超声波细胞破碎仪

超声波细胞破碎仪原理

l 超声波是破坏细胞结构的一种有效手段。该效应可用于提取细胞内的物质。例如，从细胞基质中提取淀粉。

l 超声波在暴露的液体中产生交替的高压和低压。在低压循环期内，超声波在液体中产生真空小气泡，在高压循环过程中真空小泡剧烈的破裂，这种显现被称为空化。空化气泡的内爆引起强烈的流体动力剪切力。

l 剪切力可以将纤维，纤维状的材料分解成细胞颗粒并破坏细胞壁的结构。这将细胞内的物质，如淀粉和糖释放到液体中。除此之外，细胞壁材料被破碎成小碎片。

l 该效果可以用于有机物的发酵、消化和其他转换过程。在微磨和研磨之后，超声波使更多细胞内的物质进行转换，例如淀粉以及细胞壁碎片分别转换为糖和酶。它还增加了在液化或糖化过程中接触酶的表面积。这通常会增加酵母发酵和其他转换过程的速度和产量，例如提高生物质的乙醇产生。

l 通过超声波分解细胞结构（裂解）用于提取灭活微生物细胞内的化合物。

l 当以高强度超声处理液体时，传播到液体介质中的声波会产生交替的高压 (压缩) 和低压 (稀疏) 循环，其速率取决于频率。在低压循环期间，高强度的超声波会在液体中产生小的真空气泡或空隙。当气泡达到不能再吸收能量的 体积时, 它们在高压循环中剧烈地坍塌，这种现象称为空化。在爆炸期间，局部将达到非常高的温度（约5,000K）和压力（约2,000atm）。空化气泡的崩溃也导致液体射流高达280m/s的速度，所产生的剪切力机械地破坏细胞膜并改善材料转移。根据所采用的超声波参数，超声波细胞破碎仪对细胞有破坏性或建设性影响，取决于所使用的超声参数。

细胞分裂

• 在强烈的超声作用下，酶或蛋白质可以从细胞或亚细胞器中释放出来，这是细胞分裂的结果。在这种情况下, 被溶解成溶剂的化合物被封闭在一个不溶性的结构中。为了提取它，必须破坏细胞膜。细胞破坏是一个敏感过程，因为细胞壁有承受内部的高渗透压的能力。需要对细胞破坏进行良好的控制，以避免阻碍细胞内产物的释放（包括细胞碎片和核酸）或产物变性。
• 超声波作为细胞分解的良好控制手段，为此，超声波的机械效应提供更快, 更完整的渗透溶剂的细胞材料和改善转移质量。超声波可以更好地渗透到植物组织中并改善质量传递。超声波产生空化破坏细胞壁并促进基质成分的释放。

传质

• 超声波的机械活动支持溶剂扩散到组织中。当超声波通过空化剪切力机械地破坏细胞壁时，它促进从细胞向溶剂的转移。通过超声空化引起的粒径减小，增加了固相和液相之间接触的表面积。

蛋白质和酶提取

• 特别是提取储存在细胞和亚细胞颗粒中的酶和蛋白质是高强度超声的一个*和有效的应用。因为可以显著改进通过溶剂提取植物和种子体内的有机化合物。因此，超声在提取和分离新的潜在生物活性成分方面具有潜在的益处。例如，来自当前工艺中形成的未使用的副产物流。

脂质和蛋白质

• 超声波通常用于改善从植物种子中提取的脂类和蛋白质，如大豆（如面粉或脱脂大豆）或其他油料种子。在这种情况下，细胞壁的破坏促进了压榨（冷或热），从而减少了压饼中的残余油脂。
• 超声波几乎能支持任何商业生产能力，对大豆蛋白质进行亲水化，当使用较厚的浆液时，所需的超声处理能量蕞低。
• 适用于：水果中的柑橘油，榨芥子油，花生油菜，草药油（紫锥菊），油菜籽油，大豆油，玉米油等。

酚类化合物和花青素释放

• 酶，如果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶在果汁处理中广泛应用，以降低细胞壁的性能，提高果汁的提取率。细胞壁基质的破坏也会释放一些成分，比如酚类化合物进入果汁中。超声波改善了提取过程，因此可以导致酚类化合物、生物碱和果汁产量的增加，通常是留在压滤饼中。
• 超声波处理对葡萄和浆果基质中酚类化合物和花青素的释放的有益作用，特别是从越桔（牛痘霉菌）和黑醋栗（Ribes nigrum）转化为果汁。超声波处理可以使越桔汁中酚类化合物的浓度提高了15％以上。

微生物和酶失活

• 微生物和酶灭活（保存），例如 果汁和酱汁是食品加工中超声波的另一种应用。今天，在短时间内提高温度(巴氏灭菌法)仍然是微生物或酶在失活过程中蕞常见的处理方法，从而延长保存时间。由于高温暴露，这种高温杀菌常常对许多食品不利。由热催化反应生成新物质以及大分子的改性，以及植物和动物结构的变形，都可能会使食品的质量降低。因此，热处理可能导致感觉属性，即质地、风味、颜色、气味和营养品质（维生素和蛋白质）变得不太理想。 超声是一种有效的非热处理替代品。
• 由空化和局部自由基产生的热量可导致超声波处理的酶失活。在足够低的超声处理下，结构和代谢变化可以在细胞中发生而不会破坏。在大多数生的和未熟化的水果、蔬菜中发现与异味和褐变色素增加所相关的过氧化酶的活性，可以使用超声波使其大大较少。抗高温的酶，如脂肪酶和蛋白酶，能抗高温处理，能降低热处理牛奶和其他奶制品的质量和贮藏寿命，在使用高温和压力(MTS)的同时使用超声波处理，更有效地抑制其活性。
• 超声已证明其在破坏食源性病原体如大肠杆菌、沙门氏菌、蛔虫、Giargia、隐孢子虫囊肿和脊髓灰质炎病毒的方面具有潜力。
• 适用于：保存果酱或配料，例如 用于冰淇淋，果汁和酱汁，肉制品，乳制品等。