吉林农业大学李玉院士团队Trends in Biotechnology综述丨食用菌菌丝基材料的多尺度与可编程工学

1. 绿色生物制造的重要研究方向-真菌菌丝基材料

在“双碳”目标和循环经济背景下，基于可再生生物质开发的环境友好型生物材料，已成为材料科学与生物制造领域的重要方向。食用菌可在含纤维素、木质素等农业生物质上生长，形成天然立体的纤维网络结构。该结构通过生物加工与后续成型形成多模态材料体系。这种天然的生物材料在可降解包装、柔性片材、保温隔热材料、多孔支架及功能复合材料等方面展现出广泛的应用潜力（图1）。

这种食用菌菌丝基材料体系因其形态、功能及性质差异不应被简单概括为一种统一泛指的“菌丝材料”，而更应被视为一种路径依赖型生物制造的特异性功能产品。这种生物材料的形态、结构性能与适用场景不仅取决于菌种生长形成的菌丝体本身，还受到培养底物、培养方式、成型工艺和后处理过程的共同影响。也正因如此，不同类型菌丝材料不能被视为同一类材料进行简单比较，而应在明确制备路径和应用目标的前提下进行分类评价和针对性开发（图1）。

2. 真菌菌丝基材料的分类及功能多样化

食用菌菌丝基材料主要包括基质结合型复合材料、致密化板材、类皮革材料、类纸片材、水凝胶、气凝胶以及功能杂化材料等几个类别。其中，基质结合型复合材料是目前研究基础相对较扎实、应用前景较为明确的一类，主要适用于保护性包装、吸音填充和非承重隔热材料；类皮革材料因兼具生物基属性与柔性加工潜力，作为时尚消费品和可持续材料受到广泛关注；类纸片材可用于装饰、印刷及特色纸基产品；而水凝胶、气凝胶及功能杂化材料则在医用敷料、吸附分离、轻质隔热和功能器件等方面展现出高值应用前景。

3. 塑造菌丝基材料形态和结构性能差异的关键因素

菌丝基材料的多尺度调控规律主要包括真菌菌丝体生物学阶段的生长特征，主要由使用菌种、菌丝结构、培育方式等多因素决定；此外菌丝体后续的处理加工及改良方式则由材料学的塑化、交联及涂层喷涂等方式决定。因此菌丝体材料的力学、透气性、吸湿性、防火性等特异性能，取决于菌丝体生长的微生物学过程和后处理的生物化学过程。

在菌丝体生长的生物学阶段，不同培养方式导致的菌丝体形态及疏水物质含量、营养供给导致的分枝方式、排列状态、孔隙分布和网络连续性均会影响材料的密度、强度、柔韧性等；在材料的后处理生物化学阶段，压制、干燥/冻干、塑化/碳化、交联、涂层等工艺会进一步重塑其微观结构和宏观性能。这种生物过程与材料化学处理过程共同作用形成的真菌菌丝基材料，具有典型的“菌丝生长—结构组装—工艺调控”多阶段耦合特征，未来研究应更加重视“特定菌株—菌丝体原材料—适合工艺”之间的系统协同关系，通过建立更清晰的“过程—结构—性能”阶段化平台，推动菌丝基材料由可生物“制造”走向可编程工业化生物“智造”，进一步提升其在不同领域的应用潜能。

4. 菌丝基材料工程化与产业化应用面临挑战

尽管食用菌菌丝基材料在可持续发展和生物制造领域展现出良好潜力，但因为生物材料使用的原材料-菌丝体依赖生长环境的生物学特征，菌株基因表达的环境制约等因素，该领域进一步工程化与产业化发展仍面临批次一致性不足、长期稳定性有限、加工成本较高、质量控制体系不完善，以及标准规范和监管评价体系尚不健全等诸多挑战（图2）。

对于研究较深入的菌丝与基质结合型复合材料，菌丝体与基质结合的密度、菌丝生长状态等在干燥和失活处理过程中直接影响材料孔隙结构保持，导致收缩率变化过大、尺寸不稳定等问题。而类皮革和片材菌丝材料，通过固体剥离的菌丝体或是液体培养收集的菌丝体，因为表面均一性、菌丝间结合强度、菌丝韧性及疏水物质含量等不同导致材料的力学性质、韧性和疏水性存在较大差异，是未来科研工作的重要努力方向。对于菌丝材料作为水凝胶、气凝胶和功能杂化材料，除了菌丝体材料自身的生物学特征之外，还存在与其负载材料的重构过程中复杂化学键合、材料稳定性以及应用重复性等问题，这些关键问题的解决是其规模化应用的首要基础。因此，未来该领域的核心任务不仅是实现菌物材料的多尺度、可编程的工程化设计与制备，更在于通过多分类、多功能及多角度的基础科研，建立稳定、可控、可复制、可放大的工程化路线，提升其面向真实使用场景的应用适配能力。

5. 解决菌丝体材料面临挑战的新动能-交叉融合生物技术

随着微生物学、分子生物学、材料学、合成生物学以及人工智能的快速发展，食用菌菌丝基材料的多尺度、可编程工程化发展将迎来前所未有的重要契机。

菌丝体的微生物学为材料制造提供了基础底盘和工程化起点。底盘菌株的优选及其生长条件的精准调控是决定材料结构和性能的基础。如何保留材料的生物活性，使其获得环境响应和损伤修复等动态功能也是该材料研究领域的新课题。分子生物学为菌丝基材料在基因层面进行“编程”提供了强大工具。通过基因编辑技术对菌株进行理性的、靶向性的遗传改造，揭示调控菌丝生长的关键基因，使材料原料的可编程化成为可能。合成生物学为构建具有环境响应、自修复功能的“工程活体材料”研究提供模块化设计和方法论。结合人工智能（AI）的材料学将为微观的菌丝网络转化为宏观的各类功能材料的研发和规模化生产提供强大的预测、监控和优化工具。

另外，除了多学科交叉研究赋能新材料发展的同时，未来研究同样需要加强标准化测试、应用场景导向评价、生命周期分析和技术经济分析，建立更加科学、面向真实使用条件的评价体系，从而推动其从实验室研究阶段走向工程应用和产业转化的进程。

6. 总结与展望

该综述系统梳理了食用菌菌丝基材料在不同制备路径下的材料类型、性能特征、应用方向与产业转化挑战。该材料并非泛指单一材料类别，而是一个“路径依赖”的生物制造平台。其最终性能是由菌株、营养和培养条件的生物学过程和由菌丝体加工路径和后处理过程共同决定。在明确的应用场景下，菌物材料产业化发展应遵循阶段性发展策略：首先，依赖多学科交叉的基础研究突破；其次，建立统一的性能测试标准；最后，结合全生命周期和经济评估验证其综合效益，从而逐一突破其产业化过程中的关键瓶颈。

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊

Trends in Biotechnology，

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