Page 24 - 《精细化工》2022年第4期
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·660·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 39 卷

            微球的机械强度，可避免微球在上游生产中因细胞                             应和对苛刻环境的抗逆现象是提高微胶囊内细胞成
            生长及环境中物理压力（如搅拌）的影响发生裂解                             活率和催化生产效率的有效途径，有助于调控微胶
            导致产物产率下降。如 WANG 等              [35] 将 SA 和 PVA     囊固定化细胞在苛刻环境中的状态以实现高效催化
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            共混后与 1.0 × 10  CFU/mL 的五糖乳酸 菌                      生产。在此基础上，HOU 等            [43] 在培养基-有机溶剂
            （Lactobacillus pentasaccharide ATCC8041）悬液混        两相体系中对比海藻酸钙凝胶微球及内部液态
            合，使用挤压装置将其注入 CaCl 2 和硼酸的混合溶                        SA-CS 微胶囊对酵母菌的保护性能，结果表明，在
            液中， 4  ℃静 置 12 h 后得到微球 固定化后的                       相同的体系及底物浓度下，相比游离酵母细胞，两
            Lactobacillus pentasaccharide ATCC8041，研究表明，       种载体均能提高细胞活性，但内部液态微胶囊具有
            凝胶微球显示出良好的强度和耐热性能，相比游离                             更高的保护效能，得到较高产量（4.5 g/L）的细胞
            细胞，凝胶微球固定化细胞乳酸产量高出 11.3%，                          代谢产物芳香醇，分析认为，内部液态的微胶囊结
            生产时间减少 33.3%，生产能力提高 70.7%。在下                       构不仅使物质扩散性能增强，而且有利于细胞之间
            游处理中，凝胶微球在反应液中耐洗脱的特性有利                             的信息传递，满足细胞群体感应的需要，从而有利
            于固定化细胞与底液的快速分离，降低精细化学品                             于保持固定化细胞活性，提高细胞催化功能。
            下游分离成本。MARINA 等          [36] 比较了具有悬浮细胞
            的搅拌罐生物反应器和具有凝胶微球固定化细胞的                             3   聚电解质层层自组装膜
            流化床生物反应器的连续生产能力，结果证实，虽
                                                                   聚电解质层层自组装膜（LbL-PEMs）是一种能
            然两系统最大生产能力相似，但凝胶微球固定化细
                                                               够在分子水平上调节膜结构（包括孔径、渗透性、
            胞在高稀释率下更耐洗脱，容易与反应液分离，大
                                                               选择性）和物化特性（亲疏水性、表面电荷、表面
            大降低分离成本。
                 凝胶微球包埋存在一定的缺点，以应用广泛的                          基团等）的多层膜        [44] 。20 世纪 90 年代首现开创性
                                                               研究以来    [45] ，LbL-PEMs 就因加工技术灵活、电荷
            海藻酸钙凝胶微球为例，其在钙离子螯合剂（如柠
            檬酸盐）的存在下容易发生凝胶-溶胶转变而崩解                     [37] ，  和纳米结构可协同控制等优点在精细化学品生产领
                                                               域得到广泛应用       [46] 。而且孔径、亲疏水性、渗透性
            通过聚电解质的进一步包覆使凝胶微球变为内部固
            态的微胶囊，进而改变载体的通透性、亲疏水性、                             可调的优点使其在降低精细化学品催化生产中产物
                                                               抑制作用方面发挥着重要作用              [47] 。
            强度，可在一定程度上缓解崩解压力，提高对内部
            细胞的保护能力        [38] 。然而，实心的微胶囊营养物质                     聚电解质层层自组装是具有相反电荷的聚电解
                                                               质以弱相互作用力（如静电相互作用、氢键键合、
            及代谢废物扩散性差、细胞存活率低的缺点无法更
            好解决，因此，更能保证内部细胞活性的内部液态                             疏水相互作用、共价键相互作用）为驱动，在纳米
            微胶囊被开发出来         [39] 。                            尺度上形成有组织结构的过程              [48] （图 4）。

                 相比于凝胶微球，微胶囊多是由两种及以上的
            聚电解质材料通过层层自组装、静电作用等来制备。
            相比于内部固态微胶囊，内部液态微胶囊的液芯化
            结构降低了营养物质及代谢废物的扩散阻力，有利

            于细胞活性的提高。李会静             [40] 通过对比一定时间内               图 4   聚电解质层层自组装膜固定化细胞示意图
            游离酵母菌（Yeast）、凝胶微球和内部液态微胶囊                          Fig. 4    Schematic diagram of cell immobilization  with
                                                                      polyelectrolyte layer-by-layer self-assembled membranes
            固定化 Yeast 的菌浓生长曲线，证实内部液态微胶
            囊具有更佳的细胞保护能力。同样地，YANG 等                     [41]       目前，聚电解质层层自组装膜主要通过两种方
            将分散在 SA 中的胚牙乳杆菌 （ Lactobacillus                    式提高精细化学品产率：（1）通过自组装技术开发
            plantarum AB-1）溶液挤压入 CaCl 2 溶液中形成 SA               用于下游分离纯化的渗透汽化膜 ，如在ETSCHMANN
                                                                                          [49]
            凝胶微球，然后以 V(微球)∶V(CS)=1∶10 的比例将                     等 [50] 研究中，聚辛基甲基硅氧烷膜的引入不仅实现
            微球转移入 CS 溶液中振荡 20 min 得到内部固态的                      了 2-苯乙醇及 2-苯乙基乙酸酯的有效分离，而且通
            微胶囊，清洗后加入 0.055 mol/L 柠檬酸钠溶液，振                     过控制温度即可控制反应的选择性；（2）将无机或有
            荡 5 min，获得内含 Lactobacillus plantarum AB-1 的内       机催化剂、酶、细胞固定在 LbL-PEMs 内以提高重
            部液态微胶囊，相比于游离细胞，微胶囊内细胞活                             复催化效率     [47] 。浸没相转化法、旋转辅助法、喷涂
            性始终保持较高水平，3-苯基乳酸产量提高 19.96%。                       辅助法是目前该领域比较成熟的 3 种自组装方法
            GAO 等  [42] 发现，微胶囊中微生物细胞之间的群体感                     （图 5），3 种方法均可保证 LbL-PEMs 具有一定的
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