食用菌制全降解包装材料的研究

尚 舒，牛宏震，林理量，苏 鑫，陈万通，林毅，曾德芳

（武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070）

食用菌制全降解包装材料的研究

尚 舒，牛宏震，林理量，苏 鑫，陈万通，林毅，曾德芳*

（武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070）

为了解决不可降解的废弃塑料类包装材料对环境的污染，以秸秆和木屑为主要原料，利用食用菌栽培技术制备了一种新型的、可完全降解的包装材料。采用对比实验的方法，研究了不同原料配比对菌丝生长情况的影响，结果表明，在秸秆57%、木屑30%、麸皮10%、石膏1%、石灰2%的配比下，选用平菇菌种栽培的培养基菌丝体含量最多，紧实度最好。通过材料的防水性能测试和缓冲性能比较，表明该生物质材料完全可以替代EPS（发泡聚苯乙烯）和EPE（发泡聚乙烯）等包装材料。同时，该生物质材料在土壤中可实现完全降解，为土壤提供有机肥料。

食用菌；包装材料；全降解；秸秆

目前，包装类产品主要有塑料类、瓦楞纸、蜂窝纸类、纸浆模塑类等。由于塑料类包装的废弃物不可回收且不可降解，大量使用后易造成白色污染，给环境带来了巨大压力。瓦楞纸、蜂窝纸类、纸浆模塑类材料虽然可降解，但多以木材为原料，大量消耗了我国有限的森林资源，并且在制造过程中引起水污染，制造成本也高。

食用菌制作的生物质全降解包装材料是以植物纤维（稻草纤维，木屑纤维等）为主要原料，利用食用菌栽培技术，用食用菌菌种产生的菌丝体粘合并包裹基料所制成。它具有原料来源广泛、制备工艺简单、成本低廉、全生命周期无污染等优点，属于绿色环保型包装材料，而且可以充分利用农作物秸秆资源。目前，生物质全降解制品的相关研究已成为国内外研究的热点。如，V. Marechal等以向日葵茎纤维为原料制造包装产品，其强度与聚苯乙烯材料相当［1］。Glenn等研究了淀粉基降解薄膜的抗拉强度和断裂伸长等力学性能指标，并采用扫描电子显微镜分析了其组织结构［2－4］。贾秀杰等对生物质餐饮具发泡成型工艺做了相关研究，得出了较成熟的工艺流程［5－6］。

1 实验部分

1.1 主要材料和仪器设备

1.1.1 主要材料

小麦秸秆，木屑，麸皮，石膏，石灰，玉米粉，蔗糖，磷酸二氢钾，硫酸镁，平菇一级菌种。

1.1.2 仪器及设备

500 m L锥形瓶，1 000 m L量筒，烧杯，移液枪，酒精灯，接种环，镊子，菌种瓶，菌种袋。

高压蒸汽灭菌锅，超净工作台，恒温培养箱。

1.2 实验方法

1.2.1 制种工艺流程

制种工艺流程见图1所示。

液体培养基配方：麸皮3%～4%，玉米粉1%，蔗糖2%，磷酸二氢钾0.15%，硫酸镁0.1%，水92.75%～93.75%［7］；

固体培养基配方：秸秆粉，木屑，麸皮，石膏，石灰。

图1 制种工艺流程图Fig.1 Flow chart of the production process

制种程序如下：

1）液体培养基制作方法

根据配方，称量好各成分；装入容器，加水到需要量；待各成分溶解后分装到锥形瓶中，要求500mL的锥形瓶不超过200 mL，塞上棉塞；在107.87 kPa，121℃高温蒸汽下，灭菌30min。

2）固体培养基制作方法

按配方装料至2／3处，压平实；用圆锥捣木在中间捣一个通气孔。短袋一般在袋外加直径35 mm高3 cm的硬塑料环作为“项圈”。袋口塞棉塞，并包上报纸。塑料袋在高温锅灭菌。栽培种培养基在107.87 kPa，121℃高温蒸汽下，灭菌1.5～2 h。

3）液体培养基接种

拿一级种1支，拔去棉塞，在酒精灯火焰上灼烧瓶口，放在台面上；再取液体培养基，拔去棉塞，用接种针取1块一级种放入液体培养基瓶中，将棉塞过火后塞入瓶口即成。将接种好的培养基置摇床上培养，转速110～120 r／min。经过48 h培养，就可得到菌丝球分布均匀、发酵液清澈透明的液体菌种。

4）固体培养基接种

取培养好的液体培养基，用灭菌后的移液枪取20m L液体注入固体培养基。将固体培养基放在28℃的恒温箱中培养。记录菌丝生长过程。

1.2.2 固体培养基配比方案

以秸秆粉配方为基础的配比方案见表1所示。

表1 以秸秆粉配方为基础的配比方案Tab.1 Formula based on straw powder formula

1.2.3 实验记录

将各固体培养基接种后放置在28℃的恒温培养箱中培养，无光照，湿度保持在60%～70%。每个菌种配方配置2个平行样，共9组18个样品。5 d后做第一次标记，测量菌落半径，观察菌丝生长状态及颜色并拍照；10 d、15 d、20 d后分别标记。

2 菌丝生长速率计算

将2次测量结果进行统计，通过公式计算出菌丝生长速率［8］。

菌丝生长速率＝［（r1’＋r2’＋r3’＋r4’）／4－（r1＋r2＋r3＋r4）／4］／（r1＋r2＋r3＋r4）／4×100% （1）

其中，r1，r2，r3，r4分别为5 d后测得的4次重复菌落的半径；r1’，r2’，r3’，r4’分别为10 d后测得的4次重复菌落的半径（分别计算5～10 d，10～15 d，15～20 d的菌丝生长速率，最后取均值）。

平均菌丝生长速率见表2所示。

表2 不同配比方案的平均菌丝生长速率Tab.2 Average growth rate of mycelium growth with different proportion plan

由表2可知，最佳配比方案为秸秆57%，木屑30%，麸皮10%，石膏2%，石灰1%。

3 底物减重与菌体生长

3.1 底物减重的测定

称量初始固体培养基的质量，计算其与初始培养基干重的差值即为底物减重。

3.2 食用菌菌丝的生物量测定

用DNA检测法评价基质中食用菌菌丝的相对生物量。通过检测DNA浓度确定单位生物量菌丝的DNA含量，构建提取DNA量与提取用菌丝生物量的关联标准曲线。用CTAB法提取DNA，确定DNA含量［9］。

3.3 底物减重与菌体生长的关系

由于生物体代谢吸收氧气放出二氧化碳，营养不断被消耗，底物总重也在逐渐减少。图2为底物干重减少量与培养时间的关系曲线，图3为底物减重与菌体量关系曲线图。

图2 底物减重变化图Fig.2 The change of substrate weight loss

图3 底物减重与菌体质量关系曲线Fig.3 Relationship between substrate weight loss and cell mass quality

由图2看出，底物减重与菌体变化量基本一致：前8 d菌体量一直上升，底物干重持续下降；8～14 d菌体生长缓慢，底物减重也不多；14 d后菌体量再次回升，底物减重也迅速增加，至20 d趋于缓和。由图3看出，底物减重与菌体量具有一定的正向相关性，其拟合的关系为：

y＝41.146x2＋3.4567x－0.1115（2）

式中，y为底物减重量，g；x为菌体量。

由此可见，由底物减重量可以分析出菌体生长代谢的活跃程度，而且方法简单易行并可实现在线监测。

4 材料后期处理

待菌丝体长满并包裹整个底物后，将其拿出，待出菇后将其放置到空气中自然风干。3～5 d后可看到成型材料。材料质地坚硬，内部紧实，如图4所示。

图4 成型后的材料Fig.4 Material after forming

5 材料的测试

5.1 防水性能测试

本研究通过测量生物质材料的接触角来确定其表面防水性能［10］。将试验片平置在水平台上，使用定量注射器，在生物质材料表面制作一个定量为5μL的水滴，根据水滴的图像，利用公式求出其接触角。接触角的计算公式：式中：θ为接触角，（°）；r为球形液滴底面圆的半径，mm；H为液滴的高度，mm。

实测的生物质材料的接触角见表3所示。

表3 不同配比方案生物质材料的接触角Tab.3 The contact angle of biomass materials with different proportion plan

由表3可知，该生物质材料具有接触角均大于90°的表面防水性能，可以满足内包装材料的需要。

5.2 缓冲性能

制成材料的缓冲性能与EPE、EPS等缓冲包装材料进行比较，如图5所示。其中，EPE尚无国家标准，测试用EPE包装材料表观密度约为2×10－5g／mm3；EPS为QB／T1649－92规定的III类泡沫塑料包装材料，表观密度约为2.58×10－5g／mm3［11］。

图5 不同包装材料的缓冲系数－应力柱形图Fig.5 Chart of the buffer coefficient－the stress column of different packaging materials

从图5看出，在相同应力条件下，该材料的缓冲系数低于EPS，而高于EPE。因此，该材料的缓冲性能可以满足一般包装材料的要求，作为一些产品的缓冲衬垫包装，能完全满足保护产品的要求。

6 材料的可降解性

该生物质材料的主要成分植物纤维内含木质素和纤维素，可以被土壤中可分解木质素和纤维素的真菌和细菌完全分解，并为土壤提供有机肥料，实现对环境的零污染。

7 结论

1）在秸秆57%，木屑30%，麸皮10%，石膏1%，石灰2%的配比下，选用平菇菌种栽培的培养基菌丝体含量最多、紧实度最好。

2）该生物质材料具有接触角大于90°的表面防水性能，可以满足内包装材料的需要；该材料的缓冲系数低于EPS，而高于EPE。因此，该材料的缓冲性能可以满足一般包装材料的要求，可作为一些产品的缓冲衬垫包装。

3）该生物质材料可在土壤中实现完全降解。

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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

武汉理工大学大学生自主创新项目（项目编号：2015－ZH－B1－02）。作者简介：尚舒（1995－），女，本科生，主要从事环保材料的研究。

*通信联系人：曾德芳，电邮：df5152＠163.com，电话：027－86581750。

10.3969／j.issn.1004-275X.2015.06.006