[发明专利]一种改进PVA固定化微生物的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种利用PVA-卡拉胶-海藻酸复合载体固定化微生物的新方 法，属于微生物科学技术领域。

背景技术

固定化技术是使生物催化剂(酶、微生物细胞、动植物细胞、细胞器等)更 广泛、更有效应用的一种手段。微生物固定化技术是生物工程领域中的一项新兴 技术，广泛应用于医药、食品、化工和环境保护等领域。

微生物细胞的固定化方法有：吸附法、交联法和包埋法。其中以包埋法最为 常用，包埋材料可分为天然高分子多糖类和合成高分子化合物。作为包埋载体， 天然高分子多糖类的海藻酸钠和卡拉胶应用最多，它们具有固化、成形方便，对 微生物毒性小，固定化微生物密度高等优点。但它们抗微生物分解性能较差，机 械强度较低。天然卡拉胶中含有λ-卡拉胶，它使凝胶强度降低，除去λ-卡拉胶所 需的费用较高，而且凝胶对钠离子比较敏感。海藻酸钙凝胶在磷酸盐溶液中不稳 定。这两种载体的凝胶虽然可用交联剂进行稳定化处理，但活力和传质性能又会 下降。

海藻酸和卡拉胶作为天然高分子材料，以其安全、环保及优良的工艺性能， 是固定化微生物常用的载体。何俊培等(包装与食品机械，2007，25(2)：25 -28)利用海藻酸钠和卡拉胶固定化乳糖酶，研究了影响固定化酶的酶活回收率 和固定化酶胶粒机械强度的因素。结果发现海藻酸钠浓度、卡拉胶浓度和固定化 酶量等因素会影响固定化酶的性能，通过采用三因素二次回归旋转设计得到优化 条件为：海藻酸钠浓度为2.0％、卡拉胶浓度为0.81％、乳糖酶的浓度0.23％。由 此得到的固定化酶的酶活回收率可达89.19％，固定化酶胶粒的机械强度为 74.74％。但颗粒的机械强度和抗微生物分解性有待进一步改善。

合成高分子化合物中常用的载体物质有聚丙烯酰胺、光硬化树脂等。它们的 突出优点是抗微生物分解性能好，机械强度高，化学性能稳定。但是聚合物网络 的形成条件比较剧烈，对微生物细胞的损害较大，而且成形的多样性和可控性不 好。适用于细胞固定化的光硬化树脂聚合物一般尚未商品化，且固定化的操作条 件也较严格。

从目前的研究看，常用的固定化载体包括琼脂、海藻酸、卡拉胶、聚乙烯醇 (PVA)、聚丙烯酰胺等。

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，简称PVA)是一种新型的微生物包埋固定化载 体，其化学结构式如下：

聚乙烯醇在加热后溶于水，在其水溶液中加入添加剂后发生凝胶化，或在低 温(-10℃)下冷冻形成凝胶，从而将微生物包埋固定在凝胶网络中。常用的添加 剂有硼酸和硼砂，在聚乙烯醇水溶液中加入硼酸或硼砂，通过化学反应形成凝胶， 其反应原理为：

PVA凝胶具有抗微生物分解性能强、价格低廉等一系列优点，是一种具有实 用潜力的包埋材料，近年来在国内外获得了较广泛的研究。

目前PVA固定化方法中存在的主要问题是：PVA是一种高粘性物质，与H₃BO₃反应较慢，成形能力较差，颗粒易黏附在一起。此外，硼酸上的三个羟基只部分 地进行了反应，反应后形成的高分子凝胶上还残留有亲水性的-OH，使得固定 化颗粒在实际应用中存在水溶膨胀性问题。也就是说，固定化微生物凝胶颗粒在 使用过程中，随着使用时间的延长，其机械强度会因为凝胶颗粒的水溶膨胀性而 大大减弱，甚至出现颗粒破碎的现象，缩短了其使用寿命，不利于实际应用。

因此，如何改善PVA凝胶颗粒的成形及水溶膨胀性，是促进PAV固定化微生 物向实际应用迈进的关键。近年来，围绕这些问题，人们对完善PVA-H₃BO₃包 埋固定化微生物进行了大量的工作，主要有：固定化颗粒成球性能的改进、机械 强度的提高、减少固定化过程中的活性损失、调节固定化颗粒的比重、改善水力 性能等。

干信等(湖北工业大学学报，2006，21(2)：24-27)利用PVA-卡拉胶混 合胶体固定化酿酒酵母，制备出机械强度高、传质效果好的凝胶颗粒。最佳的固 定化条件为：聚乙烯醇浓度8％、卡拉胶浓度0.5％、菌体添加量0.1g/mL、固定 化时间24h。固定化小球能连续反应60h以上，腺苷三磷酸产量达297.1mg/L， 可用作腺苷三磷酸再生体系。但固定化微生物颗粒的综合性能有待提高。

发明内容