1、1真空冷冻干燥技术应用探究摘要：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
2、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2运输。 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
3、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
4、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，3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。 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
5、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。 2.1 果蔬加工 4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
6、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 510 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
7、；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。 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 1020 5Pa，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
8、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。 3 在生物材料制备方面的应用 3.1 生物工
9、程材料制备 角膜是眼球最外层的透明薄膜，厚度仅 0. 580. 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6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
10、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100200m，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 41 的氯仿/正丁醇混合液加入样品，离心除去混合液与残留蛋
11、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。 74 在新材料制备方面的应用 4.1 金属超微粉体材料制备 席晓丽11，12 等采用“液液掺杂-冷冻干燥-两段还原法”制备了一系列纳米稀土钨粉末（W-La2O3，W-Y2O3，W-CeO2） 。粉末颗粒在 2030 nm 之间。粉末经 SPS 烧结后得到性能优异的纳米稀土-钨热电子发射材料。 “液液掺杂-冷冻干燥”技术从本质上改变了稀土氧化物在钨基体中掺杂的均匀性。在液-液混合条件下，第二相的尺寸极小，而体积分数增大，即第二相增强。因此，液-液掺杂实质上是利用晶界和气孔第
12、二相来控制钨晶粒的生长，使得钨晶尺寸稳定在某一范围。因此，纳米稀土钨材料掺杂均匀，沿晶界分布的稀土氧化物密度较高，分布均匀。 4.2 特殊结构材料制备 Moon 等13用冷冻干燥技术制备了具有放射状孔道结构的 NiO-YSZ 管状材料。将 NiO-YSZ 浆液倒入用冰乙醇（30 ）冷却的特制管状容器，冷冻时冰沿径向定向生长，浆液完全冷冻之后再真空中干燥，使冰完全升华后 1 000 烧结 2 h，形成孔道呈放射状排列的特殊结构材料。这种多孔材料可用作固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极，其电化学反应活性高，且可避免浓差极化现象。 Fukasawa 等14将氧化铝粉末、分散剂和水煮成的悬8浊液倒入高
13、热传导性的金属制容器，仅将容器底部浸入低温乙醇，促使冰由底部向上生长，单方向冷冻生成多孔陶瓷。这种陶瓷具有整齐排列、约 10m 的孔道结构，且孔道内壁上又有约 0. 1m 的小孔。 4.3 高分子聚合材料制备 超声造影剂能增强血液与组织的灰阶显像，增强彩色多普勒血流信号，提高病灶及多普勒血流信号的检出率，用于疾病的超声诊断与鉴别诊断。冉海涛等 15用可在人体内生物降解的新型人工合成高分子聚合物乳酸/羟基乙酸共聚物（PLGA）作为体外显影的成膜材料。首先用双乳化法制备包裹水滴的 PLGA 微球，再通过真空冷冻干燥使微球内的水分升华，形成空隙，然后在冷冻干燥室内缓慢冲入氟烷气体至常压并平衡一段时间
14、，成功制备了内含氟烷气体的 PLGA 微泡超声造影剂高聚显。 5 真空冷冻干燥技术的应用现状及发展趋势 真空冷冻干燥因设备投资大，运转费用、能耗高，限制了广泛应用。降低生产成本能耗是 21 世纪真空冷冻干燥技术的重点研究课题。Donsi 等16应用热干燥和冷冻联合干燥苹果、土豆、胡萝卜和一种密生西葫芦，比较联合干燥和冷冻干燥的产品，表明联合干燥是一种很有潜力的脱水干燥技术。 由于真空冷冻干燥技术应用于不同行业，缩短干燥时9间以及不同类型产品的最佳工艺仍是今后需要继续研究的课题。Phanindra 等17应用冷冻干燥和热风联合干燥切成块状的胡萝卜和南瓜，比较干燥速率、总能量消耗和物化特性和质量，
15、结果表明，冷冻和热风联合干燥的产品在外观和复水比方面优于热风干燥的产品，质量接近于完全冷冻干燥的产品。联合干燥的时间和总能量较完全冷冻干燥缩短 50 %，与热风干燥类似，表明联合干燥在提高脱水蔬菜的质量，节省能量消耗和时间上是有效的。 生物工程领域对真空冷冻干燥的设备要求高，且冻干工艺发展缓慢。真空冷冻干燥是制备粉状和颗粒状生物材料的关键工序，为确保生物产品特别是医药生物产品的安全，真空冻干机必须高度无尘无菌。美国食品药品管理局（FDA）要求药品的真空冷冻干燥采用蒸汽灭菌系统以便于控制灭菌操作的温度、压力和时间，保证灭菌彻底、无死角。生物活性材料的真空冻干要保持材料特有的功能和活性，又要绝对安
16、全，对人畜无毒。这使得确定药品、血液制品和生物制品冻干工艺参数比较困难。应规范冻干过程中所用的保护剂，提高冻干制品质量。 6 结束语 真空冷冻干燥技术现已在许多领域被成功地应用。但与其他干燥方法相比，设备投资较大，能耗及产品成本较高，限制了此技术的进一步发展。因此，在确保产品质量10的同时降低能耗和成本，改进生产工艺，是真空冷冻干燥技术研究的新方向。目前科研工作者正着手研究能否提高经过冷凝的制冷剂温度，利用冷凝器作为加热系统的热源达到节省能源的目的，以及更好的利用微波加热来提高产品质量。 参考文献 1沈健，崔伟. 浅谈真空冷冻干燥技术J. 农业装备技术，2006，32（2）：26-28. 2陈
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