1. 复溶时间

复溶时间是高浓度蛋白质冻干中的另一个关键点,如图1中对于蛋白质冻干产品来说,随着浓度增高,复溶时间也随之增长。这里主要有两个原因:蛋白质浓度增高,导致产品固含量增加,干燥后粉饼的比表面积下降,复溶时间延长;蛋白质浓度增高,使粉饼润湿性下降,复溶时间延长。

图1-蛋白质浓度与复溶时间的关系①

2. 影响复溶时间的因素

复溶方式

图2-三种复溶方式下不同蛋白质浓度的

冻干产品与复溶时间的关系②

润湿角_润湿角_润湿角

图2实验中的复溶方式包括,第一种快速复溶(Fast):注入WFI后,平缓晃动10s,保持瓶竖直,观察10s,再晃动10s,重复直到完全溶解。第二种中速复溶(Medium),减少晃动频率:注入WFI后润湿角,平缓晃动10s,保持瓶竖直,静待5min,每5分钟晃动10s,重复直到完全溶解。第三种低速复溶(Slow):注入WFI后,平缓晃动10s,保持瓶竖直,直到完全溶解,每5min观察一次。

随着蛋白质浓度的变化,复溶方式对粉饼复溶时间影响也不同。从图2可以看到在蛋白质浓度为100mg/mL时,采用不同方式下粉饼的复溶时间差异最大,晃动频率高,复溶时间短。但目前没有统一的复溶方式,类似于ISO制定的标准,所以不同研究机构使用的复溶方式可能也有差别。

辅料-糖类

图3-含蔗糖、海藻糖的辅料复溶时间与蛋白质浓度的关系①

图3实验中,随着蛋白质浓度增高,加入糖类的辅料复溶时间比没有糖类的时间短,因为糖类可以提升粉饼润湿性,所以复溶速率相对加快。

图4-蛋白质和糖类比重与复溶时间的关系③

当蛋白质 :糖类比重 > 1时,复溶时间增长较大,可能在比重 <1时润湿角,两者比重对复溶时间影响不大。

辅料-甘露醇

润湿角_润湿角_润湿角

润湿角_润湿角_润湿角

图5-蛋白质浓度和甘露醇晶体状态与复溶时间的关系

(Cycle1无退火,Cycle2退火)③

在实验中发现甘露醇结晶可缩短复溶时间,但蛋白质浓度在140mg/mL和70mg/mL时,甘露醇为晶体和非晶体状态的复溶时间差异很小。根据表格1当蛋白质浓度低时,甘露醇结晶程度差异较小,蛋白质浓度较高时,甘露醇以非晶体形式存在,对甘露醇结晶存在抑制作用。

润湿角_润湿角_润湿角

表格1-蛋白质浓度和预冻处理对甘露醇结晶的影响

通常情况,粉饼是非晶体状态比晶体状态复溶时间短。粉饼复溶过程一般有四个阶段,首先是粉饼润湿受粉饼润湿性影响;其次是复溶液体穿透至粉饼内部,受粉饼孔径/孔隙率和粉饼润湿性的影响;在此之后粉饼开始分解,受粉饼对外力的抵抗能力影响;最后粉饼分解成颗粒进一步被渗透,受粉饼颗粒大小和溶解性影响。

辅料甘露醇-润湿性

润湿角_润湿角_润湿角

表格2-晶体甘露醇和海藻糖在粉饼中的比重

与所测湿润角的关系③

在实验中,当晶体甘露醇(δ型)比重降低,测量的湿润角存在上升趋势,粉饼润湿性下降,粉饼润湿性通过与甘露醇和海藻糖两者之间的函数关系计算。如下:

润湿角_润湿角_润湿角

通过公式计算得到图6:

润湿角_润湿角_润湿角

图6-蛋白质浓度和甘露醇晶体状态与湿润角的关系,

不退火是淡蓝色柱状图,退火是蓝色柱状图③

退火之后随着晶体甘露醇(δ型)比重上升,所测量的润湿角减小,致使粉饼润湿性提高。

辅料甘露醇-液体穿透粉饼能力

润湿角_润湿角_润湿角

润湿角_润湿角_润湿角

图7-蛋白浓度和甘露醇晶体状态与液滴穿透粉饼时间的实验关系

不退火是淡蓝色柱状图,退火是蓝色柱状图③

在实验中,当粉饼的晶体甘露醇(δ型)比例增加时,液滴穿透粉饼能力加强,时间明显减少。需要注意的是液体穿透粉饼能力受两个因素影响,分别为孔径/孔隙率和复溶液体粘度。该实验采用可控结晶,使测试样品的孔径和孔隙率基本一致,复溶液体为饱和甘露醇/海藻糖溶液,避免粉饼溶解和粘度变化带来的影响。在测试复溶时间的实验中,决定性影响因素是粉饼的润湿性。退火后的产品粉饼润湿性上升,液体穿透粉饼能力加强。

辅料甘露醇-粉饼抵抗外力能力

润湿角_润湿角_润湿角

图8-质构仪分析压力对位移的曲线,

(Cycle1无退火,Cycle2退火)③

润湿角_润湿角_润湿角

图9-蛋白浓度和甘露醇晶体状态与抗压能力的关系

不退火是淡蓝色柱状图,退火是蓝色柱状图③

通过图8实验,使用第一阶段的压力-位移斜率表征抗压能力,为图9纵坐标,在实验中甘露醇结晶后,粉饼抗压能力下降,晶体甘露醇形成微观不连续性,成为薄弱点,使整个粉饼更脆弱。

使用复溶液体溶解粉饼时,当粉饼润湿性高,粉饼孔径/孔隙率大,粉饼对外力的抵抗能力较弱,有利于加快复溶速率。相对重要的因素是粉饼孔径/孔隙率,其直接影响液体穿透至粉饼内部的能力。这不仅影响高浓度蛋白质冻干粉饼复溶时间,也同样影响大部分冻干产品的复溶速率。

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