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Dec 08, 2023

Einfluss von Wachstumsraten, mikrostrukturellen Eigenschaften und biochemischer Zusammensetzung auf die thermische Stabilität von Myzelpilzen

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 15105 (2022) Diesen Artikel zitieren 1769 Zugriffe 4 Zitate 154 Altmetric Metrics Details Myzelpilzarten weisen feuerhemmende Eigenschaften auf. Der

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15105 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Myzelpilzarten weisen feuerhemmende Eigenschaften auf. Der Einfluss der Wachstumsmedien auf die Pilzwachstumsraten, die biochemische Zusammensetzung und die mikrostrukturellen Eigenschaften sowie deren Beziehung zu den thermischen Eigenschaften ist kaum bekannt. In diesem Artikel zeigen wir, dass Melasse das Wachstum nicht pathogener Basidiomycota-Stammpilzarten unterstützen kann, die biologisch gewonnene Materialien mit potenziellen Brandschutzeigenschaften produzieren. Rasterelektronenmikroskopie und Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR) wurden verwendet, um die mikrostrukturellen und biochemischen Eigenschaften der in Melasse gezüchteten Myzelarten zu untersuchen. Die thermische Zersetzung von mit Melasse gefütterten Myzelien wurde mittels thermogravimetrischer Analyse in Verbindung mit FTIR für eine Echtzeitanalyse des entwickelten Gases bewertet. Die morphologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der nach der thermischen Belastung verbleibenden Kohle wurden ebenfalls bewertet. Die Materialcharakterisierung ermöglichte die Herstellung eines Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur, den biochemischen Eigenschaften und den thermischen Eigenschaften von mit Melasse gefütterten Myzelien. Dieser Artikel präsentiert eine umfassende Untersuchung der Mechanismen, die den thermischen Abbau von drei in Melasse gewachsenen Myzelarten steuern. Diese Forschungsergebnisse erweitern das Wissen über kritische Parameter, die die Wachstumsraten und Erträge von Pilzen steuern, sowie darüber, wie die mikrostrukturellen und biochemischen Eigenschaften die thermische Reaktion von Myzelien beeinflussen.

Die Verwendung von strukturell effizienten Polymerverbundwerkstoffen in Fahrzeugen und Wohngebäuden zur Personenbeförderung wird durch strenge Brandschutzbestimmungen (z. B. Brennbarkeit und Entflammbarkeitseigenschaften des Materials)1 eingeschränkt. Polymerverbundwerkstoffe entzünden sich und verbrennen mit anhaltender Flammenverbrennung, wenn sie hohen Temperaturen und oxidativen Umgebungen ausgesetzt sind2. Brennende Polymerverbundstoffe erzeugen Wärme, die die Integrität technischer Strukturen durch Matrixerweichung, Matrixzersetzung, Delaminierungsrisse und Faserschäden beeinträchtigen kann3. Darüber hinaus erzeugen brennende Polymere giftige Gase und Dämpfe wie Kohlenmonoxid und teilweise zersetzte Kohlenwasserstoffe (z. B. Kohlenstoffruß), die für die meisten Todesfälle durch Brände verantwortlich sind4. Der Brand im Grenfell Tower im Jahr 2017, der auf die Verwendung von mit Polyethylen eingearbeiteten Aluminium-Verbundplatten verwendet wurde, die nicht den Brandschutznormen entsprachen, führte zu 72 Todesfällen – hauptsächlich durch Rauchvergiftung5. Ebenso verursachte dichter, giftiger und reizender Rauch aus brennendem Kabinenmaterial 48 der 55 Todesfälle bei der Flughafenkatastrophe von Manchester im Jahr 1985, bei der das britische Flugzeug Airtours Flight 28 M aufgrund eines Triebwerksausfalls beim Start in Brand geriet6. Der Brand im Grenfell Tower und die Katastrophe am Flughafen Manchester sind nur zwei Beispiele für viele Brandtragödien, die die Bedeutung des Verständnisses der Brandreaktionseigenschaften von Polymeren verdeutlichen.

Durch die Integration von Flammschutzmitteln (FRs) in die Polymerverbundwerkstoffe werden die Flammenverbrennungsreaktionen wirksam abgeschwächt und das Volumen giftiger Gase und Dämpfe verringert7,8. Es gibt verschiedene Methoden zur Integration von FRs in Polymerverbundwerkstoffe, darunter die Modifizierung der Polymermatrix mit nano- und mikrogroßen FR-Partikeln9, das Aufbringen wärmeschützender Oberflächenbeschichtungen10 und die Verwendung von intrinsisch feuerhemmenden Polymeren wie Phenolharzen11. Viele Jahre lang waren halogenierte Verbindungen aufgrund ihrer hocheffizienten Gasphasen-Brandschutzmechanismen die FSM der Wahl für die meisten Polymersysteme8,12. Leider setzen halogenierte Flammschutzmittel ätzende und ozonschädigende Gase frei, was ihre Verwendung einschränkt oder in einigen Gerichtsbarkeiten zur Entfernung führt12,13. Der Wettlauf um die Ersetzung von halogenierten FSM wurde bisher sowohl von organischen als auch anorganischen phosphor- und stickstoffhaltigen Verbindungen dominiert, darunter Ammoniumpolyphosphat14, Melaminphosphat15, Pentaerythritol16, intumeszierende Verbindungen17, kohlenstoffbasierte Nanomaterialien (z. B. CNTs, Graphen)18, Metallsalze19 und Metall Hydroxide20. Halogenfreie Flammschutzmittel sind zwar wirksam, ihre weitverbreitete Einführung wird jedoch durch umweltschädliche Herstellungsprozesse, Arbeitsgesundheit und Sicherheit im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Handhabung gefährlicher Materialien (z. B. kohlenstoffbasierter Nanomaterialien) und mögliche Umweltschäden durch die Auswaschung von Schwermetallen erschwert. Im Gegensatz dazu weisen biologisch gewonnene Flammschutzmittel wie Myzel das Potenzial für umweltfreundliche Flammschutzmittel auf, die sowohl die Brandschutz- als auch die Anforderungen an eine nachhaltige Herstellung erfüllen. Die feuerhemmende Wirksamkeit von Myzel und die entsprechenden feuerhemmenden Mechanismen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt, um verlässliche Informationen für eine großtechnische Anwendung zu liefern. Bei der Kultivierung von Myzel ist es wichtig, dass eine sterile Umgebung aufrechterhalten wird, um eine Kontamination durch andere pathogene Arten zu verhindern. Die Aufrechterhaltung einer sterilen Wachstumsumgebung im industriellen Maßstab kann eine Herausforderung sein. Darüber hinaus wird die Produktqualitätssicherung durch Chargenschwankungen aufgrund unterschiedlicher Wachstumsmuster erschwert.

Myzel ist der vegetative Teil von Pilzen, der durch fadenförmige Hyphen gekennzeichnet ist. Es kann aus organischem Abfall auf umweltverträgliche Weise umgewandelt werden (z. B. unter Umgebungsbedingungen ohne den Bedarf an Wärme hergestellt werden), um biologisch abbaubare und natürlich feuerbeständige Biomaterialien zu schaffen. Aufgrund des Vorhandenseins von Chitin, Protein und Glucan in seinen Zellwänden ist Myzel von Natur aus feuerbeständig und weist eine ausgezeichnete thermische Stabilität auf. Chitin-Polymerketten enthalten N-Acetylglucosamin, eine Stickstoffquelle, die für die Erzeugung von NH3-Gas unerlässlich ist und als Gasphasenverdünnungsmittel fungiert, das Flammenverbrennungsreaktionen unterdrücken kann21. Chitin und Glucan verfügen über primäre biochemische Strukturgerüste aus Polysacchariden und liefern Kohlenstoff, der für die Bildung von thermisch schützender Oberflächenkohle unerlässlich ist. Die cysteinreichen Proteinkomponenten des Myzels (z. B. Hydrophobine) enthalten Disulfidbindungen, die bei hohen Temperaturen aufbrechen und verkohlungsfördernde Schwefelwasserstoffmoleküle (H2S) erzeugen22,23. Bei der Verwendung als Wärmeschutzfilm auf brennbaren Polymerverbundwerkstoffen wirkt die durch den thermischen Abbau des Myzels gebildete Restkohle als Wärmeisolator und schützt das darunter liegende Verbundsubstrat.

Forscher haben Myzelpilze erfolgreich eingesetzt, um feste landwirtschaftliche Abfälle wie Weizenkorn24, Reisschalen25 und Sägemehl26 in feuerbeständige Biokompositmaterialien umzuwandeln. Allerdings bleibt ein Teil des festen Futtermaterials vom Myzel unverdaut. Die teilweise verdauten restlichen festen Futterpartikel können die Feuerbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Myzel-Biokomposits beeinträchtigen. Begrenzte Studien haben die Materialeigenschaften von mit flüssigen Medien (z. B. Melasse) gefütterten Myzelpilzen untersucht27. Im Gegensatz zu den festen Futterpartikeln, die untrennbar mit dem Biokomposit verbunden werden, können flüssige Futtermittel abgespült werden. Darüber hinaus kann die gewonnene flüssige Futterlösung nach der Gewinnung des ausgewachsenen Myzels wiederverwendet werden, um die Kultivierung frischer Pilze zu unterstützen, wenn auch mit langsameren Wachstumsraten aufgrund erschöpfter Nährstoffe. Blackstrap-Melasse, ein Abfallprodukt aus der Zuckerraffinierung, ist ein potenzieller flüssiger Futterstoff, dessen Verwendung begrenzt ist. Melasse verfügt über eine hohe Biomasse und essentielle Nährstoffe und kann häufig verwendete Malzextrakte bei der Unterstützung des Myzelwachstums übertreffen27. Darüber hinaus enthält Melasse Calciumoxalat, das bei hohen Temperaturen in CaCO3 und CO zerfällt28. CaCO3 zerfällt weiter zu CaO und CO2. Sowohl CO als auch CO2 sind nicht brennbare Gase, die als Verdünnungsmittel wirken und brennende Verbrennungsreaktionen während eines Brandes ersticken. Darüber hinaus erhöht CaO die Wärmeisolationswirkung der restlichen Oberflächenkohle und schützt so das darunter liegende Polymerverbundsubstrat thermisch. Trotz der zahlreichen potenziellen Vorteile von Melasse als Futtermittel für Myzel gibt es jedoch keine Untersuchungen zu ihrem Einfluss auf die Pilzwachstumsraten, die biochemische Zusammensetzung und Mikrostruktur und vor allem die thermischen und Feuerreaktionseigenschaften des Myzels. Darüber hinaus ist eine vergleichende Analyse mit gängigen Polymermatrizen von entscheidender Bedeutung, bevor Myzelien als feuerhemmende oder wärmeschützende Schicht in technische Verbundwerkstoffe integriert werden können.

Dieses Projekt untersuchte die Auswirkungen von Melasse auf die Wachstumsraten, Massenerträge und die thermischen Eigenschaften von drei Myzelarten, die aus dem nicht pathogenen Stamm der Basidiomycota ausgewählt wurden. Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR) wurden zur morphologischen, biochemischen und mikrostrukturellen Charakterisierung der ursprünglichen (denaturierten Pilze) und der nach der thermischen Exposition verbleibenden Kohle verwendet. Die thermische Zersetzung von mit Melasse gefütterten Myzelien wurde mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) bewertet, die mit FTIR zur Echtzeitanalyse des entwickelten Gases verbunden war. Die thermische Stabilität von in Melasse gezüchtetem Myzel wurde mit der von mit Weizenkorn gefütterten Pilzen verglichen, um die Auswirkung der Futterart und der restlichen unverdauten Futtermaterialien auf die thermische Stabilität zu beurteilen. Darüber hinaus wurde die thermische Stabilität des mit Melasse gefütterten Myzels mit einer kommerziellen Polymermatrix (Epoxidharz) verglichen, um seine Eignung als Matrix in biologisch abbaubaren Verbundwerkstoffen zu beurteilen. Forschungsergebnisse aus dieser Arbeit fördern das Verständnis kritischer Parameter, die die Wachstumsraten und Massenerträge von Pilzen steuern, und ermöglichen die Herstellung einer empirischen Korrelation zwischen der Mikrostruktur des Pilzes, seinen biochemischen Eigenschaften und seiner thermischen Stabilität.

Drei auf Malzextrakt-Agar wachsende Pilzkulturen Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor wurden von der Fungal Culture Collection der RMIT University (Australien) erhalten und als Inokulum verwendet. Melasse wurde von E&A Salce (Australien) bezogen. Ein Epoxidharz (Bisphenol A & F) (West System 105) und der entsprechende Härter (West System 206) wurden von Gougeon Brothers Incorporated (USA) geliefert.

Melasse (15 g) wurde in Wasser (135 g) gelöst, wodurch eine 10 Gew.-% Melasse/Wasser-Zufuhrlösung entstand. Um eine Kontamination zu verhindern, wurde die Melasse/Wasser-Lösung 30 Minuten lang bei 121 °C sterilisiert und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine Melasse/Wasser-Lösung (15 ml) wurde bei 20 °C in eine sterile Petrischale mit 9 cm Durchmesser überführt. Eine kreisförmige Scheibe der Pilzkultur mit 6 mm Durchmesser wurde mit der Basis einer sterilen Pipette aus der Agarplatte geschnitten. Das Inokulum wurde in der Mitte des Petri platziert und enthielt 15 ml der Melasse/Wasser-Lösung, bevor es mit Parafilm versiegelt wurde. Von jeder Pilzart wurden mindestens drei Replikate kultiviert. Die versiegelte Petrischale wurde 10 Tage lang in einer kontrollierten Umgebung (Temperatur 25 °C; 8-stündiger Weißlichtzyklus) inkubiert. An den Tagen 4, 7 und 10 wurden gleichzeitig fotografische Bilder der wachsenden Myzelhyphe aufgenommen. Das radiale Wachstum der Hyphe (cm2) wurde mit der ImageJ-Software 1.46r (https://imagej.nih.gov/ij/) geschätzt.

Die verbleibende Melasse und ein bräunlicher, geleeartiger Film, der sich während des Hyphenwachstums bildete, wurden abgewaschen, indem der geerntete Myzelfilm 30 Minuten lang unter fließendem Wasser gespült und anschließend 24 Stunden lang in warmem Wasser (50 °C) eingeweicht wurde. Der Myzelfilm wurde wiederholt mit Wasser gespült, um restliche Zuckerkristalle aus der Melasse-Zufuhrlösung zu entfernen. Der cremefarbene Myzelfilm wurde durch 2-stündiges Trocknen unter Vakuumbeuteldruck (– 1 atm) in einem Ofen bei 120 °C deaktiviert. Der trockene Myzelfilm wurde in einem hermetischen Plastikbeutel aufbewahrt, um die Aufnahme von atmosphärischer Feuchtigkeit zu verhindern. Das Epoxidharz und der Härter wurden gemäß dem vom Hersteller empfohlenen stöchiometrischen Verhältnis gemischt und 24 Stunden lang bei Raumtemperatur aushärten gelassen. Die bei Raumtemperatur ausgehärtete Epoxidmatrix wurde 8 Stunden lang bei 60 °C nachgehärtet und zum Benchmarking der thermischen Stabilität von Myzelien verwendet.

Myzelfilme wurden bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Perkin Elmer (Spectra 100) Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers charakterisiert, das mit einer Linse mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR) ausgestattet war. Die FTIR-ATR wurde verwendet, um funktionelle Gruppen im ursprünglichen Myzel und in der festen Restkohle nach dem thermischen Abbau zu identifizieren. Für jedes FTIR-ATR-Experiment wurden 32 Scans mit einer Auflösung von 4 cm−1 zwischen 650 und 4000 cm−1 aufgenommen und das gemittelte Spektrum aufgezeichnet. Das FTIR-Spektrum wurde grundlinienkorrigiert und die Absorptionspeaks wurden mithilfe der integrierten FTIR-ATR-Software Perkin Elmer Spectrum 10.5.2 zugeordnet. Für jede Pilzart wurden mindestens drei FTIR-Spektren aufgezeichnet.

Der thermisch induzierte Massenverlust und die Echtzeit-FTIR-Analysen der entwickelten Gase wurden mit TGA (Perkin Elmer STA 6000) durchgeführt, das mit dem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (Perkin Elmer Frontier) verbunden war. Die Myzelfilme wurden unmittelbar vor dem TGA-Experiment 3 Stunden lang bei 60 °C konditioniert, um physikalisch adsorbierte Feuchtigkeit zu entfernen. Die Konditionierungstemperatur von 60 °C wurde gewählt, um einen unerwünschten thermischen Abbau niedermolekularer Einheiten auszuschließen. In einem typischen TGA-Experiment wurden Mikropartikel aus Myzel oder nachgehärtetem und zerkleinertem Epoxidharz (~ 12 mg) in einen Aluminiumoxidtiegel gegeben. Die TGA-Ofentemperatur wurde unter fließendem N2-Gas (20 ml/min) mit einer Geschwindigkeit von 30 °C/min zwischen 25 und 850 °C erhöht. Die Transferleitung für entwickeltes Gas, die den TGA mit dem FTIR verbindet, wurde auf 300 °C gehalten und kontinuierlich mit N2-Gas (Durchflussrate 50 ml/min) gespült, um die Kondensation flüchtiger Stoffe zu verhindern. Das FTIR analysierte kontinuierlich die entwickelten Gase im Wellenzahlbereich von 4000 bis 400 cm−1 mit einer Auflösung von 4 cm−1. Die durch die Durchführung des TGA-Experiments mit leerem Probenhalter erhaltene Basiskurve wurde von allen experimentellen Datensätzen abgezogen, um den Auftrieb zu kompensieren. Die restliche Kohleausbeute wurde bei 600 °C gesammelt. Für jede Pilzart wurden mindestens drei Experimente durchgeführt.

Die Mikrostruktur und Morphologie des Myzels (vor und nach dem thermischen Abbau) wurden mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie (FEI Qanta 200) charakterisiert, die mit einem energiedispersiven Röntgenspektrometer (SEM-EDS) ausgestattet war, das von der Aztec-Software betrieben wurde. SEM-Bilder wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV, einer Punktgröße von 5 und einer Vergrößerung von 3000 aufgenommen. Unberührte Myzel- und TGA-Restkohleproben (gesammelt bei 600 °C) wurden mit Iridium unter Verwendung des Sputterbeschichters Leica ACE600 bei Betrieb mit Iridium sputterbeschichtet 8 × 10−3 mbar erreicht eine Schichtdicke von ca. 5 nm. Der radiale Durchmesser des Hyphenfilaments wurde durch Analyse von REM-Bildern mit der ImageJ-Software 1.46r geschätzt.

Fotografische Bilder der lebenden und denaturierten Myzelarten zeigten eine ausgeprägte Oberflächentopographie, wie in Abb. 1 dargestellt. Ganoderma australe zeichnete sich durch eine flache und flauschige Topographie aus, während Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor wellige Oberflächen aufwiesen, die durch radiale Grate und Täler definiert waren (Abb. 1a). . Auf Myzelfilmen wurden winzige haarähnliche Stränge beobachtet, möglicherweise oberflächenaktive und cysteinreiche Proteine ​​(Hydrophobine), die typischerweise von Fadenpilzen produziert werden (Abb. 2). Die Hydrophobinschicht ermöglicht es den Hyphen, die Luft-Medium-Grenzfläche zu durchbrechen, indem sie die Oberflächenspannung verringert oder Staunässe verhindert und gleichzeitig die Durchlässigkeit beibehält, die den Gasaustausch ermöglicht22,23. Das am 10. Tag aufgenommene Bild von Ganoderma australe bedeckte die gesamte Oberfläche der Petrischale, wie in Abb. 1a dargestellt. Im Gegensatz dazu bedeckte der undurchsichtige Hyphenabschnitt der relativ langsam wachsenden Arten Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor 43 % bzw. 7 % der Petrischalenoberfläche.

Wachstum und Morphologie der Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor (a) lebende Pilze am Tag 10 und (b) thermisch deaktivierte Myzelfilme.

Morphologie der Hyphen, die haarähnliche Strähnen an der (a) Vorderkante und (b) der luftexponierten Oberfläche von Pleurotus ostreatus erkennen lässt.

Myzelfilme wurden thermisch deaktiviert, indem sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurden, wie im experimentellen Teil beschrieben. Die Bilder der denaturierten Myzelfilme sind in Abb. 1b dargestellt. Die Oberflächentextur der thermisch deaktivierten Filme variierte zwischen den Pilzarten. Ganoderma australe war weitgehend undurchsichtig und zeichnete sich durch eine raue Oberflächenstruktur aus. Im Gegensatz dazu zeigten die Filme von Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor zwei unterschiedliche konzentrische Regionen; ein undurchsichtiger und rauer Abschnitt in der Nähe der Impfstelle in der geometrischen Mitte des Films sowie ein größerer, durchscheinender und relativ glatterer Randabschnitt, wie in Abb. 1b für Trametes versicolor dargestellt. Pleurotus ostreatus hatte wie Trametes versicolor einen großen durchscheinenden Abschnitt. Die Trockenmasseausbeuten der thermisch deaktivierten Pflanzen waren bei Ganoderma australe am höchsten, gefolgt von Pleurotus ostreatus und dann Trametes versicolor mit einem Gewicht von 168 ± 2, 77 ± 2 bzw. 32 ± 3 mg. Die normalisierten Massenerträge von Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor im Vergleich zu denen von Ganoderma australe betrugen 46 % bzw. 19 %. Es ist zu beachten, dass der Beitrag der durchscheinenden Abschnitte zum Gesamtertrag an Trockenpilzmasse vernachlässigbar war.

Alle drei Pilzarten zeigten ein poröses (offenzelliger Schaum) röhrenförmiges Hyphen-Filament-Netzwerk, das von kontinuierlichen Oberflächenschichten bedeckt ist, wie in Abb. 3 dargestellt. Die glatte Textur der Oberflächenschicht kann auf die Konsolidierung der Hydrophobinschicht während des thermischen Deaktivierungsprozesses zurückzuführen sein. Die Elementaranalyse der drei Myzelarten ergab elementare Variationen zwischen dem faserigen Hyphennetzwerk und der Oberflächenschicht, wobei in ersterer eine höhere Kalziumkonzentration auftrat. Melasse enthält typischerweise erhebliche Mengen an Kalzium in Form von Kalziumoxalat. Während des Pilzwachstums wird Kalzium in Myzelien eingebaut. Die Umwandlung von Calciumoxalat in CaCO3, CO2 und CO hat das Potenzial, die thermische Stabilität von Myzelien zu verbessern28. Die Mikrostruktur des faserigen Hyphennetzwerks variierte zwischen den Myzelarten, wie in Abb. 4 dargestellt. Die Hyphenstränge in Ganoderma australe (Abb. 4a) waren miteinander verschmolzen, dünner, aber dichter gepackt im Vergleich zu denen in Pleurotus ostreatus (Abb. 4b) und Trametes versicolor (Abb. 4c). Jones et al.24 berichteten, dass die Verschmelzung der Hyphenfibrillen von Trametes versicolor etwa 18 Tage Wachstum erforderte. In dieser Studie wurden Trametes versicolor und Pleurotus ostreatus am 10. Tag vor der Hyphenfibrillenfusion geerntet. Ganoderma australe hatte feine faserige Hyphen, die in eine bestimmte Richtung wuchsen. Die REM-Charakterisierung ergab deutliche mikrostrukturelle Unterschiede zwischen den undurchsichtigen und durchscheinenden Abschnitten bei Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor. Pleurotus ostreatus hatte dichte, verdickte Hyphen mit einem zufälligen Wachstumsmuster, während Trametes versicolor kristalline Scherben und zufälliges Wachstum aufwies.

Morphologie (links) und Elementaranalyse (rechts) von unberührten Myzelien – Ganoderma australe (a, b), Pleurotus ostreatus (c, d) und Trametes versicolor (e, f). Die violetten und grünen Farben stehen für Kalzium bzw. Kohlenstoff.

Hyphenmorphologie von unberührtem Myzel (oben) und Restkohle (unten) für Ganoderma australe (a, d), Pleurotus ostreatus (b, e) und Trametes versicolor (c, f).

Die thermisch deaktivierten Myzelfilme wurden mittels FTIR analysiert, um die Beziehung zwischen den mikrostrukturellen Merkmalen der Hyphen und der jeweiligen biochemischen Struktur festzustellen. Bei der FTIR-Spektralanalyse der undurchsichtigen Abschnitte der drei Pilzarten gab es kaum Abweichungen (Abb. 5). Da alle drei Arten aus demselben Basidiomycota-Stamm stammen, bestehen sie aus Chitin, Protein und Kohlenhydraten in Form von Glucan und Polysacchariden29. Die Spezies zeigte eine breite Absorptionsbande mit einem Zentrum bei etwa 3330 cm−1, die der O-H-Streckschwingung in Polysacchariden und/oder der N-H-Streckschwingung der funktionellen Amidgruppe in Proteinen entspricht30. Die breiten und relativ schwachen Absorptionsbanden, die bei etwa 2850 cm–1 und 2900 cm–1 zentriert sind, wurden der CH-Streckung in Chitin, Protein und Kohlenhydraten zugeschrieben. Der Absorptionspeak um 1630 cm−1 wurde der C=O-Streckung (Amid I oder Aminosäuren)31,32,33, der C=C-Streckung (Aminosäuren)31,34 und/oder der N-H-Biegung (Flavonoide)34 zugeordnet . Die Absorptionsbande bei etwa 1545 cm−1, die bei Ganoderma australe und Pleurotus ostreatus deutlich auftrat, wurde der N-H-Biegung (Amid II) oder der C-N-Streckung (Amid II) zugeordnet30,35. Relativ schwache Absorptionsbanden wurden für die drei Spezies bei etwa 1317 cm-1 (Amid III C-N-Streckung32; phenolische O-H-Streckung33), 1150 cm-1 (C-O-Streckung)30, 35, 36 und 1030 cm- aufgezeichnet 1 (Alkohol R-CH2-OH-Biegung; C-O-Biegung)36. Eine schwache IR-aktive Bande bei etwa 760 cm−1 für die Art Trametes versicolor wurde auf Skelettvibrationen zurückgeführt, die mit der anomeren Polysaccharidstruktur in Glucan verbunden sind37.

FTIR-Spektren der unberührten Myzelarten Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor. FTIR-Spektren wurden entlang der Y-Achsen versetzt, aber nicht skaliert.

Insgesamt waren die FTIR-Spektren der drei Pilzarten durch fünf verschiedene Absorptionsbereiche gekennzeichnet: die N-H- und O-H-Streckung (3700–3000 cm−1), die C-H-Streckung (3000–2800 cm−1) und Proteinamide (1750–1500 cm−1), Polysaccharid (Zucker) (1200–950 cm−1) und anomerer Kohlenstoff (900–750 cm−1). Die FTIR-Spektralanalyse bestätigte das Vorhandensein von Chitin, Protein und Kohlenhydraten (dh Glucan und Polysacchariden), die alle über inhärente feuerhemmende Eigenschaften verfügen21,38,39. Die Absorptionspeaks bei 1750–1500 cm−1 (Protein) und 1200–950 cm−1 (Kohlenhydrate) können zur Berechnung des Protein/Kohlenhydrat-Verhältnisses in Myzelien verwendet werden. Das Protein/Kohlenhydrat-Verhältnis kann den thermischen Abbau von Myzel stark beeinflussen, wenn man bedenkt, dass Kohlenstoff und Stickstoff unterschiedliche feuerhemmende Mechanismen haben. Die N-Acetyl-d-glucosamin-Molekülketten in Chitin erzeugen Verdünnungsgase wie NH3, die die Flammenverbrennungsreaktionen unterdrücken40,41. Umgekehrt fördern kohlenstoffreiche Polysaccharide (z. B. Chitin und Glucan) die Bildung einer thermisch schützenden kohlenstoffhaltigen Kohle42. Die intra- und intermolekularen Cysteindisulfidbindungen in der Hydrophobinschicht können bei hohen Temperaturen aufbrechen und verkohlungsfördernde Schwefelwasserstoffmoleküle (H2S) erzeugen22.

Trotz des relativ geringen Beitrags der durchscheinenden Abschnitte zur Gesamtmasseausbeute war die Untersuchung der biochemischen Strukturunterschiede zwischen dem durchscheinenden und undurchsichtigen Hyphenmaterial von entscheidender Bedeutung. Variationen in den biochemischen Strukturen zwischen den undurchsichtigen und durchscheinenden Materialien können ihre thermische Stabilität erheblich beeinflussen. In Abb. 6 sind nur die FTIR-Spektren der undurchsichtigen und durchscheinenden Materialextrakte aus Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor dargestellt, da Ganoderma australe kein durchscheinendes Material enthielt. Die relativ niedrigeren berechneten Verhältnisse der integrierten Fläche unter dem Proteinpeak (1750–1500 cm–1) und dem primären Kohlenhydratpeak (1200–950 cm–1) lassen auf einen verringerten N-Acetyl-d-glucosamin-Gehalt (dh Chitin) im Inneren schließen die durchscheinenden Abschnitte. Der verringerte Gehalt an kohlenstoffreichen Chitinpolysacchariden kann sich nachteilig auf die Bildung von kohlenstoffhaltiger Verkohlung auswirken, was zu relativ geringeren Restverkohlungsausbeuten für das durchscheinende Material führt.

FTIR-Spektren der undurchsichtigen (fest) und durchscheinenden (gestrichelten) Materialextrakte aus unberührten Myzelarten von Pleurotus ostreatus (a) und Trametes versicolor (b).

Es wurde eine thermogravimetrische Analyse durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen den Wachstumsraten der Pilzarten, der biochemischen Zusammensetzung und den thermischen Eigenschaften festzustellen. Der thermogravimetrische Massenverlust (TG) und die abgeleiteten Profile der thermogravimetrischen Massenverlustrate (DTG), die gleichzeitig für die Myzelienarten gemessen wurden, sind in Abb. 7 dargestellt. Im Fall von Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor wurden Testproben sowohl aus der undurchsichtigen als auch der durchscheinenden Probe entnommen Abschnitte zur Untersuchung des Einflusses der Materialzusammensetzung auf die thermische Stabilität. Proben, die aus den undurchsichtigen und durchscheinenden Abschnitten der Arten Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor entnommen wurden, wiesen unterschiedliche thermische Abbauprofile auf. Die thermische Stabilität des undurchsichtigen Materials war derjenigen des durchscheinenden Abschnitts überlegen. Der höhere kohlenstoffreiche Chitingehalt im undurchsichtigen Material, wie aus den FTIR-Spektren hervorgeht (Abb. 6), ist möglicherweise für die überlegene thermische Stabilität verantwortlich.

(a) Thermogravimetrischer Massenverlust und (b) Massenverlustratenprofile der Myzelarten Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor.

Da das undurchsichtige Material in allen Pilzarten vorkam, konzentrierte sich die Diskussion über die thermische Stabilität auf dieses Material. Die TG- und DTG-Profile aller drei Pilzarten zeigten mehrstufige Massenverluste (8–15 %) zwischen 25 und 225 °C vor dem Einsetzen der Hauptstufe des thermischen Abbaus. Da alle Myzelproben unmittelbar vor dem TGA-Experiment drei Stunden lang bei 60 °C konditioniert wurden, konnte der atypische frühe Massenverlust nicht auf die Desorption von physikalisch adsorbiertem Wasser zurückgeführt werden. Stattdessen wurde der Massenverlust bei niedrigen Temperaturen auf den thermischen Abbau und die Verflüchtigung der Hydrophobinschicht mit niedrigem Molekulargewicht (< 20 kDa) zurückgeführt22. Auf die anfängliche thermische Abbaustufe (25–225 °C) folgte die thermische Hauptabbaustufe (225–450 °C), in der alle Myzelarten Massenverluste zwischen 35 und 45 % verzeichneten. Der Massenverlust zwischen 225 und 450 °C wurde auf die thermische Zersetzung der Pilzzellwand zurückgeführt, die aus Chitin, Aminosäuren, Kohlenhydraten einschließlich Polysacchariden und Glucan besteht. Im Vergleich zu Ganoderma australe hatten die Arten Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor eine höhere thermische Stabilität, möglicherweise aufgrund ihres höheren Chitingehalts, der sich aus der starken N-Acetyl-d-Glucosamin-induzierten FTIR-Absorptionsbande bei 1750–1500 cm−1 ergibt. Chitin ist eine reichhaltige Quelle für elementaren Kohlenstoff, der für die Kohlebildung notwendig ist. Erhebliche Massenverluste (6–14 %) zwischen 400 und 650 °C wurden für alle drei Myzelarten registriert und auf die Bildung einer primären kohlenstoffhaltigen Kohle zurückgeführt. Die Primärkohle war bis knapp unter 800 °C stabil. Über 800 °C hinaus verursachte die fortgesetzte thermische Einwirkung weitere Massenverluste (z. B. 7–14 %) und erzeugte sekundäre kohlenstoffhaltige Kohle. Die sekundäre kohlenstoffhaltige Kohle ist ein Produkt der Vernetzung in der primären Kohle, um bei hohen Temperaturen ein konsolidiertes 3D-Netzwerk zu bilden. Pleurotus ostreatus hatte bei 850 °C den höchsten sekundären Restkohlenertrag (30 %), gefolgt von Trametes versicolor (22 %) und Ganoderma australe mit dem niedrigsten Ertrag (20 %) (Abb. 7a). Bemerkenswert ist, dass die am schnellsten wachsende Ganoderma australe-Art die thermisch am wenigsten stabile Pilzart war. Andererseits wuchs die thermisch stabilste Trametes versicolor-Art am langsamsten. Diese Beobachtungen legen einen umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Massenausbeuten und thermischer Stabilität nahe. Verlangsamte Pilzwachstumsraten geben möglicherweise Zeit für die Etablierung von Chitin, was wiederum die Verkohlungsbildung fördert. Sowohl die Wachstumsraten als auch die thermischen Eigenschaften sind entscheidend für die Auswahl der Pilzarten für die Hochdurchsatzproduktion biobasierter Flammschutzmittel.

Während es einige Variationen in den Massenverlust-Temperaturprofilen der Myzelarten gibt (Abb. 7a), deuten der Massenverlust und die Massenverlustraten insgesamt auf vergleichbare thermische Abbaumechanismen und thermische Stabilität hin. Um die Mechanismen zu ermitteln, die den thermischen Abbau steuern, wurde ein Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer mit TGA-Schnittstelle verwendet, um die entwickelten Gase in Echtzeit zu analysieren. Da die FTIR-Spektren des entwickelten Gases zwischen den drei Pilzarten ähnlich waren, werden nur die für Ganoderma australe gesammelten TGA-FTIR-Daten diskutiert. Die FTIR-Spektren der aus Ganoderma australe entwickelten Gase bei ausgewählten Zersetzungstemperaturen von 150, 300, 350, 400 und 600 °C sind in Abb. 8a dargestellt. Das bei 150 °C aufgenommene FTIR-Spektrum zeigte die Freisetzung von CO2, die möglicherweise auf die thermische Oxidation von Hydrophobinen mit niedrigem Molekulargewicht zurückzuführen ist. Das FTIR-Spektrum der Gase, die sich zu Beginn der Hauptzersetzungsphase bei etwa 300 °C entwickelten, zeigte das Vorhandensein von H2O, möglicherweise niedermolekularen Kohlenwasserstoffen wie CH4, geringen Mengen CO2 und NH3. Die Intensitäten der IR-Banden, die CO2, H2O, NH3 und den Kohlenwasserstoffen mit niedrigem Molekulargewicht entsprechen, erreichten ihren Höhepunkt bei der Zersetzungstemperatur von 350 °C (z. B. am Ende der signifikanten thermischen Zersetzungsstufe). Oberhalb von 350 °C nahmen die FTIR-Intensitäten mit steigenden Temperaturen ab, wie aus einem nahezu flachen Spektrum für Gase hervorgeht, die bei 600 °C entstehen. Die FTIR-Spektren der Gase, die bei der thermischen Zersetzungstemperatur von 350 °C für alle drei Spezies entstehen, sind in Abb. 8B dargestellt. Es gab Unterschiede in der Intensität, aber keinen Unterschied in der Zusammensetzung des entwickelten Gases zwischen den drei Pilzarten. Die in den FTIR-Spektren der drei Myzelarten identifizierten Verdünnungsgase (dh CO2, H2O und NH3) sind entscheidend für die Dämpfung der Flammenverbrennungsreaktionen. Sie können die Brandbekämpfung fördern, wenn Myzel in leicht entflammbare Materialien wie Olefinpolymere integriert wird.

FTIR-Spektren von (a) Gasen, die sich bei verschiedenen thermischen Zersetzungstemperaturen (150, 300, 350, 400 und 600 °C) für Ganoderma australe entwickelten, und (b) Gasen, die sich von allen drei Pilzarten bei 350 °C entwickelten. FTIR-Spektren wurden entlang der Y-Achsen versetzt, aber nicht skaliert.

Die bei 600 °C gesammelte Restkohle wurde mithilfe von SEM und FTIR charakterisiert, um die Mechanismen des thermischen Abbaus aufzuklären. Die in Abb. 4 gezeigten REM-Bilder nach der thermischen Belichtung von Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor zeigten erkennbare Mikrostrukturschwankungen der unberührten Proben. Ganoderma australe behielt trotz der Verringerung der Querschnittsfläche der Hyphenstränge seine verschmolzene und miteinander verbundene Hyphen-Mikrostruktur bei (Abb. 4d). Bei Pleurotus ostreatus (Abb. 4e) und Trametes versicolor (Abb. 4f) behielten die Pilzarten das 3D-Hyphennetzwerk bei, obwohl der Hyphenquerschnitt aufgrund des thermisch bedingten Materialverlusts deutlich reduziert war. Das äußerst thermisch stabile Chitin in den Zellwänden des Myzels unterstützte weiterhin das dreidimensionale Fasernetzwerk trotz der Verringerung des Durchmessers der Hyphenfilamente24. Diese Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen von Jones et al.24 für mit Weizen gefütterte Trametes versicolor überein, die ähnlichen thermischen Abbaubedingungen ausgesetzt waren. Trotz einiger Schwankungen in der Mikrostruktur nach der thermischen Einwirkung waren die restlichen Kohleausbeuten bei den drei verschiedenen Pilzarten ähnlich. Dies deutet darauf hin, dass die mikrostrukturellen Eigenschaften der ursprünglichen Myzelien nur begrenzte Auswirkungen auf deren thermische Zersetzungsmechanismen haben. Dies wird durch die Ergebnisse von Jones et al.24 gestützt, in denen sie zeigten, dass die wachstumszeitabhängigen Mikrostrukturschwankungen in der mit Weizen gefütterten Trametes versicolor die mit dem Kegelkalorimeter bewerteten Brandreaktionseigenschaften nicht veränderten.

FTIR-Spektren der Kohlerückstände, die aus den undurchsichtigen Myzelproben bei 600 °C gewonnen wurden (d. h. primäre Kohle), sind in Abb. 9 dargestellt. Alle Myzelarten zeigten die folgenden Absorptionsbanden; Starke und scharfe Peaks zentriert bei ~ 1400 cm−1 (C–H-Biegung)43 und ~ 870 cm−1 (C–H-Biegung des Furanoserings)44, ein schwacher breiter Peak zentriert bei ~ 1030 cm−1 (C–O– C-Streckung)33, 950–750 cm−1 (Glycosidbindungen in Glucan)33,43 und ein schwacher, aber scharfer Peak bei ~ 710 cm−1 (C-H-Biegung)43. Der Furanosering kann auf die Ringkettentautomerie von Pyranose aufgrund der Einwirkung hoher Temperaturen zurückgeführt werden. Es gab keine deutlichen Unterschiede in den bei Raumtemperatur gemessenen FTIR-Spektren der gewonnenen Kohle der drei Arten; Dies untermauert die Feststellung weiter, dass mikrostrukturelle Variationen nur einen sehr geringen Einfluss auf die thermischen Abbauwege und Zersetzungsprodukte, einschließlich der Restkohle, haben.

FTIR-Spektren von Restkohle, gesammelt von den Myzelarten Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor bei 600 °C. FTIR-Spektren sind entlang der Y-Achsen versetzt, aber nicht skaliert.

Bevor Myzelien als Brandschutzmittel in technische Verbundwerkstoffe integriert werden können, ist es wichtig zu verstehen, wie sich dieses neuartige Biomaterial im Vergleich zu herkömmlichen Verbundmatrizen wie Epoxidharzen schlägt. In dieser Arbeit wurde die produktivste Myzelart, Ganoderma australe, mit einem Epoxidpolymer verglichen. Die Massenverlust- und Massendifferenzprofile von Ganoderma australe und Epoxidpolymer sind in Abb. 10 gegen die Temperatur aufgetragen. Das Epoxidpolymer folgte einem zweistufigen thermischen Abbauweg; ein Massenverlust von 10 % zwischen 100 und 250 °C, gefolgt von einem Massenverlust von etwa 80 % zwischen 300 und 500 °C (Abb. 10a). Die erste Stufe des thermischen Massenverlusts wurde auf die Desorption physikalisch adsorbierter Feuchtigkeit und unter vernetzter Polymereinheiten zurückgeführt. Der prominentere zweite Schritt wurde der thermischen Zersetzung der Epoxidpolymerketten zugeschrieben. Bei 250 °C hatte Ganoderma australe im Vergleich zum Epoxidpolymer 4–5 % mehr Material verloren. Bei Temperaturen unter 405 °C war die thermische Stabilität des Epoxidpolymers der von Ganoderma australe überlegen. Das Gleiche galt für Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor, die beide ähnliche thermische Abbauprofile wie Ganoderma australe aufwiesen. Bei Temperaturen über 405 °C waren Ganoderma australe und damit auch Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor thermisch stabiler als das Epoxidpolymer. Die Pilzart erzeugte bei 600 °C deutlich höhere primäre Restkohleausbeuten (> 30 %), verglichen mit etwa 10 % für das Epoxidpolymer.

(a) Thermogravimetrischer Massenverlust für Ganoderma australe und Epoxy und (b) Massendifferenzprofile (Garnoderma australe minus Epoxy), aufgetragen gegen die Temperatur (Verlust in Rot und Gewinn in Grün).

Der Unterschied in der thermischen Stabilität zwischen Ganoderma australe und dem Epoxidpolymer wird deutlicher in den Massendifferenzdaten (MassGanoderma australe − Massepoxy), die in Abb. 10b gegen die Temperatur aufgetragen sind. Bei Temperaturen unter 405 °C war das Epoxidpolymer thermisch stabiler als Ganoderma australe, wie aus den negativen Massenunterschieden hervorgeht. Oberhalb von 405 °C war Ganoderma australe dem Epoxidpolymer überlegen, wie aus den positiven berechneten Massenunterschieden hervorgeht. Die integrierte Fläche unter dem Massendifferenz-Temperatur-Profil für Temperaturen zwischen 405 und 785 °C (grüner Farbton) war mehr als doppelt so groß wie der entsprechende Wert, der für Temperaturen zwischen 25 und 405 °C (roter Farbton) berechnet wurde. Bemerkenswert ist, dass der integrierte Temperaturbereich links und rechts des Übergangs (405 °C) derselbe war, was auf eine insgesamt bessere thermische Stabilität von Ganoderma australe im Vergleich zum Epoxidpolymer schließen lässt. Die erhöhte thermische Stabilität der Myzelpilzart bei relativ hohen Temperaturen, möglicherweise aufgrund der Anwesenheit von Chitin und verkohlungsfördernden Calciumderivaten, eröffnet einen Weg für die Entwicklung biologischer Wärmeschutzoberflächenmaterialien für feuergefährdete Polymerverbundwerkstoffe. Bei Einwirkung hoher Strahlungswärmeströme kann die Temperatur an der exponierten Oberfläche eines Polymerverbundwerkstoffs innerhalb von Sekunden auf über 400 °C ansteigen. Der thermische Abbau der Myzel-Schutzschicht beginnt bei Temperaturen unter 100 °C. Wenn sich der Myzel-Oberflächenschutzfilm zersetzt, entsteht eine verfestigte Oberflächenkohle, die dazu dient, den darunter liegenden, frischen, aber brennbaren Polymerverbund thermisch zu isolieren.

Es gibt nur sehr wenige Studien, die den Einfluss von Melasse oder ähnlichen Flüssigphasenfuttermitteln auf die Wachstumsrate, die Erträge sowie die thermische Stabilität der resultierenden Myzelien untersucht haben. Wenn festes Futtermaterial zum Züchten von Myzel verwendet wird, kann das teilweise verdaute restliche Futtermaterial nicht vom endgültigen Biokomposit getrennt werden. Das restliche feste Futtermaterial kann die mechanischen und Brandeigenschaften des Myzel-Biokomposits negativ beeinflussen. Daher war es wichtig, die Unterschiede in der thermischen Stabilität zwischen Myzelarten zu untersuchen, die unabhängig voneinander in festen Weizenkörnern und Melasse gezüchtet wurden. Die thermischen Eigenschaften der mit Melasse gefütterten Trametes versicolor wurden von Jones et al.24 mit denen der gleichen Art verglichen, die in festen Weizenkörnern gezüchtet wurden, wie in Abb. 11 dargestellt. Bei Temperaturen unter 250 °C waren die mit Melasse gefütterten Pilze schlechter zum Weizenexemplar. Bei Temperaturen über 250 °C waren die mit Melasse gefütterten Pilzproben jedoch thermisch stabiler. Wie Weizenkorn kann Melasse das Wachstum von Myzelpilzen unterstützen und Biomaterialien mit vergleichbarer, wenn nicht sogar überlegener thermischer Stabilität produzieren, insbesondere im Hochtemperaturbereich (> 250 °C). Während Weizenkornpartikel untrennbar mit Myzelhyphen verbunden werden, kann überschüssige Melasse abgewaschen werden. Jones et al.24 zeigten, dass die thermische Stabilität von Weizenkörnern schlechter ist als die von Trametes versicolor. Daher kann das Vorhandensein der weniger thermisch stabilen Weizenkornpartikel24 die Brandschutzwirksamkeit sowie die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Myzelverbunds verringern. Darüber hinaus bestätigte diese Studie, dass die gewonnene Melasselösung das Wachstum von frischem Inokulum unterstützen könnte, wenn auch mit leicht verringerten Wachstumsraten. Im Gegensatz dazu ist es nicht möglich, restliches festes Futtermaterial zurückzugewinnen, um die zukünftige Myzelienkultivierung zu unterstützen.

Massenverlust-Temperaturprofile von mit Trametes versicolor gefütterter Melasse [diese Arbeit] und Weizenkorn24.

Für Anwendungen im industriellen Maßstab können große Myzelfilme, die in flachen, mit Melasse gefüllten Schalen wachsen, als thermische Schutzoberflächenschichten auf feuergefährdeten brennbaren Materialien und Verbundwerkstoffen integriert werden. Myzelfilme können als Opfermaterial fungieren und sich thermisch zersetzen, um auf der dem Feuer ausgesetzten Oberfläche sekundäre kohlenstoffhaltige Kohle zu erzeugen. Die erzeugte Oberflächenkohle kann die Wärmeübertragung auf das darunter liegende brennbare Substrat verlangsamen und gleichzeitig verhindern, dass brennbare flüchtige Stoffe in die Flammenverbrennungszone entweichen. Alternativ kann Myzelbiomasse zu Mikropartikeln pulverisiert werden, die dann in die Polymermatrix eingemischt werden. Obwohl die Integration von FRs in Mikrogröße in Polymere gut etabliert ist, ist sie bemerkenswert; dass die Zugabe von Myzelpulver oder Mikrofasern zum Polymer die Viskosität erhöhen kann, was zu Problemen bei der Materialverarbeitung führt. Dennoch haben wir in dieser Arbeit gezeigt, dass Melasse ein brauchbares Futtermittel für die Kultivierung dünner Myzelfilme mit vielversprechender thermischer Stabilität und möglicherweise feuerhemmenden Eigenschaften ist. Darüber hinaus sollte sich die Forschung auf die Entwicklung von Methoden zur Integration von Myzelfilmen in industrielle Herstellungsprozesse für feuerhemmende Produkte konzentrieren.

Es wird über eine umweltfreundliche Methode zum Upcycling minderwertiger Zuckerverarbeitungsnebenprodukte (Melasse) in feuerhemmende Myzelien berichtet. Diese Forschung zeigte, dass flüssige Melasse das Wachstum nicht pathogener Basidiomycota-Phylum-Myzelienarten (Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor) unterstützt. Ganoderma australe wuchs am schnellsten, bildete einen undurchsichtigen Myzelfilm und hatte den höchsten Massenertrag. Pleurotus ostreatus und Trametes versicolor hatten geringere Massenerträge und produzierten Myzelfilme mit undurchsichtigen und durchscheinenden Abschnitten. Trotz der Unterschiede in der Morphologie und den mikrostrukturellen Eigenschaften waren die biochemischen Zusammensetzungen der untersuchten Pilzarten vergleichbar. Diese Studie stellte den Zusammenhang zwischen Myzelwachstumsraten, Mikrostrukturen, biochemischen Zusammensetzungen und thermischen Eigenschaften fest.

Die Pilzart mit der höchsten Wachstumsrate, Ganoderma australe, war die thermisch am wenigsten stabile aller drei Arten. Die unterschiedlichen Wachstumsraten und unterschiedlichen mikrostrukturellen Merkmale beeinflussten die thermischen Abbauprofile (Massenverlust gegenüber Temperatur) der drei Arten in begrenztem Maße. Ähnliche FTIR-Spektren der entwickelten Gase und der restlichen Primärkohle deuteten auf vergleichbare thermische Abbaumechanismen für die drei Pilzarten hin. Die thermische Stabilität von Myzelien wird möglicherweise durch den Chitingehalt gesteuert, dessen Ausbeute möglicherweise durch die Wachstumsrate des Pilzes bestimmt wird. Das mit Melasse gefütterte Myzel erzeugte mehr Oberflächenkohle als das erdölbasierte Epoxidpolymer, was auf eine mögliche Verwendung des aus Pilzen gewonnenen Biokomposits als Wärmeschutzfilm schließen lässt. Die thermische Stabilität der in Melasse gezüchteten Trametes versicolor-Arten war der der mit Weizen gefütterten Art überlegen. Diese Studie zeigte die Machbarkeit der Herstellung von Pilzbiomaterialien mit überlegenen Fähigkeiten zur Verkohlungsbildung im Vergleich zu kommerziellen Polymeren wie Epoxidharz. Die in diesem Papier berichteten Erkenntnisse werden den Weg für die Entwicklung neuer nachhaltiger und feuerhemmender Biomaterialien ebnen.

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Diese Arbeit wurde durch Forschungsmittel des ARC Training Center in Fire Retardant Materials and Safety Technologies (IC170100032) unterstützt.

Luft- und Raumfahrttechnik und Luftfahrt, School of Engineering, RMIT University, Bundoora, VIC, 3083, Australien

Nattanan Chulikavit, Akbar Khatibi, Adrian Mouritz und Everson Kandare

Biotechnologie und Lebensmittelwissenschaften, School of Science, RMIT University, Bundoora, VIC, 3083, Australien

Tien Huynh

RMIT Microscopy and Microanalysis Facility, RMIT University, Melbourne, VIC, 3001, Australien

Chaitali Dekiwadia

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EK und NC konzipierten das Forschungskonzept. NC führte alle Forschungsaktivitäten durch, einschließlich der Kultivierung und Konditionierung von Pilzen, der Herstellung von Epoxidpolymeren, der FTIR- und TGA-FTIR-Analyse sowie der Rasterelektronenmikroskopie (Morphologie und Elementaranalyse). CD hat einige der rasterelektronenmikroskopischen Bilder aufgenommen. EK und TH stellten technische Anleitung für alle Forschungsaktivitäten zur Verfügung. EK und CN haben den ursprünglichen Manuskriptentwurf verfasst und alle anderen Autoren haben das Manuskript überprüft und bearbeitet. AM und EK haben Fördermittel eingeworben. AK, AM, EK und TH betreuten das Forschungsprojekt.

Korrespondenz mit Everson Kandare.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chulikavit, N., Huynh, T., Dekiwadia, C. et al. Einfluss von Wachstumsraten, mikrostrukturellen Eigenschaften und biochemischer Zusammensetzung auf die thermische Stabilität von Myzelpilzen. Sci Rep 12, 15105 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19458-0

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Eingegangen: 24. Dezember 2021

Angenommen: 30. August 2022

Veröffentlicht: 06. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19458-0

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