌对统一制备的蘑菇基质的影响，不仅限于纤维组分，还应包括其他可代谢物和抑制物，对于精准指导SMS的高值化利用至关重要。利用次级发酵将全球每年产生的巨量SMS转化为生物能源、改良饲料、酶制剂、高价值化学品和生物肥料，存在着真实的商业化机遇，但需要进一步优化大规模发酵工艺以实现经济可行性。
