г. Саратов
+79658880404

«Влияние влажности субстрата на его селективность»

24.08.2016 22:53
«Влияние влажности субстрата на его селективность»
        Селективность субстрата - это совокупность свойств, обеспечивающих благоприятные  
условия  для развития мицелия культивируемого гриба в присутствии конкурентных организмов. При выращивании вешенки приготовление селективного субстрата является одной из важнейших задач. Селективность складывается из биологических, химических и физических характеристик субстрата (табл. 1).
 
                 Таблица 1.  Основные факторы селективности субстрата
 
Биологические факторы селективности.
 
Уровень инфицированности исходного сырья конкурентной микрофлорой определяет пригодность субстрата для выращивания вешенки.
Термическая обработка не обеспечивает 100% гибели конкурентных организмов и чем выше их начальная численность, тем больше остается конкурентов после обработки. Снизить зараженность сырья можно, если заготавливать и хранить его в сухих условиях и постоянно контролировать качество на всех этапах заготовки. Низкий инфекционный фон создает благоприятные условия для развития мицелия вешенки и способствует быстрой колонизации субстрата.
Другой биологический фактор - полезные термофильные бактерии рода Bacillus, которые утилизируют легкодоступные питательные вещества (ЛПВ) и продуцируют вещества, тормозящие развитие конкурентных вешенке микроорганизмов. Нарастить популяцию термофильных бактерий можно путем ферментации субстрата обязательно в аэробных условиях при температуре 45-55°С в течение 24-48 часов. Для повышения эффективности ферментации к соломе добавляют 10-15% сена бобовых трав, которое содержит большое количество термофильных бактерии.
 
Химические факторы селективности.
 
Реакция среды (рН) оказывает сильное влияние на развитие микроорганизмов.
 При слабощелочной реакции (рН 7,5-8,5) тормозится рост мицелия зеленой плесени
 Trichoderma и в тоже время в этом диапазоне рН  хорошо развиваются
термофильные бактерии. При ферментации рН субстрата возрастает до 8,0-8,5.
Мицелий вешенки толерантен к щелочной среде и может хорошо расти и  при рН от 7,5-9,0.
Для защелачивания в субстрат добавляют известь или мел.
Легкодоступные питательные вещества (ЛПВ) - важный фактор селективности субстрата. Высокий уровень ЛПВ в субстрате способствует развитию конкурентных плесеней и бактерий.
Чтобы снизить содержание ЛПВ субстрат либо замачивают в воде (вымывание ЛПВ), либо ферментируют. При высокотемпературной ферментации (45-55°С) термофильные бактерии утилизируют ЛПВ и лишают конкурентные организмы доступного им питания.
 
Физические факторы селективности.
 
Температура субстрата определяет состав микроорганизмов. Вешенка относится к мезофильным организмам и хорошо развивается в диапазоне температур от 22 до 30°С, при оптимуме в 25°С. Если температура в субстрате повышается до 35° и выше, развитие мицелия вешенки приостанавливается, но зато активизируются конкурентные плесени. При температуре ниже 20°С у мицелия вешенки снижается скорость роста и конкурентные организмы, преимущественно психрофильные бактерии получают возможность заселить отдельные зоны субстрата, в результате получается «пятнистый блок». Поэтому в период инкубации необходимо поднимать температуру воздуха в камере до уровня, обеспечивающего оптимальный режим температуры в субстратном блоке (25-30°С).
Плотность субстрата оказывает влияние на газообмен и уровень накопления СО2. Низкая плотность субстрата не позволяет мицелию вешенки создать крепкий блок и поддерживать в субстрате высокий уровень СО2, который является селективным фактором, ограничивая развитие конкурентов. Рост мицелия вешенки существенно ускоряется при увеличении концентрации СО2 в субстрате до 20-25%, а спороношение Trichoderma при таком уровне СО2 совершенно прекращается. Оптимальная плотность субстрата зависит от его структуры и влажности. Чем выше влагосодержание субстрата, тем выше может быть плотность (табл. 2). Однако при переуплотнении субстрата резко снижается газообмен, и рост мицелия тормозится из-за недостатка кислорода. То же самое происходит и при переувлажнении. В обоих случаях объем газовой фазы субстрата уменьшается ниже допустимого предела. Самая опасная ситуация для мицелия создается, когда субстрат переувлажняют и слишком сильно уплотняют.
 
Таблица 2.Физические параметры субстратного блока
 
Объем блока - 30 л, габариты: диаметр - 22 см, высота - 80 см.
 
 
Показатели
Влажность субстрата, %
64
67
70
73
75
Сухое вещество, кг
5
5
5
5
5
Вода, кг
8,8
10
11,6
13,5
15
Общая масса, кг
13,8
15,0
16,6
18,5
20
Плотность, кг/л
0,46
0,50
0,55
0,62
0,67
Газовая фаза, % от общего объема
44
40
35
28
16
 
 
Оптимальная влажность субстрата 65-70%/ Оптимальный объем газовой фазы > 30% Оптимальная плотность субстрата 0,45-0,60 кг/л.
Влажность субстрата - один из важнейших факторов селективности. В природных условиях вешенка произрастает на древесине с естественной влажностью в пределах 40-55%. При такой влажности развитие конкурентных бактерий сильно ограничено. При выращивании вешенки на рыхлых лигноцеллюлозных субстратах стараются сильно увлажнить субстрат в начальный подготовительный период, чтобы запаса воды хватило на 2-3 волны плодоношения. Однако, если субстрат имеет невысокую влагоемкость, то избыточная свободная вода заполняет воздушные поры в субстрате, образуя анаэробные зоны. В таких зонах первоначально развиваются бактерии, вырабатывающие токсичные для вешенки метаболиты. В дальнейшем в этих свободных от мицелия вешенки зонах появляется зеленая плесень Trichoderma.
Чтобы более ясно представить состояние воды в субстрате, ее формы и основные функции
рассмотрим фазовый состав субстрата. С физической точки
зрения любой субстрат можно представить как совокупность твердой, жидкой и газовой фазы
(табл. 3).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Таблица 3. Фазовый состав субстрата
 
Фаза
Характеристика, свойства
Твердая
1. Матричная структура - размеры, форма, прочность частиц.
2. Гетерогенность - градиенты температуры, влажности, концентрации газов.
3. Плотность - определяет газообмен, теплопередачу.
4. Питательность - белки, углеводы, жиры, минеральные вещества.
5. Микрофлора - полезная, конкурентная.
6. Тепловыделение - метаболическая  активность  микрофлоры  и мицелия (15-45 КДЖ/г сухого вещества).
Жидкая
1.   Формы   воды:    прочносвязанная   (W<23%),   адсорбированная, капиллярная (W<70%), свободная (W>70%).
2.   Технологическая вода (вносят при приготовлении субстрата, ~70% от всей массы), метаболлическая вода (выделяется в процессе жизнедеятельности в количестве 0,5г на  1г  переработанного грибом сухого вещства).
3.   Вода   -   основной   аккумулятор   тепла   (высокая   удельная теплоемкость). Отвод тепла осуществляется преимущественно за счет испарения воды.
 4.   Матричный потенциал - имеет обратную связь с влагосодержанием. Осмотический потенциал связан впрямую с содержанием солей.
Газовая
1. Состав и концентрация газов (О2 и СО2). Содержание О2 1-15%, СО2 - 20-25%. 2. Диффузия газов - связана с пористостью,  размером частиц, влагосодержанием, градиентом концентрации. Газообмен в воде снижается в 10000 раз.
3. Аэробные   и   анаэробные   условия.   В   анаэробных   условиях образуются токсичные продукты метаболизма (кислоты, соединения S и N), тепловыделения снижается в 100 раз.
4. Токсичные газы. Аммиак (NH3).
 
Твердая фаза - это основа субстрата. Она имеет различную структуру в зависимости от размеров, формы и прочности составляющих ее частиц. Структура и плотность субстрата определяют его газообмен и теплопередачу. Чем плотнее субстрат, тем меньше газообмен и больше теплопередача.
Твердая фаза обеспечивает мицелий вешенки питанием. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов субстрата и роста мицелия вешенки выделяется углекислый газ и биологическое тепло. При утилизации 1 г сухого вещества субстрата выделяется от 15 до 45 Кдж энергии. Основная масса энергии поглощается водной фазой субстрата, так как вода имеет высокую теплоемкость. Часть тепла отводится при испарении воды (испарительное охлаждение) и меньшая часть путем конвекции.
Твердая фаза гетерогенна, что обусловливает возникновение градиента по влажности, концентрации газов и температуре. Измерение градиентов физических параметров и их направленность дает очень важную информацию, помогающую понять ход биологических процессов в субстрате на различных фазах развития культуры гриба.
Газовая фаза.
Между частицами и внутри частиц субстрата имеется свободное пространство, которое занимает газовая фаза. Состав газов внутри субстрата отличается от состава воздуха меньшим содержанием кислорода (1-15%) и большим содержанием СО2 (5-25% против 0,03% в воздухе). Скорость диффузии газов связана со структурой субстрата, градиентом концентрации и влагосодержанием. Особенно резко газообмен снижается при наличии большого
количества свободной воды, так как в воде растворимость газов уменьшается в 10000 раз. Вследствие этого в субстрате могут создаться анаэробные условия. Анаэробный метаболизм характеризуется низким тепловыделением и образованием большого количества органических кислот (закисление) и токсичных газов (соединения азота и серы) с неприятным запахом. Анаэробные бактерии выделяют токсические для мицелия вешенки вещества. В таких зонах субстрат не зарастает мицелием и внешне они выглядят как темные пятна на фоне
 белого обросшего мицелием субстрата. В дальнейшем в этих зонах могут развиваться конкурентные плесени. Поэтому очень важно в период инкубации поддерживать в субстрате аэробные условия.
 
Водная фаза.
Вода в субстрате находится в различных состояниях. Прочносвязанная вода не может использоваться микроорганизмами. Для древесины уровень влажности соответствующий максимальному количеству прочносвязанной воды составляет 20-23%. При дальнейшем насыщении водой древесины на поверхности клеток образуется тонкая пленка воды, которая дает возможность микроорганизмам осуществлять внеклеточное или экзогенное питание. Клетки мицелия грибов выделяют наружу ферменты, разрушающие полисахариды (целлюлоза), белки и другие сложные растительные полимеры (лигнин).
Затем полученные мономеры (сахара, аминокислоты) всасываются через клеточную стенку и используются в качестве питания (рис. 1). Такой тип питания возможен только при наличии слабосвязанной или адсорбированной воды. В зависимости от химического состава и строения субстратов максимальный уровень адсорбированной воды может существенно колебаться.
 
 
 
Рисунок 1. Механизм деструкции растительного сырья при нормальной и высокой влажности субстрата    
 
 
 
Максимальное количество воды, удерживаемое определенным субстратом при полном насыщении, называется влагоемкостью и определяется по следующей формуле:
 
W = ( МВ /  МС.В..) х 100%, где
МВ- масса воды
МС.В. - масса сухого вещества.
Субстраты с наиболее тонкой волокнистой структурой и большой адсорбирующей поверхностью имеют наиболее высокую влагоемкость. Так солома имеет влагоемкость на уровне 250-300%, хлопковые очесы 400-600, а мох сфагнум до 900%. Чем выше влагоемкость субстрата, тем большую влажность можно создать при подготовке субстрата. Например, для соломы оптимальная влажность субстрата находится в пределах 65-68%, а для хлопковых очесов 72-75%.
 
Влажность субстрата определяется как отношение массы воды к сырой массе субстрата.
Грибовод легко может вычислить этот показатель  используя метод высушивания образца субстрата до постоянного веса.
Для этого берут  навеску субстрата ( а лучше несколько навесок по 50 грамм из разнах частей общей субстратной массы – для усреднения). Навеску взвешивают на весах с точностью до 10 -100 мг. Необходимо помнить : взвешивание должно быть проведено как можно быстрее после отбора пробы, так как субстрат на воздухе будет подсыхать и вы получите влажность уже гораздо меньшую.
Навеска помещается в металлическую или керамическую биксу, а затем помещается в сушильный шкаф с температурой 140 оС на 2-3 часа. Сушка проводится до тех пор пока вес образца не перестанет уменьшаться. Влажность рассчитывается по формуле:
 
W = (М.НАЧ.  -  М.КОН.) / М.НАЧ.  х 100%, где
 
М.НАЧ. – начальная масса образца;
               М.КОН.. ­­– конечная масса образца после высушивания до постоянного веса.
 
В природных условиях вешенка растет на древесине различных лиственных пород деревьев, имеющих естественную влажность в пределах 40-55%. При выращивании на рыхлых лигноцеллюлозных субстратах, имеющих большую адсорбирующую поверхность уровень влажности можно существенно повысить и тем самым обеспечить влагозапас на две или три волны плодоношения (табл. 4). Однако если при этом в субстрате образуются анаэробные зоны, значит, влажность субстрата надо снижать до оптимального уровня для данного конкретного типа субстрата.
 
Таблица 4.Влияние влажности субстрата на урожайность
(субстрат – хлопковый очес; вес блока - 1 кг)
 
 
 
Соотношение
субстрат : вода
Влажность, %
Урожайность (гр)
I волна
II волна
Всего
1 : 1
50
50
-
50
1 : 2
67
150
50
200
1: 3
75
180
100
280
1 : 4
80
100
80
180
 
На жизнедеятельность микроорганизмов оказывает сильное влияние осмотический и матричный потенциал воды. Осмотический потенциал впрямую связан с содержанием солей в воде. Чем больше солей, тем выше осмотический потенциал и тем труднее происходит поглощение воды клетками мицелия. Поэтому добавление минеральных азотных удобрений в субстрат может сильно увеличить осмотический потенциал и ухудшить условия роста -мицелия. Органические белковые азотные добавки практически не влияют на осмотический потенциал и лучше всего подходят для повышения питательности субстрата.
Матричный потенциал отражает силу связывания или адсорбции воды субстратом и обратно пропорционален влагосодержанию. Бактерии в силу особенностей поверхности их клеток способны нормально размножаться при низком уровне матричного потенциала (-20 кПа) или высокой влажности субстрата (>70%). Ксилотрофные грибы адаптированы к развитию в древесине с низким влагосодержанием (40-55%) и способны хорошо переносить высокие значения матричного потенциала (-70 кПа), при которых жизнедеятельность бактерий почти полностью прекращается. Таким образом, снижение влажности рыхлых лигноцеллюлозных субстратов до уровня 64-66% окажет селективное действие на развитие бактерий, существенно ограничивая их размножение.
В процессе инкубации может происходить изменение влажности субстрата за счет двух процессов: потери сухой массы при активном росте мицелия (выделение СО2) и потери воды при испарении. Кроме того, в процессе утилизации субстрата на 1 г сухого вещества образуется 0,5 г метаболической воды. В результате влажность субстрата может не только  не снижаться, а наоборот, увеличиваться, иногда очень существенно. Одной из причин увеличения влажности может быть повышенная (свыше 60-70%) влажностьв помещении для заращивания блоков, особенно если это сочетается с низкой температурой в помещении и слыбым движением воздуха. В этом случае метаболическая вода практически не испаряется через перфорацию в пленке субстратного блока. Если же исходная влажность субстрата была не очень высокой, то переувлажнения и возникновения анаэробных зон не произойдет.
Другой механизм возникновения переувлажненных зон связан с выдавливанием воды из мест с высокой температурой (середина блока) в краевые холодные участки. Чем выше температура, тем больше парциальное давление паров воды. В субстрате влага передвигается по градиенту от большего давления паров воды (центр блока) к меньшему (наружный слой). При этом на внутренней поверхности пленки вода конденсируется, особенно при большом перепаде температуры поверхности субстрата и воздуха (периодическая вентиляция холодным воздухом зимой при перегреве блоков при их заращивании). В результате наружные слои переувлажняются. Если вскрыть такой мешок, то руками можно ощутить сильное переувлажнение наружного слоя в 2 - 3 см и нормальную влажность в субстрате в центре блока. Очень часто в такой ситуации происходит массовое развитие в наружном слое зеленой плесени Trichoderma, при этом центр блока нормально заросший.
Уменьшить выдавливание и конденсацию воды можно, если снизить влажность субстрата, увеличить циркуляцию воздуха в камере и тем самым снизить разницу в температуре субстрата и воздуха, не допускать резкого снижения температуры воздуха (бывает при заращивании блоков в теплицах). Также в этой ситуации большую роль играет влажность воздуха в помещении, где заращиваются блоки – чем выше влажность воздуха, тем хуже идет испарение образующейся воды в блоке и тем вероятнее его переувлажнение.
 
Есть две основные стратегии увеличения селективности субстрата:
Увеличение влажности.
Уменьшение влажности.
 
Первая стратегия используется при проведении длительной аэробной ферментации субстрата. В этом случае высокая влажность (70-75%) способствует размножению термофильных бактерий и их распространению. По окончании ферментации субстрат немного подсушивается, но если даже он переувлажнен термофильные бактерии не дадут возможности развиться конкурентной микрофлоре.
Вторая стратегия используется при проведении обычной кратковременной пастеризации или ксеротермической обработке. Низкая влажность субстрата ограничивает развитие конкурентных плесеней и бактерий, создает благоприятные условия для быстрого роста мицелия вешенки, обеспечивает более стабильный влажностный режим в субстрате.
Создание оптимальных условий для роста мицелия вешенки в субстрате невозможно без четкого контроля физико-химических параметров: температуры, рН, влажности. Все эти данные должны записываться в паспорте субстрата или паспорте оборота культуры. Достоверные данные можно получить только, если сделать несколько измерений данного параметра в различных участках субстрата. Для определения влажности берут несколько проб субстрата из разных мест, объединяют их в среднюю пробу, хорошо перемешивают и отбирают пробы на анализ. Самый простой метод определения влажности субстрата путем сжатия в руке дает очень приблизительную оценку, так как количество поглощаемой воды зависит от степени измельчения субстрата, от срока хранения сырья, от способа и времени увлажнения и т.п. Поэтому получение объективной и достоверной информации необходимо для поддержания стабильного и надежного производства субстрата.
 
P.S. При выращивании вешенки на полках необходимо предотвратить конденсацию испаряемой воды из субстрата на поверхности пленки, что приводит к переувлажнению верхнего слоя субстрата,  гибели там мицелия и развитию там конкурентов. Это может происходит при резком снижении температуры в камере,  малой доли перфорации пленки,  отсутствии циркуляции воздуха  вдоль поверхности субстратных блоков, а также при высокой влажности в камере инкубации блоков, что ведет к плохому испарению метаболической  влаги из субстрата.
 
                      
 

Отзывы покупателей

Прикрепить изображения
Еще никто не оставил отзыв. Вы можете быть первым!
Теги:
Вернуться к списку