《New Biotechnology》：Tailoring Structure-Property Relationships of Fungal Mycelium for Material Applications: A Process Engineering Approach for Pure Mycelium-Based Biomaterials
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本综述系统阐述了如何通过过程工程策略（如优化生长条件、选择底物、设计生物反应器）及后处理技术来调控纯菌丝体材料（PMMs）的性能，以实现其作为皮革和一次性塑料可持续替代品的应用潜力。文章重点探讨了菌丝体结构-性能关系，并涉及生命周期评估（LCA）和监管要求，为可扩展、可重复的PMMs生产提供了工程学见解。
PMMs作为皮革和一次性塑料的替代品
传统皮革生产和一次性塑料（SUPs）对环境造成了显著负担。纯菌丝体材料（PMMs）作为一种可持续的生物基替代材料，利用无害真菌和农食加工副产物进行生产，显示出巨大的应用潜力。与保留底物残渣的菌丝体复合物（MBCs）不同，PMMs不含任何底物残留，其结构和性能主要由真菌物种和生长（过程）条件决定。这使得PMMs的性能可从泡沫、纸张、皮革到聚合物样等多种特性进行定制，适用于包装、纺织、建筑、汽车等不同领域。PMMs的机械性能，如拉伸强度（TS）在0.4–18.0 MPa范围内，断裂伸长率（EAB）在0.6–31.0%之间，密度在420-1110 kg m-3之间，其热稳定性（热分解温度200-380 °C）与低密度聚乙烯（LDPE）、聚乳酸（PLA）和聚羟基链烷酸酯（PHA）等传统聚合物相当，表明它们有潜力成为这些材料在某些应用中的直接替代品。
用于生产PMM的生物过程工程策略
PMM的生产可以通过生物过程工程策略进行优化，包括调控底物组成、温度、pH值和其他生长条件。这些策略为在菌丝体生长阶段定制其性能以生产具有理想特性的生物材料提供了优势。
由底物和生物反应器设计介导的菌丝体结构变化
底物类型和生物反应器配置能显著影响菌丝体的形态（如分散状、簇状、球状）、菌丝结构、孔隙率和密度。例如，在土豆葡萄糖肉汤（PDB）中添加木质素或葡萄糖会引导灵芝（Ganoderma lucidum）形成不同形态的菌丝（光滑、长线状或管状），从而影响最终材料的密度和机械性能。生物反应器设计（如搅拌罐、气升式反应器）通过影响溶氧、剪切力和混合效率，进一步调控菌丝网络的生长和取向。较高的气流速率和特定的二氧化碳（CO2）浓度有助于形成更致密或更疏松的菌丝结构，从而实现对PMM性能（如拉伸强度、密度）的精确控制。
由生长条件介导的PMM组成和材料性能变化
真菌响应环境因素（如底物成分、pH、温度、光照、湿度）会改变其细胞壁组成（几丁质、β-葡聚糖、蛋白质的比例）。例如，在纤维素底物上生长的平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝体几丁质含量更高，导致材料更刚硬。而富含营养的底物（如PDB）可能促进蛋白质和脂质合成，增强材料的柔韧性。通过调节这些生长条件，可以定向调控PMM的机械性能（如杨氏模量-YM）、热稳定性和疏水性（通过水接触角-WCA测量）。
由生长条件介导的PMM取向变化
菌丝网络的取向对其宏观材料性能至关重要。通过控制生长环境（如气流、相对湿度-RH）或使用中间层引导生长，可以获得编织状、层状或各向同性的菌丝网络结构。例如，在特定气流和湿度条件下生长菌丝体，可以形成具有特定取向的致密网络，从而增强材料在特定方向上的强度。调控菌丝顶端的渗透压梯度也能刺激菌丝的定向延伸，进一步影响材料的最终结构。
由后处理技术介导的PMM组成和材料性能变化
后处理是优化PMM性能的关键步骤。增塑剂（如甘油、山梨醇）的加入可以通过减少细胞壁组分间的氢键，显著提高PMM的柔韧性和断裂伸长率（EAB）。例如，用甘油处理裂褶菌（Schizophyllum commune）PMM，其EAB可从1.5%提升至29.6%。交联剂（如单宁酸、戊二醛、京尼平）则能与菌丝细胞壁多糖（几丁质、葡聚糖）和蛋白质的官能团形成共价键，增强材料的拉伸强度（TS）和密度，并降低吸水性。组合处理（如先单宁预处理，再甘油和生物基粘合剂后处理）可以协同改善PMM的综合性能。热压等物理后处理也能改变菌丝体的细胞壁组成和材料性能。
具有定制性能的PMMs工程所面临的挑战与前景
尽管PMMs前景广阔，但其大规模市场应用仍面临挑战。主要包括：可用于PMM生产的真菌物种多样性有限且研究不深；生长条件的微小变化可能导致PMM性能的显著差异，重现性挑战大；缺乏在可控生物反应器中进行可放大的工艺过程研究；需要全面的生命周期评估（LCA）来验证其环境效益；以及为确保在食品接触和纺织品应用中的安全性，获得相应的监管认证（如GRAS, OEKO-TEX, REACH）至关重要。未来的研究应结合过程工程与LCA，生成可靠的数据集，验证环保声明，支持生态标签政策，从而推动PMMs在包装和纺织等领域的商业化突破。
结论
真菌菌丝体为可持续和多功能材料的制造提供了一个强大的平台。通过过程工程方法调控菌丝体的生长条件和后处理工艺，可以定制PMMs的性能以满足特定应用需求。将这些技术进步与系统的LCA研究相结合，对于证实PMMs的环境效益、支持其生态标签化和为政策决策提供信息至关重要。这些努力将有助于将PMMs的研究潜力转化为适用于多种应用的商业可行且可持续的材料。
