Produktion von Austernpilzen (Pleurotus ostreatus) aus einigen lignozellulosehaltigen Abfallmaterialien und FTIR-Charakterisierung struktureller Veränderungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12897 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurde der Austernpilz (Pleurotus ostreatus) aus Haselnusszweigen (HB) (Corylus avellana L.), Haselnussschalen (HH), Weizenstroh (WS), Reisschalen (RH) und Kaffeesatz (CG) gezüchtet. Erstmals wurden Abfälle von Haselnusszweigen in der Austernpilzzucht verwendet. In der Studie wurden Pilze gezüchtet, indem Komposte aus 100 bis 50 % Mischungen jeder Abfallart hergestellt wurden. Aus den geernteten Pilzköpfen wurden Ertrag, biologische Aktivität, Laichzeit, Gesamterntezeit und Pilzqualitätsmerkmale bestimmt. Darüber hinaus wurden chemische Analysen von lignozellulosehaltigen Materialien (Extraktgehalt, Holozellulose-, α-Zellulose-, Lignin- und Aschegehalt) als Ergebnis der Pilzproduktion durchgeführt und deren Veränderungen entsprechend ihren Ausgangsmengen untersucht. Darüber hinaus wurden die Veränderungen in der Struktur von lignozellulosehaltigen Abfallmaterialien durch FTIR-Analyse charakterisiert. Als Ergebnis der Studie wurde in Weizenstroh, das als Kontrollprobe verwendet wurde, ein Ertrag von 172 g/kg festgestellt, während er in Schnittabfällen von Haselnusszweigen bei 255 g/kg lag. Die höchste Laichlaufzeit (45 Tage) wurde im Kompost ermittelt, der aus der Mischung von Haselnussschalen und Kaffeesatzabfällen hergestellt wurde. Diese Studie zeigte, dass HB-Abfälle für den Anbau von Austernpilzen (P. ostreatus) verwendet werden können. Nach Pilzzuchtprozessen sanken die Gehalte an Holocelulose und α-Cellulose, während der Aschegehalt anstieg. Die FTIR-Spektroskopie zeigte, dass es bei den Zellulose-, Hemizellulose- und Ligninbestandteilen zu erheblichen Veränderungen der Wellenlängen kam. Die bedeutendsten Veränderungen traten bei den Wellenlängen 1735, 1625, 1510, 1322 und 1230 auf.

Weltweit gibt es etwa 2000 Speisepilzarten. Einige dieser Pilzarten können bei geeigneten Bedingungen das ganze Jahr über gezüchtet werden. Die am häufigsten kultivierten Pilzarten sind der Weiße Champignon (Agaricus bisporus), der Austernpilz (Pleurotus spp.) und der Shiitake-Pilz (Lentinula edodes)1. Austernpilze senken den Blutzuckerspiegel und verringern durch ihren hohen Nährstoffgehalt das Krebsrisiko1,2. Austernpilze sind am einfachsten zu kultivieren und haben die kürzeste Wachstumsphase, wenn die notwendigen Bedingungen erfüllt sind. Zudem sind die Kosten für den Anbau finanziell geringer als bei anderen Pilzarten. Weil es problemlos auf Substraten auf der Basis organischer Agrarabfälle angebaut werden kann. Im Vergleich zu anderen Pilzarten kann er auf sehr unterschiedlichen Substratmaterialien gezüchtet werden1,3,4. Normalerweise werden Substrate, die reich an lignozellulosehaltigen Materialien wie Stroh, Sägemehl und Baumwollabfällen sind, für den Pilzanbau bevorzugt3,5,6. Als Substrate wurden jedoch auch Palmzapfen, Maiskolben7, Zuckerrohrpulpe, Kokosfasern, Zuckerrohrpulpe und deren Kombinationen3, Kichererbsenstroh und Sonnenblumenköpfe8, Pappe und Pflanzenfasern9, Haselnussblätter, Tiliablätter, Weizenstroh und europäische Pappelblätter5 getestet und bisher im Austernpilzanbau verwendet. Unter diesen Substraten ist Weizenstrohmaterial reich an Lignin, Zellulose und Hemizellulose und kann Nährstoffe für das Myzelwachstum und die Fruchtbildung liefern. Es wurde auch festgestellt, dass es eine hohe biologische Wirksamkeit bietet5. Laut Girmay9 und Mandeel et al.10 wurde jedoch festgestellt, dass Sägemehl eine geringe Ausbeute und Leistung aufweist, und der Grund dafür ist, dass Sägemehl mit niedrigem Proteingehalt für das Pilzwachstum nicht ausreicht.

Obwohl viele lignozellulosehaltige Materialien das Potenzial haben, Austernpilze zu züchten, scheint der Nährstoffgehalt von lignozellulosehaltigem Material ein Faktor zu sein, der den Pilzertrag und das Wachstum erheblich beeinflusst. Es wurde berichtet, dass Substrate mit hohem Lignin- und Zellulosegehalt die Pilzerntezeit verlängern, während Substrate mit hohem Nährstoffgehalt Berichten zufolge den Kolonisierungsprozess von Pilzen im Vergleich zu Substraten mit niedrigem Gehalt erleichtern. Es wird angegeben, dass Substrate mit geringem Nährstoffgehalt zu Verunreinigungen wie Grünschimmel führen11. Obwohl beim Anbau von Austernpilzen alle Arten von lignozellulosehaltigen Materialien verwendet werden können, kann sich die Verfügbarkeit einiger lignozellulosehaltiger Materialien zwischen Ländern und sogar Regionen unterscheiden5,12.

Die Türkei und Italien machen den Großteil (80 %) der weltweiten Haselnussproduktion (Corylus avellana L.) aus13,14. Im Jahr 2019 wurden weltweit 1.125.178 Tonnen Haselnüsse produziert14. Nach der Haselnussernte fallen Haselnussschalen und Schnittabfälle von Haselnusszweigen an. Haselnussschalen und Haselnusszweige sind nachwachsende Rohstoffe und werden in keinem Bereich der Forstwirtschaft verwendet. Aus diesem Grund liegen in der Fachliteratur keine ausreichenden Untersuchungen vor. Es wird von den örtlichen Bauern genutzt, indem es in Häusern zu Heizzwecken verbrannt wird, oder es wird nach der Ernte als Bodenverbesserer verwendet. Allerdings verursacht die Verbrennung zu Heizzwecken Umweltprobleme, da sie die Luft verschmutzt. Bei der Haselnussproduktion fällt 1/5 von 1 kg getrockneter Haselnuss als Schale an. Es wird berichtet, dass in der Türkei jährlich etwa 3 × 105 Tonnen Haselnussschalen (und -schalen) freigesetzt werden15,16,17. Abfälle aus Haselnussschalen und -zweigen sind lignozellulosehaltige Materialien und haben eine faserige Struktur, die Zellulose, Hemizellulose und Lignin enthält17. Dieses Nebenprodukt (Abfall) kann aufgrund seines hohen Ligningehalts als Substrat für die Kultivierung von lignozellulosehaltigen Pilzen verwendet werden14.

Während Haselnussschalenabfälle in letzter Zeit im Pilzanbau verwendet werden, gibt es keinen Hinweis auf die Verwendung von Haselnussschnittabfällen im Pilzanbau. Schnittabfälle bei Haselnüssen entstehen in der Regel durch das Abschneiden alter und neu entstandener Zweige18. Den Daten des Jahres 2003 zufolge wurden bei der Haselnussproduktion von 0,65 Millionen Tonnen 0,45 Millionen Tonnen Haselnusshartschalen und 1,7 Millionen Tonnen Schnittabfälle freigesetzt19,20.

Auch Kaffeesatzabfälle sind ein Substrat, das neuerdings für die Pilzzucht genutzt wird. Es wurde berichtet, dass weltweit jährlich 6 Millionen Tonnen Kaffeesatzabfall anfallen. Der Anbau von P.ostreatus aus Kaffeesatzabfällen gilt in Industrieländern als neue Methode zur Wiederverwertung dieser Abfälle21. Da Kaffeesatz 12,40 % Zellulose, 39,10 % Hemizellulose und 23,90 % Lignin enthält, können sich auf dem Kaffeesatz Fäulnispilze entwickeln22.

Der Zweck dieser Studie besteht darin, medizinische und essbare Austernpilze (P. ostreatus) aus einigen Abfallmaterialien wie Schnittabfällen von Haselnusszweigen, Haselnussschalen, Weizenstroh, Kaffeesatz und Reisschalen zu kultivieren. In der Studie wurden erstmals Schnittabfälle von Haselnusszweigen in der Pilzzucht verwendet. Zusätzlich zu den Qualitätsanalysen der gezüchteten Pilze wurden chemische Veränderungen (Holozellulose, Alphazellulose, Ligninmengen, Extraktstoffe und Aschegehalte) in lignozellulosehaltigen Materialien vor und nach der Pilzzucht ermittelt. Chemische Veränderungen in lignozellulosehaltigen Materialien aufgrund der Aktivität von P. ostreatus wurden auch durch FTIR-Spektrometrie charakterisiert.

In der Studie wurden Haselnusszweig-/-schnittabfälle (Corylus avellana L.), Haselnussschalen, Weizenstroh, verbrauchter Kaffeesatz und Reisschalenabfälle zum Anbau von Austernpilzen verwendet. Haselnussbrunch (HB), Haselnussschalen (HH) und Weizenstroh (WS) wurden von Erzeugern geliefert und verbrauchter Kaffeesatz (CG) wurde von einem lokalen Kaffeeunternehmen in der Region Düzce in der Türkei geliefert. HB und HH wurden in der Wiley-Mühle auf eine Größe von 1 cm gemahlen. WS wurde bei einer Größe von 5–6 cm verwendet und der Schwerpunkt betrug 0,3–0,5 mm.

Es wurden luftgetrocknete, 100 % und 50 %ige homogene Mischungen hergestellt (Gew./Gew.) (Tabelle 1). Die Mischungen wurden in regelmäßigen Abständen einen Tag lang benetzt, wobei sichergestellt wurde, dass ihr Feuchtigkeitsgehalt 50–55 % erreichte. Dann wird 1 kg jeder Kombination abgewogen und in hitzebeständige Polypropylenbeutel (28 × 42 cm) gefüllt und 1,5 Stunden lang in einem Autoklaven bei 121 °C aufbewahrt. Für jede Kombination wurden 5 Replikate autoklaviert. Nach der Sterilisation wurden der pH-Wert und der Feuchtigkeitsgehalt jeder Mischung bestimmt. Die autoklavierten Komposte wurden über Nacht abkühlen gelassen und durften eine Temperatur von 24 °C (Raumtemperatur) erreichen. Dann wurde der Kompost mit Brut von P. ostreatus in einer Menge von 2 % im Vergleich zum trockenen Kompostgewicht in der Luftkammer inokuliert. Der in der Studie verwendete P. ostreatus-Span wurde von der Firma Bursa Mantar, Bursa, Türkei, gekauft. Die mit Laichen beimpften Komposte wurden homogen gemischt, die Beutel fest zugebunden und in den Brutraum überführt.

Die Komposte wurden in einer dunklen Umgebung bei 22 ± 2 °C und 70 % relativer Luftfeuchtigkeit im Klimaraum gelagert. Nachdem die Myzelbesiedlung abgeschlossen war, wurden Löcher in die Beutel gebohrt und die Raumtemperatur auf 14–16 °C eingestellt. Die Raumfeuchtigkeit wird auf 80–90 % erhöht. Nach dieser Phase wurde der Inkubationsraum belüftet (mit einem CO2-Gehalt unter 1000 ppm) und nachdem die Bildung des Promordiums beobachtet wurde, wurde dem Raum 50–60 lx Licht pro m2 zugeführt, um die Bildung der Pilzkappe zu fördern. Die Pilzkappen wurden geerntet, auf einer Präzisionswaage gewogen und ihr Nassgewicht aufgezeichnet. Aus jeder Kombination wurden insgesamt 3 Flush-Pilze geerntet. Ertrag und biologische Aktivitäten jeder Kombination wurden anhand der Pilzkappengewichte mit der folgenden Formel23 bestimmt.

Darüber hinaus wurden die Laichlaufzeit, die Tage bis zur ersten Ernte (Frühzeitigkeit) und die Gesamterntezeit aufgezeichnet.

Asche-, Trockenmasse-, Feuchtigkeits-, Öl-, Stickstoff-, Protein- und Elementanalysen der geernteten Pilze wurden im Labor des Scientific and Technological Research Application and Research Center (DUBIT) in Duzce, Türkei, durchgeführt. Asche, Trockenmasse, Feuchtigkeit, Öl, Stickstoff, Protein und Elementanalyse der geernteten Pilze wurden gemäß Kacar24 bestimmt.

Die vor der Pilzproduktion verwendeten Rohkontrollmaterialien (HB-C, HH-C, WS-C, CG-C und RH-C) und die übrigen durch Pilze abgebauten Materialien (HB-F, HH-F, WS-F, CG- F und RH-F) wurden in der Wiley-Mühle gemahlen und gesiebt. 40 Mesh-Proben wurden in einem Ofen (103 °C ± 2) getrocknet und für die Bestimmung des Extraktgehalts vorbereitet. 5 g vollständig trockene Proben wurden gewogen und 6 Stunden lang dem Aceton-Lösungsmittelextraktionsverfahren unterzogen. Von jedem Substrattyp wurden drei Replikate durchgeführt. Nach Abschluss des Extraktionsprozesses wurde es vakuumfiltriert aus dem Tiegel (Pore 2) und 12 Stunden lang bei 103 °C ± 2 getrocknet. Die Menge an extraktiver Substanz in den lignozellulosehaltigen Materialien wurde im Vergleich zum anfänglichen Volltrockengewicht bestimmt. Der Extraktgehalt der Substrate wurde gemäß TAPPI T 204 cm-1725 mit einigen Modifikationen bestimmt.

Die Holocellulosebestimmung erfolgte nach der Chloridmethode von Wise und John26. Die Methode wurde auf fünf verschiedene Rohstoffe angewendet; Haselnussschnittabfälle, Haselnussschalen, Reisschalen, Kaffeesatz und Weizenstrohmaterialien. Ofengetrocknete, extraktfreie 40-Mesh-Proben (5 g) wurden in einen 250-ml-Kolben mit 160 ml destilliertem Wasser, 1,5 g NaClO2 und 0,5 ml Eisessig gegeben und eine Zeit lang bei 78 °C inkubiert . Der Kolben wurde 1 Stunde lang geschüttelt und während der Reaktion in regelmäßigen Abständen gerührt. Nach 1 Stunde wurden 1,5 g NaClO2 und 0,5 ml Eisessig zu der Mischung gegeben und das Erhitzen wurde 1 Stunde lang fortgesetzt. Dieser Vorgang wurde viermal wiederholt und nach Abschluss der Chlorierung wurde die Mischung durch einen Glastiegel (Por 2) filtriert. Danach wurde der Rückstand wiederholt mit Aceton und anschließend mit kaltem destilliertem Wasser gewaschen und dann in einem Ofen bei 103 ± 2 °C getrocknet. Anschließend wurde der Holocellulosegehalt (%) relativ zum anfänglichen Volltrockengewicht bestimmt.

Der Alpha-Cellulosegehalt wurde gemäß dem TAPPI T 203 cm-0927-Standard unter Verwendung von 17,5 % NaOH an Holocelluloseproben bestimmt. Etwa 2 g ofengetrocknete Holocellulose wurden in ein Becherglas gegeben und mit 10 ml 17,5 %iger NaOH-Lösung versetzt. Diese Mischung wurde zweimal im Abstand von 5 Minuten mit 5 ml 17,5 %iger NaOH-Lösung gemischt und dann 30 Minuten lang in einem Wasserbad bei 20 °C gehalten. Dann wurden 33 ml destilliertes Wasser zu der Mischung gegeben und 60 Minuten lang bei 20 °C gehalten und dann durch einen Por-2-Tiegel filtriert. Der Rückstand im Tiegel wurde zunächst mit 100 ml 8,3 %iger NaOH-Lösung, dann mit 15 ml 10 %iger Essigsäure und 250 ml destilliertem Wasser gewaschen, bei 105 ± 3 °C getrocknet und gewogen. Schließlich wurde der prozentuale Gehalt an a-Cellulose relativ zur ofengetrockneten Holocellulose bestimmt.

Die Menge der aus dem Holz durch Chloritisierung aus dem extraktfreien Material bei der Holocellulosebestimmung entfernten Bestandteile wurde als Lignin akzeptiert. Dies ist der theoretische Ligningehalt.

FTIR (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) ist eine schnelle und zerstörungsfreie Technik, die erfolgreich zum Nachweis chemischer Verbindungen in komplexen Strukturen eingesetzt wird. Als faszinierendste Anwendung dieser Technik gilt derzeit die Erklärung der Abbauprozesse verschiedener landwirtschaftlicher Abfälle für den Pilzanbau14.

FT-IR-Analysen wurden im wissenschaftlichen und technologischen Forschungslabor der Universität Düzce durchgeführt. Haselnusszweige, Haselnussschalen, Weizenstroh, Kaffeesatz und Reisschalen wurden vor der Analyse gemahlen und 12 Stunden lang bei 103 °C ± 2 getrocknet. Die Absorptionsspektren der verwendeten Substrate wurden mit der KBr-Technik (Kaliumbromid) basierend auf der Pelletbildung erhalten. Da diese Methode weniger verrauschte Peaks liefert als die mit anderen ATR-Methoden erhaltenen Methoden, wurde FT-IR (4 cm−1, 40 Scans) bevorzugt. Bei jeder Analyse wurden etwa 5–10 mg Substrat und 1 % des Substratgewichts an KBr-Pulver gemischt und für die FT-IR-Messung zu Pellets gepresst.

Unterschiede in Ertrag, biologischer Effizienz, Laichlaufzeit und Gesamterntezeit der gewonnenen Pilze je nach Art des lignozellulosehaltigen Abfallmaterials und die Unterschiede zwischen den chemischen Komponenten der lignozellulosehaltigen Stoffe wurden mit einer einfaktoriellen ANOVA bewertet. Duncans Mittelwertunterscheidungstest wurde auf der Ebene von α = 0,05 für die Variablen angewendet, bei denen gemäß den ANOVA-Ergebnissen Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt wurden.

Die Autoren hielten sich an die Grundsatzerklärung der IUCN zur Forschung mit gefährdeten Arten und an das Übereinkommen über den Handel mit gefährdeten Arten freilebender Tiere und Pflanzen.

Tabelle 2 zeigt die Ertrags- und biologischen Effizienzwerte für jedes Substrat. Gemäß Tabelle 2 erwiesen sich die Unterschiede zwischen den Substraten hinsichtlich des Pilzertrags und der biologischen Aktivitätswerte als statistisch signifikant (P < 0,05). Die höchsten Werte für Ertrag (257 g/kg) und biologische Effizienz (64 %) wurden in Mischungen von 1RH:1CG ermittelt. Darüber hinaus wurden für das aus HB allein hergestellte Substrat ein Ausbeutewert von 255,7 g/kg und eine biologische Effizienz von 63,9 % ermittelt. Es gab keinen statistischen Unterschied zwischen den Ertrags- und biologischen Effizienzwerten von Pilzen, die nur aus HB hergestellt wurden, und denen von 1RH:1CG-Mischungen (P < 0,005). Die geringste Ausbeute wurde bei den Substraten erzielt, die durch Mischen von HB und CG hergestellt wurden. In den Literaturstudien wird Weizenstroh als Kontrollprobe bei der Kultivierung von P. ostreatus verwendet. In dieser Studie wurde allein bei WS ein Ertrag von 172,5 g/kg ermittelt. Bei Zugabe von HB und CG zu den WS-Substraten stiegen der Ertrag und die biologische Effizienz, während sie bei Zugabe von HH-Substraten abnahmen.

Wenn WS, RH, CG und HH zu den HB-Substraten hinzugefügt wurden, verringerten sich die Ausbeute und der biologische Effizienzwert dieser Mischungen. Während der Ertragswert der mit CG allein hergestellten Pilze höher war als der der mit einem Verhältnis von 1:1 hergestellten, waren der Ertrag und der biologische Effizienzwert der nur mit RH und CG hergestellten Kombinationen niedriger als bei CG allein.

Viele Studien haben gezeigt, dass Ertrag und biologische Effizienz je nach Art des verwendeten Substrats unterschiedlich sind. In Literaturstudien wird Weizenstroh als Kontrollprobe im Pilzanbau verwendet. Es wurde festgestellt, dass der Pilzertrag, der mit dem in dieser Studie erstmals verwendeten HB erzielt wurde, höher war als der mit WS, es gab jedoch keinen statistischen Unterschied zwischen ihnen. Bei der Verwendung von WS und HB als Mischung im Verhältnis 1:1 ergab sich kein statistischer Unterschied hinsichtlich Ertrag und biologischer Effizienz. Aus diesem Grund kann empfohlen werden, HB alternativ zu WS zu verwenden oder deren Kombinationen zu verwenden. Pekşen und Küçükomuzlu28 zeigten, dass mit Haselnussschalen zubereitete Mischungen eine geringere biologische Aktivität ergaben als Weizenstroh. Yildiz et al.5 erzielten die höchsten Ertrags- und biologischen Effizienzwerte in Mischungen aus Weizenstroh und Altpapier, die aus Haselnussblättern, Sägemehl, Weizenstroh, Altpapier, europäischen Pappelblättern und Tiliablattsubstraten hergestellt wurden. Fanadzo et al.29 untersuchten Weizenstroh (Triticum aestivum), Maisstroh (Zea mays L.), Strohgras (Hyparrhenia filipendula) und öl-/eiweißreiche Nahrungsergänzungsmittel (Maiskleie, Baumwollsamenhülse (Gossypium hirsutum)) und stellten fest, dass dies der Fall ist Maisstroh ist ein besser geeignetes lignozellulosehaltiges Material für den Anbau von P. ostreatus als Weizenstroh.

Tabelle 3 zeigt die Laichlaufzeit, die Tage bis zum ersten Erntezeitpunkt (Frühzeitigkeit) und die Gesamterntezeit entsprechend den in der Studie verwendeten Substrattypen. Statistisch signifikante Unterschiede wurden zwischen Laichlaufzeiten, Frühzeitigkeit und Gesamterntezeit der Substrate gefunden (P < 0,005). Gemäß Tabelle 3 wurde die längste Laichlaufzeit (45 Tage) bei den mit 1HH:1CG zubereiteten Substraten ermittelt, während die niedrigste Laichlaufzeit bei den mit 1RH:1CG zubereiteten Substraten 15 Tage betrug. Die Spawn-Laufzeiten unterschieden sich statistisch gesehen nicht zwischen Mischungen aus HB, WS, 1HB:1WS, 1HB:1CG, 1HB:1RH und 1RH:1CG. Auch die ersten Erntezeiten (Frühzeitigkeit) ähnelten der Spawn-Laufzeit. Bei der Untersuchung der durchschnittlichen Gesamterntezeiten wurde die höchste Erntezeit (83 Tage) bei den aus der Mischung 1HB:1HB hergestellten Substraten erzielt, während die niedrigste (41,7 Tage) bei den mit HB und WS hergestellten Mischungen ermittelt wurde.

Bei alleiniger Verwendung von lignozellulosehaltigem Material wurde die kürzeste Spawn-Laufzeit in WS- und HB-Substraten festgestellt. Die kurze Laichlaufzeit im Weizenstroh ist auf die kürzere Fermentationszeit und den geringeren Nährstoffbedarf zurückzuführen, da es 39/51 % Zellulose, 76 % Holozellulose, 18 % Lignin, 3,5 % Protein und 0,6 % verdauliches Protein enthält5. Die lange Laichzeit in Substraten allein und in Mischungen aus CG und HH kann aufgrund der Kontamination zur Entwicklung von Grünschimmel führen und zu einer Verringerung der Ertragswerte führen30. Eine hohe Spawn-Laufzeit in HH wurde auch von Puliga et al.14 festgestellt. Andererseits berichteten Carrasco-Cabrera et al.21, dass Kaffeesatz die Laichzeit verlängert. Die lange Spawn-Laufzeit in Kaffeeabfällen kann auf die sehr dünne und kleine Geometrie der Kaffeepartikel zurückzuführen sein31.

Die Eigenschaften einiger Nährstoffe (Asche, Trockenmasse, Feuchtigkeit, Öl, Stickstoff und Protein) von aus Substraten gewonnenen Pilzen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Bei der Untersuchung der Nährwerte von aus HB gewonnenen Pilzen waren Asche und Trockenmasse im Allgemeinen höher von anderen Substraten, während der Feuchtigkeitswert niedriger war. Wenn man den Protein- und Stickstoffgehalt berücksichtigt, wurde festgestellt, dass die Menge an Stickstoff und Protein in Pilzen, die aus Kaffee oder mit Kaffee angereicherten Substraten gewonnen wurden, im Allgemeinen hoch ist. Die geringsten Protein- und Stickstoffmengen wurden bei Pilzen festgestellt, die allein aus Weizenstroh gezüchtet wurden. In Fällen, in denen ein Proteinbedarf besteht, können Pilze durch die Ergänzung mit CGs hergestellt werden. Die höchste Ölmenge wurde bei Pilzen ermittelt, die nur aus CG hergestellt wurden, während die niedrigste bei Mischungen aus 1HB:1RH erhalten wurde.

Die Elementgehalte von Pilzen, die aus Substraten gewonnen wurden, die aus verschiedenen Arten von lignozellulosehaltigen Abfällen hergestellt wurden, sind in Tabelle 5 aufgeführt. Es wurden signifikante Unterschiede zwischen den Elementgehalten der aus den Substraten gewonnenen Pilze festgestellt. Die höchsten Mengen der Nährstoffe P (26.288 mg/kg), Mg (3510 mg/kg), K (48.347 mg/kg), Fe (133,89 mg/kg), Mn (15,85 mg/kg), Cu (33,29 mg). /kg) und Zn (98,26 mg/kg) wurden in Pilzen nachgewiesen, die aus HH-Substrat gezüchtet wurden. In der Studie wurde festgestellt, dass das Element Na (746 mg/kg) in Pilzen, die aus HB-Abfällen gewonnen wurden, die zum ersten Mal in der Pilzzucht verwendet wurden, höher war als in Pilzen, die aus anderen Substraten gewonnen wurden. Es wurde festgestellt, dass die Mn-Menge in aus HB gewonnenen Pilzen 5,19 mg/kg betrug und damit niedriger war als in Pilzen, die aus anderen Substraten gewonnen wurden. Die Mineralanalyse für P.ostreatus in dieser Studie ähnelte denen von Ananbeh und Almomany32.

Abhängig von den Substrattypen sind die Mengen an Holocellulose, Alpha-Cellulose und Lignin vor und nach der Pilzzucht in Abb. 1 dargestellt. Unter den Substrattypen wurde die höchste Menge an Holocellulose (77,4 %) vor dem Pilzabbau im RH- nachgewiesen. C (Reisschalen-Kontrolle), während der niedrigste Wert mit 46,9 % in der HH-C-Probe (Haselnussschalen-Kontrolle) festgestellt wurde. Es wurde beobachtet, dass die Menge an Holocellulose nach dem Pilzabbau abnahm. In der Studie wurden 67 % Holozellulose, 57,4 % Alphazellulose und 33 % Lignin im HB-Material nachgewiesen, was erstmals in der Pilzproduktion ausgewertet wurde. In einer früheren Studie von Gençer und Özgül33 wurde festgestellt, dass Holozellulose 82,07 %, Alphazellulose 41,33, Lignin 15,89 %, Asche 0,72 % und extraktive Substanz 2,83 % in der nicht abgebauten HB-Kontrollprobe ausmachte. Die Mengen an Holozellulose, Alphazellulose, Lignin und Asche in der nicht abgebauten HH-Kontrollprobe wurden in einer früheren Studie von Güney17 mit 55,1 %, 34,5 %, 35,1 % bzw. 8,22 % bestimmt. Bei der Untersuchung der Alpha-Cellulose-Anteile der Substrate wurde der höchste Alpha-Cellulose-Anteil im CG-Substrattyp unter den Kontrollproben gefunden. Nach dem Pilzabbau wurde bei allen Substrattypen ein Rückgang der Alpha-Cellulose beobachtet. Bei der Untersuchung der Ligninmengen kam es nach dem Pilzbefall zu einem Anstieg des Ligninanteils im Vergleich zu den Kontrollproben mit dem Effekt des Abbaus.

Chemische Analyseergebnisse vor und nach der Pilzzucht nach Substrattypen. Hinweis C, Kontrolle für jedes Substrat/vor der Kultivierung; F, Pilzabbau für jedes Substrat/nach der Kultivierung (HB-C: Kontrolle der Haselnusszweige/vor der Pilzkultivierung; HB-F, Pilzabbau der Haselnusszweige/nach der Pilzkultivierung (die anderen Substrate wurden in der Abbildung ähnlich gestaltet)).

Der Rückgang der Holocellulose- und Alpha-Cellulose-Verhältnisse wurde auch in einer von Atila34 und Jonathan et al.35 durchgeführten Studie festgestellt. Der Rückgang der Makromoleküle in lignozellulosehaltigen Materialien nach der Pilzproduktion ist auf die Verwendung dieser Strukturen durch P.ostreatus sowohl während des Myzelwachstums als auch während der Fruchtkörperbildung zurückzuführen. P. ostreatus-Pilzhyphen sezernieren große Mengen extrazellulärer Enzyme, die den Abbau von Cellulose, Hemicellulose und Lignin bewirken36. Da die sezernierten Enzyme jedoch selektiv wirken, können sie die Zellwandbestandteile unterschiedlich schnell abbauen. Die Abnahme der Holozellulosemenge im HB-Substrat war geringer als bei den anderen Substraten. Dies kann daran liegen, dass das HB-Substrat eine dichtere und kompaktere Struktur aufweist. Man kann sagen, dass der Grund für die proportionale Zunahme oder Konstante und nicht für die Abnahme der Ligninmenge darin liegt, dass Lignin aufgrund seiner komplexen Struktur schwieriger zu zersetzen ist als Cellulose und Hemicellulose37.

Lignin spielt eine entscheidende Rolle im Kohlenstoffkreislauf auf der Erde. Seine heterogene Struktur verleiht Pflanzen Festigkeit und schützt Zellulose und Hemizellulose vor dem Abbau38,39. Diese starre Struktur wirkte sich in der Studie auf den Austernpilzertrag und die biologische Effizienz aus. HB ergab die höchste Ausbeute und biologische Effizienz von 255,7 g bzw. 63,9 %, während HH die niedrigste Ausbeute und biologische Effizienz von 157,5 g bzw. 39,4 % ergab. Beim Vergleich der Lignozellulosegehalte der Substrate mit dem Ertrag der erzeugten Pilze wurde festgestellt, dass HB einen hohen α-Zellulosegehalt von 57,4 % und einen niedrigen Ligningehalt von 30 % aufwies. Darüber hinaus hatte HH in der aktuellen Studie den höchsten Ligningehalt von 53,1 %. Diese Erkenntnisse lassen sich darauf zurückführen, dass die Ligninkomponente der Substrate eine heterogene und unregelmäßige Anordnung des Phenylpropanolpolymers darstellt, dem enzymatischen Abbau durch Pilze widersteht und die Cellulosekomponente schützt. Bei der Verdauung der Cellulosekomponente entstehen Glukose und Cellobiose-Zucker, die den Verzehr durch Pilze ermöglichen. Es scheint, dass die Aufnahme des Zuckers durch die Pilze (P. ostreatus) durch das Lignin begrenzt wurde40.

Extraktgehalte, Asche und pH-Werte der in der Studie verwendeten Substrate sind in Tabelle 6 aufgeführt. Bei der Untersuchung der Extraktgehalte wurde der höchste Extraktgehalt (12,7 %) in CG-C unter den nicht abgebauten Substraten festgestellt, der niedrigste Extraktgehalt (0,07 %). %) wurde in RH-C nachgewiesen. Den aus der Studie gewonnenen Daten zufolge stiegen die Extraktgehalte in HB-F, WS-F und RH-F im Vergleich zu ihren nicht abgebauten Kontrollen im Gegensatz zu HH-F und CG-F signifikant an (P < 0,05). Die Ergebnisse in Tabelle 6 zeigten, dass der Aschegehalt in durch Pilze abgebauten Substraten signifikant anstieg (P < 0,05). Der höchste Aschegehalt wurde mit 35,5 % in RH-F gemessen. Nach der Pilzzucht stieg der Ascheanteil in durch Pilze abgebauten Substraten im Vergleich zu den Ausgangssubstraten um mehr als 100 % an. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in einer von Zhang und Fadel41 durchgeführten Studie gefunden. Die pH-Werte der Substrate sanken im Vergleich zu den Ausgangswerten nach der Pilzkultivierung.

Die FTIR-Spektren im Fingerabdruckbereich (1800–600 cm−1), die die Veränderungen in der Struktur nach dem Pilzbefall von Weizenstroh, Haselnusszweig, Haselnussschale und Reisschale im Vergleich zur Kontrolle zeigen, sind in den Abbildungen dargestellt. 2, 3, 4 und 5. Die in dieser Region auftretenden Peaks repräsentieren Lignin und Polysaccharide in lignozellulosehaltigen Materialien (Tabelle 7). Die Banden bei 1730 cm−1 stellen unkonjugierte C=O-Schwingungen dar, die von den Acetyl- und Carbonsäurestrukturen in Xylan (Hemicellulose) stammen46,47,48. Während in dieser Region ein leichter Rückgang der Spitzenintensität des Weizenstrohs beobachtet wurde, wurde bei den anderen Proben keine signifikante Veränderung beobachtet. Breitbandige Werte im Bereich von 1680–1560 cm−1 repräsentieren die C=C- und C=O-Spannungen der aromatischen Ligninkette (1630 cm−1)48,52, die CO-Streckschwingung der aromatischen Lignin-Gerüstschwingung (1595 cm). −1)46,47,53 und die O-H-Verformung des absorbierten Wassers (1640 cm−1)46. Der Überlappungseffekt dieser Gruppen führte zur Bildung eines breiten Peaks. Es ist zu beobachten, dass diese Bandenintensität in allen Proben deutlich zunahm. Die Sichtbarkeit von Vibrationen in dieser Region wird durch den Ligninabbau von P. ostreatus erhöht. Die Banden bei 1510 cm−1 repräsentieren aromatische CO-Streckschwingungen von Lignin46,50,53. C-H-Verformungen von CH2- und CH3-Gruppen in Lignin und Hemicellulosen sowie CH2-Biegeschwingungen in der Ebene von Cellulose und Lignin werden in Banden von 1455 bzw. 1418 cm−1 beobachtet. Die Banden bei 1370 cm−1 repräsentieren symmetrische und asymmetrische CH-Deformationsschwingungen von Cellulose und Hemicellulosen42,50,52,54. Die Banden bei 1320 cm−1 stellen die CH2-Biegeschwingung in der Ebene dar, die am C6 der kristallinen Cellulose gefunden wird50. Bei allen lignozellulosehaltigen Materialien ist mit der Pilzwirkung eine Zunahme der Intensität dieser Banden zu beobachten. Dieser Anstieg hängt mit der Zunahme der Peaklängen zusammen, wobei kristalline Bereiche stärker in Erscheinung treten, da P. ostreatus-Zellulose die amorphen Bereiche abbaut. Es zeigt sich, dass dieser Effekt bei relativer Luftfeuchtigkeit stärker ausgeprägt ist als bei anderen lignozellulosehaltigen Materialien. Die Bande bei 1230 cm−1 ist mit CO-Streckschwingungen zwischen Lignin und Xylan (Hemicellulose) verbunden47. Es repräsentiert die C-O-C-Streckschwingungen von glykosidischen Schulterbindungen bei 1150 cm−156, die C-O-Streckschwingung von Bandcellulose und Hemicellulosen bei 1030 cm−1 und die C-OH-Biegeschwingung von Xylan52,54,57. In der Bande von 1150–900 cm−1 gibt es keine signifikante Änderung für WS, HH und HB, während die Bandenintensität in RH deutlich zunimmt. Signifikante Änderungen in den Wellenlängen 1624, 1320 und 1034 cm−1 zeigen die abbauende Wirkung von P. ostreatus auf Lignin, Cellulose und Hemicellulosen in relativer Luftfeuchtigkeit. Die schwache Schulter bei 898 cm−1 ist mit β-(1 → 4) glykosidischen Bindungen von Cellulose verbunden48,52.

FTIR-Spektren von WS-C und WS-F (vor und nach dem Pilzabbau).

FTIR-Spektren von HB-C und HB-F (vor und nach dem Pilzabbau).

FTIR-Spektren von HH-C und HH-F (vor und nach dem Pilzabbau).

FTIR-Spektren von RH-C und RH-F (vor und nach dem Pilzabbau).

FTIR-Spektren von CG-C und CG-F sind in Abb. 6 dargestellt. Die C=O-Streckschwingung von CG-C (nicht abgebaute Kontrollprobe) wird in der 1743 cm−1-Bande beobachtet42,43,44,45 . Diese Bande ist charakteristisch für die aliphatischen Estergruppen, die in kaffeespezifischer Chinasäure und Lipiden vorkommen. In diesem Bereich (ca. 1735 cm−1 Bande) gibt es auch eine C=O-Streckschwingung von unkonjugierter Hemicellulose. Es ist zu erkennen, dass diese Bande aufgrund eines Pilzbefalls (P. ostreatus) verschwindet. C=O-Streckschwingungen im Zusammenhang mit Koffein und C=C-Schwingungen von Lipiden und Fettsäuren werden in der 1652 cm−1-Bande beobachtet42,45. Gleichzeitig repräsentiert dieses Band die C=C- und C=O-Spannungen der aromatischen Ligninkette (1630 cm−1), die C–O-Streckschwingung der Ligninaromatengerüstschwingung (1595 cm−1) und die O– H-Verformung des absorbierten Wassers (1640 cm−1)45,51. Die Sichtbarkeit von Vibrationen in dieser Region nahm mit dem Ligninabbau zu. Aromatische CO-Streckschwingungen von Lignin werden in der 1512-cm-1-Bande beobachtet42. In der 1458 cm−1-Bande gibt es C-H-Biege- und C-H-Verformungsschwingungen der Methyl- und Methylengruppen, die in Chlorogensäuren zusammen mit Lignin und Polysacchariden vorkommen. Im Bereich von 1450–1050 cm−1 werden Banden von Chlorogensäuren (Ester aus Chinasäure und einigen trans-Zimtsäuren) beobachtet. Die CO-Deformation von Chinasäure wird in der 1061-cm-1-Bande und die O-H-Deformation in der 1371-cm-1-Bande beobachtet. In den Banden 1237, 1155 und 1061 cm−1 findet die Absorption der CO-C-Esterbindung von Chinasäure statt44,55. Die drei im Bereich von 900–750 cm−1 beobachteten Banden repräsentieren β-(1 → 4)-glykosidische Bindungen von Arabinogalactanen, Galactomannanen und Cellulosepolysacchariden58. Die Intensität dieser Bänder nimmt ab. C–H-, C–O–C-, C–N- und P–O-Schwingungstypen, die für Polysaccharide spezifisch sind, werden auch im Bereich von 900–1400 cm−1 beobachtet. Aufgrund der Überlappung von Banden, die für Cellulose, Hemicellulose und Lignin sowie Chromatsäuren spezifisch sind, ist es mit FTIR nicht möglich, Banden dieser Strukturen zu unterscheiden. Wenn man die Veränderungen in den Banden der Fingerabdruckregion von 1800–600 cm−1 betrachtet, erkennt man, dass P. ostreatus Chlorogensäuren und Cellulose-, Hemicellulose- und Ligninstrukturen in der Lignocellulosestruktur beeinflusst.

FTIR-Spektren von CG-C und CG-F (vor und nach dem Pilzabbau).

In dieser Studie wurde zum ersten Mal der P. ostreatus-Pilz aus HB-Abfällen kultiviert. Darüber hinaus wurden HH, CG, RH und WS als Substratmaterial durch Bildung einer Mischung mit HB-Abfällen bewertet. Als Ergebnis der Studie wurde der P. ostreatus-Pilz erfolgreich in HB-Abfällen gezüchtet. Darüber hinaus wurden Veränderungen in der Struktur lignozellulosischer Materialien durch chemische Analysen und FTIR-Untersuchungen charakterisiert. In der Studie wurde der höchste Ertragswert (255 g/kg) in HB-Substrat ermittelt, das erstmals in der Pilzzucht bewertet wurde, während der Ertragswert in WS, das als Kontrollprobe diente, bei 172 g/kg lag. Der α-Cellulose- und Ligningehalt der Substrate beeinflusste den Ertrag und die biologische Effizienz der Pilze, die allein aus den Substraten produziert wurden. Es wurde festgestellt, dass die Laichlaufzeit bei HH- und CG-Substraten im Vergleich zu anderen Substraten länger ist. Nach der Kultivierung von P. ostreatus verringerten sich die Holozellulose- und α-Zellulosegehalte, während die Lignin- und Aschegehalte zunahmen. FTIR-spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass erhebliche Veränderungen in den Peaks der Cellulose-, Hemicellulose- und Ligninkomponenten auftraten. Insgesamt zeigte diese Studie, dass HB-Abfälle für die Kultivierung von P. ostreatus verwendet werden können.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken Prof. Dr. Süleyman KORKUT für die Bereitstellung von Laboreinrichtungen und seine Anleitung für dieses Projekt.

Diese Forschung wurde finanziell von der Direktion für wissenschaftliche Forschungsprojekte der Universität Düzce unterstützt (DÜBAP 2020.02.03.1131).

Abteilung für Forstwirtschaft, Berufsschule für Forstwirtschaft, Universität Duzce, Konuralp Campus, Duzce, Türkei

Caglar Akcay

Anwendungs- und Forschungszentrum für industrielles Recycling landwirtschaftlicher Abfälle, Universität Duzce, Konuralp Campus, Duzce, Türkei

Faik Ceylan & Recai Arslan

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CA: Schreiben – Originalentwurf, Methodik, Untersuchung, Aufsicht. FC: Statistische Analyse, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, Chemische Analyse. RA: Untersuchung, Methodik, chemische Analyse.

Korrespondenz mit Caglar Akcay.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Akcay, C., Ceylan, F. & Arslan, R. Produktion von Austernpilzen (Pleurotus ostreatus) aus einigen lignozellulosehaltigen Abfallmaterialien und FTIR-Charakterisierung struktureller Veränderungen. Sci Rep 13, 12897 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40200-x

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Eingegangen: 25. April 2023

Angenommen: 07. August 2023

Veröffentlicht: 09. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40200-x

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