综述：菌丝体基生物制品——可持续经济的新型材料

这篇综述系统阐述了菌丝体基生物材料（MBMs）在可持续经济中的创新应用，聚焦其分子机制（如β-1,3-葡聚糖和几丁质合成）、多酶系统（LiP/MnP/Lac）降解木质纤维素（lignocellulose）的途径，以及作为动物皮革、聚苯乙烯泡沫（EPS）替代品的产业化潜力（如Ecovative公司的MycoBoard?）。文章整合了材料生物技术（Material Biotechnology）与循环经济原则，为生物基（bio-based）和生物制造（bio-manufactured）材料领域提供前瞻视角。

　　

菌丝体基生物制品：可持续经济的新型材料

摘要

真菌菌丝体通过降解木质纤维素植物残基自组装形成的生物材料，已成为过去二十年材料科学的新范式。这类材料基于"制造而非提取"的替代生产模式，整合了循环经济和材料生物技术（Material Biotechnology）原则，具有完全生物降解特性。其应用覆盖包装、生物纺织品（biotextiles）、建筑材料和可持续蛋白食品，有望替代动物皮革、石化产品，显著降低环境足迹。

1. 引言

合成材料（如塑料）的生产伴随高能耗、温室气体排放和有毒废物问题。真菌凭借代谢多样性、快速生长及废物转化能力，成为开发生物基材料的理想选择。菌丝体通过分泌多酶系统降解木质纤维素，形成轻质、可降解的复合材料，其机械性能接近聚氨酯泡沫和动物皮革。生物技术公司正利用真菌生物制造高附加值产品，包括食品添加剂、生物活性化合物和酶制剂。

2. 真菌的生物学特性

真菌细胞壁由几丁质（β-1,4-N-乙酰-D-葡糖胺聚合物）、β-1,3-葡聚糖和糖蛋白构成，赋予其机械强度和疏水性。菌丝体分为营养菌丝（吸收养分）和气生菌丝（繁殖结构），前者在木质纤维素基质中形成三维网络。白腐菌（如灵芝G. lucidum）的细胞壁成分可通过底物调控——在纯纤维素上生长的菌丝因几丁质合成增加而更坚硬。

3. 木质纤维素降解机制

木质纤维素由纤维素（45%植物干重）、半纤维素和木质素组成。真菌通过协同酶系统破解其抗性结构：

• 纤维素酶：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶水解β-1,4-糖苷键
• 木质素降解酶：漆酶（Lac）、木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP）通过自由基反应解聚苯丙烷单元
  白腐菌的酶活性数据表明，Ganoderma applanatum在小麦秸秆上MnP活性达90.363 U/mgP，显著高于其他菌株。

4. 菌丝体基生物材料制备

泡沫材料（MBFs）：以5-25 mm纤维为底物，70-78%湿度下培养，热压灭活菌丝后密度降至0.35-0.39 g/cm³，弹性模量（35-97 MPa）接近软木。Ecovative公司的MycoFlex?纯菌丝泡沫已用于鞋类隔热层。
夹层复合材料（MBSCs）：采用亚麻布等天然纤维层压制，拉伸强度达0.24 MPa。NASA正探索菌丝体-细菌共生体系（如Bacillus subtilis）用于航天器辐射防护。
真菌皮革：MycoWorks公司的Reishi?通过调控气生菌丝形态，实现8-11 MPa抗张强度和24 N撕裂强度，性能媲美动物皮革。

5. 产业应用与挑战

全球48项专利中，Ecovative（45%）和MycoWorks（6%）主导市场。拉丁美洲企业如秘鲁Le Qara开发微生物共生皮革，但规模化生产仍受限于：

• 菌株筛选标准化缺失
• 底物-菌种匹配数据库不足
• 湿热成型工艺能耗优化空间

6. 循环经济意义

菌丝体材料生命周期末端可转化为堆肥、动物饲料或二次生物原料。相比石化产品，其生产能耗降低60%，且每吨底物可固碳1.8吨CO₂当量。

7. 结论

真菌菌丝体通过"生长即制造"模式，为材料工业提供可持续解决方案。未来研究需聚焦酶系统定向进化、跨学科协作（如合成生物学与材料科学），以及热带地区木质纤维素废物的高值化利用。