摘要：細(xì)胞固定化技術(shù)是近年來生物發(fā)酵領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一，此技術(shù)操作便捷、可增長細(xì)胞活力，作用高效、穩(wěn)定性極佳，在生物發(fā)酵領(lǐng)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(lǐng)域中常用的高分子載體材料、無機(jī)載體材料以及復(fù)合載體材料的應(yīng)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(lǐng)域中新型高分子膜材料的優(yōu)勢及應(yīng)用，旨在通過本文研究對生物發(fā)酵領(lǐng)域中材料介導(dǎo)細(xì)胞固定化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用提供思路。

關(guān)鍵詞：固定化技術(shù);生物發(fā)酵;生物反應(yīng)器;高分子膜材料

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

1.固定化材料分析

按照固定化材料化學(xué)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(jī)載體材料，三是復(fù)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(xué)性能更佳、可調(diào)性能更強(qiáng)的膜材料。在生物發(fā)酵領(lǐng)域應(yīng)用此種材料時，除了要對材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性進(jìn)行分析外，還應(yīng)將材料粗糙度、親水性、生物相容性納入考量。據(jù)實踐驗證，固定化載體材料表面化學(xué)性質(zhì)的提升，對固定化細(xì)胞活性增強(qiáng)、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(xué)功能得到進(jìn)一步強(qiáng)化。

2.生物發(fā)酵領(lǐng)域中基于傳統(tǒng)固定化材料的細(xì)胞固定化技術(shù)應(yīng)用

2.1基于高分子載體材料的細(xì)胞固定化技術(shù)應(yīng)用

高分子載體材料包含天然有機(jī)高分子載體材料及人工合成有機(jī)高分子載體材料兩個類別。天然有機(jī)高分子材料有兩個來源途徑，一是生物體內(nèi)，如透明質(zhì)酸。二是生物體外，如殼聚糖。此種材料的優(yōu)勢在于傳質(zhì)性佳、生物相容性好且對生物無毒性。生物發(fā)酵領(lǐng)域主要應(yīng)用果膠、海藻酸納、殼聚糖等天然有機(jī)高分子材料。海藻酸鈉對以木質(zhì)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(chǎn)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(zhì)侵害細(xì)胞，可使細(xì)胞具備更高的酸堿適應(yīng)性。果膠酸鈣可作為固定化載體應(yīng)用于利用干酷乳桿菌生產(chǎn)乳酸的過程中，可使乳糖轉(zhuǎn)化率得到顯著提升，增強(qiáng)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)?；a(chǎn)L-瓜氨酸。不僅能夠提升發(fā)酵產(chǎn)物收率，也可有效防止攪拌器對細(xì)胞產(chǎn)生損傷，提升細(xì)胞的力學(xué)性能。然而機(jī)械強(qiáng)度不高、彈性較低、厭氧條件下易于分解是固定細(xì)胞中天然有機(jī)高分子載體材料的應(yīng)用弊端。

2.2基于無機(jī)載體材料的細(xì)胞固定化技術(shù)應(yīng)用

此材料是人工方式合成的有機(jī)材料，其特征是鏈條結(jié)構(gòu)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(jī)械強(qiáng)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(zhì)多孔珠材料作為固定化載體，在利用葡萄糖生產(chǎn)丙酸時可使其發(fā)酵性能大幅增強(qiáng)，并且固定化細(xì)胞發(fā)酵不具滯后性。同時，聚酰胺因具備氫鍵而機(jī)械強(qiáng)度良好，攪拌及酸性發(fā)酵環(huán)境下微珠穩(wěn)定性較強(qiáng)，可大大延長細(xì)胞的保存時間，并可對聚酰胺材料及細(xì)胞之間的電荷作用增強(qiáng)產(chǎn)生促進(jìn)。水凝膠固定化細(xì)胞時，具備穩(wěn)定性強(qiáng)、可反復(fù)利用的優(yōu)勢。同時也可對細(xì)胞裝載凝膠的比例進(jìn)行調(diào)整而實現(xiàn)細(xì)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(xì)胞技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)時便可通過對微生物菌株比例的空間調(diào)控使甜菜黃素產(chǎn)量翻倍。此外，細(xì)胞固定化技術(shù)還可結(jié)合3D打印技術(shù)應(yīng)用，可實現(xiàn)多功能響應(yīng)包埋酵母水凝膠的打印。此外，在其他工業(yè)菌株方面細(xì)胞固定化技術(shù)的應(yīng)用，也通過連續(xù)生物發(fā)酵為化學(xué)品及生物燃料等高價值產(chǎn)品的合成提供技術(shù)支持。

2.3基于復(fù)合載體材料的細(xì)胞固定化技術(shù)應(yīng)用

復(fù)合材料是多種材料復(fù)合制成的能夠優(yōu)化生物材料本體及其表面性質(zhì)的固定化材料。此材料結(jié)合了多種不同材料的優(yōu)勢，不僅機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，并且生物相容性較為理想。如利用酯化反應(yīng)將聚乙烯醇中的羥基及海藻酸鹽中的羥基轉(zhuǎn)化為共價鍵，可大幅提升膜的機(jī)械強(qiáng)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(shù)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(chǎn)量?；趶?fù)合材料為載體的細(xì)胞固定化技術(shù)，可用于大體積物質(zhì)的發(fā)酵過程。如基于木質(zhì)纖維素基質(zhì)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(jìn)入空腔之中的微生物細(xì)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(fù)合材料，益于加快乳清發(fā)酵速度，提高乳酸產(chǎn)量，并且可有效提升凝膠基質(zhì)中細(xì)胞的存活率。

3.生物發(fā)酵領(lǐng)域新型高分子膜材料細(xì)胞固定化技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用分析

3.1中空纖維膜細(xì)胞固定化技術(shù)

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

3.2微米/納米纖維膜細(xì)胞固定化技術(shù)

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(xì)胞的負(fù)載。此種高分子膜材料屬于多孔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更為精細(xì)，底物向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散的阻力更低，發(fā)酵反應(yīng)速度更快，且可提高發(fā)酵轉(zhuǎn)化率。相較于顆粒物質(zhì)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(chǎn)強(qiáng)度提高。此外，還可以補(bǔ)料間歇策略為基礎(chǔ)構(gòu)建微纖維膜生物反應(yīng)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(fù)電細(xì)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(jié)構(gòu)疏松的三維多孔結(jié)構(gòu)高分子膜材料，具備自然ECM結(jié)構(gòu)模擬功能，可作為細(xì)胞固定載體而使用。既可用于細(xì)胞黏附，在增殖、基質(zhì)成分表達(dá)方面也較為適用。納米纖維膜的穩(wěn)定性極佳、可重復(fù)利用，結(jié)構(gòu)緊密，可大大縮短發(fā)酵時間，并且可提高發(fā)酵乳中細(xì)菌的存活率。在生物發(fā)酵領(lǐng)域中，微米及納米纖維膜是具備良好應(yīng)用價值、發(fā)展前景廣闊的細(xì)胞固定化載體材料。

結(jié)語：材料介導(dǎo)細(xì)胞固定化技術(shù)的誕生，創(chuàng)新了生物發(fā)酵技術(shù)，為生物發(fā)酵領(lǐng)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(xì)胞載體時，要詳細(xì)分析固定載體材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性等各方面因素。材料介導(dǎo)細(xì)胞固定化技術(shù)的應(yīng)用，對復(fù)雜環(huán)境下固定化細(xì)胞適應(yīng)性提升、生長代謝性能提高均有顯著促進(jìn)作用。在細(xì)胞固定化技術(shù)不斷優(yōu)化發(fā)展之下，在更加簡化的工藝、更強(qiáng)的工藝穩(wěn)定性支持下，此技術(shù)在生物發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用價值將會進(jìn)一步展現(xiàn)。

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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(jīng)理，大學(xué)本科，單位：浙江英樹生物科技有限公司，研究方向：生物化工