高压匀浆法破碎细胞综述

1、高压匀浆法破碎细胞综述摘要:破碎细胞的目的是使细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏（增大渗透性）或破碎、释放其中的目标产物，主要采用的方法有机械法和非机械法两大类。机械破碎处理量大，破碎速度较快，时间短，效率较 高，是工业规模细胞破碎的重要手段，细胞受到挤压，剪切和撞击作用，易被破碎在许多情况下，细胞内 含物全部释放出来，由于机械搅拌产生热量，破碎要采用冷却措施，机械破碎主要的方法有珠磨法、高压 匀浆法、撞击破碎法和超声波等方法。本文主要介绍高压匀浆法，高压匀浆法的应用，提取细胞内蛋白质 的应用。关键词：高压匀浆； 高压匀浆器的介绍和使用；应用举例正文高压匀浆法1是大规模破碎细胞的常用方法，高压匀

2、浆器是该法所采用的设备，它由高压泵和匀浆阀组成，结构简图见图5,它是利用高压迫使悬浮液通过针形阀，由于突然简压和高速冲击撞击造成细胞破裂，在高压匀浆器中，细胞经历了高速造成的剪切、碰撞和由高压到常压的突变， 从而造成细胞壁的破坏， 细胞膜随之破裂，胞内产物得到释放，高速匀 浆破碎的动力学方程为：ln 在=k Na Pb其中S为破碎率，且R=R，； k为破碎速度常数，p为动力，且上述参数 s,k,a,b,p 等随 微生物种类和培养条件的不同而有所差异。影响高压匀浆破碎的因素主要有压力、温度和通过匀浆器阀的次数，图6是操作压力和循环次数对破碎的影响。 由图可知，操作压力对细胞破碎的影响要比匀浆次数

3、的影响大得多。从提高破碎效率的角度应选择尽可能高的压力；而从降低能耗及延长设备寿命的角度应避免很高的压力，因此，工业生产中常采用的压力为55-70Mp& 2高压匀浆法操作参数少，且易于确定；且样品损失量少，在间歇处理少量样品方面效果 好，在实验室和工业生产中都已得到应用，适用于酵母和大多数细胞的破碎。对于易造成堵塞的团状或丝状真菌以及一些易损伤匀浆阀，质地坚硬的亚细胞器一般不适用。1高压匀浆器的介绍和使用高压匀浆器是常用的设备，它由可产生高压的正向排代泵 (positivedisplacenemtpump ) 和排出阀(dischargevalve )组成，排出阀具有狭窄的小孔，其大小

4、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。为了控制温度的升高，可在进口处用干冰调节温度，使出口温度调节在20C左右。在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎的及浓度高或处于生长静止期的细胞，常采用多次循环的操作方法。2高压匀浆器性能特点凡与物料相接触的零部件材料都具有极高的耐磨性和良好的耐腐蚀性、对物料不会产生不良的影响，高压均质机与其它均质设备相比，具有占地面积小、效率高、能量大、反应时 间快、运转费用低等

5、优点。高压均质机品种、规格齐全，完全能满足各个领域用户的需要。 均质功率从1KW-200KW压力从15MPa-100MPa从0.2升物料能做实验的台式小型均质机到 3万升/小时超大型均质机，各种规格达一百多种，为全国同行业之最。机器的均质系统分 别由一级阀和二级阀组成双级均质系统，两者的均质压力可以在其额定的压力范围内任意选择，两者可同时使用，也可单独使用。均质阀的结构可分为平型和W型两种，平型阀能承受高压冲击，具有耐磨性好、使用寿命长等优点。W型阀是一种能在一组阀件内产生多次均质过程结构的阀，大大的提高了其均质效果。泵休阀的结构分球型阀和碟型阀二种，球型具有耐高压、使用寿命长等优点。碟型具有

6、结构简单、容积效率高等优点。3高压匀浆器使用领域一、食品饮料行业：豆奶、花生奶、松子奶、大豆蛋白等各种植物蛋白和饮料。橙汁、苹果汁、核桃露、莲子汁、椰子汁等各种悬浮果汁饮料。酸奶、均质牛奶、纯牛奶、甜牛奶、 乳酸饮料、冰淇淋、豆奶粉等各种乳品和乳制品。二、制药：抗生素、各种乳剂、浆液制剂、中药制剂、脂肪乳输液、花粉破碎及各种 营养保健液。三、轻工化工行业：香精香料、化妆品、孚L化硅油、感光剂、增亮剂、增稠剂、高级 涂料、料、染料、重油渗水等。四、生物工程技术：对大肠干菌、酵母菌、细胞进行破碎，撮取其细胞内酶、蛋白质 等活性产物。五、纳米技术：纳米颗粒的制备关键是控制粒子大小和得较窄均匀的颗粒分

7、布。减少 和消除粒子团聚现象，用高压均质机利用空穴爆破法，为目前较为适当的纳米制备技术，经过100MP破上的高压多次均质过程，可制备均匀的粒径在0.1-0.5的粒径。4高压匀浆法的应用举例 高压匀浆破碎螺旋藻细胞释放藻蛋白的研究螺旋藻(spirulina)是丝状的多细胞蓝藻，因含有多种对人体有益的营养物质而受到广泛的关注1。螺旋藻可通过大面积的海水养殖而得，其含量丰富的藻蛋白(藻胆蛋白藻蓝蛋白)，在化妆品制造业、食品加工等行业中有着巨大的应用潜力，近期的研究还发现藻蛋白 对某些疾病有治疗作用2-3。从海藻中提取分离藻胆蛋白目前仍是获得藻胆蛋白的主要途 径，由于藻蛋白为螺旋藻的胞内产物，因此，提

8、取纯化藻蛋白采用何种细胞破碎技术是直接影响蛋白提取率的关键因素之一4。目前用于螺旋藻藻蛋白提取分离过程中的细胞破碎方法主要有超声波破碎法4、高压匀浆法5、反复冻融法2、酶溶法和化学试剂法5等。 但由于超声破碎，反复冻融，酶融法只适用于实验室中小规模的细胞破碎，在某种程度上限制了螺旋藻藻蛋白的大规模分离纯化。高压匀浆法是工业上常用的细胞破碎的方法。采用高压匀浆法破碎螺旋藻进行细胞破碎，释放藻蛋白过程中的物理和化学因素，包括均浆次数、 均浆压力、藻细胞密度、缓冲液 pH值、悬浮液体系等进行系统研究，并结合该过程的动力 学规律，初步确定了大规模破碎螺旋藻细胞，提取藻蛋白的匀浆工艺，为螺旋藻蛋白工业化

9、生产奠定基础。在螺旋藻蛋白产品的生产由实验室规模扩大到中试规模的过程中，藻细胞的大规模破碎是必须的。只有高压匀浆破碎或珠磨法才能满足产业化的要求。经过多次实验在考察了高压匀浆对破碎细胞过程的各种影响因素后初步得出高压匀浆破碎螺旋藻细胞的工艺为：进料藻液密度为150g/L左右，用磷酸缓冲液悬浮，在80MPa压力下连续高压匀浆三次，每次通过匀浆机的裂解液用冰浴冷却使得匀浆器出口温度不超过40 C。经过这样的破碎可得到86%的藻细胞破碎率和 73%的藻蛋白含量。2.6高压匀浆破碎螺旋藻细胞动力学分析高压匀浆 破碎动力学方程为ln1/(1 D)=KNbpa8，式中，D为细胞破碎率；N为匀浆次数；p为

10、匀浆压力；K、b、a为匀浆过程参数；N=1时以ln1/1 D对压力p取双对数作图得一直线，由直线斜率可得出压力指数a，由直线截距可得 K，再作D与匀浆次数N、匀浆压力p的关联图，用最小二乘回归可求得参数bo总结：高压匀浆法(High-pressure homogenization )是大规模细胞破碎的常用方法，APV 公司和美国 Microfluidics所用设备是高压匀浆器，它由高压泵和匀浆阀组成。英国公司均有产品出售。高压匀浆法的原理是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环使细胞破裂。在高压匀浆器中，高压室的压力高达几十个兆帕，细胞悬浮液自高压室针形阀喷出时， 每秒速度可

11、达几百米。这种高速喷出的浆液又射到静止的撞击环上，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。影响破碎的主要因素是压力、温度和通过匀浆器的次数。一般来说，增大压力和增加破碎次数都可以提高破碎率，但当压力增大到一定程度后对匀浆器的磨损较大。Brokman等的试验表明在约175Mpa的压力下，破碎率可达100%,但也有试验表明，当压力超过一定值后，破碎率的增加很慢。在工业生产中，通常采用的压力5570Mpa细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁，不同种类的微生物细胞及同种细胞在不同的环境 下，其细胞壁的结构不同，因此破碎性能随菌体的种类和生长环境的不同而不同。一般来说，酵母菌较细菌难破碎，处于静止状态的细胞较处于快速生长状态的细胞难破碎， 在复合培养基上培养的细胞比在简单合成培养基培养的细胞较难破碎。此外，不宜采用高压匀浆法破碎的微生物细胞有：易造成堵塞的团状或丝状真菌，较小的革兰氏阳性菌，以及含有包涵体(Inclusion body)的基因工程菌，因为包涵体质地坚硬， 易损伤匀浆阀。 参考文献：1 胡一兵，胡鸿钧，李夜光，等.从一种富含藻胆蛋白的螺旋藻中大量提取和纯化藻蓝蛋白的研究J.武汉植物学研究，2002, 20(4): 299-302.2 彭卫民，商树田，刘国琴，等.钝顶螺旋藻藻胆蛋白的提