專利名稱：掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置、方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)產(chǎn)品精深加工領(lǐng)域，尤其涉及一種掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物
加工裝置及其在農(nóng)產(chǎn)品精深加工領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
通常把頻率為20kHz 10MHz的波叫做超聲波，是一種在媒質(zhì)中傳播的彈性機械
波，超聲波技術(shù)作為一種物理手段和工具，能夠在化學(xué)反應(yīng)常用的介質(zhì)中產(chǎn)生一系列接近
于極端的條件，如產(chǎn)生局部的和瞬間的高溫、高壓等，這種能量不僅能夠激發(fā)或促進化學(xué)反
應(yīng)、加快化學(xué)反應(yīng)速度，甚至還可以改變某些化學(xué)反應(yīng)的方向。近年來在天然產(chǎn)物有效成分
的提取分離、生物活性肽的制備、多糖降聚等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。 大量的研究表明，超聲波促進化學(xué)反應(yīng)與聲空化效用、機械效應(yīng)和熱效應(yīng)有關(guān)。聲
空化效用是指當(dāng)一定強度的超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時，存在于液體中的微小氣泡，在超
聲場的作用下被激活，表現(xiàn)為泡核的形成、振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學(xué)過程，
及其引發(fā)的物理和化學(xué)效應(yīng)。 胡愛軍等("多頻超聲輻照的聲化學(xué)產(chǎn)額研究進展"，《聲學(xué)技術(shù)》22巻1期(2003)， 62頁)描述在20kHz 60kHz之間這樣的頻率范圍內(nèi)，超聲頻率增高，超聲化學(xué)反應(yīng)動力增 強，超聲化學(xué)產(chǎn)額隨之增加；雙頻或者多頻的復(fù)合超聲輻射產(chǎn)生的聲化學(xué)產(chǎn)額遠大于兩個 單頻分別輻射的聲化學(xué)產(chǎn)額之和，能顯著促進化學(xué)反應(yīng)、加快化學(xué)反應(yīng)速度。研究還發(fā)現(xiàn)選 用間歇式發(fā)射超聲波的方式，可以強化超聲的處理效果。當(dāng)超聲發(fā)射器處于工作狀態(tài)，生物 細胞受到強烈的超聲振動；當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，物系均化、細胞松弛。間歇式的受力加強了對 細胞的破壞作用、有利于傳質(zhì)過程的進行，也有助于促進化學(xué)反應(yīng)、加快化學(xué)反應(yīng)速度。
中國發(fā)明專利"三頻超聲提取裝置及其使用方法"(ZL200610124003. 1)采用三 種頻率超聲同時工作，確實證實其對中草藥有效成分的提取效率明顯高于單頻的超聲提取 設(shè)備。該專利使用了探頭式超聲波發(fā)生器，這種發(fā)生器的不足之處在于僅適合于實驗室中 需要超聲強度大的、處理量少的提取物料；探頭表面會受到空化腐蝕，會降低超聲波的發(fā)生 效率，空化腐蝕物會掉入容積中，會污染提取物溶液；存在超聲場在液體中分布不均勻的問 題。 為了克服單頻和復(fù)頻存在的不足，張書策設(shè)計了一種掃頻式超聲波發(fā)生裝置(掃
頻范圍28 73kHz)，用于對苧麻纖維脫膠效果的研究(山東紡織科技，2006年第3期)，這
里所說的"掃頻"指在規(guī)定時間內(nèi)對某一較大的頻率段內(nèi)執(zhí)行一次掃頻操作，即在規(guī)定時間
內(nèi)發(fā)出不同頻率的連續(xù)超聲。該文定義的"掃頻式"超聲波由于頻率范圍覆蓋面大，目的是
使大部分的空化核在較短的時間內(nèi)達到最佳的空化效果，因而可以同時對不同大小縫隙中
的膠雜質(zhì)起到去除作用，大大縮短了超聲波脫膠時間，提高了脫膠效果。 目前的超聲波處理裝置盡管使用了多頻復(fù)合或(和)間歇式工作方式，但多數(shù)使
用的是固定頻率。對于一個復(fù)雜的生物加工系統(tǒng)，固定的超聲頻率難以激發(fā)處理系統(tǒng)產(chǎn)生
與其自身固有頻率相匹配的共振頻率，不能充分發(fā)揮超聲波應(yīng)有的作用效果。目前的"掃頻式"超聲波從原理上講，也只是震動的頻譜更寬、作用的對象更多而已，達不到最大程度地 達到共振的效果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有超聲波發(fā)生裝置中的不足，開發(fā)一種掃頻工作 模式的多頻組合、脈沖式超聲發(fā)生、關(guān)鍵參數(shù)實時監(jiān)測與控制的新一代多功能超聲波生物 加工裝置，可應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的超聲輔助提取、生物大分子的超聲輔助酶解與改 性處理，以及對農(nóng)藥殘留的超聲降解等。 本發(fā)明設(shè)計的"掃頻式"超聲波是指超聲波在一個較窄的范圍內(nèi)以一定的掃頻周 期圍繞中心頻率上下波動(如說明書附圖1所示)，用a± S kHz表示(a為中心頻率，S上 下變化幅度)。在一個掃頻周期中，超聲波的頻率以一定的速率從a- S kHz增至a+ S kHz, 再以相同的速率從a+ S kHz降至a- S kHz,是一種等腰三角形的掃頻模式。不管是上掃，還 是下掃，當(dāng)超聲波通過中心頻率a時均會對作用體系產(chǎn)生一個輸出能量的峰值，這樣將產(chǎn)
生一個兩倍于掃頻周期的間歇式作用能量脈沖，當(dāng)超聲作用對象的諧振頻率等于或者接近 于掃頻周期2倍時，系統(tǒng)將會產(chǎn)生大振幅的振動，引起作用對象產(chǎn)生強烈的振動。在工作中
需要根據(jù)超聲作用對象的不同，尋求最佳的掃頻周期，目的是使系統(tǒng)以最小的功率輸入實 現(xiàn)最大的超聲振蕩。本發(fā)明對掃頻周期的改變通過如下兩種方式來實現(xiàn)固定掃描速度改 變頻率變化幅度S的大小、固定S值改變掃描速度。本發(fā)明設(shè)計的掃頻式超聲波有利于 激發(fā)處理系統(tǒng)產(chǎn)生與其自身諧振頻率相匹配的共振頻率，充分發(fā)揮了超聲波作用的效果， 克服了固定超聲頻率在該方面存在的缺陷。本發(fā)明另外還包含一種從高頻向低頻和一種從 低頻向高頻，進行直角三角形單調(diào)掃描的掃頻模式(如圖2和圖3)。 本發(fā)明設(shè)計的兩個不同中心頻率的超聲波組合對振，通過束波的疊加產(chǎn)生拍頻作 用，有幅度疊加的效果(如說明書附圖4所示)。這樣不但會提高聲強，而且還可以避免駐 波的產(chǎn)生，也有助于促進化學(xué)反應(yīng)、加快化學(xué)反應(yīng)速度。 本發(fā)明設(shè)計的脈沖式超聲發(fā)生模式不僅有利于增強對生物細胞的破壞作用，也有 利于減少溫度的升高和節(jié)約系統(tǒng)的能量消耗，可以使超聲波處理裝置避免處于長時間的工 作狀態(tài)中，影響超聲波發(fā)生器的壽命。 主要參數(shù)的動態(tài)跟蹤、監(jiān)測、調(diào)整與控制，可以根據(jù)系統(tǒng)的工作狀況實時精確調(diào)整
工作參數(shù)，保證最佳工作效率。 本發(fā)明的技術(shù)方案 掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置由超聲波處理系統(tǒng)、超聲波發(fā)生系統(tǒng) 和計算機控制系統(tǒng)組成，這三部分由線纜依次連接而成。 所述的超聲波處理系統(tǒng)由上超聲波換能器即上振板、下超聲波換能器即下振板， 超聲波處理箱體，循環(huán)泵，循環(huán)閥門，出料閥門，水浴導(dǎo)熱水，電熱管，換能器高度調(diào)整螺桿 組成。其中超聲波處理箱體中裝設(shè)電熱管，可以滿足超聲處理液不同溫度設(shè)定；下振板位于 超聲波處理箱體的底部，上振板和下振板上下對稱放置，上振板通過換能器高度調(diào)整螺桿 進行固定，且進行上下對振時，上下振板之間的距離通過換能器高度調(diào)整螺桿進行調(diào)整，循 環(huán)泵位于超聲波處理箱體的外部，通過輸送管道和閥門與超聲波處理箱體的內(nèi)部連接在一 起，在超聲波處理箱體的右下角設(shè)置出液口 ，從箱體的左上角設(shè)置進液口 ，超聲波處理箱體3的右下角部分裝有循環(huán)閥門和出料閥門。 其中所述的超聲波換能器(上振板)和下超聲波換能器(下振板)，其中心頻率為 24kHz 68kHz，上下變化的幅度S為0 5kHz ;進行上下對振時，上振板和下振板的中心 頻率不同； 循環(huán)泵位于超聲波處理箱體的外部，通過輸送管道和閥門與超聲波處理槽體內(nèi)部 連接在一起，在超聲波處理箱體的右下角設(shè)置出液口 ，從箱體的左上角設(shè)置進液口 ，從超聲 波處理槽體的右下角出液，從槽體的左上角返回。超聲波處理槽體的右下角部分裝有循環(huán) 閥門和出料閥門，當(dāng)工作完畢后，關(guān)閉循環(huán)閥門，打開出料閥門，放出物料溶液。循環(huán)泵用于 實現(xiàn)被處理物料溶液的循環(huán)流動，強化對流傳質(zhì)，提高超聲處理效果。 所述的超聲波發(fā)生系統(tǒng)就是超聲波發(fā)生器組，超聲波發(fā)生器組由一組不同頻率超 聲波發(fā)生器組成，每個頻率的超聲波發(fā)生器與其相應(yīng)的超聲波換能器相對應(yīng)，用于控制超 生波換能器按照所設(shè)定的功率、掃頻周期、掃頻幅寬(± SkHz)、脈沖超聲的超聲時間和間 歇時間、整個超聲處理時間發(fā)出超聲波；當(dāng)進行掃頻參數(shù)設(shè)定時，以S 二2kHz為例，頻率變 化幅度(S )可以在0 2kHz之間任意設(shè)定；掃頻周期(即完成一次頻率從a- S kHz增至 a+ S kHz,再從a+ S kHz降至a- S kHz所需的時間)可以在1ms 1000ms之間任意變化。當(dāng) S =0時，則為普通的固定頻率工作模式。脈沖式超聲工作模式主要設(shè)定參數(shù)包括超聲時 間和間歇時間，超聲時間和間歇時間均可以在1 1000s之間調(diào)整。 所述的計算機控制系統(tǒng)由超聲波控制儀，溫度控制儀和計算機組成；由線纜連接 在一起；計算機通過超聲波控制儀控制每個特定中心頻率(a kHz)超聲波發(fā)生器的功率、 掃頻周期、掃頻幅寬(± SkHz)、脈沖超聲的超聲時間和間歇時間、整個超聲處理時間。計算 機通過溫度控制儀控制超聲波處理槽體的水浴溫度?？梢酝ㄟ^計算機對上述所有參數(shù)進行 設(shè)定。 基于上述掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置的方法 可以根據(jù)實際生產(chǎn)中生產(chǎn)規(guī)模以及處理物料的量的不同選擇上下振板的對數(shù)，上 下四塊振板的組合可以實現(xiàn)以下工作方式 (1)單頻掃頻模式即箱底放置頻率相同的兩塊下振板，注入一定深度的物料溶 液，進行掃頻超聲處理； (2)多頻掃頻模式即箱底放置頻率不同的兩塊及以上下振板，注入一定深度的 物料溶液，進行雙頻及多頻掃頻超聲處理； (3)雙頻對振掃頻模式即箱底放置頻率相同的兩塊下振板，注入一定深度的物 料溶液，在緊貼溶液表面放置頻率相同的兩塊上振板，上振板頻率不同于下振板，進行雙頻 對振掃頻超聲處理。 其中所述可供選擇的中心頻率(a)為24kHz 68kHz ，上下變化的幅度(S )為0 5kHz ;當(dāng)進行掃頻參數(shù)設(shè)定時，頻率變化幅度(S )可以在0 5kHz之間任意設(shè)定；掃頻周 期即完成一次頻率從a- S kHz增至a+ S kHz,再從a+ S kHz降至a_ S kHz所需的時間可以在 lms 1000ms之間任意變化；當(dāng)S = 0時，則為普通的固定頻率工作模式；脈沖式超聲工 作模式主要設(shè)定參數(shù)包括超聲時間和間歇時間，超聲時間和間歇時間均可以在1 1000s 之間調(diào)整。 本發(fā)明的掃頻模式脈沖多頻超聲波生物加工裝置的應(yīng)用領(lǐng)域包括天然產(chǎn)物有效
6成分的超聲輔助提取、生物大分子的超聲輔助酶解等，所述的生物大分子的超聲輔助酶解 包括對原料的預(yù)處理、對水解酶的預(yù)處理和在超聲波場中進行酶解反應(yīng)。在天然產(chǎn)物有效 成分的提取中，掃頻模式脈沖多頻超聲波可以在最小輸入功率的情況實現(xiàn)對有效成分最大 程度的提取效率。關(guān)于生物大分子的超聲輔助酶解，在對原料的預(yù)處理中，超聲波通過改善 原料的溶解性和對原料結(jié)構(gòu)的影響，提高后續(xù)的酶解效率；在對水解酶的預(yù)處理中，合適的 超聲波可顯著改善酶的活性；在超聲場中進行酶解，有利于加速酶與生物大分子的接觸機 會，改善酶解過程的反應(yīng)動力學(xué)特性，提高反應(yīng)效率。 本發(fā)明掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置的工作過程如下在處理槽底部 放入下振板2，向槽體3注入混勻的物料溶液到一定深度后；按照設(shè)定的工作方案，當(dāng)需要 時，緊貼物料溶液的液面著放置上振板l，通過上振板高度調(diào)整螺桿15調(diào)整上振板1與下 振板2之間的距離；通過計算機設(shè)定超聲波發(fā)生器的功率、掃頻周期、掃頻幅寬(± SkHz)、 脈沖超聲的超聲時間和停歇時間、整個超聲處理時間、水浴的溫度、循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速；開啟電 熱管6，通過水浴對物料溶液進行加熱；加熱至設(shè)定的工作溫度后，打開循環(huán)閥門7和開啟 循環(huán)泵4進行液體循環(huán)，開啟超聲波發(fā)生器開始進行超聲處理。工作結(jié)束后，關(guān)閉循環(huán)閥門 7，打開出料閥門8，放出物料溶液。 該設(shè)備在農(nóng)產(chǎn)品精深加工發(fā)明的應(yīng)用研究表明，應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取 時，與目前同類技術(shù)比較，提取效率提高10-90% ;應(yīng)用于蛋白酶解制備多肽時，與目前同類 技術(shù)比較，酶解效率提高25-65 % 。
圖1為掃頻模式的超聲頻率變化曲線(掃頻波形呈等腰三角形)；
圖2為掃頻模式的超聲頻率變化曲線(掃頻波形呈單調(diào)下降)，
圖3為掃頻模式的超聲頻率變化曲線(掃頻波形呈單調(diào)上升)，
圖4為雙頻組合對振的超聲頻率變化曲線， 圖5為掃頻模式脈沖多頻超聲波生物加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-上超聲波換 能器(上振板)，2-下超聲波換能器(下振板)，3-超聲波處理箱體，4-循環(huán)泵，5-水浴導(dǎo)熱 水，6_電熱管，7-循環(huán)閥門，8-出料閥門，9、14-線纜，10_超聲波控制儀、ll-溫度控制儀， 12-計算機，13-超聲波發(fā)生器組，15-換能器高度調(diào)整螺桿。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述，但本發(fā)明中描述的實施 方式僅用于解釋本發(fā)明，而不限制本裝置的應(yīng)用。 掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置由超聲波處理系統(tǒng)、超聲波發(fā)生系統(tǒng) 和計算機控制系統(tǒng)組成，這三部分由線纜依次連接而成。如說明書附圖5所示的超聲波處 理系統(tǒng)由上超聲波換能器即上振板1、下超聲波換能器即下振板2，超聲波處理箱體3，循環(huán) 泵4，循環(huán)閥門7，出料閥門8，水浴導(dǎo)熱水5，電熱管6，換能器高度調(diào)整螺桿15組成。其中 超聲波處理箱體3中裝設(shè)電熱管6，可以滿足超聲處理液不同溫度設(shè)定；下振板2位于超聲 波處理箱體3的底部，上振板和下振板上下對稱放置，上振板1通過換能器高度調(diào)整螺桿15 進行固定，當(dāng)進行上下對振時，上下振板之間的距離可以通過換能器高度調(diào)整螺桿15進行調(diào)整，滿足不同高度裝液量的需要； 其中所述的超聲波換能器(上振板)l和下超聲波換能器(下振板)2，其中心頻率 為24kHz 68kHz，上下變化的幅度(S )為0 5kHz ;進行上下對振時，上振板和下振板的 中心頻率不同； 可以根據(jù)實際生產(chǎn)中生產(chǎn)規(guī)模以及處理物料的量的不同選擇上下振板的對數(shù)，上 下四塊振板的組合可以實現(xiàn)以下工作方式 (1)單頻掃頻模式即箱底放置頻率相同的兩塊下振板，注入一定深度的物料溶 液，進行掃頻超聲處理； (2)多頻掃頻模式即箱底放置頻率不同的兩塊及以上下振板，注入一定深度的 物料溶液，進行雙頻及多頻掃頻超聲處理； (3)雙頻對振掃頻模式即箱底放置頻率相同的兩塊下振板，注入一定深度的物 料溶液，在緊貼溶液表面放置頻率相同的兩塊上振板，上振板頻率不同于下振板，進行雙頻 對振掃頻超聲處理。 其中所述可供選擇的中心頻率(a)為24kHz 68kHz，上下變化的幅度(S )為0 5kHz ;當(dāng)進行掃頻參數(shù)設(shè)定時，頻率變化幅度(S )可以在0 5kHz之間任意設(shè)定；掃頻周 期即完成一次頻率從a- S欣2增至￡1+ S欣2，再從￡1+ S kHz降至a- S kHz所需的時間可以在 lms 1000ms之間任意變化；當(dāng)S = 0時，則為普通的固定頻率工作模式；脈沖式超聲工 作模式主要設(shè)定參數(shù)包括超聲時間和間歇時間，超聲時間和間歇時間均可以在1 1000s 之間調(diào)整。 循環(huán)泵4位于超聲波處理箱體3的外部，通過輸送管道和閥門與超聲波處理槽體 內(nèi)部連接在一起，從超聲波處理槽體3的右下角出液，從槽體3的左上角返回。超聲波處理 箱體3的右下角部分裝有循環(huán)閥門7和出料閥門8，當(dāng)工作完畢后，關(guān)閉循環(huán)閥門7，打開出 料閥門8，放出物料溶液。循環(huán)泵4用于實現(xiàn)被處理物料溶液的循環(huán)流動，強化對流傳質(zhì)，提 高超聲處理效果。 所述的超聲波發(fā)生系統(tǒng)就是超聲波發(fā)生器組13，超聲波發(fā)生器組13由一組不同 頻率超聲波發(fā)生器組成，每個頻率的超聲波發(fā)生器與其相應(yīng)的超聲波換能器相對應(yīng)，用于 控制超生波換能器按照所設(shè)定的功率、掃頻周期、掃頻幅寬(± SkHz)、脈沖超聲的超聲時 間和間歇時間、整個超聲處理時間發(fā)出超聲波；當(dāng)進行掃頻參數(shù)設(shè)定時，以S 二2kHz為例， 頻率變化幅度(S)可以在0 2kHz之間任意設(shè)定；掃頻周期(即完成一次頻率從a-SkHz 增至a+ S kHz,再從a+ S kHz降至a- S kHz所需的時間)可以在1ms 1000ms之間任意變 化。當(dāng)S =0時，則為普通的固定頻率工作模式。脈沖式超聲工作模式主要設(shè)定參數(shù)包括 超聲時間和間歇時間，超聲時間和間歇時間均可以在1 1000s之間調(diào)整。
計算機控制系統(tǒng)由超聲波控制儀IO，溫度控制儀11和計算機12組成。由線纜連 接在一起；計算機12通過超聲波控制儀10控制每個特定中心頻率(a kHz)超聲波發(fā)生器 的功率、掃頻周期、掃頻幅寬(± SkHz)、脈沖超聲的超聲時間和間歇時間、整個超聲處理時 間。計算機12溫度通過控制儀14控制超聲波處理槽體3的水浴溫度?？梢酝ㄟ^計算機12
對上述所有參數(shù)進行設(shè)定。
實施例1 本發(fā)明在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用——條斑紫菜蛋白的超聲輔助提取。將lkg干紫菜(含蛋白41.3%)粉碎至60目后和40L水混勻后加入超聲波處理槽。在處理 槽底放入兩只頻率為28kHz的換能器，在緊貼液面上方放置兩只20kHz的換能器(相距約 20cm)。通過計算機設(shè)定每只換能器的輸入功率為600W(4只總功率2400W)、掃頻周期為 20ms、掃頻幅寬為士2kHz、脈沖超聲的超聲時間100s、停歇時間3s、循環(huán)泵的流量5L/min、 提取液初始溫度為45°C 。超聲輔助提取80min后停止超聲。提取液3000r/min離心10min， 取上清液測定其中蛋白含量，計算得到蛋白的提取率為90.2%。 對照試驗對照試驗包括無超聲的常規(guī)提取和無掃頻的定頻超聲輔助提取。無超 聲的常規(guī)提取其它參數(shù)與上述相同；無掃頻的定頻超聲輔助提取是指將掃頻幅寬整體為 士OkHz，其它參數(shù)與上述相同。常規(guī)提取和定頻超聲輔助提取的蛋白提取率分別為78. 1% 和81.3%。掃頻式多頻脈沖超聲提取比常規(guī)提取和定頻超聲輔助提取的蛋白提取率分別增 加了 15. 5%和10. 9%。
實施例2 本發(fā)明在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用——油菜籽蛋白的超聲輔助提取。將 1.8kg油菜籽餅粕粗蛋白(含蛋白48%)粉碎至90目后和30L水混勻后加入超聲波處理 槽，調(diào)整pH至9. 8。在處理槽底放入兩只頻率為28kHz的換能器，在緊貼液面上方放置兩只 24kHz的換能器(相距約15cm)。通過計算機設(shè)定每只換能器的輸入功率為600W(4只總功 率2400W)、掃頻周期為18ms、掃頻幅寬為士2kHz、脈沖超聲的超聲時間50s、停歇時間5s、循 環(huán)泵的流量16L/min、提取液初始溫度為3(TC。超聲輔助提取30min后停止超聲。提取液 3200r/min離心10min，取上清液測定其中蛋白含量，計算得到蛋白的提取率為24. 2%。
對照試驗對照試驗包括無超聲的常規(guī)提取和無掃頻的定頻超聲輔助提取。無超 聲的常規(guī)提取其它參數(shù)與上述相同；無掃頻的定頻超聲輔助提取是指將掃頻幅寬整體為 士OkHz，其它參數(shù)與上述相同。常規(guī)提取和定頻超聲輔助提取的蛋白提取率分別為12.8% 和19. 8%。掃頻式多頻脈沖超聲提取比常規(guī)提取和定頻超聲輔助提取的蛋白提取率分別增 加了 89. 1%和22. 2%。
實施例3 本發(fā)明在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用——米糠蛋白與多糖的超聲輔助同步 提取。將200g脫脂米糠和20L水混勻后加入超聲波處理槽。在處理槽底放入兩只頻率 為24kHz和64kHz的換能器。通過計算機設(shè)定每只換能器的輸入功率為600W、掃頻周期為 36ms、掃頻幅寬為士2kHz、脈沖超聲的超聲時間200s、停歇時間5s、循環(huán)泵的流量2L/min、 提取液初始溫度為45°C 。超聲輔助提取80min后停止超聲。提取液3000r/min離心10min， 取上清液測定其中蛋白含量，計算得到蛋白與多糖的總提取率為86.2%。
對照試驗對照試驗包括無超聲的常規(guī)提取和無掃頻的定頻超聲輔助提取。無超 聲的常規(guī)提取其它參數(shù)與上述相同；無掃頻的定頻超聲輔助提取是指將掃頻幅寬整體為 士OkHz，其它參數(shù)與上述相同。常規(guī)提取和定頻超聲輔助提取的蛋白與多糖的總提取率分 別為62. 1%和71. 3%。掃頻式多頻脈沖超聲提取比常規(guī)提取和定頻超聲輔助提取的蛋白 提取率分別增加了 38. 8%和20. 9%。
實施例4 本發(fā)明在麥胚血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)抑制肽酶法制備中的應(yīng)用——對原料的 預(yù)處理。稱取麥胚蛋白300g，和30L水混勻后加入超聲波處理槽。在處理槽底放入頻率為68kHz的換能器兩只，在緊貼液面上方放置24kHz的換能器兩只。通過計算機設(shè)定每只換 能器的輸入功率為600W(4只總功率2400W)、掃頻周期為170ms、掃頻幅寬為士2kHz、脈沖 超聲的超聲時間200s、停歇時間4s、循環(huán)泵的流量5L/min、料液初始溫度為35°C。預(yù)處理 20min后停止超聲，放出料液，按照3500U/g的加酶量(E/S)加入堿性蛋白酶，調(diào)節(jié)pH8. 0， 在5(TC下酶解90min，酶解過程中維持溫度和pH不變，酶解后煮沸滅酶，酶解液3500r/min 離心10min，上清液經(jīng)過冷凍干燥后得到麥胚蛋白水解肽粉，測定其對血管緊張素轉(zhuǎn)換酶 (ACE)的抑制效果IC5。值為0. 35mg/mL，這里的IC5。值是指使ACE活性產(chǎn)生50%抑制率所 需要的多肽濃度。 對照試驗對照試驗包括無超聲預(yù)處理和無掃頻的定頻超聲預(yù)處理。定頻模式是 指設(shè)定掃頻幅寬為士OkHz。無超聲預(yù)處理和定頻超聲預(yù)處理得到的酶解產(chǎn)物對ACE抑制 IC5。值分別為0. 42mg/mL和0. 39mg/mL，說明本發(fā)明的掃頻式多頻脈沖超聲預(yù)處理得到的酶 解產(chǎn)物對ACE抑制ICs。值比無超聲預(yù)處理和定頻超聲預(yù)處理分別提高了 20. 0%和11. 4%。
實施例5 本發(fā)明在麥胚ACE抑制肽酶法制備中的應(yīng)用——對蛋白酶的預(yù)處理。蛋白酶 Alcalase用最適pH緩沖液稀釋至3000倍，配成0. 033%酶溶液，置于冰浴中備用。在超聲 處理槽底放入兩塊中心頻率為24kHz的換能器，量取15L的酶溶液注入處理槽中。通過計 算機設(shè)定每只換能器的輸入功率為300W、掃頻周期為18ms、掃頻幅寬為士2kHz、脈沖超聲 的超聲時間500s、停歇時間5s、循環(huán)泵的流量2L/min、酶液初始溫度35°C。分別在掃頻模 式和定頻模式下超聲處理30min后停止超聲，測定蛋白酶Alcalase的活性。定頻模式是指 設(shè)定掃頻幅寬為士OkHz。掃頻模式超聲預(yù)處理使得Alcalase活力比初始值提高了9.6X、 定頻模式超聲預(yù)處理使得Alcalase活力比初始值提高了 7. 1%。
實施例6 本發(fā)明在麥胚ACE抑制肽酶法制備中的應(yīng)用——在超聲場下進行酶解。在超聲處 理槽底放入兩塊中心頻率為24kHz的換能器，分別量取濃度為12和24g/L麥胚蛋白水溶液 15L注入處理槽。通過計算機設(shè)定每只換能器的輸入功率為600W、掃頻周期為18ms、掃頻 幅寬為士2kHz、脈沖超聲的超聲時間500s、停歇時間5s、循環(huán)泵的流量2L/min、酶解液初始 溫度5(TC。用lmol/L NaOH將酶解液pH值調(diào)至8.0，按照3500U/g的加酶量(E/S)加入蛋 白酶Alcalase。當(dāng)加熱酶解液溫度到50°C時，開啟超聲發(fā)生器，開始進行掃頻和定頻兩種 模式的超聲輔助酶解。定頻模式是指設(shè)定掃頻幅寬為士OkHz。整個酶解過程用標定好的 NaOH(O. 539mol/L)維持pH 8. O左右。酶解90min后終止反應(yīng)，煮沸滅酶，酶解液3500r/min 離心10min，取上清液測定水解產(chǎn)物的ACE抑制活性和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率。
以傳統(tǒng)的無超聲場酶解為對照，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?2和24g/L時，掃頻超聲輔助酶解 使得酶解產(chǎn)物ACE抑制活性分別比對照組提高了 41. 2%和35. 6%，定頻超聲輔助酶解使得 酶解產(chǎn)物ACE抑制活性分別比對照組提高了 24. 0%和19. 6% ;當(dāng)?shù)孜餄舛葹?4g/L時，掃 頻超聲輔助酶解使得麥胚蛋白的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率比對照組提高了 35. 5%，定頻超聲輔助酶解使 得麥胚蛋白的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率比對照組提高了 30. 1%。
10
權(quán)利要求
掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置，由超聲波處理系統(tǒng)、超聲波發(fā)生系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成，這三部分由線纜依次連接而成，其特征在于所述的超聲波處理系統(tǒng)由上超聲波換能器即上振板(1)、下超聲波換能器即下振板(2)，超聲波處理箱體(3)，循環(huán)泵(4)，循環(huán)閥門(7)，出料閥門(8)，水浴導(dǎo)熱水(5)，電熱管(6)，換能器高度調(diào)整螺桿(15)組成；其中超聲波處理箱體(3)中裝設(shè)電熱管(6)，下振板(2)位于超聲波處理箱體(3)的底部，上振板(1)和下振板(2)上下對稱放置，上振板(1)通過換能器高度調(diào)整螺桿(15)進行固定，且進行上下對振時，上下振板(1、2)之間的距離通過換能器高度調(diào)整螺桿(15)進行調(diào)整，循環(huán)泵(4)位于超聲波處理箱體(3)的外部，通過輸送管道和閥門與超聲波處理箱體(3)的內(nèi)部連接在一起，在超聲波處理箱體(3)的右下角設(shè)置出液口，從箱體(3)的左上角設(shè)置進液口，超聲波處理箱體(3)的右下角部分裝有循環(huán)閥門(7)和出料閥門(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置，其特征在于所述 的上振板(1)和下振板(2)，其中心頻率為24kHz 68kHz，上下變化的幅度S為0 5kHz ; 進行上下對振時，上振板(1)和下振板(2)的中心頻率不同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置，其特征在于所述 的超聲波發(fā)生系統(tǒng)就是超聲波發(fā)生器組(13)，超聲波發(fā)生器組(13)由一組不同頻率超聲 波發(fā)生器組成，每個頻率的超聲波發(fā)生器與其相應(yīng)的超聲波換能器相對應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置，其特征在于所述 的計算機控制系統(tǒng)由超聲波控制儀(10)、溫度控制儀(11)和計算機(12)組成；超聲波控 制儀(10)和計算機(12)由線纜連接在一起；計算機(12)通過超聲波控制儀(10)控制每 個特定中心頻率超聲波發(fā)生器；計算機(12)經(jīng)溫度控制儀(14)控制超聲波處理箱體(3) 的水浴溫度。
5. 基于上述權(quán)利要求1所述的掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置的方法，其特 征在于根據(jù)實際生產(chǎn)中生產(chǎn)規(guī)模以及處理物料的量的不同選擇上下振板的對數(shù)，上下四塊 振板的組合實現(xiàn)以下工作方式(1) 單頻掃頻模式即箱底放置頻率相同的兩塊下振板，注入一定深度的物料溶液，進 行掃頻超聲處理；(2) 多頻掃頻模式即箱底放置頻率不同的兩塊及以上下振板，注入一定深度的物料 溶液，進行雙頻及多頻掃頻超聲處理；(3) 雙頻對振掃頻模式即箱底放置頻率相同的兩塊下振板，注入一定深度的物料溶 液，在緊貼溶液表面放置頻率相同的兩塊上振板，上振板頻率不同于下振板，進行雙頻對振 掃頻超聲處理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置的方法，其中所述 可供選擇的中心頻率a為24kHz 68kHz，上下變化的幅度S為0 5kHz ;當(dāng)進行掃頻參數(shù) 設(shè)定時，頻率變化幅度S在0 5kHz之間任意設(shè)定；掃頻周期即完成一次頻率從a- S kHz 增至a+ S kHz,再從a+ S kHz降至a- S kHz所需的時間在1ms 1000ms之間任意變化；當(dāng)S = 0時，則為普通的固定頻率工作模式；脈沖式超聲工作模式主要設(shè)定參數(shù)包括超聲時 間和間歇時間，超聲時間和間歇時間均在1 1000s之間調(diào)整。
7. 掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置和方法在天然產(chǎn)物有效成分的超聲輔助提取、生物大分子的超聲輔助酶解的應(yīng)用，其中所述的生物大分子的超聲輔助酶解包括對 原料的預(yù)處理、對水解酶的預(yù)處理和在超聲波場中進行酶解反應(yīng)。
全文摘要
掃頻模式的脈沖多頻超聲波生物加工裝置、方法及其應(yīng)用，涉及農(nóng)產(chǎn)品精深加工領(lǐng)域。由超聲波處理系統(tǒng)、超聲波發(fā)生系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成，這三部分由線纜依次連接而成，其中所述的超聲波處理系統(tǒng)由上超聲波換能器、下超聲波換能器、超聲波處理槽體、循環(huán)泵和上振板高度調(diào)整螺桿組成；超聲波發(fā)生器組由一組不同頻率脈沖式超聲波發(fā)生器組成，控制系統(tǒng)由超聲波控制儀，溫度控制儀和計算機組成；該設(shè)備可用于天然產(chǎn)物有效成分的超聲輔助提取，提取效率提高10-90％；可用于生物大分子的超聲輔助酶解，生物大分子的超聲輔助酶解包括對原料的預(yù)處理、對水解酶的預(yù)處理和在超聲波場中進行酶解反應(yīng)，酶解效率提高25-65％。
文檔編號B01J19/10GK101711969SQ20091021270
公開日2010年5月26日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者任曉鋒, 何榮海, 王振斌, 馬海樂, 駱琳 申請人:江蘇大學(xué)