来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
在生物制造与废弃物资源化双重需求的推动下，如何将固态发酵产生的庞大废料基质转化为高值材料，成为合成生物学与绿色工程领域的热点。近期，Singh 等人提出了一种创新思路——以固态发酵废料为原料，通过真菌菌丝体原位生长与交联，直接制备轻质、可降解的生物复合材料。该研究首次证明了废弃的发酵基质无需复杂预处理即可充当菌丝体生长的天然骨架与营养源，为生物基材料的低成本、规模化生产以及循环经济闭环运行提供了全新解决方案。
研究背景
固态发酵（Solid-State Fermentation, SSF）是酶制剂、有机酸、生物农药和传统发酵食品生产的核心技术，其本质是微生物在湿度极低的固体基质上生长代谢。SSF 工业每年产生大量的发酵废料（Spent Substrate），主要包括利用后的木质纤维素残体（如稻壳、麸皮、木屑、甘蔗渣等）与残留菌丝体。这些废料成分复杂，含水率高，处理成本居高不下，且传统焚烧或填埋方式潜藏着严重的环境碳排放和土壤污染风险。如何为 SSF 废料找到经济、绿色的消纳路径，成为产业可持续发展的瓶颈。
与此同时，基于真菌菌丝体的生物复合材料（Fungal Mycelium-Based Biocomposite）因其独特的自组装能力、完全生物降解性和原料广谱性，引起学术界和产业界的广泛关注。菌丝体作为天然的高分子网络，能够在木质纤维素颗粒间穿梭、分泌胞外酶并将分散的基质黏合成具有特定形状和力学强度的整体材料。现有工艺多采用洁净的农业废弃物或木屑作为培养基质，却鲜有将已发酵过的 SSF 废料直接用于菌丝体复合材料制造的报道。理论上，发酵废料中残留的部分菌丝体和经微生物部分降解的基质，反而可能为新一轮真菌生长提供更易利用的缓释碳源和结构模板，从而加速菌丝体网络的形成并改善材料性能。
在此背景下，Singh 和 Kumar 等研究者首次系统探索了以固态发酵废料为单一基材制备菌丝体生物复合材料的可行性，试图在同一个过程中实现废弃物消纳与生物材料制造的双重目标。该研究的最大亮点在于“以废代新”——让废弃物本身成为新一代产品的主体原料，避免了额外消耗原始生物质资源，同时大幅降低菌丝体复合材料的生产成本与环境足迹。
研究方法
该研究的技术路线围绕“废料收集—真菌接种—固态再发酵—成型与后处理”四大环节展开，整体流程高度模拟天然木质纤维素转化过程，但又在参数控制与材料工程层面进行了精细设计。
首先，研究团队从工业化固态发酵生产线收集经过完整发酵周期的废料基质，原料来源主要为木屑和稻壳复合的培养载体，此前用于真菌或细菌的酶制剂生产。废料经初步的去除杂质和大块聚集体后，在低温（60℃以下）烘干至恒定含水率，以避免高温过度降解残余有机物。随后，废料被粉碎并过筛，获得粒径分布介于 0.5~2.5 mm 的均质化粉体。这一粒径范围兼顾了菌丝体穿透生长的孔隙需求和成型时颗粒间的机械嵌合力。
在微生物接种环节，研究者选用了担子菌门的典型白色腐朽真菌——灵芝（*Ganoderma lucidum*）作为菌种。灵芝菌丝生长旺盛、胞外酶系丰富，对木质纤维素有很强的降解和交联能力，且此前已被证实适用于多种农林废弃物的菌丝体复合材料制备。菌种在 PDA 平板上活化后转接至液体种子培养基，于 28℃、150 rpm 条件下摇瓶培养 5 天，获得均一、高活力的菌丝球悬液。将液态种子按 10%（v/w）的接种量均匀拌入经巴氏消毒的 SSF 废料干粉中，并调节体系总含水率至 60%~65%，以模拟固态发酵的水活度环境，同时避免自由水过多抑制菌丝呼吸。
接种后的混合基质被填充至不同模具（哑铃形、长方形板）中，轻微压实以获得一致的堆积密度，表面覆盖透气膜或微孔盖维持氧气交换，并在 28℃、90% 相对湿度的黑暗培养箱中静置培养 7~14 天。在这一阶段，真菌菌丝迅速萌发并穿透废料颗粒间的间隙，分泌木素过氧化物酶和漆酶等胞外酶，进一步松散纤维结构并编织成为致密的立体菌丝网络。全程不添加任何合成粘合剂或化学交联剂，仅依靠真菌自身的代谢过程实现固化。
培养结束后，将连同模具的生长体整体取出，进行两步终止和成型：首先在 70℃ 热风下干燥 24 小时以彻底灭活菌丝并蒸发多余水分，随后在 120℃ 热压机下以 2 MPa 的压力热压 20 分钟，获得厚度均一的致密纤维板状材料。热压过程进一步促进了木质素的热塑流动和菌丝体蛋白的变性凝集，使颗粒间的界面结合更加牢固。最终，根据 ASTM 标准对材料的密度、含水率、吸水厚度膨胀率、弯曲强度、拉伸强度和生物降解性等指标进行系统表征，并使用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析材料的微观形貌和化学官能团变化。
研究结果
实验结果显示，SSF 废料完全可以作为单一的菌丝体复合材料基材，所制备的菌丝体生物复合材料在多项关键性能上表现亮眼。
首先，菌丝体在废料基质上的生长速率和定殖程度令人满意。培养 7 天后肉眼可见白色菌丝层完全覆盖基质表面并深入内部；14 天后，整个材料体积内形成了高度交织、结构连续的菌丝体网络。SEM 图片清晰展示出菌丝既沿着木质颗粒表面延伸，又穿插于细胞壁纹孔和缝隙之间，像无数微细铆钉将松散颗粒紧密锁合。FTIR 谱图中指认的几丁质特征峰增强，进一步印证了真菌生物量的大量积累。
力学性能测试数据表明，该生物复合材料的平均弯曲强度达到 3.2 MPa，拉伸强度约为 0.8 MPa，压缩强度接近 1.5 MPa。尽管这些数值仍低于部分工程用木材或塑料，但完全在保护性包装、缓冲材料和室内非承重部件的可接受范围内。尤其值得注意的是，与传统纯农业废弃物直接接种菌丝制备的参照材料相比，使用 SSF 废料的样品弯曲强度提升了约 25%。研究者推测，这是因为发酵废料中部分木质纤维素已被前期微生物初步降解，暴露出更多的可及表面和还原末端，降低了新接种菌丝定殖的“壁障效应”；同时残留的菌丝残体蛋白质和糖类也可能作为天然促生长因子，加速了次代菌丝网络的致密化。
材料的物理性能同样展现了良好的综合指标。经热压后的平均密度为 0.35 g/cm³，属于典型的轻质材料范畴；24 小时吸水厚度膨胀率控制在 8% 以内，远低于未经热压处理的对照组，显示出热压步骤对构建耐水性界面的重要性。生物降解性测试中，将材料埋入富含微生物的堆肥土壤，60 天后失重率接近 55%，180 天后材料基本完成崩解和矿化，未对土壤微生态产生可见的抑制作用。这充分证明产品在报废后可通过环境自然代谢路径实现完全回归循环，无微塑料残留风险。
研究还通过正交试验优化了热压温度和压力等后处理参数，发现 120℃ 和 2 MPa 的组合可以最大程度地平衡力学强度与尺寸稳定性。温度过高（>140℃）虽能进一步致密化，但会导致菌丝体蛋白质严重变性和纤维焦糖化，使材料脆性上升，弯曲强度反而下降；压力过大则可能压溃菌丝网络骨架，破坏三维互穿结构。该工艺窗口的建立，为后续放大生产提供了直接的数据支撑。
讨论与展望
Singh 等人的研究证实，固态发酵废料绝非“终点废弃物”，而是可被再次激活并转化为高附加值菌丝体生物复合材料的优质原料。该策略在多个层面体现出循环经济理念：一是材料全生命周期中仅消耗一种废弃物，且生产流程本身不产生二次污染和有毒副产物；二是依靠真菌代谢的“冷加工”特性，无需高温烧结或大量有机溶剂，显著降低了能耗和碳排放；三是最终产品在生命周期结束后可生物降解并肥田，构成真正的闭环。
然而，从实验室走向工厂仍面临若干关键挑战。其一，SSF 废料的成分因来源工业和菌种不同而波动剧烈，需要对每一批原料建立快速的质量评价和均质化体系，以保证材料性能的批间一致性。其二，培养周期仍偏长，如何通过合成生物学手段改造菌株、优化固态发酵环境或采用接种前预处理等方法，将生产周期缩短至 5 天以内，是提升经济效益的决定性因素。其三，纯菌丝体复合材料本身的疏水性和力学强度尚难以替代聚苯乙烯泡沫等传统包装材料，未来的研究可以在菌丝体复合材料中添加少量天然交联剂（如壳聚糖、柠檬酸）或构建多菌种协同发酵体系，进一步诱导木素-碳水化合物复合物的原位重构，提升材料的本征阻隔与承载能力。
此外，该研究也打开了将废弃物资源化与建筑、隔音、汽车内饰等下游应用对接的空间。例如，可利用菌丝体自粘合特性直接生长为墙体砌块或吸音板材，将 SSF 废料以“负碳材料”的形式长期固定于建筑物中，实现碳的柔性封存。在政策层面，将发酵废料再生为可标准化生产的生物材料，也有助于推动相关行业纳入固废资源化利用的财政支持与绿色建材认证体系。
总体而言，该论文构建了一条“从发酵废料到生物材料”的短流程、低能耗新型制造路径，为 SSF 产业的绿色转型和真菌基生物材料的低成本推广提供了全新的理论依据和工程范例。其背后所隐含的“废物即资源，生物即工厂”思想，正是合成生物学时代资源循环范式变革的一个生动缩影。
参考来源
Singh S, Singh N P, Kumar A. A novel approach for reutilization of solid-state fermentation spent substrate for fabrication of fungal mycelium-based biocomposite [J]. Semantic Scholar, DOI: 10.1007/s43938-026-00121-3.
DOI: 10.1007/s43938-026-00121-3