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88 食用菌学报 2023.30（4）：2023.04.收稿日期：2022-12-13原稿；2023-02-16修改稿基金项目：山东省重点研发计划（2017GGX20129）作者简介：张 倩（1996），女，在读硕士，主要从事环境因子对食用菌发育的影响研究。*本文通信作者 E-mail:8896010两种食用菌菌丝体复合材料机械、物理和生物降解特性 张 倩，孙瑞祥，席寅生，赵 鹏，伍国超，杨树德*（鲁东大学农学院山东省食用菌技术重点实验室，山东 烟台264025）摘 要：制备无柄灵芝（Ganoderma resinaceum）、白蜡多年卧孔菌（Perenniporia fraxinea）菌丝体复合材料，测定其密度、静曲强度、弹性模量、压缩强度、吸水厚度膨胀率和吸水重量增加率，并进行热重分析，测定埋土处理后两种菌丝体复合材料中纤维素、半纤维素和木质素降解率。结果表明：与白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料相比，无柄灵芝菌丝体复合材料的断裂载荷、静曲强度均较高；压缩实验中产生相同形变时，无柄灵芝菌丝体复合材料的压缩强度较大；无柄灵芝菌丝体复合材料的密度较大，2 h吸水厚度膨胀率、24 h吸水重量增加率均较低；在热重分析实验过程中，25750 时无柄灵芝菌丝体复合材料的失重率较低。在60 d埋土实验中，与白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料相比，无柄灵芝菌丝体复合材料在不同处理时期的木质素降解率较高；在015、1530、3045 d时纤维素降解率较低；在015、3045 d时半纤维素降解率较低，在4560 d 时较高；随着处理时间增加，两种菌丝体复合材料的木质素、纤维素、半纤维素累计降解率均增加；无柄灵芝菌丝体复合材料在不同处理时期的木质素累计降解率较高，纤维素和半纤维素累计降解率均较低。研究结果表明，两种菌丝体复合材料具有良好的机械性能、热稳定性和生物降解性，是极具潜力的包装材料泡沫塑料替代品。关键词：无柄灵芝；白蜡多年卧孔菌；菌丝体；复合材料；静曲强度；抗压性能；降解率Mechanical,Physical and Biodegradation Properties of Two Mycelium-Based CompositesZHANG Qian,SUN Ruixiang,XI Yinsheng,ZHAO Peng,WU Guochao,YANG Shude*(Shandong Key Laboratory of Edible Mushroom Technology,School of Agriculture,Ludong University,Yantai 264025,Shangdong,China)Abstract:Mycelia of Ganoderma resinaceum and Perenniporia fraxinea were used to prepare two kinds of fungal mycelium-based composites(MBC),MBCG(G.resinaceum)and MBCP(P.fraxinea),respectively.Both MBCG and MBCP were measured for density,static bending strength,elastic modulus,compressive strength,water absorption thickness expansion rate(TSR),water absorption rate,thermogravimetric characteristics,and degradation ratios of cellulose,hemicellulose and lignin in soil burial degradation test.The results showed that,as compared with MBCP,MBCG had a higher breaking load and static bending intensity.When both MBCG and MBCP reached the same deformation in compression test,the compressive strength of MBCG was greater.Compared with MBCP,MBCG had a higher density,a lower TSR at 2 h,and a lower water absorption rate at 24 h.In the thermogravimetric analysis(25900),the weight loss rate of MBCG was lower than that of MBCP at 25 89 张 倩，等：两种食用菌菌丝体复合材料机械、物理和生物降解特性第 4 期750.In the 60-day soil burial degradation test,MBCG showed a higher lignin degradation rate than MBCP over the entire course of the test.MBCG also showed a higher hemicellulose degradation rate than MBCP at 4560 d.On the other hand,MBCP showed a higher cellulose degradation rate at 045 d,and a higher hemicellulose degradation rate at 015 d and 3045 d as compared with MBCG.As the treatment time increased,the cumulative degradation rates of lignin,cellulose and hemicellulose in both MBCG and MBCP increased.The cumulative degradation rate of lignin in MBCG was higher than that in MBCP,whereas the cumulative degradation rates of cellulose and hemicellulose in MBCG were lower than those in MBCP.Both MBCs showed good mechanical properties,thermal stability and biodegradability,and are potential substitutes for foam packaging materials.Key words:Ganoderma resinaceum;Perenniporia fraxinea;mycelium;composite material;static bending intensity;compression resistance;degradation rate目前，国内市场上流通的缓冲包装材料以聚苯乙烯、聚氨酯等泡沫塑料制品为主。随着国家对发展循环经济和低碳产业的重视，政府陆续出台多项限塑政策1，低碳排放、安全环保、易于降解的生物质复合材料成为缓冲包装材料研发方向2。近年来，基于真菌菌丝体的生物复合材料研究开展得较多1,3-4，由农林业废弃物转化的生物复合材料具有可循环和可持续发展的特点，正处于从实验室研发阶段转向工业化生产和规模应用阶段，有望成为工业化大宗材料5。菌丝体复合材料是通过真菌菌丝在含有木质纤维素的基质中生长，当菌丝在基质中定殖完成后经过烘干或晒干处理使真菌失活，获得的一种复合材料6。在菌丝生长过程中基质起营养作用，对机械功能起强化作用7。菌丝体复合材料的性能可通过调整真菌种类8、培养基配方9-10、培养条件及后期处理方式11等进行调整，满足隔热、阻燃12-13、吸声14和抗压缓冲1等要求，应用于物流运输3、建筑家居15-16等领域。目前，已有20余种真菌用于制备菌丝体复合材料1，但其中大部分真菌物种制备复合材料的性能较差，仅对糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）17、灵芝（Ganoderma lucidum）18和变色栓菌（Trametes versicolor）19等白腐菌制备的菌丝体复合材料有较深入研究。真菌种质资源丰富，亟待挖掘更多适于制备菌丝体复合材料的菌株。笔者前期研究结果表明，无柄灵芝（G.resinaceum）和白蜡多年卧孔菌（Perenniporia fraxinea）在抗杂菌污染、菌丝生长速率以及形成的菌丝体复合材料外观等方面具有显著优势。因此，笔者制备无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料，测定其静曲强度、弹性模量、压缩强度等机械性能，密度、吸水厚度膨胀率、吸水重量增加率等物理性能以及埋土后降解性能，为这两种菌丝体复合材料制备缓冲包装材料提供参考。1 材料与方法1.1 供试菌株无柄灵芝（G.resinaceum）菌株FJ-11、白蜡多年卧孔菌（P.fraxinea）菌株LD-10保藏于鲁东大学菌种库。1.2 试剂和仪器盐酸（青岛化学试剂厂）；浓硫酸（莱阳铁塔化工制品厂）；苔黑酚试剂（山东西亚化学股份有限公司）；蒽酮试剂（上海强顺化学试剂有限公司）；丙酮（烟台三和化学试剂有限公司）；乙二醇乙醚（上海麦克林生化有限公司）。LS-100LJ立式压力蒸汽灭菌器（江阴滨江医疗设备有限公司）；2500C多功能粉碎机（永康市红太阳机电有限公司）；RGT-20A电子万能力学试验机（深圳瑞格尔仪器有限公司）；HPS-400生化培养箱（哈尔滨市东联电子技术开发有限公司）；TGA 2热重分析仪（瑞士METTLER TOLEDO公司）；BH-30电子秤（启东友铭衡器有限公司）；DHT-450A烘箱（上海岛韩实业有限公司）。90 第 30 卷食 用 菌 学 报1.3 菌丝体复合材料制备培养料配方为70%苹果树木屑（直径58 mm）、10%稻壳（过孔径为0.85 mm筛）、18%麸皮（过孔径为0.25 mm筛）、2%生石灰。将原料混合后加水，料水比为11.3（gmL），搅拌均匀，在聚丙烯袋（17 cm 34 cm）中装750 g培养料（湿重），121 灭菌2.5 h，冷却后分别接种20 mL无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌液体菌种20，置于25 培养箱中培养30 d，菌丝长满菌袋，去除聚丙烯袋后用多功能粉碎机粉碎，称取700 g培养料填充到模具（30 cm25 cm4 cm）中，填充时用力均匀，在24、湿度75%条件下培养5 d，去掉模具，继续培养79d，待表面形成白色浓密菌丝时放入80 烘箱烘干备用。1.4 菌丝体复合材料机械性能测定1.4.1 断裂载荷、静曲强度和弹性模量测定参照GB/T 176572013 人造板及饰面人造板理化性能试验方法21测定，两支座间距为200 mm，记录试件断裂时的最大载荷，计算试件的静曲强度和弹性模量。试件尺寸：150 mm 50 mm36 mm。公式中b表示静曲强度，单位为MPa；Fmax表示试件断裂时的最大载荷，单位为N；l1表示两支座间距，单位为mm；b、t分别表示试件宽度、厚度，单位为mm公式中Eb表示弹性模量，单位为MPa；l1表示两支座间距，单位为mm；b、t分别表示试件宽度、厚度，单位为mm；F2-F1为载荷-挠度曲线中直线段内载荷的增加量（F1值约为最大载荷的10%，F2值约为最大载荷的40%），单位为N；a2-a1为试件中部变形的增加量，即在力F2F1区间试件变形量，单位为mm1.4.2 压缩强度测定参照 GB/T 81682008 包装用缓冲材料静态压缩试验方法22中方法 A 测定菌丝体复合材料的静态压缩性能，以 12 mmmin-1 速度压缩，并记录试件破坏时的最大载荷。试件尺寸：100 mm100 mm30 mm。公式中表示压缩强度，单位为MPa；P表示压缩载荷，单位为N；A表示试件承载面积，单位为mm21.5 菌丝体复合材料物理性能测定1.5.1 密度测定参照GB/T 176572013 人造板及饰面人造板理化性能试验方法21测定菌丝体复合材料的密度。试件尺寸：5 mm5 mm3 mm。公式中表示密度，单位为gcm-；m表示试件质量，单位为g；l、b、t分别表示试件长度、宽度、厚度，单位为mm1.5.2 吸水厚度膨胀率和吸水重量增加率测定参照GB/T 176572013 人造板及饰面人造板理化性能试验方法21分别测定2 h吸水厚度膨胀率和24 h吸水重量增加率。试件尺寸：直径100 mm，厚度10 mm。91 张 倩，等：两种食用菌菌丝体复合材料机械、物理和生物降解特性第 4 期1.5.3 热重分析参照GB/T 277612011 热重分析仪失重和剩余量的实验方法23在氮气中对样品进行热重分析，温度为25900，恒定加热速率为10 min-1。除热重分析委托鲁东大学化学院完成之外，其余测定均委托烟台市产品质量监督检验所完成，设5次重复。1.6 埋土实验中纤维素、半纤维素和木质素降解率测定参照1.3制备菌丝体复合材料并粉碎，80 烘干至恒重，每个尼龙布袋（10 cm15 cm）装5 g，装 25 袋。取 5 袋作为对照（0 d），将 20 袋分为 5 组，每组 4 袋，分别埋入装有 7 kg 泥炭土的花盆（29 cm21 cm25 cm）中，距表面10 cm，保持土壤含水量10%15%，每隔15 d从花盆中取出一袋，烘干后称重。参照朱捷等24的方法绘制木糖和葡萄糖标准曲线，在580、620 nm处测定木糖反应液的吸光度值，在660 nm处测定葡萄糖反应液的吸光度值；参考王玉万和徐文玉25的方法测定纤维素、半纤维素、木质素质量，计算降解率。公式中R为降解率；C0、C1分别为初始、降解后样品纤维素或半纤维素或木质素质量，单位为mg1.7 数据处理数据以平均值标准差表示，采用SPSS19.0软件进行统计学分析，采用单因素方差分析比较组间差异显著性；采用Origin2019软件绘图。2 结果与分析2.1 机械性能2.1.1 断裂载荷、静曲强度和弹性模量如表1所示，与白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料相比，无柄灵芝菌丝体复合材料的断裂载荷、静曲强度均较高，说明无柄灵芝菌丝体复合材料抗弯能力较好，在受到外力作用时不易发生变形。表 1 菌丝体复合材料机械性能Table 1 Mechanical properties of mycelium-based composites(MBCs)菌丝体复合材料 MBC断裂载荷Breaking load/N静曲强度Static bending strength/MPa弹性模量Elastic modulus/MPa无柄灵芝G.resinaceum,MBCG142.07.5 b0.660.06 b26.16.7 a白蜡多年卧孔菌P.fraxinea,MBCP56.06.1 a0.260.10 a23.34.0 a注：同列不同小写字母表示差异显著（P0.05）。Note:different lowercase letters in the same column indicate a significant difference at P0.05.2.1.2 压缩强度在压缩实验中，当相对变形达到10%时，无柄灵芝菌丝体复合材料的压缩应力（18.92 MPa）是白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料（8.10 MPa）的2.3倍，此时两种菌丝体复合材料均未被破坏；继续对材料施加压力直至材料被压塌，白蜡多年卧孔菌、无柄灵芝菌丝体复合材料的破坏载荷分别为1 586.0、10 512.5 N。如图1所示，在弹性形变阶段，当两种菌丝体复合材料在小应力情况发生变形时，其应力-应变曲线基本重合，即小应变情况下，两者性能相差不大；随着应力继续增大，无柄灵芝菌 92 第 30 卷食 用 菌 学 报丝体复合材料应力-应变曲线的斜率更大，说明产生相同形变时，无柄灵芝菌丝体复合材料的压缩强度较大，即抗压能力较强。图1 菌丝体复合材料应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of MBCs2.2 物理性能2.2.1 密度、吸水厚度膨胀率和吸水重量增加率如表2所示，与白蜡多年卧孔菌丝体复合材料比较，无柄灵芝菌丝体复合材料的密度较大，2 h吸水厚度膨胀率、24 h吸水重量增加率均较低，说明无柄灵芝菌丝体复合材料内部结合较紧实。两种菌丝体复合材料吸水后的变化可能是由于复合材料内部结合不紧密，材料空隙部分吸水导致。两种菌丝体复合材料在吸水后均未变形，也未松散，且再次干燥后其重量及厚度均无明显变化。表 2 菌丝体复合材料吸水率测试结果Table 2 Water absorption test results of MBCs菌丝体复合材料 MBC密度Density/(gcm-3)2 h 吸水厚度膨胀率Swelling rate of 2 h water absorption/%24 h 吸水重量增加率Weight increase rate of 24 h water absorption/%无柄灵芝G.resinaceum,MBCG0.310.06 b2.760.13 a70.000.22 a白蜡多年卧孔菌P.fraxinea,MBCP0.260.04 a3.300.16 b100.000.07 b注：同表1。Note:footnote as in Table 1.2.2.2 热重分析结果如图 2 所示，两种菌丝体复合材料的含水量均低于 7%，初始分解温度为 200 左右。在200375，无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的重量损失率较高，分别为 44.27%、46.72%；在375900，两种菌丝体复合材料的重量损失率变化趋缓。实验结束时（900）无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的重量剩余量分别为24.7%、25.6%。在热失重实验过程中，除750900，无柄灵芝菌丝体复合材料的失重率均低于白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料，其中以350600 的差异较明显，说明无柄灵芝菌丝体复合材料的热稳定性较强。93 张 倩，等：两种食用菌菌丝体复合材料机械、物理和生物降解特性第 4 期图 2 菌丝体复合材料热失重曲线Fig.2 Thermogravimetric curves of MBCs2.3 降解实验结果埋土处理前无柄灵芝菌丝体复合材料的木质素、纤维素和半纤维素含量分别为12.00%、28.97%和 12.26%，白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的木质素、纤维素和半纤维素含量分别为19.80%、27.01%和10.32%。埋土处理4560 d时无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的总质量损失率分别为43.31%、41.63%。如表3所示，与白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料比较，无柄灵芝菌丝体复合材料的木质素降解率在不同处理时期均较高，在埋土处理4560 d时降解率最高（41.54%）；纤维素降解率在015、1530、3045 d时较低；半纤维素降解率在015、3045 d时较低，在4560 d时较高。如表4所示，随着处理时间增加，两种菌丝体复合材料木质素、纤维素、半纤维素累计降解率均增加。与白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料比较，在不同处理时期无柄灵芝菌丝体复合材料木质素累计降解率均较高，纤维素和半纤维素累计降解率均较低。表 3 菌丝体复合材料降解率Table 3 Degradation results of MBCs成分 Component015 d 1530 d3045 d4560 d木质素Lignin30.800.99 Bb26.771.75 Bab29.730.70 Bb41.540.30 Bc13.950.65 Aa16.960.64 Aa20.130.62 Aab18.570.85 Aa纤维素Cellulose17.640.31 Ab14.700.41 Ab10.190.43 Aa7.220.24 Aa22.130.44 Bc26.210.63 Bd15.690.90 Bb10.070.18 Aa半纤维素Hemicellulose12.240.06 Aa 13.460.30 Aab12.550.35 Aab10.590.36 Ba16.600.16 Bbc22.600.65 Bc15.310.55 Ab6.900.50 Aa注：、分别表示无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料；同列不同大写字母表示同一成分差异显著（P0.05）；同行不同小写字母表示差异显著（P0.05）。Notes:I and II indicate mycelium-based composites of G.resinaceum and P.fraxinea,respectively;different uppercase letters in the same column indicate a significant difference between I and II(P0.05),and different lowercase letters indicate a significant difference between different time(P0.05).94 第 30 卷食 用 菌 学 报表 4 菌丝体复合材料累计降解率Table 4 Cumulative degradation rate of MBCs成分 Component015 d 1530 d3045 d4560 d木质素Lignin30.800.99 Ba50.440.70 Bb66.130.65 Bc81.610.51 Bd13.950.65 Aa29.611.01 Ab45.171.15 Ac56.621.82 Ad纤维素Cellulose17.640.31 Aa29.740.59 Ab36.880.82 Ac41.450.69 Ad22.250.48 Ba42.770.76 Bb51.860.50 Bc56.750.49 Bd半纤维素Hemicellulose12.240.06 Aa24.100.27 Ab33.660.39 Ac40.740.16 Ad16.600.16 Ba36.190.72 Bb46.440.57 Bc50.350.45 Bd注：同表3。Note:footnotes as in Table 3.3 讨论无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的物理性能和机械性能不同，与两个菌株生长过程中对基质的转化程度和菌丝体组成成分的含量密切相关26。菌丝体通过延伸生长填充复合材料孔隙，使其结合更紧密，从而降低吸水率27-28。HANEEF等17研究发现，菌丝体复合材料中蛋白质和脂质部分起到增塑剂作用，影响复合材料静曲强度；菌丝体复合材料的抗压性能与多糖含量相关。本研究结果表明，与白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料比较，无柄灵芝菌丝体复合材料的静曲强度、弹性模量和压缩强度较大，推测其含有较多的蛋白质、脂质、多糖。已有研究表明，无柄灵芝菌丝体中具有较高的多糖含量（3.05%）和蛋白质含量（32.05%）29-30。无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的静曲强度分别为0.66、0.26 MPa，其处于聚苯乙烯泡沫（0.070.70 MPa）、聚氨酯（0.2157.00 MPa）和酚醛树脂（0.380.78 MPa）的静曲强度之间；无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料的压缩应力分别是 18.92、8.10 MPa，其处于聚氨酯（0.0248.00 MPa）的范围内，但显著高于聚苯乙烯泡沫（0.030.69 MPa）和酚醛树脂（0.200.55 MPa）1，也明显高于赤芝（G.lucidum）-小麦秸秆菌丝体复合材料（0.07 MPa）31、无柄灵芝-茅草纤维菌丝体复合材料（1.80 MPa）16、无柄灵芝-薰衣草秸秆菌丝体复合材料（1.03 MPa）32和血红密孔菌（Pycnoporus sanguineus）-松树木屑菌丝体复合材料（1.30 MPa）33，说明本研究中的两种菌丝体复合材料具有较好的机械性能，具有可代替聚苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料的潜力。菌丝体复合材料的热重损失速率与木质纤维素含量和菌丝体中几丁质含量密切相关，在200375 时主要是半纤维素、纤维素、几丁质、木质素等物质降解34-37；375 以上时菌丝体复合材料的重量损失率主要与木质素含量有关，木质素的苯环发生解链或缩聚成碳38。在300400 时聚苯乙烯、聚氨酯的重量损失率分别为80%39、99.9%40，本研究中无柄灵芝菌丝体复合材料热稳定性较高。此外，从热失重曲线可知，无柄灵芝菌丝体复合材料中的木质素含量低于白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料，由于真菌菌丝体不含木质素，表明两个菌株对木质素、纤维素的利用具有偏好性，这可能是导致埋土实验中无柄灵芝菌丝体复合材料中的木质素降解率较高的原因之一。土壤微生物对木质素、纤维素和半纤维素的降解速率与菌丝体复合材料中各组分的含量及其结构被破坏的程度有关。与VAN WYLICK41研究结果相比，本研究中两种菌丝体复合材料埋土后的总质量损失率不仅高于云芝（T.versicolor）菌丝体复合材料（24.87%），更显著高于无柄灵芝-山毛榉木屑菌丝体复合材料（8.22%）。与难以降解的聚苯乙烯泡沫和聚氨酯材料相比，无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料在埋土降解性能方面具有显著优势。笔者所在团队基于无柄灵芝、白蜡多年卧孔菌菌丝体复合材料制备红酒包装材料和育秧盘。由 95 张 倩，等：两种食用菌菌丝体复合材料机械、物理和生物降解特性第 4 期于不同真菌菌丝体复合材料机械性能、热稳定性42及埋土降解性有差异，今后可通过改变真菌物种、培养基配方和菌丝体复合材料制备工艺等生产不同性能的菌丝体复合材料2，替代聚苯乙烯和聚氨酯等泡沫塑料，应用于物流包装领域，将产生较好的经济和环境效益。参考文献1 AIDUANG W,CHANTHALUCK A,KUMLA J,et al.Amazing fungi for eco-friendly composite materials:a comprehensive reviewJ.Journal of Fungi,2022,8(8):842.2 ALEMU D,TAFESSE M,MONDAL A K.Mycelium-based composite:the future sustainable biomaterialJ.International Journal of Biomaterials,2022,2022:8401528.3 ANGELOVA G V,BRAZKOVA M S,KRASTANOV A I.Renewable mycelium based composite-sustainable approach for 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