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冷冻干燥过程和储藏过程的变性机理

发布日期: 2018/1/12 13:51:59
浏览人气: 849

    在食品、药品以及生物体的冷冻干燥和贮藏过程中,很多因素(例如,化学成分、冻结速率、冻结和脱水应力、玻璃化转变温度、干燥固体中剩余水分、贮藏环境的温度和湿度等)都会影响其中活性组分的稳定性甚至会导致失活。

大量的实验研究表明,除了一些食品、人血浆、牛奶等少数物料可以直接冷冻干燥外;大多数的药品和生物制品,都需要添加合适的冷冻干燥保护剂和添加剂,配制成混合液后,才能进行有效的冷冻干燥和贮藏。 

    在生物制品的冷冻干燥过程中,主要有三种效应会导致生物制品中活性组分的变性:低温效应、冻结效应和脱水效应。

低温效应

     生物制品中活性组分在降温与复温过程的一定温度范围内会发生变性。如对卵清蛋白(ovalbumin)的研究发现,在-10℃~-40℃之间,其活性显著降低,而继续降温到在-192℃,活性几乎没有变化。 

冻结效应

 包括离子浓度的增加、冰晶的形成与生长、pH值变化以及相分离等 

  (1)在生物制品的冻结过程中,不断结晶会导致溶液的浓度快速升高。小分子糖在最大冻结浓缩基质中的计算浓度高达80%。当溶液浓度发生变化时,离子浓度增加,促进了化学反应。

  (2)在生物制品溶液在冻结过程中也会产生大量的冰-水界面。其中活性组分分子,如蛋白质,可能会被吸附到界面上,从而可能破坏蛋白质的天然褶皱结构,最终导致蛋白质变性。 

  (3)在有些生物制品溶液的冻结过程中,溶液的pH值也会发生变化。如在添加有pH值为7的磷酸盐缓冲液(NaH2PO4和Na2HPO4的摩尔比为0.72)的蛋白质溶液冻结过程中,由于NaH2PO4的溶解度远远大于Na2HPO4,当溶液达到三相共晶点时,它们之间的摩尔比为57,最终导致了pH值的很大改变。蛋白质发生物理聚集和化学变性。 

脱水效应

(1)水溶液中蛋白质经过充分水合作用后,在蛋白质分子表面附着一单层水,这就是所说的水合层(hydration shell)。一般来讲,参与完全水合作用的水含量为0.3-0.35g(水)/g(蛋白质)。而在冻干蛋白质产品中水的含量一般不超过10%,因此,必定有一部分结合水在干燥过程中被除去。

(2)结合水的去除很可能破坏蛋白质的天然结构,最终导致蛋白质变性。这是因为富含结合水的蛋白质在脱水过程中暴露在乏水环境中,将质子转化为带电羧酸基团,破坏了蛋白质中电荷平衡,电荷密度的降低可能促进蛋白质分子之间的疏水作用,从而使蛋白质发生聚集 。 

储藏过程

1、蛋白质凝聚:是冻干生物制品活性组分在贮藏过程中发生变性的主要因素之一。导致蛋白质凝集可能是物理(非共价)相互作用,也可能是蛋白质发生化学凝集(共价)。  

2、脱酰胺作用:也是蛋白质发生变性的主要途径之一。天冬酰胺(Asn)和//33、氨酰胺(Gln)是蛋白质中易于发生脱酰胺作用的两种氨基酸。

4、非酶褐变:也称作Maillard反应。它使得还原性糖(如葡萄糖)与蛋白质中的赖氨酸(lysine)和精氨酸(arginine)形成碳水络合物。 

5、氧化反应:蛋白质中蛋氨酸Met,胱氨酸Cys,组氨酸His,色氨酸Trp和酪氨酸Tyr残基的侧链是发生氧化反应的可能位置。 

6、水解作用: 虽然冻干的蛋白质中含有极少量的水分,但在贮藏过程中仍然会发生水解作用。 

如前所述,生物制品的冷冻干燥过程是一个多步骤过程,会产生低温、冻结和脱水等多种效应;即使成功完成冷冻干燥过程后,在长期保存过程中也很难保证冻干生物制品活性组分的稳定性。为了防止生物制品在冷冻干燥和贮藏过程中活性组分的变性,研究者们研究和探索了大量有效的保护剂。

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