上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这一系列高速运动 过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压的变化，从而造成
细胞破碎。
高压匀浆器的排出阀
影响匀浆破碎的主要因素： 压力、温度、通过匀浆器阀的次数
不宜采用高压匀浆法的细胞类型。 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
大、中、小型高压匀浆器
3.超声破碎法（Ultrasonication）
利用发射15-25kHz的超声波探头处理细胞悬浮液。 一般认为超声波破碎的机理是：在超声波作用下液 体发生空化作用，空穴的形成、增大和闭合产生极 大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。
➢ 影响超声波的细胞破碎效率因素：频率、液体温 度和粘度、处理时间等。
实验室规模的细胞破碎设备有Mickle高速组织捣碎机、 Braun匀浆器； 中试规模的细胞破碎可采用胶体磨处理； 在工业规模中，可采用高速珠磨机（瑞士WAB公司和德国 西门子机械公司制造）。
珠磨法的破碎率一般控制在80%以下。 珠磨法适用于细胞悬浮液和植物细胞的大规模处理。
胶体磨
德国进口珠磨机
第三节 细胞破碎
L/O/G/O
定义
• 细胞破碎就是采用一定的方法，在一定程度上破
坏细胞壁和细胞膜，使细胞内容物包括目的产物
成分释放出来的技术，是分离纯化细胞内合成的 非分泌型生化物质（产品）的基础。
细胞壁的组成和结构
为了研究细胞的破碎，提高其破碎率，有必要了解各种生物 细胞壁的组成和结构。
生物类型 主要组成
2.高压匀浆法（High-pressure homogenization）
——大规模细胞破碎的常用方法，在微生物细胞和植物
细胞的大规模处理中常采用
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 击撞击环使细胞破碎，细胞悬浮液自高压室针形阀喷出时， 每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到静止的撞击环
植物细胞
初生壁 次生壁
细菌 破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状结
构越致密，破碎的难度越大，革兰氏阴性细菌网状结构不 及革兰氏阳性细菌的坚固；
酵母 葡聚糖的细纤维构成了细胞壁的刚性骨架，甘露聚
糖形成网状结构，细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构 交联的紧密程度和它的厚度；
霉菌 细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状结构，其强
G+细菌
肽聚糖 （40-90%） 多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖 （1-4%）
G-细菌
肽聚糖 （5-10%） 脂蛋白 脂多糖 （11-22%） 磷脂 蛋白质
酵母菌
葡聚糖 （30-40%） 甘露聚糖 （30%） 蛋白质 （6-8%） 脂类 （8.513.5%）
霉菌
多聚糖（几 丁质） （80-90%） 脂类 蛋白质
酶分解作用 改变细胞膜的渗透
性 渗透压剧烈改变 反复冻结-融化 改变细胞膜渗透性
适应性 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 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 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，浆液易 分离，溶酶价格高，通用性差 具一定选择性，浆液易分离，但释放 率较低，通用性差 破碎率较低，常与其他方法结合使用 破碎率较低，不适合对冷冻敏感目的 产物 条件变化剧烈，易引起大分子物质失 活
度比细菌和酵母菌的细胞壁有所提高；
植物细胞 次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性，使植物
细胞具有很高的机械强度。
常用破碎方法
分
类
机 珠磨法 械 法
高压匀浆 法
超声破碎 法
X-press法
非 酶溶法
机
械 法
化学渗透 法
渗透压切作用
液体剪切作用 液体剪切作用 固体剪切作用
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 ➢牛黄胆酸钠 ➢十二烷基磺酸钠
（2）EDTA螯合剂
主要是处理G-细菌，对细胞外层膜有破坏作用。
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。
（3）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。
乙醇、异丙醇、甲苯、苯、氯仿、二甲苯及高级醇等。
➢ 超声波破碎法是很强烈的破碎方法，适用于多数 微生物的破碎。一般杆菌比球菌易破碎，G-细菌 比G+细菌易破碎，对酵母菌的效果较差。
➢ 该法在实验室小规模细胞破碎中常用。
非机械法
1.酶溶法（Enzymatic Lysis）
（1）外加酶法
常用的溶酶
溶菌酶 β-1，3-葡聚糖酶 β-1，6-葡聚糖酶 蛋白酶 甘露糖酶 糖苷酶 肽键内切酶 壳多糖酶等
机械法
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、珠子与细胞之间的互相剪切、 碰撞，使细胞破碎，释放出内含物。在珠液分离器 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）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，过滤速度 下降。
2.化学渗透法（Chemical permeation）
利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受 到部分或完全破坏后，再利用渗透压冲击等方法 破坏细胞膜，进一步增大胞内产物的通透性。
利用溶酶系统处理细胞时必须根据细胞壁的结构 和化学组成选择适当的酶，并确定相应的次序。
酶溶法的优点： 选择性释放产物，条件温和，核酸泄出量少，细胞外 形完整。
酶溶法的缺点： 溶酶价格高，溶酶法通用性差，产物抑制的存在。