从牛奶的保质期谈起——“疫苗之父”法国科学家路易斯•巴斯德

从牛奶的保质期谈起,发明巴氏消毒法和狂犬病疫苗的“疫苗之父”——法国科学家路易斯•巴斯德

豆妈买菜,顺便从奶品店买回两种纯牛奶。豆豆发现一种是袋装鲜奶,冰冰凉凉的,显然是从冰箱中取出的,而另一种是盒装的纯奶,常温。豆豆好奇地问:“妈妈,为什么两种牛奶不一样呢?一种是冰的,是不是要放到冰箱?另一种不冰,放在外面就行了吗?”妈妈回答说:“是的,平时我买袋装奶都是放到冰箱保存,几天就要喝掉,盒装的就可以放时间长些!”豆豆拿起鲜奶,介绍的文字中有一行写着:经巴氏消毒法消毒,冷藏保存,保质期7天。豆豆又拿起另外一种盒装奶,保质期一行写着:常温密闭保存六个月。那么同样是纯牛奶,这两种不同包装的牛奶保质期不同秘密在哪里呢?

谈到牛奶的保质,就要谈到巴氏消毒法(巴氏杀菌法),也就是上面说的袋装牛奶的处理方法,巴氏消毒法对鲜奶消毒的原理上很简单,就是对要保存的鲜奶以60摄氏度(现在一般采用65度以上温度)以上的温度进行一段时间加热,杀死鲜牛奶中的有害细菌。处理过的牛奶中绝大部分有害细菌就会(97%以上)死亡,因此处理后的鲜奶如果在冷藏环境下就可以保存几天时间而不会变质。

而另外一种保存时间长的盒装牛奶为什么能常温保存更长时间呢?是不是加了防腐剂?其实不是这样,一般的长期保存牛奶采用的也是用高温消毒方法,但是由于温度高很多,已经不属于巴氏消毒法了,把牛奶加热到138至150摄氏度,持续几秒,几乎能够杀死牛奶中全部细菌,在抽真空的包装下保质期可以达到半年以上,且无需冷链运输。

因此这两种牛奶采用了不同的灭菌方法,一种采用温度较低的巴氏灭菌法,所以保存时间较短,必须冷藏,否则牛奶那仅剩的一点点细菌就会快速繁殖导致牛奶变质,但是由于杀菌温度低,所以也保存了牛奶中一些有益的活性物质,如乳酸菌。而后一种盒装牛奶由于采用更高温度杀菌,基本上会杀死所有的细菌和活性物,包括乳酸菌,所以营养较前一种牛奶有所降低,但是运输保存更加容易,保质期也长了很多。

说完了牛奶的保质方法,我们言归正传,进入主题:那就是来谈谈巴氏消毒法的发明者路易斯.巴斯德(Louis Pasteur)——19世纪法国一位伟大的科学家。巴斯德出生在十九世纪二十年代的法国。十八世纪中到十九世纪末的法国人才辈出,涌现了许多对人类有巨大贡献的科学家。那段时期有数学家及物理学家傅立叶,他最早使用定积分符号,提出任何函数都可以展开成三角函数的无穷级数,创立傅立叶级数和傅立叶分析。物理学家库仑通过精密的实验发现了库仑定律,电荷的单位库仑就是以他的姓氏命名。另一个伟大物理学家安培,在电磁学上取得重要的成果,而电流强度的单位就是用安培来命名。近代化学之父拉瓦锡,拉瓦锡通过化学实验,阐明了化学反应中的质量守恒定律。数学家柯西在数学方面做出许多重要的贡献,建立了极限论,并首先用复变函数的积分计算实积分,而著名的柯西不等式就是柯西在研究数学分析中的“流数”问题时得到的结果。拉普拉斯在天文学和数学领域都做出重要的贡献,在天文学上第一个提出太阳系起源理论――星云说,在数学上发表了《概率分析理论》并提出了以他名字命名的拉普拉斯变换。数学天才数伽罗华尽管在20岁的花样年华就因决斗而死,但是他提出的群论成为抽象代数的基础。泊松在数学和物理学都硕果累累,将数学应用于物理学,将泊松方程推广应用到电磁学,为静电势理论的建立做出了贡献。现在看起来,我们中学、大学的课本中多少重要章节内容都是由这段时期的法国科学家发现创立的啊!

言归正传,巴斯德1822年出生在法国东部安静的小城多勒,多勒是法国的“江南水乡”,杜河和莱茵罗纳运河穿城而过,父亲是皮鞋匠,家境一般。巴斯德至小都热爱学习,喜欢钻研,17岁考上贝桑松皇家学院,逐渐对科学产生兴趣,为了进一步学习科学,巴斯德21岁时考入巴黎高等师范学校,法国赫赫有名的顶尖学府,并在4年后拿到博士学位,毕业后先后在第戎大学任物理学教授和斯特拉斯堡大学理学院任化学教授。

巴斯德在巴黎高等师范学校的大学时期,曾对化学结晶体形态和结构进行研究,当时法国的葡萄酒产业已经非常发达,存在有两种制备酒石酸的方法,从葡萄酒中提炼酒石酸的生物合成法以及化学合成法,科学家发现这两种方法制备的酒石酸在旋光性上存在差别,自然提炼的酒石酸会令平面偏振光右旋,而化学合成得到的酒石酸(异酒石酸)却没有该性质。年轻的巴斯德对葡萄酒酿酒业非常有兴趣,这个兴趣甚至伴随他的一生,他通过显微镜的观察发现,化学合成的异酒石酸里实际上包含了右旋的酒石酸和左旋的酒石酸两种晶体,混合在一起,使得旋光性消失,而自然提炼的酒石酸只存在一种晶体。巴斯德的发现证实了旋光异构体的存在,对结构化学的发展具有重要影响。

基于对葡萄酒的热爱巴斯德又对解决葡萄酒的变质问题产生了兴趣,当时有酿酒商人慕名向巴斯德请教解决防止葡萄酒变酸的方法,巴斯德想都没想就答应了,当然报酬是酒还是法郎就不得而知了。当时科学家观察酒发酵或其他食品发酵时,在显微镜下面可以看到微生物,因此普遍认为微生物是发酵的产物。巴斯德为了解决酒变酸的问题,仔细观察发酵过程,他发现发酵过程中,微生物的数量逐渐增加,因此他认为发酵是因为微生物的数量增长造成的,同样酒变酸的原因也是如此,微生物从发酵的产物反过来变成发酵的原因。

从这个结论出发,巴斯德认为既然发酵是微生物增长造成的,而微生物也不是在酒变酸后才出现的,因此只要将酒中原来的微生物杀死就可以防止酒变酸。进一步,巴斯德进行大量实验发现很多因素都可以影响酒中微生物的生存和繁殖,例如温度,因此自然而然想到通过改变酒的温度来消灭微生物,“巴氏消毒法”这个通过加热杀菌的简单消毒方法就被发明了。

巴斯特创立的“巴氏消毒法”对食物饮料在60~65摄氏度作短时间加热处理,能够有效杀死大部分有害微生物,由于方法简单易行,效果不错,大量应用在各种食物和饮料的消毒上。后来巴斯特还通过大量实验验证了微生物本来就存在的想法,从而否定了“生物可由非生物发生”的自然发生说,提出“一切生物来自生物”的生源论。

谈完了巴斯德从大量实验出发,发现了微生物的奥秘,从而发明了“巴氏消毒法”的过程,再谈一谈巴斯德在免疫学,特别是传染病疫苗上的巨大贡献。在谈之前,先说一下巴斯德的家庭,巴斯德在斯特拉斯堡大学工作期间,认识了后来的妻子并结婚,并在随后将近半个世纪中一直享受幸福的婚姻生活,一直到离开人世,巴斯特和妻子曾经有过五个子女,但遗憾的是其中三个子女都夭折了,有一个说法是巴斯特夭折的三个孩子都是都死于伤寒,这在当时是种很普遍却无药可医的感染性疾病,而巴斯特本人把自己人生的悲剧化作研发疫苗的动力,在人生相当长一段时间都投身于常见传染病的预防研究。

有着解决酒变质问题的基础,巴斯特针对一些人和动物的常见传染病,也提出了这样一种观点:是不是跟食物变质一样,一些疾病也是由微生物在人体中繁殖引发的?当时医疗技术是非常落后,医院的外科手术经常由于败血症而导致手术病人死亡,巴斯特参与了这个医疗问题的研究,与研究食物变质一样,巴斯德通过实验发现病人术后伤口化脓的真正原因是微生物,所以他建议将外科手术器具放在火焰上烧灼加热,以杀灭微生物。

十九世纪七十年代,法国炭疽病流行,巴斯德根据之前实验得到的结论“与空气接触培养的细菌的毒性会减弱”的发现,针对当时人和动物经常得的炭疽病,决定将培养的致病细菌注射到动物体内进行预防免疫。他从死亡动物尸体上提取出致病细菌,并在试管中培养,通过培养,这些细菌的毒性变弱,巴斯德把这些减弱了毒性的致病细菌注射到一只健康动物体内,过了一段时间又把刚提取出来毒性强的细菌注射到这只健康动物体内,为了便于对照,也把毒性强的细菌注射到其他健康动物体内,然后观察动物的情况,结果不出所料,事先注射了减毒细菌的动物活了下来,而没有事先注射减毒细菌的动物则很快死亡了。巴斯德发明的炭疽病减毒疫苗成功了!

巴斯德在疫苗上的贡献远不止炭疽病疫苗,在发明炭疽病疫苗的同时,巴斯德也对另外一种致命传染病——狂犬病疫苗进行了研究,狂犬病是不仅能感染一些动物,而且能感染人类,一旦发病基本等于死亡,因此巴斯德将对付狂犬病的重点放在发病前预防上。巴斯德首先要找到狂犬病致病微生物,他从发病的狗身上采集唾液,然后注射到健康狗的脑部,健康狗很快就会发病死亡,巴斯特经过实验发现,狂犬病的致病微生物主要集中于发病动物的脊髓等包含神经的部位,因此他从病死动物身上取出部分脊髓,在磨碎干燥后混合蒸馏水注射到健康狗体内,健康狗最终都能活下来,而直接将没有干燥的脊髓颗粒混合水注射到健康狗体内,狗会很快发病死亡,因此巴斯特推断脊髓磨碎后的干燥操作对于致病微生物(狂犬病毒)的毒性减弱过程是非常重要的。

反复试验后,巴斯德成功地制备了狂犬病疫苗,并在被病犬咬伤但没发病的小孩身上成功免疫,保住了他的性命。狂犬病疫苗的发明对世界来讲是极大的贡献,由于巴斯德在疫苗上的研究成果,越来越多的传染病疫苗后来被研制出来——结核病、白喉、破伤风类毒素、鼠疫疫苗、伤寒疫苗、黄热病等疾病的疫苗一一被攻破,人类的医疗获得极大进步,人类寿命显著延长。

实际上,巴斯特的贡献远不仅上面提到一些成果,他曾被世人称为“微生物学之父”、“疫苗之父”,甚至“葡萄酒之父”,1887年,巴斯德捐款创立了微生物学和疾病预防的非营利性研究所——巴斯德研究所,该研究所一百多年历史中对白喉、破伤风、结核、小儿麻痹、流行性感冒、黄热病和鼠疫等疾病上做出了许多革命性的发现,曾有八位科学家在该研究所获得诺贝尔生理医学奖。

巴斯德70岁生日时,法国举行了盛大的庆祝会,大会送给他一枚纪念章,上面刻着:“纪念巴斯德70岁生日,一个感谢你的法兰西,一个感谢你的人类。”1895年9月28日,巴斯特与世长辞,这位伟大的科学家带给人类并不只是巴氏消毒法和狂犬病疫苗,他还创立了微生物学科,打下了免疫学基础,他忠于科学的信念和探索科学的精神都时刻激励着后来者。