超声场中声压与空化对冰晶分裂的影响

　　在食品、药品等的低温冷冻保存过程中，细胞内外液相水的结晶有着极其不利的影响。通常冰晶越粗大，冻结产品受到的冰晶损伤就越严重;冰晶越细小，冻结产品受到的冰晶损伤也就越轻，从而冻结质量得到提高。因此在产品冻结时控制冰晶粒径的大小是非常有意义的，超声波在该领域可以发挥非常重要的作用[1-7]。

　　近来的一些研究表明：水、溶液等多种液体结晶过程中应用低频高功率超声波既能够增加过冷液体的初级成核速率[8-12]，又能够促使过冷液体中已形成的大冰晶分裂为许多小冰晶,破碎为分散的小冰晶又能够成为结晶过程的小晶核(二次晶核)[13]，从而使得冻结产品中冰晶粒径较小。但超声影响结晶的作用机理尚不清楚[14]，尤其对超声波影响二次成核的研究就更少。目前存在以下两种推测试图来解释超声波对冰晶二次成核的影响。

　　1)有些学者[15]将超声波促进树枝状冰晶分裂的原因归结为超声波在过冷溶液中引起的周期性声压对冰晶产生的压缩作用。但该观点的提出仅是推测，未见有说服力的实验论证。

　　2)Rachel Chow[16]推测超声波诱发冰晶分裂的原因是由于高温的空化气泡对冰晶具有熔化作用。同时他也指出自己的实验无法确定超声波声压对冰晶的压缩作用是否有助于冰晶的破裂。由此可知，人们对超声波声压与空化效应在冰晶破裂过程中所起的作用还未达成一致认识。

　　为了研究超声波对冰晶分裂的影响，这里将未脱气蔗糖稀溶液与脱气蔗糖稀溶液分别置于超声场中进行冻结实验，同时利用一套显微视频成像系统拍摄实验中二次冰晶核生成过程。并根据实验现象对超声波促进冰晶分裂的机理进行了讨论。

　　1 材料及方法

　　1.1 实验装置

　　自行设计的实验装置如图1所示，该装置主要由五部分组成。

　　1)超声波浴系统：由超声容器、超声振子及超声波发生器(上海声浦超声波设备厂)组成，其中6个超声振子均匀地粘结在超声容器的底部，超声波从底部向上传播到超声容器内的液体中，超声容器内尺寸：245×215×110(mm³)。超声发生器的频率值为25kHz，超声发生器的电功率在0~300W范围内可以调节。

　　2)样品容器：其为用夹子夹住的双层载玻片(载玻片长76mm;宽25mm;厚1mm)，双层载玻片之间紧夹着一中央开有长30mm，宽10mm矩形孔的薄塑料纸，结晶用的蔗糖稀溶液就被密闭在这矩形孔中。

　　3)冷却系统：将密闭有蔗糖稀溶液的双层载玻片水平地浸入超声容器里的冷冻液中(m乙醇:m水=10:90)，超声容器内冷冻液与制冷循环器(新芝DL-4030型，宁波新芝生物科技股份有限公司，其控温范围为：-40℃~25℃，恒温精度为±0.1℃)内冷冻液组成一个闭合循环回路，实验中降温所需的冷源由制冷循环器提供。