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超聲波細(xì)胞破碎儀在植物細(xì)胞中的應(yīng)用
閱讀：4646 發(fā)布時間：2011-4-20天然植物藥用成分大多為細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物，提取時往往需要將細(xì)胞破碎，而現(xiàn)有的機械或化學(xué)破碎方法有時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。
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)點在其傳播空間內(nèi)進入振動狀態(tài)強化溶質(zhì)擴散、傳質(zhì)，即超聲波機械機制。超聲波在媒質(zhì)質(zhì)點傳播過程中其能量不斷被媒質(zhì)質(zhì)點吸收變成熱能，導(dǎo)致媒質(zhì)質(zhì)點溫度升高，即超聲波熱學(xué)機制。同時當(dāng)大能量的超聲波作用于提取介質(zhì)，在振動處于稀疏狀態(tài)時，介質(zhì)被撕裂成許多小空穴，這些小空穴瞬時即閉合，閉合時產(chǎn)生高達(dá)幾千大氣壓的瞬時壓力，即空化現(xiàn)象。
在超聲場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)外膜周圍，為超聲波作用提供了必要條件?？栈挟a(chǎn)生的極大壓力造成被破碎物細(xì)胞壁及整個生物體破裂，而且整個破裂過程在瞬間完成，同時超聲波產(chǎn)生的振動作用加強了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴散及溶解。超聲波破碎過程是一個物理過程，浸提過程中無化學(xué)反應(yīng)，被浸提的生物活性物質(zhì)在短時間內(nèi)保持不變，生物活性不減，同時提高了破碎速度，縮短了破碎時間，可極大地提高提取效率〔1〕。
超聲波作用時其效果不僅取決于超聲波的強度和頻率，而且與被破碎物的結(jié)構(gòu)功能有一定關(guān)系。計算表明：在水中當(dāng)超聲波輻射面上強度達(dá)3000 W/m2時就會產(chǎn)生空化，氣泡在瞬間就很快閉合，閉合時產(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程，通過改變反應(yīng)物的質(zhì)量傳輸機制，提高酶的活性、加速細(xì)胞新陳代謝過程〔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)過程無物料損失和副反應(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120 W超聲波作用使其相對結(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〕。
目前對超聲波用于從陸地植物中提取藥用有效成分亦進行了一些研究。應(yīng)用超聲從大黃中提取蒽醌類成分的研究表明：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對兩種方法提取產(chǎn)物進行分析，表明超聲處理對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)無影響〔6〕。在研究從黃連根莖中提取黃連素時，分別對超聲波處理時間、超聲波頻率及硫酸濃度等進行了考察。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 %），核磁共振波譜儀對提取產(chǎn)物研究說明超聲波對黃連素結(jié)構(gòu)無影響〔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家重點實驗室在承擔(dān)的國家“九.五”攻關(guān)重點項目“植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)青蒿素”中，采用超聲波強化石油醚提取青蒿素，使得提取率增加，提取時間大大縮短，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，表明雜質(zhì)含量亦較少。
2.2 海洋藻類植物：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)，提取過程中一般需要將細(xì)胞破碎。由于過程中有化學(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對鹽藻進行破碎，通過顯微鏡觀察記數(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)藻類物種的差異和進化地位。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)及機械破碎方法均不能從龍須藻中獲得理想的藻體時，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)囊體膜上振動下來〔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家重點實驗室承擔(dān)的海洋“八六三”青年基金項目“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程，并同時研究解決超聲波應(yīng)用中工程放大問題，以期擴大超聲波在海洋活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用。
3 結(jié)語
超聲波在陸地植物和海洋藻類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，并已逐步被人們所注意。目前雖然已進行了一些研究，但都是僅在實驗室的很小規(guī)模上，針對某些單個具體提取對象進行簡單的工藝條件實驗。
在超聲波用于植物天然成分提取時，應(yīng)對其作用機制進行深入研究，以便建立一套較為通用的模型，為不同提取對象操作條件提供依據(jù)。同時注重有關(guān)工程問題研究，解決超聲提取工程放大問題