背景介紹

細(xì)胞壁是植物、細(xì)菌、真菌等細(xì)胞外層的剛性結(jié)構(gòu)，主要由纖維素（植物）、肽聚糖（細(xì)菌）或幾丁質(zhì)（真菌）等成分構(gòu)成，具有維持細(xì)胞形態(tài)、保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和抵抗外界壓力的功能。在生物技術(shù)、醫(yī)藥和食品工業(yè)中，常需破碎細(xì)胞壁以提取胞內(nèi)物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、核酸或代謝產(chǎn)物），因此發(fā)展出機(jī)械研磨、酶解法、超聲波破碎、高壓均質(zhì)等多種破碎技術(shù)，其選擇取決于細(xì)胞壁組成及目標(biāo)產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

1.細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1細(xì)菌細(xì)胞壁

細(xì)菌的細(xì)胞壁主要由肽聚糖（Peptidoglycan）構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且具有彈性。根據(jù)染色特性，細(xì)菌可分為：

革蘭氏陽性菌：細(xì)胞壁厚（含多層肽聚糖），并含有大量磷壁酸。

革蘭氏陰性菌：細(xì)胞壁較薄（單層肽聚糖），但外覆脂多糖外膜，使其對破碎技術(shù)的抗性較強(qiáng)。

1.2真菌細(xì)胞壁

真菌的細(xì)胞壁較厚，主要由多糖、少量的蛋白質(zhì)和脂類組成。

細(xì)胞壁主要成分為幾丁質(zhì)（Chitin）、β-葡聚糖（β-Glucan）和甘露聚糖（Mannan），結(jié)構(gòu)比細(xì)菌更復(fù)雜，因此破碎難度更高。

*酵母細(xì)胞壁

酵母細(xì)胞壁呈典型的三層“三明治”結(jié)構(gòu)，外層為甘露聚糖層，由分支狀多糖構(gòu)成，約占細(xì)胞壁干重的30%；中間層為蛋白質(zhì)層，含結(jié)構(gòu)蛋白和酶類；內(nèi)層為β-葡聚糖層。此外，酵母細(xì)胞壁含少量幾丁質(zhì)（主要集中于芽痕處），其厚度約為25-70納米，成分比例以甘露聚糖和β-葡聚糖為主，兼具柔韌性與穩(wěn)定性。

*霉菌細(xì)胞壁

霉菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)通常分為4-5層，外層為混合葡聚糖層，厚且多孔，內(nèi)層含網(wǎng)狀葡聚糖骨架與蛋白質(zhì)填充，最內(nèi)層為纖絲狀幾丁質(zhì)（高等霉菌）或纖維素（低等水生霉菌）層，形成剛性支撐結(jié)構(gòu)。其成分比例隨菌齡和生態(tài)位動(dòng)態(tài)變化，如高等陸生霉菌以幾丁質(zhì)為主，低等水生霉菌則以纖維素為主。

1.3植物細(xì)胞壁

植物細(xì)胞壁主要由纖維素（Cellulose）、半纖維素（Hemicellulose）和果膠（Pectin）構(gòu)成，結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬且具有多層性，能顯著增加機(jī)械強(qiáng)度和抗壓縮能力，需要更強(qiáng)的機(jī)械力或化學(xué)方法才能破碎。

2.常見的細(xì)胞破碎技術(shù)

2.1機(jī)械破碎法

高壓均質(zhì)法：其核心原理是利用高壓使物料在通過狹窄縫隙時(shí)，受到剪切力、撞擊力和空穴效應(yīng)的共同作用，從而將物料中的顆粒或液滴破碎并均勻分散。

圖1 高壓均質(zhì)機(jī)原理圖

珠磨法：利用研磨劑（如玻璃珠、石英砂、氧化鋁等，直徑小于1mm）與細(xì)胞懸浮液在珠磨機(jī)內(nèi)高速攪拌或研磨，通過研磨劑、珠子與細(xì)胞之間的相互剪切和碰撞作用使細(xì)胞破碎，釋放出內(nèi)含物。在珠液分離器的協(xié)助下，研磨劑被滯留在破碎室內(nèi)，而漿液流出，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。

圖2 珠磨法原理圖

超聲破碎法：超聲波破碎法是利用超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)，即超聲波使液體形成微小氣泡并迅速生長、閉合，在氣泡閉合瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓及沖擊波和微射流，對周圍細(xì)胞或組織等造成物理性破壞，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞破碎、物質(zhì)分散等目的 。

2.2化學(xué)與酶解法

溶菌酶處理：針對細(xì)菌細(xì)胞壁（尤其是革蘭氏陽性菌），可特異性降解肽聚糖。

纖維素酶/幾丁質(zhì)酶：用于植物或真菌細(xì)胞壁的酶解，溫和高效，但成本較高。特異性高，對細(xì)胞內(nèi)容物影響小；適用于植物細(xì)胞的破碎，釋放細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物。

去垢劑（如SDS、Triton X-100）：破壞細(xì)胞膜脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種方法操作簡單，適用于提取膜蛋白。

2.3物理破碎法

凍融法：通過反復(fù)凍融（通常在-80℃至室溫或4℃間循環(huán)）在低溫下細(xì)胞內(nèi)水分結(jié)冰形成冰晶，體積膨脹導(dǎo)致細(xì)胞膜和細(xì)胞壁機(jī)械性破裂；融化時(shí)冰晶迅速消融，產(chǎn)生局部滲透壓沖擊進(jìn)一步破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。該方法操作簡便、無需化學(xué)試劑或復(fù)雜設(shè)備，對熱敏感產(chǎn)物（如蛋白質(zhì)、核酸）的活性影響較小，但破碎效率較低，適用于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模樣本（如少量細(xì)菌、酵母或動(dòng)物細(xì)胞）的破碎。

滲透壓沖擊：將細(xì)胞置于低滲溶液中，使其吸水膨脹，隨后快速轉(zhuǎn)移至高滲溶液（如1M蔗糖）或蒸餾水中，細(xì)胞因滲透壓驟變而收縮，膜結(jié)構(gòu)在反復(fù)脹縮中破裂。該方法溫和高效，尤其適用于膜結(jié)構(gòu)較脆弱的動(dòng)物細(xì)胞或某些微生物（如革蘭氏陰性菌），能較好保留膜蛋白的天然構(gòu)象和活性，但需精確控制溶液濃度和轉(zhuǎn)移速度，且對細(xì)胞壁較厚的樣本（如植物細(xì)胞）效果有限，常用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)膜蛋白提取或亞細(xì)胞器分離。

結(jié)語

細(xì)胞破碎是生物技術(shù)、制藥和食品工業(yè)中的關(guān)鍵步驟。了解細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)差異，選擇合適的方法，既能提高破碎效率，又能保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)物的活性。未來，隨著酶工程和納米技術(shù)的發(fā)展，更高效、低成本的細(xì)胞破碎技術(shù)將不斷涌現(xiàn)！