细胞破碎法

细胞破碎法是通过物理、化学或生物化学手段破坏细胞壁和细胞膜，释放细胞内目标产物的技术。根据处理原理，主要分为机械破碎、化学和生物化学渗透以及物理渗透三大类。

机械破碎处理量大、破碎效率高、速度快，主要靠均质作用和球磨碾磨作用；操作时，细胞遭受强大的机械剪切力而被破碎。采用机械法，发热是一个主要问题。

细胞的机械破碎主要有高压匀浆、珠磨、撞击破碎和超声波破碎等方法。

高压匀浆

高压匀浆器的破碎原理：细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀之间的环隙高速（可达到450 m/s）喷出后撞击到碰撞环上，细胞在受到高速撞击作用后，急剧释放到低压环境，从而在撞击力和剪切力等综合作用下破碎。操作压力通常为50～70 MPa。影响因素包括压力、循环操作次数和温度。高压匀浆法适用于酵母和细菌细胞的破碎。

珠磨

珠磨利用固体间研磨剪切力和撞击使细胞破碎，是最有效的一种细胞物理破碎法。珠磨机的主体一般是立式或卧式圆筒形腔体，磨腔内装钢珠或小玻璃珠以提高碾磨能力。一般卧式珠磨破碎效率比立式高，因为立式机中向上流动的液体在某种程度上会使研磨珠流态化，降低其研磨效率。珠磨法破碎细胞分为间歇或连续操作。珠磨法操作的有效能利用率仅为1%左右，破碎过程产生大量的热能，设计时要考虑换热问题。珠磨的细胞破碎效率随细胞种类而异，适用于绝大多数真菌菌丝和藻类等微生物细胞的破碎。与高压匀浆法相比，影响破碎率的操作参数较多，操作过程的优化设计较复杂。

撞击破碎

原理：细胞是弹性体，比一般刚性固体粒子难于破碎。将弹性细胞冷冻使其成为刚性球体，降低破碎难度，撞击破碎正是基于这样的原理。操作：细胞悬浮液以喷雾状高速冻结（冻结速度为数千℃/min），形成粒径小于50 μm的微粒子。高速载气（如氮气，流速约300 m/s）将冻结的微粒子送入破碎室，高速撞击撞击板，使冻结的细胞发生破碎。特点：①细胞破碎仅发生在与撞击板撞击的一瞬间，细胞破碎均匀，可避免反复受力发生过度破碎的现象；②细胞破碎程度可通过无级调节载气压力（流速）控制，避免细胞内部结构的破坏，适用于细胞器（如线粒体、叶绿体等）的回收。撞击破碎适于微生物细胞和植物细胞的破碎。

超声波破碎

超声波破碎利用液相剪切力破碎细胞。机理：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。超声波破碎很强烈，适用于多数微生物的破碎，但有效能利用率低，破碎过程产生大量的热，对冷却的要求相当苛刻，故不易放大，主要用于实验室规模的细胞破碎。影响因素包括声强、声频、温度、时间、离子强度、pH和细胞类型。

酸碱处理

调节pH值，改变蛋白质的荷电性质，提高产物的溶解度。

化学试剂处理

用表面活性剂或有机溶剂（如甲苯）处理细胞，增大细胞壁的通透性，降低胞内产物的相互作用，使之容易释放。

酶溶

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。酶溶的优点：操作温和，选择性强，酶能快速地破坏细胞壁，而不影响细胞内含物的质量；但缺点是酶的费用高，因而限制了它在大规模生产中的应用。化学渗透法与机械破碎法相比：速度低，效率差，且化学或生化试剂的添加形成新的污染，给进一步的分离纯化增添麻烦。但化学渗透法选择性高，胞内产物的总释放率低，可有效抑制核酸的释放，料液粘度小，有利于后处理。

渗透压冲击法

将细胞置于高渗透压的介质中，使之脱水收缩，达到平衡后，将介质突然稀释或将细胞转置于低渗透压的水或缓冲溶液中，在渗透压的作用下，外界的水向细胞内渗透，使细胞变得肿胀，膨胀到一定程度，细胞破裂，它的内含物随即释放到溶液中。该方法适用于不具有细胞壁或细胞壁强度较弱细胞的破碎。

冻结-融化法

机理：一是在冷冻过程中会使细胞膜的疏水键结构破裂，从而增加细胞的亲水性；二是冷冻时胞内水结晶形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破裂。操作：将细胞急剧冻结至-20℃～-15℃，使之凝固，然后在室温缓慢融化，此冻结-融化操作反复进行多次，使细胞受到破坏。缺点：反复冻融会使蛋白质变性，从而影响活性蛋白质的回收率。冻结-融化法适用于比较脆弱的菌体。

在生物技术下游加工中，选择合适的细胞破碎方法需综合考虑目标产物的稳定性、细胞壁强度、处理规模和成本。机械法适合大规模处理，但产热可能损伤活性物质；非机械法选择性好但效率较低。未来可能向组合技术或温和高效的新方法发展。

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