凝膠珠固定化細胞發酵研究進展

周康熙，吳 錚，馮哲瀚，蔡偉鑫，陳 磊，林佳豪，王璐穎，鐘毓瑩，倪 莉*

（1.福州大學石油化工學院，福建福州 350108；2.福州大學食品科學技術研究所福建省食品生物技術創新工程技術研究中心，福建福州 350108）

根據培養基的形態可將細胞發酵方式分為固態發酵和液態發酵[1]。它們各有優缺點，固態發酵方式菌體及其代謝產物密度高，但勞動強度大，且發酵不均勻；液態發酵方式可控性強，但產量低、菌種回收困難[2]。固定化發酵結合了固態發酵的菌體密度高、液態發酵的可控性強的優點，用物理或化學的方法將細胞固載于一定的結構域內，將整個固定化體系放置于液體環境中進行發酵，并實現細胞的回收再利用[3]。根據細胞表面特性及固定化原理的不同，常用的固定化方法有吸附法、包埋法、共價法、交聯法等[4]。凝膠珠固定化技術在部分學者論文中表述為“微膠囊固定化技術”，屬于包埋法中的一種，因其生物相容性強、囊膜孔隙可控、制作成本低等優點而備受關注[5]，但該技術至今尚未得到大規模的推廣應用，說明技術本身有很大的改進空間。本文概述了凝膠珠固定化技術，并分析其與微膠囊技術的區別，論述了凝膠珠的制備原理和方法，在前人研究基礎上列舉了當前的應用研究概況，同時提出今后的發展方向，旨在為更好地利用凝膠珠固定化技術提供借鑒。

1 凝膠珠固定化技術

1.1 凝膠珠固定化細胞技術簡介

凝膠珠是用多糖、蛋白質等大分子物質將酶或細胞等生物催化載體包裹起來的毫米級或微米級顆粒物[6-7]，其模型如下：

生物催化載體作為壁芯、凝膠膜作為壁材。通過改變凝膠膜的種類、濃度、反應時間、聚合類型等參數，可實現囊內外各種分子不同程度的截留。凝膠成膜時往往需要螯合金屬離子，因此金屬離子的種類、價態與濃度也會對凝膠囊膜的孔隙大小和截留程度造成影響[8]。對于凝膠珠固定化細胞發酵體系，囊膜可使氧氣、小分子營養物質及代謝產物在濃度梯度的作用下進出凝膠球，而多糖、蛋白質等大分子物質被阻隔于囊內或囊外，從而起到催化、發酵或免疫隔離的目的[9]。同時，囊膜可以一定程度上保護酶或細胞等生物催化載體免受機械攪拌對其造成的損傷以及外界有毒物質或微生物的侵害，從而給生物催化載體提供一個相對溫和的環境[10]。經過幾十年的發展，該技術已在食品與發酵工業、污水處理及能源生產等多個領域中應用。

1.2 凝膠珠與微膠囊的聯系與區別

凝膠珠與微膠囊固定化技術都是包埋法固定化技術中的一個分支。本文從包埋的原料、方法、大小、用途等方面對兩者的異同點進行分析（見表1）。

凝膠珠和微膠囊在制備材料、方法及應用領域方面有相似之處，但包埋目的和包埋體的大小存在顯著區別。包埋體的大小取決于包埋目的，如凝膠珠體積較大，便于回收，同時內部能有足夠的空間使被固定化的催化載體與底物之間進行反應，可實現物質轉化[11-12]；微膠囊體積較小，囊膜與被包埋物質緊密接觸，甚至成鍵，減少外界環境對被包埋物質的影響，在光、熱、pH等穩定性上有所改善，便于物質的儲藏或運輸[13]；此外，有些囊膜生物相容性甚好，可制備為載藥微膠囊，在特定條件下可實現藥物緩釋，且小體積的微膠囊能夠增加比表面積，進而提高藥物的吸收代謝效率[14]。此外，凝膠珠和微膠囊在呈現形式上也有區別，這些區別還是與包埋目的有關。例如：用于生物催化或者化學轉化的凝膠珠體系中可能會在多孔結構中或囊膜內部充盈液體；用于保藏的微膠囊則偏向于干性體系，尤其對于經過噴霧干燥或冷凍干燥所制備的微膠囊，幾乎以粉末形式呈現?，F今對于“凝膠珠”還存在其他形式的名詞描述，如“微膠囊”、凝膠微球[15-17]，盡管它們在應用形式上存在差別，但凝膠珠與微膠囊相似之處頗多，難以用某種標準來準確區分這兩個概念。本文主要論述用于固定化發酵的載體，根據其用途和特征，用凝膠珠來稱呼更加合適。

表1 凝膠珠與微膠囊固定化技術比較Table 1 Comparison of immobilization technology between gel beads and microcapsules

2 凝膠珠的制備原理

常見的凝膠珠制備方法有兩種，即聚電解質成膜和自凝聚成膜。凝膠珠形成過程參與反應的陰離子基團

對于聚電解質成膜，多聚物通過聚電解質陰陽離子基團吸引聚集成膜，靜電引力是其制備的關鍵，而對于囊膜的構象及性質，氫鍵、范德華力、靜電斥力、親水及疏水作用力等因素會帶來顯著的影響。陳國等[18]認為形成凝膠珠的聚合物種類繁多，通過合成或衍生化得到的制備原料更是不在少數，而聚電解質實際上參與成膜的基團卻相對有限，這些有限的基團在不同聚合物中的種類、數量、排布、空間位置的不同，造成聚合而成的囊膜在空間結構和囊內外表面特性上的差異。這些差異宏觀上表現為生物相容性、體積大小、物質流動與截留性、凝膠珠彈性與脆性等方面的不同。參與聚合反應的物質除了聚電解質外，金屬離子也是一類重要的因素。當金屬離子存在時，這些離子表面的電荷可與陰離子基團相互吸引，在空間結構允許的條件下，金屬離子充當“鹽橋”的作用，使兩個或多個陰離子基團搭在一起，從而在沒有聚陽離子存在的情況下亦能成膜，其中最典型的當屬海藻酸鈉與鈣離子的結合模型（圖1）。

圖1 海藻酸鈉與鈣離子結合示意圖Fig.1 Schematic diagram of sodium alginate binding with calcium ion

對于自凝聚成膜，即多聚物自身具有形成凝膠的能力，分子鏈上的羥基、羧基等基團能與自身或水分子之間形成氫鍵，在多聚物分子充分伸展并相互纏繞的情況下，形成網狀多孔凝膠，其凝膠的形成過程靜電引力不占主導地位。在凝膠的制備過程中，出于應用需求，還可以復配其他物質進行改性，但改性后的凝膠成膜機理依然以非聚電解質成膜為主[19-20]。常見的采用自凝聚成膜的凝膠珠為瓊脂糖凝膠珠。瓊脂糖是以D-半乳糖和3,6-脫水-L-半乳糖為結構單元組成的多聚物[21-22]，其結構單元內存在4個羥基（圖2a），在高溫條件下瓊脂糖分子得以舒展和纏結，在冷卻過程中，糖鏈上3個向外的羥基可通過氫鍵與相鄰的螺旋或復配物或水分子結合，剩余的一個羥基在螺旋內部與水結合，最終形成三維網狀凝膠結構[23]（圖2b）。

圖2 瓊脂糖凝膠的結構單元及微觀形態Fig.2 Structural units and micromorphology of agarose gel

3 凝膠珠的制備方法

3.1 基于聚電解質成膜的凝膠珠

以陰陽離子聚合反應為基礎的凝膠珠的制備方法較為復雜。根據反應體系和反應過程的不同，將凝膠珠的制備方法分為3種：兩相界面聚合法、液滴成膜法和組裝-去核法[18]。

兩相界面聚合法指的是2種聚電解質分別分散于兩種互不相容的溶液中，通過機械攪拌使兩種物質相互接觸進而在界面成膜。如TRONGSATITKUL T等[24]在油-水-油的雙乳液體系中，通過聚異丙酰胺（poly（n-isopropyl acry lamide），PNIPAM）與聚乙二醇單甲醚單甲基丙烯酸酯（poly（ethyleneglycol）dimethacrylate，PEGMA）的聚合包埋了酵母菌，酵母菌的存活率比單使用PNIPAM由30%提高至60%；GREEN K D等[25]以1,6-己二胺和聚烯丙胺為原料，經十二烷基二氯化物交聯，通過界面聚合法包埋了面包酵母，其催化活性要高于游離酵母細胞、海藻酸鈣和κ-卡拉膠凝膠珠。

液滴成膜法即溶液A滴入溶液B中，兩種溶液的溶劑相容，而溶質在滴入的瞬間迅速反應成膜。在海藻酸鈣凝膠珠的制備中用的就是該方法[26]。此法奇妙之處在于由A滴入B與由B滴入A所制備的凝膠珠性質不同。仍以海藻酸鈣凝膠珠為例，海藻酸鈉溶液滴入鈣離子溶液中，兩種溶液的界面處形成海藻酸鈣膜，隨著固定化時間的延長，鈣離子逐漸滲透進入囊中心，最后將形成實心的凝膠珠。如OYEAGU U等[27]將海藻酸鈉溶液與淀粉或糖溶液混合，再滴入CaCl2溶液中，固定化過程中淀粉或糖會從凝膠珠中滲出，從而避免形成較為致密的實心海藻酸鈣凝膠珠，可增加固定化細胞密度。但如果是鈣離子溶液滴入海藻酸鈉溶液中，鈣離子的滲透會在液滴外圍形成囊膜，隨著固定化時間的延長，囊膜變厚、體積變大、囊內卻是充滿水溶液的空心凝膠珠[28]。因此凝膠珠的體積及內部容積與固定化方式及固定化時間關系密切。

組裝-去核法是先用一種高分子物質包埋細胞制備成預膠珠，再將預膠珠投入另一種含有高分子的溶液中，兩種高分子物質在預膠珠的表面反應成膜，此時再用第一種溶液反應掉膜表面的基團，組裝成更大的凝膠珠，此時凝膠珠的結構為A-B-A；由于此時凝膠實心程度大，囊膜內部的空間體積狹小，為保證細胞的活動空間，用溶解液將內部的預膠珠溶解，形成中空的微膠囊，整個制作過程包含了組裝和去核兩個步驟。如王家榮等[29]利用海藻酸鈉與殼聚糖制備成ACA凝膠珠：海藻酸鈉與Ca2+反應形成海藻酸鈣預膠珠，該預膠珠表面的-COO-與所投入的新溶液中的殼聚糖表面的-NH4+發生靜電反應成水不溶性高聚物，再經過海藻酸鈉溶液的處理，組裝成海藻酸鈉-殼聚糖-海藻酸鈉凝膠珠，最后利用檸檬酸鈉溶液螯合掉內核中的Ca2+，使內部的海藻酸鈣解聚成海藻酸鈉并溶解于水中，變成中空的凝膠珠。

對于包埋細胞而言，要求包埋條件較為溫和，兩相界面聚合法所用的溶劑可能對細胞有一定的毒性，因此細胞的存活率較低；對于液滴成膜法而言，制備過程中容易形成實心凝膠珠，或者不同凝膠珠之間容易因交聯劑的滲透而粘在一起，制備過程的精準控制難度較大；組裝去核法可能是相對而言較佳的方法，它在構建珠狀凝膠囊膜的同時又能騰出細胞的活動空間，保證細胞活動的正常進行。

3.2 基于自凝聚成膜的凝膠珠

對于自凝聚成膜而形成的凝膠珠，其制備方法較為簡單，通常由制液和造粒兩個步驟組成。如NóBILE M L等[30]用無菌熔化的瓊脂糖溶液稍微冷卻后與柯氏檸檬酸桿菌菌懸液混合，再滴入低溫的葵花籽油中造粒，由于葵花籽油不與瓊脂糖發生反應，但低溫、無水的性能卻能促使其糖鏈內基團之間形成氫鍵，進而自凝聚成凝膠珠并將菌懸液固定化包埋，之后再將葵花籽油過濾去除，并用正己烷和NaCl溶液清洗即可。對于有特殊需求的凝膠珠，有時候還需要進行改性。如張敏等[20]在瓊脂糖凝膠珠的制備基礎上接枝聚乙烯亞胺，即將瓊脂糖凝膠珠分散在聚乙烯亞胺溶液中使其充分接觸，再加入NaOH溶液使聚乙烯亞胺偶聯到凝膠珠上，可用于甘油脫氫酶的固定化。

盡管自凝聚成膜的固定化方法也是當下的研究熱點，但制液過程中的“高溫”難以適用于對溫度敏感的細胞，多數應用常見于酶的固定化。故以下對凝膠珠固定化技術的應用僅介紹對溫度要求不高的基于聚電解質成膜的凝膠珠。

4 凝膠珠固定化技術的應用

4.1 固定化動物細胞

由于動物細胞無細胞壁，細胞較易受損，凝膠囊膜可充當細胞壁的作用包裹在細胞膜外側，保護細胞；此外，動物細胞在培養過程中容易遭受微生物的污染，而凝膠囊膜的阻隔作用可避免此問題[31]。在凝膠珠固定化動物細胞領域，固定化雜交瘤細胞、產單克隆抗體等方面的研究較多。GOTOH T等[32]以海藻酸鈉、牛血清白蛋白和碳酸氫鈉固定化培養雜交瘤細胞，培養后細胞濃度可達到5.7×107個/mL；IVANA P L等[33]利用海藻酸鈉-聚賴氨酸固定化雜交瘤細胞，并建立了數學模型，該模型能夠預測各種微環境限制效應對細胞生長動力學的影響；JAIN E等[34]分別采用聚丙烯酰胺-殼聚糖（polyacrylamide-chitosan，PAAC）、聚（N-異丙基丙烯酰胺）-殼聚糖、聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）和（聚（N-異丙基丙烯酰胺）固定化雜交瘤細胞，PAAC在單克隆抗體的產生和細胞生長方面要優于其他體系，此外，將該固定化體系放置于整體式生物反應器中，其單克隆抗體的最高濃度（115 μg/mL）比細胞培養瓶要高4倍。

4.2 固定化植物細胞

植物細胞在懸浮培養過程中由于細胞的增殖和堆積，易形成細胞團，當細胞團較大時，會限制團塊內部細胞的活力，而凝膠珠固定化植物細胞可克服上述缺陷。CHAUHAN P等[35]用海藻酸鈣凝膠珠固定化植物細胞，通過海藻酸鈣濃度的優化，使細胞數量增加。用凝膠珠固定化植物細胞還可以保護細胞免受剪切力的影響，同時能夠轉移細胞，進行連續培養。NOHA Y S等[36]利用海藻酸鈣凝膠珠固定化植物細胞連續培養表達人粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（human granulocyte-macrophage colony stimulating factor，hGM-CSF），但其固定化效果不如聚氨酯泡沫，說明凝膠珠體系需要改善；KWON S等[37]利用海藻酸鈣凝膠珠固定化煙草細胞，其糖苷類細胞產物都有相應的提高：4-異丙基托泊酮2-O-β-D-葡萄糖苷（11%）、4-異丙基托泊酮2-O-β-D-龍膽苦苷（6%）、6-異丙基托泊龍酮2-O-β-D-葡萄糖苷（20%）以及6-異丙基丙烷2-O-β-D-龍膽苷（10%）。

4.3 固定化微生物

固定化技術在微生物方面的應用要廣于動物和植物細胞。本文基于凝膠珠固定化微生物發酵的研究，列舉了凝膠微球的固定化材料、固定化微生物種類、固定化發酵效果及其對應的應用領域（見表2）。

表2 凝膠珠固定化微生物應用Table 2 Application of gel beads in immobilization of microorganisms

5 凝膠珠固定化技術發展方向

多數情況下凝膠珠固定化細胞的目的在于重復使用固定化體系以持續地獲得細胞產物。盡管相關研究較多，但仍未成為發酵方式的主流，液態游離發酵方式仍是眾多學者的首選，說明凝膠珠固定化發酵存在技術瓶頸。這些技術瓶頸可能在于囊膜阻礙了物質傳遞效率、囊內細胞生長空間受限、提取囊內目標物質較為困難三個方面。因此，突破這三個技術瓶頸將會是該固定化技術的發展方向。

5.1 改善物質傳遞效率

對細胞包裹的囊膜具有兩面性：一方面保護了細胞，免受污染及損傷；另一方面限制了囊內外部分物質的流通。物質傳遞受阻，囊外的大分子物質難以運送至囊內，囊內的部分代謝產物難以及時排到囊外，會造成各種負面的影響：囊內的胞外酶系難以對囊外的營養物質進行降解和利用、囊內的代謝產物濃度升高反抑制細胞代謝、囊內的細胞因營養供給不足而死亡、自溶的細胞有害物質難以及時排到囊外可能引起其他正常細胞的凋亡。這些負面影響可直觀地表現為代謝產物含量低下、囊內活菌數減少。如SHARMA A等[47]利用海藻酸鈣、殼聚糖復合海藻酸鈉兩種固定化方式發酵芽孢桿菌，發酵前三批的α-淀粉酶含量均低于液態游離發酵；DIMITROVSKI D等[48]實驗結果表明，固定化發酵乳酸菌的活菌數為3.2×106CFU/mL，遠低于游離發酵時的2.5×109CFU/mL。為克服上述問題，凝膠珠的囊膜性能需要改善，可施行的調控方法有：凝膠的改性、囊膜制備方法的改進、發酵體系中某些調控因子的添加等。如王建龍等[49]在海藻酸鈉溶液中混入氧化石墨烯來進行改性，其制備的凝膠珠對重金屬和放射性廢水具有良好的生物吸附性能；史雁飛等[50]通過海藻酸鈉固定化條件的改進，使包埋有異常威克漢姆酵母Y5的凝膠珠對白酒的釀造提高了酯化能力；GEDAM P S等[51]在發酵體系中添加了非離子表面活性劑，有助于提高固定化生孢梭菌產丁醇的量。

5.2 改良固定化方式

固定化發酵相當于將細胞集中于給定的有限空間內，盡管上文提到的組裝-去核法可液化囊心而增加囊內細胞的生長活動空間，但當細胞發酵至一定程度時，微升級的囊內體積限制了細胞的進一步發展。為拓寬細胞生長的空間，部分學者將細胞固定于物理載體中，如粘土卵石、多孔泡沫材料、聚氨酯泡沫等[52-54]，或將其半固定于凝膠平面中[55]。這樣的固定化方式能夠在固定化體系中保留母菌，這些菌的子代既可以留在固定化體系中，也可以散播到環境中，從而減輕了在固定化體系空間有限的情況下細胞競爭行為所帶來的生長代謝抑制。

5.3 探索提取和檢測囊內物質的方法

通過培養細胞所獲得的目標產物并非完全是胞外產物。在固定化培養結束后，要對目標物進行提取往往需要對囊膜進行裂解。常見的海藻酸鈣凝膠珠可通過添加金屬離子螯合劑去除鈣離子而使水不溶性的海藻酸鈣轉為水溶性的海藻酸鈉；瓊脂糖凝膠珠可通過破壞氫鍵來使瓊脂糖解聚。其他類型的凝膠球可基于其制備原理來進行裂解，從而提取和檢測囊內物質。在聚合物解離時，高吸水性的結構單元可能會使樣品的粘度變大，在進行物質分離或測定時難度增加，因此聚合物的去除方式尤為關鍵。在提取和檢測囊內物質方面，倪莉等[56-57]使用檸檬酸鈉溶液在加熱條件下使海藻酸鈉微膠囊溶解，利用定磷法測定了囊內菌量；同時還發現通過金屬離子螯合劑、超聲、加熱、調pH和乙醇萃取后，可提取和檢測混在海藻酸鈉凝膠中的紅曲色素。

6 結語

由聚電解質聚集成膜的凝膠珠為細胞的固定化培養提供了一種廉價而便捷的載體，這種固定化技術可實現連續發酵，并在食品、生物醫藥、污水處理等多個領域都有其應用之處?，F今凝膠珠固定化技術多數停留于實驗室研發階段，技術本身存在著一些瓶頸，需要改善物質傳遞效率、改良固定化方式、探索提取和檢測囊內物質檢測方法等。隨著現代科技的飛速發展，相信凝膠珠固定化技術會越來越完善，并逐步實現規?；瘧?。