LABORATORNÍ TECHNIKA
LABORATORNÍ LYOFILIZACE NEJEN PŘI KONTROLE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ
PETRÁŠ D. Pragolab s.r.o., fyzikala@pragolab.cz
Snad nebude příliš troufalé tvrzení, že v dnešní době se už s lyofilizací setkal prakticky každý. Kde? Například s překvapivě chutným lyofilizovaným ovocem. Tato triviální zkušenost nesporně svědčí o faktu, že lyofilizace doznala za poslední roky velkého technického rozvoje a především dostupnosti. Cílem tohoto článku je ukázat, jakým může být lyofilizace přínosem v běžné laboratoři, a to i se zaměřením na analýzu a zpracování vzorků při monitoringu životního prostředí.
1 Základní benefity lyofilizace Co je to lyofilizace? Jde především o techniku, která velmi precizně a šetrně zbavuje zpracovávaný materiál prakticky všech kapalných složek (nejčastěji vody, a proto tedy budeme dále uvádět už jen vodu) a při vhodném nastavení procesních parametrů dokonce i krystalicky vázanou vodu. Hlavním fyzikálním činitelem při lyofilizaci je sublimace vody po předchozím zamražení. V dnešní vyspělé instrumentaci je tento proces dále podpořen různými stupni vakua a IR zahříváním. Naprosto podstatné je, že k přeměně pevné fáze na fázi plynnou dochází, aniž by voda procházela přes fázi kapaliny, kdy by mohlo dojít k poškození nebo dokonce znehodnocení původního materiálu (vyšší teploty, rázovitá expanze vzniklých par apod.). Během procesu lyofilizace může ztratit vysoušený materiál více než 99,9% veškeré původní vody, přičemž při vhodném nastavení procesních parametrů se jedná i o odstranění vody vázané – krystalové. Lyofilizace má několik zásadních benefitů. Prvním, který ji odlišuje od ostatních dehydratačních technik, je, že dehydratace probíhá na zmrazeném, a tedy chemicky méně aktivním produktu. Druhým je přítomnost vakua, které minimalizuje účinky případné oxidace u materiálů senzitivních na působení vzdušného kyslíku. Třetí významný benefit přináší nízká teplota, která významným způsobem přispívá k potlačení případných termo-degradačních procesů v sušeném materiálu. Všechny tyto benefity přispívají k výrazně narůstající oblibě lyofilizace v mnoha laboratořích, které zpracovávají nestabilní a citlivé materiály zejména biologického nebo organického původu (vzorky zemin, tkání, enzymy, DNA apod.). Nelze opomenout, že lyofilizované materiály si ve velké míře zachová- vají svou strukturu a po přidání vhodného množství rozpouštědla (obvykle vody) získají svou původní morfologii (například buněčné materiály apod.). Lyofilizace tak šetří materiál i před strukturními degra- dacemi. Nezřídka je nutné vzorky také archivovat a jelikož při lyofilizaci dojde k odstranění naprosté většiny vody, je pak vzorek dobře ošetřen proti mikrobiálnímu růstu a chemickému rozkladu. V řadě případů je také potřeba lyofilizovaný materiál dál analyzovat a jelikož led velmi dobře sublimuje, lze při vhodném nastavení para- metrů sublimace ostatní těkavé složky v původním materiálu z velké míry zachovat. S výhodou se tato skutečnost využívá nejen u potravin, ale také i u enviromentálních vzorků (půdy, kaly apod.).
Není bez zajímavosti, že výhody lyofilizace byly známé už ve starověku. Např. peruánští Inkové v Andách tak zvyšovali trvanlivost svých zásob potravin. Potraviny ukládali na vrcholky Machu Picchu, kde je nízká teplota zamrazila a nižší atmosférický tlak vedl vlastně k pomalému lyofilizačnímu procesu a odstranění vody z těchto potravin. 2 Aplikace lyofilizace V současné době má lyofilizace velmi široké uplatnění. Dominantní po- stavení má stále potravinářský a farmaceutický výzkum, vývoj a průmysl. Je to dáno jednak historicky a dále pak i principiálními důvody – pracuje se prakticky bezvýhradně s chemicky a tepelně citlivými materiály. V neposlední řadě hrají roli i důvody čistě ekonomické, jako je potřeba prodloužení doby exspirace u potravin, léčiv apod. Kromě těchto dvou dominantních oborů postupně přibývá využití lyofilizace i v dalších oborech, kde velmi efektivně pomáhá předpřipravit celou řadu vzorků pro další zpracování, analýzy a následně i archivaci. Příkladem jsou třeba různé vzorky v rámci kontrolního monitoringu životního prostředí nebo hydrogeologických studiích v krajině. Vzorky k monitoringu životního prostředí se odebírají ze vzduchu, vody, půdy a nesčetných sedimentů nebo z vegetace a z potravin. Současně rozvíjející se environmentální banka shromažďuje, uchovává a analyzuje ohromné množství reprezentativních vzorků. Takové vzorky jsou analyzovány na extrémně širokou škálu složek a je potřeba, aby bylo možné se v případě potřeby k analýzám vrátit nebo některé analýzy i doplnit. Lyofilizace se stává při přípravě těchto vzorků důležitým hráčem. Je nutné zdůraznit, že většina analytických metod je vhodná pouze pro zkoumání malých množství vzorků, i když jsou velmi často z terénu dostupné vzorky rela- tivně velké. V mnoha případech se vyplatí lyofilizovat výchozí materiál a následně dílčím způsobem jej extrahovat pro elementární či jinou analýzu. Ke zbytku materiálu se pak lze kdykoliv opakovaně vrátit. Změny látek, které mají být stanoveny (např., těžké kovy, PCB, PAC a dioxiny), jsou takto minimalizovány. U mnoha vzorků z životního prostředí je také nutné stanovit obsah vody ve vzorku, který je dán rozdílem hmotnosti mezi čerstvou hmotou a sušinou (lyofilizovanou). Hmotnost sušiny se stanoví ze zbytku vzorku po někdy i několikadenní lyofilizaci. To současně, jak bylo řečeno už výše, umožňuje dlouhodobé skladování vysušených vzorků, aniž by došlo ke strukturní změně nebo ztrátě jiných, např. chemických vlastností vzorku.
Tab. 1: Shrnutí aplikačních oblastí lyofilizace Oblast aplikace lyofilizace
Zpracovávaný materiál
Vodohospodářství a hydrogeologie Environmentální monitoring životního prostředí
Říční a mořské sedimenty, suspendované částice, půdní vzorky, příprava vzorků pro analýzu. Kaly a sedimenty v průmyslem zatížených oblastech, říční a mořské sedimenty, suspendované částice, půdní vzorky, vzorky z rostlinných a živočišných tkání, příprava vzorků pro analýzy, archivace vzorků. Zpracovávání a uchovávání potravin, rostlin, exkrementů, kolagen, analýza dioxinů, hormonů, nutrič- ních přísad a aromatických látek
Biologický materiál
Chemická syntéza apod.
Biologicky a chemicky aktivní látky (léčiva, bio-polymery apod.) Archivace a uchovávání referenčních materiálů / sběr buněčných kmenů atd. Příprava vzorků pro lékařské vyšetření, farmaceutické testy, výroba léčiv.
Mikrobiologie
Farmacie, medicína a veterina
Umění, restauratérství Potravinářská výroba
Sušení vzácných předmětů (knihy, obrazy apod.)
Sušení ovoce, ovocných dření, masa, výroba potravinových doplňků.
14
CHEMAGAZÍN • 6 / XXXIII (2023)
Made with FlippingBook Digital Publishing Software