基于菌絲體的緩沖包裝材料制備及性能研究

吳　豪,趙　鵬,章　琦,馮　碩,張治國,孫耀宇

(1.浙江科技學(xué)院 a.輕工學(xué)院;b.機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023)

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浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),第27卷第1期,2015年2月

Journal of Zhejiang University of Science and Technology

Vol.27 No.1, Feb. 2015

基于菌絲體的緩沖包裝材料制備及性能研究

吳豪a,趙鵬a,章琦a,馮碩a,張治國b,孫耀宇a

(1.浙江科技學(xué)院 a.輕工學(xué)院;b.機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023)

摘要:為解決不可降解的廢棄塑料類包裝材料對環(huán)境造成的污染,以棉籽殼、稻殼、麩皮為主要原料,制備了一種基于菌絲體的新型緩沖包裝材料——“蘑菇包裝”。為了滿足不同的需求,將棉籽殼、稻殼、麩皮和水以不同比例混合制作培養(yǎng)基,然后接種不同的菌種,使之生長出不同性能的緩沖包裝材料。結(jié)果表明:金針菇、雞腿菇、平菇2005生長速度快于其他菌種,棉籽殼含量越高的培養(yǎng)基中菌絲體的生長情況越好。通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),平菇2005相比較其他菌種,應(yīng)力變化較小,而且有不錯(cuò)的回彈性能。綜合來看,平菇2005與以純棉籽作為材料制作的緩沖包裝材料性能最好。對比平菇2005-A與EPS材料的緩沖性能表明,平菇2005緩沖包裝材料完全可以替代發(fā)泡聚苯乙烯包裝材料。

關(guān)鍵詞:緩沖材料;包裝材料;可持續(xù)包裝;菌絲體;蘑菇包裝

近幾年來,包裝工業(yè)發(fā)展帶來的環(huán)境問題給人類社會(huì)造成了巨大的影響,引起了人們的廣泛關(guān)注。面對生態(tài)環(huán)境失衡這一現(xiàn)象,人們開始了解資源再利用的重要性,于是提出了綠色的可持續(xù)包裝理念[1]?？山到獍b是綠色可持續(xù)包裝的一種,在國內(nèi)外得到快速的發(fā)展,如瑞士的Balland公司研制開發(fā)了具有水溶性的丙烯酸聚合物,可以達(dá)到降解的目的[2];UNION CARBIDE公司生產(chǎn)的聚己內(nèi)酯(PCL),是一種可降解的綠色包裝材料[3]。美國Warner-Lambert公司生產(chǎn)了一種以淀粉為主要原料的生物降解材料Novon[4]。中國的生物降解塑料技術(shù)發(fā)展迅速,如北京的一家塑料研究所采用聚乙烯為基礎(chǔ)原料,添加特制的濃縮母料,采用擠出吹塑工藝制得能夠阻隔紫外線的遮陽薄膜。

國內(nèi)外對生物降解材料的研究多集中在材料共混、共聚和薄膜的應(yīng)用上,對緩沖材料的研究報(bào)道較少。緩沖包裝材料屬于短期使用的一次性包裝物,目前國內(nèi)外常用的緩沖包裝材料是聚苯乙烯泡沫(EPS),但是EPS無法自然分解,在焚燒過程中還會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體[5]。所以,尋找一種新型的綠色緩沖包裝材料是緩沖包裝材料發(fā)展的必然趨勢。本研究以棉籽殼、稻殼、麩皮為主要原料,制備一種新型的基于菌絲體的緩沖包裝材料;通過探討不同菌種與不同培養(yǎng)料混合、生長、成形,通過測試,制訂最佳混合比例,合成最優(yōu)性能的新材料。這種材料具有緩沖作用,而且蘑菇菌絲體制成的材料只需6~9個(gè)月就可以分解,還可以用來做肥料[6]。

1實(shí)驗(yàn)

菌絲體生長階段對生活條件有較嚴(yán)格的要求,表現(xiàn)最明顯的就是對于營養(yǎng)條件中的碳氮比(培養(yǎng)料中碳素和氮素之比,一般以培養(yǎng)料中碳源與氮源含量的比來表示)要求不同。對一般菌類來說,菌絲體生長階段所要求的碳氮比為20∶1。據(jù)有關(guān)資料顯示,棉籽殼成分中含37%~39%的纖維素、29%~32%的木質(zhì)素、22%~25%的無氮浸出物、7.3%的粗蛋白[7]。

1.1　實(shí)驗(yàn)器材

安全型智能高溫反壓蒸煮鍋,接種棒,塑料模具,溫濕度計(jì),酒精燈,粉碎機(jī)。

1.2　實(shí)驗(yàn)材料

菌種:金針菇、雞腿菇、平菇2005、春載一號、夏灰一號、早熟5-1、早秋615。培養(yǎng)料:棉籽殼、稻殼、麩皮、石灰。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法與過程

1.3.1塑料袋規(guī)格

采用聚丙烯薄膜袋,厚度為0.06 mm,袋長20 cm,寬10 cm。塑料袋套脖,采用高彈性的橡皮筋。

1.3.2裝袋

選擇質(zhì)量好的塑料袋,每袋裝料500 g,上下用力晃動(dòng),使松緊度一致,一般裝至袋高的3/5左右為宜;表面整平,用紗布擦凈袋口內(nèi)外的殘留棉籽殼;用手捏緊袋口,然后用橡皮筋扎住。

1.3.3培養(yǎng)料的配比

本研究采用3種配料方式[8]制作培養(yǎng)基A、培養(yǎng)基B、培養(yǎng)基C,詳見表1。

表1　培養(yǎng)基配方

1.3.4滅菌

培養(yǎng)料裝袋以后,要及時(shí)在滅菌鍋內(nèi)進(jìn)行滅菌。裝好的袋子,直立排放在安全型智能高溫反壓蒸煮鍋內(nèi),壓力泵充壓,以147 kPa壓力,125 ℃的高溫,滅菌90 min。滅菌后,打開鍋蓋,趁培養(yǎng)料還有余熱,取出放于干燥通風(fēng)的接種室內(nèi)繼續(xù)冷卻。

1.3.5接種

把已冷卻到30 ℃以下的培養(yǎng)料袋子,連同菌種和接種工具,搬入接種箱內(nèi)。按箱內(nèi)每立方米空間使用甲醛10 mL、高錳酸鉀8 g的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行熏蒸滅菌30 min,然后進(jìn)行四周接種[8]。

1.3.6菌絲體培養(yǎng)

參考文獻(xiàn)菌絲體培養(yǎng)是本研究的核心內(nèi)容。[9],將接種好的材料放在適溫透氣黑暗的環(huán)境下,一般控制溫度在23 ℃左右、濕度在60%左右。經(jīng)過1個(gè)月的培養(yǎng),菌絲體即可發(fā)好,整個(gè)材料表面布滿白色菌絲體,整體呈白色柱狀。這一期間管理工作非常重要,對產(chǎn)量和質(zhì)量有決定性的影響,每天觀察檢查有無雜菌污染,如有污染的袋子要及時(shí)剔除。

1.4　產(chǎn)品成形

待菌絲體生長完成,塑料袋內(nèi)的材料呈白色柱狀,將其取出烘干、定形,即可得到“蘑菇包裝”緩沖材料。

1.5　產(chǎn)品性能測試

采用YED—50電子式包裝件壓力試驗(yàn)機(jī)測試蘑菇包裝的耐壓強(qiáng)度。按照GB/T 4857.4—2008《包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)第4部分:采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的抗壓和堆碼試驗(yàn)方法》對產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)[10]。

2結(jié)果與討論

2.1　菌絲生長速度

將各菌種放在3種不同的培養(yǎng)基A、B、C中,生長出不同的菌絲體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　各菌種在3種培養(yǎng)基上的生長

注:“++++”表示菌絲體很濃密;“+++”表示菌絲體濃密;“++”表示菌絲體稀疏;“+”表示菌絲體極稀。

從表2可以看出,金針菇、平菇2005、春栽一號在棉籽殼含量較高的培養(yǎng)基中生長較好,且生長速度較快。雞腿菇、夏灰一號、早熟5-1、早秋615則對棉籽殼含量要求不高,在所有培養(yǎng)基中生長速度一般,長勢一般。說明有些菌絲體對棉籽殼的營養(yǎng)成分能夠更好地利用。同時(shí),大多數(shù)菌種在純棉籽殼的培養(yǎng)基中生長的菌絲體密度比在含有稻殼的培養(yǎng)基中生長的菌絲體密度高。

各菌種菌絲體的生長速度:平菇2005>春栽一號>金針菇>雞腿菇>早秋615>夏灰一號>早熟5-1。

2.2　靜態(tài)緩沖性能分析

在烘干箱中把蘑菇中的孢子殺死,使其停止生長,同時(shí)烘干其中的水分,測量材料密度。試驗(yàn)密度測量及結(jié)果如表3所示。

表3　各試樣密度測定

2.2.1相同培養(yǎng)料不同菌種的靜態(tài)緩沖性能測試

實(shí)驗(yàn)選用試樣:金針菇-A,密度0.267 g/cm3;雞腿菇-A,密度0.202 g/cm3;平菇2005-A,密度0.207 g/cm3;春栽一號-A,密度0.225 g/cm3;夏灰一號-A,密度0.201 g/cm3;早熟5-1-A,密度0.246 g/cm3;早秋615-A,密度0.178 g/cm3。所有試樣尺寸均為9 cm×6 cm×6 cm。

考慮實(shí)際流通環(huán)境情況,在25 ℃,相對濕度50%的條件下對所有樣品進(jìn)行24 h溫濕度預(yù)處理,分別在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮。

以不同的菌種在A培養(yǎng)基中生產(chǎn)的材料為試樣,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)完靜置3 min后,測量試樣的厚度及殘余應(yīng)變,結(jié)果如表4所示。

圖1　不同菌種在A培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1　Stress-strain curve of materials in different strains produced in medium A

試樣試樣厚度/cm卸載3min后試樣厚度/cm殘余應(yīng)變/%金針菇-A65.636.1雞腿菇-A65.714.8平菇2005-A65.783.6春栽一號-A65.636.1夏灰一號-A65.419.8早熟5-1-A65.2213.0早秋615-A65.3810.3

從圖1的曲線形態(tài)上看,除了平菇2005,其他菌類都相似,可見密度對緩沖材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響很小。在小應(yīng)變的情況下,材料的彈性越好，產(chǎn)生的變形越大[11];隨著載荷的增加,材料發(fā)生了彈性屈曲,隨后曲線呈現(xiàn)出較長的平滑階段,此時(shí)材料發(fā)生了較大的塑性變形,應(yīng)力隨應(yīng)變的增加增長緩慢,這是因?yàn)榇蟛糠帜芰勘徊牧衔栈蚝纳?。之后隨著應(yīng)變量超過材料的脆值,材料結(jié)構(gòu)遭到破壞,對能量的吸收減小,材料傳遞的應(yīng)力也開始急劇上升。平菇2005相比較其他菌種,應(yīng)力變化較小,而且曲線幾乎呈現(xiàn)為直線。當(dāng)承受相同的力時(shí),形變比較大,說明彈性比較好。其他6種菌曲線相似,說明能承受的壓力比較大。從表4可以看出,早熟5-1-A和早秋615-A回彈性差,而平菇2005-A和雞腿菇-A回彈性較好。

2.2.2相同菌種不同培養(yǎng)料的靜態(tài)緩沖性能測試

試驗(yàn)選用試樣:平菇2005-A,密度0.251 g/cm3;平菇2005-B,密度0.234 g/cm3;平菇2005-C,密度0.207 g/cm3。所有試樣尺寸均為9 cm×6 cm×6 cm。

圖2　平菇2005在不同培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Stress-strain curve of materials of pleurotusostreatus 2005 cultivated in different medium

以平菇2005在不同培養(yǎng)基中生產(chǎn)的材料為試樣,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)材料進(jìn)行完試驗(yàn)靜置3 min后,測量試樣的厚度及殘余應(yīng)變,結(jié)果如表5所示。

從圖2的曲線形態(tài)上看,B跟C類同,A不同。B、C線相比較,可見密度對緩沖材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響很小。A與B、C比較,說明A能承受的壓力比較大。B與A、C比較,B在應(yīng)變?yōu)?3%左右出現(xiàn)急劇上升,也就是馬上就要壓潰,可見B能承受的壓力范圍特別小。從表4中可以看出,A、C的回彈性比較好,B相對來說要差一點(diǎn)。

表5　3 min后試樣厚度及殘余應(yīng)變

2.3　平菇2005-A與EPS對比

EPS是聚苯乙烯(PS)的硬質(zhì)蜂窩狀泡沫物,因其具有優(yōu)良的緩沖性能,在現(xiàn)代包裝行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。選用密度為0.012 g/cm3,尺寸9 cm×6 cm×6 cm的EPS材料為試樣。

測試EPS試樣和平菇2005-A靜態(tài)緩沖性能,得到圖3。

圖3　平菇2005-A與EPS應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較Fig.3　Stress-strain curve of EPS

通過對比平菇2005-A與EPS材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以直觀地看出可承受相同的應(yīng)力,平菇2005-A產(chǎn)生的形變與EPS材料相當(dāng),說明平菇2005-A類的“蘑菇包裝”能夠替代EPS材料。

3結(jié)語

本研究的試驗(yàn)結(jié)果表明:各菌種菌絲體的生長速度為平菇2005>春栽一號>金針菇>雞腿菇>早秋615>夏灰一號>早熟5-1。通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)分析可知,平菇2005的回彈性能較好,緩沖性能優(yōu)異,比較適合制造“蘑菇包裝”材料;純棉籽殼的培養(yǎng)料能生產(chǎn)出更高效、更實(shí)用、更具緩沖性的包裝材料。通過各種測試分析,得出平菇2005的菌絲體是最適合制作“蘑菇包裝”的原材料;含高配比棉籽殼的培養(yǎng)基是最理想的培養(yǎng)原料。通過平菇2005-A與EPS材料的對比試驗(yàn),可以確定“蘑菇包裝”能替代一般緩沖材料。

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Preparation and properties of cushion packaging material based

on mycelium

WU Haoa, ZHAO Penga, ZHANG Qia, FENG Shuoa, ZHANG Zhiguob, SUN Yaoyua

(a. School of Light Industry; b. School of Mechanical and Automotive Engineering,

Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:We produce a new cushion packaging materials based on mycelium called mushroom packaging, which is made by cottonseed hulls, rice husk and bran to solve the problem of environmental pollution caused by the non-biodegradable waste plastics packaging materials. In order to meet different needs, we use cottonseed hulls, rice husk, bran and water mixed in different proportions to produce medium and then inoculate them with different strains, so that we can get the cushion packaging material with different performance.Results show that the needle mushroom, chicken leg mushroom and oyster mushroom 2005 grow faster than other species, the higher content of seed coats of medium brings, the better mycelial grows. Through the static compression experiment found that oyster mushroom 2005 compared with other strains, stress change is small, and can have good resilience. The cushion packaging material made by oyster mushroom 2005 and pure cotton seed have the best performance. Contrast between mushroom 2005-A and the cushioning property of EPS material show that the buffer packaging materials can completely replace the expanded polystyrene packaging materials.

Key words:cusioning package; packaging materials; sustainable packaging; mycelium; mushroom packaging

中圖分類號:TB484.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-8798(2015)01-0022-06

通信作者:張治國,副教授,博士,主要從事新材料、新能源的研究。

作者簡介:吳豪(1994—),男,浙江省臺州人,2012級包裝工程專業(yè)本科生。

基金項(xiàng)目:浙江省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2013C03017-4)

收稿日期:2014-12-13

doi:10.3969/j.issn.1671-8798.2015.01.005