灵芝漆的物理防护与太阳能辐射防护作用

《Materials Today Communications》：Ganoderma Lacquer’s Physical and Solar Irradiation Protection

　　Ihsan S. Elnunu|Mathieu Francoeur|Steven E. Naleway
美国犹他州盐湖城犹他大学机械工程系

**摘要**
许多灵芝（Ganoderma）的子实体会形成一层有色漆层，这一层的功能通常被认为是保护性的，但其在不同物种中的具体作用尚不完全清楚。为了全面理解这种生物组织，本研究选择了五种具有不同漆色的灵芝物种进行实验：黑色、紫红色、红色、黄色和白色。研究探讨了漆色、黑色素含量及化学成分之间的关系，以探究这些因素对灵芝机械性能和其对太阳辐射响应的影响。纳米压痕实验表明，所有漆层的硬度均显著高于其对应的基底层，证实了漆层具有机械保护作用。这种薄而坚固的漆层能够达到与需要厚层结构、硬化或矿化加固的几丁质生物组织相当的硬度，而无需经过矿化或增加厚度。微观结构分析显示，漆层的致密表面是提高硬度的关键因素。然而，漆层厚度对不同颜色灵芝的硬度表现并无显著影响。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）分析发现，黑色、紫红色和红色漆层中含有较强的真黑色素峰值，而黄色和白色漆层中的黑色素峰值较弱。紫外-可见光（UV–Vis）测量结果显示，黑色素含量较高的漆层对太阳辐射的吸收更强，所有漆样在有害的紫外B波段都表现出峰值吸收。这些发现表明，黑色素浓度既增强了硬度，也提高了对太阳辐射的吸收能力，从而支持了漆层在机械保护和防晒方面的作用。本研究有助于利用真菌的色素和黑色素特性，为各个行业提供机械和防晒解决方案。

**1. 引言**
几个世纪以来，真菌界在仿生设计中的应用相对较少。由于对真菌子实体（即蘑菇）的研究有限，很少有物种被用于仿生设计。尽管研究不足，但真菌子实体因其独特的机械、化学和材料特性而在许多领域具有巨大潜力。例如，在防晒材料、天然染料等领域，真菌子实体展现出潜在的应用价值。现有文献主要关注特定物种的属性，而非整个真菌群体的材料、机械和化学行为。由于真菌子实体暴露在阳光下但无法光合作用，其如何抵御太阳辐射仍是一个未充分研究的课题。

在真菌界中，丝状真菌因其庞大的组织结构而备受关注。丝状真菌的基本细胞单位是相互连接的菌丝，其细胞壁由几丁质构成。所有真菌子实体都是由菌丝形成的，可分为三种类型：生殖菌丝、支撑菌丝和连接菌丝[1]。这类菌丝存在于灵芝等担子菌的三个层次中。尽管丝状真菌具有巨大的经济和环保价值，但其生物力学行为的研究仍十分有限——尽管它们具备多样的宏观结构、机械性能和结构特性[2][3][4]。担子菌属于多孔菌目（Polyporales），常见于树木表面上，其强大的附着力使得移除它们需要工具或较大人力[5][6][7][8]。灵芝是一种重要的担子菌，因其子实体的强度和韧性而受到研究者关注[8][9][10]。灵芝组织已被用于医药研究（如治疗癌症和风湿性结核病[11]），其菌丝体还被用于绝缘材料、纺织品和包装[12]。在研究子实体结构与性能关系的案例中，人们关注其层级结构和轻质高强的机械特性[8][9][10]。

许多灵芝物种以其木质结构著称，通常呈层状从树干上生长。与大多数担子菌类似，灵芝的横截面包含三层：最外层是漆层，被认为具有保护作用，但其具体保护机制尚未明确[10]；中间层作为支撑层，促进其向外的径向生长；最内层是管状结构，垂直排列并朝向远离太阳的方向，通过弹射孢子的方式释放孢子[13]。由于每一层具有不同的功能，研究灵芝的漆层对其保护作用至关重要。目前尚不清楚灵芝漆层如何抵御捕食者和环境因素（如太阳辐射）造成的物理损伤，而这对于理解其材料结构、机械性能和化学特性及其保护功能至关重要。某些灵芝物种的漆层会变色，形成彩色光亮的保护层[14][15]，但这种化学变化的具体机制尚不清楚，且对不同灵芝物种的机械和光谱特性有直接影响[16]。有趣的是，尽管不同灵芝物种的漆层具有相似的微观结构，其颜色仍有所不同[17]；一些物种的漆层形成薄而光亮的表面[17][18][19][20]，颜色从浅色（白色至黄色）到深色（黑色）不等[19][20]。目前尚未明确产生这种化学变化的具体原因。先前的研究表明环境因素可能影响漆层颜色，但相关因素尚未得到充分探索[21][22]。本研究将重点探讨最重要的环境因素——太阳辐射，并分析漆层如何保护子实体免受物理损伤和紫外线伤害。

**2. 材料与方法**
2.1. 样品制备
本研究使用了来自九种不同灵芝子实体的五种漆层样本，分别为G. lucidum、G. linghzi、G. tsugae、G. multipileum和G. curtisii。如图1所示，每种灵芝的漆层颜色各不相同。这些物种分别被命名为黑色、紫红色、红色、黄色和白色。所有样品均在美国本地商家处购买，并经过风干处理。使用手术刀分离漆层与其下层的基底层，避免损伤样本。所有样本均按统一流程进行处理，以便分别进行材料、机械、化学和太阳辐射吸收性质的表征。

2.2. 机械测试
通过纳米压痕实验（使用Hysitron TI Premier Nanoindenter，Bruker Corporation，美国明尼阿波利斯）对五种灵芝的漆层和基底层进行测试，评估其表面机械性能差异，模拟捕食过程中的压痕效应。测试过程中，漆层分别承受3000 μN和10 μN的峰值载荷。由于漆层表面致密坚硬，而基底层较为柔软，因此采用了不同的载荷值。使用Oliver-Pharr方法进行测试：先进行弹性-塑性加载，然后保持峰值载荷，最后卸载。漆层表面的压痕部位平整无裂纹；基底层压痕部位位于漆层下方。硬度计算公式为：H = Ppeak * Ahc，其中H表示硬度，Ppeak表示峰值载荷，A(hc)表示接触面积，hc表示接触深度[23]。

2.3. 微观结构成像与表征
采用扫描电子显微镜（SEM）观察灵芝漆层的微观结构及其与基底层之间的差异。使用FEI Quanta 600 FEG-ESEM（Quanta，美国俄勒冈州希尔斯伯勒）对漆层厚度和微观结构进行表征，加速电压为20 kV。所有样本均经过ImageJ软件处理。为确保结果的一致性和代表性，选取了五种灵芝颜色的15个样本进行SEM成像以测量漆层厚度。样品处理过程包括用手术刀切割干燥后的样本，将包含漆层和基底层的横截面样品固定在铝制基底上，并涂覆30 nm的金钯薄膜。每个样本在不同位置拍摄三张SEM图像，每种灵芝物种共拍摄三个样本，共获得90个测量数据。

2.4. 化学成分表征
2.4.1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）比较九种灵芝子实体的化学成分。光谱采集设备为Thermo Scientific Nicolet iS50 FTIR光谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。从九种灵芝的27个漆层样本中收集光谱数据，同时从基底层样本中采集27个光谱。总共分析了54个样本。每个样本在衰减全反射窗口上放置，并用金刚石探针压缩以获取光谱数据。每个样本采集32次光谱，数据间隔为0.482 cm?1；每次扫描前先采集背景数据以进行基线校正。光谱波数范围为800–3600 cm?1，吸收范围为0–0.25。
2.4.2. 拉曼光谱（Raman spectroscopy）
进一步利用拉曼光谱分析灵芝漆层的化学成分。使用WITec AlphaSNOM共聚焦拉曼显微镜（WITec Instruments Corp., 美国马萨诸塞州康科德）采集光谱数据。拉曼光谱收集实验配备了488纳米的激发激光束和1800线/毫米的衍射光栅。该仪器还配备了20倍物镜和CCD探测器。扫描积分时间为1.0秒，激光功率固定为3.5毫瓦。收集的光谱范围在300至3000厘米^-1之间。收集到的拉曼光谱经过基线校正后，使用Savitzky–Golay滤波器进行了平滑处理。平滑滤波器的窗口大小为21，多项式阶数为3。在未经峰值去卷积的情况下， processing后的光谱中识别出了1480和1750厘米^-1处的峰值位置，因为这些信号在不同的样本和其他漆色中都是可区分且稳定的。从五种不同颜色的灵芝中选取了27个漆样进行拉曼光谱分析，以研究其化学成分。

2.5. 紫外-可见光谱特性分析
使用Cary 60紫外-可见分光光度计（Agilent公司，美国加利福尼亚州圣克拉拉市）比较了五种不同灵芝漆料的紫外和可见光吸收特性。从每种颜色不同的灵芝漆料中取30毫克样品，溶解在100毫升1摩尔/升的NaOH溶液中，并加热至100摄氏度1小时，然后测试每种溶液中的三个样品。测量范围为800至280纳米，以捕捉可见光范围（800至400纳米）、UV-A范围（400至315纳米）和UV-B范围（315至280纳米）。总共对五种不同灵芝漆料进行了15个样品的紫外-可见光透射率测试，以测量其吸光度。为了测量漆料的吸光度，通过从漆料吸光度中减去1摩尔/升NaOH溶液的吸光度来进行基线校正。
将漆料的紫外-可见光谱与AM1.5G太阳辐射参考光谱进行比较，以确定每个样品在标准地球阳光下的吸收太阳能量量[24]。AM1.5G标准数据包括280至4000纳米范围内的辐照度数据；因此，为了仅比较280至800纳米范围内的数据（即可见光和UV区域），将超出该范围的波长处的吸光度设为零，以匹配AM1.5G网格。然后将吸光度数据插值到AM1.5G波长网格中，以确保每个波长处的Aλ和Gλ之间有一一对应的關系，其中Aλ是通过紫外-可见光谱测量的无单位的波长依赖性吸光度，Gλ是在标准阳光下波长λ处的太阳功率。对于每个样品，通过将样品的吸光度与AM1.5G光谱辐照度的乘积在280至800纳米范围内积分，计算出吸收的太阳功率（光谱加权吸光度）。光谱加权吸光度的计算方法如下：
光谱加权吸光度 = 100 × ∫λmin λmax AλGλ dλ / ∫λmin λmax Gλ dλ，
其中λmin和λmax分别为280纳米和800纳米。由于吸光度是对数量，这个指标描述的是相对的、光谱加权的吸光度，而不是绝对的太阳吸收功率的直接测量值。这种关系可以估计每种漆料在紫外-可见光区域吸收太阳能量的有效性[25]。

2.6. 统计分析
统计分析使用Python软件进行。通过对纳米压痕硬度、SEM图像的微观结构数据和紫外-可见光谱吸光度进行双尾双样本t检验来确定统计显著性。纳米压痕硬度的显著性水平设定为α = 0.01，其他数据的显著性水平设定为α = 0.05。

3. 结果与讨论
3.1. 压痕硬度
对九个测试的灵芝孢子果的的两层结构（漆层和基材）进行了纳米压痕测试，以研究它们的硬度，如图2所示。纳米压痕结果显示，所有五种颜色组的漆层硬度均显著高于基材（p < 0.0004）。红色组的漆层硬度比基材高出多达65834%。黄色组的漆层硬度比基材高出3300%，这是百分比差异最小的。这些结果与文献一致，文献中也证明了这种显著差异，例如Fomes fomentarius的压痕模量平均值在壳层中比基材高出19746%[26]。图2中的纳米压痕硬度结果全面地衡量了灵芝的压痕硬度，这在文献中尚未针对漆层和基材进行研究，也有助于理解不同颜色漆层的压痕硬度。此外，漆层的颜色也会影响压痕硬度，较深的颜色显示出比相应基材更高的硬度。

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图2. 比较五种灵芝颜色漆层和基材层纳米压痕硬度的箱线图。纳米压痕硬度结果（n = 54）显示，所有五种颜色的漆层硬度均显著高于基材（p < 0.0004）。较深的灵芝漆层（黑色、栗色和红色）的纳米压痕硬度显著高于较浅的灵芝漆层（黄色和白色）（p < 0.00002）。
进一步分析图2中的漆层硬度结果还发现另一个统计学上的显著差异。黑色、栗色和红色的漆层硬度显著高于黄色和白色的漆层（p < 0.00002）。有趣的是，黑色、栗色和红色之间的硬度没有统计学上的显著差异（p > 0.0452），同样，黄色和白色之间也没有统计学上的显著差异（p > 0.0426）。黑色、栗色和红色的漆层硬度至少比黄色和白色的漆层高出77%。尽管这些数据不是在灵芝的真菌孢子果上获得的，但文献中讨论了色素和颜色对几丁质生物材料机械性能的影响，其中黑色素化的组织显示出更高的机械性能[27],[28]。因此，图2中的结果对于理解灵芝漆层中颜色色素的统计显著性作用非常重要，以及较深的色素如何显著提高压痕硬度。

3.2. 漆层微观结构分析
为了理解机械行为，研究了漆层的微观结构，以探究微观结构与机械性能之间的关系。样品的横截面显示了漆层的厚度（图3）。该图展示了五种不同颜色灵芝的漆层及其相应的厚度测量值。五种不同颜色灵芝的漆层是一层薄膜，平均厚度在7至15微米之间。漆层厚度的测量结果显示，五种颜色之间的差异具有统计学显著性（p < 0.01），除了黑色和黄色（p > 0.05）。然而，微观结构厚度并不能解释漆层的机械行为，因为较深的漆层（黑色、栗色和红色）的硬度与较浅的漆层（黄色和白色）之间没有相关性（p < 0.00002）。尽管如此，该图显示漆层的结构比基材层中紧密排列的菌丝更加融合，这部分解释了漆层硬度较高的原因。为了验证结构变化的统计分析，比较了五种测试的不同颜色物种中单个孢子果的厚度测量值。黑色、栗色和黄色漆层之间的厚度没有统计学上的显著差异，这表明测量结果不受物种间差异的影响。文献中尚未通过测量层厚度来研究漆层。然而，已经测量了不同多孔菌和棒菌壳的厚度。在宏观尺度上，Ganoderma applanatum壳的厚度测量值在100至250微米范围内[14]。然而，这些测量不是针对漆层灵芝进行的，也没有使用SEM等微观结构分析工具来更准确测量层厚度。

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图3. 代表性的SEM图像显示了五种灵芝颜色的薄融合漆层的厚度和结构，以及显示其厚度测量的箱线图。（A-E）分别显示了黑色、栗色、红色、黄色和白色灵芝的横截面代表性SEM图像。横截面显示了薄漆层及其厚度测量方法。（F）显示了每种颜色灵芝漆层的厚度测量值。每种灵芝漆层共进行了90次厚度测量，箱线图总共450次测量。

3.3. 化学特性分析
微观结构无法解释纳米压痕实验观察到的机械行为，因为微观结构厚度与硬度结果之间没有相关性。具体来说，较深漆层的硬度显著高于较浅漆层（图2，图3）。这表明除了微观结构之外，还有其他因素导致灵芝漆层硬度增加。因此，需要进一步的研究来了解灵芝漆层硬度增加的驱动因素。此外，较深的漆层颜色（黑色、栗色和红色）的硬度显著高于较浅的颜色（黄色和白色）（p < 0.00002），这表明差异是由于成分而不是结构的变化所致。

3.3.1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
记录了五种不同颜色灵芝物种（黑色、栗色、红色、黄色和白色）的基材层和漆层的FTIR光谱，如图4所示。该图显示了所有测试物种的基材层的标准化光谱。基材光谱一致，显示出所有测试物种相同的峰和行为。这种特定于基材的行为与真菌和其他灵芝的化学成分一致，包括羟基和氨基（OH和NH）、脂质、蛋白质、几丁质和多糖[8],[29]。图4还显示了黑色、栗色、红色、黄色和白色漆层的记录光谱。漆层光谱与基材光谱不同，尤其是在1800至1480厘米^-1的波数区域。基材和漆层光谱之间的主要区别在于蛋白质区域，其中漆层显示了蛋白质（酰胺I–II）和真黑素芳香/醌信号。然而，为了确认这些信号，需要进一步的化学分析来了解其复杂成分，鉴定色素，并确定其是否由真黑素引起。

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图4. 黑色、栗色、红色、黄色和白色灵芝的漆层和基材层的代表性傅里叶变换红外光谱（FTIR）光谱。FTIR光谱显示了每种灵芝的漆层和基材层的化学成分。基材和漆层显示了五种灵芝颜色的相同成分。然而，漆层光谱与基材光谱不同，漆层光谱显示了真黑素芳香/醌信号的存在，而这些信号在基材层中不存在。

3.3.2. 拉曼光谱
为了更好地理解漆层的化学成分，使用拉曼光谱收集了五种灵芝物种（黑色、栗色、红色、黄色和白色）的漆层光谱，如图5所示。该图显示了五种颜色的叠加光谱及归一化强度。图5显示了1350至1850厘米^-1之间的两个显著峰，一个位于1480厘米^-1，另一个位于1750厘米^-1，这些峰对应于真黑素，这是一种负责自然色素沉着的物质[30],[31]。通过拉曼光谱已经对暴露在阳光和物理损伤下的各种生物样本中的真黑素进行了表征，例如鸟羽毛、人类头发、野猪 facial hair、植物和真菌，这些样本都需要防止物理和太阳辐射[30],[32],[33],[34]。拉曼光谱中，真黑素的特征是D带和G带范围，其中D带位于1450至1500厘米^-1，G带位于1650至1800厘米^-1，这一点通过本研究中测试的五种灵芝漆层的光谱得到了证实，并得到了文献的支持[33]。图5还显示，在黑色、紫红色和红色的漆层中，真黑素的峰值和信号强度要高于黄色和白色的漆层。下载：下载高分辨率图像（206KB）下载：下载全尺寸图像

图5. 五种测试的灵芝漆颜色的代表性拉曼光谱（黑色、紫红色、红色、黄色和白色）。D带和G带的信号分别位于1480和1750厘米^-1，表明五种灵芝漆中均含有真黑素（一种黑色素）。黑色、紫红色和红色的漆层显示出比黄色和白色漆层更强的真黑素信号。

研究了化学成分对表面硬度的影响，将五种不同颜色的灵芝漆（黑色、紫红色、红色、黄色和白色）进行了纳米压痕测试。图2的结果显示，漆层的硬度与基底层相比有统计学上的显著增加（p < 0.0004）。图2中的结果明显表明漆层（外壳）的机械性能得到了提升。这种机械性能的提升进一步支持了外壳作为子实体保护层的假设[10]。压痕硬度是衡量材料抵抗鸟类、昆虫和其他食菌动物侵蚀能力的一个实际指标[35] [36]。图3中的微观结构表征显示，致密的漆层有助于提高硬度；然而，这并不能解释黑色、紫红色和红色漆层硬度的增加与漆层厚度之间的关系。厚度测量结果与机械行为没有相关性，这表明漆层的厚度对提高这些颜色漆层的硬度没有显著贡献。五种灵芝漆的FTIR光谱显示，基底层的光谱与漆层的光谱不同。所有物种的基底层光谱相同，所有漆层的光谱也相同，如图4所示，进一步证实了测试的灵芝漆层和基底层之间化学成分的差异。基底层和漆层光谱之间的主要化学差异出现在蛋白质区域，漆层中显示出蛋白质（酰胺I–II）和真黑素的芳香/醌信号。图5中的拉曼光谱清楚地表明，黑色、紫红色和红色漆层中含有真黑素，而黄色和白色漆层中的真黑素信号较弱。图3(F)中的厚度测量结果和图5中的真黑素峰值强度显示，漆层厚度与真黑素含量之间没有相关性。例如，黑色和黄色漆层的厚度相似，但它们的峰值强度不同。已知黑色素可以增加如真菌和其他生物组织这样的几丁质样本的机械强度[27] [37] [38]。尽管黑色素与生物材料的强度增加有关，但本研究中观察到的与硬度的关系是相关的，这是由真黑素的存在驱动的。虽然未直接研究分子机制（包括潜在的交联或结构强化作用），但由于硬度通常与这些几丁质材料的强度相关，因此具有更高拉曼真黑素峰值的黑色、紫红色和红色漆层在硬度上显著高于黑色素含量较低的黄色和白色漆层（p < 0.00002）。这些结果表明真黑素可以增加表面硬度，但并未解释为什么除了黑色和白色之外还存在其他颜色，这需要更多数据。

图6显示了五种灵芝漆的吸光度测量结果。如图6（A和B）所示，不同颜色的漆层表现出不同的吸光行为。漆层颜色越深，吸收的太阳光谱百分比越高，其中深色漆层（黑色、紫红色和红色）分别吸收了100%、57%和32%的太阳光谱，而浅色漆层（黄色和白色）在280-800纳米光谱带内仅吸收了17%和1.6%的太阳光谱。深色漆层分别吸收了11.5%、6.5%和3.6%的太阳光谱，而浅色漆层分别仅吸收了1.9%和0.2%的太阳光谱。五种颜色之间的吸光度存在统计学上的显著差异（p < 0.000092）。下载：下载高分辨率图像（143KB）下载：下载全尺寸图像

图6. 五种灵芝漆颜色的太阳光谱吸光百分比和UV-Vis光谱。（A）相对于黑色的标准化条形图，标准偏差（n = 15），显示黑色和白色的平均太阳光谱吸光百分比分别为100%和1.6%。所有五种颜色之间的太阳光谱吸光百分比存在统计学上的显著差异（p < 0.000092）。（B）显示了所有五种测试灵芝颜色的代表性UV-Vis光谱。UV-Vis光谱显示，这些漆层在紫外线波长范围内吸光最强，尤其是在对真菌有害的UV-B波长范围内。

植物以其高吸光率而闻名，当作为完整叶片组织测量时，其吸光率超过80%[39]。漆层的吸光率较低是因为真菌不进行光合作用，而植物的组织专门适应了光捕获。相比之下，绿叶具有高吸光率，由于叶绿素浓度高和内部散射作用，能够捕获超过80%的光合有效辐射（PAR：400-700纳米）[39] [40]。这种吸光水平被认为是高效的，因为叶片组织的主要目标是通过高叶绿素含量和内部结构来最大化光子捕获，从而延长光的光学路径。相比之下，溶解的绿色植物叶片组织溶液中的色素具有波长依赖性，在蓝光区域有强吸收，在可见光谱的绿光区域（通常在520-580纳米附近叶绿素提取物的吸收约为20-40%）吸光较弱[41] [42]。相比之下，真菌漆层不是光捕获组织，因为它的作用是结构和保护性的；因此，图6中的吸光水平适用于非光合生物涂层。因此，较低的吸光率并不表示性能差，而是反映了真菌漆层和光合植物组织之间的根本功能差异。研究颜色差异很有趣，因为植物使用绿色色素叶绿素来捕获光合作用所需的光。值得注意的是，尽管灵芝不需要光合作用，但它仍然产生不同颜色的漆层（图1（A-E）[43]。

为了了解不同颜色和不同黑色素含量的作用，对漆层进行了分光光度测量以测定其不同颜色的吸光度。图6（A）表明，颜色较深的漆层（真黑素含量较高）比颜色较浅的漆层吸收更多的太阳辐射。文献中描述了真黑素在真菌中的一个作用是允许更多的太阳辐射被吸收[44]。寒冷地区的真菌子实体往往具有更深的色素沉着和颜色，而在温暖地区的子实体可能具有较浅的颜色[45] [46]。较深的色素沉着和黑色素使子实体能够在较冷地区吸收更多的太阳辐射，从而调节其生长周期所需的温度和湿度[46]。另一方面，温暖地区的子实体需要较少的太阳辐射来调节其生长周期所需的温度和湿度，因此需要较少的色素沉着或真黑素[47]。色素沉着的颜色与生长条件和物种差异相关。图6（B）表明，所有漆层在UV-B光谱范围内的吸光最强。由于UV-B光是阳光中对真菌组织最具破坏性的部分，漆层中吸光率的增加可以用漆层中的黑色素作为防御机制（即防晒）来解释[48] [49]。使用溶解的漆层的UV-Vis光谱来测量提取的色素的UV-B吸收能力，代表了溶解成分的内在吸光特性，而不是完整漆层的原位光学行为，但仍支持漆层作为紫外线防护层的作用。黑色素将保护活组织和孢子免受阳光损害，同时允许较长波长的光（如UV-A和可见光）透过，以调节温度和湿度[50]。

图7显示，深色物种（黑色、紫红色和红色）的漆层厚度为7至9微米。尽管是非矿化的，这种薄几丁质层的纳米压痕硬度中值在0.18到0.24吉帕之间。这些发现很重要，因为大多数具有相似或更高硬度的生物组织需要较厚的层、硬化或矿物质加固[51] [52]。美洲龙虾（H. americanus）的外表皮硬度在0.13到0.27吉帕之间，取决于骨骼不同位置的深度，总外表皮厚度为几百微米[52]。这种薄的、致密的漆层在没有矿化或产生厚层的情况下实现了相似的表面硬度。如图7所示，漆层的结构性能加上其在紫外线区域的有效太阳辐射吸收能力，使其成为一种高效的多功能薄膜。在不到15微米的平均厚度下，漆层结合了防止物理损伤和捕食者的表面保护作用，同时过滤了对真菌子实体有害的紫外线，提供了通常在甲壳类动物或昆虫的壳和外骨骼中通过复杂层次结构实现的双重功能，这些结构需要更大的厚度和矿物质加固。灵芝能够产生一种坚硬、薄的、非矿化的漆层，能够抵抗物理和太阳损伤，这突显了高效材料使用、多功能保护和最小生物量成本的重要设计原则。这些发现表明，经过黑色素处理的灵芝漆可以作为一类新型的生物衍生物涂层，其机械和光保护性能可与复杂且被广泛研究的生物复合材料相媲美。

图7展示了灵芝漆层在抗压痕和紫外线方面的物理和太阳保护作用。灵芝漆层颜色越深，与硬度和紫外线吸收的相关性越高。物理和太阳保护性能随着真黑素含量的增加而提高，真黑素含量导致漆层变暗。

本研究考察了五种不同颜色的灵芝物种。进行了详细分析以了解漆层的保护性能。分析包括纳米压痕、微观结构成像、化学表征和太阳吸光度测试。这种综合方法不仅有助于了解漆层的保护特性，还促进了由于其统计上显著高的机械和化学性能而在各种行业中的应用。综合分析得出的结论如下：
- 所有五种灵芝物种的漆层硬度都显著高于相应的基底层（p < 0.0004）。漆层硬度的增加确立了漆层作为机械保护外壳的假设作用。
- 微观结构分析表明，与基底层中紧密排列的菌丝相比，漆层具有高度融合的结构，从而提高了硬度。然而，漆层厚度本身并不能解释机械性能的差异，尤其是在黑色、紫红色和红色样品中。
- FTIR结果显示了两种不同的化学特征：（1）所有基底层在所有物种中具有相同的光谱；（2）所有漆层具有独立的、一致的光谱，确认了含有真黑素芳香/醌信号的化学上不同的层。
- 拉曼光谱在黑色、紫红色和红色漆层中检测到了强烈的真黑素峰值。相比之下，黄色和白色漆层中的真黑素峰值较弱，表明不同颜色之间的黑色素含量有所不同。
- 较高的黑色素含量与显著的更高硬度相关。富含真黑素的漆层（黑色、紫红色和红色）硬度相同，但比黑色素含量较低的漆层（黄色和白色）硬度显著更高（p < 0.00002）。这种关系与已知黑色素在增强基于几丁质的材料和真菌组织中的作用是一致的。紫外-可见光谱法表明，颜色较深的漆层（含有更高量的真黑素）吸收了更多的太阳辐射。所有漆样在UV-B区域都显示出峰值吸收，而UV-B区域是阳光中对真菌组织危害最大的部分，这表明漆层具有基于黑素的光保护作用，从而保护了子实体的其他层次。综合机械、材料、化学和光学实验结果可以得出结论：富含真黑素的深色漆层（这是不同物种之间的差异）既提供了机械硬度，也具有防阳光/紫外线的保护作用。

**作者贡献声明：**
- Mathieu Francoeur：撰写、审稿与编辑；概念构思。
- Steven E. Naleway：撰写、审稿与编辑；项目管理；资金筹措；概念构思。
- Ihsan S. Elnunu：撰写、审稿与编辑；原始稿撰写；方法论；实验设计；数据分析；概念构思。