微波破碎細胞機理在天然產物提取中的應用

微波破碎細胞機理在天然產物提取中的應用

徽波破碎細胞技術是塞于徽波加熱的選擇性、瞬時性和高效性。通過對生物材料進行適宜的徽波處理而實現細胞破碎的一種細胞破碎手段。實踐表明，該技術尤其適用于胞內小分子產物的提取，在天然產物提取分離中其有廣闊應用前景。

自然界豐富的生物資源為人類提供了數萬種的天然產物，它們是藥物、香料、食品添加劑等精細化學品的重要來源。天然產物的開發應用，首先需要把它從生物體內提取出來。天然產物的提取，工業上仍普遍采用傳統的浸取操作，費時費力，效率低，技術水平落后。

一方面，浸取操作在提取前沒有進行細胞破碎，細胞壁和/或細胞膜帶來很大的提取阻力，提取時間長；另外，浸取操作不能使胞內水解酶迅速失活，反而由于緩慢升溫促進了酶對目標產物的降解，珍貴的原料資源沒有被充分利用。所以，提取時間長和收率低是困擾胞內天然產物提取的關鍵問題之一。目前，人們正積極從事天然產物提取新技術的研究，如超臨界萃取、超聲波提取、微波強化萃取等。

從動力學角度考慮，細胞壁和/或細胞膜的通透性是限制天然產物提取速率的關鍵因素，故細胞破碎后，將大大加速天然產物的提取。現有高速珠磨和高壓勻漿等細胞破碎方法可以實現目標產物的快速釋放，但在釋放目標產物的同時，胞內水解酶一起被釋放出來。釋放后的水解酶和目標產物相遇，造成目標產物的損失。而且提取液中含有大量蛋白質等雜質，加重了后續分離純化的負擔。故上述細胞破碎方法都不適合天然產物的提取。因此，研究專門適合生物小分子提取的細胞破碎方法，對于天然產物的研究開發具有重要意義。我們針對天然產物一般熱穩定性好的特點，將微波技術用于細胞破碎，建立了一種適合生物胞內小分子提取的細胞破碎技術—微波破碎細胞。

微波破碎細胞是基于微波加熱的選擇性、瞬時性和高效性，控制適宜的微波條件而實現的。微波破碎后的細胞，由于減小了提取阻力，其胞內小分子物質的溶出變得非常容易，可大大縮短提取時間。此外，微波處理還能使胞內目標產物的水解酶失活，避免提取過程中目標產物的降解。因此，我們提出了“微波破細胞提取”的概念，并成功地進行了酵母胞內海藻糖及藥用植物高山紅景天愈傷組織中紅景天成的提取。本文首先以酵母細胞為例闡明微波破碎細胞的機理，然后，通過實例對比說明微波破細胞提取技術的優越性。

微波是一種頻率由30 00MHz至30 00GHz的高頻電磁波，它具有電磁波的諸如反射、透射和干涉、衍射、偏振、以及伴隨著電磁波的能量傳輸等波動特性，而且可用于加熱.微波是通過使微波場中的極性分子或偶極子的快速擺動產生類似摩擦的作用而獲得能量，給介質加熱的。微波加熱具有很好的選擇性，不同物料由于其介電性質不同，在微波場中的受熱特性有很大的差別。水及陰陽離子等能被微波迅速加熱，而玻璃、聚四氟乙烯等則是對微波透明的，不吸收微波能，從而不能被微波加熱。此外，微波加熱高效快速，易于實現連續化、自動化。鑒于微波技術的上述特點，微波在食品干燥、滅菌、膨化等領域已獲得廣泛的工業應用。

醉母菌具有典型的細胞結構，由細胞壁、細胞膜、細胞核、液泡、線粒體和細胞質等構成。酵母細胞的原生質中含有一個或多個大小不等的液泡，液泡直徑為。..-u33m.在靜止生長期的細胞中特別明顯，常為最大的細胞器。當細胞在營養培養基中開始出芽時，大的液泡被擠壓分成兩個小的液泡，芽形成時，液泡被分配到母細胞和子細胞中。出芽完畢后，小的液泡重新結合或融合而形成大的液泡。由微波加熱原理可知，正、負離子和水等極性物質對微波的吸收能力比較強，而非極性物質幾乎不吸收微波。由于酵母細胞具有典型的細胞結構，在細胞不同部位或不同細胞器中，正、負離子和水等極性物質的分布是不均勻的，因此，當把酵母細胞置于微波場中處理時，酵母細胞將會局部受熱。

酵母細胞在微波場中局部受熱是酵母細胞微波破碎的物理夔礎。液泡是酵母細胞內部富含自由水的部位，當酵母細胞接受微波輻射時，自由水大量吸收微波能，迅速受熱，溫度達到沸點而汽化，使得胞內壓力升高。酵母細胞壁和細胞膜所能承受的內壓有限，當微波加熱引起的胞內壓力上升到細胞所能承受的極限時，酵母細胞將被脹破，細胞發生破碎。

通過對微波破碎前后的酵母進行掃描電鏡觀察發現，酵母細胞微波破碎一般首先發生在細胞出芽部位。筆者對此現象解釋如下：對于帶芽的細胞，母細胞和子細胞分別含有自己的液泡，因此，當酵母在微波場中接受處理時，其母體和芽均受熱產生內壓，從而對細胞產生兩個反向的拉力。使得芽脫離母體，細胞在其出芽部位破裂：對于處于G，期的細胞，胞內各方向內壓相等，但芽痕處為細胞壁的一體性遭受過破壞的部位，更容易導致應力集中，故細胞在芽痕處破開。

酵母細胞在微波場的作用下，首先在出芽部位破裂，這時，若繼續對其進行微波輻射，細胞將受熱脫水，迅速被干燥。相應地，在細胞壁的其它部位，出現龜裂。綜上所述，微波破碎細胞是兩種機制先后作用的結果。首先是細胞的局部受熱導致內壓升高，細胞壁和細胞膜首先在其最脆弱部位破裂;然后。細胞脫水干燥，表面出現龜裂。從經不同微波處理時間的酵母細胞的掃描電鏡照片可清楚地觀察到酵母細胞微波破碎的這兩個不同階段。

處于出芽階段的酵母（B）不帶芽的醉母圖1，酵母細胞微波破碎機理示愈圖3。嫩波破碎細胞技術在天然產物提取中的應用海藻糖是由兩個葡萄糖分子結合而成的非還原性雙搪。廣泛存在于隱生生命的生物即脫水的動植物體內，井賦予這類生物抵御高溫、干早、脫水等不良環境脅迫的能力。此外，海藻搪具有在干燥條件下保持蛋白質、核酸等大分子物質的結構和功能不受破壞的特異功效。因此，作為一種生物制品活性保護劑和食品添加劑，海藻糖在蛋白質、酶類、疫苗、菌苗、基因工程藥物以及食品、化妝品的生產中具有廣闊的應用前景。釀酒酵母，特別是面包酵母胞內海藻糖含量豐畜，為市售海藻糖產品的重要來源。由于海藻糖水解酶一海藻塘酶與海藻搪共存于醉母細胞中。因此，為防止海藻精的降解，醉母胞內海藻糖的提取，大多以高濃度酒精為溶劑，在沸點下進行。而采用微波破細胞提取技術，以水為溶劑，在室溫下只需10分鐘就能完成提取操作，且海藻糖收率比傳統提取高加%。另外，與傳統工藝相比較，微波破細胞提取，蛋白質等大分子雜質溶出較少，從而減小了目標產物后續分離的負擔。

制品活性保護劑和食品添加劑，海藻糖在蛋白質、酶類、疫苗、菌苗、基因工程藥物以及食品、化妝品的生產中具有廣闊的應用前景。釀酒酵母，特別是面包酵母胞內海藻糖含量豐畜，為市售海藻糖產品的重要來源。由于海藻糖水解酶一海藻塘酶與海藻搪共存于醉母細胞中。因此，為防止海藻精的降解，醉母胞內海藻糖的提取，大多以高濃度酒精為溶劑，在沸點下進行。而采用微波破細胞提取技術，以水為溶劑，在室溫下只需10分鐘就能完成提取操作，且海藻糖收率比傳統提取高加%。另外，與傳統工藝相比較，微波破細胞提取，蛋白質等大分子雜質溶出較少，從而減小了目標產物后續分離的負擔。

以上事例表明，微波破碎技術不但從理論上豐富了細胞破碎的內涵，而且具有很高的實用價值，該技術對于生物胞內小分子的提取具有一定的普適性。與傳統提取方法相比，微波破細胞提取具有具有很大的優越性，主要表現在提取時間短、目標產物收率高、雜質溶出少等方面。因此，微波破細胞提取是一種省時、高效、節能、清潔安全的天然產物提取技術。由于化學合成新藥開發的難度增大，國外著名醫藥公司及研究機構紛紛把眼光投向大自然，從植物中尋找新藥。我國中草藥文化博大精深。有很好的知識積累，并逐漸得到國際上的承認。我們希望微波技術能在我國中藥現代化進程中及天然藥物研究開發等方面發揮其應有的作用，為中藥走向世界盡一份力。