28
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
29
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
30
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。
31
细胞破碎动力学方程：
32
中试规模：胶质磨 工业规模：高速珠磨机
22
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。
23
细胞破碎动力学方程：
24
25
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
10
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。
34
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。
33
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）。
6
7
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。
8
革兰氏阴性菌细胞壁结构模式图
9
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）
3
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。
11
12
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
13
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。
17
18
19
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。
20
21
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。
26
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。
27
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。
14
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。
35
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。
36
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。
15
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
16
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
1
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）。
4
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。
5
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。