“冻干”是什么?不仅能提纯青霉素还能做意大利面

2018-07-28 17:42:12    所在频道:  知识    来源: 市南科普在线

提纯后可使用的抗生素 | Pixabay

  最近“疫苗案”炒得火热,大家常会看到“冻干人用狂犬病疫苗”等字样。其中“人用狂犬病疫苗”大家应该都能看懂,但是“冻干”又是什么呢?

  “冻干”在食品行业和医药领域有广泛使用,举个个简单点的例子,我们喝的速溶咖啡、吃的意大利面都是通过冻干技术制成的。对此,曾有段子吐槽:冻干技术的发明,使得英国提纯青霉素,美国造冻干血浆,而意大利用来处理意大利面…… 

  而二战期间,青霉素曾拯救了无数人的生命,这都要得益于冻干技术的发明。

  冻干技术在食品行业有广泛应用,它主要依靠升华作用去除水分,能够最大限度地保留原本的色、香、味、形,更不会破坏本身的营养成分,因而也被誉为“保留了食物肉体与灵魂的奇迹”。

  冻干草莓 | 正版素材来源:图虫创意

  有据可查的是,20世纪30年代,美国宾夕法尼亚大学的弗洛斯多夫(Earl W. Flosdorf)最早开展食品冻干研究,同一时期英国政府也在苏格兰的临时工厂进行了类似的研究。战后,美国将冻干技术应用在航天食品处理上,让宇航员告别了“牙膏式”的黏糊状食物。

  可供宇航员食用的冻干豆腐

  没有冻干,就没有青霉素!

  冻干技术除了制作好吃的食品,还曾被用于提纯青霉素,在二战期间拯救了无数人的生命!

  其实,发现青霉素的故事,可能是科学史上最著名的偶然事件。1928年,英国人弗莱明度假归来,发现度假前忘记清洗的培养皿中长出霉菌,杀死了周遭的葡萄球菌,由此发现了青霉素。

  培养皿中的青霉素

  但弗莱明很快就发现杀菌的物质不在于霉菌本身,而是在培养液里。可是每当他尝试将这种物质从溶液中分离出来时,却发现它非常不稳定,在碱性或者高温环境下都会迅速分解,即便在常温下也会很快失活。所以弗莱明始终没能成功分离出青霉素。

  直到1939年,英国的生化学家钱恩(Ernst Chain)和弗洛里(Howard Florey)经过不懈的努力,终于成功提纯出青霉素晶体,才使它真正成为拯救生命的“神药”。

  他们所用的技术,便是“冻干”。

  制药行业使用的冻干箱的舷窗

  这种方法不是给青霉素溶液加热,而是把溶液冻结成固态,然后通过抽掉空气、降低气压的方法,让冻结溶液中的水升华出来。

  这种做法乍一看似乎不可思议,我们都知道水有三种状态:固体状态(冰)、液体状态(水)、气体状态(水蒸气)。这三种状态,对应的就是物质的三个相态:固相、液相、气相。

  三个相态之间可以相互转化:

  水的三相变化

  水的沸点只有在1个标准大气压的时候才是100摄氏度,如果海拔很高,比如在三千多米的高原上,气压变低,水的沸点就会降低到85摄氏度左右,所以在高原上煮东西很难煮熟。另一方面,如果不是开放环境,而是密封的空间,水变成水蒸气以后跑不出去,就会造成空间内的气压越来越高,这也会导致水的沸点发生变化。用高压锅煮东西,用的就是这个原理。

  老式压力锅(1895)

  既然沸点会随着气压变化,把不同气压下的沸点都标出来,便可以得到一条曲线,这就是水的液相和气相之间相互转化的临界曲线。

  不仅沸点会受气压影响,熔点(凝固点)和升华点(凝华点)也会受到压强影响,也可以画出类似的曲线。把沸点曲线、熔点曲线、升华点曲线画在一张图上,便得到了物质的三相图。

  水的三相图。纵坐标是压强,横坐标是温度。图中粉色部分是固态的冰,蓝色部分是液态的水,黄色部分是气态的水蒸气。它们交界处的曲线,左上紫色①是熔点/凝固点随压强变化的固-液相变曲线,右边绿色②是沸腾点随压强变化的液-气相变曲线,左下红色③是表示升华点/凝华点随压强变化的固-气相变曲线 | 作者绘图

  上图中特别标出了三条线交汇的点,这叫做物质的“三相点”。

  在三相点,可以同时看到水的三种状态 | UCSC Physics/youtube

  为了除掉水,先把溶液冻起来

  结合水的三相图来看,在-20°C的密闭环境中放置冰块,抽掉空气、降低气压,直到气压低于三相图里那条红色的固-气相变曲线(③),冰便会通过升华作用转变为水蒸气散逸出去。这种先冷冻、再通过升华去除水分的方式,就叫做冷冻干燥,简称“冻干”。

  使用冻干技术,钱恩等人最终得到了几乎不含水分的灰色青霉素粉末,可以在常温下保存很长时间,杀菌效力也比青霉素溶液高出几十倍。由此开始,青霉素终于可以走上战场,拯救无数生命。钱恩和弗洛里也因为这一贡献,与弗莱明共同获得了诺贝尔奖。

  从左到右依次为弗莱明、弗洛里、钱恩 | idehshot

  冻干的关键是要把温度和压强控制在三相点的左侧区域。在这个区域内,水只会在固态和气态之间变化,不会出现液态水。为什么不能出现液态水呢?要回答这个问题,要回过头去看看水在相态变化时所需的条件。

  不管是升华还是蒸发,水在变成气态的时候都会带走热量,从而导致本身的温度变低。在冻干过程中,冰的升华也会带走热量,从而降低冻干对象(术语叫做“物料”)的温度。温度降低,会导致升华过程变慢。也就是说,如果不加干预,物料的温度会越来越低,升华速度越来越慢,从而大大延长冻干的时间。

  为了避免这个问题,通常在冻干过程中都会持续给物料提供热量,使它的温度保持在一个恒定的范围里,尽量提高升华的效率。但如果存在液态水,物料就会呈现出黏稠的溶液状态,这叫做物料的“崩解“。这会阻碍水分的散逸,导致物料在崩解状态下的水分蒸发效率远远低于固态下的升华效率,难以带走热量。但与此同时,外界又在不断供应热量,于是物料温度会升高,导致物料被高温破坏。由于这个原因,冻干都要在三相点左侧的环境条件下进行。

  升华是现代冻干技术应用的原理之一,它主要作用于冻干过程的“一次干燥”阶段。这个阶段可以去除物料中的游离水分,通常可以去除全部水分的90%。剩下的水分是以结晶水的形态吸附在物料上的,无法通过升华方式去除,这时候就需要进行“二次干燥”。二次干燥阶段需要对物料加热,适当提高物料的温度,并降低环境空间的气压,让三相图上的环境条件向右下方转移,促使吸附在物料上的水分散逸出来。

  经过一次干燥和二次干燥,最终产品的含水量可以降低到1%~3%左右。

  德国Christ ALPHA 1-2 LD plus系列冷冻干燥机

  但是,要让溶液结冰可不简单

  纯水的结冰点是固定的,1个标准大气压下的凝固点是0°C。但如果水里溶解了别的物质,它的凝固点就会发生变化。

  以“盐水结冰”为例

  盐水的凝固点就要低于0°C。下雪天在结冰的地面上撒盐,就是利用盐水凝固点降低的原理,让路上的冰融化。而且,盐水的浓度越大,水里溶解的盐越多,凝固点就越低。把浓度和凝固点的关系画出来,我们便可以得到一条曲线。对于某个浓度的盐水,只有温度低于曲线上的对应位置,盐水才会结冰,否则只会是溶液状态。

  但是,“盐水结冰”只是笼统的说法,因为盐并不会结冰,只有盐水中的水才会结冰。当盐水结冰的时候,实际上是其中的一部分水变成了冰,这会使剩余盐水的浓度升高,于是又导致剩余盐水的凝固点进一步降低,直到温度和浓度重新回到曲线上的某一点为止。在此期间,多出来的水分会以冰的形式排出来,这称为“冰的析出”。而这条盐水的浓度-温度曲线,也因此称为“析冰曲线”。只要盐水的温度或浓度条件位于析冰曲线的左侧位置,就会有冰从溶液中析出。

  不过这只是问题的一个方面。另一方面,水能溶解的盐是有限的,当浓度达到一定程度,盐就不会再溶解了。而且,最大浓度同样会随温度而变化,温度越低,最大浓度也会随之降低。所以如果给一杯最大浓度的盐水降温,水里可以溶解的盐变少,多余的盐只能被挤出来,这称为“盐的析出”。把最大浓度与温度的关系画成曲线,就得到了“析盐曲线”。只要盐水的温度或浓度条件位于析盐曲线的右侧位置,就会有盐从溶液中析出。

  于是我们现在有了两条曲线,一条偏左,一条偏右。把两条曲线画在一张图上,它们会把图分成三个部分:

  左侧为析冰曲线,右侧为析盐曲线。两条曲线交汇的点称为“共晶点”,这个温度就是共晶温度。

  左边是析出冰的区域,右边是析出盐的区域,中间则是保持溶液状态的区域。

  从图上可以看出,随着温度的降低,中间区域越来越小,直到两条曲线交汇的时候,中间区域也完全消失了。这也就是说,当温度低于曲线交汇点的时候,盐水溶液就不复存在了,只存在结晶体的盐和结晶体的水(冰)。所以这个交汇点,就被称为盐水的“共晶点”(共同结晶的温度点)。而交汇点上的温度,就是盐水溶液的共晶温度。

  在实际的冻干生产过程中,共晶温度是非常重要的产品性质参数。只有将温度降低到产品的共晶温度以下,才能确保产品完全冻结。

  造血浆、存疫苗,冻干技术无处不在

  冻干是在低温状态下去除产品中的水分,所以可以用来给不耐高温的产品脱水,比如青霉素,以及对温度敏感的蛋白质。英国在二战中使用冻干技术提纯青霉素,就是典型应用之一。美国也在二战期间使用冻干技术大规模生产血液制品,到1945年战争结束时,美国共生产了超过1300万单位的冻干血浆,以每人每次献血400ml计,美国在二战中生产的冻干血浆超过3万人次的献血量。

  冻干甲型肝炎减毒活疫苗

  冻干过程的低温能使微生物暂时失去生物活性,因而也用于疫苗、酶、干扰素等各种生物制品的保存,还被用来保存细菌和病毒。像麻疹疫苗、狂犬疫苗,基因重组干扰素制剂,大肠杆菌菌株等等,许多都采用冻干技术保存。

  冻干技术也被用来处理考古文物,特别是保护抢救浸水书籍。还有用冻干技术制作的生物标本,成品效果远远好于传统的福尔马林浸制标本。冻干技术在材料科学中也展现出强大的生命力,近年来它已成为制备纳米材料的关键技术之一。

  所有这些领域的应用,反过来促进了冻干技术的进一步发展。今天的冻干技术在能耗、效率、成本等各个方面都比以前有了飞跃性的提升。近一个世纪前帮助青霉素走出实验室的冻干技术,已经渗透到我们生活的各个方面……