材料介導細胞固定化技術在生物發(fā)酵中的運用

摘要：細胞固定化技術是近年來生物發(fā)酵領域中的重要技術之一，此技術操作便捷、可增長細胞活力，作用高效、穩(wěn)定性極佳，在生物發(fā)酵領域中發(fā)展?jié)摿薮?。為此，文章從固定化材料分析入手，分別對生物發(fā)酵領域中常用的高分子載體材料、無機載體材料以及復合載體材料的應用展開了論述，而后從中空纖維膜、微米/納米纖維膜兩個方面探討了生物發(fā)酵領域中新型高分子膜材料的優(yōu)勢及應用，旨在通過本文研究對生物發(fā)酵領域中材料介導細胞固定化技術的科學應用提供思路。

關鍵詞：固定化技術;生物發(fā)酵;生物反應器;高分子膜材料

固定化細胞是一種能在非水溶性載體上固定且于相應空間中活動的細胞。以固定化酶為基礎誕生的現(xiàn)代固定化細胞技術是指利用化學或物體方式將游離細胞固定在特定空間，以消除外界環(huán)境對生物體所產生的不利影響，從而增強其代謝活性，并實現(xiàn)重復性利用。在生物技術領域，細胞固定化技術具備較高應用價值，應用于生物發(fā)酵領域的固定化細胞生物反應器可防止高濃度底物及產物抑制細胞產生。

1.固定化材料分析

按照固定化材料化學組成的不同，可將之劃分為三個類別。一是高分子載體材料，二是無機載體材料，三是復合載體材料。近年來，高分子載體材料研究不斷深入，研制出了力學性能更佳、可調性能更強的膜材料。在生物發(fā)酵領域應用此種材料時，除了要對材料的力學性能、穩(wěn)定性進行分析外，還應將材料粗糙度、親水性、生物相容性納入考量。據實踐驗證，固定化載體材料表面化學性質的提升，對固定化細胞活性增強、穩(wěn)定性提供具有顯著效果。如在高分子聚合物膜表面固定糖基，可在膜表面生物相容性提升的同時，使之生物學功能得到進一步強化。

2.生物發(fā)酵領域中基于傳統(tǒng)固定化材料的細胞固定化技術應用

2.1基于高分子載體材料的細胞固定化技術應用

高分子載體材料包含天然有機高分子載體材料及人工合成有機高分子載體材料兩個類別。天然有機高分子材料有兩個來源途徑，一是生物體內，如透明質酸。二是生物體外，如殼聚糖。此種材料的優(yōu)勢在于傳質性佳、生物相容性好且對生物無毒性。生物發(fā)酵領域主要應用果膠、海藻酸納、殼聚糖等天然有機高分子材料。海藻酸鈉對以木質纖維素為底物的生物乙醇發(fā)酵性能的提升具有顯著作用，可使產量增至原來的160%。且可基于空間隔離而防止發(fā)酵體系中有毒物質侵害細胞，可使細胞具備更高的酸堿適應性。果膠酸鈣可作為固定化載體應用于利用干酷乳桿菌生產乳酸的過程中，可使乳糖轉化率得到顯著提升，增強乳酸發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。殼聚糖是糞腸球菌的固定化載體，可以L-精氨酸為底物規(guī)?；aL-瓜氨酸。不僅能夠提升發(fā)酵產物收率，也可有效防止攪拌器對細胞產生損傷，提升細胞的力學性能。然而機械強度不高、彈性較低、厭氧條件下易于分解是固定細胞中天然有機高分子載體材料的應用弊端。

2.2基于無機載體材料的細胞固定化技術應用

此材料是人工方式合成的有機材料，其特征是鏈條結構長，聚乳酸、酸乙烯醇便是此種材料的代表。此材料具備良好的穩(wěn)定性、機械強度較高，并且不易被微生物分解。如在丙酸桿菌固定性中可利用聚酰胺基質多孔珠材料作為固定化載體，在利用葡萄糖生產丙酸時可使其發(fā)酵性能大幅增強，并且固定化細胞發(fā)酵不具滯后性。同時，聚酰胺因具備氫鍵而機械強度良好，攪拌及酸性發(fā)酵環(huán)境下微珠穩(wěn)定性較強，可大大延長細胞的保存時間，并可對聚酰胺材料及細胞之間的電荷作用增強產生促進。水凝膠固定化細胞時，具備穩(wěn)定性強、可反復利用的優(yōu)勢。同時也可對細胞裝載凝膠的比例進行調整而實現(xiàn)細胞組成的合理控制，可有效化解生物合成能力均衡性差的問題。水凝膠固定化細胞技術的應用，可從空間方面實現(xiàn)對不同菌株的控制，如甜菜黃素生產時便可通過對微生物菌株比例的空間調控使甜菜黃素產量翻倍。此外，細胞固定化技術還可結合3D打印技術應用，可實現(xiàn)多功能響應包埋酵母水凝膠的打印。此外，在其他工業(yè)菌株方面細胞固定化技術的應用，也通過連續(xù)生物發(fā)酵為化學品及生物燃料等高價值產品的合成提供技術支持。

2.3基于復合載體材料的細胞固定化技術應用

復合材料是多種材料復合制成的能夠優(yōu)化生物材料本體及其表面性質的固定化材料。此材料結合了多種不同材料的優(yōu)勢，不僅機械強度高、穩(wěn)定性強，并且生物相容性較為理想。如利用酯化反應將聚乙烯醇中的羥基及海藻酸鹽中的羥基轉化為共價鍵，可大幅提升膜的機械強度，并能在聚合物中完成最佳膜的提取。還可將PVA及海藻酸鈣混合制成微球，利用凍融技術在微球之中固定鼠李糖乳桿菌，可大大提升乳酸發(fā)酵的產量。基于復合材料為載體的細胞固定化技術，可用于大體積物質的發(fā)酵過程。如基于木質纖維素基質制作而成的納米或微米級多孔徑纖維素材料，可采用靜電吸附或物理吸附方式固定進入空腔之中的微生物細胞。此外，乳清發(fā)酵的固定化載體還可選用管狀纖維素、聚乳酸、海藻酸鹽等多種復合材料，益于加快乳清發(fā)酵速度，提高乳酸產量，并且可有效提升凝膠基質中細胞的存活率。

3.生物發(fā)酵領域新型高分子膜材料細胞固定化技術的優(yōu)勢及應用分析

3.1中空纖維膜細胞固定化技術

相較于海藻酸鹽等有機高分子載體材料，中空纖維膜的穩(wěn)定性更強，并且機械強度更高。中空纖維膜為管狀，細胞封裝時表面積更大、孔隙率更高，對發(fā)酵底物的快速擴大、介質的高速傳輸具有顯著提升作用?；谥锌绽w維膜的細胞固定化可增大細菌密度、提升細菌生產力，確保發(fā)酵過程持續(xù)進行，不會出現(xiàn)細胞沖刷問題，且可減少抑菌化合物的接觸量，有益于促進細胞長期再生并實現(xiàn)細胞二次利用。且以高分子膜材料作為固定化載體，無需進行共價鍵交聯(lián)，不必形成離子鍵，膜內及膜外細胞的擴散都相對簡單。且高分子膜材料可于固定前提前預制，可提升中空纖維膜結構設計的靈活性，并且不會降低細胞活力，也不會影響細胞生產力。如乙醇生物發(fā)酵過程中，可利用中空纖維膜生物反應器固定運動發(fā)酵單胞菌，可抑制木質纖維素預處理時抑制劑的形成，不僅能夠減少對細胞的毒害，也可于在高抑制劑濃度下使乙醇產量提升至95%左右，并可增強膜內細胞固定的穩(wěn)定性，使中空纖維膜生物反應器可持續(xù)運行多達20次左右。此外，多細胞體系生物發(fā)酵時還可應用浸沒式中空纖維膜生物反應器，既能化解不同菌株生產特征存在差異問題，也可防止產物之間相互抑制，可有效避免底物之間產生競爭。

3.2微米/納米纖維膜細胞固定化技術

微米及納米纖維膜的優(yōu)勢在于表面積更大、體積比更高，可增大細胞的負載。此種高分子膜材料屬于多孔結構，結構更為精細，底物向細胞內擴散的阻力更低，發(fā)酵反應速度更快，且可提高發(fā)酵轉化率。相較于顆粒物質而言，高分子膜材料的回收利用更加容易，可實現(xiàn)持續(xù)性利用。如利用葡萄糖發(fā)酵琥珀酸時，琥珀酸放線桿菌的固定化載體可選擇聚丙稀微纖維膜，可實現(xiàn)琥珀收率有效提升，并有助于生產強度提高。此外，還可以補料間歇策略為基礎構建微纖維膜生物反應器，可通過電暈處理使纖維膜附帶正電荷，從而在靜電作用支持下實現(xiàn)聚丙稀微纖維膜上帶負電細胞的固定，并且固定化的膜可循環(huán)利用，活性不會受到影響。電仿納米纖維是一種孔隙率高、結構疏松的三維多孔結構高分子膜材料，具備自然ECM結構模擬功能，可作為細胞固定載體而使用。既可用于細胞黏附，在增殖、基質成分表達方面也較為適用。納米纖維膜的穩(wěn)定性極佳、可重復利用，結構緊密，可大大縮短發(fā)酵時間，并且可提高發(fā)酵乳中細菌的存活率。在生物發(fā)酵領域中，微米及納米纖維膜是具備良好應用價值、發(fā)展前景廣闊的細胞固定化載體材料。

結語：材料介導細胞固定化技術的誕生，創(chuàng)新了生物發(fā)酵技術，為生物發(fā)酵領域帶來了廣闊的發(fā)展前景。生物發(fā)酵過程中選用固定化細胞載體時，要詳細分析固定載體材料的力學性能、穩(wěn)定性等各方面因素。材料介導細胞固定化技術的應用，對復雜環(huán)境下固定化細胞適應性提升、生長代謝性能提高均有顯著促進作用。在細胞固定化技術不斷優(yōu)化發(fā)展之下，在更加簡化的工藝、更強的工藝穩(wěn)定性支持下，此技術在生物發(fā)酵領域的應用價值將會進一步展現(xiàn)。

參考文獻：

[1]魏樂倩，李沂蒙，藍麗珍，等.導電高分子膜材料制備及其生物醫(yī)用研究進展[J].東華大學學報：自然科學版，2021，47（3）：12.

[2]艾特玲（Sili，Aisyah，Alting）.基于游離和固定化細胞技術制備生物乙醇的基礎研究[D].東南大學，2016.

[3]金欣，白龍律，樸文香.固定化微生物發(fā)酵技術制備果醋的研究進展[J].科技創(chuàng)新導報，2016，13（21）：3.

作者簡介：張文澤（1987.05.05—），男，漢族，籍貫：浙江杭州，研發(fā)高級經理，大學本科，單位：浙江英樹生物科技有限公司，研究方向：生物化工