冷凍干燥技術發(fā)展史

冷凍干燥技術 (FD) 是20世紀新興的一種應用于生物體的脫水干燥方法,，自20世紀初真空泵與制冷機問世后，有人將兩者 結合,，并于1909年首次實現(xiàn)了冷凍干燥技術的應用,。1919年，Shackell 利用冷凍干燥技術（FD）實現(xiàn)了菌種,、病毒以及血清的穩(wěn)定保存,，實現(xiàn)了凍干技術最初的實際應用，并于第二次世界大戰(zhàn)期間解決了人體血漿和抗生素的貯存和運輸問題,，自此冷凍干燥技術開始在生物制藥和生物制品產(chǎn)業(yè)中迅速興起,。

FD技術在食品領域的應用起源于20世紀30年代，英國的Fikidd提出FD技術在食品加工領域應用的可能性,。 此后,，于20世紀40年代， 俄羅斯科學家開始進行FD產(chǎn)品的小型實驗并獲得成功,。 隨著1958年第一屆國際冷凍干燥會議的召開,，針對凍干過程的物理生物學基礎研究以及工業(yè)應用的優(yōu)化引起了大量學者關注，并促進FD技術在食品行業(yè)的進一步推廣,。

上世紀60年代,，美國將FD技術 用于加工食品及農(nóng)副產(chǎn)品，并應用于太空食品的制造,。1961年英國Aberdeen食品實驗工廠針對食品FD技 術展開一系列研究,，并證明FD技術的應用為優(yōu)質食 品生產(chǎn)提供了無限可能性。 此后,，F(xiàn)D食品得到了快 速發(fā)展,，據(jù)資料記載，從1965到1970年,，全球的FD食 品廠從50多家增加到了100多家,；自1963年起,，9年內(nèi)美國的FD食品產(chǎn)量從5000t增長到175000t。 從 20 世紀80年代到90年代,，全球的FD食品得到了迅 猛發(fā)展,，發(fā)達國家近一半的方便食品采用FD技術研制，并已經(jīng)普遍被人們所接受,。

冷凍干燥技術原理

水可分別以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種狀態(tài)存在,，當大氣壓降低到一定程度（610.5 Pa）時,，水的沸點與冰點重合，此時水分子可以在低溫條件下實現(xiàn)由冰到蒸汽的直接轉變,，這個過程被稱為水的升華,。 冷凍干燥技術是通過將濕物料凍結至共晶點溫度以下，利用水的升華原理,，在低壓條件下直接去除物料中水分子的干燥技術,，并通過真空系統(tǒng)中的水蒸氣冷凝器捕獲物料中升華出的水蒸氣，從而獲得貯藏期長,、體系穩(wěn)定且營養(yǎng)功能完整的脫水產(chǎn)品,。

凍干過程主要可以分為三個階段，分別為預凍階段,、升華干燥階段（第一階段干燥） 與解析干燥階段（第二階段干燥）,。

預凍階段：該階段主要將濕物料中大量的自由水凍結成固態(tài)，一般根據(jù)不同物料的共融點來確定適宜的預凍溫度,。 由于物料處于凍結狀態(tài),，物料體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，預凍速率與凍干物料種類存在顯著相關性,。 速凍形成的冰晶較小,，對物料細胞結構的影響較小。 相反,，緩慢冷凍過程會生成較大冰晶,，留下較大的孔狀結構，從而有利于水的升華,。 然而較大冰晶將破壞細胞的原始結構,，對物料組織結構和相關生物活性物質 具有一定影響 。

升華干燥階段（第一階段干燥）：該階段需要對物料進行適當?shù)纳郎?，使物料中處于凍結狀態(tài)的游離態(tài) 水發(fā)生升華,， 在這期間約去除物料中全部水分的 90％。 不同物料由于其自身的物質組成,、水分含量,、 水分分布及水分狀態(tài)等特性存在差異,，導致該階段水 分升華所需要的熱量也存在差異。 該階段內(nèi)需要保證 溫度既不能超過物料本身的共融點溫度,，還要超過水的升華溫度,。 若升華溫度高于共融點過多，物料將會因體系中水分粘度的減小而發(fā)生體積塌陷,、變色,、出現(xiàn)氣泡等現(xiàn)象，故物料升華溫度以接近共融點,，同時超過水升華點為宜,。

解析干燥階段（第二階段干燥）：基于前一階段， 本階段繼續(xù)將第一階段未去除的約10％的結合水升華除去,。該階段需要有足夠高的真空度,，確保解析出的結合水有足夠動力從物料中逸出。 此外,，由于結合水的解析需要較高的能量,，所以需要確保此階段的溫度達到一定水平。 由于物料的物質組成,、形狀以及殘 水含量不同,，具體的解析時間需要由具體物料的基本性質來決定。

凍干技術的優(yōu)勢：

與通常的曬干,、烘干,、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比,、凍干技術有許多突出的優(yōu)點,。

1. 低溫干燥，不使蛋白質,、微生物類產(chǎn)生變性,、失去活力。對于熱敏感物質如疫苗,、菌類,、毒種、血液制品的干燥特別適用,。

2. 低溫干燥,，使物質中的揮發(fā)成分和受熱變形的營養(yǎng)成分損失很小，是化學制品,、藥品和食品的優(yōu)質干燥方法

3. 在低溫干燥過程中,，微生物的生長和酶的作用幾乎無法進行，能最好地保持物質原來的性狀

4. 干燥后體積,、形狀基本不變,、物質呈海綿狀,，無干縮。復水時與水接觸面積大,，能迅速還原到原來的性狀

5. 真空干燥狀態(tài),，氧氣極少，使易氧化的物質得到了保護

6. 能出去物質中95-99%的水分,，制品的保存期長

凍干機應用

應用領域：真空冷凍干燥技術在生物工程,、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè),、材料科學和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等領域有著廣泛的應用,。

目前凍干機的用途主要應用在以下一些方面：

1. 藥品冷凍干燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍干燥在國內(nèi)已經(jīng)得到了一定的發(fā)展,，很多較大型的制藥廠都有冷凍干燥設備。在針劑方面,，冷凍干燥工藝采用的比較多,，提高了藥品質量和貯存期限，給醫(yī)患雙方都帶來了利益,。但目前凍干藥品的品種不多,，產(chǎn)品價格高，干燥工藝不先進,。

在中藥方面,，目前還只局限在人參、鹿茸,、山藥,、冬蟲夏草等少量中藥材的凍干,，大量的中成藥還沒有采用凍干工藝,，與國外差距較大,。日本幾年前就開展了“漢藥西制”,，改變了中藥的熬制方法,，解決了中藥不能制成針劑或片劑的傳統(tǒng),，也解決了中藥不治急病的難題,，因此我國中藥凍干工藝及產(chǎn)品的研究很有潛力可挖,。

2. 生物制品,、藥品：抗生素,、抗毒素、診斷用品和疫苗

3. 微生物和藻類：如酵母,、酵素,、原生物、微細藻類等

4. 生物標本,、活組織方面：如制作各種動植物標本,，干燥保存用于動物異種移植或同種移植的皮層,、角膜、骨骼,、主動脈,、心臟瓣膜等邊緣組織。

5. 制作用于光學顯微鏡,、電子掃描和投射顯微鏡的小組織片

6. 食品的干燥：如咖啡,、茶葉、魚肉蛋類,、海藻,、水果、蔬菜,、調(diào)料,、豆腐、方便食品等

7. 高級營養(yǎng)品及中草藥：如蜂王漿,、蜂蜜,、花粉、中草藥制劑等

8. 材料類：如化工中的催化劑,，凍干后可提高催化效率5-20倍,；將植物葉子、土壤凍干后保存,，用以研究土壤,、肥料、氣候對植物生長的影響及生長因子的作用,；潮濕的木制文物,、淹壞的書籍稿件等用凍干法干燥，能最大限度地保持原狀,。

凍干機類型

制藥：根據(jù)生產(chǎn)規(guī)?；驅嶒灥男枨? 凍干機一般可分為三個系列,即實驗系列、中試及小規(guī)模生產(chǎn)系列, 以及工業(yè)生產(chǎn)系列,。實驗系列的凍干機用于研發(fā)之用,冷凝器的結冰量每批小于10公斤, 凍干箱的板層面積小于0.5平方米之間,。中試及小規(guī)模生產(chǎn)系列用于擴大試驗及小生產(chǎn)之用。冷凝器的結冰量每批在 10-40 公斤之間, 凍干箱的板層面積在 0.5-2 平方米之間,。工業(yè)生產(chǎn)系列的凍干機用于工廠大規(guī)模生產(chǎn)之用, 冷凝器的結冰量每批在40-1600公斤之間, 凍干箱的板層面積在 3-80 平方米之間,。

實驗室常用凍干機

中試用凍干機（凍干工藝開發(fā)）

生產(chǎn)型凍干機

生物工程：用于制造凍干粉針。雖然冷凍干燥技術應用于生物制品具有許多優(yōu)勢,，但同時生物制品在冷凍干燥的過程中也容易發(fā)生變性導致藥物效價降低,。在技術上為了降低冷凍干燥對生物制品的不良影響，往往采用添加輔料或者優(yōu)化凍干工藝這兩種方法,。

小型凍干粉針凍干機

大型粉針凍干機

食品：冷凍干燥技術可用于各類農(nóng)副產(chǎn)品,。果蔬類,，如桑果、黃秋葵等,；特色農(nóng)產(chǎn)品,，如木耳、野生菌等,；谷物類,，如面類、豆類,、玉米等,；肉禽水產(chǎn)類，如畜禽,、肉,、蛋、奶等,。經(jīng)研究表明,，凍干技術處理后的產(chǎn)品，營養(yǎng)成分得以更大程度的保存,，體積和重量也大幅降低，便于運輸,，適合長期保存,，且復水性良好。

食品用凍干機

材料：在材料工程方面,，冷凍干燥技術可以作為一種簡單,、高效、環(huán)保及可控的材料結構調(diào)控方法,，可使有序多孔復合材料具有多種優(yōu)良的性能,。

化妝品：化妝品分為液態(tài)類、半固態(tài)類,、固態(tài)類,、膏霜乳液類、氣霧劑類,、有機溶劑類,、蠟基類、其他類等8大類,，其中液態(tài)類,、半固態(tài)類、膏霜乳液類等常規(guī)化妝品因營養(yǎng)豐富且含有較多的水分而存在一些缺陷 ：（1）儲存和使用過程中容易引 起微生物的生長與繁殖,，造成使用的不安全性,。（2）在液體狀態(tài)下,，具有活性的功效成分含量易下降，造成功效降低,。（3）化妝品中需要加入防腐劑以防止微生物的生長與繁殖,，防腐劑主要包括苯甲醇、苯甲酸,、水楊酸,、硼酸、山梨酸以及其他醇類,、 醛類等物質,，過量使用防腐劑對人體有一定的損害作用。

基于液態(tài)的常規(guī)化妝品存在的缺陷和凍干產(chǎn)品具有的優(yōu)勢,，可以將部分液態(tài)化妝品開發(fā)成凍干產(chǎn)品,。透明質酸鈉是一種雙糖重復結構單元組 成的線性多糖，具有一定的熱不穩(wěn)定性,，營養(yǎng)豐富易造成微生物污染,，適宜于開發(fā)成凍干產(chǎn)品。

化妝品凍干粉針