超聲波細胞破碎儀原理

l 超聲波是破壞細胞結構的一種有效手段。該效應可用于提取細胞內的物質。例如，從細胞基質中提取淀粉。

l 超聲波在暴露的液體中產生交替的高壓和低壓。在低壓循環期內，超聲波在液體中產生真空小氣泡，在高壓循環過程中真空小泡劇烈的破裂，這種顯現被稱為空化。空化氣泡的內爆引起強烈的流體動力剪切力。

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

l 該效果可以用于有機物的發酵、消化和其他轉換過程。在微磨和研磨之后，超聲波使更多細胞內的物質進行轉換，例如淀粉以及細胞壁碎片分別轉換為糖和酶。它還增加了在液化或糖化過程中接觸酶的表面積。這通常會增加酵母發酵和其他轉換過程的速度和產量，例如提高生物質的乙醇產生。

l 通過超聲波分解細胞結構（裂解）用于提取滅活微生物細胞內的化合物。

l 當以高強度超聲處理液體時，傳播到液體介質中的聲波會產生交替的高壓 (壓縮) 和低壓 (稀疏) 循環，其速率取決于頻率。在低壓循環期間，高強度的超聲波會在液體中產生小的真空氣泡或空隙。當氣泡達到不能再吸收能量的 體積時, 它們在高壓循環中劇烈地坍塌，這種現象稱為空化。在爆炸期間，局部將達到非常高的溫度（約5,000K）和壓力（約2,000atm）。空化氣泡的崩潰也導致液體射流高達280m/s的速度，所產生的剪切力機械地破壞細胞膜并改善材料轉移。根據所采用的超聲波參數，超聲波細胞破碎儀對細胞有破壞性或建設性影響，取決于所使用的超聲參數。

細胞分裂

• 在強烈的超聲作用下，酶或蛋白質可以從細胞或亞細胞器中釋放出來，這是細胞分裂的結果。在這種情況下, 被溶解成溶劑的化合物被封閉在一個不溶性的結構中。為了提取它，必須破壞細胞膜。細胞破壞是一個敏感過程，因為細胞壁有承受內部的高滲透壓的能力。需要對細胞破壞進行良好的控制，以避免阻礙細胞內產物的釋放（包括細胞碎片和核酸）或產物變性。
• 超聲波作為細胞分解的良好控制手段，為此，超聲波的機械效應提供更快, 更完整的滲透溶劑的細胞材料和改善轉移質量。超聲波可以更好地滲透到植物組織中并改善質量傳遞。超聲波產生空化破壞細胞壁并促進基質成分的釋放。

傳質

• 超聲波的機械活動支持溶劑擴散到組織中。當超聲波通過空化剪切力機械地破壞細胞壁時，它促進從細胞向溶劑的轉移。通過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。

蛋白質和酶提取

• 特別是提取儲存在細胞和亞細胞顆粒中的酶和蛋白質是高強度超聲的一個*和有效的應用。因為可以顯著改進通過溶劑提取植物和種子體內的有機化合物。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，來自當前工藝中形成的未使用的副產物流。

脂質和蛋白質

• 超聲波通常用于改善從植物種子中提取的脂類和蛋白質，如大豆（如面粉或脫脂大豆）或其他油料種子。在這種情況下，細胞壁的破壞促進了壓榨（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生產能力，對大豆蛋白質進行親水化，當使用較厚的漿液時，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用，以降低細胞壁的性能，提高果汁的提取率。細胞壁基質的破壞也會釋放一些成分，比如酚類化合物進入果汁中。超聲波改善了提取過程，因此可以導致酚類化合物、生物堿和果汁產量的增加，通常是留在壓濾餅中。
• 超聲波處理對葡萄和漿果基質中酚類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）轉化為果汁。超聲波處理可以使越桔汁中酚類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用。今天，在短時間內提高溫度(巴氏滅菌法)仍然是微生物或酶在失活過程中蕞常見的處理方法，從而延長保存時間。由于高溫暴露，這種高溫殺菌常常對許多食品不利。由熱催化反應生成新物質以及大分子的改性，以及植物和動物結構的變形，都可能會使食品的質量降低。因此，熱處理可能導致感覺屬性，即質地、風味、顏色、氣味和營養品質（維生素和蛋白質）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生的熱量可導致超聲波處理的酶失活。在足夠低的超聲處理下，結構和代謝變化可以在細胞中發生而不會破壞。在大多數生的和未熟化的水果、蔬菜中發現與異味和褐變色素增加所相關的過氧化酶的活性，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量和貯藏壽命，在使用高溫和壓力(MTS)的同時使用超聲波處理，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、沙門氏菌、蛔蟲、Giargia、隱孢子蟲囊腫和脊髓灰質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。