材料介导细胞固定化技术在生物发酵中的运用

摘要：细胞固定化技术是近年来生物发酵领域中的重要技术之一，此技术操作便捷、可增长细胞活力，作用高效、稳定性极佳，在生物发酵领域中发展潜力巨大。为此，文章从固定化材料分析入手，分别对生物发酵领域中常用的高分子载体材料、无机载体材料以及复合载体材料的应用展开了论述，而后从中空纤维膜、微米/纳米纤维膜两个方面探讨了生物发酵领域中新型高分子膜材料的优势及应用，旨在通过本文研究对生物发酵领域中材料介导细胞固定化技术的科学应用提供思路。

关键词：固定化技术;生物发酵;生物反应器;高分子膜材料

固定化细胞是一种能在非水溶性载体上固定且于相应空间中活动的细胞。以固定化酶为基础诞生的现代固定化细胞技术是指利用化学或物体方式将游离细胞固定在特定空间，以消除外界环境对生物体所产生的不利影响，从而增强其代谢活性，并实现重复性利用。在生物技术领域，细胞固定化技术具备较高应用价值，应用于生物发酵领域的固定化细胞生物反应器可防止高浓度底物及产物抑制细胞产生。

1.固定化材料分析

按照固定化材料化学组成的不同，可将之划分为三个类别。一是高分子载体材料，二是无机载体材料，三是复合载体材料。近年来，高分子载体材料研究不断深入，研制出了力学性能更佳、可调性能更强的膜材料。在生物发酵领域应用此种材料时，除了要对材料的力学性能、稳定性进行分析外，还应将材料粗糙度、亲水性、生物相容性纳入考量。据实践验证，固定化载体材料表面化学性质的提升，对固定化细胞活性增强、稳定性提供具有显著效果。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时，使之生物学功能得到进一步强化。

2.生物发酵领域中基于传统固定化材料的細胞固定化技术应用

2.1基于高分子载体材料的细胞固定化技术应用

高分子载体材料包含天然有机高分子载体材料及人工合成有机高分子载体材料两个类别。天然有机高分子材料有两个来源途径，一是生物体内，如透明质酸。二是生物体外，如壳聚糖。此种材料的优势在于传质性佳、生物相容性好且对生物无毒性。生物发酵领域主要应用果胶、海藻酸纳、壳聚糖等天然有机高分子材料。海藻酸钠对以木质纤维素为底物的生物乙醇发酵性能的提升具有显著作用，可使产量增至原来的160%。且可基于空间隔离而防止发酵体系中有毒物质侵害细胞，可使细胞具备更高的酸碱适应性。果胶酸钙可作为固定化载体应用于利用干酷乳杆菌生产乳酸的过程中，可使乳糖转化率得到显著提升，增强乳酸发酵过程的稳定性。壳聚糖是粪肠球菌的固定化载体，可以L-精氨酸为底物规模化生产L-瓜氨酸。不仅能够提升发酵产物收率，也可有效防止搅拌器对细胞产生损伤，提升细胞的力学性能。然而机械强度不高、弹性较低、厌氧条件下易于分解是固定细胞中天然有机高分子载体材料的应用弊端。

2.2基于无机载体材料的细胞固定化技术应用

此材料是人工方式合成的有机材料，其特征是链条结构长，聚乳酸、酸乙烯醇便是此种材料的代表。此材料具备良好的稳定性、机械强度较高，并且不易被微生物分解。如在丙酸杆菌固定性中可利用聚酰胺基质多孔珠材料作为固定化载体，在利用葡萄糖生产丙酸时可使其发酵性能大幅增强，并且固定化细胞发酵不具滞后性。同时，聚酰胺因具备氢键而机械强度良好，搅拌及酸性发酵环境下微珠稳定性较强，可大大延长细胞的保存时间，并可对聚酰胺材料及细胞之间的电荷作用增强产生促进。水凝胶固定化细胞时，具备稳定性强、可反复利用的优势。同时也可对细胞装载凝胶的比例进行调整而实现细胞组成的合理控制，可有效化解生物合成能力均衡性差的问题。水凝胶固定化细胞技术的应用，可从空间方面实现对不同菌株的控制，如甜菜黄素生产时便可通过对微生物菌株比例的空间调控使甜菜黄素产量翻倍。此外，细胞固定化技术还可结合3D打印技术应用，可实现多功能响应包埋酵母水凝胶的打印。此外，在其他工业菌株方面细胞固定化技术的应用，也通过连续生物发酵为化学品及生物燃料等高价值产品的合成提供技术支持。

2.3基于复合载体材料的细胞固定化技术应用

复合材料是多种材料复合制成的能够优化生物材料本体及其表面性质的固定化材料。此材料结合了多种不同材料的优势，不仅机械强度高、稳定性强，并且生物相容性较为理想。如利用酯化反应将聚乙烯醇中的羟基及海藻酸盐中的羟基转化为共价键，可大幅提升膜的机械强度，并能在聚合物中完成最佳膜的提取。还可将PVA及海藻酸钙混合制成微球，利用冻融技术在微球之中固定鼠李糖乳杆菌，可大大提升乳酸发酵的产量。基于复合材料为载体的细胞固定化技术，可用于大体积物质的发酵过程。如基于木质纤维素基质制作而成的纳米或微米级多孔径纤维素材料，可采用静电吸附或物理吸附方式固定进入空腔之中的微生物细胞。此外，乳清发酵的固定化载体还可选用管状纤维素、聚乳酸、海藻酸盐等多种复合材料，益于加快乳清发酵速度，提高乳酸产量，并且可有效提升凝胶基质中细胞的存活率。

3.生物发酵领域新型高分子膜材料细胞固定化技术的优势及应用分析

3.1中空纤维膜细胞固定化技术

相较于海藻酸盐等有机高分子载体材料，中空纤维膜的稳定性更强，并且机械强度更高。中空纤维膜为管状，细胞封装时表面积更大、孔隙率更高，对发酵底物的快速扩大、介质的高速传输具有显著提升作用。基于中空纤维膜的细胞固定化可增大细菌密度、提升细菌生产力，确保发酵过程持续进行，不会出现细胞冲刷问题，且可减少抑菌化合物的接触量，有益于促进细胞长期再生并实现细胞二次利用。且以高分子膜材料作为固定化载体，无需进行共价键交联，不必形成离子键，膜内及膜外细胞的扩散都相对简单。且高分子膜材料可于固定前提前预制，可提升中空纤维膜结构设计的灵活性，并且不会降低细胞活力，也不会影响细胞生产力。如乙醇生物发酵过程中，可利用中空纤维膜生物反应器固定运动发酵单胞菌，可抑制木质纤维素预处理时抑制剂的形成，不仅能够减少对细胞的毒害，也可于在高抑制剂浓度下使乙醇产量提升至95%左右，并可增强膜内细胞固定的稳定性，使中空纤维膜生物反应器可持续运行多达20次左右。此外，多细胞体系生物发酵时还可应用浸没式中空纤维膜生物反应器，既能化解不同菌株生产特征存在差异问题，也可防止产物之间相互抑制，可有效避免底物之间产生竞争。

3.2微米/纳米纤维膜细胞固定化技术

微米及纳米纤维膜的优势在于表面积更大、体积比更高，可增大细胞的负载。此种高分子膜材料属于多孔结构，结构更为精細，底物向细胞内扩散的阻力更低，发酵反应速度更快，且可提高发酵转化率。相较于颗粒物质而言，高分子膜材料的回收利用更加容易，可实现持续性利用。如利用葡萄糖发酵琥珀酸时，琥珀酸放线杆菌的固定化载体可选择聚丙稀微纤维膜，可实现琥珀收率有效提升，并有助于生产强度提高。此外，还可以补料间歇策略为基础构建微纤维膜生物反应器，可通过电晕处理使纤维膜附带正电荷，从而在静电作用支持下实现聚丙稀微纤维膜上带负电细胞的固定，并且固定化的膜可循环利用，活性不会受到影响。电仿纳米纤维是一种孔隙率高、结构疏松的三维多孔结构高分子膜材料，具备自然ECM结构模拟功能，可作为细胞固定载体而使用。既可用于细胞黏附，在增殖、基质成分表达方面也较为适用。纳米纤维膜的稳定性极佳、可重复利用，结构紧密，可大大缩短发酵时间，并且可提高发酵乳中细菌的存活率。在生物发酵领域中，微米及纳米纤维膜是具备良好应用价值、发展前景广阔的细胞固定化载体材料。

结语：材料介导细胞固定化技术的诞生，创新了生物发酵技术，为生物发酵领域带来了广阔的发展前景。生物发酵过程中选用固定化细胞载体时，要详细分析固定载体材料的力学性能、稳定性等各方面因素。材料介导细胞固定化技术的应用，对复杂环境下固定化细胞适应性提升、生长代谢性能提高均有显著促进作用。在细胞固定化技术不断优化发展之下，在更加简化的工艺、更强的工艺稳定性支持下，此技术在生物发酵领域的应用价值将会进一步展现。

参考文献：

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作者简介：张文泽（1987.05.05—），男，汉族，籍贯：浙江杭州，研发高级经理，大学本科，单位：浙江英树生物科技有限公司，研究方向：生物化工