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没有这项技术,青霉素只能在实验室里沉睡

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。十多年后的第二次世界大战中,青霉素拯救了无数盟军伤兵的生命,一群群白衣天使手捧长满青霉的培养皿,穿梭在战火纷飞的前线……

培养皿中的青霉素。图片来源:图虫创意

这当然是不可能的。

弗莱明很早就发现杀菌的物质不在于霉菌本身,而是在培养液里。但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。

此后的十年间,青霉素便一直沉睡在弗莱明的实验室里,连他发表于1929年的论文也无人问津。直到1939年,弗莱明的论文被两位英国生化学家看到,他们经过不懈的努力,终于成功提纯出青霉素晶体,才使它走出了实验室,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。图片来源:图虫创意

在“三相点”,同时存在水的三种形态

要理解冻干技术,首先要说说物质的“相态”,希望大家还记得这些初中物理知识。

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。原图来源:shmoop.com

水蒸发的速度会随着温度升高变快,在100°C时达到最快,这时就会发生沸腾现象。只要是在正常海拔的开放环境中,不管外界温度多高,水的温度都不会超过100°C。它会在这个温度下持续沸腾,直到全部转变成水蒸气为止,所以100°C也被称为水的沸点。

不过这里有两个限制条件,一是正常海拔,二是开放环境。之所以强调这两个条件,是因为水的沸点只有在1个标准大气压的时候才是100°C。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°C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)。图片来源:图虫创意

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。作者绘图

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。

上图中特别标出了三条线交汇的点,这叫做物质的“三相点”。对于水来说,它的三相点处于温度=0.01°C、气压=0.61Kpa的位置。在这个特定的环境条件下,不仅同时存在冰、水、水蒸气三种状态,还能观察到水沸腾的样子。

在三相点,可以同时看到水的三种状态。图片来源:UCSC Physics/youtube

知道了三相图,再来看冻干技术的原理就很简单了。

为了除掉水,先把溶液冻起来

前面说过,弗莱明想从溶液中提取青霉素,遇到的最大问题就是青霉素不稳定,不仅不能用加热的方式蒸发溶液中的水分,就连在常温下也保存不了多久。所以钱恩(Ernst Chain)反其道而行,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。

提纯后可使用的抗生素。图片来源:Pixabay

这种做法乍一看似乎不可思议,但是结合水的三相图来看,其实不难理解。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(Howard Florey)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。图片来源: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。图片来源:www.ostc.com.cn

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,比如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。

原图来源:Dr.Jean M.Binary Solid-Liquid Phase Diagrams.Chemistry 360.April 14,2017

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。

英国提纯青霉素,美国造冻干血浆,意大利处理意大利面?

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。图片来源:图虫创意

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。2014年美国国立卫生研究院(NIH)在储藏室中发现了被遗忘半个世纪的6个小瓶,里面装的是经冻干处理的天花病毒样本,其中2个小瓶的样本还有生长迹象。

冻干技术在食品行业也有广泛应用。冻干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”。甚至有网络段子说,二战中英国忙于提纯青霉素、美国忙于制造冻干血浆的时候,意大利却忙着采用冻干技术处理意大利面,以便保存意大利面的本初风味……不过这真的只是段子。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。图片来源:图虫创意

冻干技术也被用处理考古文物,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……啊,不说了,猫主子召唤我去给它喂冻干生骨肉了……(编辑:odette,黎小球)

主要参考文献:

  1. Nissei.co.jp. (2018). 日精株式会社:凍結乾燥原理-入門編-. [online] Available at: http://www.nissei.co.jp/freezedry/genri.html [Accessed 22 Jun. 2018].
  2. Gavroglu, K. (2014). History of artificial cold, scientific, technological and cultural issues. Dordrecht: Springer.
  3. Hua, T., Liu, B. and Zhang, H. (2010). Freeze-drying of pharmaceutical and food products. Cambridge: Woodhead Publishing Limited.
  4. 蔡继兰,叶东,汪宗华.药品冻干过程中各关键环节的控制及常见问题分析[J].药学研究,2013,(3):179-182.
The End

发布于2018-07-30, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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