基于多孔薄膜水凝胶固定化技术显著提升维生素K2（MK-7）发酵生产效率的突破性研究

为解决传统发酵法生产维生素K2（MK-7）效率低、周期长的问题，北京化工大学团队开发了新型PVA+B@Ca多孔水凝胶固定化技术。该研究通过优化固定化材料与工艺，使MK-7产量提升47.5%（48.33±2.92 mg/L），发酵周期缩短50%（24小时），时空产率提高5倍（2.0 mg/L·h）。该技术通过构建保护性微环境维持细胞代谢活性，为工业化高效生产MK-7提供了创新解决方案。

　　

维生素K₂（VK₂）是人体必需脂溶性营养素，其中甲萘醌-7（MK-7）因其长半衰期成为最具价值的亚型。尽管MK-7在心血管疾病和骨质疏松防治中展现重要价值，其工业化生产却长期受限于传统发酵法的低效率——游离细胞培养通常需要48小时且产量仅32.76±1.92 mg/L。更棘手的是，基因工程菌虽能提高产量，却面临食品安全监管限制。如何在不依赖基因改造的前提下突破生产瓶颈，成为生物制造领域的重大挑战。

北京化工大学生物加工重点实验室的Qiu-Hua Zhang等研究者独辟蹊径，从细胞固定化技术入手，开发出革命性的PVA+B@Ca多孔薄膜水凝胶系统。这项发表于《Applied Microbiology and Biotechnology》的研究，通过材料筛选、工艺优化和机理解析的三步策略，实现了MK-7发酵技术的跨越式发展。研究团队首先从西藏高原土壤分离的野生型枯草芽孢杆菌BUCT-184（CICC 25137）出发，系统比较了壳聚糖、明胶、海藻酸钠和PVA四种固定化材料性能；随后创新性地在PVA-硼酸交联体系中引入碳酸钙造孔剂，开发出具有98.7%孔隙率的薄膜载体；最终通过连续发酵验证和显微分析，阐明固定化提升产量的作用机制。

关键技术包括：（1）多孔薄膜水凝胶制备：将PVA与碳酸钙浆料真空成型为0.5mm薄膜，经硼酸交联和氯化钠处理后形成5×5mm²固定化单元；（2）分批/连续发酵对比：在5L发酵罐中比较游离细胞与固定化细胞的MK-7产量、发酵周期和时空产率；（3）表征分析：通过SEM观察载体形貌，HPLC检测MK-7浓度，并测定MenA酶活性以排除代谢途径影响。

材料筛选揭示PVA优越性
通过对比四种材料固定化效果，发现PVA在维持结构完整性和产量提升上表现最优。壳聚糖因pH敏感性溶解，明胶增加培养基粘度，海藻酸盐在磷酸盐体系中易破裂，而PVA固定化使MK-7产量达48.33 mg/L，较游离细胞提升47.5%。

PVA+B@Ca优化实现性能突破
引入碳酸钙造孔使载体孔隙率升至98.7%，比表面积达19.8±1.37 m²/g。这种"蜂窝状"结构促进营养交换，使细胞密度（OD₆₀₀）提升至16.67，发酵周期缩短至24小时。

连续发酵展现工业化潜力
固定化细胞在8批次连续发酵中保持稳定，时空产率2.0 mg/L·h达游离细胞5倍。显微分析显示固定化有效防止细胞衰老，而SEM证实生物膜在载体表面均匀生长。

显微机制阐明保护效应
Gram染色显示固定化细胞保持杆状活性形态，而游离细胞在第5批后大量形成孢子。元素分析发现载体钙离子含量从40%降至34%，证实营养物质可穿透多孔结构支持细胞代谢。

该研究开创性地证明物理固定化可替代基因改造提升MK-7产量。PVA+B@Ca薄膜通过三重机制发挥作用：（1）多孔结构缓解机械剪切力；（2）高比表面积促进生物膜形成；（3）微环境稳定MenA酶活性。相较于文献报道的基因工程菌（8.8 mg/L）或固态发酵（67.01 mg/kg），该技术在不改变菌种遗传背景前提下实现产量突破，且材料成本低廉、工艺易于放大。这些发现不仅为MK-7工业化生产提供新范式，其"多孔薄膜+原位固定化"的设计思路更为其他高值代谢产物发酵工艺开发提供重要参考。