超声作用对面包酵母发酵生产丙位癸内酯的影响(3)
1.4 超声作用
超声波是一种物理过程，通常归结为三种机制，即热机制，机械机制和空化机制。后两者属都属于非热机制。
1.4.1 热机制
超声波的热效应可以加速化学反应，提高产物的生产率[13]。其热效应形成的主要因素为介质的吸收。介质的分子结构、热传导以及热摩擦都会影响热效应，其含水量越大，频率越低则吸收越少。
1.4.2 机械机制
超声效应不仅伴随着明显的热量，而且它与波动过程也相关，如振动的速度、质点的位移、声压等都可能以机械能量的传播形式对超声效应做出贡献。
1.4.3 空化机制
超声波可以加速常规化学反应、有机溶剂对物质的分解和反应等化学过程[14]，所以超声波对加速或有效控制化学反应有着显著的效果。超声波的空化机制多与声化学反应有关，在液体中的空化过程中首先是一个成核的过程，然后在流体中形成气泡，在声场的作用下泡核振荡、生长、收缩，最后形成内爆式的崩溃。这样一个聚集声场能量并迅速释放的过程可以视为超声的空化机制。
1.5 超声波与细胞膜通透性
由于发酵技术对环境的污染小、生产的效率高，目前在轻化工和食品等领域都兴起了利用发酵技术生产产品的风潮。随着各种超声设备的普及和发展，超声波对发酵过程的作用及影响已引起了人们广泛的关注及认可。
超声波是一种能量形式，它可以影响细胞膜的通透性[15]。当强度超过一定值的，将会使媒质的状态、组分、结构或功能发生变化。低频超声波的空化作用可以导致细胞的非热生物效应，细胞表面瞬间造成微伤，使细胞壁局部破裂，从而改变细胞质膜的通透性，使胞内物质释放或胞外物质入细胞内。当超声强度过强时，细胞本身就要受到损伤以至逐步衰亡。所以要选择超声的强度对细胞本身伤害较少且可以提高细胞膜通透性的超声参数，使中产物迅速释放，从而不影响代谢反应的进一步进行。因为蓖麻油进入面包酵母要通过的其细胞壁和细胞膜，而且代谢产物也要通过细胞膜才能转运到发酵液中，所以细胞壁和细胞膜对于底物和代谢产物的通透性在发酵工业中是一个十分重要的问题。因此提高丙位癸内酯产量的重要方法之一就可以通过超声作用改变或者对提高面包酵母的细胞膜通透性来实现。
研究发现，在细胞催化的生物反应中，较低强度的超声作用可提高酶的催化活性。适宜的低强度超声波刺激能够提高膜的通透性，伤口很小，容易被自身修复，不会对生物体造成损伤或者死亡[16]，以加快物质传输，促进细胞的代谢过程。合适强度的超声波作用于发酵液，可增加细胞膜的通透性和选择性，促进酶的分泌，增强细胞的代谢过程，从而缩短发酵时间以及改善生物反应条件，提高生物产品的质量和产量。例如：Wood 等[17] 研究了废纸发酵生产酒精过程中，超声波处理可使酒精产量提高近20%；Stephen 等[18]研究了超声波水浴作用下，α-淀粉酶和糖化酶对淀粉和糖原水解活性的变化的影响，发现在高强度超声波作用下，酶催化反应速率和转化酶对蔗糖的水解活性显著升高。1968年Gramiak首次报道了可增强显影的小气泡，即超声微泡造影剂（UCA），它的出现开创了无创超声诊断和治疗的新领域[19]。 超声微泡造影剂是内含气体的小球，以磷脂、白蛋白、糖类、非离子表面活性剂或可生物降解的高分子多聚物等物质为壳膜[20] 。另外，本研究中使用的超声波并不伤害细胞本身，而是作为一种能量场加入发酵液中，不会增加发酵液的有机污染，对后续分离有着十分重要的意义[21]。
1.6 研究的意义
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