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超声波细胞粉碎机在植物细胞中的应用

点击次数：4601 发布时间：2015/3/11 8:51:29

1　超声波作用基本原理

超声波在媒质中传播可使媒质质点在其传播空间内进入振动状态强化溶质扩散、传质，即超声波机械机制。超声波在媒质质点传播过程中其能量不断被媒质质点吸收变成热能，导致媒质质点温度升高，即超声波热学机制。同时当大能量的超声波作用于提取介质，在振动处于稀疏状态时，介质被撕裂成许多小空穴，这些小空穴瞬时即闭合，闭合时产生高达几千大气压的瞬时压力，即空化现象。

在超声场中由于被破碎物等所处的浸提介质中含有大量的溶解气体及微小的杂质，它们包围在被破碎物等的胶质外膜周围，为超声波作用提供了必要条件。空化中产生的极大压力造成被破碎物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。超声波破碎过程是一个物理过程，浸提过程中无化学反应，被浸提的生物活性物质在短时间内保持不变，生物活性不减，同时提高了破碎速度，缩短了破碎时间，可极大地提高提取效率〔1〕。

超声波作用时其效果不仅取决于超声波的强度和频率，而且与被破碎物的结构功能有一定关系。计算表明：在水中当超声波辐射面上强度达3000W/m2时就会产生空化，气泡在瞬间就很快闭合，闭合时产生的压力脉冲形成瞬间的球形冲击波，从而导致被破碎生物体及细胞的完全破裂。从理论上确定被破碎物所处介质中气泡大小后即可选择适宜的超声波频率〔2〕。由于提取介质中气泡尺寸不是单一的，而是存在一个分布范围，所以超声波频率应有一定范围的变化，即有一个带宽。

2　超声波在植物提取中的应用

2.1　陆地植物：超声波应用于生物技术是一个较新的研究领域。研究表明，超声波作用可激活某些酶与细胞参与的生理生化过程，通过改变反应物的质量传输机制，提高酶的活性、加速细胞新陈代谢过程〔3〕。超声波用于淀粉的降解，可显著增加淀粉在水中的溶解度而保留明显的淀粉特征，但超声波多次处理后酶活性有所降低；超声波用于降解壳多糖速度快、成本低、氨基酸含量不变；超声波用于提取真菌多糖，如虫草多糖、香菇多糖、猴头多糖等，超声波酶法与传统工艺比较提取率高、反应过程无物料损失和副反应；此外超声波还用于降解提取多种葡聚糖等〔4〕。灵芝多糖是一种实体木质化的真菌多糖，细胞壁有蛋白质、几丁质、纤维素及木质素等，其结构紧密，一般的处理方法难于将细胞壁破坏，有效成分提取困难。通过120W超声波作用使其相对结晶度从23.4降低到0，比表面积增加85.5%，水解速度显著增加〔5〕。

目前对超声波用于从陆地植物中提取药用有效成分亦进行了一些研究。应用超声从大黄中提取蒽醌类成分的研究表明：超声处理10min，总提取率可达95.25%，而煎煮3h，总提取率仅为63.27%；超声提取20min，提取率可达99.82%；用纸层析及HPLC对两种方法提取产物进行分析，表明超声处理对产物结构无影响〔6〕。在研究从黄连根茎中提取黄连素时，分别对超声波处理时间、超声波频率及硫酸浓度等进行了考察。结果表明用20kHz超声波提取30min与浸泡24h提取率相同(8.12%)，核磁共振波谱仪对提取产物研究说明超声波对黄连素结构无影响〔7〕。用不同频率的超声波从槐米中提取芸香苷与热碱提取—酸沉淀比较，超声法无需加热，只需用频率20kHz的超声波处理30min，提取率就可提高47.6%〔8〕。超声波用于从黄连中提取小檗碱的常规碱性浸泡工艺中，超声提取30min所得到的小檗碱提取率比碱性浸泡24h高50%以上〔9〕。中科院化冶所生化工程国家重点实验室在承担的国家“九.五”攻关重点项目“植物细胞大规模培养生产”中，采用超声波强化石油醚提取，使得提取率增加，提取时间大大缩短，降低了溶剂消耗，而且提取产物经紫外分光光度法和HPLC法检验，表明杂质含量亦较少。

2.2　海洋藻类植物：盐藻含有丰富的β-胡萝卜素。从盐中提取β-胡萝卜素的首要条件是将盐藻破碎，使β-胡萝卜素能够快速、高效地进入水溶液等提取介质。由于被提取物多为胞内物质，提取过程中一般需要将细胞破碎。由于过程中有化学反应发生，采用化学破碎方法容易造成被提取物结构性质等变化而失去活性，用机械破碎又难于将细胞有效破碎。路德明等〔10〕在20℃条件下，分别采用超声波为30kHz、150V，46kHz、105V，4.64kHz、107V,48.2kHz、109V对盐藻进行破碎，通过显微镜观察记数得到盐藻的完全破碎率可达87%。藻胆体是某些藻类的捕光色素，藻胆体的光谱性质不仅反应了其组成和结构特征，而且还可以反应藻类物种的差异和进化地位。研究藻胆体的光谱性质必须得到完整的藻胆体。在采用化学及机械破碎方法均不能从龙须藻中获得理想的藻体时，采用频率为20～50kHz，电压为60V超声波处理10min就得到了完整的藻胆体。超声波作用的目的是将龙须菜细胞打破，露出内囊体，然后将藻胆体从内囊体膜上振动下来〔11〕。

目前海藻多糖提取一般采用水煮法及乙醇沉淀，回收率很低。中科院化冶所生化工程国家重点实验室承担的海洋“八六三”青年基金项目“海藻多糖的超声浸提及凝聚相萃取分离方法研究”，正在研究超声波用于海藻多糖的破碎浸提过程，并同时研究解决超声波应用中工程放大问题，以期扩大超声波在海洋活性物质提取中的应用。

3　结语

超声波在陆地植物和海洋藻类植物天然成分提取中的应用已经显示出明显的优势，并已逐步被人们所注意。目前虽然已进行了一些研究，但都是仅在实验室的很小规模上，针对某些单个具体提取对象进行简单的工艺条件实验。

在超声波用于植物天然成分提取时，应对其作用机制进行深入研究，以便建立一套较为通用的模型，为不同提取对象操作条件提供依据。同时注重有关工程问题研究，解决超声提取工程放大问题。

原创作者：上海旌派仪器有限公司

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