基于菌丝体的生物材料

稳健的材料平台和化石及生物聚合物泡沫的可持续替代品

材料密集型行业的脱碳需求日益迫切，使得包装、保温和吸水泡沫材料，例如发泡聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯（PU）和聚乙烯（PE）等，成为关注焦点。这些材料因其轻质、低成本和优异的机械性能而主导着全球市场。然而，它们对化石原料的依赖、在环境中长期残留、产生微塑料以及糟糕的最终处理方式（无论是填埋、焚烧还是仅进行少量回收利用），都使其与循环经济和净零排放目标日益不符。

聚乳酸（PLA）、淀粉混合物和聚羟基脂肪酸酯（PHA）等生物聚合物泡沫材料作为更环保的替代品被引入，在可再生性和生物降解性方面取得了一定的改进。然而，它们通常需要高能耗的加工和工业堆肥条件，而这些条件在市政系统中往往难以实现。此外，它们对粮食作物的原料依赖性进一步加剧了人们对可持续性和粮食安全的担忧，削弱了其诸多环境效益。

在此背景下，菌丝体基复合材料（MBCs）作为一种新型颠覆性生物材料脱颖而出。菌丝体——真菌的丝状网络——在木质纤维素废弃物（如农业残渣、锯末和纸浆造纸污泥）上培养，可将低价值的有机副产品转化为具有泡沫状特性的可生物降解、结构坚固的材料。与合成聚合物不同，它们是通过生物生长而非化学合成的方式制备的，依靠真菌代谢来构建功能性循环材料。

菌丝生物复合材料的潜力远不止于技术和材料的替代。它们的生产体现了循环经济的原则：废物流的增值利用、能源消耗的最小化、碳的固存以及确保其最终的良性处置途径。它们不与粮食系统竞争，而是从未充分利用的农业和工业残渣中创造价值。因此，菌丝材料不仅代表了一种生态替代方案，也代表了一种可再生工业途径。

本文全面综述了菌丝复合材料的科学、工程、性能和商业化，重点关注其在替代化石和生物聚合物泡沫材料方面的作用。文章整合了真菌生物学、工程学、基质增值利用、生命周期评估和行业案例研究等方面的知识，呈现了该领域的最新进展。通过将研究成果提炼为简明的性能基准，并着重指出关键的研究空白，本文概述了菌丝复合材料从新兴创新到主流材料平台的转型路线图。

菌丝体材料科学与生长机制

菌丝体的生物学特性
这项创新的核心在于真菌生物学。菌丝体是真菌的营养根状结构，由菌丝组成。菌丝是延伸到基质中的微小丝状物，能够分泌酶来分解木质素、纤维素和半纤维素。这些酶包括木质素过氧化物酶、漆酶和纤维素酶——它们各自发挥作用，将坚韧的木质纤维素聚合物（废物）转化为真菌代谢所需的营养物质。最终结果是既有消化作用又有粘附作用：真菌消耗有机物，同时将其物理结合成一种轻质的泡沫状复合材料。

真菌定殖通常需要7-14天。生长动态取决于菌株、基质和环境条件。一旦基质完全定殖，即可通过热处理（60-90°C）或脱水终止生长，从而得到稳定的惰性复合材料。与必须化学合成的塑料不同，菌丝体复合材料是在室温下通过生物自组装形成的，从而将能量投入降低了一个数量级。

真菌菌株的选择
不同的真菌菌株可以生产出具有不同特性的复合材料或生物材料。

• 灵芝（Ganoderma lucidum）：形成致密、疏水的垫状物，具有很强的机械完整性。可用于硬质包装和结构应用。
• 平菇（Pleurotus ostreatus）：繁殖迅速，可产生更轻、更海绵状的复合材料，非常适合用于吸收性应用。
• 云芝（Trametes versicolor，又名火鸡尾）：擅长分解富含木质素的底物，因此对纸浆和纸张残渣非常有效。

菌株的选择直接影响生物合成复合材料的密度、孔隙率、吸水率和机械强度。目前已有研究开始探索共培养（例如，灵芝+侧耳）以兼顾强度和生长速度。与此同时，研究人员正在尝试利用CRISPR/Cas9技术进行菌株工程改造，以加速生长并增强疏水性。

底物和营养物质对真菌菌丝体的影响：
真菌菌丝体需要富含碳的底物来获取能量和生长，并需要氮和微量元素来维持其代谢功能。底物的选择和配方不仅决定了材料的可持续性和成本效益，而且显著影响生长动力学和复合材料的性能。

主要基材类别包括：

• 纸浆和造纸厂残渣：脱墨污泥、纤维废料和涂布废料提供了一种富含纤维素、木质素含量低的基质，非常适合菌落定殖，特别是像栓菌属（Trametes）这样的木质素降解菌种。然而，这些材料通常缺乏氮，需要进行富集处理。
• 农业副产品：玉米秸秆、小麦秸秆、稻壳和麻秆等材料提供了丰富的原料，具有良好的碳含量和结构，尽管其成分不一，需要预处理。
• 食品加工废料：啤酒糟、咖啡渣和甘蔗渣等日益被认为是高价值的废弃物，它们富含营养，可作为培养基，提高植物生长速度。

典型的微生物生物炭（MBC）培养基质配方包含70-90%的木质纤维素生物质（富碳残渣），例如纸浆污泥或锯末，作为主要碳源。此外，还添加了5-15%的富氮物质，例如麦麸或豆粕，以支持真菌的代谢和生长。混合物的含水量保持在55-70%（重量比），以促进菌丝的最佳扩展。此外，通常还会添加石膏或石灰等缓冲剂，以将基质的pH值稳定在5.5至6.5的理想范围内，从而增强真菌的定殖并降低污染风险。

为防止细菌或霉菌污染，尤其是在低pH值或营养丰富的混合物中，必须对基质进行巴氏杀菌或灭菌处理。利用当地工业废料不仅可以提高材料的循环利用率，还可以降低投入成本和运输相关的（范围3）排放。

生长动态与环境控制
真菌定殖是一个高度敏感的生物过程，需要严格的环境控制才能实现最佳生长、规模化生产和材料一致性。关键生长参数包括温度、湿度、气体交换和接种方法。

• 温度：大多数工业相关菌株在 24–28°C 之间生长最佳。超出此范围的温度会抑制酶活性、减少菌丝延伸或促进污染。
• 湿度：相对湿度在 65% 至 85% 之间对于维持菌丝体的膨压和扩张至关重要。然而，湿度过高会导致细菌污染或生长不均匀。
• 二氧化碳和氧气浓度：较高的二氧化碳浓度（约 1000-2000 ppm）可促进菌丝垂直生长和蓬松结构的形成，同时最大限度地减少不必要的子实体的形成——非常适合轻质、吸水性强的应用。对于更致密、纤维状的菌垫，则需要高氧气浓度和积极的通气。
• 接种方法：菌种（接种物）与基质的体积比通常为5-15%。可使用的菌种包括谷物菌种、锯末菌种和液体菌种，较高的接种率可加快菌丝生长速度，但需要更严格的灭菌措施以防止污染。

这些变量的精确度决定了产品的一致性——这是当前规模化生产的一个关键问题。先进的生长室利用物联网传感器和基于人工智能的反馈回路来稳定这些变量，从而解决了规模化生产的主要障碍之一：批次差异^10,26。

后处理
生长通常需要7到14天，具体时间取决于基材和菌株。后处理可以调节材料的性能。菌丝定植后，在65-90°C下进行热处理（干燥）可以抑制微生物活性（生长），确保稳定性，并防止使用过程中降解。热压可以提高密度和强度，使复合材料适用于承重（建筑）或非承重（隔热隔音、纺织皮革、吸水）应用。生物聚合物涂层（PLA、虫胶、蜡或壳聚糖）还可以降低吸水率并改善阻隔性能。粘土、硼砂或生物基处理可以提高阻燃性。这些改性拓宽了潜在应用范围，从包装到建筑领域均可应用。

复合材料的微观结构（包括孔径、毛细作用和疏水性）可通过调节真菌菌株、基质颗粒大小、生长时长以及后处理步骤（例如烘烤或表面活性剂的应用）进行调控。这反过来又使得物理机械性能能够根据所需应用进行定制。已报道的典型值如下：

密度：40-200 kg/m³（可调）；抗压强度：0.2-0.6 MPa（可调性有限）；导热系数：0.03-0.07 W/m·K；降噪系数：0.5-0.7；吸水率：干重的200-600%（涂层可降低吸水率）；生物降解性：30-90天内100%降解。

这些特性与化石泡沫材料有重叠之处，但也存在一些权衡取舍。EPS更轻、疏水性更强；菌丝体在生物降解性和循环利用方面表现出色。

与化石和生物聚合物泡沫材料的比较评估

表A对化石基复合材料、生物聚合物复合材料和菌丝体复合材料的性能进行了基准测试。EPS在疏水性和均匀性方面表现出色，而菌丝体在隔热性和抗压强度方面与之相当。其孔隙率使其具有优异的吸声性能。与需要工业堆肥的PLA或PHA不同，菌丝体在自然条件下可在30-90天内生物降解。尽管阻燃性仍存在一定局限性，但添加粘土或壳聚糖涂层等添加剂可以改善其性能。

合成泡沫在可塑性、耐水性和快速生产方面仍具有显著优势。然而，菌丝体材料在密度、抗压强度、导热性和声阻尼性能方面正日益接近合成泡沫，其能量处理工艺相比聚合物发泡所需的高温高压条件更具优势。虽然吸水性仍然是合成泡沫的弱点，但涂层（如壳聚糖、虫胶、生物蜡）可以降低其亲水性。阻燃性是另一个挑战，可以通过添加粘土或硼砂来解决，且不会影响其可堆肥性。生物聚合物泡沫虽然可再生，但其高能耗的加工过程和有限的可堆肥性仍然是其发展的瓶颈。

对比分析还揭示了菌丝体的独特定位：它不仅是一种替代品，更是一个多功能循环产品的平台，可以将废物流转化为高性能材料。

工艺工程与基材增值

工业废料（基质）潜力
菌丝复合材料的关键优势在于工业残渣的资源化利用。纸浆和造纸行业每年产生超过3亿吨的残渣（废料），包括初级污泥、二级生物污泥、纤维细料（废料）和脱墨废料，这些残渣通常需要昂贵的处理。然而，它们富含纤维素，使其成为真菌定殖的理想基质。将这些残渣重新用作真菌原料，可以降低成本、减少废物，并从源头上实现脱碳。

工业残渣的成分各不相同，必须经过预处理
才能保证培养结果的可重复性。减小颗粒尺寸可确保均匀的菌落形成。巴氏杀菌或石灰处理可减少竞争性微生物。优化水分含量和pH缓冲可增强真菌的生长性能。这些步骤可将成分复杂的废弃物转化为可靠的培养基。

工艺工程变量：
菌丝生长受接种比例、基材密度、水分、二氧化碳浓度和通气等因素影响。调整这些参数可以调节材料性能，例如密度、孔隙率和机械强度等。例如，较高的二氧化碳浓度可以生产出更轻、吸水性更强的泡沫材料，而压缩成型后的菌丝生长则可以生产出密度更高、刚性更强的板材。

生长后加工进一步优化产品：

• 干燥和固化：抑制生长并稳定结构。
• 压缩成型：提高密度和抗冲击性。
• 涂层或覆膜：提高防水性和阻隔性能。
• 添加剂：粘土或硼砂等天然阻燃剂可以扩大其适用范围。

这种多功能性使得MBCs具有多种应用前景。

可扩展性和基础设施兼容性：
化石基泡沫材料受益于数十年的基础设施、全球供应链和成熟市场。PLA 和 PHA 虽然供应日益充足，但仍然依赖于工业发酵系统和高纯度淀粉原料。与石油基或工业发酵材料不同，菌丝体可以在本地小批量培养，也可以通过堆叠托盘和人工智能监控的垂直系统进行规模化生产。与纸浆厂的整合可提供闭环模式，包括：(i) 现场废物转化为基质；(ii) 共享干燥、加热和包装基础设施；以及 (iii) 符合 ESG 标准的品牌建设，以促进循环生物经济。

菌丝体的可扩展性取决于：

• 底材供应：全球每年产生的纸浆和造纸废料超过 3 亿吨，因此原料供应不成问题。
• 分布式生产：菌丝体材料可在废弃物附近利用模块化生长单元进行生长，从而实现本地化生产。
• 生长时间限制：菌丝生长需要 7-14 天——比泡沫成型时间长——但批量生产和模具堆叠可以缓解时间瓶颈。

垂直农业架、人工智能监控的生长室和快速干燥系统等领域的新兴创新正在帮助解决产量和一致性方面的挑战，使菌丝体生产更接近可扩展、高通量的工业模式。

产品应用及工程考量

（A）填充和缓冲（包装）
菌丝体基复合材料（MBC）最先进的商业应用之一是模塑包装和缓冲衬垫，而传统上这些材料主要由EPS和PU泡沫构成。纸浆衍生的基材，例如脱墨污泥、细粉和纤维废料，具有优异的堆积密度和孔隙率，能够制造出轻质而结构坚固的部件。菌丝体几乎可以生长成任何几何形状，为电子产品、玻璃器皿和药品提供定制化的保护。通过调整生长参数并在基材中添加纸浆细粉，复合材料可以达到与低密度泡沫相当的抗压强度和冲击吸收性能。这些衬垫经热灭活后，可在数周内完全降解，从而显著提升了其使用寿命结束后的回收利用率。与农业残渣相比，纸浆基基材能够提供更均匀的成型性能，尤其适用于精密多腔部件。

（B）隔音隔热（建筑与施工）23-32
菌丝交织的菌丝网络起到摩擦作用，能够减弱声波，而空隙则能捕获空气，从而提供强大的隔音隔热性能。当在多孔纸浆副产品上生长时，微生物生物复合材料（MBC）在墙板、天花板、电器内衬和汽车内饰等低承重环境中表现出色。其导热系数低至0.03-0.05 W/m·K，可与聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）媲美，而降噪系数（中频范围为0.5-0.7）则可实现有效的声学控制。这些材料完全可生物降解，不含挥发性有机化合物（VOC）和有害纤维，因此比玻璃纤维或矿物棉更安全。通过添加纸屑或低密度涂料废料，可以进一步调节孔隙率；通过使用生物基树脂或矿物添加剂进行后处理，可以提高防火性能。集成到模块化面板系统中，使得安装简便，且报废后可进行堆肥处理。

(C) 纺织与时尚领域，
菌丝体也被开发为一种可持续的皮革替代品，应用于时尚产业，例如奢侈手袋、鞋履和配饰。虽然像Bolt Threads和MycoWorks这样的公司早期主要面向高价值市场，但耐用性、可扩展性和成本方面的挑战阻碍了其更广泛的应用。尽管如此，该领域仍在不断进步，菌丝体仍然是最有前景的非动物源、可生物降解的皮革替代品之一。

(D) 吸收剂应用（工业、溢油控制和卫生）：
在富含纤维的基质上生长的、具有开孔结构、高孔隙率和毛细作用的MBC非常适合用作吸收系统。开孔基质能够有效地吸收水性液体和碳氢化合物，因此可用于油垫、海上围油栏和工业溢油应急响应。

菌丝体对油的吸收通常比对水的吸收快得多（< 4 分钟），吸收量也更高（10-15 克/克）。不过，可以通过进一步的工程改造来提高其吸水性，以满足卫生应用的需求。

在卫生用品领域，薄薄的菌丝体片可用作卫生巾或成人尿垫的吸收芯，从而减少对合成高吸收剂的依赖，并最大限度地减少微塑料污染。多层复合材料也可用于化学品泄漏控制，同时起到液体吸收剂和危险液体防护屏障的作用。

表B比较了经济和环境指标。纸浆废料基质的原料成本可低于0.10美元/公斤，而EPS原料的成本约为1.50美元/公斤。传统泡沫的隐含碳量约为3.5公斤二氧化碳当量/公斤，而以废料为基质培养的菌丝体则低于0.5公斤二氧化碳当量/公斤。菌丝体的培养时间为7-14天，虽然比聚合物发泡慢，但可以通过放置在废料源附近的分布式模块化培养单元来弥补这一不足。

将模块化菌丝体单元整合到造纸厂中，代表了一种引人注目的循环模式，既能节约成本，又能实现 ESG 目标，同时还能创造区域绿色就业机会。

商业开发与初创企业

过去十年见证了菌丝体创业公司的爆发式增长。

• Ecovative Design（美国）：自2007年以来一直是保护性模塑包装内衬的先驱。之后，该公司衍生出Forager（菌丝皮革）和MyForest（食品）。其授权许可模式已将技术推广至全球。
• MycoWorks（美国）：已筹集超过3.8亿美元资金，研发出Fine Mycelium™皮革，并与爱马仕、通用汽车等品牌建立了合作关系。近期，其位于南卡罗来纳州的商业规模工厂正式投产。
• MOGU（意大利）：专门生产吸音瓷砖和室内面板，利用农业残余物进行生产。
• Bolt Threads（美国）：融资超过1.3亿美元，开发出Mylo™皮革，吸引了阿迪达斯、Stella McCartney和Lululemon等品牌。该公司于2023年暂停了Mylo™的生产运营。
• 蘑菇材料公司（新西兰）：致力于用可持续的真菌基包装取代聚苯乙烯泡沫塑料。
• MycoBio（中国）：专注于菌丝体材料在不同基质中的生长与应用，结合生长过程、材料形态与可控性，构建可实践的技术与方案，支持材料实验、制作与应用探索。
• 新兴公司：Grown.bio 和 Loop Biotech（荷兰）、Biohm（英国）等公司正在开发家具、棺材和建筑产品。

这些公司展现了菌丝体的多功能性：从奢侈时尚到功能性包装，从建筑板材到可生物降解棺材。规模化仍然是一个挑战，其生产成本略高于EPS。尽管如此，发展趋势清晰可见：小众奢侈品正在为主流应用铺平道路。商业模式各不相同。Ecovative广泛授权（例如授权给Sealed Air），而MycoWorks则进行内部生产，并专注于高价值奢侈品。

MOGU瞄准建筑市场，而Bolt Threads则寻求品牌合作。这种多样性既体现了灵活性，也反映了市场的分散性。初创企业的总融资额已超过8亿美元，反映了投资者的信心。目前，全球菌丝体市场价值超过120亿美元。各企业的市场进入策略各不相同——从奢侈皮革、大宗商品包装到建筑板材——但都受益于塑料禁令和企业ESG承诺的推动。

生命周期评估与循环性指标

生命周期评估 (LCA) 研究（表 C）证实了菌丝复合材料比石油化工泡沫更具吸引力。

EPS 和 PU 泡沫每生产 1 公斤产品需消耗 85–120 MJ/kg 的能量，并排放 2.4–4.5 kg CO₂e。而利用废弃生物质培养的菌丝体，每生产 1 公斤仅需消耗 2.5–4.0 MJ/kg 的能量，并仅排放 0.3–0.5 kg CO₂e。因此，从生命周期评估 (LCA) 的角度来看，与 EPS/PU 相比，菌丝体可减少 70–90% 的温室气体排放。虽然菌丝体的水足迹略高于化石基泡沫，但由于不会产生有毒副产品和持久性微塑料，因此可以抵消这一不利因素。

报废处理方案同样具有吸引力。菌丝体在土壤或堆肥中30-90天内即可分解，只留下有机物——不会产生微塑料污染。相比之下，EPS（聚苯乙烯泡沫）会持续存在数百年，并释放苯乙烯和甲烷。PLA（聚乳酸）和PHA（聚羟基脂肪酸酯）则需要工业堆肥处理。

循环经济理念高度契合：菌丝体可有效利用低价值废弃物，加工过程只需低温，避免了饲料与食物的冲突，并引入了模块化、“按需生长”的生产方式，最大限度地减少了废弃物。通过将生产设施与废弃物处理流程集中在同一地点，可以实现分布式生产，从而降低物流成本。

挑战与未来方向

技术壁垒：
尽管取得了快速进展，但挑战依然存在。

• 性能变异性：MBC 对生长参数和原料（真菌菌株和底物）很敏感，导致密度和强度出现批次间的差异。
• 生长周期长且后处理时间长：生长周期为7-14天，远慢于瞬时聚合物发泡。污染风险会增加成本和复杂性，尤其是在非无菌工业环境中。
• 湿度敏感性：对于某些需要在潮湿环境下使用的应用而言，吸湿性仍然是一个问题。
• 耐火性能：中等，需要添加剂（涂层）。这一点在建筑施工应用中尤为重要。
• 缺乏实时质量控制：使得在生长阶段检测生物变异性成为不可能。

商业壁垒

• 可扩展性有限：生产步骤需要人工操作；缺乏先进的自动化技术。
• 成本较高：规模经济尚未完全实现。成本虽在下降，但仍高于EPS（塑料价格），限制了其在成本敏感型市场的普及。与废弃物整合可以降低成本，但需要资本投入。探索冷灭菌工艺和替代加热技术（例如红外加热和照明）可以降低电力消耗。在没有碳定价或塑料禁令的情况下，替代主要由可持续发展品牌驱动。
• 监管模糊不清且缺乏认证：针对真菌基包装的标准很少。全球范围内的可堆肥性标准各不相同，生物材料的认证也落后于成熟的塑料认证体系。需要与ASTM、ISO和BPI等机构合作，以推动标准化工作。
• 供应链不成熟：优质孢子和基质供应商稀少。

研究议程

未来的进展取决于：

• 菌株工程：利用 CRISPR 和适应性进化实现更快的生长（定殖）和更好的性能——强度、疏水性。
• 混合复合材料：与大麻、洋麻、黄麻、亚麻或PLA混合，以提高强度和耐久性。
• 环保涂层：壳聚糖、蜡或粘土，以减少吸水率，同时保持生物降解性。
• 工业4.0工具：物联网传感器、人工智能和数字孪生技术用于生长预测和质量控制。人工智能控制的生长箱——可以降低变异性并提高产量。
• 生命周期验证：将生命周期评估扩展到土壤、海洋和厌氧消化环境，以证实相关声明。

未来的发展方向令人期待；这些途径共同构成了一个强大的研究议程，可以将菌丝复合材料从小众领域推向主流。

政策驱动因素：
欧盟、印度和美国对EPS的禁令正在加速其应用。认证（ASTM D6400、EN 13432、ISO 846）对于市场合法性至关重要。

再生材料范式

基于菌丝体的生物材料代表了生物学、工程学和可持续性三者难得的融合，体现了可持续制造中可再生材料的范式。与化石泡沫材料不同，它们能够完全降解，不会造成污染或释放微塑料。与生物塑料不同，它们通过废物资源化利用、减少隐含能源并确保最终的良好处置，实现了循环利用。

它们通过将废物管理与高价值产品制造相结合，创造了工业共生关系。它们的性能日益增强，环境优势毋庸置疑，商业化应用也已开始。它们的用途十分广泛，涵盖包装、吸附剂、隔热材料、家具，甚至建筑领域。对于纤维、泡沫和非织造布行业而言，菌丝体不仅提供了一种替代品，更提供了一条将材料科学与地球承载力相协调的战略路径。

实现规模化并非一帆风顺——生物体和基质的变异性、可扩展性以及成本都是需要克服的挑战。要实现规模化转型，需要各方协调推进：生物技术专家改良菌株，工程师优化工艺流程，设计师定制应用方案，政策制定者激励循环解决方案。的确，发展轨迹清晰可见：菌丝复合材料有望成为下一代可持续材料的核心，重塑包装、隔热和吸收性材料行业。如此一来，它们不仅提供了一种替代材料，更为工业系统如何与地球承载力相协调树立了典范。

如今，该领域正处于一个转折点。这些努力可以共同推动菌丝体从一项新兴创新技术发展成为21世纪可持续制造的基石——它不仅能为包装和隔热材料提供脱碳平台，还能催生新一代生物材料，这些材料以环境管理、本地采购和系统思维为基础。通过战略投资、强有力的研发以及跨领域合作，菌丝体材料有望成为构建新型自然和谐、气候智能型工业生态系统的基石。现在正是加速这一转型的最佳时机。

参考文献 1-33 可在www.fiberjournal.com/mycelium-based-biomaterials在线查阅。