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IF=15.4 Trends in Food Science & Technology｜江南大学范大明教授：系统阐述丝状真菌菌丝体形态在食品生物制造中的研究进展与未来展望
发布时间：
2026-05-15
来源：
赛普学术
江南大学范大明教授团队在国际权威期刊《Trends in Food Science & Technology》发表题为《Harnessing mycelium-based morphology of filamentous fungi in food biomanufacturing: Integrated advances, challenges, and future perspectives》的综述论文。该文系统总结了丝状真菌在 submerged 培养中的菌丝体形态特征、其对发酵性能的影响机制、多尺度形态调控策略（物理/遗传/微生物互作）以及先进监测技术，并提出整合形态工程与代谢工程的“形态-代谢工程”平台，为将丝状真菌开发为高效、可持续的食品细胞工厂提供了理论框架与技术路径。
研究背景
丝状真菌是食品生物制造中极具潜力的宿主，其菌丝体形态（分散状 vs. 球状）与产物合成、发酵流变学、传质效率密切相关。然而，菌丝形态的多变性也带来过程控制的巨大挑战：分散菌丝易增加发酵液粘度、降低溶氧；而紧凑的菌丝球虽改善流变学，但内部可能形成传质限制区。如何精准调控菌丝形态，实现高产与工业友好表型的统一，是领域内的长期难题。南极磷虾油、NMN 等活性成分的递送需要载体，而丝状真菌自身作为“细胞工厂”可生产酶、有机酸、真菌蛋白及可降解生物材料。本文从形态视角出发，提出通过形态工程升级真菌细胞工厂的新范式。
研究结果
1. 菌丝体形态多样性及其对产物合成的差异化影响
丝状真菌在液态培养中主要呈现丝状（分散菌丝、菌丝团）和球状（光滑球、粗糙球）两大类宏观形态。微观上，菌丝长度、直径、分枝频率决定了宏观结构的致密性。
- 球状形态（如小粒径致密球）有利于有机酸（柠檬酸、洛伐他汀）和多糖的生产：
黑曲霉 38μm 小球在 5000L 规模产柠檬酸达 193.4g/L;
土曲霉 添加滑石粉后菌球直径降至 ~1.2mm，发酵液粘度降低 54.8%，洛伐他汀产量提升 56.4%。
- 分散形态（高分支菌丝）更利于酶蛋白分泌：
黑曲霉 分散形态使 β-葡萄糖苷酶产量提高 4 倍;里氏木霉 过表达 Rho 蛋白 cdc42 获得超分支表型，显著提升纤维素酶产量。产物类型决定最优形态——初级代谢产物/有机酸偏好小球；酶蛋白偏好高分支分散菌丝。
2. 形态调控三大策略：物理、遗传与微生物互作
- 物理策略（培养基成分、微粒、pH、渗透压等）：
添加滑石粉（4g/L）使紫色红曲霉 菌球粒径降至 10–100μm，黄色素产量从 260 升至554.2U/mL;Tween 80（1g/L）使 裂褶菌 菌球减小，胞外多糖产量提高 37.17%；高渗透压（3.2osmol/kg）诱导 黑曲霉 由小球转为分散菌丝，果糖基转移酶比生产力提升 18 倍。
- 遗传策略（基因编辑、关键形态基因调控）：
CRISPR/Cas9 敲除 黑曲霉 α-1,3-葡聚糖合酶基因（agsA/agsB）和半乳糖胺半乳聚糖合酶基因（*sph3/uge3*）后，菌丝完全分散，菌体蛋白含量提升 39.98%；过表达 灵芝 α-1,3-葡糖基转移酶（glagt）使菌球直径减少 38%，细胞壁厚度降低 32.44%，多糖产量增加;紫红曲霉 STE 激酶 MpSTE1 过表达使分枝数增加 63%，洛伐他汀产量提高至 9.2mg/L。
- 微生物互作策略（共培养）：
紫红曲霉与酿酒酵母共培养后，孢子数量与密度显著增加，MonacolinK产量提高58.87%；
阿斯青霉菌与枯草芽孢杆菌共培养激活沉默次生代谢通路，产生新化合物。
3. 先进监测技术：从离线显微到在线智能传感
传统形态分析依赖离线显微拍照，通量低、主观性强。本文系统介绍了过程分析技术（PAT）新进展：
- 阻抗法（impedimetry）：秒级预测 土曲霉 形态变化，用于洛伐他汀生产过程强化；
- 在线显微 + 聚焦光束反射测量：实时监测菌丝长度、分枝密度、菌球粒径分布；
- 真菌特征追踪器（FFT）：自动量化孢子数、菌丝总长、分支点、覆盖面积；
- X 射线显微断层扫描（μCT）：三维重构菌丝网络，精确测量菌丝长度、尖端数、孔隙率；
- 数学建模：从二维无格点模型到三维格点模型，可预测菌落扩展、分枝模式、营养转运效率。
4. 升级真菌细胞工厂：形态工程驱动的理性设计
通过整合 CRISPR/Cas9 基因编辑、自动图像分析表型筛选、代谢工程与发酵优化，可构建“基因型-表型-性能”闭环：
- 黑曲霉 中敲除flbE可减少菌球直径17.2%，柠檬酸产量提高22.7%，但效果具有菌株依赖性；
- 米曲霉 具有 GRAS 状态，已成功应用 CRISPR-Cas9、原生质体-PEG 转化、农杆菌介导转化等工具，用于生产曲酸、L-苹果酸、葡萄糖淀粉酶等；
- 灵芝 作为下一代细胞工厂，CRISPR/Cas9 已用于萜类、三萜、多糖合成途径的靶向编辑。
5. 放大工艺控制：从摇瓶到工业生物反应器
放大过程中常见失效模式：菌球过度破碎、壁生长、泡沫失控。关键控制点包括：
- 接种策略：孢子接种形态均一但周期长；预培养菌丝片段缩短延滞期但易引入变异；
- 反应器水力学：Rushton 涡轮桨（高剪切分散）vs. 斜叶桨（轴向流），需根据目标形态选择；
- 级联控制：基于溶氧/pH 的补料策略，结合在线图像分析反馈调节搅拌转速和消泡剂添加；
- 微粒工程：发酵前期添加滑石粉等微粒促进菌球形成，种类、浓度、添加时机是关键参数。
成功放大需要建立形态指标与操作变量之间的定量关系，并实现闭环自动化控制。
图文鉴赏
Fig. 1. Typical filamentous fungi in food biomanufacturing: Mushrooms and Molds.This figure illustrates representative species, their characteristic attributes, and their diverse applications in the food industry. Created in BioRender.com.
Fig. 2. The diverse mycelial morphology exhibited by filamentous fungi.Microscopic images were captured using the Nikon SMZ25 microscope imaging system (Tokyo, Japan); Spherical state: hypha and mycelium clump; Filamentous state: irregular mycelium, smooth pellet and rough pellet.
Fig. 3. Advanced technology in mycelium morphology monitoring.
Fig. 4. An integrated engineering platform for upgrading fungal cell factories based on mycelium morphology. The workflow cycles through four key stages: analysis of Morphology Characteristics, implementation of Morphology Shaping Strategies, performance evaluation via Morphology Monitoring, and iterative optimization within a unified engineering platform.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.tifs.2026.105696
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