CN113501994A - 一种柔韧性菌丝体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物材料工程技术领域，具体涉及一种柔韧性菌丝体材料及其制备方法。本发明提供了一种柔韧性菌丝体材料及其制备方法，首先获得了生长均匀，且厚度和颜色一致的菌丝体层；然后制备了外观和性能与牛革和合成革相似的菌丝体材料，毒性低，且具备较好的耐水性、抗张强度、柔韧性、耐磨性等特性，可应用于包装、快递业、室内装潢、服装、箱包、鞋类和运动装备等产业领域。且通过对培养基碳、氮源及含量的优化，培养条件的优化，以及生产工艺优化，实现了菌丝体的规模化、连续化生产。

Description

一种柔韧性菌丝体材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物材料工程技术领域，具体涉及一种柔韧性菌丝体材料及其制备方法。
背景技术
真菌菌丝体的应用最早可追溯到20世纪50年代，当时人们利用纤维素和几丁质(甲壳素)之间的相似性来生产纸张，即在传统造纸工艺中加入真菌菌丝体，以提高纸张的耐火性，而不影响纸张强度。后来发现几丁质和壳聚糖的优良的生物医学特性，而将几丁质-β-葡聚糖片被用作皮肤替代品和伤口愈合剂。然而，直到最近五年，菌丝体的使用才真正引起了人们的极大兴趣，例如纸张、过滤膜和生物聚合物薄片等。这些新型材料主要由几丁质和多糖(如葡聚糖、壳聚糖、聚葡萄糖醛酸或纤维素)、蛋白质组成，可完全生物降解。
真菌菌丝体是真菌的营养部分，由被称为菌丝的管状微丝网络组成。构成菌丝的细胞壁主要成分为多糖，其次为蛋白质、类脂，细胞壁占细胞干物质的30％。而构成细胞壁的多糖主要有几丁质(甲壳素)、纤维素、葡聚糖、甘露聚糖等聚合物。其中，几丁质是由N-乙酰葡萄糖胺分子以β-(1,4)葡萄糖苷键连接而成的多聚糖，是一种坚韧、有弹性、惰性和不溶于水的改性多糖，尽管它仅占细胞壁的一小部分，但它有助于整个生物体的结构完整性。因此，在菌丝体材料中，含有几丁质的真菌细胞壁对于材料的结构和机械性能至关重要。
其中，专利CN1101406C公开了一种真菌细胞壁结构性多糖的制备方法，是以真菌菌丝体为原料，通过破碎、醇洗、碱洗后，以苯甲醛为氨基保护剂，以戊二醛、甲苯二异氰酸酯为交联剂，交联而得，可作为生物吸附剂和微生物细胞、动植物细胞及酶的固定化载体材料。但是现有方法制得的交联菌丝体的强度较差；且所用真菌均为霉菌属物种，通过液体培养后菌丝体量和壳聚糖要比大型真菌物种少很多，霉菌菌丝体生物量一般4％以下(湿重)，而大型真菌生物量要高于15％(湿重)，因此不适用于大型真菌菌丝体材料的制备。
真菌菌丝体的培养有两种模式：固态培养和液态培养。固态培养就是固体颗粒基质(如锯末)接种真菌后，在适宜温度、湿度条件下进行培养，促使气生菌丝向外生长，形成菌丝体层。而液态培养则是在液体培养基中接入真菌，通过生长形成菌球大小均匀的菌浆，然后倒入培养盘中静置培养若干天，直至形成菌丝体表层或垫。而对于柔韧性菌丝体材料的制备技术而言，最大的挑战是如何获得生长均匀，且厚度和颜色一致的菌丝体层。而生长基质和培养条件是影响真菌菌丝生物量产生的最主要因素。同时，由于真菌菌丝体培养技术的特殊性，使得菌丝体培养的规模化受到限制。本发明采用液态培养方式，通过对培养基碳、氮源及含量的优化，培养条件的优化，以及生产工艺优化，能够实现菌丝体的规模化、连续化生产。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种柔韧性菌丝体材料及其制备方法，首先获得了生长均匀，且厚度和颜色一致的菌丝体层；然后通过交联制备了外观和性能与牛革和合成革相似的菌丝体材料，毒性低，且具备较好的耐水性、抗张强度、柔韧性、耐磨性等特性，可应用于包装、快递业、室内装潢、服装、箱包、鞋类和运动装备等产业领域；且通过对培养基碳、氮源及含量的优化，培养条件的优化，以及生产工艺优化，实现了菌丝体的规模化、连续化生产。具体包括以下内容：
第一方面，本发明提供了一种柔韧性菌丝体材料的制备方法，所述方法包括：将真菌菌丝体层压制后依次用20-40％wt的NaOH溶液浸泡处理0.5-3h、0.1-10％wt的增塑剂溶液浸泡1-24h、0.1-5％wt的交联剂溶液浸泡1-24h，干燥即得柔韧性菌丝体材料；
所述增塑剂包括聚乙二醇-400、甘油、聚乙三醇、甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物中的一种或几种组合；
所述交联剂包括京尼平、三聚磷酸钠、环氧氯丙烷、亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二缩水甘油醚、焦磷酸钠、单宁酸中的一种或几种的组合。
优选地，所述增塑剂为聚乙二醇-400。
优选地，所述交联剂为京尼平。
优选地，所述方法为：将菌丝体层压制后，先用40％wt的NaOH溶液浸泡处理0.5-3h；水洗至中性，再用0.1-3％wt的聚乙二醇-400溶液浸泡1-24h；水洗，最后用0.1-5％wt的京尼平溶液浸泡1-24h；干燥即得柔韧性菌丝体材料。相较于现有已知的其他交联剂和增塑剂的使用，本发明所述NaOH溶液、聚乙二醇-400溶液与京尼平溶液的共同作用下获得了外观和性能与牛革和合成革相似的菌丝体材料，毒性低，且具备较好的耐水性、抗张强度、柔韧性、耐磨性等特性。
优选地，所述菌丝体层的制备培养方法包括以下步骤：
(1)真菌菌球的制备：将活化后的真菌菌种接种到培养基中，23-25℃，70-120rpm震荡培养至对数生长期，滤出菌丝球；所述真菌菌种的接种量为0.5-30％v/v。
(2)菌丝体的制备：将步骤(1)所述菌丝球均质，调pH为5.5-6，加入高分子材料混合，平铺成1-20mm厚的薄层或制成卷状，于23-25℃，70％湿度条件下，暗光培养2-7天，得菌丝体层；所述菌丝球与高分子材料的质量比为100:0.1-10；所述高分子材料包括明胶、壳聚糖、蟹(虾)壳粉、胶原中的一种或几种组合。
优选地，所述液体培养基的组成包括葡萄糖、蔗糖、甘油、半乳糖、麦芽糖、山梨醇糖、果胶、糖蜜、麦芽汁中的一种或几种，蛋白胨、络蛋白、大豆蛋白、脱脂乳中的一种或几种，酵母膏，KH2PO4，K2HPO4，MgSO4。
优选地，所述高分子材料为明胶。明胶的加入，制备获得了生长均匀，且厚度和颜色一致的菌丝体层。
优选地，所述液体培养基的组成为：每1L去离子水中含有1.5％m/v葡萄糖、0.25％m/v蛋白胨、0.3％m/v酵母膏、0.1％m/vKH2PO4、0.02％m/vK2HPO4、0.05％m/vMgSO4。
优选地，所述液体培养基还包括甘油和/或脱脂乳。
优选地，所述液体培养基包括0.1-10％v/v甘油，和/或0.1-6％v/v脱脂乳。通过对培养基碳、氮源及含量的优化，培养条件的优化，以及生产工艺优化，实现了菌丝体的规模化、连续化生产。
优选地，所述液体培养基包括3％v/v甘油。
优选地，所述液体培养基包括0.5％v/v脱脂乳。
优选地，所述液体培养基包括1％v/v甘油和3％v/v脱脂乳。
优选地，所述真菌菌种为多孔菌科真菌物种的液体菌种。
优选地，所述的真菌菌球的制备采用浸没式培养方式。
第二方面，本发明提供了一种根据上述第一方面所述方法制备获得的柔韧性菌丝体材料。
第三方面，本发明提供了一种上述第二方面所述的柔韧性菌丝体材料在制备包装、室内装潢、服装、箱包、鞋类、运动装备等产品中的应用。
本发明的有益效果是：首先获得了生长均匀，且厚度和颜色一致的菌丝体层；然后制备了外观和性能与牛革和合成革相似的菌丝体材料，毒性低，且具备较好的耐水性、抗张强度、柔韧性、耐磨性等特性，可应用于包装、快递业、室内装潢、服装、箱包、鞋类和运动装备等产业领域；且通过对培养基碳、氮源及含量的优化，培养条件的优化，以及生产工艺优化，实现了菌丝体的规模化、连续化生产。
附图说明
图1菌丝体层的制备工艺流程图；
图2柔韧性菌丝体材料的制备工艺流程图；
图3真菌菌丝体的卷状培养示意图。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。
其中菌丝体层的制备工艺流程如图1所示，柔韧性菌丝体材料的制备工艺流程图如图2所示，卷状培养示意图如图3所示。
以下实施例所述的真菌菌种为：紫灵芝。
实施例1菌丝体层的制备
1.液体培养基的制备
按照以下配方配制液体培养基：1.5％葡萄糖，0.25％蛋白胨，0.3％酵母膏，0.1％KH2PO4，0.02％K2HPO4和0.05％MgSO4，溶解在1L去离子水中，并调节至pH 5.5-6，然后在121℃下灭菌20min，备用。
2.真菌菌球的制备
将已活化的真菌菌种在无菌条件下按照0.5％(体积百分比)接入到液体培养基中，在23-25℃和70-120rpm的温度和转速条件下震荡培养，对数生长期结束时终止培养。然后，滤出菌丝球。
3.菌丝体层的制备
在无菌条件下，将菌球均质化，调节pH值到5.5-6.0。然后按照菌丝球量的0.1％(质量百分比)比例加入明胶，混合均匀，置于培养盘中，铺成厚1-20mm的薄层，并置于23-25℃和70％的温度和湿度条件下暗光培养2-7天。
菌丝体产率结果如下表1所示，在所述基础培养基中培养获得的菌丝体产率为16.5g/100mL，向基础培养基中分别补加3％v/v的甘油、0.5％v/v的脱脂乳、1％v/v甘油和3％v/v脱脂乳后，菌丝体产率分别为24.5g/100mL，22.9g/100mL，25.4g/100mL，较基础培养基分别增加了8g/100mL、6.4g/100mL、8.9g/100mL；而且制备的菌丝体层表面平坦、厚度一致，颜色呈白色。
表1菌丝体的产率(g/100mL)
培养基 基础培养基 补加甘油 补加脱脂乳 补加甘油-脱脂乳
菌丝体产率 16.5 24.5 22.9 25.4
实施例2柔韧性菌丝体材料的制备
根据实施例1所述方法制备菌丝体层，其中明胶的加入量分别为菌丝球质量的1％、3％和5％，以未加明胶为对比；将菌丝体层压制成片状，然后分别在40％wt的NaOH溶液中浸泡3h，取出后用去离子水冲洗至中性，再用0.1％wt的聚乙二醇-400溶液浸泡24h，取出后用去离子水冲洗3遍，然后置于1％wt京尼平溶液中浸泡4h，取出后用去离子水冲洗除去京尼平，干燥后即为柔韧性复合菌丝体材料。
对制备的复合菌丝体材料的柔韧性、耐水性和耐磨性进行检测，其中柔韧性：悬垂法参照QB/T 5155-2017《人造革合成革试验方法柔软度的测定》的方法测定；耐水性：测定软化系数K；耐磨性：参照《GB/T 2726-2005皮革物理和机械试验耐磨性能的测定》的方法测定，试验条件：H-18磨轮，磨轮负重500g，回转速度72转。抗张强度的测定参照QB/T 2710-2005《皮革物理和机械试验抗张强度和伸长率的测定》进行。
制备获得的柔韧性复合菌丝体材料物理性能结果如表2所示，相较于未加明胶的对照组，在菌丝体层制备过程中加入明胶能够显著提高柔韧性复合菌丝体材料抗张强度、耐水性、柔韧性和降低材料的磨损程度。
表2菌丝体材料的物理性能
Figure BDA0003175691640000051
实施例3柔韧性菌丝体材料的制备
根据实施例1所述方法制备菌丝体层，其中明胶的加入量分别为菌丝球质量的10％；然后在40％wt的NaOH溶液中浸泡0.5h，取出后用去离子水冲洗至中性，再用10％wt的聚乙二醇-400溶液浸泡24h，取出后用去离子水冲洗3遍，然后置于0.1％wt京尼平溶液中浸泡24小时，取出后用去离子水冲洗除去京尼平，干燥后即为柔韧性复合菌丝体材料。
制备获得的柔韧性复合菌丝体材料物理性能结果如下：抗张强度15.7N/mm2，表面轻微磨损(4级)。
对比例
重复实施例3，所不同的是分别置于5％(质量百分比)戊二醛溶液和3％(质量百分比)柠檬酸溶液中浸泡24小时，取出后用去离子水冲洗三次，干燥后即为复合菌丝体材料。
制备获得的复合菌丝体材料物理性能结果如下：以戊二醛溶液制备的复合菌丝体材料的抗张强度为9.34N/mm2，表面中度磨损(3级)；以柠檬酸溶液制备的复合菌丝体材料的抗张强度为3.22N/mm2，且样品表面严重磨损(2级)。
以上实施例结果表明，在基础培养基的基础上分别补加甘油、脱脂乳和甘油-脱脂乳后获得的菌丝体的产率均显著增加；在菌丝体层制备过程中加入明胶能够显著提高柔韧性复合菌丝体材料抗张强度、耐水性、柔韧性和降低材料的磨损程度；且相较于目前戊二醛及柠檬酸等交联剂的，以京尼平为交联剂制备的复合菌丝体材料的抗张强度显著增加，且表面磨损程度较轻。

Claims (10)

1.一种柔韧性菌丝体材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将真菌菌丝体层压制后依次用20-40％wt的NaOH溶液浸泡处理0.5-3h、0.1-10％wt的增塑剂溶液浸泡1-24h、0.1-5％wt的交联剂溶液浸泡1-24h，干燥即得柔韧性菌丝体材料；
所述增塑剂包括聚乙二醇-400、甘油、聚乙三醇、甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物中的一种或几种组合；
所述交联剂包括京尼平、三聚磷酸钠、环氧氯丙烷、亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二缩水甘油醚、焦磷酸钠、单宁酸中的一种或几种的组合。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增塑剂为聚乙二醇-400，所述交联剂为京尼平。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述方法为：将真菌菌丝体层压制后，先用40％wt的NaOH溶液浸泡处理0.5-3h；水洗至中性，再用0.1-3％wt的聚乙二醇-400溶液浸泡1-24h；水洗，最后用0.1-5％wt的京尼平溶液浸泡1-24h；干燥即得柔韧性菌丝体材料。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真菌菌丝体层的制备培养方法包括以下步骤：
(1)真菌菌球的制备：将活化后的真菌菌种接种到液体培养基中，23-25℃，70-120rpm震荡培养至对数生长期，滤出菌丝球；所述真菌菌种的接种量为0.5-30％v/v。
(2)真菌菌丝体层的制备：将步骤(1)所述菌丝球均质，调pH为5.5-6，加入高分子材料混合，平铺成1-20mm厚的薄层或制成卷状，于23-25℃，70％湿度条件下，暗光培养2-7天，得菌丝体层；所述菌丝球与高分子材料的质量比为100:0.1-10；所述高分子材料包括明胶、壳聚糖、蟹(虾)壳粉、胶原中的一种或几种组合；
其中，所述液体培养基的组成包括葡萄糖、蔗糖、甘油、半乳糖、麦芽糖、山梨醇糖、果胶、糖蜜、麦芽汁中的一种或几种，蛋白胨、络蛋白、大豆蛋白、脱脂乳中的一种或几种，酵母膏，KH2PO4，K2HPO4，MgSO4。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述高分子材料为明胶。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述液体培养基的组成为：每1L去离子水中含有1.5％m/v葡萄糖、0.25％m/v蛋白胨、0.3％m/v酵母膏、0.1％m/vKH2PO4、0.02％m/vK2HPO4、0.05％m/vMgSO4。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述液体培养基还包括甘油和/或脱脂乳。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述液体培养基包括0.1-10％v/v甘油，和/或0.1-6％v/v脱脂乳。
9.根据权利要求1-8任一所述方法制备获得的柔韧性菌丝体材料。
10.如权利要求9所述的柔韧性菌丝体材料在制备包装、室内装潢、服装、箱包、鞋类、运动装备等材料中的应用。
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