非水相细胞催化研究进展

侯丹丹，于炜婷，戴小敏，刘袖洞，马小军

（1大连大学环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622；2中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023）

进展与述评

非水相细胞催化研究进展

侯丹丹1，于炜婷2，戴小敏1，刘袖洞1，马小军2

（1大连大学环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622；2中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023）

非水相细胞催化可提高水不溶化合物溶解度，改变热力学平衡以利于产物合成，是生物催化的重要组成部分。本文介绍了非水相细胞催化体系中溶剂和催化剂的筛选，如lgP值法和以产物高萃取率为目标的计算机辅助分子设计，以及催化剂的溶剂耐受性；综述了提高非水相细胞催化活性的方法，包括极端微生物的筛选和构建、细胞固定化等，以及非水相细胞催化反应在香料、药物及药物中间体等方面的应用现状；最后从生物学和工程学角度展望了非水相细胞催化研究的努力方向。

非水相；细胞催化；细胞固定化

Abstract：Nonaqueous whole cell-based biocatalysis，as an important part of biocatalysis，which can enhance the solubility of poorly soluble compounds，change the thermodynamic equilibrium in favor of product synthesis and so on. In this paper，we introduce the selection of organic solvents and biocatalysts in nonaqueous whole cell biocatalysis system，such as lgP method，computer aided molecule design based on high product extractability，and solvent resistance of biocatalysts. Moreover，we review the methods to improve cell catalytic activity in nonaqueous media，including screening and construction of extreme microorganisms，cell immobilization，and recent application of nonaqueous whole cell-based biocatalysis in spices，drugs and medicine intermediates. Finally，we propose the main efforts on nonaqueous whole cell-based biocatalysis in view of biology and engineering.

Key words：nonaqueous media；whole cell-based biocatalysis；immobilized cell

生物催化因具有选择性高、反应条件温和、环境友好的特性而成为生物技术中一个快速发展的领域[1]。在过去的几十年中，生物催化技术已经发展成为工业合成大宗化学品、医药中间体、活性药物等物质的重要工具，并有望在医药、精细化工等领域取代传统的化学合成路径成为主要合成手段[2]。但对于一些工业上重要的化合物，其底物或产物大多数是水溶解度差或几乎不溶于水的，因此生物催化过程常受到底物溶解度低、底物/产物抑制生物催化剂活性、产物进一步降解等限制[1]，从而阻碍了生物催化技术在一些重要工业过程中的应用。为解决这些问题，广大研究者将注意力转移到有机溶剂、水-有机溶剂两相体系、超临界流体、离子液体等非水相生物催化的研究中，取得了很好的效果。特别是水-有机溶剂系统，已经开展了相当全面的研究。王轶雄等[3]对非水相细胞生物催化反应进行了回顾，分别总结了产物为醇、甾体、有机酸、生物大分子及其它各类反应的研究进展。并从溶剂和细胞两种角度对主要的研究方法进行了阐述。

与水相生物催化相比，非水相生物催化具有无法比拟的优势[4]：如可以提高水不溶化合物的溶解度；改变化学平衡，使反应向有利于产物合成的方向进行等。与酶催化相比，非水相中利用微生物活细胞作为催化剂具有更多的优点，它可以避免酶的分离和提纯，并且对于需要辅酶参与和多个酶催化的反应，细胞催化更容易实现[5-7]。但是，众所周知，大多数的细胞在有机溶剂中活性降低，甚至失活，这在很大程度上限制了细胞催化在非水相介质中的研究和应用。因此，细胞在非水相介质中的活性和稳定性是非水相细胞催化需要解决的关键问题。

近几年来，随着计算机辅助溶剂筛选技术、新型耐有机溶剂极端微生物的筛选和构建及非水相中固定化细胞技术的发展，非水相细胞生物催化的研究日益深入，一些典型的非水相细胞催化反应的例子如表1所示。本文简要介绍了非水相细胞催化体系中溶剂和催化剂筛选过程，并且就近几年来，提高非水相细胞催化活性的方法和非水相细胞催化反应的应用现状进行了综述。

表1 典型的非水相细胞催化反应实例

1 非水相细胞催化的特征

尽管包括超临界流体、离子液体等新溶剂已经被用作生物催化的非水相介质，有机溶剂仍是非水相细胞催化常用的反应介质。除了能很好地解决底物不溶性问题外，还有一些催化上的其它优点，但不可否认也存在一些缺点。

1.1 非水相细胞催化优点[4]

①可提高反应物质的溶解度；②抑制不必要的副反应；减少底物和产物抑制；③提高催化的稳定性；④利于产物和催化剂的回收；⑤影响反应的选择性（底物选择性、区域选择性、立体选择性）；⑥有利于产物分离，提高产率；⑦改变化学平衡，使反应向有利于产物合成的方向进行等。

1.2 非水相细胞催化缺点[18]

①有机溶剂对细胞有毒性，降低活性；②对细胞无毒害的有机溶剂多是非极性的，因此溶解底物/产物的能力较差，降低了反应速率；③在水中和有机溶剂溶解性都较差的反应物会在两相界面沉淀出来；④增加了反应系统的复杂性；⑤为了确保下游处理和反应器中应用的安全性，成本会增加；⑥存在废水处理或有机溶剂循环使用的问题。⑦与传统工艺不同，两相体系大规模应用没有经验可以借鉴。

2 非水相细胞催化体系的构建

生物催化系统主要由底物及产物、反应介质、生物催化剂3个基本要素构成。在有机介质中微生物细胞转化成功的关键是介质和催化剂的选择。

2.1 介质的选择

筛选有机溶剂的两个重要标准是：具有良好生物相容性和对产物的高萃取率。其它要求包括：溶剂的热稳定性和化学稳定性好，与水相不容易形成乳化液，不易生物降解，对环境毒害小和廉价易得等[4，19]。因此，具有合适物化性能和生物相容性的有机溶剂筛选并不是一个简单的工作。

许多研究者在探索有机溶剂的物性参数与生物相容性的关系方面做了大量的工作，研究表明Laane等[20]提出的Hansch参数法（lgP法）是关联溶剂物化性质与生物相容性之间关系较为理想的方法。大量实验表明：溶剂的 lgP值和其对细胞的毒性成反比，即溶剂的 lgP值越高，其对细胞的毒性越小。但是疏水性溶剂更容易渗透或破坏细胞膜，进而影响细胞催化[21]。因此最终要通过实验确定适于细胞保持最佳活性的有机溶剂，工作量仍很大。

近几年来，随着计算机辅助生物相容性分子设计研究的深入，有望简化有机溶剂的筛选工作。Wang和 Achenie[22]引入了计算机辅助分子设计框架，以高萃取效率为目标，设计了用于乙醇萃取发酵的生物相容性溶剂，结果发现实现高萃取效率需要太多的溶剂，即不能同时满足溶剂体积的最小化和最大萃取效率之间的匹配。但是，在实际应用时，性能要求并不是一个简单值，而需要权衡设计程序以达到最佳结果。为此Cheng和Wang[23]引入了一个权衡优化程序，用于乙醇发酵的生物相容性溶剂设计。将最优设计的问题明确表达为一个混合-整数非线型计划模型，而性能的要求反映在目标和限制条件上，因此，最终乙醇萃取发酵中最佳有机溶剂的筛选转化为灵活的目标实现问题。总体来说，在用于萃取发酵生物相容性溶剂设计时，该方法较为简单、可行，有望应用于萃取发酵其它小分子物质的溶剂筛选过程。

2.2 催化剂的筛选

细胞生物催化的成功与否首先取决于合适的微生物。通过经典方法筛选新的生物催化剂来完成生物催化反应仍然是最主要的方法之一。近几年，生物信息学的发展，有利于生物催化剂的高效筛选。研究者一般通过以下手段获得特定反应适宜的催化剂：从收藏的菌种库中筛选，土壤样品、克隆库和宏基因组筛选。但是不同于水相细胞催化，非水相细胞催化中，细胞除了要含有反应所需的酶系外，还要求对有机溶剂有一定的耐受性。

以甾体转化为例，可用于该转化的微生物种类繁多，包括细菌、霉菌等。由于不同菌种所产酶的种类不同，不同菌种作用于同一底物可表现出不同的催化活性和立体选择性。因此使用种类繁多的微生物库和有效的筛选方法，筛选出高效菌株，可以提高反应活性和立体选择性。Kieslich[24]首次利用胆固醇和植物甾醇为唯一碳源，从土壤中分离出分支杆菌NRRL B-3683。大量研究表明，分枝杆菌（Mycobacterium sp.）具有较强的侧链降解能力，是降解甾醇C-17位侧链的重要菌种。并且，近来研究发现分支杆菌对有机溶剂表现出一定的耐受性[25-26]。De Carvalho等[25-26]系统考察了分支杆菌在一系列水溶性和水不溶性有机溶剂中的行为和耐受性，研究表明在两相体系中，细胞倾向于收缩和降低表面粗糙度来减少表面积，这可能是细胞保护自身免受两相界面张力的一种适应方式。

3 提高非水相细胞催化活性的方法

细胞在非水相中的活性和稳定性是非水相细胞催化需要解决的关键问题。近年来，人们研究的解决方法包括：新型耐有机溶剂极端微生物的筛选和构建，细胞的固定化以及一些其它的辅助方法。

3.1 新型耐有机溶剂极端微生物的筛选和构建

3.1.1 极端条件下耐受性微生物的分离

大自然的驯化赋予微生物以多样性，耐有机溶剂极端微生物能适应有机溶剂对细胞的毒性或结构破坏，具有独特的抵抗恶劣环境的多种能力。因此，耐有机溶剂极端微生物的分离和研究可大大推动脂溶性物质生物转化的进步与发展。

Irvan 等[27]以甲苯为唯一碳源，从活性污泥中分离出一株恶臭假单胞菌，该菌能利用丁醇、甲苯、二甲苯等多种有机溶剂作为反应介质，其突变体能在3%（体积分数）甲苯和7%（体积分数）辛醇中生长，是疏水性底物生物转化两相体系中的潜力菌株。

Yamashita等[28]从汽油污染的土壤样本中分离出一株红球菌 B-4，该菌有较高的疏水性，且对碳氢化合物表现出较高的亲和力，因此对许多有机溶剂（正烷烃和单芳香化合物）有很高的耐受性，有望于用于石油污染物的降解和疏水性化合物合成。Hamada等[29]以重组大肠杆菌JM109和红球菌 B-4分别作为亲水性和疏水性催化剂，以单芳香化合物的羟基化反应为模型，研究了细胞表面疏水性对菌体在水-水不溶性有机溶剂中转化的影响。研究表明，相对于重组大肠杆菌JM109，红球菌 B-4对油相中疏水性底物亲和力更强，因此对单芳香化合物表现出较高的转化效率。

3.1.2 溶剂耐受性微生物的构建

近几年来，人们尝试以耐有机溶剂菌种为宿主细胞，通过基因工程手段，引入所需要的酶反应体系进行非水相细胞催化反应。

当产品形成是非生长耦合的，相比生长细胞，休眠细胞的制备是有优势的[30-31]。当采用依赖于NAD（P）H的氧化还原酶时，辅酶再生可以在酶代谢中完成。Resnick等[32]报道了应用大肠杆菌表达重组萘双加氧酶来优化萘氧化生产萘二羟。研究表明，休眠细胞比生长细胞的生产力强，且两相反应状态可以增加产量和选择性提取产物。以时间为函数，人们研究了休眠细胞的活力和再生能力；并对其它参数进行了优化，包括溶剂的选择和相比例等。该优化研究可以扩展到其它氧化酶系统，而且它代表了环境温和氧化过程重要进展。近几年来，非水相利用休眠细胞催化的例子屡见不鲜[15，29，33]。

在很多生物技术领域比如生物脱硫过程中，微生物对有机溶剂具有较高的耐受性是非常重要的。Tao等[34]从脱硫细菌R.erythpolis.XP的基因组中分别扩增dszA、dszB、dszC和dszD基因，并插入到宿主质粒 pMMB66EH 中，得到重组质粒pMMABCD。进而通过三亲本杂交转移法将此重组质粒导入P.putida Idaho中，构建了具有溶剂耐受性的脱硫细菌P.putida A4，结果表明：通过基因工程构建的P.putida A4能降解多种多环芳烃硫杂环化合物，例如二苯并噻吩、苯并噻吩等，甚至在体积分数达50%的对二甲苯中仍能保持脱硫活性。

3.2 细胞固定化

在非水相细胞催化中，应用细胞固定化有明显优势[18]，细胞固定化不仅有利于细胞分离和实现重复利用，而且防止了细胞和有机溶剂直接接触，避免了细胞凝聚和有机溶剂的相毒性，有利于提高细胞在非水相中的活性和稳定性。罗明芳等[35]研究表明：在非水相微生物催化除硫中，细胞固定化对促进油品生物深度脱硫技术产业化发展有重要意义。

不同固定化细胞的制备方法对反应的传质、细胞活性和反应的特性有不同影响。虽然固定方法种类很多，新方法也不断出现，但仍没有一种通用的、理想的方法。一般认为，非水相催化反应中固定化细胞制备方法应该具有如下特点[9，36-41]：①能够控制固定化细胞大小和孔隙度；②固定化所用原料要便宜易得；③固定化方法简单易行；④固定化细胞具有良好稳定性；⑤用于固定化细胞载体应为惰性，不损伤细胞，不与有机介质起反应；⑥具有良好传质性能；⑦细胞在载体中分布要有利于反应。然而，对于具体反应，选用的固定化细胞制备方法和载体不可能都具备上述要求。因此要综合考虑选择合适方法。

目前，用于非水相生物催化的常见细胞固定化方法包括吸附、包埋和复合固定化等几种方法。

3.2.1 吸附法

吸附法是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和黏附力的作用，而使微生物细胞固定在载体表面和内部的方法。常见载体材料有：硅藻土、温石棉、硅胶、蒙脱土等。此法操作简单，细胞活力损失较小，但细胞直接与有机溶剂接触，受到有机溶剂毒害大，细胞活性保持很大程度上依赖于有机溶剂的选择。

在非水相细胞催化甾体转化中，吸附法应用较多，但至今为止，还没有一种固定化材料可用于非水相细胞催化甾体转化的工业生产中。目前，固定化细胞制备过程对细胞活性影响，以及非水相中固定化材料的重复利用性仍是科学家选择固定化材料的主要依据。Dias等[36]考察了在有机溶剂中利用分支杆菌细胞选择性降解谷甾醇支链的可能性，并且比较了不同固定化方法（硅藻土吸附、κ-卡拉胶包埋和聚氨酯泡沫包埋）对反应的影响，结果表明：无论在邻苯二甲酸酯还是水相中，硅藻土固定化细胞降解谷甾醇的活性均较高，有机相底物摩尔转化率达70%。但是，目前为止硅藻土固定化分支杆菌只能用于分批模式，且在连续分批操作时固定化细胞的催化活性下降较多，经实验验证原因可能是固定化细胞重复利用造成细胞氧化能力损耗[37]。Wendhausen等[38]利用一种低成本无机材料温石棉固定化分支杆菌，并以水-油两相中β-谷甾醇微生物转化生产雄烯二酮（AD）为反应模型，考察了固定化对产物产量和转化速率的影响。结果表明：在两相介质中，温石棉固定化细胞催化反应，产物产量和转化速率与游离细胞相比没有区别，这表明固定化细胞不受传质影响。在连续搅拌罐反应器中，温石棉固定化细胞催化反应连续进行一个月，产物产量稳定。因此，该研究表明温石棉是很好的细胞固定化材料，可有效提高细胞操作稳定性，并且可进一步通过优化反应条件来提高产物产量。

3.2.2 包埋法

包埋法是将细胞包裹在凝胶网格结构或半透性聚合物薄膜内，小分子底物和产物可自由扩散，而细胞却不会扩散到周围介质中去的一种方法，它是非水相细胞催化常用固定化方法。常见载体材料有：海藻酸钠，琼脂，κ-卡拉胶，聚氨酯等。该法操作简单，对细胞活性影响小，但是除了海藻酸钠以外，天然凝胶在有机溶剂中的不稳定性，分配、传质限制和机械稳定性低等缺点限制了其在非水相细胞催化中的应用[4]。海藻酸钙凝胶因制备条件温和，且在有机溶剂中稳定，在非水相细胞催化中得到了广泛应用[12，39-42]。

Arabi等[42]以藓类念珠藻细胞转化生成雄性激素为模型，研究了海藻酸钠、琼脂、κ-卡拉胶、聚丙烯酰胺、聚乙二醇5种材料及固定化方法对生物催化反应转化率的影响。结果表明：海藻酸钙凝胶包埋细胞的生物转化率最高，达 (72±2.3)%，而其它固定化方法转化率不超过35%。因此，海藻酸钙凝胶是包埋细胞较好的固定化载体。这主要因为除海藻酸钙凝胶以外，其它凝胶在制备过程中，由于温度较低或单体对细胞的毒害作用，使凝胶的强度或细胞活性下降，所以海藻酸钙固定化细胞的转化活性较高。然而海藻酸钙凝胶是亲水性材料，对于疏水性物质有传质限制，并且虽然海藻酸钙固定化细胞可以克服有机溶剂的相毒性，但不能避免溶剂的分子毒性[15]。另外，Li等[43]利用硫酸纤维素钠/聚二烯丙基二甲基氯化铵（NaCS/PDMDAAC）微囊固定化简单节杆菌，用于两相介质中 11α-羟基-16α,17-环氧孕酮脱氢反应的研究，考察了溶剂和表面活性剂添加量对反应产量的影响。结果表明：反应最佳条件是己烷为最适有机溶剂，吐温80添加量2.13%，在气升式环流反应器中反应产率达97.54%。在半连续化操作5次后，微囊化细胞内酶活性仍较高，产物产率大于95%。总之，目前包埋法固定化细胞研究中反映出的最大缺点是物质的扩散限制。虽然，外扩散传质限制可通过调节动力学条件减小或去除，内扩散传质限制也可通过减小固定化载体尺寸的方法在一定程度上有所减小，但这不是解决扩散限制的根本办法。因此，研究新型固定化材料、合适的固定化方法及载体结构，可望解决包埋法固定化细胞常见的扩散限制问题。

3.2.3 复合固定化方法

新兴的复合固定化方法，因为能够平衡传统单一固定化方法的优缺点，使生物催化剂在保持原有活性的基础上，稳定性有所提高，还具有操作简单、成本低廉等优点，因而在生物转化、手性拆分和废水处理等方面均有良好的应用实例。目前非水相细胞催化中常见的复合固定化方法主要有耦合包埋法、吸附-包埋法，包埋-交联法等。戴冕等[44]在石油醚/水两相体系中，以 2%海藻酸钠和10%聚乙烯醇为复合载体，利用固定化酵母细胞生物合成 L-麻黄素的重要中间体 L-苯基乙酰基甲醇（L-PAC）。研究发现，该耦合固定化方法与一般固定化细胞方法相比，既克服了营养物质和代谢产物的传质阻力，又保持了较好的机械强度，从而显著提高L-PAC产量。虽然复合固定化方法已经在非水相细胞催化中得到了重视，但是其研究大多数只是停留在实验室水平，可能是因为目前的载体价格高，使用寿命短等问题。因此，耐用且廉价的新型复合微生物固定化载体的研究与开发，将是促进复合固定化技术推广应用，实现此方法工业化的关键问题。

3.3 其它辅助方法

3.3.1 添加人工电子受体

甾体的微生物转化，如 C1，2脱氢、11α-羟化、11β-羟化反应等都涉及辅助因子的反应，需要辅助因子提供电子转移系统，但该电子转移系统很容易受到外界因素影响而中断，解决该问题的方法之一是添加人工电子受体来激活呼吸链，从而保持细胞持续的活性。维生素K因结构和性能与天然电子受体相似，因此是非水相甾体转化中常用的人工电子受体。Bie等[45]研究了两相体系中维生素K对简单节杆菌还原甲睾酮为甲睾酮的影响。研究表明：当维生素K的浓度从0增加到0.6 mmol/L 时，产物转化率（体积比）从20%升到85%。

3.3.2 添加表面活性剂

两相固定化细胞时，添加表面活性剂可强化相际传质（即从有机相到微生物细胞表面的传质），从而提高固定化细胞催化活性。在两相固定化德氏假单胞菌R-8细胞油品脱硫中，Li等[46]研究了非离子表面活性剂对细胞活性的影响。研究表明：相比未添加表面活性剂，加入 0.5%非离子表面活性剂Span80，固定化细胞的脱硫活性提高了80%。

4 非水相细胞催化反应应用领域

4.1 香料生产

香料在食品、化妆品领域有广泛的应用。目前，市场上的许多香料化合物仍然是通过化学合成或从植物中萃取生产的。随着人们生活质量的提高，消费者对天然香料的需求日益增强。在美国或欧洲，能被标记为“天然”的调味剂和芳香剂必须是采用物理方法从天然材料中提取、酶催化或微生物发酵法生产的。但是，植物萃取因受季节和品种的影响，很难满足市场上人们对天然香料的需求。因此，近年来香料的生产正迅速向微生物转化制备方向转变，例如微生物转化合成香草醛和2-苯乙醇等。

香草醛像其它芳香化合物一样，对微生物是有毒害的，因此，水相中微生物转化生产香草醛的产量很难提高。近几年兴起的非水相细胞催化香草醛合成过程，在发酵液中加入有机溶剂，在产物形成的同时将其萃取出来，从而大大提高了香草醛的产量[47]。Shimoni等[48]从土壤中分离到一株枯草芽孢杆菌，它转化异丁香酚为香草醛的摩尔转化率达到12.4%，产物浓度为0.61 g/L，其无细胞萃取液能提高转化率，产生0.90 g/L香草醛。赵丽青等[8]从土壤中筛选获得一株能耐受高浓度异丁香酚，并高效转化生成香草醛的纺锤芽孢杆菌菌株CGMCC1347，研究了微生物细胞在异丁香酚-水两相体系中转化异丁香酚制备香草醛的过程，在优化条件下转化，香草醛浓度高达46.10 g/L 。

4.2 药物和药物中间体生产

对于需要辅酶参与和多酶催化的反应，细胞催化更易实现，例如甾体转化和氧化还原反应。非水相细胞催化制备手性药物中间体和甾体药物，因具有减少底物抑制或原位萃取产物，抑制副反应等优点，有利于产物产量和选择性的提高[36-37，49]。

影响水相中甾体转化产量提高的主要原因是底物和产物在水中溶解度很低，如甾体、甾醇化合物在水中溶解度通常低于0.1 mol/L 或1 μmol/L。而利用水-有机溶剂两相体系可以有效解决这一问题，并可提高转化率，简化产物的分离过程。目前的研究主要集中于通过改进疏水性底物和生物催化剂间的相互作用来提高生物转化产量。近几年，在非水相体系生物转化β-谷甾醇方面，Pinheiro研究组为提高产物雄烯二酮（AD）和 1,4-雄烯二酮（ADD）产量，在有机溶剂筛选[50]、生物反应器操作条件优化[51]、生物催化剂固定化[38]等方面做了大量研究。以休眠分枝杆菌选择性降解β-谷甾醇支链为模型，Marques等[52]考察了非水相中完整细胞生物转化规模化的评价标准。实验分别在0.5 mL微量滴定板、250 mL锥形瓶和300 mL磁力搅拌器上进行，研究表明：在以上3种规模中，当水-有机溶剂两相保持恒定的体积功耗时，产物产量相似。因此，恒定的体积功耗是预测水-有机溶剂两相系统规模化较合适的标准，当从锥形瓶放大到搅拌器规模生产时，细胞的催化活性保持不变。该研究首次为非水相完整细胞催化从锥形瓶放大到实验室规模生物反应器提供了较合适的评价标准。

4.3 其它化合物生产

除了在香料和药物中间体上的应用，非水相细胞催化在环境修复领域也有不少应用[28-29，34]。例如石油污染物降解和生物脱硫等。两相分批培养系统已用来克服高底物浓度对微生物细胞活性的抑制。Parameswarappa等[53]研究了正癸醇-水体系中游离和固定化荧光假单胞菌-CS2对乙苯的降解能力。结果表明：荧光假单胞菌-CS2在两相中对乙苯的降解能力较纯油相中提高了 5倍。海藻酸钙凝胶和聚丙烯酰胺固定化荧光假单胞菌-CS2可有效提高菌体对乙苯的降解能力，分批培养可持续降解达42天。

5 展 望

非水相细胞催化有着诱人的应用前景，其研究已经从大宗化学品制备，如乙醇、丁醇等，扩展到有较高附加值产品的生产，如香料、精细化学品等。但是，细胞在非水相介质中的活性和稳定性保持一直是非水相细胞催化需要解决的关键问题。除了非水相介质的筛选技术，研究者在耐有机溶剂极端微生物的筛选和构建、非水相固定化细胞技术等提高细胞催化活性的方法方面做了大量有益的尝试，提高了非水相中细胞活性和稳定性。然而，非水相细胞催化研究还停留在实验室探索阶段，几乎没有工业上成功的应用例子。从生物学角度来看，新型耐有机溶剂极端微生物的筛选仍将是今后生物学家关注的方向。随着基因工程技术、组学技术的快速发展，人们对微生物细胞溶剂耐受机制认识程度的提高，耐有机溶剂微生物的构建将是更具有实际意义的工作。从工程学角度来看，细胞固定化技术仍是一个有效的手段，但固定化载体对细胞的保护作用与满足细胞生长代谢所需的物质传递之间的平衡问题是个不小的挑战。通过选择或者合成生物相容的固定化材料、建立温和简单的固定化方法、调控固定化载体结构、设计新型生物反应器结构和操作方式，以及结合产物原位分离技术、实现非水相细胞催化的生产与多种分离过程的耦合，将有助于推动非水相细胞催化技术走向工业应用，生产香料、手性药物或药物中间体等高附加值产品。

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Progress of whole cell-based biocatalysis in nonaqueous media

HOU Dandan1，YU Weiting2，DAI Xiaomin1，LIU Xiudong1，MA Xiaojun2
（1School of Environment and Chemical Engineering，Dalian University，Dalian 116622，Liaoning，China；
2Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Dalian 116023，Liaoning，China）

Q 814

A

1000–6613（2011）04–0830–08

2010-10-12；修改稿日期：2010-11-11。

国家重点基础研究发展计划（2007CB714305）、国家自然科学基金（20736006，20806080）、“十一五”国家科技支撑计划（2006BAD27B04）及大连市青年科技人才基金（2007J23J H036）项目。

侯丹丹（1986—），女，硕士研究生。联系人：刘袖洞，教授；马小军，教授，博士生导师。E-mail liuxd@dicp.ac.cn；maxj@dicp.ac.cn。