Page 122 - 《应用声学》2021年第1期

118 2021 年 1 月

根据表 1 和图 5 可以观察到，超声电功率为 动子的功耗因素，较为合理的超声电功率为225 W，
75 W 的实验组在前 20 min 时间内，细胞破碎效果 处理时间为25 min。
不明显，破碎率不足 40%，相同的条件下，超声电功
率分别为 150 W、225 W、300 W 的实验组细胞破碎
率超过80%。说明75 W的超声电功率过低，超声振
动子在提取溶液中所产生的超声波强度低，声空化
效应微弱，所产生的空化泡数量少，空化泡破裂所产
(a) 0 min (b) 6 min
生的冲击波与剪切力，不能快速对刚毛藻细胞壁造
成损伤。超声电功率分别为 150 W、225 W、300 W
的实验组在超声处理 25 min时间内，随着处理时间
增加，刚毛藻细胞破碎率增长迅速，均达到 90%，但
增加的趋势到 25 min 以后比较平缓，实验组之间差 2 µm
(c) 12 min (d) 18 min
距不明显。原因是超声波强度增加到一定值，空化
图 6 不同处理时间的细胞形状
趋于饱和。通过生物显微镜观察到超声功率设置为
Fig. 6 Cell shape at different treatment times
225 W 的实验组在处理时间分别为 0 min、6 min、
12 min、18 min时刚毛藻细胞的形状如图6所示。可 4.2 振动子频率对细胞破碎率的影响
以观察到在未对细胞进行处理时，刚毛藻细胞排列 超声频率分别为 20 kHz、25 kHz、28 kHz 的实
整齐，细胞壁厚实，细胞内容物清晰可见。随着处理 验组的实验数据如表 2 所示。为了更为清晰直观地

时间的增加，刚毛藻细胞排列混乱，细胞内容物逐渐 观察到超声频率与刚毛藻破碎率的关系，绘制折线
减少，完整的刚毛藻细胞越来越少。考虑到超声振 图，如图7所示。

表 2 不同超声频率实验数据
Table 2 Experimental data of different ultrasonic frequencies
超声频率/kHz
20 25 28
工作时间/min 10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40
破碎率/% 41 57 68 74 65 85 95 97 70 90 97 98

100 的振动速度越大，对细胞壁的破坏更加剧烈。频

80 率增大到一定值时，破碎率随着纵振频率的增加
ᆡᆿဋ/% 60 而增加得比较缓慢。从实验结果来看，在相同实验
条件下，28 kHz 与 25 kHz 时的细胞破碎率相差不
40 大，并且随着超声频率的提高，产生空化效应的阈
20 kHz
25 kHz
20 28 kHz 值也就越高，产生空化效应所需电功率就越大。根
据超声辅助提取微藻油脂理论分析，相比于高频振
0 5 10 15 20 25 30 35 40 动产生的声冲流以及声辐射作用，更希望获得更好
௑ᫎ/min
的声空化效应。因此，纵振频率选为 25 kHz 较为
图 7 细胞破碎率与超声频率的关系
合适。
Fig. 7 Relationship between cell breakage rate
and ultrasonic frequency 4.3 工具头浸入溶液的深度对细胞破碎率的影响
由图 7 可以观察到，在相同的条件下，刚毛藻 工具头浸入溶液中不同深度与刚毛藻细胞破
细胞破碎率随着超声振动子的纵振频率的增大而 碎率的实验结果如表 3 所示，为了更为清晰直观地
增大，纵振频率为 20 kHz 时，细胞破碎效率较低。 观察到浸入深度与刚毛藻破碎率的关系，绘制折线
说明超声频率越高，所产生的声辐射力越大，引起 图，如图8所示。