化工儀器網(wǎng)
公司動(dòng)態(tài)
超聲波細(xì)胞破碎儀在植物細(xì)胞中的應(yīng)用
閱讀：4722 發(fā)布時(shí)間：2011-4-20天然植物藥用成分大多為細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物,，提取時(shí)往往需要將細(xì)胞破碎，而現(xiàn)有的機(jī)械或化學(xué)破碎方法有時(shí)難于取得理想的破碎效果,，超聲波在陸地及海洋植物藥用成分的提取中已顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì),。
1 超聲波作用基本原理
超聲波在媒質(zhì)中傳播可使媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在其傳播空間內(nèi)進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)強(qiáng)化溶質(zhì)擴(kuò)散、傳質(zhì),，即超聲波機(jī)械機(jī)制,。超聲波在媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)傳播過(guò)程中其能量不斷被媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)吸收變成熱能，導(dǎo)致媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)溫度升高,，即超聲波熱學(xué)機(jī)制,。同時(shí)當(dāng)大能量的超聲波作用于提取介質(zhì)，在振動(dòng)處于稀疏狀態(tài)時(shí),，介質(zhì)被撕裂成許多小空穴,，這些小空穴瞬時(shí)即閉合，閉合時(shí)產(chǎn)生高達(dá)幾千大氣壓的瞬時(shí)壓力,，即空化現(xiàn)象,。
在超聲場(chǎng)中由于被破碎物等所處的浸提介質(zhì)中含有大量的溶解氣體及微小的雜質(zhì)，它們包圍在被破碎物等的膠質(zhì)外膜周?chē)?，為超聲波作用提供了必要條件,。空化中產(chǎn)生的極大壓力造成被破碎物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體破裂,，而且整個(gè)破裂過(guò)程在瞬間完成,，同時(shí)超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)作用加強(qiáng)了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散及溶解,。超聲波破碎過(guò)程是一個(gè)物理過(guò)程,，浸提過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)，被浸提的生物活性物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)保持不變,，生物活性不減,，同時(shí)提高了破碎速度，縮短了破碎時(shí)間,，可極大地提高提取效率〔1〕,。
超聲波作用時(shí)其效果不僅取決于超聲波的強(qiáng)度和頻率，而且與被破碎物的結(jié)構(gòu)功能有一定關(guān)系,。計(jì)算表明：在水中當(dāng)超聲波輻射面上強(qiáng)度達(dá)3000 W/m2時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空化,，氣泡在瞬間就很快閉合，閉合時(shí)產(chǎn)生的壓力脈沖形成瞬間的球形沖擊波,，從而導(dǎo)致被破碎生物體及細(xì)胞的*破裂,。從理論上確定被破碎物所處介質(zhì)中氣泡大小后即可選擇適宜的超聲波頻率〔2〕。由于提取介質(zhì)中氣泡尺寸不是單一的,，而是存在一個(gè)分布范圍,，所以超聲波頻率應(yīng)有一定范圍的變化，即有一個(gè)帶寬,。
2 超聲波在植物提取中的應(yīng)用
2.1 陸地植物：超聲波應(yīng)用于生物技術(shù)是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域,。研究表明，超聲波作用可激活某些酶與細(xì)胞參與的生理生化過(guò)程,，通過(guò)改變反應(yīng)物的質(zhì)量傳輸機(jī)制,，提高酶的活性、加速細(xì)胞新陳代謝過(guò)程〔3〕,。超聲波用于淀粉的降解,，可顯著增加淀粉在水中的溶解度而保留明顯的淀粉特征，但超聲波多次處理后酶活性有所降低,；超聲波用于降解殼多糖速度快,、成本低、氨基酸含量不變,；超聲波用于提取真菌多糖,，如蟲(chóng)草多糖,、香菇多糖、猴頭多糖等,，超聲波酶法與傳統(tǒng)工藝比較提取率高,、反應(yīng)過(guò)程無(wú)物料損失和副反應(yīng)；此外超聲波還用于降解提取多種葡聚糖等〔4〕,。靈芝多糖是一種實(shí)體木質(zhì)化的真菌多糖,，細(xì)胞壁有蛋白質(zhì)、幾丁質(zhì),、纖維素及木質(zhì)素等,，其結(jié)構(gòu)緊密，一般的處理方法難于將細(xì)胞壁破壞,，有效成分提取困難,。通過(guò)120 W超聲波作用使其相對(duì)結(jié)晶度從23.4降低到0，比表面積增加85.5%,，水解速度顯著增加〔5〕,。
目前對(duì)超聲波用于從陸地植物中提取藥用有效成分亦進(jìn)行了一些研究。應(yīng)用超聲從大黃中提取蒽醌類(lèi)成分的研究表明：超聲處理10 min,，總提取率可達(dá)95.25 %,，而煎煮3 h，總提取率僅為63.27 %,；超聲提取20 min,，提取率可達(dá)99.82%；用紙層析及HPLC對(duì)兩種方法提取產(chǎn)物進(jìn)行分析,，表明超聲處理對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)無(wú)影響〔6〕,。在研究從黃連根莖中提取黃連素時(shí)，分別對(duì)超聲波處理時(shí)間,、超聲波頻率及硫酸濃度等進(jìn)行了考察,。結(jié)果表明用20 kHz超聲波提取30 min與浸泡24 h提取率相同（8.12 %），核磁共振波譜儀對(duì)提取產(chǎn)物研究說(shuō)明超聲波對(duì)黃連素結(jié)構(gòu)無(wú)影響〔7〕,。用不同頻率的超聲波從槐米中提取蕓香苷與熱堿提取—酸沉淀比較,，超聲法無(wú)需加熱，只需用頻率20 kHz的超聲波處理30 min,，提取率就可提高47.6 %〔8〕,。超聲波用于從黃連中提取小檗堿的常規(guī)堿性浸泡工藝中，超聲提取30 min所得到的小檗堿提取率比堿性浸泡24 h高50 %以上〔9〕,。中科院化冶所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在承擔(dān)的國(guó)家“九.五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目“植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)青蒿素”中,，采用超聲波強(qiáng)化石油醚提取青蒿素，使得提取率增加,，提取時(shí)間大大縮短,，降低了溶劑消耗,，而且提取產(chǎn)物經(jīng)紫外分光光度法和HPLC法檢驗(yàn)，表明雜質(zhì)含量亦較少,。
2.2 海洋藻類(lèi)植物：鹽藻含有豐富的β-胡蘿卜素,。從鹽中提取β-胡蘿卜素的首要條件是將鹽藻破碎，使β-胡蘿卜素能夠快速,、地進(jìn)入水溶液等提取介質(zhì)。由于被提取物多為胞內(nèi)物質(zhì),，提取過(guò)程中一般需要將細(xì)胞破碎,。由于過(guò)程中有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，采用化學(xué)破碎方法容易造成被提取物結(jié)構(gòu)性質(zhì)等變化而失去活性,，用機(jī)械破碎又難于將細(xì)胞有效破碎,。路德明等〔10〕在20℃條件下，分別采用超聲波為30 kHz,、150 V,，46 kHz、105 V,，4.64 kHz,、107 V,48.2 kHz、109 V對(duì)鹽藻進(jìn)行破碎,，通過(guò)顯微鏡觀察記數(shù)得到鹽藻的*破碎率可達(dá)87%,。藻膽體是某些藻類(lèi)的捕光色素，藻膽體的光譜性質(zhì)不僅反應(yīng)了其組成和結(jié)構(gòu)特征,，而且還可以反應(yīng)藻類(lèi)物種的差異和進(jìn)化地位,。研究藻膽體的光譜性質(zhì)必須得到完整的藻膽體。在采用化學(xué)及機(jī)械破碎方法均不能從龍須藻中獲得理想的藻體時(shí),，采用頻率為20～50 kHz,，電壓為60 V超聲波處理10 min就得到了完整的藻膽體。超聲波作用的目的是將龍須菜細(xì)胞打破,，露出內(nèi)囊體,，然后將藻膽體從內(nèi)囊體膜上振動(dòng)下來(lái)〔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國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的海洋“八六三”青年基金項(xiàng)目“海藻多糖的超聲浸提及凝聚相萃取分離方法研究”，正在研究超聲波用于海藻多糖的破碎浸提過(guò)程,，并同時(shí)研究解決超聲波應(yīng)用中工程放大問(wèn)題,，以期擴(kuò)大超聲波在海洋活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用。
3 結(jié)語(yǔ)
超聲波在陸地植物和海洋藻類(lèi)植物天然成分提取中的應(yīng)用已經(jīng)顯示出明顯的優(yōu)勢(shì),，并已逐步被人們所注意,。目前雖然已進(jìn)行了一些研究,，但都是僅在實(shí)驗(yàn)室的很小規(guī)模上，針對(duì)某些單個(gè)具體提取對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)單的工藝條件實(shí)驗(yàn),。
在超聲波用于植物天然成分提取時(shí),，應(yīng)對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行深入研究，以便建立一套較為通用的模型,，為不同提取對(duì)象操作條件提供依據(jù),。同時(shí)注重有關(guān)工程問(wèn)題研究，解決超聲提取工程放大問(wèn)題