Page 25 - 《精细化工》2022年第4期

第 4 期 刘袖洞，等: 细胞固定化催化生产精细化学品的研究进展 ·661·

孔隙率，从而促进产物与催化剂的快速分离，降低
产物抑制，但相比浸没相转化法，喷涂辅助和旋转
辅助 LbL 自组装形成 LbL 自组装膜的流程更简单，
膜孔隙更均匀 [51] 。

图 6 微管阵列膜示意图
Fig. 6 Schematic diagram of microtubule array membrane

利用生物材料将大量细胞包埋在一定空间内
的多细胞固定方法，物质在多孔载体内传递效果存
在差异，使得底物自外而内、产物自内而外存在浓
度梯度，即载体中内部细胞得不到足够底物和营
养，会导致生物资源的浪费，同时，细胞代谢产物
不能及时外排，会对细胞活性产生抑制，降低生产
效率 [54] 。
单细胞纳米涂层固定化原理与聚电解质层层自
组装膜类似，但在纳米尺度对细胞进行固定化，其
纳米级超薄胞外涂层（＜100 nm）极大地降低了营养
物质和代谢产物的扩散阻力，在恶劣环境中展现出

比游离细胞更好的活性和稳定性 [55] ，为解决多细胞固

a—浸入辅助 LbL 自组装；b—旋转辅助 LbL 自组装；c—喷涂辅 定化方法面临的问题提供了可行思路。
助 LbL 自组装 单细胞纳米涂层固定化方法机理与工艺流程示
图 5 自组装膜固定化细胞技术示意图 意图如图 7 所示：（1）以单个细胞为研究对象，利
Fig. 5 Schematic diagram of cell immobilization with self-
assembled membranes 用细胞表面与聚电解质之间的弱相互作用力如吸附
（静电力、盐析、氢键等） [56] 完成聚电解质在细胞
近年来，中空纤维膜（HFM）因其比表面积大、 表面的第一层涂层；（2）引入聚电解质或者无机材
孔隙率高的优点而被用于细胞固定化。高豪等 [52] 指 料对纳米涂层强度、通透性、功能性进行改良。

出，HFM 用于细胞固定化催化精细化学品生产更稳
定、制备方式更灵活，微米/纳米尺度的 HFM 更因
为高负载率、高转化率的特点促使研究者对其特性进
行深入研究。CHEN 等 [53] 将聚乳酸（PLLA）和聚乙
二醇（PEG）以 V(PLLA)∶V(PEG)=3∶7 的比例混
合，利用自制的同轴静电纺丝自旋仪开发出一种高
孔隙率微管阵列膜（MTAM，布满单层空心管的单一

膜片），干燥后与嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus） 图 7 单细胞纳米涂层固定化示意图
培养液混合即可完成 Lactobacillus acidophilus 的固定 Fig. 7 Schematic diagram of immobilization of single-cell
化用于乳酸生产，其结构（图 6）与 HFM 相似，但直 nano-coating

径（40 μm）比 HFM 小 1~2 个数量级，管壁厚度薄 纳米涂层的机械强度是保证细胞活性、发挥细
2 个数量级，管壁孔径仅 30 nm。研究者不仅利用材 胞催化功能的前提，静电力原位交联（图 7）可通过
料的性质对 MTAM 的性能进行优化，而且从细胞包 改变涂层结构的方式提高涂层强度 [57] 。如 LEE 等 [58]
封率和操作稳定性等方面对 MTAM 进行了评价，结 将 Yeast 交替浸在儿茶酚接枝的聚乙烯亚胺（PEI-C，
果表明，MTAM 高孔隙率提高了细胞包封效果，相 2 g/L）和儿茶酚接枝的透明质酸（HA-C，质量浓度
比游离细胞，MTAM 催化生产乳酸性能更稳定，耗 为 2 g/L）的 NaCl 水溶液中，分别成膜 5 min，离心
糖量提高 4.85%，乳酸产率达到 0.58 g/(L·h)。 得到涂层 Yeast，将其置于 pH 8.5 下 12 h，使 PEI-C