深层发酵真菌菌丝体制备生物基仿皮纺织材料

王玉婷,徐 进,周爱晖,袁久刚,范雪荣

(江南大学 纺织科学与工程学院,江苏 无锡 214000)

我国已经成为全球最大的皮革制造国,2022年我国皮革行业出口总额已高达1 075.3亿美元[1]。然而,传统皮革的生产过程面临诸多严峻的问题。据统计,每年约有3.5亿张牛皮被用于皮革生产,这意味着大量的碳排放、土地和水资源的消耗、重金属铬的环境污染以及对人类健康的危害等[2-3]。人们开始寻找更加环保、人道且可持续的皮革替代品。其中,以合成皮革和一系列“纯素”皮革为代表的替代产品开始出现:如Vegea®纯素皮革、Desserto®仙人掌皮革和Apple Skin®等,虽然在一定程度上缓解了这些问题,但仍存在诸如使用有毒化学物质、不可生物降解、耐用性与生物基比例相互制约等问题[4]。

真菌是已知生长最快的生物之一,近年来研究表明以真菌为基材制备生物合成材料比用其他材料效率更高、成本更低[5]。菌丝开始作为一种类皮革的纺织替代品走进大众视野,通过固态发酵对菌丝体进行培养,并阻止其子实体化的培养条件已有较为完整的探究[6-8],但固态发酵作为菌丝体培养手段,存在发酵周期长、产量低等问题。真菌还有另外一种发酵技术——深层发酵,具备生产周期短、菌丝产量大、菌丝质量高、经济效益显著等优势[9]。

为解决上述问题,基于废弃棉织物骨架,利用深层发酵的真菌菌丝体作为生物黏合剂,后经增塑和交联,制备出一种具有类似于皮革性能及外观的生物基仿皮纺织材料。该研究将进一步推动皮革行业的可持续发展,同时提供了一种新的、生态友好的纺织材料制备方法,有望在未来替代传统的皮革制品。

1 试验部分

1.1 试验材料与设备

1.1.1 材料与试剂

葡萄糖,上海展云化工有限公司;大豆蛋白胨,上海麦克林生化科技有限公司;蔗糖,上海展云化工有限公司;PEG-400,国药集团化学试剂有限公司;磷酸二氢钾,西陇化工股份有限公司;丙三醇,国药集团化学试剂有限公司;山梨醇,上海麦克林生化科技有限公司;琼脂,国药集团化学试剂有限公司;麸皮,玉米粉,马铃薯,香菇,平菇,为雪浪农贸市场购买;RU2100皮革光亮剂,上海泰坦科技股份有限公司;植物靛蓝染料,深圳市龙岗区源富科技商行;固色剂,深圳市龙岗区兴泉贸易商行。

无菌培养皿,常德比克曼生物科技有限公司;纱布,青岛花瓣生物科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

ZD-85数显气浴恒温振荡器,常州浦光物理光学仪器有限公司;PL203电子分析天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;H H-1数显恒温水浴锅,常州市国旺仪器有限公司;DHG-9203电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;YX450 W 卧式圆形压力蒸汽灭菌器,上海三申医疗器械有限公司;WDW-1微机控制电子万能试验机,济南恒思盛大仪器有限公司;SU-500扫描电镜,日本日立公司。

1.2 培养基制备

1.2.1 PDA培养基

称取200 g新鲜去皮马铃薯,加入水约1 000 mL,煮沸约15 min,用纱布过滤;加入20 g葡萄糖、20 g琼脂,加热至完全溶解;补加水至1 000 mL,趁热分装至250 mL锥形瓶中,用纱布封口,灭菌后趁热分装至无菌培养皿中,冷却备用。

1.2.2 液体培养基

培养基配方:麸皮3%,玉米粉3%,蔗糖1.5%,葡萄糖0.75%,大豆蛋白胨0.15%,磷酸二氢钾0.075%。

制备方法:将麸皮加入适量的沸水中,煮20 min后,加入玉米粉继续煮5 min,用纱布过滤。将其余药品加齐后,加水稀释,灭菌后备用。

1.3 菌种的筛选与制备

取1 c m2蘑菇子实体接种于PDA 培养基上,28℃培养5天,取长势较好的菌落接种于新鲜PDA 培养基上,28 ℃培养5天,重复多次后得到纯净的菌种。对比不同菌种的生长情况,以菌丝长势为标准挑选菌种用于摇瓶种子的制备。将4块1 c m2PDA 菌种接种于装液量2/5的摇瓶中,使气生菌丝向上悬浮,静置培养24 h后放入振荡培养箱内,28 ℃培养,转速150 r/min,培养5天。

1.4 深层发酵

将摇瓶种子接种于5 L 发酵罐,发酵罐装液量为50%～60%,接种量8%～10%,通气量8 L/min,温度20～32 ℃,转速100～250 r/min,p H 值4.5～7.5,发酵5天后将菌丝取出,过滤,清水冲洗,得到大量菌丝体。

1.5 菌丝体/棉织物复合材料的制备

先将废弃棉织物清洗干净,浸泡在1.2章节所述液体培养基中,浸泡12 h。将收获的菌丝体均匀涂抹在处理过的棉织物上,菌丝体厚度为2～3 c m,在温度28 ℃、湿度90%的条件下培养7天。

1.6 菌丝体仿皮材料的制备

将1.5章节中得到的菌丝体/棉织物复合材料热压,热压温度为20～200 ℃,时间为30～300 s,将天然靛蓝染料、还原剂、固色剂、水按照一定比例配制。待染料充分还原后,将菌丝体放入染浴中浸染15 min,加入固色剂充分搅拌,15 min后取出,空气中氧化;再次投入染浴中浸染15 min,取出后在空气中氧化,重复操作3次,得到较深的颜色。然后将菌丝体放入皂洗液中洗去浮色,最后烘干。

靛蓝染料染色处方:蓝靛泥40 g/L、固色剂8 g/L、还原剂10 g/L、浴比1∶50、温度80 ℃。

图1 靛蓝染料染色工艺曲线

将染色后的材料放入增塑剂、交联剂中浸泡24 h,增塑剂浓度为2%～20%,交联剂浓度为2%～10%。反应结束后取出晾干,最后进行喷涂,进一步着色。

底涂配方:皮革颜料膏(蓝)6.5%、RU2100 28%、水65.5%。顶涂配方:皮革颜料膏(蓝)4%、光亮剂96%。

1.7 性能测试

1.7.1 生物量测试

菌丝生长速率:菌丝生长前端划线,以接种菌块为中心,用游标卡尺测定中心与划线之间的长度,记为L,计算菌丝生长速率,重复3次,菌丝生长速率=L/天数(mm/d)。

菌丝生物量:取100 mL发酵液,过滤出菌丝,少量清水冲洗后,80 ℃干燥至恒重,记录菌丝干重,重复3次,记菌丝干重为M,生物量=10M(g/L)[10]。

1.7.2 力学性能测试

参照GB/T 38610—2020《人造革合成革实验方法拉伸负荷及断裂伸长率的测定》标准进行测试。裁取试样尺寸为100 mm×10 mm,将试样裁成哑铃状。夹具间距离50 mm,设置恒定伸长速率为200 mm/min。

1.7.3 扫描电镜分析

将少量试样粘于样品台,使用SU-500型(日本日立株式会社)扫描电子显微镜在10 k V 电压下观察薄膜表面形貌。倍率5～3 000 000,分辨率100μm。

1.7.4 降解性测试

取一份可降解膜材料烘干至恒重,记质量为W1,将膜于自然条件下埋于地表之下20～30 c m 土壤中。20天后取出,清水洗涤干净,烘干至恒重,记质量为W2,计算失重率W[11]。

1.7.5 疏水性测试

参照GB/T 40936—2021《皮革 物理和机械试验服装革防水性能的测定》进行测试。取1 c m×2 c m 的表面平滑、无破损的皮革试样,在室温下用注射器排出3μL的试验液,在液滴接触试样9 s时对接触面拍照,至少拍摄3次照片,得到菌丝体膜材料的静态接触角的平均值。

1.7.6 摩擦色牢度测试

参考GB/T 39366—2020《皮革 色牢度试验 耐摩擦色牢度》标准。将皮革裁剪成140 mm×50 mm,准备4份,分别用于干摩擦和湿摩擦。将试样置于圆柱形测试台上,使试样的长度方向与摩擦头运行方向一致,将白棉布固定在摩擦头上,反复摩擦10次。将一块新白棉布浸湿,使其含水率100%,将其固定在摩擦头上,重复上述操作后晾干,在标准光源下,用评定沾色用灰卡评定棉擦布沾色等级。

2 结果与分析

2.1 菌种筛选

如图2(a)所示,平菇菌丝洁白、浓密、粗壮,生长势强;金针菇菌丝洁白但稀疏,且生长缓慢;香菇菌丝洁白浓密,生长速率适中;木耳菌丝稀疏。由图2(b)可知,平菇生长速率最快,香菇次之,综合考虑选取平菇作为发酵菌种。

图2 不同菌种的生长情况

2.2 加工工艺对仿皮材料的影响

2.2.1 热压条件对仿皮材料的影响

图3显示了菌丝复合材料的微观形态,图3(a)为热压前的菌丝体材料放大500倍的微观形态,该复合材料表面的菌丝相互缠结,形成致密的网状结构;图3(b)为热压后的菌丝体材料放大2 000倍的微观形态,菌丝富含几丁质、葡聚糖[12],这些物质使得菌丝具有一定的强度与韧性,热压后像胶水一样相互缠结。

图3 菌丝复合材料扫描电镜图像

改变热压温度及时间,并对材料的力学性能进行检测,结果如图4所示。图4(a)表示温度对力学性能的影响,随着热压温度的增加,膜的拉伸强度提升了,这可能归因于几丁质具有很好的耐热性,热压过程结构几乎不会发生变化,温度升高使得菌丝之间的粘接更为紧密。然而,需要注意的是,棉织物赋予材料强度,菌丝体赋予材料皮革的手感,当温度超过120 ℃时,高温使得纤维损伤,从而导致强度显著下降。

图4 热压条件的影响

2.2.2 增塑剂对膜机械性能的影响

由图5(a)、(b)可知,交联剂一定时,当增塑剂用量增加时,拉伸强度降低,断裂伸长率增高,这是由于增塑剂降低了几丁质、葡聚糖之间的分子作用力,表现出拉伸强力降低。同时,由于分子间作用力减小,使得膜的分子链间移动和形变能力增强,因此韧性增强,断裂伸长率也就增强[13]。山梨醇和甘油是小分子,作为增塑剂时强力下降较快,手感黏腻,柔韧性较差,而且随着时间的推移,小分子增塑剂会析出,使材料变脆。而PEG 作为大分子,增塑效果好,分子不易析出,因此选用PEG 作为增塑剂为宜。

图5 增塑剂对膜机械性能的影响

2.2.3 交联剂浓度对膜机械性能的影响

由图6可知,当增塑剂一定时,随着交联剂用量的增加,膜的强力也在增加。这可能是因为菌丝体中含有大量的几丁质,几丁质中的酰胺基在高温下与戊二醛的醛基发生交联,交联剂越多,发生交联的基团就越多,菌丝之间的连接点增多,强力也就增加,但交联过度使膜材料手感变硬,柔韧性变差,断裂伸长率也随之下降。

图6 戊二醛浓度对膜拉伸强度和断裂伸长率的影响

2.3 菌丝体仿皮材料性能测试

2.3.1 降解性能

由图7可知,随着降解时间的增加,仿皮材料在土壤中发生降解,失重率增加,40天后失重率大于80%,几乎完全降解。

图7 复合膜失重率随降解时间的变化

2.3.2 摩擦色牢度

见表1,利用染色与喷涂相结合的方式对仿皮材料进行着色,色牢度高,手感柔软,预先用染料对其进行染色能够有效减少喷涂次数,减少PU 用量,可以尽可能保留其原本的手感;而仅用喷涂的方法进行上色,需要喷涂多次才能得到目标色深,导致PU 用量过多从而影响手感;仅用染色的方法进行上色,会使仿皮材料颜色不均匀,而且失去PU 层的保护使其湿摩擦牢度下降。

表1 不同着色方式对摩擦色牢度及手感的影响 单位:级

2.3.3 疏水性

图8(a)、(b)、(c)分别对应染色、染色+喷涂、喷涂的仿皮材料的水接触角,未涂层的材料水接触角为67.2°,菌丝中含有大量疏水蛋白,但空隙较多,水从空隙中深入。此外,在制备过程中,亲水型增塑剂PEG的加入也会使得疏水蛋白的作用减弱,因此水接触角小于90°,材料表现为亲水。染色与喷涂相结合,水接触角增大,皮革光亮剂中含有硅油、蜡等物质,增强了材料的疏水性,另一方面光亮剂填补了菌丝材料表面的空隙,使其变得光滑,因此疏水性也提高了。

图8 不同着色方式的水接触角

图9 菌丝体仿皮材料

3 结 论

菌丝体材料是近年来备受瞩目的一种新型生物材料,具有可持续性、生物降解性和可塑性强等特点,在建筑、包装、服装等领域均有广泛应用。以废旧棉织物为骨架,菌丝体为黏合剂,经过交联、增塑等处理,得到生物基仿皮材料。试验结果表明:以平菇作为菌种,制备得到菌丝/棉织物复合材料,在100～120 ℃下热压120 s,对其进行染色,经过10%的PEG 及6%的戊二醛处理,再次喷涂上色,得到拉伸强度21.68 MPa、断裂伸长率30.11%、摩擦色牢度良好、疏水性较好、可降解的菌丝体生物基仿皮材料。该研究提供一种新的皮革制备方法,工艺简单,生产周期短,对环境污染小,但是在皮革性能和手感方面不及PU 人造革及动物皮革,有待进一步研究。