经典：第三章-微生物细胞破碎

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阀
座
的
形
式
对
破
碎
细
胞

有
影
响
阀座结构
(a)平边阀座；(b)刃缘阀座
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刃缘阀座破碎效 率更高，但更易摩 损。
不同阀座中蛋白质的释放情况
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在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等 难破碎的细胞及高浓度的细胞，常采用多 次循环破碎的方法。
高压室的压力为55~70MPa。
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细胞破碎动力学方程：
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中试规模：胶质磨 工业规模：高速珠磨机
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破碎作用符合一级动力学； 破碎程度用细胞破碎率（%）或单位细 胞释放的内含物（mg/g）表示。
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细胞破碎动力学方程：
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延长研磨时间、增加珠体量、提高搅拌 转速和操作温度等都可有效地提高细胞破 碎率。
高破碎率将大大增加能耗；温度升高； 大分子物质损失增加；细胞碎片较小，不 易分离。
图革 兰 氏 阳 性 菌 细 胞 壁 结 构 模 式
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二、酵母菌细胞壁： 酵母菌细胞壁由特殊的酵母纤维素构成，其主
要成分是葡聚糖（30-34%）、甘露聚糖（30%）、 蛋白质（6-8%）和脂类。
酵母细胞壁结构可分成三层：最里层葡聚糖层， 构成细胞壁的刚性结构，使细胞具有一定的形状； 最外层是甘露聚糖层；葡聚糖层和甘露聚糖层依 靠处于中间层的蛋白质交链在一起，形成网状结 构。
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高压匀浆法和珠磨法的比较： （1）高压匀浆法适合小批量，每次最少可处
理20mL，珠磨法最少需要85mL，只能得到50mL 的浆液。
（2）珠磨法兼具破碎和冷却，而高压匀浆法 只能间接冷却。
（3）珠磨法一次破碎效率高，高压匀浆法需 循环2-4次。
（4）珠磨法适用范围广，几乎所有的微生物 细胞都适用。高压匀浆不适合于丝状菌和有包含 体的工程菌。
破碎率与微生物的种类和生长环境有 关：
酵母细胞较细菌难破碎； 静止状态的细胞比快速生长状态的细胞难 破碎； 在复合培养基上培养的细胞较简单合成培 养基培养的细胞难破碎。
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不宜采用高压匀浆法破碎的微生物细胞： 易造成堵塞的团状或丝状真菌； 较小的革兰氏阳性菌； 含有包含体的基因工程菌（包含体质地 坚硬，易损伤匀浆阀）。
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一、细菌细胞壁 肽聚糖是细菌细胞壁的主要化学成份，
它是一个大分子复合体，由多糖链借短肽 交链而成。
细菌破碎的主要阻力来自肽聚糖的网 状结构，其网状结构的致密程度和强度取 决于多糖链上存在的肽键数量和其交链程 度，交链程度越大，网状结构越致密，破 碎难度越大。
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革兰氏阴性菌细胞壁结构模式图
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胞外产物：分泌到细胞外的代谢产物。 如大多数小分子代谢产物、细菌产生的碱 性蛋白酶、霉菌产生的糖化酶等。
胞内产物：微生物分泌并在细胞内累积 的代谢产物。
如大多数酶蛋白、类脂、部分抗生素、 基因工程产品（胰岛素、干扰素、白细胞 介素-2等）
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第一节 细胞壁的组成与结构 细菌细胞壁 酵母菌细胞壁 霉菌细胞壁 细胞壁结构与细胞破碎
和细菌细胞壁一样，酵母细胞壁破碎的主要 阻力决定于壁结构交链的紧密程度和壁的厚度。
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酵 母 细 胞 壁 的 结 构 示 意 图
M—甘露聚糖 P —磷酸二酯键 G —葡聚糖
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三、霉菌细胞壁： 霉菌细胞壁主要由多糖（80-90%）组
成，其次含较少的蛋白质和脂类。 霉菌的多糖壁是由几丁质和葡聚糖构
非机械法有：酶溶法、化学法、物理法、 干燥法等。
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一、珠磨法（Bead mill） 工作原理： 进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻 璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂一起快 速搅拌或研磨，研磨剂、珠子和细胞之间 剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含物。
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实验室规模：Mickle高速组织捣碎机和 Braum匀浆器。
珠磨法的破碎率一般控制在80%以下。
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二、高压匀浆法 (High-pressure homogenization) 高压匀浆法是大规模细胞破碎的常用方
法，所用的设备是高压匀浆器，由高压泵和 匀浆阀组成。
其工作原理：利用高压使细胞悬浮液通 过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环， 使细胞破裂。
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成，几丁质的结构和纤维素很相似。 由于霉菌细胞壁中含几丁质或纤维素
的纤维状结构，其强度比细菌和酵母菌的 细胞壁有所提高。
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四、细胞壁结构和细胞破碎
1、微生物细胞壁的形状和强度取决于细 胞壁的组成、细胞壁组成物质的交链程度。
细胞破碎的主要阻力来自连接细胞壁网状 结构的共价键。
2、在机械破碎中，细胞的大小、形状、 细胞壁厚度和聚合物的交链程度是影响破碎 的重要因素。
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三、超声破碎(Ultrasonication)： 在高强度声能输入下可以进行细胞破
碎，其工作原理可能和空化现象引起的冲 击波和剪切力有关，
空化现象是在超强声波作用下，气泡 形成、长大和破碎的现象。
通常采用声频在15-25kHz的超声破碎 机。
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超声波处理菌体细胞的效果：杆菌易于 球菌，革兰氏阴性菌易于革兰氏阳性菌， 对酵母菌效果差。
3、在酶法和化学法中，细胞壁的组成是 主要因素，其次是细胞壁的结构。
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第二节 常用破碎方法
珠磨法 高压匀浆法 超声破碎法 酶溶法 化学渗透法 其他方法
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细胞破碎方法按是否使用外力分为机械 法和非机械法。
机械法有：珠磨法、高压匀浆法、超声 破碎法等。
使用机械法时，机械能转为热量，温度 升高，多数情况下采用冷却措施。
第三章 微生物细胞破碎
第一节 第二节 第三节
细胞壁的组成与结构 常用破碎方法 破碎率的测定与破碎技术的 研究方向
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基本要求： 了解细胞壁的组成与结构和常用破碎方
法及破碎技术的研究方向，掌握破碎率的 测定方法。 重点：
细胞壁的组成与结构；细胞壁结构与细 胞破碎；常用破碎方法；破碎率的测定。
2
微生物的代谢产物可以分成两类：胞内 产物和胞外产物（多数）。
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细胞破碎的目的是破坏细胞外围使胞内 物质释放出来。微生物的外围通常包括细 胞壁和细胞膜。
细胞壁：为细胞外壁，具有固定细胞外 形和保护细胞免受机械损伤或渗透压破坏 的功能。
细胞膜：为细胞内壁，是一层具有高度 选择性的半透膜，控制细胞内外一些物质 的交换渗透作用。
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细胞破碎的主要阻力来自细胞壁，不 同类型的微生物、处于不同生长时期的同 一种微生物，细胞壁的结构特性是不同的， 取决于遗传和环境因素。