真空冷冻干燥技术的应用研究
摘要：简要介绍真空冷冻干燥技术的原理、操作步骤和特点，对真空冷冻干燥技术在医药工业、食品工业、生物材料和新材料方面的应用与发展状况作一综述。
关键词：真空冷冻干燥；食品工业；医药工业；生物材料；新材料
中图分类号：TB79文献标识码：A文章编号：1672-979X(2007)08-0057-04
真空冷冻干燥技术是将真空、冷冻和干燥相结合的综合性技术，涉及多学科领域，如真空、传热传质、流体力学、制冷、自动控制、生物工程等。真空冷冻干燥是干燥领域中设备最复杂，能耗最大，干燥成本最高的一种方法，与传统热风干燥后的物料相比技术特点如下[1，2] ：(1)由于物料是在低于水的三相点压力(610.5 Pa)以下干燥，相应的相平衡温度低，且处于高度缺氧状态。因此适用于干燥极为热敏和极易氧化的物料，可保留新鲜物料中的大部分营养物质和有效成分；(2)物料在冻结时形成稳定的固体骨架，水分升华后固体骨架基本保持原有形状，且多孔结构的制品具有极好的速溶性、复水性和复水率；(3)真空冷冻干燥可以除去物料中95%以上的水分，使产品能在室温或较高的温度下长期保存，且质量轻、易运输。
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真空冷冻干燥的方法自20世纪创立以来现已有了很大的完善和发展，其应用范围逐渐扩大，从最初仅用于医药和食品行业，发展到宇航、石油、海洋及新材料的研制等领域。
1在医药工业中的应用
药品冷冻干燥包括西药和中药两部分。西药冷冻干燥技术已日趋成熟并实现了大规模工业化生产，中药冷冻干燥目前则还局限于人参、鹿茸、山药、冬虫夏草等少量药材，尚未实现规模化生产。药品冷冻干燥的目的是药品不变质且尽量减少有效成分的损失，适于长期贮存、准确定量、复水再生以及大批量无菌化生产。
1.1生物制药
生物药品主要包括蛋白质类、多肽类、酶类、多糖类等药品以及血清、疫苗、抗毒素等生物制品。冷冻干燥技术在生物药品领域的应用很重要。文献报道，约14%的抗生素类药品，92%的大分子生物药品，52%的其他生物制剂需要冻干。李保国等[3]探讨了生物药品冷冻干燥过程中存在的问题，关键工艺参数的控制以及冻干保护剂对生物药品冷冻干燥的影响，分析了蛋白质类药品冻干过程的变性与预防措施，认为药品中蛋白质的变性程度与预冻过程中形成的冰晶与蛋白质分子接触的总面积有关。接触面积越大，冻干过程中的活性损失就越大。因此，在冻干过程和干燥状态下，能取代水分子并能与蛋白质分子形成氢键的糖类(保护剂)可较好地保护蛋白质活性。
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1.2中药
传统中药在晾晒、风干以及饮片炮制加工过程中，植物蛋白、微生物、挥发油、多糖类物质等有效成分会受到破坏。魔芋甘露聚糖是从魔芋精粉中提取的高附加值多糖，有减肥、降血脂、抗肿瘤及增强人体免疫力等活性。王照利等[4]实验确定了魔芋甘露聚糖湿品的三相点温度为-20℃，并根据能耗和生产成本确定最小真空度为80 Pa。根据魔芋甘露聚糖湿品所能承受的共熔点温度极限确定搁板温度为-21℃。采用此工艺参数，冻干产品色泽洁白、疏松多孔，经检验含水率为10.50%，魔芋甘露聚糖纯度为96.408%(以纯干基计)，为大批量真空冷冻干燥魔芋甘露聚糖提供了参考依据。用药效高于干品数倍的真空冷冻干燥中药逐渐取代传统中药已显现出广阔的应用前景。
2 在食品工业中的应用
20 世纪50 年代，食品冷冻干燥已从实验研究应用到小规模生产，随着技术的不断突破，又向规模工业化发展。近年人们越来越注重加工食品的方便、营养保健和高品质，因此对冻干食品的需求不断增加。
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2.1果蔬加工
我国是农业大国，有丰富的水果和蔬菜资源。长期以来我国农产品一直徘徊在技术含量较低的出口原料或初级加工阶段。冻干食品是普通干燥食品价格的5～10倍，且有巨大的市场需求。开发冻干食品可提高我国出口食品的档次，获得较高的附加值和经济效益。果蔬的结构形态和成分决定其冷冻干燥加工的难易度。一般是，物料尺寸越小、结构越均一，处理越容易。因为这样的物料表面积大，受热和冷却均匀，冷冻干燥时间短且易控制。果蔬冷冻干燥加工工艺过程基本相同：清洗—预处理—漂烫—冷冻干燥—充气包装。随着食品科研工作者的不断努力，相继确定了一些果蔬的冻干工艺参数。例如段江莲等[5]测定梨枣的共晶点为-3℃；搁板温度每提高10℃，冻干时间缩短2.0 h；厚度每增加2.0 mm, 冻干时间延长2.3 h；用0.2% 的维生素C护色，搁板温度为70℃，以枣片厚度3.0 mm 的工艺条件生产冻干梨枣, 能最大限度地保持原果的风味、形态、色泽，且冻干时间短，生产成本低, 为梨枣冻干加工的工业化生产提供了依据。
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2.2水产品加工
水产品加工是提高水产品综合效益和附加值的重要途径。深加工可提高优质水产品的品位，增加低质水产品的营养源、综合利用率和附加值。云霞等[6]实验比较了冷冻温度-25 ℃，冷阱温度-29 ℃～-31 ℃，真空度10～20 Pa，冻干最终温度60 ℃的条件下，冻干海参与盐泽海参的感官指标、理化指标，结果表明无显著差异。
2.3 食用菌加工
食用菌是无公害的天然绿色食品，有很高的食用价值和保健价值，被誉为21世纪的健康食品。陈合等[7]用电阻测量装置测定香菇和金针菇的共晶点分别为-29 ℃和-32 ℃，共熔点均为-18 ℃；分析了切片厚度、压力、干燥温度及冻结速度对干燥速率的影响。结果表明，未经漂烫的香菇切片厚度6 mm，-35 ℃冻结90 min，冻结速度-1.0 ℃/min，-18 ℃升华7 h，40 ℃解析6 h，解析升温速度0.5 ℃/min；经漂烫的金针菇-39 ℃冻结90 min，冻结速度-1.0 ℃/min，-20 ℃升华10 h，45 ℃解析6 h，解析升温速度0.5 ℃/min，在此优化条件下冷冻干燥，能较好地保持食用菌的营养且复水性好。
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3在生物材料制备方面的应用
3.1生物工程材料制备
角膜是眼球最外层的透明薄膜，厚度仅0. 58～0. 64 mm ，其结构分为5层，主要成分是水、蛋白聚糖、氨基酸等, 含水量为72%～82%。徐成海等[8]分析真空冷冻干燥过程对角膜活性的影响。结果表明，冻干过程中可能对角膜细胞造成损伤的是预冻和干燥两个阶段，通过调整工艺参数，成功冻干出合格的人眼角膜。冻干后的角膜易长期保存，经生理盐水复水后结构与新鲜角膜类似。
胶原蛋白-羟基磷灰石复合物是用于修补骨缺损的理想生物医用材料。在烧结成型前，通常真空冷冻干燥制得含有大量微孔的粉末，可为引导骨组织生长提供合适的理化微环境，提高生物相容性。史宏灿等[9]用聚丙烯单丝、聚乙丙交酯纤维编织成直管状网管，内壁涂以聚氨酯薄膜和胶原蛋白，外壁用胶原蛋白-羟基磷灰石多孔状海绵覆盖，设计出新型的人工气管假体。真空冷冻干燥胶原蛋白-羟基磷灰石海绵特有的三维多孔结构，孔径控制在100～200μm，空隙间共通，为细胞的黏附、爬行和组织生长提供了足够的空间。
3.2生物大分子功能材料制备
茶多糖(tea-polysaccharide)是茶叶中与蛋白质相结合的酸性多糖或糖蛋白，具有降血糖、消炎、抗凝、抗血栓等药理作用。周志等[10]将茶叶粉碎，微波联合水浴浸提，离心、浓缩、醇析，再经真空冷冻干燥得灰色粉状粗茶多糖，用Sevag法脱蛋白质，将体积比4∶1 的氯仿/正丁醇混合液加入样品，离心除去混合液与残留蛋白质形成的凝胶，最后真空冷冻干燥得到灰白色茶多糖。此工艺复杂，但茶多糖纯度较高且较好地保持了生物活性，真空冷冻干燥是关键。, 百拇医药(房星星 吕晓东)
关键词：真空冷冻干燥；食品工业；医药工业；生物材料；新材料
中图分类号：TB79文献标识码：A文章编号：1672-979X(2007)08-0057-04
真空冷冻干燥技术是将真空、冷冻和干燥相结合的综合性技术，涉及多学科领域，如真空、传热传质、流体力学、制冷、自动控制、生物工程等。真空冷冻干燥是干燥领域中设备最复杂，能耗最大，干燥成本最高的一种方法，与传统热风干燥后的物料相比技术特点如下[1，2] ：(1)由于物料是在低于水的三相点压力(610.5 Pa)以下干燥，相应的相平衡温度低，且处于高度缺氧状态。因此适用于干燥极为热敏和极易氧化的物料，可保留新鲜物料中的大部分营养物质和有效成分；(2)物料在冻结时形成稳定的固体骨架，水分升华后固体骨架基本保持原有形状，且多孔结构的制品具有极好的速溶性、复水性和复水率；(3)真空冷冻干燥可以除去物料中95%以上的水分，使产品能在室温或较高的温度下长期保存，且质量轻、易运输。
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真空冷冻干燥的方法自20世纪创立以来现已有了很大的完善和发展，其应用范围逐渐扩大，从最初仅用于医药和食品行业，发展到宇航、石油、海洋及新材料的研制等领域。
1在医药工业中的应用
药品冷冻干燥包括西药和中药两部分。西药冷冻干燥技术已日趋成熟并实现了大规模工业化生产，中药冷冻干燥目前则还局限于人参、鹿茸、山药、冬虫夏草等少量药材，尚未实现规模化生产。药品冷冻干燥的目的是药品不变质且尽量减少有效成分的损失，适于长期贮存、准确定量、复水再生以及大批量无菌化生产。
1.1生物制药
生物药品主要包括蛋白质类、多肽类、酶类、多糖类等药品以及血清、疫苗、抗毒素等生物制品。冷冻干燥技术在生物药品领域的应用很重要。文献报道，约14%的抗生素类药品，92%的大分子生物药品，52%的其他生物制剂需要冻干。李保国等[3]探讨了生物药品冷冻干燥过程中存在的问题，关键工艺参数的控制以及冻干保护剂对生物药品冷冻干燥的影响，分析了蛋白质类药品冻干过程的变性与预防措施，认为药品中蛋白质的变性程度与预冻过程中形成的冰晶与蛋白质分子接触的总面积有关。接触面积越大，冻干过程中的活性损失就越大。因此，在冻干过程和干燥状态下，能取代水分子并能与蛋白质分子形成氢键的糖类(保护剂)可较好地保护蛋白质活性。
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1.2中药
传统中药在晾晒、风干以及饮片炮制加工过程中，植物蛋白、微生物、挥发油、多糖类物质等有效成分会受到破坏。魔芋甘露聚糖是从魔芋精粉中提取的高附加值多糖，有减肥、降血脂、抗肿瘤及增强人体免疫力等活性。王照利等[4]实验确定了魔芋甘露聚糖湿品的三相点温度为-20℃，并根据能耗和生产成本确定最小真空度为80 Pa。根据魔芋甘露聚糖湿品所能承受的共熔点温度极限确定搁板温度为-21℃。采用此工艺参数，冻干产品色泽洁白、疏松多孔，经检验含水率为10.50%，魔芋甘露聚糖纯度为96.408%(以纯干基计)，为大批量真空冷冻干燥魔芋甘露聚糖提供了参考依据。用药效高于干品数倍的真空冷冻干燥中药逐渐取代传统中药已显现出广阔的应用前景。
2 在食品工业中的应用
20 世纪50 年代，食品冷冻干燥已从实验研究应用到小规模生产，随着技术的不断突破，又向规模工业化发展。近年人们越来越注重加工食品的方便、营养保健和高品质，因此对冻干食品的需求不断增加。
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2.1果蔬加工
我国是农业大国，有丰富的水果和蔬菜资源。长期以来我国农产品一直徘徊在技术含量较低的出口原料或初级加工阶段。冻干食品是普通干燥食品价格的5～10倍，且有巨大的市场需求。开发冻干食品可提高我国出口食品的档次，获得较高的附加值和经济效益。果蔬的结构形态和成分决定其冷冻干燥加工的难易度。一般是，物料尺寸越小、结构越均一，处理越容易。因为这样的物料表面积大，受热和冷却均匀，冷冻干燥时间短且易控制。果蔬冷冻干燥加工工艺过程基本相同：清洗—预处理—漂烫—冷冻干燥—充气包装。随着食品科研工作者的不断努力，相继确定了一些果蔬的冻干工艺参数。例如段江莲等[5]测定梨枣的共晶点为-3℃；搁板温度每提高10℃，冻干时间缩短2.0 h；厚度每增加2.0 mm, 冻干时间延长2.3 h；用0.2% 的维生素C护色，搁板温度为70℃，以枣片厚度3.0 mm 的工艺条件生产冻干梨枣, 能最大限度地保持原果的风味、形态、色泽，且冻干时间短，生产成本低, 为梨枣冻干加工的工业化生产提供了依据。
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2.2水产品加工
水产品加工是提高水产品综合效益和附加值的重要途径。深加工可提高优质水产品的品位，增加低质水产品的营养源、综合利用率和附加值。云霞等[6]实验比较了冷冻温度-25 ℃，冷阱温度-29 ℃～-31 ℃，真空度10～20 Pa，冻干最终温度60 ℃的条件下，冻干海参与盐泽海参的感官指标、理化指标，结果表明无显著差异。
2.3 食用菌加工
食用菌是无公害的天然绿色食品，有很高的食用价值和保健价值，被誉为21世纪的健康食品。陈合等[7]用电阻测量装置测定香菇和金针菇的共晶点分别为-29 ℃和-32 ℃，共熔点均为-18 ℃；分析了切片厚度、压力、干燥温度及冻结速度对干燥速率的影响。结果表明，未经漂烫的香菇切片厚度6 mm，-35 ℃冻结90 min，冻结速度-1.0 ℃/min，-18 ℃升华7 h，40 ℃解析6 h，解析升温速度0.5 ℃/min；经漂烫的金针菇-39 ℃冻结90 min，冻结速度-1.0 ℃/min，-20 ℃升华10 h，45 ℃解析6 h，解析升温速度0.5 ℃/min，在此优化条件下冷冻干燥，能较好地保持食用菌的营养且复水性好。
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3在生物材料制备方面的应用
3.1生物工程材料制备
角膜是眼球最外层的透明薄膜，厚度仅0. 58～0. 64 mm ，其结构分为5层，主要成分是水、蛋白聚糖、氨基酸等, 含水量为72%～82%。徐成海等[8]分析真空冷冻干燥过程对角膜活性的影响。结果表明，冻干过程中可能对角膜细胞造成损伤的是预冻和干燥两个阶段，通过调整工艺参数，成功冻干出合格的人眼角膜。冻干后的角膜易长期保存，经生理盐水复水后结构与新鲜角膜类似。
胶原蛋白-羟基磷灰石复合物是用于修补骨缺损的理想生物医用材料。在烧结成型前，通常真空冷冻干燥制得含有大量微孔的粉末，可为引导骨组织生长提供合适的理化微环境，提高生物相容性。史宏灿等[9]用聚丙烯单丝、聚乙丙交酯纤维编织成直管状网管，内壁涂以聚氨酯薄膜和胶原蛋白，外壁用胶原蛋白-羟基磷灰石多孔状海绵覆盖，设计出新型的人工气管假体。真空冷冻干燥胶原蛋白-羟基磷灰石海绵特有的三维多孔结构，孔径控制在100～200μm，空隙间共通，为细胞的黏附、爬行和组织生长提供了足够的空间。
3.2生物大分子功能材料制备
茶多糖(tea-polysaccharide)是茶叶中与蛋白质相结合的酸性多糖或糖蛋白，具有降血糖、消炎、抗凝、抗血栓等药理作用。周志等[10]将茶叶粉碎，微波联合水浴浸提，离心、浓缩、醇析，再经真空冷冻干燥得灰色粉状粗茶多糖，用Sevag法脱蛋白质，将体积比4∶1 的氯仿/正丁醇混合液加入样品，离心除去混合液与残留蛋白质形成的凝胶，最后真空冷冻干燥得到灰白色茶多糖。此工艺复杂，但茶多糖纯度较高且较好地保持了生物活性，真空冷冻干燥是关键。, 百拇医药(房星星 吕晓东)