Обработка увлажненного субстрата или классическая пастеризация

Субстрат увлажняют до уровня 65-72% влажности и обрабатывают паром при температуре 60-100оС. Длительность пастеризации зависит от температуры обработки и от типа субстрата. При высокой температуре время термообработки небольшое (1-3 часа), при понижении температуры обработки экспозиция удлиняется до 8-12 часов при 70-80°С и 16-24 часов при 60-65°С (рис). Для обеспечения нормального развития мицелия вешенки древесный субстрат пастеризуют в 2-3 раза дольше, чем соломистый или другой быстроразлагаемый субстрат (рис.). Оптимальное время пастеризации для каждого типа субстрата существенно различается. Для соломистого субстрата это 24-48 часов при 6О°, а для древесных опилок 96-120 часов (рис.). Такие различия обусловлены как особенностями химического состава субстрата, так и его физическими свойствами.

Рисунок. Длительность пастеризации (часы) при различной температуре обработки

Рисунок. Рост мицелия вешенки на различных субстратах в зависимости от продолжительности термообработки.

Рисунок. Влияние продолжительности (часы) пастеризации (+60оС) субстрата на урожайность вешенки. (в данной публикации не приведен)

БЭ% - выход грибов по отношению к сухой массе субстрата, %

Различают несколько уровней пастеризации субстрата:

1. Жесткая пастеризация при температуре 90-100°С.
2. Умеренная пастеризация при температуре 70-80°С.
3. Мягкая пастеризация при температуре 60-65°С.

Жесткая пастеризация при длительной экспозиции не только пастеризует субстрат (уничтожение вегетативных форм микроорганизмов), но и стерилизует его (уничтожение спор микроорганизмов, в том числе и полезных). Стерильный субстрат полностью теряет селективность и представляет собой открытую нишу для любых конкурентных организмов. В нестерильных условиях такой субстрат мгновенно заселяется конкурентными плесенями. Поэтому жесткую пастеризацию проводят в течение короткого периода от 1 до 4 часов, чтобы сохранить споры полезных термофильных бактерии и минимальный уровень селективности.

Умеренная пастеризация редко приводит к стерилизации субстрата даже при длительном экспозиции (16-20 часов), однако такой режим будет способствовать развитию конкурентных плесеней за счет образования легкодоступных растворимых сахаров при термическом гидролизе. Умеренная пастеризация дает удовлетворительные результаты при экспозиции 6-16 часов.

Селективность субстрата после жесткой и умеренной пастеризации сохраняется на низком уровне, поэтому при фасовке и инокуляции субстрата следует соблюдать максимальную чистоту в помещении, дезинфицировать оборудование, инструменты и материалы.
Характеристика процессов, происходящих при жесткой и умеренной пастеризации дана в табл..

Мягкая пастеризация является пастеризацией по отношению к конкурентной микрофлоре (погибают все вредители и вегетативные формы микроорганизмов, а также споры многих видов конкурентных грибов) и, в то же время, ферментацией по отношению к термофильным бактериям (Bacillus spp.), которые при достаточно длительной экспозиции размножаются до уровня, обеспечивающего высокую селективность субстрата. Термофильные бактерии потребляют образующиеся в субстрате легкодоступные формы соединений углерода и азота и, кроме того, образуют соединения тормозящие рост конкурентной микрофлоры. Мягкая пастеризация дает хороший эффект при длительной экспозиции (от 16 до 48 часов). Иногда после мягкой пастеризации проводят дополнительно ферментацию субстрата при температуре 45-55°С (оптимальный режим для размножения термофильных бактерий) в течение 24-48 часов. Ферментация в еще большей степени усиливает селективность субстрата и обеспечивает надежную микробиологическую защиту от конкурентных плесневых грибов. Термический профиль мягкой пастеризации с дополнительной ферментацией показан на рис., а характеристика процесса мягкой пастеризации в табл..

Рисунок (в данной публикации не приведен)

Таблица
Характеристика умеренной и жесткой пастеризации.

Термическая обработка субстрата должна обеспечить достижение двух целей:

1. Уничтожение вредителей и конкурентной микрофлоры.

2. Создание селективных условий, благоприятных для развития мицелия вешенки и неблагоприятных для его конкурентов.

Длительная мягкая пастеризация в наибольшей степени обеспечивает выполнение этих задач. Конечно, можно провести кратковременную мягкую пастеризацию (60-68°С в течение 4-10 часов), но при этом мы достигаем только одной цели - уничтожение конкурентов. Чтобы повысить селективность субстрата, необходимо увеличить время обработки, как минимум, до 20-24 часов.

Таблица
Характеристика умеренной и жесткой пастеризации.

Таблица
Характеристика мягкой пастеризации.

Различные режимы пастеризации вызывают определенные изменения химического состава и микрофлоры субстрата (рис.). Численность конкурентной микрофлоры быстро снижается при жесткой пастеризации и достаточно медленно при мягкой.

Рисунок (в данной публикации не приведен)

Влияние различных уровней пастеризации на химический состав и микрофлору субстратов.

а) Изменение численности конкурентной микрофлоры
б) Изменение численности полезной термофильной микрофлоры
в) Образование легкодоступных растворимых сахаров
г) Делигнификация лигноцеллюлозного комплекса субстрата

Обозначения:
А - мягкая 60-65оС; Б – умеренная 70-80оС; В – жесткая 90-100оС.

Накопление полезной бактериальной термофильной микрофлоры происходит только при мягкой пастеризации, умеренная пастеризация сохраняет исходный уровень микрофлоры, а жесткая при длительной экспозиции может привести к полной гибели термофилов и, соответственно, стерилизации субстрата. Образование легкодоступных сахаров происходит при всех режимах пастеризации, однако, при легкой пастеризации по мере развития полезной микрофлоры сахара утилизируются бактериями вплоть до полного исчезновения. Делигнификация происходит при всех термических режимах, но особенно выражена при высокотемпературной обработке. Делигнификация делает субстрат более доступным для ферментативного гидролиза и потребления мицелием, а также и некоторыми конкретными плесенями, способными разрушать целлюлозу, например, триходермой.

Дробная пастеризация применяется в случае сильно инфицированного субстрата при высокой термической устойчивости спор конкурентной микрофлоры. В первый раз пастеризация обеспечивает гибель всех вредителей и вегетативных форм микроорганизмов. Погибает также часть термочувствительных спор, а у термоустойчивых форм стимулируется прорастание и переход в чувствительную вегетативную стадию. После обработки субстрат оставляют остывать на ночь или на сутки (16-24 часа) и затем повторяют пастеризацию. Во время второй обработки погибают большинство термостойких спор. Дробная пастеризация дает хорошие результаты по обеззараживанию субстрата от конкурентных организмов, при этом время каждой обработки можно сократить до 4-8 часов (рис.). Лучше всего между обработками поддерживать температуру субстрата от 30 до 45оС – это провоцирует прорастание спор конкурентных плесеней.

Рисунок
Дробная пастеризация.

Ферментация.

Ферментация субстрата при температуре 45-55о С и подаче воздуха создает хорошие условия для размножения полезной аэробной термофильной микрофлоры преимущественно бактерий рода Bacillus. В процессе ферментации обитающие на субстрате виды термофильных и термотолерантных бактерий быстро увеличивается численность популяции (в 100-300 тысяч раз за 24 часа). Бактерии питаются легкоусвояемыми сахарами и азотистыми веществами и, таким образом, лишают питания конкурентных плесеней. Бактерии также продуцируют антибиотические вещества, препятствующие росту плесеней, но не действующие на мицелий. При недостатке кислорода (если во время ферментации не проводится активная вентиляция субстрата) полезная микрофлора развивается существенно медленнее. Увеличение численности бактерий в 1000-5000 раз не создает достаточного уровня селективности, доступные углеводы утилизируются не полностью, и вероятность развития конкурентных плесеней остается высокой. Кроме того, при недостатке кислорода рН субстрата может сильно сместиться в кислую сторону, что также благоприятствует развитию плесеней. Субстрат, прошедший правильную пастеризацию и ферментацию, в течение 2-3 недель свободен от конкурентной микрофлоры. За это время субстрат успевает полностью обрасти мицелием и, соответственно, получает мощную защиту от конкурентов за счет антибиотических выделений самого мицелия. Ферментация не может заменить пастеризации, т.к. при температуре 45- 55°С большая часть спор конкурентных организмов сохраняется, кроме того, при этом режиме выживают многие вредители. С другой стороны, если субстрат относительно мало инфицирован, то хорошая ферментация обеспечивает надежную защиту от конкурентов. Мягкая пастеризация с последующей ферментацией во многих случаях дает существенное повышение урожая, по сравнению с вариантом пастеризации (табл.).

Таблица (в данной публикации не приведена)
Урожайность вешенки при различных способах обработки субстрата
(кг/тонну субстрата) (Польша, 1998).

Характеристика процесса ферментации дана в табл..

Таблица
Характеристика ферментации

Ферментация полуанаэробная (мягкая пастеризация с ферментацией).

Субстрат (лузга подсолнечника) загружают в металлический контейнер 2-3м3. Заливают водой для увлажнения. Воду подогревают до 60оС, затем сливают (подогревают паром или ТЭНами). Выдерживают субстрат при 60оС 8-12 часов (пастеризация) и оставляют остывать до 42-45°С, затем немного поднимают температуру (до 50°) и ферментируют 24 часа. Влажность субстрата во время обработки около 80%, что облегчает размножение термофильных бактерии в небольшом слое свободной, несвязанной воды. Охлаждение субстрата водой не рекомендуется, так как при этом вымывается полезная микрофлора и питательные вещества.

Другой вариант ферментации - нагрев субстрата до 55° и выдерживание в таком режиме 48-60 часов. Во всех случаях в субстрате создается хороший защитный фон из термофильных бактерий. Добавление в новую порцию субстрата 5-10% ферментированного субстрата существенно ускорит процесс размножения полезной микрофлоры.

Потери массы субстрата при описанных режимах составляют 10-15% от начального уровня. Субстрат включает несколько компонентов: лузга подсолнечника, отруби зерновых культур, минеральная добавка (мел). Композиция субстрата при ферментации может быть достаточно богата азотом и сахарами. Термофильные бактерии достаточно быстро потребят эти соединения и, таким образом, оставят конкурентную микрофлору без легкодоступного питания. На ферментированном субстрате зарастание и плодоношение наступают на несколько дней раньше, чем на просто пастеризованном. Следует однако избегать переферментации, то есть слишком длительной экспозиции субстрата. Избыток бактерий может затормозить развитие вешенки. Субстрат может потерять структурные свойства. В результате ее естественной сукцессии могут размножиться другие виды бактерии, менее полезные для роста мицелия.

Ферментация полуанаэробная (водная).

Субстрат (лузга подсолнечника, очесы хлопка, какавелла) загружают в бак объемом 2-3 м3. В баке устроено ложное сетчатое днище, под которым расположены ТЭНы. В бак заливают воду так, чтобы весь субстрат был погружен под воду. Воду нагревают до 55-60о С. Термодатчик поддерживает постоянную температуру, отключая ТЭНы при достижении 60°С и включая их при достижении 55°С. Ферментация длится 48 часов. Охлаждение идет пассивно в течение 24 часов. Окончательно субстрат охлаждается порциями на рабочих столах для фасовки. При длительной ферментации в воду можно добавлять немного мочевины (0,1%), если в субстрате мало азота. Мочевина потребляется микроорганизмами и, таким образом, переходит в белковый азот, который для грибов является лучшим источником азота.

Энергозатраты для описанного режима достаточно небольшие, особенно для варианта с утепленным металлическим баком. Длительное пребывание в воде может привести в некоторых композициях субстрата либо к потере структурных свойств (недостаточная аэрация и слишком высокая плотность) либо к переувлажнению (влажность свыше 75%).

Если оставлять часть субстрата в качестве «закваски» термофильных бактерий для следующей новой порции, то можно существенно сократить время ферментации или увеличить количество термофильных бактерий и, соответственно, уровень микробиологической защиты.

Растворимость кислорода в воде очень небольшая, тем более при высокой температуре (60°). Поэтому ферментацию в горячей воде можно отнести к анаэробной. Как показывает практический опыт, анаэробная ферментация создает хороший уровень селективности субстрата.

За 48 часов ферментации в воде при 55-60° погибают все вредители и вегетативные формы микроорганизмов, кроме термофильных бактерии.

Оборудование для пастеризации.

Пастеризацию субстрата можно производить в емкостях (ящики, мешки, контейнеры), специальных ящиках, куда подается пар. Особенность обработки в емкостях состоит в том, что между температурой воздуха камеры и субстрата существует большая разница за счет теплоизолирующего эффекта материала емкости. Воздух или воздушно-паровая смесь не могут свободно проходить через субстрат и, поэтому выравнивание температуры воздуха и субстрата происходит слишком медленно. Если использовать такой вариант обработки, лучше выбирать длительную экспозицию при низкой температуре, например, 60-65°С в течение 24-48 часов. Пастеризационная камера должна быть хорошо теплоизолирована и иметь влаго- и паростойкую отделку. После пастеризации и охлаждения субстрат инокулируют и фасуют в п/э мешки с перфорацией.

Таблица
Варианты пастеризации субстрата (Россия) Контейнеры

Пастеризация.

По достижении необходимой температуры начинается процесс пастеризации. Для шампиньонного компоста режим пастеризации достаточно строго ограничен: 6 – 10 часов при 58 - 60 градусов. Превышение температуры до 62 – 63оС допускается на период не более одного часа. Это обусловлено составом микрофлоры шампиньонного компоста, которая развивается на предварительной, достаточно длительной фазе неконтролируемой ферментации. Субстрат для вешенки перед загрузкой замачивают в течение одного – трех дней, а затем сразу пастеризуют. Полезная термофильная микрофлора развивается только в процессе «длительной» мягкой пастеризации при 60 - 65оС в течении 24-48 часов. Поэтому пастеризация субстрата для вешенки в тоннелях проводится при различных режимах: 60 – 65оС или 70-80оС. Основная задача пастеризации – уничтожить в субстрате конкурентные организмы, сохранив определенную селективность субстрата.

Во время пастеризации, особенно «мягкой» (60-65оС), когда происходит развитие термофильных бактерий, подача свежего воздуха необходимо для дыхания аэробной микрофлоры. Объем подачи свежего воздуха составляет 5-10% от общего объема рециркуляции или 10 – 20 м3/час на 1 тонну субстрата.

Описание технологии:

1 Субстрат на основе соломы ячменя, пшеницы или ржи.
2 Добавки - 10% сена бобовых трав, как источник азота и термофильных бактерий.
3 Солому измельчают и сечку увлажняют до 75%.
4 Загружают предварительную камеру хранения соломы (на 1 сутки).
5 Загружают тоннель пастеризации (50 тонн субстрата). Вентилятор мощностью 200 м3/час на тонну субстрата. Давление воздуха до 150 мм водного столба.
6 Пастеризация управляется компьютером. Имеется 6 датчиков температуры (3 воздух, 3 субстрат). Направление процесса - увеличение количества защитных термофильных бактерий сначала облигатных термофилов (65°С), затем термотолерантных бактерий (45°С).
7 Тоннель проходного типа. Загрузка в грязной зоне, выгрузка в чистой зоне. Субстрат вытягивается на сетке специальной машиной. Субстрат инокулируется посевным мицелием (1,5-2,0% по весу) и фасуется в п/э мешки высокопроизводительной линией (до 100 тонн субстрата в смену).

Пастеризация соломы по рекомендации фирмы Somycel.

Солома измельчается и увлажняется на площадке. Затем субстрат загружают в тоннель и пастеризуют сначала при 70-75°С для того, чтобы убить всех паразитов, далее температуру снижают и проводят ферментацию при 45-55°С в течение 36 часов с целью накопления полезной термофильной микрофлоры. Термический профиль пастеризации показан на рис.

А теперь мы разберем наиболее употребительный способ обработки субстрата. А также, по нашему мнению, наиболее простой и эффективный.