Influence des taux de croissance, des propriétés microstructurales et de la composition biochimique sur la stabilité thermique des champignons mycéliens

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15105 (2022) Citer cet article

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Les espèces fongiques de mycélium présentent des caractéristiques ignifuges. L'influence des milieux de croissance sur les taux de croissance fongique, la composition biochimique et les caractéristiques microstructurales et leur relation avec les propriétés thermiques est mal comprise. Dans cet article, nous démontrons que la mélasse peut favoriser la croissance d'espèces fongiques non pathogènes du phylum Basidiomycota produisant des matériaux biodérivés présentant des caractéristiques potentielles de retardement du feu. La microscopie électronique à balayage et la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont été utilisées pour interroger les propriétés microstructurales et biochimiques des espèces de mycélium cultivées dans la mélasse. La décomposition thermique des mycéliums nourris à la mélasse a été évaluée via une analyse thermogravimétrique interfacée avec FTIR pour l'analyse des gaz dégagés en temps réel. Les caractéristiques morphologiques et microstructurales de l'exposition post-thermique au charbon résiduel ont également été évaluées. La caractérisation des matériaux a permis d'établir une relation entre les propriétés microstructurales, biochimiques et thermiques des mycéliums nourris à la mélasse. Cet article présente une exploration complète des mécanismes régissant la dégradation thermique de trois espèces mycéliennes cultivées dans la mélasse. Ces résultats de recherche font progresser la connaissance des paramètres critiques contrôlant les taux de croissance et les rendements fongiques ainsi que la façon dont les propriétés microstructurales et biochimiques influencent la réponse thermique du mycélium.

L'utilisation de composites polymères structurellement efficaces dans les véhicules de transport de passagers et les habitations est limitée par des codes de prévention des incendies stricts (par exemple, la combustibilité des matériaux et les propriétés d'inflammabilité)1. Les composites polymères s'enflamment et brûlent avec une combustion enflammée soutenue lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées et à des environnements oxydants2. Les composites polymères brûlants génèrent de la chaleur qui peut compromettre l'intégrité des structures d'ingénierie par le ramollissement de la matrice, la décomposition de la matrice, la fissuration par délaminage et l'endommagement des fibres3. De plus, la combustion des polymères produit des gaz et des fumées toxiques tels que le monoxyde de carbone et des hydrocarbures partiellement décomposés (c'est-à-dire la suie de carbone) qui sont responsables de la plupart des décès liés aux incendies4. L'incendie de la tour Grenfell en 2017, attribué à l'utilisation de panneaux de revêtement en composite d'aluminium incorporant du polyéthylène qui ne répondaient pas aux normes de sécurité incendie, a fait 72 morts, principalement par inhalation de fumée5. De même, une fumée dense, toxique et irritante provenant de la combustion des matériaux de la cabine a causé 48 des 55 décès lors de la catastrophe de l'aéroport de Manchester en 1985 au cours de laquelle l'avion britannique Airtours Flight 28 M a pris feu en raison d'une panne de moteur au décollage6. L'incendie de la tour Grenfell et la catastrophe de l'aéroport de Manchester ne sont que deux exemples de nombreuses tragédies d'incendie mettant en évidence l'importance de comprendre les propriétés de réaction au feu des polymères.

L'intégration de retardateurs de feu (RF) dans les composites polymères atténue efficacement les réactions de combustion enflammées et réduit le volume de gaz et de fumées toxiques7,8. Il existe plusieurs méthodes d'intégration des FR dans les composites polymères, notamment la modification de la matrice polymère à l'aide de particules FR de taille nano et micro9, l'application de revêtements de surface protecteurs thermiques10 et l'utilisation de polymères intrinsèquement ignifuges tels que les résines phénoliques11. Pendant de nombreuses années, les composés halogénés ont été les FR de choix pour la plupart des systèmes de polymères en raison de leurs mécanismes ignifuges en phase gazeuse très efficaces8,12. Malheureusement, les ignifugeants halogénés libèrent des gaz corrosifs et appauvrissant la couche d'ozone, limitant leur utilisation ou entraînant leur élimination dans certaines juridictions12,13. La course au remplacement des RF halogénés a jusqu'à présent été dominée par les composés organiques et inorganiques contenant du phosphore et de l'azote, notamment le polyphosphate d'ammonium14, le phosphate de mélamine15, le pentaérythritol16, les composés intumescents17, les nanomatériaux à base de carbone (c'est-à-dire les NTC, le graphène)18, les sels métalliques19 et les hydroxydes métalliques20. Bien que les RF sans halogène soient efficaces, leur adoption généralisée est mise à l'épreuve par des processus de fabrication peu respectueux de l'environnement, la santé et la sécurité au travail liées au traitement et à la manipulation de matières dangereuses (c'est-à-dire des nanomatériaux à base de carbone) et d'éventuels dommages environnementaux dus à la lixiviation des métaux lourds. En revanche, les FR biodérivés tels que le mycélium présentent un potentiel de FR sans danger pour l'environnement qui répondent à la fois aux exigences de retardement du feu et de fabrication durable. Cependant, l'efficacité ignifuge du mycélium et les mécanismes ignifuges correspondants ne sont pas encore entièrement compris pour informer en toute confiance une application à grande échelle. Lors de la culture du mycélium, il est essentiel qu'un environnement stérile soit maintenu pour éviter la contamination par d'autres espèces pathogènes. Maintenir un environnement de croissance stérile à l'échelle industrielle peut être difficile. En outre, l'assurance qualité des produits sera mise à l'épreuve par la variabilité des lots en raison des différents schémas de croissance.

Le mycélium est la partie végétative des champignons caractérisée par des hyphes filiformes. Il peut être transformé à partir de déchets organiques d'une manière écologiquement durable (par exemple, produit dans des conditions ambiantes sans besoin de chaleur) pour créer des biomatériaux biodégradables et naturellement résistants au feu. En raison de la présence de chitine, de protéines et de glucane dans ses parois cellulaires, le mycélium est intrinsèquement résistant au feu et possède une excellente stabilité thermique. Les chaînes de polymère de chitine contiennent de la N-acétyl glucosamine, une source d'azote essentielle pour générer du gaz NH3 qui agit comme un diluant en phase gazeuse qui peut supprimer les réactions de combustion enflammées21. La chitine et le glucane ont des squelettes structuraux biochimiques primaires de polysaccharide, fournissant du carbone qui est essentiel pour la génération de charbon de surface thermiquement protecteur. Les composants protéiques riches en cystéine du mycélium (par exemple, les hydrophobines) contiennent des liaisons disulfure qui se décomposent à des températures élevées pour générer des molécules de disulfure d'hydrogène (H2S)22,23. Lorsqu'il est utilisé comme film de protection thermique sur des composites polymères inflammables, le charbon résiduel formé par la dégradation thermique du mycélium agit comme un isolant thermique protégeant le substrat composite sous-jacent.

Les chercheurs ont utilisé avec succès des champignons mycélium pour recycler les déchets agricoles solides tels que les grains de blé24, les balles de riz25 et la sciure de bois26 en matériaux biocomposites résistants au feu. Cependant, une partie de la matière première solide reste non digérée par le mycélium. Les particules d'alimentation solide résiduelles partiellement digérées peuvent compromettre la résistance au feu et les propriétés mécaniques du biocomposite de mycélium. Des études limitées ont exploré les propriétés matérielles des milieux liquides (par exemple, la mélasse) nourris avec des champignons mycélium27. Contrairement aux particules solides d'alimentation qui s'intègrent inextricablement dans le biocomposite, la matière d'alimentation liquide peut être rincée. En outre, après la récupération du mycélium entièrement développé, la solution d'alimentation liquide récupérée peut être réutilisée pour soutenir la culture de champignons frais, bien qu'à des taux de croissance plus lents en raison de l'épuisement des nutriments. La mélasse noire, un déchet du raffinage du sucre, est une matière première liquide potentielle dont l'utilisation est limitée. La mélasse a une biomasse élevée et des nutriments essentiels et peut surpasser l'extrait de malt couramment utilisé pour soutenir la croissance du mycélium27. De plus, la mélasse contient de l'oxalate de calcium qui se décompose en CaCO3 et CO à haute température28. CaCO3 se dégrade ensuite en CaO et CO2. Le CO et le CO2 sont tous deux des gaz non combustibles qui agissent comme des diluants en étouffant les réactions de combustion enflammées lors d'un incendie. En outre, CaO améliore l'efficacité d'isolation thermique de la surface carbonisée résiduelle, protégeant ainsi thermiquement le substrat composite polymère sous-jacent. Cependant, malgré les nombreux avantages potentiels de la mélasse comme aliment pour le mycélium, il n'y a pas de recherche sur son influence sur les taux de croissance fongique, la composition biochimique et la microstructure, et surtout, les propriétés thermiques et de réaction au feu du mycélium. De plus, avant que le mycélium puisse être intégré dans des composites techniques en tant que couche ignifuge ou thermiquement protectrice, une analyse comparative par rapport aux matrices polymères courantes est essentielle.

Ce projet a étudié les effets de la mélasse sur les taux de croissance, les rendements massiques et les propriétés thermiques de trois espèces de mycélium sélectionnées dans le phylum non pathogène Basidiomycota. La microscopie électronique à balayage (SEM) et la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont été utilisées pour la caractérisation morphologique, biochimique et microstructurale de l'omble résiduel vierge (champignons dénaturés) et de l'exposition post-thermique. La décomposition thermique des mycéliums nourris à la mélasse a été évaluée par analyse thermogravimétrique (TGA) interfacée avec FTIR pour l'analyse des gaz dégagés en temps réel. La stabilité thermique du mycélium cultivé dans la mélasse a été comparée à celle des champignons nourris au grain de blé afin d'évaluer l'effet du type d'aliment et des matières premières non digérées sur la stabilité thermique. De plus, la stabilité thermique de la mélasse nourrie au mycélium a été comparée à une matrice polymère commerciale (époxy) pour évaluer sa pertinence en tant que matrice dans les composites biodégradables. Les résultats de recherche de ce travail font progresser la compréhension des paramètres critiques contrôlant les taux de croissance fongiques et les rendements massiques et permettent l'établissement d'une corrélation empirique entre la microstructure fongique, ses propriétés biochimiques et sa stabilité thermique.

Trois cultures fongiques Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor poussant sur de la gélose à l'extrait de malt ont été obtenues auprès de la Fungal Culture Collection de l'Université RMIT (Australie) et ont été utilisées comme inoculum. La mélasse a été achetée chez E&A Salce (Australie). Une résine époxy (bisphénol A & F) (West System 105) et le durcisseur correspondant (West System 206) ont été fournis par Gougeon Brothers Incorporated (USA).

La mélasse (15 g) a été dissoute dans de l'eau (135 g) pour obtenir une solution d'alimentation à 10 % en poids de mélasse/eau. Pour éviter toute contamination, la solution mélasse/eau a été stérilisée à 121°C pendant 30 min puis refroidie à température ambiante. Une solution de mélasse/eau (15 mL) a été transférée à 20 °C dans une boîte de Pétri stérile de 9 cm de diamètre. Un disque circulaire de 6 mm de diamètre de la culture fongique a été découpé dans la plaque de gélose à l'aide de la base d'une pipette stérile. L'inoculum a été placé au centre du pétri contenant 15 mL de la solution de mélasse/eau avant de sceller avec Parafilm. Au moins trois spécimens répétés de chaque espèce fongique ont été cultivés. La boîte de Pétri scellée a été incubée dans un environnement contrôlé (température 25 °C ; cycle de lumière blanche de 8 h) pendant 10 jours. Des images photographiques de l'hyphe de mycélium en croissance ont été prises en même temps les jours 4, 7 et 10. La croissance radiale de l'hyphe (cm2) a été estimée à l'aide du logiciel ImageJ 1.46r (https://imagej.nih.gov/ij/).

La mélasse résiduelle et un film de type gelée brunâtre qui s'est formé pendant la croissance des hyphes ont été lavés en rinçant le film de mycélium récolté sous l'eau courante pendant 30 min, suivi d'un trempage dans de l'eau tiède (50 ° C) pendant 24 h. Le film de mycélium a été rincé à plusieurs reprises dans de l'eau pour éliminer les cristaux de sucre résiduels de la solution d'alimentation de mélasse. Le film de mycélium blanc cassé a été désactivé par séchage sous vide (- 1 atm) dans un four à 120 ° C pendant 2 h. Le film de mycélium sec a été stocké dans un sac en plastique hermétique pour empêcher l'absorption d'humidité atmosphérique. La résine époxy et le durcisseur ont été mélangés selon le rapport stoechiométrique recommandé par le fabricant et laissés durcir à température ambiante pendant 24 h. La matrice époxy durcie à température ambiante a été post-durcie à 60 ° C pendant 8 h et utilisée pour évaluer la stabilité thermique du mycélium.

Les films de mycélium ont été caractérisés à température ambiante à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier Perkin Elmer (Spectra 100) équipé d'une lentille à réflexion totale atténuée (ATR). Le FTIR-ATR a été utilisé pour identifier les groupes fonctionnels dans le mycélium vierge et dans le charbon résiduel solide suite à la dégradation thermique. Pour chaque expérience FTIR-ATR, 32 scans ont été acquis à une résolution de 4 cm-1 entre 650 et 4000 cm-1 avec le spectre moyen enregistré. Le spectre FTIR a été corrigé à la ligne de base et les pics d'absorption ont été attribués à l'aide du logiciel intégré FTIR-ATR Perkin Elmer Spectrum 10.5.2. Un minimum de trois spectres FTIR ont été enregistrés pour chaque espèce de champignon.

La perte de masse induite par la chaleur et les analyses FTIR en temps réel des gaz dégagés ont été réalisées à l'aide d'un TGA (Perkin Elmer STA 6000) interfacé avec le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (Perkin Elmer Frontier). Les films de mycélium ont été conditionnés à 60 ° C pendant 3 h juste avant l'expérience TGA pour éliminer l'humidité physiquement adsorbée. La température de conditionnement de 60 °C a été choisie pour empêcher une dégradation thermique indésirable des fractions de faible poids moléculaire. Dans une expérience TGA typique, des microparticules de mycélium ou d'époxy post-durci et broyé (~ 12 mg) ont été placées dans un creuset en alumine. La température du four TGA a été augmentée à une vitesse de 30 °C/min entre 25 et 850 °C sous un flux de gaz N2 (20 mL/min). La ligne de transfert de gaz dégagé reliant le TGA au FTIR a été maintenue à 300 ° C et a été rincée en continu avec du gaz N2 (débit de 50 ml / min) pour éviter la condensation des volatils. Le FTIR a analysé en continu les gaz dégagés dans la gamme de nombres d'onde de 4000 à 400 cm−1 avec une résolution de 4 cm−1. La courbe de base obtenue en menant l'expérience TGA avec un porte-échantillon vide a été soustraite de tous les ensembles de données expérimentales pour compenser la flottabilité. Le rendement de charbon résiduel a été recueilli à 600 °C. Un minimum de trois expériences ont été menées pour chaque espèce fongique.

La microstructure et la morphologie du mycélium (avant et après la dégradation thermique) ont été caractérisées à l'aide de la microscopie électronique à balayage (FEI Qanta 200) équipée d'un spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (SEM-EDS) exploité par le logiciel Aztec. Les images SEM ont été collectées à une tension d'accélération de 15 kV, une taille de spot de 5 et un grossissement de 3000. Des échantillons de mycélium vierge et de charbon résiduel TGA (collectés à 600 ° C) ont été recouverts d'iridium à l'aide de la coucheuse Leica ACE600 fonctionnant à 8 × 10-3 mbar pour obtenir une épaisseur de revêtement d'environ 5 nm. Le diamètre radial du filament hyphe a été estimé en analysant des images SEM à l'aide du logiciel ImageJ 1.46r.

Les images photographiques des espèces de mycéliums vivants et dénaturés ont révélé une topographie de surface distincte, comme le montre la figure 1. Ganoderma australe était caractérisée par une topographie plate et pelucheuse tandis que Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor avaient des surfaces ondulées définies par des crêtes et des vallées radiales (Fig. 1a). De minuscules mèches ressemblant à des cheveux, éventuellement des protéines tensioactives et riches en cystéine (hydrophobines) généralement produites par des champignons filamenteux, ont été observées sur des films de mycélium (Fig. 2). La couche d'hydrophobines permet aux hyphes de rompre l'interface air-milieu en réduisant la tension superficielle ou en empêchant l'engorgement tout en conservant la perméabilité permettant l'échange gazeux22,23. L'image de Ganoderma australe prise au jour 10 couvrait toute la surface de la boîte de Pétri, comme illustré à la Fig. 1a. En revanche, la section opaque des hyphes des espèces à croissance relativement lente Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor couvrait respectivement 43 % et 7 % de la surface de la boîte de Pétri.

Croissance et morphologie de Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor (a) champignons vivants au jour 10 et (b) films de mycélium thermiquement désactivés.

Morphologie des hyphes révélant des mèches ressemblant à des cheveux au (a) bord d'attaque et (b) à la surface exposée à l'air de Pleurotus ostreatus.

Les films de mycélium ont été thermiquement désactivés par exposition à une température élevée comme décrit dans la section expérimentale. Les images des films de mycélium dénaturé sont présentées à la Fig. 1b. La texture de surface des films thermiquement désactivés variait entre les espèces fongiques. Ganoderma australe était largement opaque et caractérisé par une texture de surface rugueuse. En revanche, les films Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor ont révélé deux régions concentriques distinctes ; une section opaque et rugueuse au voisinage du site d'inoculation au centre géométrique du film ainsi qu'une section périphérique plus grande, translucide et relativement plus lisse comme indiqué sur la figure 1b pour Trametes versicolor. Comme Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus avait une large section translucide. Les rendements en masse sèche des composés thermiquement désactivés étaient les plus élevés pour Ganoderma australe, suivi de Pleurotus ostreatus puis de Trametes versicolor pesant respectivement 168 ± 2, 77 ± 2 et 32 ​​± 3 mg. Les rendements massiques normalisés de Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor par rapport à celui de Ganoderma australe étaient de 46 % et 19 %, respectivement. Il convient de noter que la contribution des sections translucides au rendement global en masse de champignons secs était négligeable.

Les trois espèces fongiques ont révélé un réseau filamenteux d'hyphes tubulaires poreux (mousse à cellules ouvertes) recouvert de couches de surface continues, comme le montre la figure 3. La texture lisse de la couche de surface peut résulter de la consolidation de la couche d'hydrophobines au cours du processus de désactivation thermique. L'analyse élémentaire des trois espèces de mycélium a révélé des variations élémentaires entre le réseau d'hyphes fibreux et la couche de surface, avec une concentration en calcium plus élevée dans le premier. La mélasse contient généralement des quantités substantielles de calcium sous forme d'oxalate de calcium. Au cours de la croissance fongique, le calcium est incorporé dans le mycélium. La conversion de l'oxalate de calcium en CaCO3, CO2 et CO a le potentiel d'améliorer la stabilité thermique des mycéliums28. La microstructure du réseau d'hyphes fibreux variait d'une espèce de mycélium à l'autre, comme le montre la Fig. 4. Les brins d'hyphes de Ganoderma australe (Fig. 4a) étaient fusionnés, plus fins mais plus denses que ceux de Pleurotus ostreatus (Fig. 4b) et Trametes versicolor (Fig. 4c). Jones et al.24 ont rapporté que la fusion des fibrilles d'hyphes de Trametes versicolor nécessitait environ 18 jours de croissance. Dans cette étude, Trametes versicolor et Pleurotus ostreatus ont été récoltés au jour 10, avant la fusion des fibrilles d'hyphes. Ganoderma australe avait de fins hyphes fibreux qui poussaient dans une direction spécifique. La caractérisation SEM a révélé des différences microstructurales notables entre les sections opaques et translucides chez Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor. Pleurotus ostreatus avait des hyphes épaissis denses avec un schéma de croissance aléatoire tandis que Trametes versicolor avait des éclats cristallins et une croissance aléatoire.

Morphologie (à gauche) et analyse élémentaire (à droite) de mycéliums vierges - Ganoderma australe (a, b), Pleurotus ostreatus (c, d) et Trametes versicolor (e, f). Les couleurs violette et verte représentent respectivement le calcium et le carbone.

Morphologie des hyphes du mycélium vierge (en haut) et de l'omble chevalier résiduel (en bas) pour Ganoderma australe (a, d), Pleurotus ostreatus (b, e) et Trametes versicolor (c, f).

Les films de mycélium thermiquement désactivés ont été analysés par FTIR pour établir la relation entre les caractéristiques microstructurales des hyphes et la structure biochimique respective. Il y avait peu de variation dans l'analyse spectrale FTIR des sections opaques des trois espèces fongiques (Fig. 5). Étant donné que les trois espèces sont issues du même phylum Basidiomycota, elles sont composées de chitine, de protéines et de glucides sous forme de glucane et de polysaccharides29. L'espèce présentait une large bande d'absorption centrée à environ 3330 cm-1 correspondant à la vibration d'étirement O–H dans les polysaccharides et/ou à la vibration d'étirement N–H du groupe fonctionnel amide dans les protéines30. Les bandes d'absorption larges et relativement faibles centrées à environ 2850 cm-1 et 2900 cm-1 ont été attribuées à l'étirement C–H dans la chitine, les protéines et les glucides. Le pic d'absorption autour de 1630 cm-1 a été attribué à l'étirement C=O (amide I ou acides aminés)31,32,33, à l'étirement C=C (acides aminés)31,34 et/ou à la flexion N–H (flavonoïdes)34. La bande d'absorption à environ 1545 cm-1, qui était prédominante chez Ganoderma australe et Pleurotus ostreatus, a été attribuée à la flexion N–H (amide II) ou à l'étirement C–N (amide II)30,35. Des bandes d'absorption relativement faibles ont été enregistrées pour les trois espèces à environ 1317 cm−1 (étirement amide III C–N32; étirement phénolique O–H33), 1150 cm−1 (étirement C–O)30,35,36 et 1030 cm−1 (flexion alcool R–CH2–OH; flexion C–O)36. Une faible bande active IR à environ 760 cm-1 pour l'espèce Trametes versicolor a été attribuée aux vibrations squelettiques associées à la structure anomérique polysaccharidique du glucane37.

Spectres FTIR des espèces de mycéliums vierges Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor. Les spectres FTIR étaient décalés le long des axes Y mais non mis à l'échelle.

Overall, the FTIR spectra of the three fungal species were characterised by five distinct absorption regions which are the N–H and O–H stretching (3700–3000 cm−1), C–H stretching (3000–2800 cm−1), protein amides (1750–1500 cm−1), polysaccharide (sugar) (1200–950 cm−1) and anomeric carbon (900–750 cm−1). L'analyse spectrale FTIR a confirmé la présence de chitine, de protéines et d'hydrates de carbone (c'est-à-dire de glucane et de polysaccharides), qui possèdent tous des caractéristiques ignifuges inhérentes21,38,39. Les pics d'absorption à 1750–1500 cm−1 (protéine) et 1200–950 cm−1 (glucides) peuvent être utilisés pour calculer le rapport protéines/glucides dans le mycélium. Le rapport protéines/glucides peut fortement influencer la dégradation thermique du mycélium, étant donné que le carbone et l'azote ont des mécanismes ignifuges distincts. Les chaînes moléculaires N-acétyl-d-glucosamine dans la chitine génèrent des gaz diluants tels que NH3 qui suppriment les réactions de combustion enflammées40,41. À l'inverse, les polysaccharides riches en carbone (c'est-à-dire la chitine et le glucane) favorisent la formation d'un charbon carboné thermiquement protecteur42. Les liaisons disulfure de cystéine intra- et inter-moléculaires dans la couche d'hydrophobines peuvent se rompre à des températures élevées, générant des molécules de disulfure d'hydrogène (H2S)22.

Malgré la contribution relativement faible du rendement massique global des sections translucides, il était essentiel d'explorer les différences structurelles biochimiques entre le matériau des hyphes translucides et opaques. Les variations des structures biochimiques entre les matériaux opaques et translucides peuvent influencer de manière significative leur stabilité thermique. Seuls les spectres FTIR des extraits de matériaux opaques et translucides de Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor sont présentés à la Fig. 6 puisque Ganoderma australe n'avait pas de matériau translucide. Les rapports calculés relativement inférieurs de la surface intégrée sous le pic de protéines (1750–1500 cm−1) et le pic de glucides primaires (1200–950 cm−1) suggèrent une teneur réduite en N-acétyl-d-glucosamine (c'est-à-dire la chitine) dans les sections translucides. La teneur réduite en polysaccharides de chitine riches en carbone peut avoir un impact négatif sur la génération de charbon carboné conduisant à des rendements de charbon résiduels relativement plus faibles pour le matériau translucide.

Spectres FTIR des extraits de matériaux opaques (solides) et translucides (point-tiret) des espèces de mycéliums vierges de Pleurotus ostreatus (a) et de Trametes versicolor (b).

Une analyse thermogravimétrique a été effectuée pour établir la relation entre les taux de croissance des espèces fongiques, la composition biochimique et les propriétés thermiques. La perte de masse thermogravimétrique (TG) et les profils de taux de perte de masse thermogravimétrique (DTG) dérivés mesurés simultanément pour les espèces de mycélium sont illustrés à la Fig. 7. Dans le cas de Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor, des échantillons de test ont été extraits des sections opaques et translucides pour étudier l'influence de la composition du matériau sur la stabilité thermique. Les échantillons extraits des coupes opaques et translucides des espèces Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor présentaient des profils de dégradation thermique distincts. La stabilité thermique du matériau opaque était supérieure à celle de la section translucide. La teneur plus élevée en chitine riche en carbone dans le matériau opaque, révélée par les spectres FTIR (Fig. 6), est peut-être responsable de la stabilité thermique supérieure.

( a ) Perte de masse thermogravimétrique et ( b ) profils de taux de perte de masse des espèces de mycélium Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor.

Étant donné que le matériau opaque était présent dans toutes les espèces fongiques, la discussion sur la stabilité thermique s'est concentrée sur ce matériau. Les profils TG et DTG des trois espèces fongiques ont révélé des pertes de masse en plusieurs étapes (8 à 15 %) entre 25 et 225 °C avant le début de la principale étape de dégradation thermique. Étant donné que tous les spécimens de mycélium ont été conditionnés à 60 ° C pendant 3 h immédiatement avant l'expérience TGA, la perte de masse précoce atypique ne pouvait pas être attribuée à la désorption de l'eau physiquement adsorbée. Au lieu de cela, la perte de masse à basse température a été attribuée à la dégradation thermique et à la volatilisation de la couche d'hydrophobines de faible poids moléculaire (< 20 kDa)22. L'étape initiale de dégradation thermique (25–225 °C) a été suivie de l'étape principale de décomposition thermique (225–450 °C), au cours de laquelle toutes les espèces de mycélium ont enregistré des pertes de masse comprises entre 35 et 45 %. La perte de masse entre 225 et 450 ° C a été attribuée à la décomposition thermique de la paroi cellulaire fongique constituée de chitine, d'acides aminés, de glucides, y compris de polysaccharides et de glucane. Par rapport à Ganoderma australe, les espèces Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor avaient une stabilité thermique plus élevée, probablement en raison de leur teneur plus élevée en chitine, évidente à partir de la forte bande d'absorption FTIR induite par la N-acétyl-d-glucosamine à 1750–1500 cm-1. La chitine est une riche source de carbone élémentaire nécessaire à la formation de charbon. Des pertes de masse substantielles (6 à 14 %) entre 400 et 650 °C ont été enregistrées pour les trois espèces de mycélium et attribuées à la formation d'un omble carboné primaire. Le charbon primaire était stable jusqu'à juste en dessous de 800 °C. Au-delà de 800 °C, une exposition thermique continue a causé des pertes de masse supplémentaires (par exemple, 7 à 14 %) générant de l'omble carboné secondaire. Le charbon carboné secondaire est un produit de réticulation dans le charbon primaire pour former un réseau 3D consolidé à haute température. Pleurotus ostreatus avait le rendement d'omble carbonisé résiduel secondaire le plus élevé à 850 ° C (30%), suivi de Trametes versicolor (22%), Ganoderma australe ayant le rendement le plus faible (20%) (Fig. 7a). Il convient de noter que l'espèce de Ganoderma australe à la croissance la plus rapide était l'espèce fongique la moins stable thermiquement. En revanche, les espèces de Trametes versicolor les plus stables thermiquement ont augmenté le plus lentement. Ces observations suggèrent une relation inversement proportionnelle entre les rendements massiques et la stabilité thermique. Les taux de croissance retardés des champignons laissent peut-être du temps pour l'établissement de la chitine qui à son tour favorise la formation de charbon. Les taux de croissance et les propriétés thermiques sont essentiels dans la sélection des espèces fongiques pour la production à haut débit de retardateurs de feu biosourcés.

Bien qu'il existe certaines variations dans les profils de perte de masse-température des espèces de mycélium (Fig. 7a), dans l'ensemble, les taux de perte de masse et de perte de masse suggèrent des mécanismes de dégradation thermique et une stabilité thermique comparables. Pour déterminer les mécanismes régissant la dégradation thermique, un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier à interface TGA a été utilisé pour analyser les gaz dégagés en temps réel. Étant donné que les spectres FTIR des gaz dégagés entre les trois espèces fongiques étaient similaires, seules les données TGA-FTIR recueillies pour Ganoderma australe sont discutées. Les spectres FTIR des gaz dégagés par Ganoderma australe à des températures de décomposition sélectionnées de 150, 300, 350, 400 et 600 ° C sont illustrés à la Fig. 8a. Le spectre FTIR recueilli à 150 °C a révélé la libération de CO2 qui peut être attribuée à l'oxydation thermique des hydrophobines de faible poids moléculaire. Le spectre FTIR des gaz dégagés au début de l'étape de décomposition majeure, à environ 300 °C, a révélé la présence de H2O, éventuellement d'hydrocarbures de faible poids moléculaire tels que CH4, d'infimes quantités de CO2 et de NH3. Les intensités des bandes IR correspondant à CO2, H2O, NH3 et les hydrocarbures de faible poids moléculaire ont culminé à la température de décomposition de 350 °C (par exemple, la fin de l'étape de décomposition thermique significative). Au-dessus de 350 ° C, les intensités FTIR ont diminué avec l'augmentation des températures, comme en témoigne un spectre presque plat pour les gaz dégagés à 600 ° C. Les spectres FTIR des gaz dégagés à la température de décomposition thermique de 350 ° C pour les trois espèces sont présentés sur la figure 8B. Il y avait des variations dans l'intensité mais aucune différence dans la composition des gaz dégagés entre les trois espèces fongiques. Les gaz diluants (c.-à-d. CO2, H2O et NH3) identifiés dans les spectres FTIR des trois espèces de mycélium sont essentiels pour amortir les réactions de combustion enflammées. Ils peuvent favoriser l'extinction des incendies lorsque le mycélium est intégré à des matériaux hautement inflammables tels que les polymères oléfiniques.

Les spectres FTIR de (a) les gaz ont évolué à différentes températures de décomposition thermique (150, 300, 350, 400 et 600 °C) pour Ganoderma australe et (b) les gaz ont évolué à partir des trois espèces fongiques à 350 °C. Les spectres FTIR étaient décalés le long des axes Y mais non mis à l'échelle.

Le charbon résiduel collecté à 600 ° C a été caractérisé en utilisant SEM et FTIR pour élucider les mécanismes de dégradation thermique. Les images SEM d'exposition post-thermique pour Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor illustrées à la Fig. 4 ont révélé des variations discernables de la microstructure des spécimens vierges. Ganoderma australe a conservé sa microstructure d'hyphes fusionnée et interconnectée malgré la réduction de la section transversale des brins d'hyphes (Fig. 4d). Dans le cas de Pleurotus ostreatus (Fig. 4e) et de Trametes versicolor (Fig. 4f), les espèces fongiques ont conservé le réseau d'hyphes 3D, même si la section transversale des hyphes a été considérablement réduite en raison de la perte de matière induite par la chaleur. La chitine hautement stable thermiquement dans les parois cellulaires du mycélium a continué à soutenir le réseau fibreux 3D malgré la réduction du diamètre des filaments d'hyphes24. Ces résultats concordent avec ceux rapportés par Jones et al.24 pour Trametes versicolor nourri au blé soumis à des conditions de dégradation thermique similaires. Malgré certaines variations dans la microstructure de l'exposition post-thermique, les rendements résiduels d'omble chevalier parmi les trois espèces fongiques distinctes étaient similaires. Cela suggère que les caractéristiques microstructurales des mycéliums vierges ont un impact limité sur leurs mécanismes de décomposition thermique. Ceci est étayé par les résultats rapportés par Jones et al.24 dans lesquels ils ont démontré que les variations de la microstructure en fonction du temps de croissance dans le Trametes versicolor nourri au blé n'altéraient pas les propriétés de réaction au feu évaluées via le calorimètre à cône.

Les spectres FTIR du résidu de char récupéré à partir des spécimens de mycélium opaque à 600 ° C (c'est-à-dire le char primaire) sont présentés à la Fig. 9. Toutes les espèces de mycélium présentaient les bandes d'absorption suivantes; pics forts et nets centrés à ~ 1400 cm−1 (flexion C–H)43 et ~ 870 cm−1 (anneau furanose de flexion C–H)44, un faible pic large centré à ~ 1030 cm−1 (étirement C–O–C)33, 950–750 cm−1 (liaisons glycosides dans le glucane)33,43 et un pic faible mais net à ~ 710 cm−1 (C–H flexion)43. Le cycle furanose peut être attribué à la tautomérie de la chaîne cyclique du pyranose due à une exposition à haute température. Il n'y avait pas de différences distinctes dans les spectres FTIR mesurés à température ambiante des ombles récupérés des trois espèces ; renforçant encore la découverte selon laquelle les variations microstructurales ont très peu d'influence sur les voies de dégradation thermique et les produits de décomposition, y compris le charbon résiduel.

Spectres FTIR de l'omble chevalier résiduel prélevé sur les espèces de mycélium Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor à 600 °C. Les spectres FTIR sont décalés le long des axes Y mais ne sont pas mis à l'échelle.

Avant que le mycélium puisse être intégré dans des composites techniques en tant que retardateur de flamme, il est essentiel de comprendre comment ce nouveau biomatériau se compare aux matrices composites courantes telles que les résines époxy. Dans ce travail, l'espèce de mycélium la plus productive, Ganoderma australe, a été comparée à un polymère époxy. Les profils de perte de masse et de différence de masse de Ganoderma australe et du polymère époxy sont tracés en fonction de la température sur la figure 10. Le polymère époxy a suivi une voie de dégradation thermique en deux étapes ; une perte de masse de 10 % entre 100 et 250 °C suivie d'une perte de masse d'environ 80 % entre 300 et 500 °C (Fig. 10a). La première étape de perte de masse thermique a été attribuée à la désorption de l'humidité physiquement adsorbée et sous les fractions polymères réticulées. La deuxième étape la plus importante a été attribuée à la décomposition thermique des chaînes de polymère époxy. À 250 °C, le Ganoderma australe avait perdu 4 à 5 % de matière en plus par rapport au polymère époxy. À des températures inférieures à 405 °C, la stabilité thermique du polymère époxy était supérieure à celle du Ganoderma australe. Il en était de même pour Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor, qui avaient tous deux des profils de dégradation thermique similaires à Ganoderma australe. À des températures supérieures à 405 °C, Ganoderma australe, et par extension Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor étaient thermiquement plus stables que le polymère époxy. Les espèces fongiques ont généré des rendements de charbon résiduel primaire significativement plus élevés (> 30 %) à 600 °C par rapport à environ 10 % pour le polymère époxy.

(a) Perte de masse thermogravimétrique pour Ganoderma australe et époxy et (b) profils de différence de masse (Garnoderma australe moins époxy) tracés en fonction de la température (perte en rouge et gain en vert).

La différence de stabilité thermique entre Ganoderma australe et le polymère époxy est plus apparente dans les données de différence de masse (massGanoderma australe - massepoxy) qui sont tracées en fonction de la température sur la figure 10b. Pour des températures inférieures à 405 ° C, le polymère époxy était thermiquement plus stable que Ganoderma australe, comme en témoignent les différences de masse négatives. Au-dessus de 405 ° C, Ganoderma australe était supérieur au polymère époxy, comme l'ont révélé les différences de masse calculées positives. L'aire intégrée sous le profil différence de masse-température pour des températures comprises entre 405 et 785 °C (nuance verte) était plus de deux fois supérieure à la valeur correspondante calculée pour des températures comprises entre 25 et 405 °C (nuance rouge). Notamment, la plage de température intégrée à gauche et à droite du croisement (405 ° C) était la même, suggérant une stabilité thermique globale supérieure pour Ganoderma australe par rapport au polymère époxy. La stabilité thermique améliorée des espèces fongiques mycéliennes à des températures relativement élevées, peut-être en raison de la présence de chitine et de charbon favorisant les dérivés du calcium, ouvre une voie à la conception de matériaux de surface de protection thermique bio-dérivés pour les composites polymères menacés par le feu. Lorsqu'elle est exposée à des flux de chaleur rayonnante élevés, la température à la surface exposée d'un composite polymère peut dépasser 400 °C en quelques secondes. La dégradation thermique de la couche protectrice de mycélium commencera à des températures inférieures à 100 °C. Au fur et à mesure que le film protecteur de surface de mycélium se décompose, il générera une carbonisation de surface consolidée servant à isoler thermiquement le composite polymère vierge mais combustible sous-jacent.

Il existe très peu d'études qui ont étudié l'influence de la mélasse ou d'une alimentation similaire en phase liquide sur le taux de croissance, les rendements ainsi que la stabilité thermique des mycéliums résultants. Lorsqu'un matériau d'alimentation solide est utilisé pour faire pousser du mycélium, le matériau d'alimentation résiduel partiellement digéré ne peut pas être séparé du biocomposite final. Le matériau d'alimentation solide résiduel peut nuire aux propriétés mécaniques et au feu du biocomposite de mycélium. Il était donc important d'étudier les variations de stabilité thermique entre les espèces de mycélium cultivées indépendamment dans le grain de blé solide et la mélasse. Les propriétés thermiques du Trametes versicolor nourri à la mélasse ont été comparées à celles de la même espèce cultivée dans du grain de blé solide par Jones et al.24, comme illustré à la Fig. 11. À des températures inférieures à 250 ° C, les champignons nourris à la mélasse étaient inférieurs au spécimen cultivé avec du blé. Cependant, à des températures supérieures à 250 ° C, le spécimen de champignons nourri à la mélasse était plus stable thermiquement. Comme le grain de blé, la mélasse peut favoriser la croissance de champignons mycéliens produisant des biomatériaux de stabilité thermique comparable, voire supérieure, en particulier dans le régime à haute température (> 250 °C). De plus, alors que les particules de grains de blé s'intègrent inextricablement aux hyphes de mycélium, l'excès de mélasse peut être lavé. Jones et al.24 ont démontré que la stabilité thermique du grain de blé est inférieure à celle du Trametes versicolor. Par conséquent, la présence de particules de grains de blé moins stables thermiquement24 a le potentiel de réduire l'efficacité de la protection contre les incendies ainsi que les propriétés mécaniques du composite de mycélium résultant. En outre, cette étude a confirmé que la solution de mélasse récupérée pouvait soutenir la croissance de l'inoculum frais, bien qu'à des taux de croissance légèrement diminués. En revanche, il n'est pas possible de récupérer les matières premières solides résiduelles pour soutenir la culture future du mycélium.

Profils de perte de masse-température de Trametes versicolor nourris à la mélasse [ce travail] et au grain de blé24.

Pour les applications à l'échelle industrielle, de grands films de mycélium cultivés dans des plateaux peu profonds remplis de mélasse peuvent être intégrés en tant que couches de surface de protection thermique sur des matériaux et composites inflammables menacés d'incendie. Les films de mycélium peuvent agir comme matériau sacrificiel, se décomposant thermiquement pour produire du charbon carboné secondaire sur la surface exposée au feu. La carbonisation de surface générée peut ralentir le transfert de chaleur dans le substrat inflammable sous-jacent tout en empêchant les matières volatiles combustibles de s'échapper dans la zone de combustion enflammée. Alternativement, la biomasse de mycélium peut être pulvérisée en microparticules qui sont ensuite mélangées dans la matrice polymère. Bien que l'intégration de micro-RF dans les polymères soit bien établie, il convient de le noter ; que l'ajout de poudre ou de microfibres de mycélium dans le polymère peut augmenter la viscosité entraînant des problèmes de traitement des matériaux. Néanmoins, nous avons démontré dans cet article que la mélasse est un aliment viable pour cultiver des films minces de mycélium avec une stabilité thermique prometteuse et éventuellement des caractéristiques ignifuges. De plus, la recherche devrait se concentrer sur le développement de méthodologies pour intégrer les films de mycélium dans les processus de fabrication à l'échelle industrielle pour les produits ignifuges.

Une méthode respectueuse de l'environnement pour recycler les sous-produits de transformation du sucre de faible valeur (mélasse) en mycélium ignifuge est rapportée. Cette recherche a démontré que la mélasse liquide favorise la croissance des espèces de mycélium non pathogènes du phylum Basidiomycota (Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor). Ganoderma australe a poussé le plus rapidement en produisant un film de mycélium opaque et a eu le rendement en masse le plus élevé. Pleurotus ostreatus et Trametes versicolor avaient des rendements massiques inférieurs et produisaient des films de mycélium avec des sections opaques et translucides. Malgré les différences dans la morphologie et les caractéristiques microstructurales, les compositions biochimiques des espèces fongiques étudiées étaient comparables. Cette étude a établi la relation entre les taux de croissance des mycéliums, les microstructures, les compositions biochimiques et les propriétés thermiques.

L'espèce fongique avec le taux de croissance le plus élevé, Ganoderma australe, était la moins stable thermiquement des trois espèces. Les taux de croissance variés et les différentes caractéristiques microstructurales ont influencé les profils de dégradation thermique (perte de masse en fonction de la température) des trois espèces dans une mesure limitée. Des spectres FTIR similaires des gaz dégagés et du charbon primaire résiduel ont suggéré des mécanismes de dégradation thermique comparables pour les trois espèces fongiques. La stabilité thermique des mycéliums est éventuellement contrôlée par la teneur en chitine dont le rendement peut être dicté par le taux de croissance fongique. Le mycélium nourri à la mélasse a généré plus de carbonisation en surface que le polymère époxy à base de pétrole, ce qui suggère une utilisation potentielle du biocomposite dérivé de champignons comme film de protection thermique. La stabilité thermique de l'espèce Trametes versicolor cultivée dans la mélasse était supérieure à celle de la contrepartie nourrie au blé. Cette étude a démontré la faisabilité de produire des biomatériaux fongiques avec des capacités de formation de charbon supérieures par rapport aux polymères commerciaux comme l'époxy. Les résultats rapportés dans cet article ouvriront la voie au développement de nouveaux biomatériaux durables et ignifuges.

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Ce travail a été soutenu par un financement de recherche du Centre de formation ARC sur les matériaux ignifuges et les technologies de sécurité (IC170100032).

Génie aérospatial et aviation, École d'ingénierie, Université RMIT, Bundoora, VIC, 3083, Australie

Nattanan Chulikavit, Akbar Khatibi, Adrian Mouritz & Everson Kandare

Biotechnologie et sciences alimentaires, École des sciences, Université RMIT, Bundoora, VIC, 3083, Australie

Tian Huynh

Installation de microscopie et de microanalyse RMIT, Université RMIT, Melbourne, VIC, 3001, Australie

Chaitali Dekiwadia

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EK et NC ont conçu le concept de recherche. NC a mené toutes les activités de recherche, y compris la culture et le conditionnement des champignons, la préparation des polymères époxy, l'analyse FTIR et TGA-FTIR et la microscopie électronique à balayage (morphologie et analyse élémentaire). CD a acquis certaines des images au microscope électronique à balayage. EK et TH ont fourni des conseils techniques pour toutes les activités de recherche. EK et CN ont rédigé le projet de manuscrit original et tous les autres auteurs ont révisé et édité le manuscrit. AM et EK ont acquis un financement. AK, AM, EK et TH ont supervisé le projet de recherche.

Correspondance à Everson Kandare.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Chulikavit, N., Huynh, T., Dekiwadia, C. et al. Influence des taux de croissance, des propriétés microstructurales et de la composition biochimique sur la stabilité thermique des champignons mycéliens. Sci Rep 12, 15105 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19458-0

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Reçu : 24 décembre 2021

Accepté : 30 août 2022

Publié: 06 septembre 2022

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

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