外源營養物對菌絲體生物質材料的生長研究及其性能表征

陳晨偉，丁 榕，彭柳城，謝 晶，楊福馨，楊新宇，于千惠

外源營養物對菌絲體生物質材料的生長研究及其性能表征

陳晨偉1,2,3，丁 榕1，彭柳城1，謝 晶1,2,3※，楊福馨1,2,3，楊新宇1，于千惠1

（1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306； 2. 上海冷鏈設備性能與節能專業技術服務平臺，上海 201306；3. 國家食品科學與工程試驗教學示范中心（上海海洋大學），上海 201306）

為優化菌絲體生物質材料配方和成品性能，該研究以菌絲生長速率為評價指標，首先通過單因素試驗篩選出較佳外源營養物。再利用Plackett-Burman試驗確定了影響平菇菌絲生長的主要因素為葡萄糖、酵母粉和KH2PO4，通過最陡爬坡試驗和Box-Behnken響應面分析對添加物進行分析，得到較佳外源營養物組合為：質量分數為4.7%葡萄糖、1%酵母粉和0.3%磷酸二氫鉀。最后比較了未添加和添加外源營養物制得的菌絲體材料結構與性能，結果表明：與未添加組相比，添加外源營養物制得的菌絲體材料，其菌絲粗壯且相對致密，菌絲直徑增加了460 nm；復合材料壓縮強度為114 kPa，較未添加對照組提升了43.7%，說明外源營養物的添加促進了平菇菌絲的生長，提高了菌絲體材料的強度和回彈性。研究結果為菌絲體生物質材料的制備及其性能優化提供參考。

可降解材料；優化；菌絲體材料；外源營養物；響應面分析法；農業廢棄物

0 引 言

2020年全球塑料產量已經達到3.67億t[1]，而2020年全球生物可降解塑料的產能僅有120萬t左右，不可降解塑料使用的嚴重后果之一就是不可逆的環境污染[2-3]。因此，開發綠色可降解材料刻不容緩。近年來，菌絲體材料作為一種新型綠色材料越來越引起關注[4]，它是一種將真菌與農業廢棄物結合制造的可降解多孔材料，不僅所有原料完全可降解，而且可以循環利用農業廢棄物，大大減少了環境污染[5]。

菌絲體材料概念最先由Bayer和McIntyre在2007年提出[6]，而該領域的研究最早是Holt制得菌絲體并在包裝上應用[7]。菌絲體材料主要是利用真菌菌絲在基質中的生長特性，類似粘合劑去固定木屑、棉籽殼和秸稈等農業廢棄物基質材料，從而得到具有一定強度的生物質材料，可用作包裝、保溫、隔音等領域[8-9]。目前，國內外有關菌絲體材料的研究日益增多。Wimmers等[10]篩選不同真菌與不同木材以挑選出最佳的木材菌絲體材料組合來生產隔熱板。Elsacker 等[11]研究不同類型農業廢棄物和不同加工方式對菌絲體材料性能影響，發現最終材料性能與基質顆粒大小和加工方式有關。 Ziegler等[12]使用不同基質-真菌組合，以棉花廢料為芯材，纖維織物為表面，將真菌接種在纖維表面來制備菌絲體材料。閆微等[13]利用靈芝菌種與木竹碎屑制備菌絲體材料，發現果樹碎料適合靈芝生長，復合材料擁有良好的保溫性能。吳豪等[14]比較了幾種真菌生長結果發現，平菇真菌與棉籽殼結合生長得到的復合材料性能較佳，可以替代發泡聚苯乙烯。尚舒等[15]使用平菇真菌與農業廢棄物結合，得到的菌絲體材料防水性能良好且緩沖性能優于發泡聚乙烯。盡管如此，菌絲體材料仍是一個較新的研究領域，材料性能與菌種類型、基質配方、制備工藝等諸多因素有關，值得進一步探究。結合相關文獻與預試驗發現，制備菌絲體材料的首要問題是解決菌絲在基質材料中長勢問題，因為菌絲在材料中充當粘結劑作用，菌絲生長程度決定了菌絲材料性能好壞[16]。因此，在制備菌絲體材料中如何促進菌絲生長是關鍵問題所在。

在傳統食用菌產業中，可以通過添加外源營養物來促進菌絲及子實體生長[17]。通過預試驗發現，外源營養物的添加在制備菌絲體材料時也有助于菌絲的生長。因此，本文主要研究外源營養物對菌絲體材料的生長特性及其性能的影響。以木屑、棉籽殼等農業廢棄物為基質材料，首先通過單因素試驗對平菇菌絲在基質中生長的較適碳/氮源、無機鹽等外源營養物及其添加量進行篩選，再利用響應面法對適合平菇菌絲在基質上生長的外源營養物進行優化，以獲得較佳外源營養物添加配方，最后比較未添加和添加外源營養物制得的菌絲體材料結構與性能，旨在為菌絲體生物質材料的制備及其性能優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

平菇菌株，購于江蘇天達食用菌研究所；木屑粉末（質量分數分別為75%綜纖維素、23%木質素）、玉米芯粉末（質量分數分別為72%綜纖維素、18%木質素）、麥麩粉末（質量分數分別為非淀粉多糖46%，蛋白質14%）購于東海縣白塔埠鎮長遠秸稈加工廠；棉籽殼（質量分數分別為54%綜纖維素、26%木質素）購于德州食用菌研究所。將棉籽殼放入多功能粉碎機中粉碎并過直徑為 19 cm的10目篩得到棉籽殼顆粒。

基礎培養基是由木屑、棉籽殼、玉米芯、麥麩、石灰和石膏按照一定配比組成。碳源選擇為纖維素、玉米淀粉、葡萄糖、木質素，購自上海源葉生物科技有限公司；氮源選擇為酵母粉、氯化銨（NH4Cl）、磷酸二氫銨（NH4H2PO4），購自國藥集團化學試劑有限公司；無機鹽選擇硫酸鎂（MgSO4）、磷酸二氫鉀（KH2PO4），購自國藥集團化學試劑有限公司；生長激素選擇為三十烷醇、萘乙酸、赤霉素，購自上海源葉生物科技有限公司；活化培養基為PDA培養基，購于國藥集團化學試劑有限公司。

生長培養基：為了觀察和測量菌絲生長直徑，將基礎培養基中的粉狀農業廢棄物與瓊脂粉混合制備成生長培養基，具體組成為：質量分數5%基礎培養基、1.5%瓊脂粉、93.5%蒸餾水。空白組無任何營養源添加的生長培養基上菌絲體生長速率為（5.62±1.3）mm/d。

試驗儀器與設備：10目標準試驗篩，SZ-A3002分析天平（蘇州博泰偉業電子科技有限公司），VS-1300L-U超凈工作臺（蘇州安泰空氣技術有限公司），GX-ZGF101恒溫鼓風干燥箱（上海賀德試驗設備有限公司），BPS-50CH恒溫恒濕箱（上海一恒科技有限公司）ZY-150F反壓高溫蒸煮鍋（浙江新豐醫療器械有限公司），SU-500掃描電鏡（日本日立公司），DDL-100電子萬能試驗機（長春機械科學研究院有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 菌種活化

在無菌超凈臺中，將平菇菌種轉接到PDA培養基上，置于25℃、90%相對濕度下培養10 d，挑選菌絲茂密、無雜菌污染的菌種備用。

1.2.2 碳、氮源種類及添加量篩選

在前期預試驗研究的基礎上，在生長培養基中分別添加質量分數的3%纖維素、葡萄糖、玉米淀粉、木質素和質量分數0.5%的酵母粉、NH4Cl、NH4H2PO4，設置3個平行組，在121℃，103.4 kPa條件下滅菌15 min，在無菌條件下，在PDA培養基中打孔取直徑5 mm菌塊接種于培養基中，置于25℃、90%相對濕度恒溫恒濕培養箱中培養8 d，每隔2 d測一次菌落直徑。

將篩選到的碳源以質量分數1%、2%、3%、4%、5%添加量進行篩選；將篩選到的氮源以質量分數0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%添加量進行篩選。每組3個平行，置于25℃、90%相對濕度恒溫恒濕培養箱中培養8 d，每隔2 d測一次菌落直徑。

1.2.3 無機鹽及生長激素添加量篩選

以MgSO4和KH2PO4為無機鹽，添加量為質量分數0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%；以三十烷醇、萘乙酸和赤霉素為生長激素，添加量為質量分數0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。無機鹽和生長激素的篩選試驗都是在添加了質量分數4%葡萄糖、質量分數0.5%酵母粉的生長培養基上進行。每組3個平行，置于25℃、90%相對濕度恒溫恒濕培養箱中培養8 d，每隔2 d測一次菌落直徑。

1.2.4 響應面法優化培養基

1）Plackett-Burman（PB）試驗：根據單因素試驗結果挑選出影響菌絲生長的7個因素，每個因素取高低水平，響應值為菌絲生長速率，根據軟件分析結果確定影響菌絲生長關鍵因素，PB試驗方案如表1所示。

表1 PB試驗中各因素及水平

注：%表示添加量，下同。

Note: % means addition, the same below.

2）最陡爬坡試驗：根據PB試驗結果設計最陡爬坡試驗，確定因素的爬坡方向和步長，快速逼近最大響應區域。

3）Box-Behnken試驗：根據最陡爬坡試驗結果確定的中心點，設置三因素三水平試驗，試驗次數=17，對影響菌絲生長的外源營養物添加量進行優化。

1.2.5 根據響應面優化結果制備菌絲體生物質材料

按照響應面優化結果的配比將外源營養物添加到基礎培養基中，再與蒸餾水按一定比例均勻混合；高溫滅菌，滅菌條件：溫度115℃、壓力103.4 kPa和時間 15 min；冷卻至室溫后，在超凈臺中與平菇菌種接種，在恒溫恒濕培養箱中培養10 d后，在70℃烘箱中干燥48 h得到菌絲體材料。同時對照組為未添加外源營養物的菌絲體材料，因10 d培養時間復合材料無法成型，故對照組生長時間為20 d。菌絲體生物質材料制備方法如圖1所示。

1.0%質量分數三十烷醇、1.5%質量分數赤霉素和1.0%質量分數萘乙酸對菌絲生長速率促進效果良好。生長激素具有誘導細胞分裂、促進菌絲體呼吸的作用，提高細胞內蛋白酶、脂肪酶和核酸酶的活性，從而促進了平菇菌絲體生長[25]。因此，適宜的無機鹽和生長激素質量分數添加量為：0.15%MgSO4、0.10%KH2PO4、1.0%三十烷醇、1.5%赤霉素和1.0%萘乙酸。

圖1 菌絲體生物質材料制備流程圖

1.3 菌絲體材料性能測試

1.3.1 掃描電鏡

使用掃描電鏡對菌絲體材料微觀結構進行觀察。拍攝前，取5 mm×5 mm左右大小干燥樣品噴射鍍金后，使用掃描電鏡在10 kV加速電壓下進行拍攝。用ImageJ軟件對拍攝照片進行分析[18]。

1.3.2 壓縮強度

菌絲體材料在電子萬能試驗機上進行壓縮試驗。壓縮強度根據GB/T8813-2020 《硬質泡沫塑料壓縮性能的測定》中方法A測試，以（12±3）mm/min 速度進行壓縮。壓縮強度σ（kPa）計算公式為

式中F為相對形變為10%時的最大壓縮力，N；0為試樣初始橫截面積，mm2。

1.3.3 回彈率

菌絲體材料回彈性能通過電子萬能試驗機測得。壓板以（12±3）mm/min速度沿材料厚度方向增加載荷，當應變為50%時停止加載并保持3 min，卸載后靜置10 s測得樣品厚度，計算回彈率[19]。回彈率公式為

式中為回彈率，%；T為樣品壓縮前厚度，mm；T為樣品回彈后厚度，mm。

1.4 數據處理

使用Design Expert.11軟件進行PB試驗和Box-Behnken試驗數據分析；使用SPSS 20軟件進行方差分析，通過Duncan的極差檢驗5%的顯著性水平；使用ImageJ軟件進行掃描電鏡分析；使用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 碳、氮源種類及添加量篩選

表2是單因素碳、氮源及添加量的篩選結果。平菇菌種可以利用不同碳、氮源進行生長，但效果有顯著差異（＜0.05）。在不同碳源種類中，菌絲體生長速率最快是葡萄糖，最慢是木質素，其主要原因是平菇可以很好利用單糖，而對于纖維素、淀粉和木質素的利用是先要經過酶降解為單糖再利用，所以菌絲利用葡萄糖效率快且高[20]；在不同氮源種類中，菌絲體生長速率最快是酵母粉，最慢是NH4H2PO4。這表明平菇利用有機氮的效率高于無機氮，可能是因為有機氮中含有多肽、氨基酸、B族維生素及微量元素，營養物質豐富[21]，且含有的碳元素也可以被當做碳源使用，會雙重刺激菌種的生長，而無機氮源成分單一，不能提供菌絲合成蛋白質等大分子物質的必需元素[22]。因此，選擇葡萄糖和酵母粉分別作為較適碳、氮源。

當葡萄糖添加量為1%～5%時，菌絲生長速率隨著添加量增加先增加后降低，在葡萄糖添加量為4%時，菌絲生長速率最快（＜0.05）。隨著酵母粉添加量的增加，菌絲生長速率也表現為先增加后降低，在添加量為0.5%時生長速率最大（＜0.05）。因此，葡萄糖和酵母粉的較適添加量為4%和0.5%質量分數。

表2 碳、氮源種類及添加量篩選結果

注：同類同列字母不同表示差異顯著（<0.05）。

Note: different letters in the same column and same type indicate significant differences (<0.05).

2.2 無機鹽及生長激素篩選

圖2為不同無機鹽和生長激素添加量對菌絲生長速率的影響。圖2a表明0.15% 添加量MgSO4和0.10%添加量 KH2PO4對菌絲生長促進作用最大（＜0.05）。這歸因于細胞活動中無機鹽離子是必不可少的，Mg2+對許多酶系的活化起到重要作用，而K+參加了營養物質向細胞中運輸活動[23]。但總體來看，不同無機鹽對菌絲生長促進作用不明顯，其主要原因可能是菌絲生長對無機鹽需求是微量的，且碳、氮源中可能含有一定量無機鹽，所以在不同添加量之間差異更為明顯，在不同種類之間不明顯[24]。

2.3 PB試驗結果

PB試驗結果表3。表3顯示菌絲生長速率在6.41～9.19 mm/d，對表3數據進行顯著性分析，結果見表4。對菌絲生長速率影響極為顯著（＜0.05）的有葡萄糖、酵母粉，影響顯著（0.05＜＜0.10）的有KH2PO4，其余因素影響不顯著。因此，這3個因素是構建響應面模型的主要影響因子。

注：相同種類上標不同字母表示生長速率差異顯著（P＜0.05），下同。

表3 菌絲生長速率PB試驗結果

表4 菌絲生長速率PB試驗因素及顯著性分析

注：“*”差異顯著，0.05＜＜0.1，“**”差異極為顯著，＜0.05，下同。

Note: “*” significant difference, 0.05＜< 0.1, “**” very significant difference,<0.05. The same below.

2.4 最陡爬坡試驗結果

由PB試驗可知，葡萄糖、酵母粉和KH2PO4對菌絲生長速率為正效應，意味著隨著添加量增加，菌絲生長速率提高，因此最陡爬坡試驗中各因素取值增加，試驗設計結果見表5。結果表明第3組的菌絲生長速率 最大，所以將該組的葡萄糖（4.5%）、酵母粉（0.9%）和KH2PO4（0.3%）添加量作為響應面試驗分析的中心點。

2.5 響應面優化試驗結果及分析

2.5.1 Box-Behnken試驗設計及結果

使用BBD試驗設計對菌絲生長速率的3個顯著影響因子：葡萄糖、酵母粉和KH2PO4進行3因素3水平的響應面試驗，表6為中心組合設計因素及水平。以菌絲生長速率為響應值進行分析，具體試驗設計及結果見表7。

表5 最陡爬坡試驗設計及結果

表6 Box-Behnken中心組合因素及水平

表7 響應面試驗設計與結果

2.5.2 響應面分析及優化

利用Design Expert 11軟件對表7的數據進行回歸分析，得到二次多項回歸模型方程為：=10.11+0.805+ 0.43–0.495+0.015+0.235+0.125–0.8872– 0.7972–1.152，方差分析見表8。由表8可知，模型極顯著（＜0.000 1），決定系數2=0.987 9，修正決定系數A=0.972 2表明建立的回歸方程有較好的擬合性，其中、、、、2、2、2極顯著，而失擬項＞0.05，說明差異不顯著，意味著殘差均由隨機誤差引起，表明模型擬合度好、可信度高，可以用來分析菌絲生長速率的變化。

圖3的等高線呈橢圓形，三維立體圖坡度較大，說明（葡萄糖）和（KH2PO4）之間交互作用顯著[26-27]。此外，從圖中可以看出，當其中一個因素固定時，菌絲生長速率隨著另外一個因素增加呈先增加后減少的趨勢。

表8 響應面試驗結果及分析

圖3 葡萄糖和KH2PO4交互影響菌絲生長速率的響應面圖

通過對回歸模型的分析可知，影響平菇菌絲生長速率的外源添加物優化配比為：質量分數為4.718%葡萄糖、0.952%酵母粉、0.284%KH2PO4，在此條件下，菌絲生長速率為10.378 mm/d。為檢驗響應面結果的準確性，考慮到實際配比，將上述配比修正為質量分數4.7%葡萄糖、1%酵母粉、0.3%KH2PO4，在實際條件下進行5組平行試驗，得到平菇菌絲生長速率為(10.28±0.11)mm/d，與模型預測值接近，說明該試驗模型具有較好的精度和可靠性。試驗結果相較于未添加營養源組生長速率(5.62±1.3)mm/d提高82.9%，說明該試驗可以加速菌絲體生物質材料的生長周期。

2.6 菌絲體材料性能表征

2.6.1 掃描電鏡觀察微觀結構

菌絲體材料微觀結構如圖4所示。圖4a和圖4d為 對照組和營養組的菌絲體材料外觀照片。從外觀看，菌絲體材料整體呈白色，對照組材料可以看見內部棕黃色基質，說明菌絲生長數量不足以完全包裹基質，而營養組表面完全被菌絲體覆蓋，質感類似泡沫。圖4c展示了菌絲體生長附著在基質上，因為菌絲體可以產生纖維素酶、木質素過氧化物酶和漆酶等[28]來降解基質而獲得營養物質，部分菌絲可以穿透基質使基質互相粘結，形成更緊密的網狀結構。圖4f展現了在生長后期，菌絲聚集交織在一起，孔隙逐漸縮小，菌絲體表面轉變為類似薄膜結構，這樣的結構特點提供了材料良好的防水性能，也有利于提高菌絲體材料的整體壓縮強度。通過圖4b和圖4e的微觀結構圖對比看出，對照組菌絲體材料相對疏松，菌絲之間孔隙大且多，而營養組菌絲體材料相對致密，菌絲互相糾纏、扭結，菌絲之間孔隙小且少，幾個纖細的菌絲體集合成更大的菌絲體，形成了密集的網狀結構。利用ImageJ軟件分析對照組和營養組菌絲纖維直徑，對照組平菇菌絲直徑在300～3 000 nm，平均直徑為 1 270 nm，而營養組平菇菌絲直徑在300～6 000 nm，平均直徑為1 730 nm，添加了營養源的平菇菌絲平均直徑增粗了 460 nm，并且營養組生長周期（10 d）僅為對照組（20 d）的一半，表明營養物組菌絲生長不僅粗壯且更快速。

2.6.2 力學性能

對照組和營養組菌絲體材料的密度均在240～260 kg/m3范圍之間。添加營養物的材料壓縮強度為114 kPa，這相當于密度為20 kg/m3的EPS板的壓縮強度[29]，相比對照組材料的壓縮強度（79.3 kPa）提高了43.7%（＜0.05）。營養組材料回彈率為61.4%，相較對照組（55.3%）有所增加（＜0.05）。有研究表明，菌絲體細胞壁中幾丁質為材料提供了機械強度，因為幾丁質可以聚集成纖維，在壓縮過程中支撐材料的結構以減少裂縫形成[30]，而菌絲體中蛋白質和脂質可用作增塑劑以提高材料的回彈性[31]。結合掃描電鏡結果分析可知，菌絲體材料力學性能的提高歸因于添加營養物后，菌絲生長發育良好，菌絲體材料的表面和內部孔隙中充滿菌絲，大量菌絲體包裹基質，從而提供了復合材料良好的回彈性和壓縮強度。

3 結 論

本文以農業廢棄物為基質，利用平菇菌絲的生長特性制得菌絲體生物質材料。以菌絲生長速率為評價指標，首先通過單因素試驗篩選出適宜碳源（葡萄糖4%）和氮源（酵母粉0.5%），接著通過PB試驗確定影響平菇菌絲生長速率的關鍵因素，并由最陡爬坡試驗確定最佳響應區域，然后根據Box-Behnken試驗，利用Design-Expert軟件進行響應面分析，獲得了較優外源添加物參數，最后比較了對照組和營養組材料的結構與性能，得到如下主要結論：

1）影響平菇菌絲生長的主要外源營養物為葡萄糖、酵母粉和KH2PO4，外源營養物較佳組合：質量分數為4.7%葡萄糖、1%酵母粉、0.3% KH2PO4，得到菌絲體生長速率為10.28 mm/d，相較于對照組提高了82.9%，為菌絲體材料的快速制備提供了基礎。

2）對照組和營養組的材料結構與性能對比表明：與對照組相比，營養組材料中菌絲粗壯且相對致密，菌絲平均直徑從1 270 nm增粗到1 730 nm；菌絲體材料的壓縮強度和回彈率分別從對照組的79.3 kPa和55.3%提高到114 kPa和61.4%，證明了外源營養物的加入促進了平菇菌絲的生長，提高了菌絲體材料的強度和回彈性，為菌絲體生物質材料的制備及其性能優化提供參考。

[1] 朱亞凱，蔡文彬. 可降解塑料產業發展概述[J]. 塑料包裝，2021，31(3)：19-21.

Zhu Yakai, Cai Wenbin.Development of degradable plastics industry[J]. Plastics Packaging, 2021, 31(3): 19-21. (in Chinese with English abstract)

[2] Shen M, Song B, Zeng G, et al. Are biodegradable plastics a promising solution to solve the global plastic pollution?[J]. Environmental Pollution, 2020, 263: 114469.

[3] Rhodes C J. Plastic pollution and potential solutions[J]. Science Progress, 2018, 101(3): 207-260.

[4] Karana E, Blauwhoff D, Hultink E J, et al. When the material grows: A case study on designing (with) mycelium-based materials[J]. International Journal of Design, 2018, 12(2): 119-136.

[5] Elsacker E, Vandelook S, Van Wylick A, et al. A comprehensive framework for the production of mycelium-based lignocellulosic composites[J]. Science of the Total Environment, 2020, 725: 138431.

[6] Bayer E and McIntyre G. Method for producing rapidly renewable chitinous material using fungal fruiting bodies and product made thereby. U.S. Patent Application: US2009/0307969 A1[P]. 2009-12-17.

[7] Holt G A, McIntyre G, Flagg D, et al. Fungal mycelium and cotton plant materials in the manufacture of biodegradable molded packaging material: Evaluation study of select blends of cotton byproducts[J]. Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 2012, 6(4):431-439.

[8] Jones M, Mautner A, Luenco S, et al.Engineered mycelium composite construction materials from fungal biorefineries: A critical review[J]. Materials and Design, 2020, 187:108397.

[9] Bruscato C, Malvessi E, Brandalise R N, et al. High performance of macrofungi in the production of mycelium-based biofoams using sawdust — sustainable technology for waste reduction[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 234: 225-232.

[10] Wimmers G, Klick J, Tackaberry L, et al. Fundamental studies for designing insulation panels from wood shavings and filamentous fungi[J]. BioResources, 2019, 14(3): 5506-5520.

[11] Elsacker E, Vandelook S, Brancart J, et al. Mechanical, physical and chemical characterisation of mycelium-based composites with different types of lignocellulosic substrates[J]. PLoS One, 2019, 14(7): e0213954.

[12] Ziegler A R, Bajwa S G, Holt G A, et al. Evaluation of physico-mechanical properties of mycelium reinforced green biocomposites made from cellulosic fibers[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016, 32(6): 931-938.

[13] 閆微，史田田，李少博，等. 木竹碎料/菌絲體原位成型材料的性能[J]. 木材科學與技術，2021，35(4)：57-63 .

Yan Wei, Shi Tiantian, Li Shaobo, et al.Properties of in-situ molding composites made of wood/bamboo splinter and mycelium[J]. Chinese Journal of Wood Science and Technology, 2021, 35(4): 57-63 . (in Chinese with English abstract)

[14] 吳豪，趙鵬，章琦，等. 基于菌絲體的緩沖包裝材料制備及性能研究[J]. 浙江科技學院學報，2015，27(1)：22-27.

Wu Hao, Zhao Peng, Zhang Qi, et al.Preparation and production of cushion packing material based on mycelium[J]. Journal of Zhejaing University of Science and Technology, 2015, 27(1): 22-27. (in Chinese with English abstract)

[15] 尚舒，牛宏震，林理量，等. 食用菌制全降解包裝材料的研究[J]. 云南化工，2015，42(6)：23-27.

Shang Shu, Niu Hongzhen, Lin Liliang, et al.Research on fully degradable packaging materials made from edible fungi[J]. Yunnan Chemical Technology, 2015, 42(6): 23-27. (in Chinese with English abstract)

[16] Appels F V W, Dijksterhuis J, Lukasiewicz C E, et al. Hydrophobin gene deletion and environmental growth conditions impact mechanical properties of mycelium by affecting the density of the material[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1): 1-7.

[17] 裴海生，孫君社，王民敬，等. 木質素對靈芝菌絲體生長的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(6): 309-314.

Pei Haisheng, Sun Junshe, Wang Minjing, et al. Effect of lignin on growth of Ganoderma lucidum[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 309-314. (in Chinese with English abstract)

[18] Joshi K, Meher M K, Poluri K M. Fabrication and characterization of bioblocks from agricultural waste using fungal mycelium for renewable and sustainable applications[J]. ACS Applied Bio Materials, 2020, 3(4): 1884-1892.

[19] 侯佳希. 真菌菌絲/玉米秸稈基多孔復合材料的制備[D]. 長春：吉林農業大學，2020.

Hou Xijia.Preparation of Fungal Mycelium /Corn Straw Porous Composite Material[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[20] 安琪，吳雪君，吳冰，等.不同碳源和氮源對金針菇降解木質纖維素酶活性的影響[J]. 菌物學報，2015，34(4)：761-771. An Qi, Wu Xuejun, Wu Bing, et al. Effects of carbon and nitrogen sources on lignocellulose decomposition enzyme activities in flammulina velutipes[J]. Mycosystema, 2015, 34(4): 761-771. (in Chinese with English abstract)

[21] Vieira E F, Carvalho J, Pinto E, et al.Nutritive value, antioxidant activity and phenolic compounds profile of brewer's spent yeast extract [J].Journal of Food Composition and Analysis,2016,52:44-51.

[22] 孫瑞澤，張耀玲，王勝寶，等. 一株野生側耳菌種鑒定及生物學特性[J]. 安徽農學通報，2019，25(9)：34-37.

Sun Ruize, Zhang Yaoling, Wang Shengbao, et al.Identification and biological characteristics of a wild pleurotus[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2019, 25(9): 34-37. (in Chinese with English abstract)

[23] Gadd G M.Fungi, rocks, and minerals [J].Elements, 2017, 13(3): 171-176.

[24] 范可章，陳靈，張振，等. 平菇菌種液體培養質量的影響因素分析[J]. 中國食用菌，2015，34(4)：21-24，30.

Fan Kezhang,Chen Ling,Zhang Zhen,et al. Analysis of influencing factors on the quality of oyster mushroom’s hypha in liquid culture medium[J]. Edible Fungi of China, 2015, 34(4): 21-24，30. (in Chinese with English abstract)

[25] 倪騰鳳，陶文文，梁兵，等. 植物激素對平菇菌絲生長及酶活性的影響[J]. 資源開發與市場，2011，27(10)：871-873.

Ni Tengfeng, Tao Wenwen, Liang Bin，et al. Influences of auxin on growth of pleurtus ostreatus and enzyme activity[J]. Resource Development & Market, 2011,27(10): 871-873. (in Chinese with English abstract)

[26] 曾志恒，程翊，曾輝，等. 響應面法優化雙孢蘑菇菌株W38液體菌種培養的研究[J]. 福建農業學報，2017，32(2): 161-166. Zeng Zhiheng, Cheng Yi, Zeng Hui, et al. Optimizatin by response surface metrology for agaricus bisporus W38 fermentation in liquid medium[J]. Fujian Journal of Agriculture, 2017, 32(2): 161-166. (in Chinese with English abstract)

[27] 張譽薺，許永華，文湘穗，等. 響應面法優化北五味子褐斑病內生生防真菌淡紫擬青霉WG9發酵工藝及發酵產物穩定性研究[J]. 菌物學報，2021，40(6)：1561-1574.

Zhang Yuqi, Xu Yonghua, Wen Xiangsui, et al. Response surface methodology for optimizing fermentation process of the endophytic fungus purpureocillium lilacinum WG9 preventing schisandra chinensis brown spot disease[J]. Mycosystema, 2021, 40(6): 1561-1574. (in Chinese with English abstract)

[28] Hoa H T, Wang C L. The effects of temperature and nutritional conditions on mycelium growth of two oyster mushrooms (pleurotus ostreatus and pleurotus cystidiosus)[J]. Mycobiology, 2015, 43(1): 14-23.

[29] Castiglioni A, Castellani L, Cuder G, et al.Relevant materials parameters in cushioning for EPS foams[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2017, 534: 71-77.

[30] Teixeira J L, Matos M P, Nascimento B L, et al. Production and mechanical evaluation of biodegradable composites by white rot fungi[J]. Ciência e Agrotecnologia, 2018, 42: 676-684.

[31] Haneef M, Ceseracciu L, Canale C, et al. Advanced materials from fungal mycelium: Fabrication and tuning of physical properties[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 41292.

Effects of exogenous nutrients on the growth of mycelial biomass materials and its characterization

Chen Chenwei1,2,3, Ding Rong1, Peng Liucheng1, Xie Jing1,2,3※, Yang Fuxin1,2,3, Yang Xinyu1, Yu Qianhui1

(1.201306,; 2.201306;3.201306)

Biodegradable materials have been drawn great attention to reduce carbon emissions under the concept of carbon neutrality and serious environmental pollution. A mycelium material has been widely developed as a new type of green biomass for these requirements. A completely degradable porous material can be prepared as follows. Some agricultural wastes (rich in cellulose, hemicellulose, and lignin, and mycelium) are degraded to penetrate or wrap the substrate for better binder function. As such, the nutrients of mycelium can be obtained by secreting cellulase, lignin peroxidase, and laccase. Therefore, it is very necessary to clarify the mycelial growth during preparation, in order to obtain a mycelial material with excellent performance. In this study, exogenous nutrients were added to promote mycelial growth in the process of traditional edible fungus culture. The mycelial growth rate was also taken as the response index. The best exogenous nutrients were first screened out using a single factor experiment. Then, a Plackett-Burman experiment was used to determine the main influencing factors on the growth ofsuch as glucose, yeast powder, and KH2PO4. The steepest climbing test and Box-Behnken response surface method (RSM) were also used to obtain the best combination of exogenous nutrients. The results showed that the glucose, yeast powder, and potassium dihydrogen phosphate presented a significant effect on the growth rate of mycelium. Specifically, the model determination coefficient was 0.987 9, and the correction determination coefficient was 0.972 2, indicating an excellent performance and high reliability of the model. An optimal combination of parameters was also achieved, where 4.7% mass fraction glucose, 1% mass fraction yeast powder, and 0.3% mass fraction KH2PO4. The experiment showed that the average growth rate of mycelium was 10.28 mm/d, which was consistent with the predicted value. In addition, the structure and properties of mycelial materials were characterized in the control and nutrient groups. It was found that there was no significant difference in the density between 240-260 kg/m3. However, the Scanning Electron Microscope (SEM) images showed that the morphology of mycelium material with exogenous nutrients presented dense and tangled with each other, where the pores between the hyphae were reduced, compared with the control group. The shape was also the dense hyphal membrane structure in the nutrition group. Specifically, the average diameter of the hyphae in the nutrition group (1 730 nm) increased by 460 nm, compared with the control group (1 270 nm). The compression strength of the material in the nutrition group was 114 kPa, which increased by 43.7% over that in the control group. In terms of rebound rate, the material in the nutrition group (61.4%) was also slightly higher than that in the control group (55.3%). The mechanical properties demonstrated that the addition of exogenous nutrients promoted the growth ofmycelium, whereas, the increase in silk led to the increase in the strength and resilience of mycelial material. This finding can also provide a strong reference for the preparation and properties optimization of mycelial biomass materials.

degradable materials; optimization; mycelial materials; exogenous nutrients; response surface analysis; agricultural waste

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.034

S216.2

A

1002-6819(2021)-21-0295-08

陳晨偉，丁榕，彭柳城，等. 外源營養物對菌絲體生物質材料的生長研究及其性能表征[J]. 農業工程學報，2021，37(21)：295-302.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.034 http://www.tcsae.org

Chen Chenwei, Ding Rong, Peng Liucheng, et al. Effects of exogenous nutrients on the growth of mycelial biomass materials and its characterization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 295-302. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.034 http://www.tcsae.org

2021-08-25

2021-10-10

國家現代農業產業技術體系資助（CARS-47）；國家重點研發計劃（2018YFD0400701）；上海市科委公共服務平臺建設項目（19DZ2284000）；上海市大學生創新項目（S202110264033）

陳晨偉，副教授，研究方向為可降解包裝材料、食品包裝與保鮮。Email：cwchen@shou.edu.cn

謝晶，教授，博士生導師，研究方向為食品保鮮、食品包裝。Email：jxie@shou.edu.cn