微生物全细胞作为生物催化剂的一种,可催化特定底物向理想产物转化;该转化过程具有酶催化反应的优点,例如立体选择性高、反应条件温和等;同时,相比较酶反应而言,该催化过程直接采用微生物细胞作为催化剂,避免了纯酶制剂繁琐的制备过程,极大降低了生物催化的成本。因此,全细胞近年来在绿色催化领域得到了关注。其中全细胞在催化具有抗癌、抗病毒等活性的非天然核苷酯类物质合成反应中,被证明具有与酶法相比拟的反应活性和更高的催化稳定性。为进一步提高全细胞催化剂的催化效率和在有机介质中的稳定性,本论文以5-氟脲苷酯合成反应为模型,以食品行业常见微生物荧光假单胞菌与米曲霉分别为代表性细菌和真菌类微生物,采用统计实验设计方法系统研究了全细胞培养条件对所获得细胞催化效率的影响,并对培养条件进行了优化,以期在最佳的培养条件下获得较多质量的菌体和较高酶活力的全细胞催化剂;此外,本研究还从溶剂耐受性菌种的筛选角度,考察了培养过程中有机溶剂对全细胞催化剂催化效率的影响,并筛选得到了具有较好溶剂抗性的菌株。通过Plackett-Burman(PB)设计法,发现在催化5-氟尿苷酯合成反应中,7个重要影响因素(酵母膏、大豆油、K与Mg盐、摇速、p H和接种量)均对荧光假单胞菌全细胞催化剂的催化活性具有不同程度的影响;其中,酵母膏、大豆油和Mg盐含量为荧光假单胞菌全细胞催化活性的主要影响因素。通过响应面法对培养条件进一步优化,并考虑到实际过程中能耗、操作简易性等问题,确定催化5-氟尿苷酯合成的荧光假单胞菌最优的培养条件为:大豆油0.42%,酵母膏0.07%,Mg盐0.06%,硫酸铵0.5%,磷酸氢二钾0.4%,接种量3%,p H 7.8,摇速200 rpm。在上述最优培养条件下,预测得到的荧光假单胞菌细胞最大理论生物量为0.0410 g,最高理论酰化产率为18.79%。验证性实验表明,在上述最优培养条件下,荧光假单胞菌的生物量达到了0.0716 g,催化5-氟尿苷酯合成产率达到了27.40%;而原配方下得到的生物重和产率只为0.0423 g和17.90%。除细菌外,真菌类微生物也是重要的全细胞催化剂来源。本研究采用米曲霉为代表性真菌型全细胞催化剂,通过Plackett-Burman(PB)设计探讨了7个重要影响因素(酵母膏、吐温80、K与Mg盐、摇速、p H、接种量)对其在5-氟脲苷酯合成反应中催化效率的影响。PB设计结果表明,酵母膏、接种量和Mg盐含量为影响所培养的米曲霉催化活性的主要因素。通过响应面法,对培养条件进一步优化,得到催化5-氟尿苷酯合成反应的米曲霉催化剂的最优培养条件:酵母膏0.07%,Mg盐0.03%,接种量4%,吐温80 0.60%,磷酸氢二钾0.50%,p H 7.0,摇速210 rpm;在上述最优培养条件下,米曲霉细胞的最大理论生物量为0.3534 g,催化反应中最大理论产率为7.79%。验证性实验表明,在最优条件下,米曲霉3.5的实际生物量达到了0.2899 g,其在催化5-氟尿苷酯合成反应中产率达到了5.90%;同样远高于未优化条件下得到的生物重(0.2284 g)和催化反应的产率(4.36%)。对非水介质中的生物催化而言,不仅生物催化剂活性影响其催化反应的效率,生物催化剂本身对有机溶剂的耐受性不同也通过影响其稳定性进而影响其催化反应效率。本研究接着以甲苯为筛选模型溶剂,采用溶剂冲击的方法,从细菌类微生物中筛选出4株具有较好溶剂耐受性及催化酰化活性的菌株,分别为施氏假单胞菌、恶臭假单胞菌、铜绿假单胞菌和荧光假单胞菌。通过逐步增加培养过程中甲苯含量研究发现,荧光假单胞菌在低浓度甲苯下培养后所得细胞不仅具有良好的甲苯耐受能力,其催化活性也较原始菌株明显提高。故进一步选择在低浓度甲苯的环境中,将上述筛选得到的溶剂耐受性荧光假单胞菌菌株进行传代培养,获得了具有最高催化酰化活性与生物量的荧光假单胞菌细胞。对上述驯化菌株在其他不同种类有机溶剂中溶剂抗性的研究表明,该菌在多种有机溶剂中,如甲苯、乙腈、丙酮和叔丁醇等中均具有良好的溶剂抗性;但所培养菌株的溶剂抗性与有机溶剂的lg P值之间未呈现明确关系。本研究建立了可用于催化促核苷酰合成的微生物全细胞的新培养体系,为5-氟尿苷酯等具有较高医药价值化合物的工业化制备提供了有效思路,并扩大了食品领域常见微生物在生物催化领域的应用范围。