固定化细胞技术已应用于食品、医药、环境、化工、能源开发等多个领域，高中生物学教材中以固定酵母细胞发酵酿酒为例，介绍了固定化细胞技术。固定化技术中有关细胞颗粒的机械强度既是固定化细胞成功与否的重要衡量指标，也是固定化细胞发酵效果的重要影响因素。因此，本文简要介绍固定化细胞颗粒机械强度的结构基础、影响因素、测定方法、对发酵的影响、优化方法等。

1机械强度的结构基础

固定化细胞技术是利用包埋剂(如海藻酸钠、聚乙烯醇、丙烯酸、明胶、琼脂等)与交联剂(如CaC12、硼酸、戊二醛、甲苯)形成网格状交联结构，将细胞包埋于其中的一种技术。固定化细胞颗粒的机械强度是指固定化细胞颗粒抵抗外部压力而保持自身结构相对稳定的一种能力，其结构基础是固定化细胞颗粒内部交联结构的稳定性和致密程度。以海藻酸钠与CaC12形成凝胶珠为例，海藻酸钠的GG(b-D-古罗糖醛酸)段的两个羧基氧、一个环间氧和一个羟基氧与Ca2+形成了配位结构(-CO-O-Ca-O-CO-)，从而交联形成网状大分子[1]，所形成凝胶珠的机械强度取决于配位结构的稳定性和致密程度。

2机械强度的影响因素

固定化细胞颗粒内部交联结构的稳定性主要取决于包埋剂与交联剂的物化性质，例如，聚乙烯醇凝胶的稳定性>海藻酸钙凝胶的稳定性>明胶凝胶的稳定性[2]。交联结构的致密程度主要与包埋剂和交联剂的浓度有关。实验表明，当海藻酸钠浓度为2%时，固定化细胞颗粒机械强度随CaC12浓度(1%～5%)的升高而增加；当CaC12浓度为2%、3%时，固定化细胞颗粒机械强度随海藻酸钠浓度(1%～6%)的升高而增加，但当CaC12浓度为4%、海藻酸钠浓度大于2%时，海藻酸钠的浓度对固定化细胞颗粒机械强度基本没有影响[3]。

固定化时的温度对固定化颗粒机械强度也有明显的影响，例如制作海藻酸钙凝胶时，50℃最有利于Ca2+与海藻酸钠交联结构的形成。

发酵过程中培养基的成分和菌体的代谢产物也可能破坏交联结构，从而影响固定化细胞颗粒的机械强度。例如，在仅用海藻酸钙包埋热带假丝酵母发酵产木糖醇的过程中，由于海藻酸钙对磷酸盐的耐受性差，培养基中磷酸盐会侵蚀固定化细胞颗粒，使机械强度降低，甚至使固定化颗粒破裂，大大减少了使用次数；培养发酵后期，由于固定化细胞生长对固定化载体会造成一定的压力，降低机械强度，导致固定化颗粒出现破漏。

3机械强度的测定方法

固定化细胞颗粒的机械强度一般有两种测定方法。第一种方法是用承受重量来表示，即在两个载玻片之间放一定数量(如10个、20个)的固定化颗粒，然后在载玻片上加砝码，直至有一个固定化颗粒破裂，此时的砝码总质量就代表固定化颗粒的机械强度；第二种方法是用固定化颗粒完整率来表示[3]，即将一定数量(如100粒)的固定化颗粒和一定数量(如50粒)的玻璃珠混合均匀, 在某一固定转速(如200r/min)下振荡一段时间(如4 h)后计算固定化颗粒的完整率, 此时的完整率就代表固定化颗粒的机械强度。

4机械强度对发酵的影响

固定化细胞颗粒的机械强度对固定化细胞的发酵有着重要的影响。如果固定化细胞机械强度较低，说明固定化颗粒内部交联结构的致密程度较低，所形成的网状结构间隙较大，被固定的细胞容易泄漏，不利于固定化细胞的发酵。而如果固定细胞颗粒机械强度较大，说明固定化颗粒内部的交联结构致密程度较高，这一方面会降低固定化颗粒内部的传质性，不利于固定化细胞与外界进行物质交换，甚至会导致固定化细胞死亡，不利于发酵；另一方面会导致细胞在固定化颗粒内的局部出现聚集生长现象，从而对固定化载体造成压力，导致固定化颗粒破裂，引起固定化细胞泄漏，不利于发酵。所以，并非是固定化细胞颗粒的机械强度越大(或小)对发酵就越有利。

5机械强度的改善方法

不同载体固定化颗粒的机械强度不同，受环境的影响也不一样，而往往单一载体固定化颗粒的机械强度不能满足生产实际的需要。生产实践中常需要改善固定化细胞颗粒的机械强度。不同载体各有优缺点，而不同载体在许多性能方面可以互补，所以常用复合载体(两种或多种载体共同使用)来固定化细胞，以改善载体固定化颗粒的机械强度和发酵性能。例如，海藻酸钙凝胶内部空隙大、传质性能好，但机械强度低、受环境磷酸盐的影响大；而聚乙烯醇凝胶则相反，所以聚乙烯醇和海藻酸钠这两种复合载体能有效改善固定化细胞颗粒的机械强度和发酵性能[4]。

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