超聲波細(xì)胞破碎儀

超聲波細(xì)胞破碎儀原理

l 超聲波是破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的一種有效手段。該效應(yīng)可用于提取細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)。例如，從細(xì)胞基質(zhì)中提取淀粉。

l 超聲波在暴露的液體中產(chǎn)生交替的高壓和低壓。在低壓循環(huán)期內(nèi)，超聲波在液體中產(chǎn)生真空小氣泡，在高壓循環(huán)過(guò)程中真空小泡劇烈的破裂，這種顯現(xiàn)被稱(chēng)為空化。空化氣泡的內(nèi)爆引起強(qiáng)烈的流體動(dòng)力剪切力。

l 剪切力可以將纖維，纖維狀的材料分解成細(xì)胞顆粒并破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)。這將細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，如淀粉和糖釋放到液體中。除此之外，細(xì)胞壁材料被破碎成小碎片。

l 該效果可以用于有機(jī)物的發(fā)酵、消化和其他轉(zhuǎn)換過(guò)程。在微磨和研磨之后，超聲波使更多細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如淀粉以及細(xì)胞壁碎片分別轉(zhuǎn)換為糖和酶。它還增加了在液化或糖化過(guò)程中接觸酶的表面積。這通常會(huì)增加酵母發(fā)酵和其他轉(zhuǎn)換過(guò)程的速度和產(chǎn)量，例如提高生物質(zhì)的乙醇產(chǎn)生。

l 通過(guò)超聲波分解細(xì)胞結(jié)構(gòu)（裂解）用于提取滅活微生物細(xì)胞內(nèi)的化合物。

l 當(dāng)以高強(qiáng)度超聲處理液體時(shí)，傳播到液體介質(zhì)中的聲波會(huì)產(chǎn)生交替的高壓 (壓縮) 和低壓 (稀疏) 循環(huán)，其速率取決于頻率。在低壓循環(huán)期間，高強(qiáng)度的超聲波會(huì)在液體中產(chǎn)生小的真空氣泡或空隙。當(dāng)氣泡達(dá)到不能再吸收能量的 體積時(shí), 它們?cè)诟邏貉h(huán)中劇烈地坍塌，這種現(xiàn)象稱(chēng)為空化。在爆炸期間，局部將達(dá)到非常高的溫度（約5,000K）和壓力（約2,000atm）。空化氣泡的崩潰也導(dǎo)致液體射流高達(dá)280m/s的速度，所產(chǎn)生的剪切力機(jī)械地破壞細(xì)胞膜并改善材料轉(zhuǎn)移。根據(jù)所采用的超聲波參數(shù)，超聲波細(xì)胞破碎儀對(duì)細(xì)胞有破壞性或建設(shè)性影響，取決于所使用的超聲參數(shù)。

細(xì)胞分裂

• 在強(qiáng)烈的超聲作用下，酶或蛋白質(zhì)可以從細(xì)胞或亞細(xì)胞器中釋放出來(lái)，這是細(xì)胞分裂的結(jié)果。在這種情況下, 被溶解成溶劑的化合物被封閉在一個(gè)不溶性的結(jié)構(gòu)中。為了提取它，必須破壞細(xì)胞膜。細(xì)胞破壞是一個(gè)敏感過(guò)程，因?yàn)榧?xì)胞壁有承受內(nèi)部的高滲透壓的能力。需要對(duì)細(xì)胞破壞進(jìn)行良好的控制，以避免阻礙細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物的釋放（包括細(xì)胞碎片和核酸）或產(chǎn)物變性。
• 超聲波作為細(xì)胞分解的良好控制手段，為此，超聲波的機(jī)械效應(yīng)提供更快, 更完整的滲透溶劑的細(xì)胞材料和改善轉(zhuǎn)移質(zhì)量。超聲波可以更好地滲透到植物組織中并改善質(zhì)量傳遞。超聲波產(chǎn)生空化破壞細(xì)胞壁并促進(jìn)基質(zhì)成分的釋放。

傳質(zhì)

• 超聲波的機(jī)械活動(dòng)支持溶劑擴(kuò)散到組織中。當(dāng)超聲波通過(guò)空化剪切力機(jī)械地破壞細(xì)胞壁時(shí)，它促進(jìn)從細(xì)胞向溶劑的轉(zhuǎn)移。通過(guò)超聲空化引起的粒徑減小，增加了固相和液相之間接觸的表面積。

蛋白質(zhì)和酶提取

• 特別是提取儲(chǔ)存在細(xì)胞和亞細(xì)胞顆粒中的酶和蛋白質(zhì)是高強(qiáng)度超聲的一個(gè)*和有效的應(yīng)用。因?yàn)榭梢燥@著改進(jìn)通過(guò)溶劑提取植物和種子體內(nèi)的有機(jī)化合物。因此，超聲在提取和分離新的潛在生物活性成分方面具有潛在的益處。例如，來(lái)自當(dāng)前工藝中形成的未使用的副產(chǎn)物流。

脂質(zhì)和蛋白質(zhì)

• 超聲波通常用于改善從植物種子中提取的脂類(lèi)和蛋白質(zhì)，如大豆（如面粉或脫脂大豆）或其他油料種子。在這種情況下，細(xì)胞壁的破壞促進(jìn)了壓榨（冷或熱），從而減少了壓餅中的殘余油脂。
• 超聲波幾乎能支持任何商業(yè)生產(chǎn)能力，對(duì)大豆蛋白質(zhì)進(jìn)行親水化，當(dāng)使用較厚的漿液時(shí)，所需的超聲處理能量蕞低。
• 適用于：水果中的柑橘油，榨芥子油，花生油菜，草藥油（紫錐菊），油菜籽油，大豆油，玉米油等。

酚類(lèi)化合物和花青素釋放

• 酶，如果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶在果汁處理中廣泛應(yīng)用，以降低細(xì)胞壁的性能，提高果汁的提取率。細(xì)胞壁基質(zhì)的破壞也會(huì)釋放一些成分，比如酚類(lèi)化合物進(jìn)入果汁中。超聲波改善了提取過(guò)程，因此可以導(dǎo)致酚類(lèi)化合物、生物堿和果汁產(chǎn)量的增加，通常是留在壓濾餅中。
• 超聲波處理對(duì)葡萄和漿果基質(zhì)中酚類(lèi)化合物和花青素的釋放的有益作用，特別是從越桔（牛痘霉菌）和黑醋栗（Ribes nigrum）轉(zhuǎn)化為果汁。超聲波處理可以使越桔汁中酚類(lèi)化合物的濃度提高了15％以上。

微生物和酶失活

• 微生物和酶滅活（保存），例如 果汁和醬汁是食品加工中超聲波的另一種應(yīng)用。今天，在短時(shí)間內(nèi)提高溫度(巴氏滅菌法)仍然是微生物或酶在失活過(guò)程中蕞常見(jiàn)的處理方法，從而延長(zhǎng)保存時(shí)間。由于高溫暴露，這種高溫殺菌常常對(duì)許多食品不利。由熱催化反應(yīng)生成新物質(zhì)以及大分子的改性，以及植物和動(dòng)物結(jié)構(gòu)的變形，都可能會(huì)使食品的質(zhì)量降低。因此，熱處理可能導(dǎo)致感覺(jué)屬性，即質(zhì)地、風(fēng)味、顏色、氣味和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)（維生素和蛋白質(zhì)）變得不太理想。 超聲是一種有效的非熱處理替代品。
• 由空化和局部自由基產(chǎn)生的熱量可導(dǎo)致超聲波處理的酶失活。在足夠低的超聲處理下，結(jié)構(gòu)和代謝變化可以在細(xì)胞中發(fā)生而不會(huì)破壞。在大多數(shù)生的和未熟化的水果、蔬菜中發(fā)現(xiàn)與異味和褐變色素增加所相關(guān)的過(guò)氧化酶的活性，可以使用超聲波使其大大較少。抗高溫的酶，如脂肪酶和蛋白酶，能抗高溫處理，能降低熱處理牛奶和其他奶制品的質(zhì)量和貯藏壽命，在使用高溫和壓力(MTS)的同時(shí)使用超聲波處理，更有效地抑制其活性。
• 超聲已證明其在破壞食源性病原體如大腸桿菌、沙門(mén)氏菌、蛔蟲(chóng)、Giargia、隱孢子蟲(chóng)囊腫和脊髓灰質(zhì)炎病毒的方面具有潛力。
• 適用于：保存果醬或配料，例如 用于冰淇淋，果汁和醬汁，肉制品，乳制品等。