尚 舒，牛宏震，林理量，蘇 鑫，陳萬(wàn)通，林毅，曾德芳

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070）

食用菌制全降解包裝材料的研究

尚 舒，牛宏震，林理量，蘇 鑫，陳萬(wàn)通，林毅，曾德芳*

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070）

為了解決不可降解的廢棄塑料類(lèi)包裝材料對(duì)環(huán)境的污染，以秸稈和木屑為主要原料，利用食用菌栽培技術(shù)制備了一種新型的、可完全降解的包裝材料。采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，研究了不同原料配比對(duì)菌絲生長(zhǎng)情況的影響，結(jié)果表明，在秸稈57%、木屑30%、麩皮10%、石膏1%、石灰2%的配比下，選用平菇菌種栽培的培養(yǎng)基菌絲體含量最多，緊實(shí)度最好。通過(guò)材料的防水性能測(cè)試和緩沖性能比較，表明該生物質(zhì)材料完全可以替代EPS（發(fā)泡聚苯乙烯）和EPE（發(fā)泡聚乙烯）等包裝材料。同時(shí)，該生物質(zhì)材料在土壤中可實(shí)現(xiàn)完全降解，為土壤提供有機(jī)肥料。

食用菌；包裝材料；全降解；秸稈

目前，包裝類(lèi)產(chǎn)品主要有塑料類(lèi)、瓦楞紙、蜂窩紙類(lèi)、紙漿模塑類(lèi)等。由于塑料類(lèi)包裝的廢棄物不可回收且不可降解，大量使用后易造成白色污染，給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力。瓦楞紙、蜂窩紙類(lèi)、紙漿模塑類(lèi)材料雖然可降解，但多以木材為原料，大量消耗了我國(guó)有限的森林資源，并且在制造過(guò)程中引起水污染，制造成本也高。

食用菌制作的生物質(zhì)全降解包裝材料是以植物纖維（稻草纖維，木屑纖維等）為主要原料，利用食用菌栽培技術(shù)，用食用菌菌種產(chǎn)生的菌絲體粘合并包裹基料所制成。它具有原料來(lái)源廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、全生命周期無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，屬于綠色環(huán)保型包裝材料，而且可以充分利用農(nóng)作物秸稈資源。目前，生物質(zhì)全降解制品的相關(guān)研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。如，V. Marechal等以向日葵莖纖維為原料制造包裝產(chǎn)品，其強(qiáng)度與聚苯乙烯材料相當(dāng)［1］。Glenn等研究了淀粉基降解薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)等力學(xué)性能指標(biāo)，并采用掃描電子顯微鏡分析了其組織結(jié)構(gòu)［2－4］。賈秀杰等對(duì)生物質(zhì)餐飲具發(fā)泡成型工藝做了相關(guān)研究，得出了較成熟的工藝流程［5－6］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料和儀器設(shè)備

1.1.1 主要材料

小麥秸稈，木屑，麩皮，石膏，石灰，玉米粉，蔗糖，磷酸二氫鉀，硫酸鎂，平菇一級(jí)菌種。

1.1.2 儀器及設(shè)備

500 m L錐形瓶，1 000 m L量筒，燒杯，移液槍?zhuān)凭珶簦臃N環(huán)，鑷子，菌種瓶，菌種袋。

高壓蒸汽滅菌鍋，超凈工作臺(tái)，恒溫培養(yǎng)箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制種工藝流程

制種工藝流程見(jiàn)圖1所示。

液體培養(yǎng)基配方：麩皮3%～4%，玉米粉1%，蔗糖2%，磷酸二氫鉀0.15%，硫酸鎂0.1%，水92.75%～93.75%［7］；

固體培養(yǎng)基配方：秸稈粉，木屑，麩皮，石膏，石灰。

圖1 制種工藝流程圖Fig.1 Flow chart of the production process

制種程序如下：

1）液體培養(yǎng)基制作方法

根據(jù)配方，稱(chēng)量好各成分；裝入容器，加水到需要量；待各成分溶解后分裝到錐形瓶中，要求500mL的錐形瓶不超過(guò)200 mL，塞上棉塞；在107.87 kPa，121℃高溫蒸汽下，滅菌30min。

2）固體培養(yǎng)基制作方法

按配方裝料至2／3處，壓平實(shí)；用圓錐搗木在中間搗一個(gè)通氣孔。短袋一般在袋外加直徑35 mm高3 cm的硬塑料環(huán)作為“項(xiàng)圈”。袋口塞棉塞，并包上報(bào)紙。塑料袋在高溫鍋滅菌。栽培種培養(yǎng)基在107.87 kPa，121℃高溫蒸汽下，滅菌1.5～2 h。

3）液體培養(yǎng)基接種

拿一級(jí)種1支，拔去棉塞，在酒精燈火焰上灼燒瓶口，放在臺(tái)面上；再取液體培養(yǎng)基，拔去棉塞，用接種針取1塊一級(jí)種放入液體培養(yǎng)基瓶中，將棉塞過(guò)火后塞入瓶口即成。將接種好的培養(yǎng)基置搖床上培養(yǎng)，轉(zhuǎn)速110～120 r／min。經(jīng)過(guò)48 h培養(yǎng)，就可得到菌絲球分布均勻、發(fā)酵液清澈透明的液體菌種。

4）固體培養(yǎng)基接種

取培養(yǎng)好的液體培養(yǎng)基，用滅菌后的移液槍取20m L液體注入固體培養(yǎng)基。將固體培養(yǎng)基放在28℃的恒溫箱中培養(yǎng)。記錄菌絲生長(zhǎng)過(guò)程。

1.2.2 固體培養(yǎng)基配比方案

以秸稈粉配方為基礎(chǔ)的配比方案見(jiàn)表1所示。

表1 以秸稈粉配方為基礎(chǔ)的配比方案Tab.1 Formula based on straw powder formula

1.2.3 實(shí)驗(yàn)記錄

將各固體培養(yǎng)基接種后放置在28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，無(wú)光照，濕度保持在60%～70%。每個(gè)菌種配方配置2個(gè)平行樣，共9組18個(gè)樣品。5 d后做第一次標(biāo)記，測(cè)量菌落半徑，觀察菌絲生長(zhǎng)狀態(tài)及顏色并拍照；10 d、15 d、20 d后分別標(biāo)記。

2 菌絲生長(zhǎng)速率計(jì)算

將2次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)公式計(jì)算出菌絲生長(zhǎng)速率［8］。

菌絲生長(zhǎng)速率＝［（r1’＋r2’＋r3’＋r4’）／4－（r1＋r2＋r3＋r4）／4］／（r1＋r2＋r3＋r4）／4×100% （1）

其中，r1，r2，r3，r4分別為5 d后測(cè)得的4次重復(fù)菌落的半徑；r1’，r2’，r3’，r4’分別為10 d后測(cè)得的4次重復(fù)菌落的半徑（分別計(jì)算5～10 d，10～15 d，15～20 d的菌絲生長(zhǎng)速率，最后取均值）。

平均菌絲生長(zhǎng)速率見(jiàn)表2所示。

表2 不同配比方案的平均菌絲生長(zhǎng)速率Tab.2 Average growth rate of mycelium growth with different proportion plan

由表2可知，最佳配比方案為秸稈57%，木屑30%，麩皮10%，石膏2%，石灰1%。

3 底物減重與菌體生長(zhǎng)

3.1 底物減重的測(cè)定

稱(chēng)量初始固體培養(yǎng)基的質(zhì)量，計(jì)算其與初始培養(yǎng)基干重的差值即為底物減重。

3.2 食用菌菌絲的生物量測(cè)定

用DNA檢測(cè)法評(píng)價(jià)基質(zhì)中食用菌菌絲的相對(duì)生物量。通過(guò)檢測(cè)DNA濃度確定單位生物量菌絲的DNA含量，構(gòu)建提取DNA量與提取用菌絲生物量的關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。用CTAB法提取DNA，確定DNA含量［9］。

3.3 底物減重與菌體生長(zhǎng)的關(guān)系

由于生物體代謝吸收氧氣放出二氧化碳，營(yíng)養(yǎng)不斷被消耗，底物總重也在逐漸減少。圖2為底物干重減少量與培養(yǎng)時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，圖3為底物減重與菌體量關(guān)系曲線(xiàn)圖。

圖2 底物減重變化圖Fig.2 The change of substrate weight loss

圖3 底物減重與菌體質(zhì)量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relationship between substrate weight loss and cell mass quality

由圖2看出，底物減重與菌體變化量基本一致：前8 d菌體量一直上升，底物干重持續(xù)下降；8～14 d菌體生長(zhǎng)緩慢，底物減重也不多；14 d后菌體量再次回升，底物減重也迅速增加，至20 d趨于緩和。由圖3看出，底物減重與菌體量具有一定的正向相關(guān)性，其擬合的關(guān)系為：

y＝41.146x2＋3.4567x－0.1115（2）

式中，y為底物減重量，g；x為菌體量。

由此可見(jiàn)，由底物減重量可以分析出菌體生長(zhǎng)代謝的活躍程度，而且方法簡(jiǎn)單易行并可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

4 材料后期處理

待菌絲體長(zhǎng)滿(mǎn)并包裹整個(gè)底物后，將其拿出，待出菇后將其放置到空氣中自然風(fēng)干。3～5 d后可看到成型材料。材料質(zhì)地堅(jiān)硬，內(nèi)部緊實(shí)，如圖4所示。

圖4 成型后的材料Fig.4 Material after forming

5 材料的測(cè)試

5.1 防水性能測(cè)試

本研究通過(guò)測(cè)量生物質(zhì)材料的接觸角來(lái)確定其表面防水性能［10］。將試驗(yàn)片平置在水平臺(tái)上，使用定量注射器，在生物質(zhì)材料表面制作一個(gè)定量為5μL的水滴，根據(jù)水滴的圖像，利用公式求出其接觸角。接觸角的計(jì)算公式：式中：θ為接觸角，（°）；r為球形液滴底面圓的半徑，mm；H為液滴的高度，mm。

實(shí)測(cè)的生物質(zhì)材料的接觸角見(jiàn)表3所示。

表3 不同配比方案生物質(zhì)材料的接觸角Tab.3 The contact angle of biomass materials with different proportion plan

由表3可知，該生物質(zhì)材料具有接觸角均大于90°的表面防水性能，可以滿(mǎn)足內(nèi)包裝材料的需要。

5.2 緩沖性能

制成材料的緩沖性能與EPE、EPS等緩沖包裝材料進(jìn)行比較，如圖5所示。其中，EPE尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試用EPE包裝材料表觀密度約為2×10－5g／mm3；EPS為QB／T1649－92規(guī)定的III類(lèi)泡沫塑料包裝材料，表觀密度約為2.58×10－5g／mm3［11］。

圖5 不同包裝材料的緩沖系數(shù)－應(yīng)力柱形圖Fig.5 Chart of the buffer coefficient－the stress column of different packaging materials

從圖5看出，在相同應(yīng)力條件下，該材料的緩沖系數(shù)低于EPS，而高于EPE。因此，該材料的緩沖性能可以滿(mǎn)足一般包裝材料的要求，作為一些產(chǎn)品的緩沖襯墊包裝，能完全滿(mǎn)足保護(hù)產(chǎn)品的要求。

6 材料的可降解性

該生物質(zhì)材料的主要成分植物纖維內(nèi)含木質(zhì)素和纖維素，可以被土壤中可分解木質(zhì)素和纖維素的真菌和細(xì)菌完全分解，并為土壤提供有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零污染。

7 結(jié)論

1）在秸稈57%，木屑30%，麩皮10%，石膏1%，石灰2%的配比下，選用平菇菌種栽培的培養(yǎng)基菌絲體含量最多、緊實(shí)度最好。

2）該生物質(zhì)材料具有接觸角大于90°的表面防水性能，可以滿(mǎn)足內(nèi)包裝材料的需要；該材料的緩沖系數(shù)低于EPS，而高于EPE。因此，該材料的緩沖性能可以滿(mǎn)足一般包裝材料的要求，可作為一些產(chǎn)品的緩沖襯墊包裝。

3）該生物質(zhì)材料可在土壤中實(shí)現(xiàn)完全降解。

［1］Marechal V，Rigal L.characterization of by—products of sunflower culture－commercial applications for stalks and heads［J］.Industrial Crops and Products， 1999，10（3）：185－200

［2］Rutiaga M O，Galan IJ，Morales L H，et a1.Mechanical property and biodegradability of cast films prepared from blends of oppositely charged biop01ymers［J］. Journal of Polymers and the Environment，2005，13（2）：185—191.

［3］Shey J，Imam s H，Glenn G M，et a1.Properties of baked starch foam with natural rubber latex［J］.Industrial Crops and Products，2006，24（1）：34 40.

［4］I.udvik C N，Glenn G M，Klamczvns ki AP，et a1.Cellu10se fiber／bentonite clay／biodegradable thermoplastic composites［J］.Journal of Polymers and the Environment，2007，15（4）：251—257.

［5］Jia X，Li J，Li F.Biomass biodegradable food boxes and hot temperature field of structural optimization［C］. ShenZhen：2010 International Conference on Advances in Materials and Manufacturing Processes，2011

［6］Jia X，Li J，Li F.The configuration design and biodegradation test of biodegradable material dishware［C］. Shenzhen：2010 International：conference on Advances in Materials and Manufacturing Processes，2011.

［7］杜敏華.食用菌栽培學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［8］姜明，荊偉，陳鑫.不同比例滑菇菌糠提取液對(duì)幾種食用菌菌絲生長(zhǎng)的影響［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（5）：113～115.

［9］余昌霞，曹暉，陳明杰，等.金針菇菌絲生物量與其DNA含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的構(gòu)建［J］.食用菌學(xué)報(bào)，2013，20（3）：6～9.

［10］孫昊，王萬(wàn)章，李偉平，等.鳳眼蓮生物質(zhì)復(fù)合內(nèi)包裝材料的制備工藝［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（12）：258～264.

［11］路秀玲，趙樹(shù)欣，劉忠華.紅曲霉固態(tài)發(fā)酵中生物量的測(cè)定方法［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2002.27（6）：45－49.

［12］李剛，李方義，管凱凱，等.生物質(zhì)緩沖包裝材料制備及性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.功能材料2013.13（44）：1969～1973.

Preparation of a Fully Degraded Packaging M aterial by Using the Mushroom Cultivation Technology

SHANG Shu，NIU Hong－zheng，LIN Li－liang，SU Xin，CHENG W an－tong，LIN Yi，ZENG De－fang*

（School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

In order to diminish the contamination of non－degradable plastic packaging waste on the environment，the straw and wood chips was used as themain raw materials，aided by mushroom cultivation technology，a new type ofpackagingmaterialwhich can be completely degraded and ispollution free and cost－effective，was produced.The manufacturingmethod is simple and suitable for industrialized production. In this experiment，comparisonmethods are used to study the effect of different ratio of raw materials onmycelial＇s growth.The result shows that in the ratio of 57%straw，30%wood chips，10%wheat bran，1% gypsum and 2%lime，themycelium cultivated by pure culture of pleurotus ostreatus ismost abundant and has best firmness.By waterproof test and comparing the cushioning property of thematerials，we find that the biomassmaterial can totally rep lace EPS（expanded polystyrene），EPE（expanded polyethylene）and other packagingmaterials.Meanwhile，the biomassmaterial can be fully degraded in the soil and provide organic fertilizer for soil.

edible fungus；packaging，fully degradablematerial；straw

TS206.4

A

1004-275X（2015）06-0023-05

收稿：2015-07-28

武漢理工大學(xué)大學(xué)生自主創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2015－ZH－B1－02）。作者簡(jiǎn)介：尚舒（1995－），女，本科生，主要從事環(huán)保材料的研究。

*通信聯(lián)系人：曾德芳，電郵：df5152＠163.com，電話(huà)：027－86581750。

10.3969／j.issn.1004-275X.2015.06.006