《Future Foods》：Comparative study of mechanical cell disruption methods on bacteria and fungi
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为提升微生物单细胞蛋白(SCP)在食品应用中的溶解性与功能特性，本研究通过pH调控预处理结合微流控化、超声及联合处理，系统比较了革兰氏阳性菌（酪丁酸梭菌Clostridium tyrobutyricum）与丝状真菌（微小根毛霉Rhizomucor pusillus）的细胞破碎效果。研究揭示了pH对细胞壁通透性及破碎效率的显著影响，明确了针对不同微生物（细菌与真菌）的有效破壁策略差异（如细菌在pH 2条件下超声处理效率最高，真菌则在pH 10下采用联合处理效果最佳），并对可溶提取物的组分与能量效率进行了评估。研究成果为针对不同微生物细胞结构设计高效、低能耗的食品级蛋白质提取技术提供了重要理论依据。
面对全球对可持续蛋白质日益增长的需求，微生物单细胞蛋白(Single-cell protein, SCP)因其快速繁殖和较小的土地使用压力而成为替代传统动物蛋白的潜力股。然而，这些宝藏被坚硬的细胞壁“封锁”，限制了其蛋白质的溶出，进而影响了在食品中作为乳化剂或发泡剂等功能的发挥。如何高效、经济地“破壁”取“宝”，成为了微生物蛋白应用的一大技术瓶颈。
为了解决这一关键问题，由Yi Ling Chin、María Julia Romani Moron、Remko M. Boom和Julia K. Keppler组成的研究团队，对两种前景广阔的SCP来源——革兰氏阳性菌（酪丁酸梭菌Clostridium tyrobutyricum）和丝状真菌（微小根毛霉Rhizomucor pusillus）——的细胞破碎方法进行了系统性比较研究，成果发表在《Future Foods》期刊上。
研究者们运用了几项关键技术来探究这一问题。首先，他们采用了pH调控预处理，将细胞悬浮液调整至不同pH值（2、4、6、8、10）以改变细胞壁通透性。随后，应用了三种机械破碎方法：微流控化(Microfluidisation)，利用高压和微通道产生强剪切力；超声波处理(Ultrasonication)，通过空化效应产生局部冲击波；以及两者的组合处理。评估体系则包括可溶性蛋白回收率测定、粒度分析、透射电镜(TEM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)成像、傅里叶变换红外光谱(FTIR) 分析可溶组分的相对组成、动态光散射(DLS) 测定流体动力学尺寸，并计算了各处理方法的能量效率（单位回收蛋白的能耗）。
3.1. pH对可溶性蛋白回收率的影响
研究发现，在不进行机械处理的情况下，极端pH值（pH 2和pH 10）能显著提高两种微生物的可溶性蛋白回收率，呈现典型的“U”型曲线趋势，表明pH通过改变细胞壁聚合物的静电相互作用等，影响了细胞的通透性。
3.2. 细胞破碎方法的比较
3.2.1. 可溶性蛋白回收率
细菌在pH 2条件下经超声波处理获得了最高回收率（49.6%），接近其理论最大回收率（54.3%）。而真菌则在pH 10条件下，经微流控化与超声的联合处理获得了最高回收率（29.1%），也接近其理论最大值（37.3%）。这凸显了最佳pH条件与破碎方法的选择因微生物种类而异。
3.2.2. 粒度
粒度分析显示，pH和破碎方法显著改变了颗粒尺寸分布。细菌悬浮液在超声处理后出现了30-90 μm的较大颗粒峰，表明可能发生了聚集。而真菌悬浮液经微流控化处理后，粒度明显减小，联合处理的粒度分布与单独微流控化处理相似。
3.2.3. 显微镜观察
TEM和CLSM图像直观地展示了破碎效果。细菌细胞经处理后细胞膜和细胞壁破裂，细胞内物质碎裂。超声处理的细菌样本出现了聚集现象。真菌的菌丝被破碎成更小的片段，但许多细胞仍被细胞壁包裹，联合处理使细胞内物质更易释放。
3.3. 可溶组分的表征
3.3.1. FTIR测定的相对组成
细菌可溶组分的蛋白质-碳水化合物比值普遍大于1，表明其中蛋白质更丰富，尤其在pH 2下经机械破碎后比值显著升高。而真菌可溶组分的该比值小于1，且在高pH下经破碎后比值下降，说明破碎过程释放了大量的细胞壁碳水化合物。
3.3.2. 流体动力学尺寸
细菌可溶组分的流体动力学尺寸在pH 2下经破碎后减小。真菌可溶组分在pH 10下未处理时尺寸最大，破碎后尺寸显著减小，可能与碱性条件下可溶的α-1,3-葡聚糖在破碎过程中发生解聚有关。
3.4. 破碎方法的能量效率
计算表明，对于两种微生物，超声波处理都是能量效率最高的方法。然而，由于真菌细胞壁更厚、更复杂，且初始生物质浓度更稀，破碎真菌所需的单位能量远高于细菌（例如，细菌超声处理为10.1 kJ/g蛋白，而真菌为358.0 kJ/g蛋白）。微流控化因其高操作压力，能耗显著更高。
研究结论与讨论部分深刻阐述了微生物细胞结构与成分对蛋白质可提取性的影响。对于革兰氏阳性菌，其细胞壁主要由肽聚糖和磷壁酸构成，在极端pH下静电相互作用被破坏，结构变得疏松。超声波处理在pH 2条件下不仅能有效破碎细胞，其空化效应还能破坏蛋白质聚集体的非共价键，促进蛋白质溶解和重构，形成具有潜在食品应用价值（如增稠、凝胶）的蠕虫状聚集体。对于丝状真菌，其细胞壁由几丁质、葡聚糖和糖蛋白构成的复合物更为坚固，需要更强的机械力。微流控化提供的整体剪切力能有效破碎菌丝网络，而后续的超声波处理则能进一步作用于碎片，实现更彻底的细胞裂解，因此在pH 10下的联合处理效果最佳。但联合处理因微流控化步骤的高能耗而并非最节能的选择。
该研究的重要意义在于，它清晰地揭示了对不同微生物（原核细菌与真核真菌）进行蛋白质提取时，不存在“一刀切”的最佳方案。pH预处理是增强细胞通透性的关键步骤，但其最佳条件因细胞壁化学成分而异。机械破碎方法的选择需考虑细胞壁的厚度和结构复杂性：薄而相对均一的细菌壁易被局部空化力击破，而厚且分层的真菌壁则需要分布更广的剪切力。研究强调了在追求高蛋白回收率的同时，必须权衡能量效率和最终提取物特性（如蛋白质与碳水化合物的比例）。这些发现为未来针对特定微生物来源，设计更具靶向性、更高效且更可持续的食品级蛋白质提取工艺提供了宝贵的科学依据和设计思路。
