第三章 细胞的分离与破碎

在工业上利用微生物生产的大多数化学 物质是胞外型的，它们是在微生物细胞内 合成，然后再分泌到周围环境中；此外还 有不少产物是胞内型的；以大肠杆菌为宿 主进行表达的蛋白质产品多为胞内产物。
第一节
细胞的分离
微生物或动植物细胞培养，产物无论 在胞外或胞内，都需进行细胞与培养液的 分离。 常用的细胞分离方法（固液分离方法） 包括过滤与离心沉降。
细胞破碎动力学方程：
影响反应速率常数K的因素： 珠体直径：以细胞大小、浓度为选择依据； 珠体的装量要适中； 搅拌速度应适当：速度高，破碎率提高，能耗大； 操作温度：温度高，易破碎，控制在5~40℃，使 目的产物不受破坏； 细胞浓度； 料液性质
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。 珠磨法的破碎率一般控制在80%以下。
一、细胞壁的组成与结构
1、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。
革兰氏阴性菌细胞壁结构模式图
11%~22%
5%~10%
图革 兰 氏 阳 性 菌 细 胞 壁 结 构 模 式
40%~90%
2、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。 酵母细胞壁破碎的主要阻力取决于壁结构交链 的紧密程度和壁的厚度。
二、细胞破碎的方法
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、 X-press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。 非机械法有：酶溶法、化学法、物理法、 干燥法等。
高压匀浆器和 珠磨机在实验室 和工业上得到应 用；超声波法和 非机械法处在实 验室应用阶段。
2、高压匀浆法 (High-pressure homogenization)（液体剪 切方法 ） 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。
它有一个高压泵和一个可调节放料速度的 针形阀，通过阀门时会产生高剪切应力。
第三章
第一节 第二节
细胞的分离与破碎
细胞的分离 细胞的破碎
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。
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）。 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）。
第二节
细胞的破碎
细胞破碎是指利用物理、化学、酶 或机械的方法来破坏细胞壁或细胞膜 的过程。 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。 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。
珠磨机的主体一般是立式或卧式圆筒型腔体，由 电动机带动。磨腔内装钢珠或小玻璃珠以提高研磨 能力。一般，卧式破碎效率比立式高，其原因是立 式机中向上流动的液体在某种程度上会使研磨珠流 态化，从而降低其研磨效率。
氧化锆珠
实验室规模：Mickle高速组织捣碎机和 Braum匀浆器。 中试规模：胶质磨 工业规模：高速珠磨机 破碎作用符合一级反应动力学，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。
（一）机械法 1、珠磨法（Bead mill）（固体剪切方法） 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。 珠磨机破碎是最有效的细胞物理破碎法。 细胞的破碎是由剪切力层之间的碰撞和磨料 的滚动而引起。
酵 母 细 胞 壁 的 结 构 示 意 图
30%
6%~8%
30%~34%
M—甘露聚糖 P —磷酸二酯键 G —葡聚糖
3、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 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。
来自百度文库
红面包霉菌的细胞壁具有 同心圆层状结构，主要存在 三种聚合物：葡聚糖、几丁 质（以微纤维状态存在）以 及糖蛋白。 最外层a是葡聚糖；第2层 b是糖蛋白的网状结构，葡聚 糖与糖蛋白结合起来；第3层 c主要是蛋白质；最内层d主 要是几丁质，几丁质的微纤 维嵌入蛋白质结构中。
4、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。 （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。