基于菌丝体的缓冲包装材料制备及性能研究

吴　豪,赵　鹏,章　琦,冯　硕,张治国,孙耀宇

(1.浙江科技学院 a.轻工学院;b.机械与汽车工程学院,杭州 310023)



浙江科技学院学报,第27卷第1期,2015年2月

Journal of Zhejiang University of Science and Technology

Vol.27 No.1, Feb. 2015

基于菌丝体的缓冲包装材料制备及性能研究

吴豪a,赵鹏a,章琦a,冯硕a,张治国b,孙耀宇a

(1.浙江科技学院 a.轻工学院;b.机械与汽车工程学院,杭州 310023)

摘要:为解决不可降解的废弃塑料类包装材料对环境造成的污染,以棉籽壳、稻壳、麸皮为主要原料,制备了一种基于菌丝体的新型缓冲包装材料——“蘑菇包装”。为了满足不同的需求,将棉籽壳、稻壳、麸皮和水以不同比例混合制作培养基,然后接种不同的菌种,使之生长出不同性能的缓冲包装材料。结果表明:金针菇、鸡腿菇、平菇2005生长速度快于其他菌种,棉籽壳含量越高的培养基中菌丝体的生长情况越好。通过静态压缩试验发现,平菇2005相比较其他菌种,应力变化较小,而且有不错的回弹性能。综合来看,平菇2005与以纯棉籽作为材料制作的缓冲包装材料性能最好。对比平菇2005-A与EPS材料的缓冲性能表明,平菇2005缓冲包装材料完全可以替代发泡聚苯乙烯包装材料。

关键词:缓冲材料;包装材料;可持续包装;菌丝体;蘑菇包装

近几年来,包装工业发展带来的环境问题给人类社会造成了巨大的影响,引起了人们的广泛关注。面对生态环境失衡这一现象,人们开始了解资源再利用的重要性,于是提出了绿色的可持续包装理念[1]。可降解包装是绿色可持续包装的一种,在国内外得到快速的发展,如瑞士的Balland公司研制开发了具有水溶性的丙烯酸聚合物,可以达到降解的目的[2];UNION CARBIDE公司生产的聚己内酯(PCL),是一种可降解的绿色包装材料[3]。美国Warner-Lambert公司生产了一种以淀粉为主要原料的生物降解材料Novon[4]。中国的生物降解塑料技术发展迅速,如北京的一家塑料研究所采用聚乙烯为基础原料,添加特制的浓缩母料,采用挤出吹塑工艺制得能够阻隔紫外线的遮阳薄膜。

国内外对生物降解材料的研究多集中在材料共混、共聚和薄膜的应用上,对缓冲材料的研究报道较少。缓冲包装材料属于短期使用的一次性包装物,目前国内外常用的缓冲包装材料是聚苯乙烯泡沫(EPS),但是EPS无法自然分解,在焚烧过程中还会产生大量有毒有害气体[5]。所以,寻找一种新型的绿色缓冲包装材料是缓冲包装材料发展的必然趋势。本研究以棉籽壳、稻壳、麸皮为主要原料,制备一种新型的基于菌丝体的缓冲包装材料;通过探讨不同菌种与不同培养料混合、生长、成形,通过测试,制订最佳混合比例,合成最优性能的新材料。这种材料具有缓冲作用,而且蘑菇菌丝体制成的材料只需6~9个月就可以分解,还可以用来做肥料[6]。

1实验

菌丝体生长阶段对生活条件有较严格的要求,表现最明显的就是对于营养条件中的碳氮比(培养料中碳素和氮素之比,一般以培养料中碳源与氮源含量的比来表示)要求不同。对一般菌类来说,菌丝体生长阶段所要求的碳氮比为20∶1。据有关资料显示,棉籽壳成分中含37%~39%的纤维素、29%~32%的木质素、22%~25%的无氮浸出物、7.3%的粗蛋白[7]。

1.1　实验器材

安全型智能高温反压蒸煮锅,接种棒,塑料模具,温湿度计,酒精灯,粉碎机。

1.2　实验材料

菌种:金针菇、鸡腿菇、平菇2005、春载一号、夏灰一号、早熟5-1、早秋615。培养料:棉籽壳、稻壳、麸皮、石灰。

1.3　实验方法与过程

1.3.1塑料袋规格

采用聚丙烯薄膜袋,厚度为0.06 mm,袋长20 cm,宽10 cm。塑料袋套脖,采用高弹性的橡皮筋。

1.3.2装袋

选择质量好的塑料袋,每袋装料500 g,上下用力晃动,使松紧度一致,一般装至袋高的3/5左右为宜;表面整平,用纱布擦净袋口内外的残留棉籽壳;用手捏紧袋口,然后用橡皮筋扎住。

1.3.3培养料的配比

本研究采用3种配料方式[8]制作培养基A、培养基B、培养基C,详见表1。

表1　培养基配方

1.3.4灭菌

培养料装袋以后,要及时在灭菌锅内进行灭菌。装好的袋子,直立排放在安全型智能高温反压蒸煮锅内,压力泵充压,以147 kPa压力,125 ℃的高温,灭菌90 min。灭菌后,打开锅盖,趁培养料还有余热,取出放于干燥通风的接种室内继续冷却。

1.3.5接种

把已冷却到30 ℃以下的培养料袋子,连同菌种和接种工具,搬入接种箱内。按箱内每立方米空间使用甲醛10 mL、高锰酸钾8 g的标准,进行熏蒸灭菌30 min,然后进行四周接种[8]。

1.3.6菌丝体培养

参考文献菌丝体培养是本研究的核心内容。[9],将接种好的材料放在适温透气黑暗的环境下,一般控制温度在23 ℃左右、湿度在60%左右。经过1个月的培养,菌丝体即可发好,整个材料表面布满白色菌丝体,整体呈白色柱状。这一期间管理工作非常重要,对产量和质量有决定性的影响,每天观察检查有无杂菌污染,如有污染的袋子要及时剔除。

1.4　产品成形

待菌丝体生长完成,塑料袋内的材料呈白色柱状,将其取出烘干、定形,即可得到“蘑菇包装”缓冲材料。

1.5　产品性能测试

采用YED—50电子式包装件压力试验机测试蘑菇包装的耐压强度。按照GB/T 4857.4—2008《包装运输包装件基本试验第4部分:采用压力试验机进行的抗压和堆码试验方法》对产品进行静态压缩试验[10]。

2结果与讨论

2.1　菌丝生长速度

将各菌种放在3种不同的培养基A、B、C中,生长出不同的菌丝体。实验结果如表2所示。

表2　各菌种在3种培养基上的生长

注:“++++”表示菌丝体很浓密;“+++”表示菌丝体浓密;“++”表示菌丝体稀疏;“+”表示菌丝体极稀。

从表2可以看出,金针菇、平菇2005、春栽一号在棉籽壳含量较高的培养基中生长较好,且生长速度较快。鸡腿菇、夏灰一号、早熟5-1、早秋615则对棉籽壳含量要求不高,在所有培养基中生长速度一般,长势一般。说明有些菌丝体对棉籽壳的营养成分能够更好地利用。同时,大多数菌种在纯棉籽壳的培养基中生长的菌丝体密度比在含有稻壳的培养基中生长的菌丝体密度高。

各菌种菌丝体的生长速度:平菇2005>春栽一号>金针菇>鸡腿菇>早秋615>夏灰一号>早熟5-1。

2.2　静态缓冲性能分析

在烘干箱中把蘑菇中的孢子杀死,使其停止生长,同时烘干其中的水分,测量材料密度。试验密度测量及结果如表3所示。

表3　各试样密度测定

2.2.1相同培养料不同菌种的静态缓冲性能测试

实验选用试样:金针菇-A,密度0.267 g/cm3;鸡腿菇-A,密度0.202 g/cm3;平菇2005-A,密度0.207 g/cm3;春栽一号-A,密度0.225 g/cm3;夏灰一号-A,密度0.201 g/cm3;早熟5-1-A,密度0.246 g/cm3;早秋615-A,密度0.178 g/cm3。所有试样尺寸均为9 cm×6 cm×6 cm。

考虑实际流通环境情况,在25 ℃,相对湿度50%的条件下对所有样品进行24 h温湿度预处理,分别在标准环境中进行准静态压缩。

以不同的菌种在A培养基中生产的材料为试样,试验结果如图1所示。当材料进行实验完静置3 min后,测量试样的厚度及残余应变,结果如表4所示。

图1　不同菌种在A培养基中培养出来的材料的应力-应变曲线Fig.1　Stress-strain curve of materials in different strains produced in medium A

试样试样厚度/cm卸载3min后试样厚度/cm残余应变/%金针菇-A65.636.1鸡腿菇-A65.714.8平菇2005-A65.783.6春栽一号-A65.636.1夏灰一号-A65.419.8早熟5-1-A65.2213.0早秋615-A65.3810.3

从图1的曲线形态上看,除了平菇2005,其他菌类都相似,可见密度对缓冲材料的应力-应变曲线的影响很小。在小应变的情况下,材料的弹性越好，产生的变形越大[11];随着载荷的增加,材料发生了弹性屈曲,随后曲线呈现出较长的平滑阶段,此时材料发生了较大的塑性变形,应力随应变的增加增长缓慢,这是因为大部分能量被材料吸收或耗散。之后随着应变量超过材料的脆值,材料结构遭到破坏,对能量的吸收减小,材料传递的应力也开始急剧上升。平菇2005相比较其他菌种,应力变化较小,而且曲线几乎呈现为直线。当承受相同的力时,形变比较大,说明弹性比较好。其他6种菌曲线相似,说明能承受的压力比较大。从表4可以看出,早熟5-1-A和早秋615-A回弹性差,而平菇2005-A和鸡腿菇-A回弹性较好。

2.2.2相同菌种不同培养料的静态缓冲性能测试

试验选用试样:平菇2005-A,密度0.251 g/cm3;平菇2005-B,密度0.234 g/cm3;平菇2005-C,密度0.207 g/cm3。所有试样尺寸均为9 cm×6 cm×6 cm。

图2　平菇2005在不同培养基中培养出来的材料的应力-应变曲线Fig.2　Stress-strain curve of materials of pleurotusostreatus 2005 cultivated in different medium

以平菇2005在不同培养基中生产的材料为试样,实验结果如图2所示。当材料进行完试验静置3 min后,测量试样的厚度及残余应变,结果如表5所示。

从图2的曲线形态上看,B跟C类同,A不同。B、C线相比较,可见密度对缓冲材料的应力-应变曲线的影响很小。A与B、C比较,说明A能承受的压力比较大。B与A、C比较,B在应变为13%左右出现急剧上升,也就是马上就要压溃,可见B能承受的压力范围特别小。从表4中可以看出,A、C的回弹性比较好,B相对来说要差一点。

表5　3 min后试样厚度及残余应变

2.3　平菇2005-A与EPS对比

EPS是聚苯乙烯(PS)的硬质蜂窝状泡沫物,因其具有优良的缓冲性能,在现代包装行业中得到了广泛的应用。选用密度为0.012 g/cm3,尺寸9 cm×6 cm×6 cm的EPS材料为试样。

测试EPS试样和平菇2005-A静态缓冲性能,得到图3。

图3　平菇2005-A与EPS应力-应变曲线比较Fig.3　Stress-strain curve of EPS

通过对比平菇2005-A与EPS材料的应力-应变曲线,可以直观地看出可承受相同的应力,平菇2005-A产生的形变与EPS材料相当,说明平菇2005-A类的“蘑菇包装”能够替代EPS材料。

3结语

本研究的试验结果表明:各菌种菌丝体的生长速度为平菇2005>春栽一号>金针菇>鸡腿菇>早秋615>夏灰一号>早熟5-1。通过静态压缩试验分析可知,平菇2005的回弹性能较好,缓冲性能优异,比较适合制造“蘑菇包装”材料;纯棉籽壳的培养料能生产出更高效、更实用、更具缓冲性的包装材料。通过各种测试分析,得出平菇2005的菌丝体是最适合制作“蘑菇包装”的原材料;含高配比棉籽壳的培养基是最理想的培养原料。通过平菇2005-A与EPS材料的对比试验,可以确定“蘑菇包装”能替代一般缓冲材料。

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Preparation and properties of cushion packaging material based

on mycelium

WU Haoa, ZHAO Penga, ZHANG Qia, FENG Shuoa, ZHANG Zhiguob, SUN Yaoyua

(a. School of Light Industry; b. School of Mechanical and Automotive Engineering,

Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:We produce a new cushion packaging materials based on mycelium called mushroom packaging, which is made by cottonseed hulls, rice husk and bran to solve the problem of environmental pollution caused by the non-biodegradable waste plastics packaging materials. In order to meet different needs, we use cottonseed hulls, rice husk, bran and water mixed in different proportions to produce medium and then inoculate them with different strains, so that we can get the cushion packaging material with different performance.Results show that the needle mushroom, chicken leg mushroom and oyster mushroom 2005 grow faster than other species, the higher content of seed coats of medium brings, the better mycelial grows. Through the static compression experiment found that oyster mushroom 2005 compared with other strains, stress change is small, and can have good resilience. The cushion packaging material made by oyster mushroom 2005 and pure cotton seed have the best performance. Contrast between mushroom 2005-A and the cushioning property of EPS material show that the buffer packaging materials can completely replace the expanded polystyrene packaging materials.

Key words:cusioning package; packaging materials; sustainable packaging; mycelium; mushroom packaging

中图分类号:TB484.6

文献标志码:A

文章编号:1671-8798(2015)01-0022-06

通信作者:张治国,副教授,博士,主要从事新材料、新能源的研究。

作者简介:吴豪(1994—),男,浙江省台州人,2012级包装工程专业本科生。

基金项目:浙江省重大科技专项计划项目(2013C03017-4)

收稿日期:2014-12-13

doi:10.3969/j.issn.1671-8798.2015.01.005