表面活性剂在细胞破碎的应用

学校代码：__11059__学号：1302021035

Hefei University

下游处理技术

XIAYOUC HULIJIS HUZONGS HU

论文题目：表面活性剂在细胞破碎的应用

学位类别：本科

学科专业：生物技术

作者姓名：刘壮

导师姓名：于宙

完成时间：2016.4.29

表面活性剂在细胞破碎的应用

摘要

表面活性剂的结构中有一个亲水基团，通常是离子；一个疏水基团，通常是烃基。表面活性剂的结构特性赋予了其既能和水也能和脂类作用的特性。表面活性剂是一类具有表面活性的物质，溶于溶液后，能显著降低液体表面张力，并能改变溶液的增溶能力。细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖，同时也含有蛋白质和脂质。用表面活性剂处理后可增大细胞壁的通透性[1]，这就是表面活性剂在细胞壁的破碎的原理。而细胞破碎是提取胞内产物的必由之路。本文将重点讲述表面活性剂在细胞破碎的应用。

关键词：表面活性剂；cmc；原理

沿革

在工业生产中有些目标产物不再发酵液中，而在生物体中，尤其是基因工程菌产生的大多数蛋白质不会被分分泌到发酵液中，而是在细胞内乘积。脂类物质和一些抗生素也是包含在细菌体中。这时就需要进行细胞破碎。

细胞破碎的方法很多，但是他们适用的范围和破碎效率不同。许多方法仅适合与实验室和小规模破碎。目前工业上生产应用最广泛的是高压匀浆法和珠磨法，由于他们处理量大，速度非常快而备受青睐。但是由于消耗机械能而产生大量的热量，使料液温度升高，容易造成生物活性的丧失容易造成活性物质的破坏[2]。化学方法如增溶法，通过添加表面活性剂，溶解细胞壁的脂，造成细胞壁通透性的改变，从而达到细胞破碎的目的。通过添加表面活性剂要比上述两种方法相对温和。表面活性剂处理制成细胞悬液后可用离心分离除去细胞碎片，在用其他方法如吸附柱或萃取剂分离制得产品。

正文

一、表面活性剂的分类

表面活性剂的种类很多，分类方法也有多种。比较常见的分类方法是根据表面活性剂在水溶液中的电离特性而将其分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂以及非离子表面活性剂四大类。

1.1 阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂是由一个诸如碳氢化合物类的憎水基与一个或两个亲水基相连接组成的表面活性剂。在水溶液中发生解离形成一个带负电荷的离子(阴离子)和一个带正电荷的离子(阳离子)。其中，阴离子是表面活性性质的载体。它的分子中憎水基团所连接的亲水基团是阴离子。

阴离子表面活性剂是最先使用、应用范围最广、产量最多的一类表面活性剂，经常用在清洁配方中。

1.2 阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂含有一个憎水的碳氢基和一个或几个亲水基，在水溶液中也解离成阳离子和阴离子，其中阳离子为表面活性性质的载体。它的分子中憎水基团所连接的亲水基团是阳离子。大多数阳离子表面活性剂都是含有带有正电荷的氮原子，根据氮原子在分子中的位置不同分为胺盐、季按盐和杂环型三类。常用的离子表面活性剂如十二烷基硫酸钠（SDS），广泛用于细胞膜崩解，与膜蛋白的疏水部分结合并使其与膜分离，高浓度的SDS 还可以破坏蛋白质的离子键和非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象。这一特性常用于蛋白质分析的SDS凝胶电泳[3]。

阳离子表面活性剂一般不能和阴离子表面活性剂混合使用，因为它所带的电荷正好与阴离子表面活性剂相反，若两者混合会产生沉淀，失去表面活性;但它能和非离子表面活性剂或两性离子表面活性剂配合使用。阳离子表面活性剂强烈地吸附在许多表面上，主要用途与原位表面改性相关。

1.3 两性离子表面活性剂

分子溶于水发生电离后，与亲油基相连的亲水基中同时含有阴、阳离子的表面活性剂叫两性离子表面活性剂。它在碱性介质显阴离子性质，在酸性介质中显阳离子性质，在适当介质中显出阴、阳离子相等的等电点。实际应用的品种主要是氨基酸型和甜菜碱型两性离子表面活性剂，产量是表面活性剂中最小的。两性离子表面活性剂通常具有良好的洗涤、分散、乳化、杀菌、柔软纤维和抗静电等性能，可用作织物整理助剂、染色助剂、钙皂分散剂、干洗表面活性剂和金属缓蚀剂等。但是这类表面活性剂的价格较贵，实际应用范围较其他类型的表面活性剂小。

1.4 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂是其分子溶于水后，不发生电离的一类表面活性剂，其显示活性的部分不是离子。非离子表面活性剂的疏水基是由含有活泼氢的疏水化合物，如高碳脂肪醇，烷基酚，脂肪酸，脂肪胺等。其亲水基来源于含有醚基，羟基等基团 (这些基团能与水形成氢键)的低分子化合物，如环氧乙烷，多元醇，乙醇胺等。按亲水基类别，非离子表面活性剂主要分为聚氧乙烯型和多元醇型两大类。非离子表面活性剂在酸性、碱性及电解质溶液中均较稳定，并可与任何种类的表面活性剂配合使用，而不生成沉淀[4]。

二、表面活性剂原理

2.1 cmc

临界微团浓度（critical micelle concentration,cmc）表面活性剂在溶剂中低浓度存在时可以单独存在，在高于cmc时会形成小的球状聚集体称为微团[5]。这在生产、实验室操作中十分重要。

2.2原理

当表面活性剂溶液浓度增加（大于cmc）时，在水中倾向于形成微团，亲水的部分朝外，疏水的部分聚集在中心。搅拌混合物时，可以使细胞与表面活性剂充分接触，细胞壁上的脂类被裹上表面活性剂分子，使之处于微团中，从而增大细胞壁的通透性，达到细胞

破碎的目的[5]。

总结

表面活性剂可以溶解细胞壁的脂，造成细胞壁通透性的改变，从而达到细胞破碎的目的。其原因是因为其独特的结构（含一个亲水基团和一个疏水基团）。表面活性剂处理制成细胞悬液后可用离心分离除去细胞碎片，在用其他方法如吸附柱或萃取剂分离制得产品。表面活性剂的分类方法很多，比较常见的分类方法是根据表面活性剂在水溶液中的电离特性而将其分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂以及非离子表面活性剂四大类。

参考文献

[1]孙彦. 生物分离工程[M]. 北京：化学工业出版社，2013.22.

[2]吴梧桐，高向东. 生物制药工艺学[M]. 第三版.北京：中国医药科技出版社，2013.111.

[3]翟中和，汪喜忠，丁名孝. 细胞生物学[M]. 第四版.北京：科学出版社，2011.61.

[4]郑凤仙. 表面活性剂在固液界面及限制空间中的吸附和聚集行为的分子模拟研究[D]. 北京：北京化工大学，2009.2-5.

[5]王镜岩，朱圣庚，徐长法. 生物化学上册[M]. 第二版. 北京：高等教育出版社，2002.80.