生物分离工程中的逆向思维浅析

赵东旭，谢海燕，冯永君

(北京理工大学 生命学院,北京 100081)

·研究生实验教学·

生物分离工程中的逆向思维浅析

赵东旭，谢海燕，冯永君

(北京理工大学 生命学院,北京 100081)

逆向思维是创新思维的一种。在现代生物分离技术中，汇集了多种逆向思维的思路。该文列举并分析了生物分离工程的提取、初步分离、产品高度纯化3个重要环节；对环节内的逆向思维法，主要包括正吸附与负吸附、固定床吸附与膨胀床吸附、双水相萃取、从小颗粒介质到整体柱、反向洗脱、径向层析等技术进行了阐述；最后，提出了相关教学设计的思路。

逆向思维；生物分离工程；创新

逆向思维法或反向思维法是指，为实现某一创新或解决某一因常规思路难以解决的问题而采取的反向思维寻求解决问题的方法。逆向思维法是相对于正向思维法而言的。正反向思维起源于事物的方向性，客观世界存在着互为逆向的事物，由于事物的正反向，才产生思维的正反向，两者是密切相关的。人们解决问题时，习惯于按照熟悉的、常规的思维路径去思考，即采用正向思维，有时能找到解决问题的方法，收到令人满意的效果。然而，实践中也有很多事例，利用正向思维却不易找到问题的正确答案，一旦运用逆向思维，常常会取得意想不到的功效。这说明反向思维是摆脱常规思维羁绊的一种具有创造性的思维方式[1]。逆向思维法在中学、高校的教学中经常被教师所用到，尤其在数学课程的教学中尤为普遍[2-3]，也有在生物学的教学中用到逆向思维方法的报道[4]。本文在高等生物分离工程的教学中，对一些分离理论或技术也常常有意识地强调逆向思维方法的奇妙作用或影响。

1 生物分离工程中的逆向思维

生物分离工程的诸多环节均体现了逆向思维的思路，下面根据分离操作单元(提取、初步纯化、高度纯化)的先后顺序进行介绍。

1.1 提取过程中的逆向思维

患者在需要煎服中草药时，医务人员有时会告诉患者药液中的有用成分是哪类物质，几乎不会告知药液的有害成分是哪类物质(限于目前的条件，大家对很多的中药单方或复方中的主要成分或功能成分或重要成分是不太清楚的)。一般来说，中药提取物中含有一定的有害成分，中草药煎煮液的冷沉过程是去除树胶等有害杂质的过程，但这远远不够。目前，常规的研究思路是如何高效获取有效部位(成分)，但在如何高效去除有害成分的研究方面还未引起足够的重视，而这恰恰是众多的中药服用者所最为关心的问题。因此，由关注有效成分的获取转为探索有害成分的去除，鲜明地体现了逆向思维的思想方法。

1.2 初步纯化过程中的逆向思维

生物活性成分的纯化过程用到的最常用技术是吸附技术、沉淀技术、萃取技术等，其中均含有逆向思维的思想。

1)正吸附与负吸附、常规层析洗脱方法与前沿展开层析法。

气体或液体分子在固体表面上相对聚集的现象称为吸附。吸附技术是一种对大体积样品中浓缩或富集目标分子的最常用方法。按照惯常的思维习惯，人们总是希望用吸附剂将目标分子吸附而不吸附其他的杂质分子，但是当含有目标成分的样品溶液中目标分子浓度高、杂质分子的浓度很低时，也可以采用改变吸附剂或吸附条件以吸附杂质分子的思路来使两类成分分开，既达到分离目的，也节约吸附剂。两种吸附方法分别被称之为负吸附与正吸附。这种情况在正常的层析洗脱操作中也类似。一般情况下，当样品溶液中含有2种或3种成分，且目标成分浓度高但对吸附剂的吸附力弱，而杂质成分的情况与此相反时，在层析过程中常采用相反的策略，即根据杂质分子吸附力强、含量低的特点，采用长时间、饱和进样且以样品液作为洗脱液的层析方法，使整个层析介质的活性位点全部吸附上杂质分子，充分、高效利用层析介质，而进样过程中的流出液里仅仅含有未被吸附的目标成分，从而实现目标成分与杂质成分的分离。这种方法被称为前沿展开层析法；而常规的层析法，少量进样后要使用新的洗脱液进行洗脱。

2)膨胀床吸附与固定床吸附。

一般的固定床吸附所对应的样品是去除颗粒成分的真溶液，但是对于含有大量颗粒的样品(如动物细胞悬浮液、细菌破碎液等)，采用固定床的吸附方式显然不合适。可采用柱底部进样的方式将吸附剂分散并驻留在一定位置，含有颗粒的样品液直接进样，游离的目标分子被吸附，样品中的颗粒穿过吸附剂颗粒之间的缝隙而离开，即膨胀床吸附模式。这既实现了对目标分子的吸附，又免去了对样品液的固液分离以去除颗粒杂质的操作环节。所以，膨胀床吸附模式也是逆向思维的一种具体体现。

3)沉淀操作中的反向思维法。

常规的沉淀操作是将目标成分率先沉淀出来，而遗留杂质成分。但在实际的操作过程中，要根据具体情况来定。当目标成分和杂质成分沉淀时要求的条件均不苛刻时，一般采用优先沉淀目标成分的方法；当沉淀目标成分的条件比较苛刻时要采用沉淀杂质成分的方法。

4)双水相萃取技术、胶束萃取与反胶束萃取技术。

萃取过程一般是利用两种互不相容的溶剂分离混合成分的操作。它对于生物活性小分子的分离比较有效，但是在有机溶剂存在下，常常引起生物活性分子的沉淀、变性而失活(尤其是蛋白质类，而蛋白类成分又恰恰是生物分离工程的重点和主要对象)。那么可否将两个互不相溶的水相进行充分混合，再将其中的水溶性成分分离？或者说可否将一种水相通过条件的改变而分为两种水相？双水相萃取技术即是由此思路发展而来。借助该操作，混合样品中的水溶性成分分配到两个互不相溶的水相中，得以分离，而且未改变该技术可处理大体积样品的特点。

与此相似的胶束萃取与反胶束萃取也是一个利用正向思维与逆向思维的典型例子。在水相中加入表面活性剂，则当浓度降至临界胶束浓度(CMC)时，它会在水溶液中聚集在一起而形成聚集体，即胶束，也称为正常胶束。此时，表面活性剂的排列方向是极性基团在外，与水接触，非极性基团在内，形成一个非极性的核心，此核心可以溶解非极性物质。若将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂(油相)中，并使其浓度超过临界胶束浓度，便会在有机溶剂内形成聚集体，即反胶束。此时，表面活性剂的非极性基团在外，与非极性的有机溶剂接触，而极性基团则排列在内，形成“水池”，该极性核可以溶解极性物质，该胶束可以将极性成分螯合进来。

1.3 产品精制或高度纯化过程中的逆向思维法

层析技术和电泳技术是产品高度纯化操作中常用的技术，其中也富含逆向思维的典型思路。

1)从小颗粒介质到“巨大颗粒”介质(整体柱)。

层析介质装填的均匀度是高柱效的基本要求。例如，在一个直径约10 cm的层析柱中，分别装填玉米、大米、小米、面粉等物品时，很显然，小米和面粉的装填是均匀的。装填层析介质的实际情况是：分离附加值较低的氨基酸、核苷酸等小分子活性成分的介质(离子交换树脂)大小在1 mm左右；分离高附加值(如蛋白质等)常用的分离生物大分子的层析基质的直径约100 μm左右；而分离度更高的分析用介质的直径在5～50 μm范围内。从中可以看出，颗粒愈小且颗粒大小愈一致，装填愈均匀，柱子理论塔板数愈高，分离效果愈好。即便是直径5 μm的介质，颗粒之间仍有一定的缝隙，而装填最均匀的层析柱应该是介质颗粒之间无缝隙，那么如何达到这个效果？考虑到大小一致的小颗粒制备很难实现，可否反其道而行之？用逆向思维的方法解决了这个困扰研究人员的难题，即将颗粒有限放大到一个层析柱的大小即可。这就是整体柱产生的最初想法，通过在层析柱中原位聚合的方法可以制备不同孔径大小的整体柱。

2)反向洗脱。

常规的层析操作是进样、冲洗、洗脱、再生等环节，在整个操作过程中，液体的流动方向一直是从层析柱的顶端到底端，而在进行亲和层析操作时，则经常采取另外一种方式，即进样、冲洗、反向洗脱、再生等环节。虽然仅是在洗脱环节改变了流体的方向，但该过程具有显著的优势，大大缩短了目标物在层析柱上的停留时间(理论上愈短愈好)，避免了对层析介质的污染(层析过程会造成介质与蛋白之间不可逆吸附)。反向洗脱思路的提出虽然只是溶液流动方向的改变，实则是一种思维模式的改变，是一种创新性思维。

3)径向层析。

在层析模式设计方面的另一个创意是径向层析模式。一般层析的进样是从柱顶进入，液流流经层析柱后从底部流出，为实现理想的分离效果，进样后的样品层愈薄愈好，因此层析柱的横截面积决定了进样量。但在横截面积受限的情况下，如何解决这个问题？径向层析的思路很好地解决了这个问题。即采用样品从柱子四周进样、冲洗、洗脱的模式，液流从常规的自上而下的流动改为从四周向柱中心腔体流动，汇集后从柱底部流出。这实际上是逆向思维的另外一种方式，将一种看上去不可能的事情变为可能。

2 应用逆向思维法的课堂设计

传统的思维定式源于日积月累的思维活动、经验教训和已有的思维规律，长期的使用过程形成了稳定的、定型化或程式化的、成功率高的特点，但同时也隐含了因循守旧、创新潜力弱的不足。尤其是在科技日益发达、创新思维无限拓展的今天，我们更应该强调正向思维与逆向思维并重的思维模式。引入逆向思维法不是为了强化对该思维方法的理解，而是提醒学生在生物分离工程的相关技术中，除上述提到的逆向思维法的例子之外，在遇到其他问题或困境时要采用多方位思考问题的方式。

在课堂讲授相关的两个相对应的分离技术时，一般采用如下思路：1)首先，详细介绍常规的分离技术；然后，提出一些特殊的情况，通过学生的课堂讨论再引入借助逆向思维方法提供的解决思路。这是一个使用较多的课堂设计模式，如正吸附与负吸附的介绍、洗脱展开层析法与前沿展开层析法的对比、径向层析的引入等。2)先给出问题，通过讨论归纳出解决问题的思路，明确指出其中的常规思路和逆向思维方法。如沉淀操作中是沉淀目标物还是沉淀杂质的方案确定问题。3)给出问题并介绍多个解决方案后，通过分析、讨论，再指出何为正向思维思路，何为逆向思维思路。如对中草药提取液是设法分离出活性成分，还是设法除去有害成分的方案选择。总之，介绍分离技术的课程设计方案很多，避免千篇一律的模式即可。

对于学生来说，也可以效仿国外所倡导的SQ4R学习法(survey，question，read，revise，record and review)[5]。提问(question) 是主动学习的精髓，初步浏览(survey)为提问作准备，其后的阅读(read)、精炼问题(revise)、记录(record)和复习(review)都是围绕着问题而展开的。对于分离技术的理解要重在认识内涵，同时也要认识逆向思维法突破常规思维模式的束缚所带来的非凡之处。

3 结束语

从上述分析中可以看出，逆向思维法在解决生物分离工程所面临的问题或困境方面发挥了重要作用，提供了一系列非常切合实际的解决方案。同时也应该看到，生物分离工程教学实践也更好地、更直观地诠释了逆向思维法的内涵和奇妙之处。

我国政府正在努力营造提供一个开放平台和多元化的社会氛围，以力促科技人才创新能力的发展。高校、科研单位是人才培养方面的重要担当者，但如何培养当代大学生的创造性新思维，如何塑造其逆向思维能力等问题则需要我们从认知、理论、具体的实例等方面加强探索。

[1]刘汉民.论逆向思维[J].重庆工学院学报，2005, 19(9):96-100.

[2]柳洁冰.高等数学中的逆向思维方法[J].科教文汇(中旬刊)，2012(12):95-96.

[3]沈晓芳, 丁洪山.例谈高等数学教学中逆向思维的培养[J].通化师范学院学报(自然科学版)，2013, 34(5):79-80.

[4]周湘, 张昕, 林海萍, 等.微生物学教学过程中培养逆向思维的一些体验[J].微生物学通报, 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，FENG 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年度北京理工大学学位与研究生教育发展研究项目(2013Y08B04-019)。

赵东旭(1965-)，男，博士，副教授，主要从事生物活性成分的分离分析工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.041