脉管栓塞、脑血栓中风、急性心肌梗死等心血管疾病,是当今社会中严重危害人们身体健康的主要疾病之一。纳豆激酶有很好的溶解血栓的作用,且在体内的半衰期长达8天,比目前盛行的纤溶酶类药品的半衰期长。此外,它还具有天然、无毒、无副作用,口服与注射同样有效,且作用迅速,可由细菌发酵生产等优点,故而可望开发成为新型的防治血栓病的药物和保健品。纳豆激酶是纳豆菌经由大豆发酵制造出来的生物酶,是由275个氨基酸残基组成的单链多肽,在低于40℃时活性相对稳定,高温时会失去活性。冻干法是目前保存生物活性材料最方便有效的一种干燥方法。通过开展纳豆激酶冻干研究,优化冻干工艺参数,可以减小冻干过程中纳豆激酶活性的损失,提高生产效率。西安工业大学的彭润玲博士完成了纳豆激酶的冷冻干燥研究。
利用OHAUS公司生产的MB45型水分测定仪测定纳豆激酶的含水率,取3次测量结果的平均值,确定实验用纳豆激酶溶液的含水率为95.57%。
用电阻测定法,测量曲线见图4-6~图4-9,确定纳豆激酶溶液的共晶点和共熔点温度为-23℃。
采用真空蒸发冻结的方法,将装有纳豆激酶溶液的料盘放在冻干箱的搁板上,只给捕水器制冷到-40℃之后,开启真空泵直接抽真空。随着压力降低,纳豆激酶溶液内的自由水分蒸发加剧,外界不提供蒸发潜热,吸收物料本身的热量自然降温而实现冻结。
生物酶溶液装量厚度不同时,真空蒸发冻结过程中温度随时间的变化如图5-29所示,厚度小时,降温速率比较快,厚度较大时,降温速率较慢,但对最终冻结温度的影响不大,均低于-34℃的共晶点温度。
纳豆激酶溶液的厚度与降温速率之间的关系如图5-30所示,图中离散点为实测值,实线为回归方程曲线。回归方程为C=11.41608-0.50899h。
式中,c为降温速率,℃/min;h为物料厚度,mm。相关系数R=0.99691,拟合效果显著。根据回归方程可求出物料不同厚度(3~15mm)时的降温速率。
真空度降到500Pa左右时,物料温度迅速下降,同时可观察到物料会起泡,甚至产生飞溅现象。另外在物料厚度超过10mm时,还会有二次沸腾现象。这是因为在500Pa左右,物料表面蒸发速率非常快,物料上层会先冻结,物料下层来不及冻结,但之后冻结层上空压力还在继续减小,冻结层上下压差产生的压力大于冻结层的强度极限时,会引起二次沸腾,蒸发加速,造成降温速率又一次突然增加,这一点从图5-29中也可以看出来。实验过程中还发现若将搁板温度预先降到-10℃,可大大减小因沸腾导致的飞溅现象。
上述纳豆激酶溶液采用真空蒸发冻结方法冻结后,继续抽真空,并用隔板加热,以补充升华热。图5-31中为装料厚度为6mm时,纳豆激酶溶液的抽真空冻结干燥过程典型的工艺曲线。
在纳豆激酶含水量为95.57%的条件下,采用表5-14所示因素三水平的正交实验,得出的综合结果列于表5-15中。干燥后的纳豆激酶含水量最高为4.64%。
从表5-15极差R1可看出,冻干过程中几个影响纳豆激酶活力的因素主次顺序是:控制温度、冻结方式、真空室压力、物料厚度。试验4酶活力最高,工艺参数为控制温度-5℃,装料厚度6mm, 真空蒸发冻结,真空室压力10Pa,干燥时间730min。从表5-15极差R1可看出,冻干过程中几个影响冻干总时间的因素主次顺序是:物料厚度、冻结方式、控制温度、真空室压力,实验3时间最短,但酶的活性不高,且一次加载的干燥量少,综合考虑试验4工艺最好。
纳豆激酶物料厚度较小时,适合抽真空冻结干燥,抽真空冻结速率快,不仅酶活率高,还节省了预冻时间,且预冻时纳豆激酶溶液内的自由水开始蒸发,干燥(浓缩)即已开始,缩短了总的干燥时间,提高了生产效率。
研发合理的冻干添加剂,如添加甘油、丙二醇、牛血清蛋白、明胶、海藻酸钠等有利于缩短了总的干燥时间,提高了生产效率。提高酶的热稳定性,可进一步提高酶的存活率,升高控制温度,减少干燥时间。
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