背景介紹

細胞壁是植物、細菌、真菌等細胞外層的剛性結構，主要由纖維素（植物）、肽聚糖（細菌）或幾丁質（真菌）等成分構成，具有維持細胞形態、保護內部結構和抵抗外界壓力的功能。在生物技術、醫藥和食品工業中，常需破碎細胞壁以提取胞內物質（如蛋白質、核酸或代謝產物），因此發展出機械研磨、酶解法、超聲波破碎、高壓均質等多種破碎技術，其選擇取決于細胞壁組成及目標產物的穩定性。

1.細胞壁的結構特點

1.1細菌細胞壁

細菌的細胞壁主要由肽聚糖（Peptidoglycan）構成，其結構堅固且具有彈性。根據染色特性，細菌可分為：

革蘭氏陽性菌：細胞壁厚（含多層肽聚糖），并含有大量磷壁酸。

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

1.2真菌細胞壁

真菌的細胞壁較厚，主要由多糖、少量的蛋白質和脂類組成。

細胞壁主要成分為幾丁質（Chitin）、β-葡聚糖（β-Glucan）和甘露聚糖（Mannan），結構比細菌更復雜，因此破碎難度更高。

*酵母細胞壁

酵母細胞壁呈典型的三層“三明治"結構，外層為甘露聚糖層，由分支狀多糖構成，約占細胞壁干重的30%；中間層為蛋白質層，含結構蛋白和酶類；內層為β-葡聚糖層。此外，酵母細胞壁含少量幾丁質（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，兼具柔韌性與穩定性。

*霉菌細胞壁

霉菌細胞壁結構通常分為4-5層，外層為混合葡聚糖層，厚且多孔，內層含網狀葡聚糖骨架與蛋白質填充，最內層為纖絲狀幾丁質（高等霉菌）或纖維素（低等水生霉菌）層，形成剛性支撐結構。其成分比例隨菌齡和生態位動態變化，如高等陸生霉菌以幾丁質為主，低等水生霉菌則以纖維素為主。

1.3植物細胞壁

植物細胞壁主要由纖維素（Cellulose）、半纖維素（Hemicellulose）和果膠（Pectin）構成，結構堅硬且具有多層性，能顯著增加機械強度和抗壓縮能力，需要更強的機械力或化學方法才能破碎。

2.常見的細胞破碎技術

2.1機械破碎法

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

圖1 高壓均質機原理圖

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

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產生的空化效應，即超聲波使液體形成微小氣泡并迅速生長、閉合，在氣泡閉合瞬間產生局部高溫高壓及沖擊波和微射流，對周圍細胞或組織等造成物理性破壞，從而實現細胞破碎、物質分散等目的 。

2.2化學與酶解法

溶菌酶處理：針對細菌細胞壁（尤其是革蘭氏陽性菌），可特異性降解肽聚糖。

纖維素酶/幾丁質酶：用于植物或真菌細胞壁的酶解，溫和高效，但成本較高。特異性高，對細胞內容物影響小；適用于植物細胞的破碎，釋放細胞內產物。

去垢劑（如SDS、Triton X-100）：破壞細胞膜脂質結構，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：通過反復凍融（通常在-80℃至室溫或4℃間循環）在低溫下細胞內水分結冰形成冰晶，體積膨脹導致細胞膜和細胞壁機械性破裂；融化時冰晶迅速消融，產生局部滲透壓沖擊進一步破壞細胞結構。該方法操作簡便、無需化學試劑或復雜設備，對熱敏感產物（如蛋白質、核酸）的活性影響較小，但破碎效率較低，適用于實驗室小規模樣本（如少量細菌、酵母或動物細胞）的破碎。

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

結語

細胞破碎是生物技術、制藥和食品工業中的關鍵步驟。了解細胞壁的結構差異，選擇合適的方法，既能提高破碎效率，又能保護目標產物的活性。未來，隨著酶工程和納米技術的發展，更高效、低成本的細胞破碎技術將不斷涌現！