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细胞破碎法——高压匀浆法
摘要：细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，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的基础。目前已发展了多种细胞破碎方法，以便适应不同用途和不同类型的细胞壁破碎。破碎方法可归纳为机械法和非机械法两大类。机械破碎主要的方法有珠磨法、高压匀浆法、撞击破碎法和超生波等方法。本次综述主要介绍高压匀浆法，高压匀浆法的应用以及高压匀浆机的介绍和使用。
关键词：细胞破碎 高压匀浆法 高压匀浆器 应用
正文：
一、 高压匀浆法破碎细胞的原理
高压匀浆法是大规模破碎细胞的常用方法，作用机理是液体剪切作用，利用高压是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碎，细胞悬浮液自高压室针形阀喷出时，每秒速度高达几百米，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。
二、 高压匀浆器
高压匀浆器是常用的设备，它由可产生高压的正向排代泵和排出阀组成，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。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20℃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。
三、 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，高压均质机与其他均质设备相比，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升物料能做试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极均质系统，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网，大大的提高了其均质效果。泵体阀的结构分球型阀和碟型阀两种，球型具有耐高压、使用寿命长等优点。碟型具有结构简单、容积效率高等优点。
四、 高压匀浆器使用领域
1、食品饮料行业：豆奶、花生奶、松子奶、大豆蛋白质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。
2、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。
3、轻工化工行业：香精香料、化妆品、乳化硅油、感光剂、增亮剂、增稠剂、高级涂料、颜料、染料、重油渗水等。
4、生物工程技术：对大肠杆菌、酵母菌、细胞进行破碎，提取其细胞内酶、蛋白质等活性产物。
五、 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。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，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。从海藻中提取分离藻蛋白目前仍是获得藻蛋白的主要途径，由于藻蛋白为螺旋藻的胞内产物，因此，提取纯化分离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。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生波破碎法、高压匀浆法、反复冻融法、酶溶法和化学试剂法等。但由于超声粉碎，反复冻融，酶溶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生产奠定基础。
六、 总结
影响破碎的主要因素是压力、温度和通过匀浆器阀的次数，升高压力有利于破碎，它表明可以减少细胞的循环次数，在不明显增加通过量的情况下，甚至一次通过匀浆阀就可达到几乎完全的破碎，这样就可避免细胞碎片不致过小，从而给随后细胞碎片的分离工作带来好处。Brokman等人已研究了能适应与高压操作的匀浆阀，试验表明在约175MPa的压力下，破碎率可达100%，但是也有试验表明当压力超过一定的值后，破碎率增长的很慢。在工业生产中，通常采用的压力为55--70MPa。破碎性能还随菌体的种类和生长环境的不同而不同，例如采用高压匀浆法时，大肠杆菌的细胞比酵母细胞容易破碎，生长在简单的合成培养基上的大肠杆菌比生长在复杂培养基上容易破碎。高压匀浆法的适用范围较广，在微生物细胞和植物细胞的大规模处理中常采用。
参考文献：1新编生物工艺学下册 俞俊棠 唐孝宣等主编 化学工业出版社
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