蘑菇-玉米秸秆缓冲材料的制备及其性能_张洁婧.pdf

吉林农业大学学报 2023，45（2）：237-242http:/Email:jlndxb Journal of Jilin Agricultural University蘑菇-玉米秸秆缓冲材料的制备及其性能*张洁婧，赵婕，庞英楠，何佩佩，张建峰*吉林农业大学生命科学学院，秸秆生物学与利用教育部重点实验室，长春 130118摘 要：为减缓玉米秸秆废弃物和泡沫材料对环境的污染，以平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝为“黏合剂”胶黏玉米秸秆，制备了蘑菇-玉米秸秆缓冲材料，探究其成型机理及培养时间对性能的影响。结果表明：菌丝在具有一定孔隙结构的玉米秸秆粉表面黏附生长，将松散的玉米秸秆粉“黏合”起来，生成蘑菇-玉米秸秆缓冲材料。随着培养时间的增加，复合材料的压缩强度和单位体积变形能逐渐增大，但增幅逐渐降低；回弹率先增大后减小，能量吸收效率迅速增加后趋于稳定。综合考虑材料性能和时间成本，认为蘑菇-玉米秸秆缓冲材料的最佳培养时间为20 d，此时，10%的应变压缩强度可达106.68 kPa，是EPS缓冲材料的1.9倍；最大单位体积变形能为7.40104 J/m3，是EPS缓冲材料的1.5倍。关键词：玉米秸秆；平菇菌丝；缓冲性能；培养时间中图分类号：R318.08 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）02-0237-06DOI：10.13327/j.jjlau.2020.5912引用格式：张洁婧，赵婕，庞英楠，等.蘑菇-玉米秸秆缓冲材料的制备及其性能 J.吉林农业大学学报，2023，45（2）：237-242.Preparation and Performance of Mushroom-Corn Straw Buffer Material*ZHANG Jiejing，ZHAO Jie，PANG Yingnan，HE Peipei，ZHANG Jianfeng*College of Life Sciences，Jilin Agricultural University，Key Laboratory of Straw Biology and Utilization of Ministry of Education，Changchun 130118，ChinaAbstract：In order to reduce the environmental pollution caused by corn straw waste and foam materials,using Pleurotus ostreatus mycelium as adhesive to glue corn straw,a mushroom-corn stalk buffer material was prepared,and its forming mechanism and the effect of culture time on its performance were investigated.The results showed that the mycelium grew on the surface of corn straw powder with a certain pore structure,and bonding the loose corn straw powder to form mushroom-corn straw buffer material.With the increase of culture time,the compression stress and deformation energy per unit volume of the composite material increased,but the increasing range gradually decreased.The rebound rate climbed up first and then declined,and the energy absorption efficiency increased rapidly first and then became stable.Considering the material performance and time cost,it is considered that the best culture time of mushroom-corn straw buffer material is 20 days.At this point,the strain compression strength of 10%can reach 106.68 kPa,1.9 times that of EPS buffer material.And the maximum deformation per unit volume can reach 7.40104 J/m3,1.5 times that of EPS buffer material.Key words：corn straw；Pleurotus ostreatus mycelium；buffer performance；culture time*基金项目：吉林省科技发展计划项目（20200402102NC），吉林省教育厅项目（JJKH20180687KJ）作者简介：张洁婧，女，博士，副教授，研究方向：微生物资源应用。收稿日期：2020-07-03*通信作者：张建峰，E-mail：吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，April塑料包装材料给人类社会带来了便利的同时也带来了“白色污染”，为了缓解环境问题，近年来，学者们关注于生物质复合材料的应用，利用可再生天然聚合物（如纤维素、木质素、淀粉）制备的复合材料成为塑料包装材料的理想替代品1。其中，天然纤维复合材料因其具有量大、可回收、耐高温等优点，受到广泛关注2。菌丝体是真菌的营养部分，可在57 d内消化黏合在农副产品表面，充当天然的自组装胶3。玉米秸秆纤维含有大量可被利用的成分（纤维素及木质素等），具有柔韧性好、密度低、强度高等优点4，是一种可供开发利用的再生生物质资源。但有大量农作物秸秆资源在全球范围内被简单废弃，露天焚烧，造成雾霾、土壤矿化等环境和社会影响5。多数缓冲材料类似蜂窝材料，其缓冲性能主要取决于蜂窝状结构，缓冲材料的微孔结构越致密，缓冲性能越好。然而，生物质材料一般不具有蜂窝结构，导致缓冲性能差1。2013年，Pelletier等6采用担子菌菌丝体和农副产品（包括稻草、高粱茎、大麻等）混合物制备了菌丝基缓冲吸声材料。2017年，Haghighatnia等7研究了纤维含量、纤维长度和碱处理对大麻纤维与热塑性聚氨酯（TPU）复合材料力学性能的影响，结果表明，当纤维体积含量增加到 40%时，弯曲强度提高了193.24%，复合材料可以平衡玻璃纤维无法达到的弯曲性能和拉伸性能。2018年，Mazhoud 等8研究探讨了以黏土作为黏结剂在大麻复合材料中的应用，并比较了黏土砌块、麻泥复合材料和麻石灰复合材料的性能，结果表明，这些材料起到很好的湿度调节作用，大麻-黏土复合材料的协同效应，导致了更高的吸湿缓冲能力。2019年，Karaky等9以甜菜浆和马铃薯淀粉为原料，研制了一种新的绿色建筑保温吸声材料，结果表明，增加淀粉用量有利于降低复合材料的孔隙率，提高了复合材料的热导率和力学性能。玉米秸秆可作为基质培养食用菌10。本研究以玉米秸秆为主要原料，平菇菌丝体为“黏合剂”，制备了蘑菇-玉米秸秆缓冲材料，研究了培养时间对其机械性能的影响，并通过扫描电镜观察复合材料的微观表征结构，探讨了其结合机理。这种生物质材料的研制缓解了玉米秸秆的浪费问题，也为降低环境污染、拓宽生物质材料的应用领域提供理论依据。1材料与方法1.1试验材料菌种：平菇（Pleurotus ostreatus），编号1103，购自吉林农业大学菌物研究所11。玉米秸秆：收集于吉林农业大学试验田。麦麸，玉米粉：从长春地区农户处获得。1.2培养基PDA培养基：去皮马铃薯200 g，切成块状，加水煮沸 20 min，用纱布过滤得滤液，加 20 g 葡萄糖，20 g琼脂粉，定容至1 L，pH自然，115 灭菌20 min。初代平菇菌丝液体培养基：马铃薯 200 g/L（煮沸得滤液）、KH2PO4 1 g/L、MgSO4 7H2O 0.5 g/L、NaCl 0.1 g/L、葡萄糖20 g/L、蛋白胨2 g/L，定容至1 L，pH自然，115 灭菌20 min。玉米秸秆固体培养基：按照玉米秸秆85%、麸皮10%、玉米粉4%、氧化钙粉末1%的比例混合干基质培养料，加入一定量蒸馏水制备湿基质，搅拌均匀，115 高压灭菌20 min。1.3平菇菌种的活化在超净工作台中用接菌环挑取菌种，或用半径为0.5 cm的无菌打菌器取得菌饼，接于PDA平板中，置于28 的培养箱中暗培养7 d，待其长满取出，保存于4 冰箱中。1.4平菇液体培养基碳、氮源的优化选用蔗糖、乳糖、可溶性淀粉、玉米粉代替葡萄糖作为优化碳源，酵母浸粉、NH4Cl、（NH4）2SO4、麸皮代替蛋白胨作为优化氮源，其他同本文“1.2”中初代平菇液体培养基。每种碳、氮源优化试验重复3次。不同碳、氮源的初始平菇菌丝液体培养基制备好后，分装 100 mL 至 250 mL 的锥形瓶中，115 高压灭菌20 min。将三块平菇菌种接种到冷却至室温的液体培养基中，在28 恒温生化培养箱中静养24 h，再在28，160 r/min的振荡摇床上继续培养。观察菌丝球出现的时间、数量等。1.5菌丝球生物量的测定采用重量分析法确定平菇菌丝体的干生物量。用真空抽滤机抽滤发酵的平菇液体培养基，并用蒸馏水反复冲洗3遍，过滤得到平菇菌丝体和干净滤纸一起烘至恒重，用分析天平称量，其质238张洁婧，等：蘑菇-玉米秸秆缓冲材料的制备及其性能吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University量记为m1。在60 烘箱中将干净的滤纸烘至恒重，称重记为m2。每组试验重复3次，取平均值。平菇菌丝体干重公式：m=m1-m2。1.6蘑菇-玉米秸秆缓冲材料的制备工艺选取新鲜、无霉变的玉米秸秆，用粉碎机粉碎，过 0.250.38 mm（4060 目）筛得到玉米秸秆粉。在超净工作台中将100 mL最优液体培养基倒入250 mL锥形瓶，115 灭菌20 min。将活化的平菇菌种接于液体培养基中，置于28，160 r/min条件下的振荡摇床上避光培养10 d。过滤得到平菇菌丝体，并按1.8%的质量比与冷却后的玉米秸秆培养基混合，搅拌均匀。将混合物装入无菌的玻璃管模具中并压至50 mm，放入28 恒温培养箱，避光培养7，10，15，20，25 d，随时观察记录复合材料的形态变化。当复合材料培养到既定时间，对材料进行完整脱模后，置于60 烘箱灭活平菇菌丝体 24 h，即为成型的蘑菇-玉米秸秆缓冲材料。蘑菇-玉米秸秆缓冲材料制备工艺见图1。1.7分析方法根据GB/T 81682008中的方法A，在YHS-229WJ（中国上海亿环科技有限公司）压缩试验机上沿厚度方向以（123）mm/min的速度进行测量。通过计算 1，12，得到了压缩应力应变曲线、能量吸收效率曲线和变形能应变曲线。选用XL-30 ESEM FEG（FEI COMPANYTM）扫描电子显微镜（SEM）进行复合材料制备前后微观结构的变化分析11。2结果与讨论2.1平菇液体培养基碳源的优化结果通过对添加蔗糖、乳糖、可溶性淀粉、玉米粉、葡萄糖5种不同碳源的平菇液体培养基中的菌丝体进行比较，发现平菇菌丝体生物量不同，以玉米粉为碳源培养的菌丝体干重最高，为 11.97 g/L（表1）。平菇菌丝体在以乳糖、可溶性淀粉和玉米粉为碳源的液体培养基中生