【4】 微生物细胞破碎
微生物细胞的破碎
❖ KOLER gmbh
❖ 德国著名特制合金材料公司
ATS的技术合作伙伴－意大利FBF
ATS的合作伙伴FBF
❖ 成立于1987年，位于意 大利帕尔马
❖ 2002年来，每年生产近 300台高压均质机
❖ 设备销往全世界50多个 国家，有超过2000台设 备在各地运行。
ATS的合作伙伴FBF
可达较高破碎率，可大规模操作，对于少 量物料<100ml,难操作
超声破碎法
液体剪切作用
对酵母菌效果较差，破碎过程升温剧烈， 不适合大规模操作
X-press法
固体剪切作用
破碎率高，活性保留率高，对冷冻敏感目 的产物不适合
非 酶溶法
酶分解作用
具有高度专一性，条件温和，浆液易分离，
机
溶酶价格高，通用性差
械 化学渗透法 改变细胞膜的渗透性 具一定选择性，浆液易分离，但释放率较
一、细胞壁的组成和结构
为了研究细胞的破碎，提高其破碎率，有必要了解 各种微生物细胞壁的组成和结构（表1）：
微生物 壁厚/nm 层次
主要组 成
革兰氏阳性 革兰氏阴性 酵母菌
20-80
10-13
100-300
单层
多层
多层
肽聚糖
肽聚糖
葡聚糖
（40-90%） （5-10%） （30-40%）
多糖
脂蛋白
❖ 2002年开发了新的 TITAN系列大型高压均 质机，成为欧洲发展最 迅速的高压均质机制造 商。
高压细胞破碎机工作原理
❖ 电机驱动 ❖ 柱塞泵加压 ❖ 均质点破碎
❖ 空穴效应 ❖ 剪切效应 ❖ 撞击效应
破碎发生点
高压破碎的要点
第4章细胞破碎2010
第一节 第二节 第三节
细胞破碎的分类 细胞壁的组成与结构 常用破碎方法 珠磨法 高压匀浆法 超声波破碎法 酶解法 化学渗透法 其它方法
第四节 破碎率的测定与破碎技术的研究方向
第一节 细胞破碎的分类
许多生物产品都存在于细胞内部（如胰岛素、干扰素）
很多基因工程产物都是胞内物质， 因此，细胞破碎是提 取这些成分的第一步，也是提取产物的关键性步骤，
关于破碎技术的研究更加引起基因工程专家和生物工程学者 的关注。
二、细胞破碎的分类
细胞破碎的目的是释放出细胞内含物， 其方法很多，按照是否施加外力可分为 机械法和非机械法两大类。
机械法工业运用较为成熟，非机械 法的实验室研发也相当活跃。
机械法中的高速湿法珠磨和高压匀浆
法不仅在实验室被广泛运用，而且已经在工 业生产中应用。非机械法中的酶溶法和化学 渗透研究也较为成熟。新型破碎手段，如激 光破碎法、冷冻-喷射法、高速相向流撞击法 等的研究有待进一步深入和完善。
四、细胞壁结构与细胞破碎
细胞破碎就是破坏细胞壁网状结构的共价键，对于不 同的细胞，由于其细胞壁的组成及结构的差异，破碎的难 以程度不同。
对于机械破碎，细胞的大小和形状、细胞壁的厚度及 聚合物的交联程度，影响破碎的难以程度。个体小、球形、 厚壁、交联程度高的细胞难破碎。
对于酶法或化学溶剂法，细胞壁的组成特别重要，结 构次之。
高压匀浆一般需多级操作，每次循环前进行级 间冷却。提高压力有利于细胞破碎，但会增加能耗。
存在的问题 除了较易造成堵塞的团状或丝状 真菌以及较小的革兰氏阳性菌不适合此法外，其他 微生物都可用高压匀浆法破碎。
另外，有些坚硬的亚细胞器易损坏匀浆阀，也 不宜采用。
大肠杆菌 生长在复杂 培养基上比 生长在简单 培养基上更 坚固。
微生物细胞的破碎及破碎率测定1
（1） 研磨法
研磨：将细胞悬液与玻璃珠、石英砂或氧化铝一起快速 搅拌或研磨，使细胞破碎。
实验室设备：Mickle高速组织捣碎机和Braun匀浆器， 利用玻璃小珠撞击微生物细胞而破碎。
主要缺点：温度迅速升高，需冷却。 另外，较大量的细胞可用胶质磨来处理。
4. 超声波在液体中起空穴作用，使液体温度会快速 升高，可采用短时间的多次破碎，同时可补加冰 浴冷却。
思考题
1. 细胞破碎的方法有哪些？ 2. 超声波破碎细胞时应注意的问题是什么？ 3. 计算本次实验细胞破碎的破碎率。
实验步骤
1、研磨法
• 细胞培养和收集：将活化菌种接入肉汤液体培养基中， 37℃振荡培养。当到达对数少长期后(约18h)，用离心 机收集细胞，3500rpm离心20min。
• 菌体悬液的制备；取湿细胞5-10g悬浮于30ml细胞破碎 缓冲液中。
• 研磨：在研钵中加入适量石英砂，与菌悬液混合，研 磨10min。
• 超声波破碎： 800W，工作6s，间歇6s，破碎75次。 • 破碎率的测定：革兰氏染色法（初染1’、媒染1’、
脱色20-30’’、复染4’）、镜检计数。
3、酶解法
• 细胞培养和收集：将活化的巨大芽孢杆菌种接入肉汤 液体培养基中，37℃振荡培养。当到达对数少长期后 (约18h)，用离心机收集细胞，3500rpm离心20min。
例如，破碎的革兰氏阳性菌常可染色成阴性菌的颜 色，利用革兰氏染色法未受损害的酵母细胞呈现紫色， 而受损害的酵母细胞呈现亮红色。
（2）测定释放的蛋白质量或酶的活力
测定悬浮液中细胞内含物的增量来估算破碎率。 通常将破碎后的细胞悬浮液离心，测定上清液中 蛋白质的含量或酶的活力，并与100％破碎所获得的 标准数值比较。
4第四章 微生物细胞的破碎
三、破碎率的测定与破碎技术的研究方向
1. 破碎率的测定
1)直接测定法
采用染色的方法把破碎的细胞与未破碎的细胞区别开来。 如破碎的革兰氏阳性菌可染成革兰氏阴性菌的颜色； 采用革兰氏染色法染色酵母破碎液，完整的细胞呈紫色， 2)目的产物测定法 而受损害的细胞呈亮红色。 将破碎后的细胞悬浮液离心分离细胞碎片，测定上清液中目的 产物（如蛋白质或酶）的含量或活性，并与100%破碎率所获得 3)导电率测定法 的标准数值比较，计算其破碎率。 细胞破碎后，大量带电荷的内含物被释放到水相，使导电率上 升。导电率随着破碎率的增加而呈线性增加 。
转速、稀释率等）等因素都对细胞壁膜的结构与组成有一定的影响。细胞的破碎 细胞破碎与固液分离紧密相关。 同样条件下破碎率只有32%。 与上游培养过程有关。 用基因工程的方法对菌种进行改造，以提高胞内物质的提取率也是非常重要的 。 在生长后期，加入某些能抑制或阻止细胞壁物质合成的抑制剂（如青霉素、环 丝氨酸等），继续培养一段时间后，新分裂的细胞其细胞壁有缺陷，利于破碎； 选择较易破碎的菌种作为寄主细胞，如革兰氏阴性细菌； 在细胞内引进噬菌体基因，培养结束后，控制一定条件（如温度等），激活噬 菌体基因，使细胞自内向外溶解，释放出内含物。
作业:
1. 常用细胞破碎方法(珠磨法、高压匀浆法、 超声破碎法、酶溶法、化学渗透法)的原理、 特点及适用性。 2. 举例说明采用多种破碎方法相结合提高破碎 率的机理。
二常用破碎方法类作用机理分适应性机械法珠磨法固体剪切作用可达较高破碎率可较大规模操作大分子目的产物易失活浆液分离困难高压匀浆法液体剪切作用可达较高破碎率可大规模操作不适合丝状菌和含有包含体的基因工程菌超声破碎法液体剪切作用对酵母菌效果较差破碎过程升温剧烈不适合大规模操作xpress法固体剪切作用破碎率高活性保留率高对冷冻敏感目的产物不适合非机械法酶溶法酶分解作用具有高度专一性条件温和浆液易分离溶酶价格高通用性差化学渗透法改变细胞膜的渗透性具一定选择性浆液易分离但释放率较低通用性差渗透压法渗透压剧烈改变破碎率较低常与其他方法结合使用冻结融化法反复冻结融化破碎率较低不适合对冷冻敏感目的产物干燥法改变细胞膜渗透性条件变化剧烈易引起大分子物质失活细胞破碎机理图进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠石英砂氧化铝等研磨剂直径小于1mm一起快速搅拌或研磨研磨剂珠子与细胞之间的互相剪切剂珠子与细胞之间的互相剪切碰撞使细胞破碎释放出内含物
第4章 微生物细胞破碎
2.植物细胞壁的化学组成和结构 植物细胞壁的化学组成和结构
成熟的植物细胞壁分为初生壁和次生壁， 成熟的植物细胞壁分为初生壁和次生壁，次 生壁是在初生壁上增厚的部分，次生壁形成时， 生壁是在初生壁上增厚的部分，次生壁形成时， 细胞不再增大。 细胞不再增大。 初生壁与次生壁的主要化学成分均为纤维素。 初生壁与次生壁的主要化学成分均为纤维素。 纤维素分子又可进一步组装成微纤丝， 纤维素分子又可进一步组装成微纤丝，微纤丝 再交织成网状，就构成细胞壁的基本骨架。 再交织成网状，就构成细胞壁的基本骨架。
（3）超声波破碎法 ）
影响超声波破碎的因素主要有超声波的声 强、频率、破碎时间、介质的离子强度、 频率、破碎时间、介质的离子强度、 pH、菌体的浓度和种类。 、菌体的浓度和种类。 一般杆菌比球菌易破碎， 细菌比G 一般杆菌比球菌易破碎，G-细菌比 +细菌 易破碎，对酵母菌的效果较差。 易破碎，对酵母菌的效果较差。超声破碎时 细胞浓度一般在20％左右。 细胞浓度一般在 ％左右。
按细胞所受作用） 第二节 常用破碎方法（按细胞所受作用）
分 类 作用机理 适应性 可达较高破碎率，可大规模操作， 可达较高破碎率，可大规模操作，不适 合丝状菌和革兰氏阳性菌 可达较高破碎率，可较大规模操作， 可达较高破碎率，可较大规模操作，大 分子目的产物易失活， 分子目的产物易失活，浆液分离困难 对酵母菌效果较差，破碎过程升温剧烈， 对酵母菌效果较差，破碎过程升温剧烈， 不适合大规模操作 破碎率较低， 破碎率较低，常与其他方法结合使用 破碎率较低， 破碎率较低，不适合对冷冻敏感目的产 物 条件变化剧烈， 条件变化剧烈，易引起大分子物质失活 破碎率高，活性保留率高， 破碎率高，活性保留率高，对冷冻敏感 目的产物不适合 具有高度专一性，条件温和， 具有高度专一性，条件温和，浆液易分 溶酶价格高， 离，溶酶价格高，通用性差 具一定选择性，浆液易分离， 具一定选择性，浆液易分离，但释放率 较低， 较低，通用性差 高压匀浆法 液体剪切作用 珠磨法 固体剪切作用
微生物细胞的破碎
1. 珠磨法（Bead mill）
• 原理： 进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小 珠、石英砂、氧化铝等研磨剂（直径小于 1mm）一起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠 子与细胞之间的相互剪切、碰撞使细胞破 碎，释放出内含物。在株液分离器的协助 下，珠子被滞留在破碎室内，浆液流出从 而实现连续操作。破碎中产生的热量一般 采用夹套冷却的方式带走。
2.渗透压法（Osmotic pressure）
• 将细胞放在高渗透压的介质中（如一定浓 度的甘油或蔗糖溶液），达平衡后，转入 到渗透压底的缓冲液或纯水中，由于渗透 压的突然变化，水迅速进去细胞内，引起 细胞溶胀，甚至破裂。
仅适用于细胞壁较脆弱的细胞或细胞壁预 先用酶处理或在培养过程中加入某些抑制 剂（如抗生素等），使细胞壁有缺陷，强 度减弱。
• 某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表 面活性剂。抗生素、金属螯合剂等，可以 改变细胞壁或膜的通透性（渗透性），从 而使胞内物质有选择地渗透出来。
（1）表面活性剂
• 表面活性剂可促使细胞某些组分溶解，其 增溶作用有助于细胞的破碎。 Triton X-100(聚乙二醇辛基苯基醚) 是一种 非离子型表面活性剂（或称去污剂）。分 子量为646.86（C34H62O11）。它能溶解 脂质，以增加抗体对细胞膜的通透性。 牛黄胆酸钠 十二烷基硫酸钠(K12 化学式： C12H25―OSO3Na具有去污、乳化和优异 的发泡力。是一种无毒的阴离子表面活性 剂。
产物抑制的存在。
（2）自溶法（Autolysis）
诱发微生物产生过剩的溶胞酶或激发自身溶胞 酶的活力，以达到细胞自溶的目的。
影响自溶过程的主要因素有温度、时间、pH 值、激活剂和细胞代谢途径等。
缺点：对不稳定的微生物，易引起所需蛋白质 的变性，自溶后细胞悬浮液粘度增大，过滤速
微生物细胞的破碎
微生物细胞的破碎所谓的微生物细胞破碎就是使微生物的细胞壁或细胞膜受到不同程度的破坏或破碎，增大胞膜通透性，使胞内产物获得最大程度的释放,便于所需的生化物质的提取和分离的一种操作。
本质上这是一种增溶作用，其主要阻力来自于各种微生物细胞壁的结构和组成的差异。
由于各种微生物细胞壁的结构和组成的差异导致细胞破碎的难易程度不同。
因此，了解微生物细胞壁结构和强度对判断细胞破碎的难易程度和选择合适的细胞破碎方法有着十分重要的意义。
几乎所有细菌的细胞壁都是由具有网状结构的肽聚糖组成，肽聚糖包围在细胞周围，使细胞具有一定的形状和强度。
破碎细菌的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在的肽键的数量和其交联的程度，如果交联程度大，则网结构就致密。
几乎所有细菌的细胞壁都是由具有网状结构的肽聚糖组成，肽聚糖包围在细胞周围，使细胞具有一定的形状和强度。
破碎细菌的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在的肽键的数量和其交联的程度，如果交联程度大，则网结构就致密。
大多数霉菌的细胞壁主要由多糖，尤其是具有β-1，4糖苷键的几丁质和β-1，6糖苷键的葡聚糖组成，还含有较少量的蛋白质和脂类。
破碎霉菌细胞壁的阻力主要决定于霉菌细胞壁的强度和聚合物的网状结构，还有几丁质或纤维素的纤维状结构。
海藻类的细胞壁非常复杂，主要结构成分是纤维状的多糖类物质。
破碎海藻细胞壁的阻力主要取决于纤维素的β-1，4糖苷键结构。
海藻类的细胞壁非常复杂，主要结构成分是纤维状的多糖类物质。
破碎海藻细胞壁的阻力主要取决于纤维素的β-1，4糖苷键结构。
二．胞破碎的原则选择性地释放目标生化物质的关键是要根据目标生化物质的性质和在细胞内存在的位置来选择适当的破碎方法和操作条件。
一般原则有以下两个方面：①仅破坏或破碎存在目标生化物质的位置周围：当目标生化物质存在于细胞膜附近时，可采用较温和的方法，如酶解法、渗透压冲击法和冻结-融化法等。
微生物酶的分离纯化与酶学性质研究
微生物酶的分离纯化与酶学性质研究微生物酶在生物工程和生物技术领域具有广泛的应用，如食品工业、医药工业和环境工程等。
为了更好地利用微生物酶的功能，研究人员常常需要对微生物中的酶进行分离纯化和酶学性质的研究。
本文将介绍微生物酶的分离纯化方法和酶学性质的研究内容。
一、微生物酶的分离纯化方法微生物酶的分离纯化是指将微生物中的酶从其他组分中分离出来，并获得高纯度的酶样品的过程。
一般而言，微生物酶的分离纯化可以分为以下几个步骤：1. 细胞破碎：首先需要将微生物细胞破碎释放酶。
常见的破碎方法有超声波破碎、高压破碎和球磨破碎等。
2. 细胞层析：通过柱层析技术，可以将酶从细胞裂解液中进一步分离纯化。
常用的柱层析方法有凝胶层析、离子交换层析和亲和层析等。
3. 酶活测定：利用酶活测定方法可以确定酶的纯度和活力。
常用的酶活测定方法有酶促反应法、比色法和荧光法等。
二、微生物酶的酶学性质研究微生物酶的酶学性质研究是指对酶的催化活性、底物特异性、酶动力学参数和酶稳定性等进行研究。
这些研究可以为酶的应用提供理论依据。
1. 催化活性：通过测定酶在不同底物浓度和温度条件下的催化活性，可以确定酶的最适pH值和最适温度等。
2. 底物特异性：通过测试酶对不同底物的催化活性，可以确定酶对底物的特异性。
常用的方法有比色法、荧光法和质谱法等。
3. 酶动力学参数：通过测定酶在不同底物浓度下的催化速率，可以确定酶的酶动力学参数，如酶的最大催化速率和米氏常数等。
4. 酶稳定性：通过测定酶在不同pH值、温度和离子浓度等条件下的稳定性，可以确定酶的稳定性。
常用的方法有热失活曲线法、酶活测定法和聚丙烯酰胺凝胶电泳等。
结论微生物酶的分离纯化和酶学性质研究对于更好地利用酶的功能具有重要的意义。
通过适当的分离纯化方法可以获得高纯度的酶样品，而通过酶学性质的研究可以了解酶催化活性和特性，为酶的应用提供理论依据。
深入研究微生物酶的分离纯化和酶学性质，将有助于推动生物工程和生物技术的发展。
微生物细胞破碎
微生物细胞质
由水、无机盐、有机小分 子和蛋白质等组成，具有 代谢、遗传和繁殖等功能 。
微生物细胞破碎的原理
机械力作用
通过外力作用，如超声波、高压或研磨等，使微 生物细胞壁和膜破裂，释放细胞内容物。
化学试剂作用
使用某些化学试剂，如溶菌酶、EDTA等，破坏微 生物细胞壁或膜的组分，导致细胞破碎。
渗透压作用
优化破碎条件
通过调整破碎时间、温度、pH值、压力等条件 ，提高破碎效率和细胞内容物的释放。
3
结合多种方法
采用多种方法结合的方式，如先进行预处理再进 行破碎，或采用多种破碎方法组合使用，以提高 破碎效果。
实验设计及数据分析方法
实验设计
设计合理的实验方案，包括实验组和对照组的设置、实验操作流 程和数据记录方式等。
环保领域
通过微生物细胞破碎技术，可以高效地处理废水、废气等污染物， 实现环保领域的可持续发展。
农业领域
微生物细胞破碎技术可用于提取和纯化微生物肥料、农药等，提高农 业生产效率，促进农业可持续发展。
面临的挑战与问题分析
技术难题
微生物细胞破碎技术仍存在一些技术难题，如细胞壁的破碎效率 、破碎后细胞的回收和再利用等。
安全性提升
随着技术的不断进步和监管的加强，微生物细胞破碎技术 的安全性将得到进一步提升，为应用领域提供更加可靠的 技术支持。
THANKS
感谢观看
03
微生物细胞破碎的方法 与技术
机械法
研磨法
01
将菌体与固体介质混合，通过研磨、切碎和摩擦等机械作用破
坏细胞壁。
珠磨法
02
使用珠磨机将菌体与玻璃珠、氧化锆珠等硬质介质混合，通过
高速旋转产生的剪切力和摩擦力破坏细胞壁。
微生物细胞破碎原理与技术
酶解破碎
01
02
03
酶解破碎是利用酶分解细胞壁的 一种方法。酶能够特异性地分解 细胞壁中的蛋白质或糖类物质， 使细胞壁变得脆弱，最终破裂。
酶解破碎常用的酶有蛋白酶、糖 酶、胶原酶等。酶的种类和浓度、 反应温度、反应时间等因素都会 影响破碎效果。
酶解破碎的优点是破碎效果好、 细胞碎片小，适用于蛋白质、核 酸等生物大分子的提取。但缺点 是成本较高，需要严格控制反应 条件。
生物技术
利用基因工程和蛋白质工程技术 改造微生物细胞，提高细胞破碎 效率和产物的产量。
微流控技术
利用微流控芯片进行细胞破碎， 实现高通量、高效率和低能耗的 细胞破碎。
提高破碎效率和产物的纯度与活性
优化破碎条件
通过优化破碎条件，如压力、温度、破碎时间等，提 高破碎效率和产物的纯度与活性。
选择合适的破碎方法
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
通过微生物细胞破碎，可以研 究细胞内蛋白质的表达、定位 和功能，有助于深入了解细胞 的生理和病理过程。
微生物细胞破碎技术还可以用 于病毒的分离和纯化，以及疫 苗的制备和研究。
05
未来展望与挑战
新技术的研发与应用
纳米技术
利用纳米材料和纳米技术提高细 胞破碎效率，减少能耗和成本， 同时提高产物的纯度和活性。
04
应用与实例
工业发酵过程中的应用
微生物细胞破碎在工业发酵过程 中主要用于提取和纯化胞内产物，
如酶、蛋白质、代谢产物等。
通过破碎微生物细胞壁，可以释 放出细胞内的物质，便于后续的
提取和纯化。
工业发酵过程中常用的细胞破碎 技术包括机械破碎、超声波破碎、
化学破碎等。
生物资源开发中的应用
微生物细胞壁破碎方法
微生物细胞壁破碎方法我折腾了好久微生物细胞壁破碎方法，总算找到点门道。
一开始我真的是瞎摸索啊，就知道有些机械方法可以尝试。
我最先用的就是匀浆器，你可以把微生物的细胞想象成是一颗颗小豆子，那匀浆器就像是一个小搅拌机。
我就把那些含有微生物的溶液放在匀浆器里，然后来回地搅拌，想着这样就能把细胞壁打破了，但是这种方法很容易就失败了。
为啥呢？就是因为如果搅拌的力度小了，细胞壁根本破不了；要是搅拌得太猛了，细胞里的东西都破坏得乱七八糟的了，后续实验根本没法做了。
后来我又尝试了超声波破碎，这就像是用无数个微型小锤子不断地敲微生物的细胞壁。
刚开始我完全不知道该设定多久的超声波时间，多少的功率合适。
我就瞎试呗，结果要么时间短了破碎不完全，要么时间长了就像前面匀浆器那样把细胞内容物也破坏得一塌糊涂了。
经过好多次试验，我才发现不同的微生物承受超声波的能力还真是很不一样呢。
有一次我还试过酶解法，这就像是用专用的钥匙去开细胞壁这把锁。
我找来了针对这种微生物细胞壁的特定的酶，加到溶液里，想着这就能顺顺利利地把细胞壁分解了。
但实际操作的时候，最大的难题就是酶的浓度不好把握。
浓度低了，细胞壁破得慢甚至破不掉；浓度高了呢，又特别浪费酶，成本直线上升不说，还可能引入其他的杂质。
多尝试之后我有了个心得，要是确定不了用啥方法好，对微生物也不是特别了解的时候，可以先做个小实验，分别用不同强度、不同参数的方法去试试，比对一下结果，这样比一开始就大规模地用一种方法要靠谱得多。
而且在做这些细胞壁破碎的时候，一定要记得不断观察，就像盯着煮锅里的东西一样，一有不对劲儿就停止，这样也能避免失败。
还有温度这个因素，有时候容易忽略，不同的破碎方法对温度的要求也不一样，有的在低温下效果好，有的就得在稍微高一点但是还得合适的温度下才行，这些细节都是经过很多次失败才慢慢搞清楚的呀。
我现在虽然也不敢说对微生物细胞壁破碎方法掌握得多么完美，但至少不会像刚开始那样一头雾水到处乱撞啦。
生物分离工程 第4章-细胞的破碎-
细胞壁的组成与结构
微生物 壁厚/nm 层次 主要组成 革兰氏阳性 细菌 20~80 单层 肽聚糖（40 ％～90％）、 多糖、胞壁 酸、蛋白质、 脂多糖（1 ％～4％） 革兰氏阴性 细菌 10~13 多层 酵母菌 100~300 多层 霉菌 100~250 多层
肽聚糖（5 葡聚糖（30 多聚糖（80 ％～10％） ％～40％） ％～90％） 脂类、蛋白质 脂蛋白、脂 甘露聚糖 多糖（11 （30％）、 ％～22％） 蛋白质（6 磷脂、蛋白 ％～8％）、 质 脂类（8.5 ％～13.5）
n
为了研究细胞的破碎，提高其破碎率，有必要了解各种微 生物细胞壁的组成和结构。
8
第一节 细胞壁的组成与结构
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞 壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有 细胞膜。 通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压 冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于 细胞壁。 不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞 壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就 不同。
在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行破碎。
5
细胞破碎的必要性
表1 胞内酶举例
酶 L-天冬酰氨酶 过氧化氢酶 胆固醇氧化酶 β-半乳糖苷酶 葡萄糖氧化酶 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 来源 Eruinia Caratovora Escherichia Coli Aspergillus niger Nocardia hodochrous Kluyveromyces fragilis Saccharomyces lactis Aspergillus niger Penicilluim notatum Yeast 应用范围 治疗急性淋巴癌 牛奶灭菌后H2O2的清除 胆固醇浆液分析 在牛奶/乳清中乳糖的水解 作用 葡萄糖浆液分析 食品中氧的清除 临床分析
第三章 细胞破碎解读
有机溶剂
能分解细胞壁中的类脂，使胞壁膜溶胀，细胞破裂， 胞内物质被释放出来。 甲苯、苯、氯仿、二甲苯及高级醇等。
变性剂
盐酸胍（Guanidine hydrochloride）和脲素（Urea） 是常用的变性剂。 变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从而 使疏水性化合物溶于水溶液。
化学渗透法优点：
（5）化学渗透法 某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活 性剂、抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或 膜的通透性（渗透性），从而使胞内物质有选择地 渗透出来。 该法取决于化学试剂的类型以及细胞壁膜的结 构与组成。
表面活性剂
可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破碎。 如Triton X-100是一种非离子型清洁剂，对疏水性物质 具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷脂双 分子层，使某些胞内物质释放出来。 其他的表面活性剂，如牛黄胆酸钠、十二烷基磺酸钠等也可 使细胞破碎。
压和高速冲击撞击环造成细胞破裂。
原理：细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀之间的环隙高速喷出后撞击到碰撞 环上，细胞在受到高速撞击作用后，急剧释放到低压环境，从而在撞击 力和剪切力作用下破碎。
压力：50~70MPa 速度：450m/s
高压匀浆器针型阀结构简图
高压匀浆器各种阀型设计
在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难 破碎的及高浓度的细胞悬液，常采用多次循环 的操作方法。其破碎属于一级反应速度过程， 被破碎的细胞分率符合下式，破碎的动力学方 程可表示为：
EDTA螯合剂
处理G-细菌，对细胞外层膜有破坏作用。G-细菌的外层膜结
构通常靠二价阳离子Ca2+或Mg2+结合脂多糖和蛋白质来维
持，一旦EDTA将Ca2+或Mg2+螯合，大量的脂多糖分子将 脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。这些区域由内层膜的磷脂 来填补，从而导致内层膜通透性的增强。