《Materials Today Communications》：Enhancing the mechanical performance of mycelium-based biocomposites through hemicellulosic bio-additive incorporation
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本研究旨在探讨通过自水解（autohydrolysis）从葡萄修剪残余物（VPR）中获得的半纤维素水解液作为生物添加剂，对利用Pycnoporus sanguineus生产的菌丝体基复合材料（MBCs）性能的改善潜力。VPR主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
本研究旨在探讨通过自水解（autohydrolysis）从葡萄修剪残余物（VPR）中获得的半纤维素水解液作为生物添加剂，对利用Pycnoporus sanguineus生产的菌丝体基复合材料（MBCs）性能的改善潜力。VPR主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。与传统侧重于配方或生长后致密化的方法不同，该策略研究在真菌生长过程中加入生物添加剂是否能够影响复合材料的形成及其物理和力学性能。同时评估了复合材料在土壤埋藏条件下的降解行为。该方法是探索富含半纤维素液体流互补价值化途径的一种尝试，同时有助于开发具有改善功能性能的菌丝体基材料。
本研究针对不可降解石油基聚合物（如发泡聚苯乙烯EPS）带来的环境问题，探索以农业副产物葡萄修剪残余物（VPR）为原料，通过自水解（autohydrolysis）制备富含半纤维素的生物添加剂，并将其用于改善菌丝体基复合材料（MBCs）的力学性能。研究人员首先筛选了九株真菌在VPR基质上的定殖能力，选定Pycnoporus sanguineus用于复合材料生产；随后对VPR自水解产物的化学组成进行了表征，并在培养第7天和第14天将水解液作为生物添加剂加入培养体系，系统评价了复合材料的微观结构、物理性能、压缩与弯曲力学性能以及初步土壤埋藏降解行为。研究结果表明，添加半纤维素生物添加剂（WB）的复合材料虽然密度和含水率与对照组（WTB）无显著差异，但弯曲峰值应力（81–91 kPa vs. 50–63 kPa）和韧性（32.6–49.3 kJ·m?3 vs. 12.3–14.5 kJ·m?3）显著提高，柔性有所降低；压缩强度略有提升（420 ± 12 kPa vs. 386 ± 46 kPa）但差异不显著；土壤埋藏45天后WB质量损失（19.0 ± 4.2%）显著低于WTB（26.0 ± 4.2%）。该研究的意义在于提出了一种在真菌生长阶段引入半纤维素衍生生物添加剂以调控MBC性能的互补策略，同时实现了VPR农业残余物的价值化利用，为开发性能改善的生物基包装材料提供了基础。
在技术方法方面，研究人员采用Retsch切割磨（SM 2000，2 mm筛）对VPR进行粉碎和粒度分析；使用九株真菌在VPR与麦麸（4:1，w/w）基质上进行筛选，通过体视显微镜观察菌丝渗透情况；采用2.0 L不锈钢反应器在200 °C、30 min、150 rpm条件下进行自水解制备半纤维素水解液；利用HPLC（Shimadzu LC-2060C，Aminex HPX-87H柱）定量分析水解液中单糖、寡糖、乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛（HMF）；在聚丙烯过滤袋中于30 °C黑暗条件下培养28–40天生产复合材料；采用扫描电子显微镜（SEM，Hitachi FlexSEM 1000 II）观察微观结构；按照ISO和ASTM标准测定密度、含水率、吸水率和体积膨胀率；使用TA.XTplus质构仪进行压缩和三点弯曲测试；通过45天土壤埋藏实验初步评估质量损失。VPR原料由葡萄牙北部本地生产商提供。
研究结果如下：
3.1 真菌生长筛选与菌株选择：通过对九株真菌在VPR基质上的体视显微镜观察，评价菌丝渗透、颗粒黏附和网络密度，发现Pycnoporus sanguineus表现出最广泛和均匀的菌丝渗透，故选定其用于后续复合材料生产。
3.2 半纤维素生物添加剂的化学表征：VPR自水解产物pH为3.74，总固形物15.98 g/L，含木寡糖3.82 g/L、葡萄寡糖4.38 g/L、乙酰基2.00 g/L、木糖3.57 g/L、葡萄糖2.69 g/L、乙酸5.90 g/L、HMF 1.62 g/L、糠醛4.02 g/L，总酚含量1.93 g GAE/L。水解液含可发酵糖类和潜在抑制性化合物，但在所测试条件下未对P. sanguineus生长产生明显负面影响。
3.3 微观结构分析与结构-性能关系：SEM显示WB复合材料菌丝网络更连续、菌丝间互连更广泛，而WTB结构更开放、菌丝分布不连续。但WB和WTB干密度（195 ± 33 vs. 185 ± 11 kg·m?3）和含水率（9.63 ± 0.69% vs. 9.9 ± 1.09%）无显著差异（p > 0.05），表明生物添加剂的影响主要体现在局部微观组织而非整体物理性能。
3.4 吸水性与体积膨胀：双因素重复测量方差分析显示浸泡时间（p = 0.0005）、复合材料类型（p < 0.0001）及其交互作用（p = 0.0008）对吸水率有显著影响。WB在1 h（199% vs. 286%，p = 0.0178）和2 h（p = 0.0196）吸水率显著低于WTB，但96 h后差异不显著（305% vs. 443%，p = 0.1418）。EPS吸水率显著低于两种MBC。体积膨胀方面，WB和WTB均约27%，无显著差异，EPS为0%。
3.5 半纤维素生物添加剂对压缩性能的影响：WB平均坚硬度（420 ± 12 kPa）高于WTB（386 ± 46 kPa），但差异不显著（p = 0.085）。该差异可能与SEM观察到的局部微观结构组织有关，而非整体致密化。
3.6 半纤维素生物添加剂对弯曲性能的影响：WB弯曲峰值应力（81–91 kPa）显著高于WTB（50–63 kPa）和EPS（49 kPa）（p < 0.05）；WB柔性（27–31%）显著低于WTB（45–47%）（p < 0.05）；WB韧性（32.6–49.3 kJ·m?3）显著高于WTB（12.3–14.5 kJ·m?3）和EPS（17.1 kJ·m?3）（p < 0.05）。结果表明生物添加剂在弯曲载荷下增强效果更为显著。
3.7 初步土壤埋藏降解评估：45天土壤埋藏后，WTB质量损失最高（26.0 ± 4.2%），伴随表面劣化和微裂纹；WB质量损失显著较低（19.0 ± 4.2%，p < 0.05），结构完整性更好；EPS无可检测质量损失。
3.8 MBC与EPS对比评估：WB和WTB的密度和压缩性能与文献报道的MBC范围相当，但密度和吸水率显著高于EPS，突出了其在包装应用中的局限性。
讨论部分指出，半纤维素生物添加剂中的可溶性糖和寡糖可能在真菌指数生长期提供补充碳源，促进菌丝网络发育和颗粒间桥接，从而改善弯曲性能。然而，由于水解液含多种可溶性组分，本研究无法确定单个组分或化合物类别的贡献。生物添加剂在培养第7天加入时真菌已建立活跃定殖，且实际暴露浓度受稀释、吸附和生物转化等因素影响，可能低于原始水解液中的浓度。SEM观察为定性性质，需谨慎解读。WB在土壤埋藏中较低的质量损失可能反映生物添加剂在培养期间被部分代谢以及基质组织差异的综合效应，但相关机制仍为假设，需进一步定量表征。研究结论翻译如下：本研究证明了利用葡萄修剪残余物自水解获得的半纤维素生物添加剂改善MBC性能的潜力。可溶性糖和寡糖的存在可能改变真菌定殖期间的营养环境，潜在影响菌丝发育和木质纤维素基质的固结。尽管未观察到密度的统计学显著差异，含生物添加剂的复合材料表现出更高的弯曲峰值应力和韧性，同时柔性降低。相比之下，坚硬度仅从对照组的386 ± 46 kPa略微增加至含生物添加剂复合材料的420 ± 12 kPa，无统计学显著差异（p = 0.085）。这些发现表明生物添加剂的影响在弯曲载荷下比在压缩下更为显著。力学性能差异连同SEM观察到的菌丝网络组织定性变化表明，生物添加剂可能超越其作为补充碳源的潜在作用而影响复合材料形成。然而，潜在机制尚不明确，需进一步研究以确定这些效应是否与真菌发育、基质组织或菌丝与木质纤维素基质间相互作用的变化有关。此外，复合材料在初步土壤埋藏测试中表现出可测量的质量损失，表明其在所评估条件下具有降解敏感性。尽管如此，仍需标准化生物降解评估以确定生物降解程度并确认其环境生物降解性。未来研究应优先改善耐湿性，通过生物基表面涂层或引入疏水性添加剂等策略；生长后压制或其他致密化技术可改变孔结构并改善基质内聚性，潜在将局部微观结构差异转化为更显著的整体物理和力学性能变化。此外，使用化学表征的水解液或分离组分进行研究有助于阐明特定可溶性化合物对复合材料形成和力学性能的贡献。同时，菌丝网络组织和孔结构的定量表征将为理解微观结构与力学行为之间的关系提供更强基础。总体而言，本研究突出了半纤维素衍生生物添加剂作为调控MBC力学性能并促进葡萄修剪残余物综合价值化策略的潜力。尽管仍需进一步优化，特别是在耐湿性和结构-性能关系理解方面，但研究结果为开发具有改善性能的生物基包装及相关应用材料提供了基础。
