表面活性剂在细胞破碎的应用
生物分离工程5(细胞破碎技术)
01
02
03
04
生物制药
用于提取和分离药物、蛋白质 、酶等生物制品。
食品工业
用于提取植物和动物细胞中的 营养成分，如植物油、动物蛋
白等。
环境科学
用于处理废水中的有害物质， 如重金属、有机污染物等。
农业领域
用于提取植物细胞中的有用成 分，如植物激素、天然色素等
。
02
细胞破碎技术的基本原理
物理法
01
表面活性剂法
利用表面活性剂改变细胞 壁的通透性，使细胞内容 物释放出来。
有机溶剂法
利用有机溶剂如丙酮、乙 醇等溶解细胞壁，使细胞 内容物释放出来。
生物法
酶解法
利用酶如溶菌酶、蛋白酶等将细胞壁分解，使细胞内容物释 放出来。
细菌分泌的蛋白酶
利用某些细菌分泌的蛋白酶将细胞壁分解，使细胞内容物释 放出来。
细胞破碎技术的历史与发展
最早的细胞破碎技术可以追溯到19世纪末，当时人们开始使用机械研磨法破碎细胞。
随着科技的发展，出现了多种新型的细胞破碎技术，如超声波破碎、高压均质破碎、 化学渗透压破碎等。
近年来，随着生物技术的快速发展，细胞破碎技术也在不断改进和完善，以满足更 高效、环保和低成本的需求。
细胞破碎技术的应用领域
细胞破碎过程需要消耗大量的能量，这可能导致生产成本的增
加。
可能引起样品污染
02
在破碎过程中，如果设备或条件控制不当，可能会引起样品的
交叉污染或样品中原有成分的降解。
对细胞的损伤
03
高强度的破碎条件可能会对细胞内部结构造成损伤，影响后续
的分离和提取过程。
04
细胞破碎技术的应用案例
在制药行业中的应用
提dna步骤及原理
提dna步骤及原理DNA提取是一种分离纯化DNA的过程，它可以用于分子生物学的各种实验和研究。
以下是DNA提取的步骤及原理：步骤1：细胞破碎首先，需要将目标细胞破碎以释放DNA。
这可以通过机械方式（如刮取细胞）或者化学方式（如孵育细胞在酶溶液中）来完成。
破碎细胞的目的是破坏细胞膜和核膜，释放DNA。
步骤2：细胞溶解接下来，要将破碎细胞中的蛋白质和其他细胞组分溶解。
这可以通过加入表面活性剂（如SDS）来破坏蛋白质的结构，使其变为可溶解状态。
细胞溶解的目的是除去蛋白质和其他细胞成分，保留DNA。
步骤3：蛋白质沉淀通过加入盐类，可以使DNA溶液中的蛋白质形成沉淀。
盐类中的离子与蛋白质形成复合物，使其聚集在一起并沉淀到溶液底部。
这一步的目的是除去大部分蛋白质，净化DNA溶液。
步骤4：DNA沉淀将溶液中的DNA沉淀到管壁上，可以通过加入酒精或其他有机溶剂来实现。
这些溶剂改变了DNA溶液的物理性质，使DNA变得不溶于水而沉淀。
这一步的目的是分离纯化DNA。
步骤5：洗涤和纯化DNA最后，通过洗涤沉淀的DNA，可以除去残留的盐类和其他杂质。
洗涤可以使用乙醇或其他缓冲液。
洗涤后，可以用缓冲液溶解DNA并进一步纯化。
DNA提取的原理是基于DNA和其他细胞成分的物理和化学特性的差异。
其中，细胞破碎和溶解步骤破坏了细胞膜和核膜，并释放了DNA。
蛋白质沉淀和DNA沉淀步骤利用了盐类和有机溶剂对不同分子的溶解性差异，将蛋白质和DNA分离。
洗涤步骤则进一步清洁和纯化DNA。
整个过程旨在从复杂的细胞混合物中分离纯化出DNA，以便在后续实验中进行分析和应用。
常用的几种细胞破碎方法介绍
随着重组DNA技术得到广泛应用以来，生物技术发生了质的飞跃。很多基因工程产物都是胞内物质，必须将细胞破壁，使产物得以释放，才能进一步提取，因此细胞破碎是提取胞内产物的关键步骤，破碎方法的得当与否，直接影响到所提取产品的产量、质量和生产成本。现将近年来常用的几种细胞破碎方法介绍一下。 1. 高压匀浆法 设备是高压匀浆器，它由高压泵和匀浆间组成，美国Microfluidics公司和ATS公司均有产品出售。其破碎机理：细胞在一系列过程中经历了高速造成的剪刀，碰撞以及由高压到常压的变化从而造成细胞的破碎。 存在的问题；较易造成堵塞的团状或丝状真菌，较小的革兰氏阳性首以及有些亚细胞器，质地坚硬，易损伤匀浆阀，也不适合用该法处理。 2. 高速珠磨法 设备是珠后机，瑞士WBC公司和德国西门子机械公司均制造各种型号的珠磨机，其破碎机下：微生物细胞悬浮液与极细的研磨剂在搅拌浆作用下充分混合，珠子之间以及珠子和细胞之间和互相剪切、碰撞，促使细胞壁破碎，释出内含物，在珠波分离器的协助下，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，生的热量由夹套中的冷却液带走。 存在的问题：操作参数多，一般赁经验估计并且珠子之间的液体损失30％左右。 3. 超声破碎 频高于15-20KHz的超声波在高强度声能输入下可以进行细胞破碎。其破碎机理：可能与空化现象引起的冲击波和剪切力有关。超声破碎的效率与声频、声能、处理时间、细胞浓度及首种类型等因素有关。 存在问题；超声波破碎在实验室规模应用较普遍，处理少量样品时操作简便，液量损失少，但是超声波产生的化学自由基团能使某些敏感性活性物质变性失活。而且大容量装置声能传递，散热均有困难。 4. 酶溶法 就是用生物酶将细胞壁和细胞腊消化溶解的方法。常用的溶酶有溶菌酶β-1．3-葡聚糖酶、蛋白酶等。 存在的问题；易造成产物抑制作用，这可能是导致胞内物质释放率低的一个重要因素。而且溶酶价格高，限制了大规模利用。若回收溶酶，则又增加百分离纯化溶酶的操作。另外酶港法通用性差，不同菌种需选择不同的酶。 5. 化学渗透法 某些有机溶剂（如苯、甲苯）、抗生素、表面活性剂、金属螯合剂、变性剂等化学药品都可以改变细胞壁或膜的通透性从而使内合物有选择地渗透出来。其作用机理；化学渗透取决于化学试剂的类型以及细胞壁和膜的结构与组成。 存在的问题；时间长，效率低；化学试剂毒性较强，同时对产物也有毒害作用，进一步分离时需要用透析等方法除去这些试剂；通用性差：某种试剂只能作用于某些特定类型的微生物细胞。 本文介绍了几种细胞破碎的方法，可谓各有千秋，在实际应用中，应尽量考虑全面，选择最科学、有效的方法。
细胞破碎技术
四、细胞破碎某些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，提取过程只需直接采用过滤和离心进行固液分离，然后将获得的澄清滤液再进一步纯化即可，其后续分离和纯化都相对简单。
但由于一些重组DNA(rDNA)产品结构复杂，必须在细胞内组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此类生物产品是细胞内产品(非分泌型)，这些产品主要为医药和保健产品，对于这类产品的提取，需要先应用细胞破碎技术破碎细胞，使细胞内产物释放到液相中，然后再进行提纯，为后续的分离纯化做好准备工作。
细胞破碎技术是指利用外力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。
随着重组DNA技术和组织培养技术上的重大进展，以前认为很难获得的蛋白质现在都可以大规模生产。
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞壁里面是细胞膜，细胞膜和它所包围的细胞浆合称为原生质体。
动物细胞没有细胞壁，仅有细胞膜。
通常情况下，细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于细胞壁。
基于遗传和环境等因素，不同类型生化物质其细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就不同。
此外，不同的生化物质其稳定性有较大差别，在破碎过程中应防止变性和被胞内的酶水解。
因此，破碎方法的选择和操作条件的优化是十分必要的。
(一)机械破碎法机械破碎法分为高压匀浆破碎法、高速搅拌珠研磨破碎法和超声波破碎法三种。
1．高压匀浆破碎法Manton Gaulin高压匀浆器是高压匀浆破碎法常用的设备，它由可产生高压的泵和排出阀组成，排出阀具有狭窄的小孔，其大小可以调节。
细胞浆液通过止逆阀进入泵体内，在高压下迫使其在排出阀的小孔中高速冲出，并射向撞击环上，由于突然减压和高速冲击，使细胞受到高的液相剪切力而破碎。
在操作方式上，可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式，也可连续操作。
细胞破碎技术与设备
缺点：溶酶价格高，溶酶法通用性差（不同菌种需 选择不同的酶），产物抑制的存在。 在溶酶系统中，甘露糖对蛋白酶有抑制作用，葡聚 糖抑制葡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。
缺点是：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）
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。
• 特点：主要用于实验室中。该法对冷冻 －融解敏感的生化物质不适用。
5、超声破碎法
• 工作原理：利用超声波振荡器发射的1525kHz的超声波处理细胞悬浮液，由于超 声波的空化作用而使细胞破碎。
• 特点：超声波振荡容易引起温度的剧烈 上升，操作时可以在细胞悬浮液中投入 冰或在夹套中通入冷却剂进行冷却。
细胞破碎技术与设备
1 Summary 概述 2 Cell Wall 细胞壁
3 Methods and Machines 细胞破碎方法与设备
1 Summary 概述
• 生物分离的第一步是将生物机体从发酵液 中分离，通常使用过滤和离心等方法。
• 发酵细胞的代谢产物有的分泌到细胞或组 织之外，还有许多是存在于细胞内部。
• 超声破碎的效率与声频、声能、处理时间、 细胞浓度及首种类型等因素有关。
• 超声波振荡器以可分为槽式和探头直接插 入介质两种型式。
• 结构组成：超声波发生器、探头、机架、 液槽、控制系统等。
酵母细胞破壁技术研究与应用进展
微波是频率介于３００ＭＨｚ和３００ＧＨｚ之间的 电 磁 波，微波加热法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ）是利用微波场将电 能转化为热能。导致细胞内的极性物质尤其是水分子
４．１．２ 外加葡聚糖酶进行破壁 鉴于酵母的细胞壁中 有大量的葡聚糖成分，葡聚糖对支持酵母细胞壁的
结构有着举足轻重的作用。因此，人们在破碎细胞
壁时常加入葡聚糖酶来破坏细胞壁。但是仅加入葡
聚糖酶破壁效果并不是很好，因此加酶常常结合其
它破壁方法使用。
４．２ 破坏细胞壁的蛋白质层 ４．２．１ 表面活性剂处理法 酵母细胞壁含有５％～１０％
工艺技术
酵母细胞破壁技术研究 与应用进展
杨翠竹，李 艳，阮 南，牟德华，康明丽 （河北科技大学生物科学与工程学院，石家庄 ０５００１８）
摘要：随着啤酒行业的发展，啤酒生产中带来的废酵母数量与日俱增，造成了环境污染，废酵母的再利用成为人们关
注的焦点。酵母细胞内具有丰富的营养物质，充分利用这些营养物质需要对酵母细胞进行破壁，因而破壁技术就显
收稿日期：２００６－ ０４－ ２７ 基金项目：石家庄市科技局重大科技攻关课题（０５１１７１３２Ａ）。 作者简介：杨翠竹（１９７７－ ），女（汉族），硕士研究生，研究方向为传统发酵创新技术研究。
１３８ Ｎｏ． ７． ２００６
工艺技术
工厂已经意识到了这一点，因此他们把废酵母进行
干燥，作为饲料卖给周围的饲养户。这样处理费酵 母就存在酵母的附加值比较低的问题，如何更好的
细胞破碎技术
细胞破碎技术
细胞破碎技术是一种将细胞壁破坏并使细胞内部成分释放出来的方法。
这种技术常用于提取和分离细胞内的蛋白质、DNA、RNA等分子。
常见的细胞破碎技术包括机械破碎、超声破碎、冻融破碎和化学破碎等方法。
1. 机械破碎：使用研钵、高速搅拌器、螺旋刀等机械设备对细胞进行破碎，通过物理力使细胞破裂，并释放出细胞内的分子。
2. 超声破碎：利用高频率的超声波对细胞进行振荡，产生剧烈的机械剪切力和微小气泡的崩溃，从而破碎细胞壁。
3. 冻融破碎：将细胞冷冻后迅速加热，重复冻结和加热的过程会使细胞壁破裂，并释放出细胞内的成分。
4. 化学破碎：利用化学试剂对细胞进行处理，如使用碱性溶液、表面活性剂或酶，以破坏细胞壁，使细胞破碎并释放出细胞内的分子。
细胞破碎技术广泛应用于细胞生物学、分子生物学、生物化学等领域，可用于提取纯化目标分子、研究细胞内的代谢过程、检测疾病标志物等。
细胞破碎
方法
技术
机 研磨法
械 法 组织捣碎法
原理
效果 成本
细胞被研磨物磨碎 适中 便宜
细胞被捣碎机捣碎 适波法
须使细胞通过的小 孔，使细胞受到剪 切力而破碎
用超声波的空穴作 用使细胞破碎
剧烈 适中
适中 昂贵
细胞悬浮液大 规模处理
细胞悬浮液小 规模处理
方法
技术
原理
效果 成本
举例
HC23-高压细胞破碎 DY89-1 型电动玻璃匀
机
浆机
（三）超声波破碎 破碎原理：超声波作用下液体发生空化作用，产生极大的
冲击波和剪切力，使细胞破碎。
超声波破碎仪
二 非机械法
（一）酶溶法 1 原理：利用酶反应分解破坏细胞壁组分的特殊化学键，从 而达到破碎细胞的目的。 2方法 （1）外加酶法：根据细胞壁的组分组成特点，选用合适的酶 ，分解破坏细胞壁，然后在低渗溶液中使细胞破裂。
4.渗透压冲击法 细胞在高渗透压介质中平衡后，再突然 将其转至低渗透压环境中，水会大量进入细胞，使细胞壁和膜胀 破
5. 撞击破碎法 细胞冷冻后成为刚性球体，降低破碎难度。 操作：细胞喷雾高速冻结高速载气（300 m/s氮气流）将冻结的 微粒子送入破碎室，高速撞击撞击板。
高速氮气 冷冻细胞
细胞壁的破碎方法总结
影响因素：温度 、时间 、 p H 、激活剂和细胞代谢途 径
（二）化学破碎法
1 概念 利用某 些化学试剂 改变细胞壁或细胞膜的通透性（渗透
性）使胞内物质有选择地渗透出来 的处理方法叫化学破碎法。 2常用的化学试剂 （1）有机溶剂法
有机溶剂可破坏细胞壁或膜中的类脂结构 ，从而改变细胞 壁或细胞膜的透过性 ，再经提取可使膜结合的酶或胞内酶等释 放到胞外 。
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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
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