深層發酵真菌菌絲體制備生物基仿皮紡織材料

王玉婷,徐 進,周愛暉,袁久剛,范雪榮

(江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214000)

我國已經成為全球最大的皮革制造國,2022年我國皮革行業出口總額已高達1 075.3億美元[1]。然而,傳統皮革的生產過程面臨諸多嚴峻的問題。據統計,每年約有3.5億張牛皮被用于皮革生產,這意味著大量的碳排放、土地和水資源的消耗、重金屬鉻的環境污染以及對人類健康的危害等[2-3]。人們開始尋找更加環保、人道且可持續的皮革替代品。其中,以合成皮革和一系列“純素”皮革為代表的替代產品開始出現:如Vegea?純素皮革、Desserto?仙人掌皮革和Apple Skin?等,雖然在一定程度上緩解了這些問題,但仍存在諸如使用有毒化學物質、不可生物降解、耐用性與生物基比例相互制約等問題[4]。

真菌是已知生長最快的生物之一,近年來研究表明以真菌為基材制備生物合成材料比用其他材料效率更高、成本更低[5]。菌絲開始作為一種類皮革的紡織替代品走進大眾視野,通過固態發酵對菌絲體進行培養,并阻止其子實體化的培養條件已有較為完整的探究[6-8],但固態發酵作為菌絲體培養手段,存在發酵周期長、產量低等問題。真菌還有另外一種發酵技術——深層發酵,具備生產周期短、菌絲產量大、菌絲質量高、經濟效益顯著等優勢[9]。

為解決上述問題,基于廢棄棉織物骨架,利用深層發酵的真菌菌絲體作為生物黏合劑,后經增塑和交聯,制備出一種具有類似于皮革性能及外觀的生物基仿皮紡織材料。該研究將進一步推動皮革行業的可持續發展,同時提供了一種新的、生態友好的紡織材料制備方法,有望在未來替代傳統的皮革制品。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 材料與試劑

葡萄糖,上海展云化工有限公司;大豆蛋白胨,上海麥克林生化科技有限公司;蔗糖,上海展云化工有限公司;PEG-400,國藥集團化學試劑有限公司;磷酸二氫鉀,西隴化工股份有限公司;丙三醇,國藥集團化學試劑有限公司;山梨醇,上海麥克林生化科技有限公司;瓊脂,國藥集團化學試劑有限公司;麩皮,玉米粉,馬鈴薯,香菇,平菇,為雪浪農貿市場購買;RU2100皮革光亮劑,上海泰坦科技股份有限公司;植物靛藍染料,深圳市龍崗區源富科技商行;固色劑,深圳市龍崗區興泉貿易商行。

無菌培養皿,常德比克曼生物科技有限公司;紗布,青島花瓣生物科技有限公司。

1.1.2 儀器與設備

ZD-85數顯氣浴恒溫振蕩器,常州浦光物理光學儀器有限公司;PL203電子分析天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;H H-1數顯恒溫水浴鍋,常州市國旺儀器有限公司;DHG-9203電熱恒溫鼓風干燥箱,上海精宏實驗設備有限公司;YX450 W 臥式圓形壓力蒸汽滅菌器,上海三申醫療器械有限公司;WDW-1微機控制電子萬能試驗機,濟南恒思盛大儀器有限公司;SU-500掃描電鏡,日本日立公司。

1.2 培養基制備

1.2.1 PDA培養基

稱取200 g新鮮去皮馬鈴薯,加入水約1 000 mL,煮沸約15 min,用紗布過濾;加入20 g葡萄糖、20 g瓊脂,加熱至完全溶解;補加水至1 000 mL,趁熱分裝至250 mL錐形瓶中,用紗布封口,滅菌后趁熱分裝至無菌培養皿中,冷卻備用。

1.2.2 液體培養基

培養基配方:麩皮3%,玉米粉3%,蔗糖1.5%,葡萄糖0.75%,大豆蛋白胨0.15%,磷酸二氫鉀0.075%。

制備方法:將麩皮加入適量的沸水中,煮20 min后,加入玉米粉繼續煮5 min,用紗布過濾。將其余藥品加齊后,加水稀釋,滅菌后備用。

1.3 菌種的篩選與制備

取1 c m2蘑菇子實體接種于PDA 培養基上,28℃培養5天,取長勢較好的菌落接種于新鮮PDA 培養基上,28 ℃培養5天,重復多次后得到純凈的菌種。對比不同菌種的生長情況,以菌絲長勢為標準挑選菌種用于搖瓶種子的制備。將4塊1 c m2PDA 菌種接種于裝液量2/5的搖瓶中,使氣生菌絲向上懸浮,靜置培養24 h后放入振蕩培養箱內,28 ℃培養,轉速150 r/min,培養5天。

1.4 深層發酵

將搖瓶種子接種于5 L 發酵罐,發酵罐裝液量為50%～60%,接種量8%～10%,通氣量8 L/min,溫度20～32 ℃,轉速100～250 r/min,p H 值4.5～7.5,發酵5天后將菌絲取出,過濾,清水沖洗,得到大量菌絲體。

1.5 菌絲體/棉織物復合材料的制備

先將廢棄棉織物清洗干凈,浸泡在1.2章節所述液體培養基中,浸泡12 h。將收獲的菌絲體均勻涂抹在處理過的棉織物上,菌絲體厚度為2～3 c m,在溫度28 ℃、濕度90%的條件下培養7天。

1.6 菌絲體仿皮材料的制備

將1.5章節中得到的菌絲體/棉織物復合材料熱壓,熱壓溫度為20～200 ℃,時間為30～300 s,將天然靛藍染料、還原劑、固色劑、水按照一定比例配制。待染料充分還原后,將菌絲體放入染浴中浸染15 min,加入固色劑充分攪拌,15 min后取出,空氣中氧化;再次投入染浴中浸染15 min,取出后在空氣中氧化,重復操作3次,得到較深的顏色。然后將菌絲體放入皂洗液中洗去浮色,最后烘干。

靛藍染料染色處方:藍靛泥40 g/L、固色劑8 g/L、還原劑10 g/L、浴比1∶50、溫度80 ℃。

圖1 靛藍染料染色工藝曲線

將染色后的材料放入增塑劑、交聯劑中浸泡24 h,增塑劑濃度為2%～20%,交聯劑濃度為2%～10%。反應結束后取出晾干,最后進行噴涂,進一步著色。

底涂配方:皮革顏料膏(藍)6.5%、RU2100 28%、水65.5%。頂涂配方:皮革顏料膏(藍)4%、光亮劑96%。

1.7 性能測試

1.7.1 生物量測試

菌絲生長速率:菌絲生長前端劃線,以接種菌塊為中心,用游標卡尺測定中心與劃線之間的長度,記為L,計算菌絲生長速率,重復3次,菌絲生長速率=L/天數(mm/d)。

菌絲生物量:取100 mL發酵液,過濾出菌絲,少量清水沖洗后,80 ℃干燥至恒重,記錄菌絲干重,重復3次,記菌絲干重為M,生物量=10M(g/L)[10]。

1.7.2 力學性能測試

參照GB/T 38610—2020《人造革合成革實驗方法拉伸負荷及斷裂伸長率的測定》標準進行測試。裁取試樣尺寸為100 mm×10 mm,將試樣裁成啞鈴狀。夾具間距離50 mm,設置恒定伸長速率為200 mm/min。

1.7.3 掃描電鏡分析

將少量試樣粘于樣品臺,使用SU-500型(日本日立株式會社)掃描電子顯微鏡在10 k V 電壓下觀察薄膜表面形貌。倍率5～3 000 000,分辨率100μm。

1.7.4 降解性測試

取一份可降解膜材料烘干至恒重,記質量為W1,將膜于自然條件下埋于地表之下20～30 c m 土壤中。20天后取出,清水洗滌干凈,烘干至恒重,記質量為W2,計算失重率W[11]。

1.7.5 疏水性測試

參照GB/T 40936—2021《皮革 物理和機械試驗服裝革防水性能的測定》進行測試。取1 c m×2 c m 的表面平滑、無破損的皮革試樣,在室溫下用注射器排出3μL的試驗液,在液滴接觸試樣9 s時對接觸面拍照,至少拍攝3次照片,得到菌絲體膜材料的靜態接觸角的平均值。

1.7.6 摩擦色牢度測試

參考GB/T 39366—2020《皮革 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》標準。將皮革裁剪成140 mm×50 mm,準備4份,分別用于干摩擦和濕摩擦。將試樣置于圓柱形測試臺上,使試樣的長度方向與摩擦頭運行方向一致,將白棉布固定在摩擦頭上,反復摩擦10次。將一塊新白棉布浸濕,使其含水率100%,將其固定在摩擦頭上,重復上述操作后晾干,在標準光源下,用評定沾色用灰卡評定棉擦布沾色等級。

2 結果與分析

2.1 菌種篩選

如圖2(a)所示,平菇菌絲潔白、濃密、粗壯,生長勢強;金針菇菌絲潔白但稀疏,且生長緩慢;香菇菌絲潔白濃密,生長速率適中;木耳菌絲稀疏。由圖2(b)可知,平菇生長速率最快,香菇次之,綜合考慮選取平菇作為發酵菌種。

圖2 不同菌種的生長情況

2.2 加工工藝對仿皮材料的影響

2.2.1 熱壓條件對仿皮材料的影響

圖3顯示了菌絲復合材料的微觀形態,圖3(a)為熱壓前的菌絲體材料放大500倍的微觀形態,該復合材料表面的菌絲相互纏結,形成致密的網狀結構;圖3(b)為熱壓后的菌絲體材料放大2 000倍的微觀形態,菌絲富含幾丁質、葡聚糖[12],這些物質使得菌絲具有一定的強度與韌性,熱壓后像膠水一樣相互纏結。

圖3 菌絲復合材料掃描電鏡圖像

改變熱壓溫度及時間,并對材料的力學性能進行檢測,結果如圖4所示。圖4(a)表示溫度對力學性能的影響,隨著熱壓溫度的增加,膜的拉伸強度提升了,這可能歸因于幾丁質具有很好的耐熱性,熱壓過程結構幾乎不會發生變化,溫度升高使得菌絲之間的粘接更為緊密。然而,需要注意的是,棉織物賦予材料強度,菌絲體賦予材料皮革的手感,當溫度超過120 ℃時,高溫使得纖維損傷,從而導致強度顯著下降。

圖4 熱壓條件的影響

2.2.2 增塑劑對膜機械性能的影響

由圖5(a)、(b)可知,交聯劑一定時,當增塑劑用量增加時,拉伸強度降低,斷裂伸長率增高,這是由于增塑劑降低了幾丁質、葡聚糖之間的分子作用力,表現出拉伸強力降低。同時,由于分子間作用力減小,使得膜的分子鏈間移動和形變能力增強,因此韌性增強,斷裂伸長率也就增強[13]。山梨醇和甘油是小分子,作為增塑劑時強力下降較快,手感黏膩,柔韌性較差,而且隨著時間的推移,小分子增塑劑會析出,使材料變脆。而PEG 作為大分子,增塑效果好,分子不易析出,因此選用PEG 作為增塑劑為宜。

圖5 增塑劑對膜機械性能的影響

2.2.3 交聯劑濃度對膜機械性能的影響

由圖6可知,當增塑劑一定時,隨著交聯劑用量的增加,膜的強力也在增加。這可能是因為菌絲體中含有大量的幾丁質,幾丁質中的酰胺基在高溫下與戊二醛的醛基發生交聯,交聯劑越多,發生交聯的基團就越多,菌絲之間的連接點增多,強力也就增加,但交聯過度使膜材料手感變硬,柔韌性變差,斷裂伸長率也隨之下降。

圖6 戊二醛濃度對膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響

2.3 菌絲體仿皮材料性能測試

2.3.1 降解性能

由圖7可知,隨著降解時間的增加,仿皮材料在土壤中發生降解,失重率增加,40天后失重率大于80%,幾乎完全降解。

圖7 復合膜失重率隨降解時間的變化

2.3.2 摩擦色牢度

見表1,利用染色與噴涂相結合的方式對仿皮材料進行著色,色牢度高,手感柔軟,預先用染料對其進行染色能夠有效減少噴涂次數,減少PU 用量,可以盡可能保留其原本的手感;而僅用噴涂的方法進行上色,需要噴涂多次才能得到目標色深,導致PU 用量過多從而影響手感;僅用染色的方法進行上色,會使仿皮材料顏色不均勻,而且失去PU 層的保護使其濕摩擦牢度下降。

表1 不同著色方式對摩擦色牢度及手感的影響 單位:級

2.3.3 疏水性

圖8(a)、(b)、(c)分別對應染色、染色+噴涂、噴涂的仿皮材料的水接觸角,未涂層的材料水接觸角為67.2°,菌絲中含有大量疏水蛋白,但空隙較多,水從空隙中深入。此外,在制備過程中,親水型增塑劑PEG的加入也會使得疏水蛋白的作用減弱,因此水接觸角小于90°,材料表現為親水。染色與噴涂相結合,水接觸角增大,皮革光亮劑中含有硅油、蠟等物質,增強了材料的疏水性,另一方面光亮劑填補了菌絲材料表面的空隙,使其變得光滑,因此疏水性也提高了。

圖8 不同著色方式的水接觸角

圖9 菌絲體仿皮材料

3 結 論

菌絲體材料是近年來備受矚目的一種新型生物材料,具有可持續性、生物降解性和可塑性強等特點,在建筑、包裝、服裝等領域均有廣泛應用。以廢舊棉織物為骨架,菌絲體為黏合劑,經過交聯、增塑等處理,得到生物基仿皮材料。試驗結果表明:以平菇作為菌種,制備得到菌絲/棉織物復合材料,在100～120 ℃下熱壓120 s,對其進行染色,經過10%的PEG 及6%的戊二醛處理,再次噴涂上色,得到拉伸強度21.68 MPa、斷裂伸長率30.11%、摩擦色牢度良好、疏水性較好、可降解的菌絲體生物基仿皮材料。該研究提供一種新的皮革制備方法,工藝簡單,生產周期短,對環境污染小,但是在皮革性能和手感方面不及PU 人造革及動物皮革,有待進一步研究。