生物分離工程中的逆向思維淺析

趙東旭，謝海燕，馮永君

(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院,北京 100081)

·研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)·

生物分離工程中的逆向思維淺析

趙東旭，謝海燕，馮永君

(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院,北京 100081)

逆向思維是創(chuàng)新思維的一種。在現(xiàn)代生物分離技術(shù)中，匯集了多種逆向思維的思路。該文列舉并分析了生物分離工程的提取、初步分離、產(chǎn)品高度純化3個(gè)重要環(huán)節(jié)；對(duì)環(huán)節(jié)內(nèi)的逆向思維法，主要包括正吸附與負(fù)吸附、固定床吸附與膨脹床吸附、雙水相萃取、從小顆粒介質(zhì)到整體柱、反向洗脫、徑向?qū)游龅燃夹g(shù)進(jìn)行了闡述；最后，提出了相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)的思路。

逆向思維；生物分離工程；創(chuàng)新

逆向思維法或反向思維法是指，為實(shí)現(xiàn)某一創(chuàng)新或解決某一因常規(guī)思路難以解決的問題而采取的反向思維尋求解決問題的方法。逆向思維法是相對(duì)于正向思維法而言的。正反向思維起源于事物的方向性，客觀世界存在著互為逆向的事物，由于事物的正反向，才產(chǎn)生思維的正反向，兩者是密切相關(guān)的。人們解決問題時(shí)，習(xí)慣于按照熟悉的、常規(guī)的思維路徑去思考，即采用正向思維，有時(shí)能找到解決問題的方法，收到令人滿意的效果。然而，實(shí)踐中也有很多事例，利用正向思維卻不易找到問題的正確答案，一旦運(yùn)用逆向思維，常常會(huì)取得意想不到的功效。這說明反向思維是擺脫常規(guī)思維羈絆的一種具有創(chuàng)造性的思維方式[1]。逆向思維法在中學(xué)、高校的教學(xué)中經(jīng)常被教師所用到，尤其在數(shù)學(xué)課程的教學(xué)中尤為普遍[2-3]，也有在生物學(xué)的教學(xué)中用到逆向思維方法的報(bào)道[4]。本文在高等生物分離工程的教學(xué)中，對(duì)一些分離理論或技術(shù)也常常有意識(shí)地強(qiáng)調(diào)逆向思維方法的奇妙作用或影響。

1 生物分離工程中的逆向思維

生物分離工程的諸多環(huán)節(jié)均體現(xiàn)了逆向思維的思路，下面根據(jù)分離操作單元(提取、初步純化、高度純化)的先后順序進(jìn)行介紹。

1.1 提取過程中的逆向思維

患者在需要煎服中草藥時(shí)，醫(yī)務(wù)人員有時(shí)會(huì)告訴患者藥液中的有用成分是哪類物質(zhì)，幾乎不會(huì)告知藥液的有害成分是哪類物質(zhì)(限于目前的條件，大家對(duì)很多的中藥單方或復(fù)方中的主要成分或功能成分或重要成分是不太清楚的)。一般來說，中藥提取物中含有一定的有害成分，中草藥煎煮液的冷沉過程是去除樹膠等有害雜質(zhì)的過程，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前，常規(guī)的研究思路是如何高效獲取有效部位(成分)，但在如何高效去除有害成分的研究方面還未引起足夠的重視，而這恰恰是眾多的中藥服用者所最為關(guān)心的問題。因此，由關(guān)注有效成分的獲取轉(zhuǎn)為探索有害成分的去除，鮮明地體現(xiàn)了逆向思維的思想方法。

1.2 初步純化過程中的逆向思維

生物活性成分的純化過程用到的最常用技術(shù)是吸附技術(shù)、沉淀技術(shù)、萃取技術(shù)等，其中均含有逆向思維的思想。

1)正吸附與負(fù)吸附、常規(guī)層析洗脫方法與前沿展開層析法。

氣體或液體分子在固體表面上相對(duì)聚集的現(xiàn)象稱為吸附。吸附技術(shù)是一種對(duì)大體積樣品中濃縮或富集目標(biāo)分子的最常用方法。按照慣常的思維習(xí)慣，人們總是希望用吸附劑將目標(biāo)分子吸附而不吸附其他的雜質(zhì)分子，但是當(dāng)含有目標(biāo)成分的樣品溶液中目標(biāo)分子濃度高、雜質(zhì)分子的濃度很低時(shí)，也可以采用改變吸附劑或吸附條件以吸附雜質(zhì)分子的思路來使兩類成分分開，既達(dá)到分離目的，也節(jié)約吸附劑。兩種吸附方法分別被稱之為負(fù)吸附與正吸附。這種情況在正常的層析洗脫操作中也類似。一般情況下，當(dāng)樣品溶液中含有2種或3種成分，且目標(biāo)成分濃度高但對(duì)吸附劑的吸附力弱，而雜質(zhì)成分的情況與此相反時(shí)，在層析過程中常采用相反的策略，即根據(jù)雜質(zhì)分子吸附力強(qiáng)、含量低的特點(diǎn)，采用長(zhǎng)時(shí)間、飽和進(jìn)樣且以樣品液作為洗脫液的層析方法，使整個(gè)層析介質(zhì)的活性位點(diǎn)全部吸附上雜質(zhì)分子，充分、高效利用層析介質(zhì)，而進(jìn)樣過程中的流出液里僅僅含有未被吸附的目標(biāo)成分，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成分與雜質(zhì)成分的分離。這種方法被稱為前沿展開層析法；而常規(guī)的層析法，少量進(jìn)樣后要使用新的洗脫液進(jìn)行洗脫。

2)膨脹床吸附與固定床吸附。

一般的固定床吸附所對(duì)應(yīng)的樣品是去除顆粒成分的真溶液，但是對(duì)于含有大量顆粒的樣品(如動(dòng)物細(xì)胞懸浮液、細(xì)菌破碎液等)，采用固定床的吸附方式顯然不合適?？刹捎弥撞窟M(jìn)樣的方式將吸附劑分散并駐留在一定位置，含有顆粒的樣品液直接進(jìn)樣，游離的目標(biāo)分子被吸附，樣品中的顆粒穿過吸附劑顆粒之間的縫隙而離開，即膨脹床吸附模式。這既實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)分子的吸附，又免去了對(duì)樣品液的固液分離以去除顆粒雜質(zhì)的操作環(huán)節(jié)。所以，膨脹床吸附模式也是逆向思維的一種具體體現(xiàn)。

3)沉淀操作中的反向思維法。

常規(guī)的沉淀操作是將目標(biāo)成分率先沉淀出來，而遺留雜質(zhì)成分。但在實(shí)際的操作過程中，要根據(jù)具體情況來定。當(dāng)目標(biāo)成分和雜質(zhì)成分沉淀時(shí)要求的條件均不苛刻時(shí)，一般采用優(yōu)先沉淀目標(biāo)成分的方法；當(dāng)沉淀目標(biāo)成分的條件比較苛刻時(shí)要采用沉淀雜質(zhì)成分的方法。

4)雙水相萃取技術(shù)、膠束萃取與反膠束萃取技術(shù)。

萃取過程一般是利用兩種互不相容的溶劑分離混合成分的操作。它對(duì)于生物活性小分子的分離比較有效，但是在有機(jī)溶劑存在下，常常引起生物活性分子的沉淀、變性而失活(尤其是蛋白質(zhì)類，而蛋白類成分又恰恰是生物分離工程的重點(diǎn)和主要對(duì)象)。那么可否將兩個(gè)互不相溶的水相進(jìn)行充分混合，再將其中的水溶性成分分離？或者說可否將一種水相通過條件的改變而分為兩種水相？雙水相萃取技術(shù)即是由此思路發(fā)展而來。借助該操作，混合樣品中的水溶性成分分配到兩個(gè)互不相溶的水相中，得以分離，而且未改變?cè)摷夹g(shù)可處理大體積樣品的特點(diǎn)。

與此相似的膠束萃取與反膠束萃取也是一個(gè)利用正向思維與逆向思維的典型例子。在水相中加入表面活性劑，則當(dāng)濃度降至臨界膠束濃度(CMC)時(shí)，它會(huì)在水溶液中聚集在一起而形成聚集體，即膠束，也稱為正常膠束。此時(shí)，表面活性劑的排列方向是極性基團(tuán)在外，與水接觸，非極性基團(tuán)在內(nèi)，形成一個(gè)非極性的核心，此核心可以溶解非極性物質(zhì)。若將表面活性劑溶于非極性的有機(jī)溶劑(油相)中，并使其濃度超過臨界膠束濃度，便會(huì)在有機(jī)溶劑內(nèi)形成聚集體，即反膠束。此時(shí)，表面活性劑的非極性基團(tuán)在外，與非極性的有機(jī)溶劑接觸，而極性基團(tuán)則排列在內(nèi)，形成“水池”，該極性核可以溶解極性物質(zhì)，該膠束可以將極性成分螯合進(jìn)來。

1.3 產(chǎn)品精制或高度純化過程中的逆向思維法

層析技術(shù)和電泳技術(shù)是產(chǎn)品高度純化操作中常用的技術(shù)，其中也富含逆向思維的典型思路。

1)從小顆粒介質(zhì)到“巨大顆?！苯橘|(zhì)(整體柱)。

層析介質(zhì)裝填的均勻度是高柱效的基本要求。例如，在一個(gè)直徑約10 cm的層析柱中，分別裝填玉米、大米、小米、面粉等物品時(shí)，很顯然，小米和面粉的裝填是均勻的。裝填層析介質(zhì)的實(shí)際情況是：分離附加值較低的氨基酸、核苷酸等小分子活性成分的介質(zhì)(離子交換樹脂)大小在1 mm左右；分離高附加值(如蛋白質(zhì)等)常用的分離生物大分子的層析基質(zhì)的直徑約100 μm左右；而分離度更高的分析用介質(zhì)的直徑在5～50 μm范圍內(nèi)。從中可以看出，顆粒愈小且顆粒大小愈一致，裝填愈均勻，柱子理論塔板數(shù)愈高，分離效果愈好。即便是直徑5 μm的介質(zhì)，顆粒之間仍有一定的縫隙，而裝填最均勻的層析柱應(yīng)該是介質(zhì)顆粒之間無(wú)縫隙，那么如何達(dá)到這個(gè)效果？考慮到大小一致的小顆粒制備很難實(shí)現(xiàn)，可否反其道而行之？用逆向思維的方法解決了這個(gè)困擾研究人員的難題，即將顆粒有限放大到一個(gè)層析柱的大小即可。這就是整體柱產(chǎn)生的最初想法，通過在層析柱中原位聚合的方法可以制備不同孔徑大小的整體柱。

2)反向洗脫。

常規(guī)的層析操作是進(jìn)樣、沖洗、洗脫、再生等環(huán)節(jié)，在整個(gè)操作過程中，液體的流動(dòng)方向一直是從層析柱的頂端到底端，而在進(jìn)行親和層析操作時(shí)，則經(jīng)常采取另外一種方式，即進(jìn)樣、沖洗、反向洗脫、再生等環(huán)節(jié)。雖然僅是在洗脫環(huán)節(jié)改變了流體的方向，但該過程具有顯著的優(yōu)勢(shì)，大大縮短了目標(biāo)物在層析柱上的停留時(shí)間(理論上愈短愈好)，避免了對(duì)層析介質(zhì)的污染(層析過程會(huì)造成介質(zhì)與蛋白之間不可逆吸附)。反向洗脫思路的提出雖然只是溶液流動(dòng)方向的改變，實(shí)則是一種思維模式的改變，是一種創(chuàng)新性思維。

3)徑向?qū)游觥?/p>

在層析模式設(shè)計(jì)方面的另一個(gè)創(chuàng)意是徑向?qū)游瞿Ｊ?。一般層析的進(jìn)樣是從柱頂進(jìn)入，液流流經(jīng)層析柱后從底部流出，為實(shí)現(xiàn)理想的分離效果，進(jìn)樣后的樣品層愈薄愈好，因此層析柱的橫截面積決定了進(jìn)樣量。但在橫截面積受限的情況下，如何解決這個(gè)問題？徑向?qū)游龅乃悸泛芎玫亟鉀Q了這個(gè)問題。即采用樣品從柱子四周進(jìn)樣、沖洗、洗脫的模式，液流從常規(guī)的自上而下的流動(dòng)改為從四周向柱中心腔體流動(dòng)，匯集后從柱底部流出。這實(shí)際上是逆向思維的另外一種方式，將一種看上去不可能的事情變?yōu)榭赡堋?/p>

2 應(yīng)用逆向思維法的課堂設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的思維定式源于日積月累的思維活動(dòng)、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和已有的思維規(guī)律，長(zhǎng)期的使用過程形成了穩(wěn)定的、定型化或程式化的、成功率高的特點(diǎn)，但同時(shí)也隱含了因循守舊、創(chuàng)新潛力弱的不足。尤其是在科技日益發(fā)達(dá)、創(chuàng)新思維無(wú)限拓展的今天，我們更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)正向思維與逆向思維并重的思維模式。引入逆向思維法不是為了強(qiáng)化對(duì)該思維方法的理解，而是提醒學(xué)生在生物分離工程的相關(guān)技術(shù)中，除上述提到的逆向思維法的例子之外，在遇到其他問題或困境時(shí)要采用多方位思考問題的方式。

在課堂講授相關(guān)的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的分離技術(shù)時(shí)，一般采用如下思路：1)首先，詳細(xì)介紹常規(guī)的分離技術(shù)；然后，提出一些特殊的情況，通過學(xué)生的課堂討論再引入借助逆向思維方法提供的解決思路。這是一個(gè)使用較多的課堂設(shè)計(jì)模式，如正吸附與負(fù)吸附的介紹、洗脫展開層析法與前沿展開層析法的對(duì)比、徑向?qū)游龅囊氲取?)先給出問題，通過討論歸納出解決問題的思路，明確指出其中的常規(guī)思路和逆向思維方法。如沉淀操作中是沉淀目標(biāo)物還是沉淀雜質(zhì)的方案確定問題。3)給出問題并介紹多個(gè)解決方案后，通過分析、討論，再指出何為正向思維思路，何為逆向思維思路。如對(duì)中草藥提取液是設(shè)法分離出活性成分，還是設(shè)法除去有害成分的方案選擇?？傊?，介紹分離技術(shù)的課程設(shè)計(jì)方案很多，避免千篇一律的模式即可。

對(duì)于學(xué)生來說，也可以效仿國(guó)外所倡導(dǎo)的SQ4R學(xué)習(xí)法(survey，question，read，revise，record and review)[5]。提問(question) 是主動(dòng)學(xué)習(xí)的精髓，初步瀏覽(survey)為提問作準(zhǔn)備，其后的閱讀(read)、精煉問題(revise)、記錄(record)和復(fù)習(xí)(review)都是圍繞著問題而展開的。對(duì)于分離技術(shù)的理解要重在認(rèn)識(shí)內(nèi)涵，同時(shí)也要認(rèn)識(shí)逆向思維法突破常規(guī)思維模式的束縛所帶來的非凡之處。

3 結(jié)束語(yǔ)

從上述分析中可以看出，逆向思維法在解決生物分離工程所面臨的問題或困境方面發(fā)揮了重要作用，提供了一系列非常切合實(shí)際的解決方案。同時(shí)也應(yīng)該看到，生物分離工程教學(xué)實(shí)踐也更好地、更直觀地詮釋了逆向思維法的內(nèi)涵和奇妙之處。

我國(guó)政府正在努力營(yíng)造提供一個(gè)開放平臺(tái)和多元化的社會(huì)氛圍，以力促科技人才創(chuàng)新能力的發(fā)展。高校、科研單位是人才培養(yǎng)方面的重要擔(dān)當(dāng)者，但如何培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)造性新思維，如何塑造其逆向思維能力等問題則需要我們從認(rèn)知、理論、具體的實(shí)例等方面加強(qiáng)探索。

[1]劉漢民.論逆向思維[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005, 19(9):96-100.

[2]柳潔冰.高等數(shù)學(xué)中的逆向思維方法[J].科教文匯(中旬刊)，2012(12):95-96.

[3]沈曉芳, 丁洪山.例談高等數(shù)學(xué)教學(xué)中逆向思維的培養(yǎng)[J].通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013, 34(5):79-80.

[4]周湘, 張昕, 林海萍, 等.微生物學(xué)教學(xué)過程中培養(yǎng)逆向思維的一些體驗(yàn)[J].微生物學(xué)通報(bào), 2011, 38(11): 1715-1717.

[5] PRESCOTT L M, HARLEY J P, KLEIN D A.Microbiology[M].5thed.New York: McGraw-Hill Publishing Co., 2002：11-12.

Evaluation on the Reverse Thinking in Bio-Separation Engineering

ZHAO Dongxu, XIE Haiyan，F(xiàn)ENG Yongjun

(School of Life Sciences, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China )

Reverse thinking is an important way of innovative thinking.In field of modern biochemical separation, it’s abundant of way of reverse thinking.This paper enumerated and analyzed the way of reverse thinking in the three main procedures, i.e.extraction, primary separation and refining in bio-separation engineering, including positive absorption and negative absorption, fixed bed absorption and expanded bed absorption, two- aqueous phase system, small particle medium and monolithic column, reverse elution, radial chromatography, etc.Finally, this paper gave some suggestion on how to design the teaching.

reverse thinking; bio-separation engineering; innovation

2014-05-30；修改日期:2014-07-24

2013年度北京理工大學(xué)學(xué)位與研究生教育發(fā)展研究項(xiàng)目(2013Y08B04-019)。

趙東旭(1965-)，男，博士，副教授，主要從事生物活性成分的分離分析工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.041