药品和食品的冷冻干燥

药品和食品的冷冻干燥第一章绪言引起食品变质的主要原因生物作用：微生物生长（细菌、酵母菌、霉菌）化学作用：酶促生化反应（脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、氧化酶等的氧化作用、呼吸作用）物理作用：机械损伤（内、外）食品变质的抑制温度水分压力pH…….温度对微生物的影响微生物最低生长温度最适生长温度最高生长温度嗜热菌嗜温菌低温菌嗜冷菌35~455~15-5~5-10~-550~7030~4525~3012~1570~9045~5530~5515~25温度对酶的作用温度对呼吸作用的影响种类温度／℃

0~1011~2116.6~26.622.2~32.233.3~43.3草莓桃子柠檬桔子葡萄

3.454.103.953.303.352.103.151.701.802.002.202.251.951.551.45

2.001.601.65

2.50水果呼吸速率的温度系数水分活度(wateractivity)MicroorganismInhibitedawClostridiumbotulinumE.97Pseudomonasfluorescens.97Escherichiacoli.95Clostridiumperfringens.95Salmonella.95Vibriocholerae.95ClostridiumbotulinumA,B.97Bacilluscereus.93Listeriamonocytogenes.92Bacillussubtilis.91Staphylococcusaureus.87MostFungi.70Nomicrobialproliferation.50水分活度对酶的影响水分活度酶的活性物理方法化学方法食品保存方法干燥保藏法高温保藏法低温保藏法辐射保藏法泡制与腌制法化学添加剂法：阳光干燥、冷冻干燥：巴氏消毒法、超高温消毒法：抑制微生物的繁殖：利用β、γ、X射线杀灭微生物：微生物脱水和抑制或杀死腐败菌：防腐剂、保鲜剂、色素食品保存方法食品保存的基本原理：通过物理或化学因素的改变抑制微生物的生长和酶的作用。干燥（DryingorDehydration)Theoldestknownmethodoffoodpreservationisdryingfoodusingtheheatfromthesun.（晒干或风干）对流干燥接触干燥辐射干燥冷冻干燥对流干燥在湿物料干燥过程中，利用热气体作为热源去除湿物料所产生蒸气的干燥方法总称为对流干燥。它是应用最广的一种干燥方法。隧道式干燥带式干燥流化床干燥喷雾干燥被干燥物与加热面处于密切接触状态，蒸发水分的能量来自传导方式进行干燥，间壁传热，干燥介质可为蒸汽、热油。①特点：回转或滚筒加热，可实现快速干燥，可使物料固形物从3-30%增加到90-98%，表面湿度可达100-145℃，接触时间2秒-几分钟，干燥费用低，带有煮熟风味。②适用对象：浆状、泥状、液态，一些受热影响不大的食品，如麦片、米粉接触干燥以辐射形式加热粮食，降低水分的干燥方法射线的形式可以是紫外线、电子束、红外线、微波等。辐射干燥

将含水物料冷冻到冰点以下，使水转变为冰，然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。物料可先在冷冻装置内冷冻，再进行干燥。

但也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻。升华生成的水蒸气借冷凝器除去。升华过程中所需的汽化热量，一般用热辐射供给。冷冻干燥—食品保存方法之一冷冻干燥法的特点

（与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比）

1.在低温下干燥，物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分和芳香成分损失小（如蛋白质、维生素、植物营养素等）。

2.低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，能最好的保持物质原来的性状。

3.干燥后保留原有外形、色泽和构造，物质呈海绵状，无干缩，复水时，与水接触面积大，能迅速还原成原来的形状。

4.在真空下干燥，氧气少，易氧化的物质可以得到保护。5.除去物质中95%以上的水，重量轻，易于运输和长期保存。

专用设备，能耗高，耗时长，加工成本高，不能广泛采用。1.1冷冻干燥技术历史

利用冰晶升华进行脱水的原理早在19世纪初期就已有学者提出。

1909年，Shackell发表了他的冻干实验报告。所用设备是极原始的真空泵，用食盐和冰做冷媒，用硫酸做干燥剂。所得冻干制品是补体、抗血清、狂犬病毒。在研究和开发生物制品的冻干技术方面开创了新纪元。1935年，第一台商业用冻干机问世。Flosdorf和Greaves等分别研制了比较完善的冻干仪器和设备，使冻干生物技术由实验室走向工业化大生产。制冷技术＋真空技术

Lyophile法：用冷阱来捕集升华水蒸气

Cryochem法：用硫酸钙等便宜的吸水剂来捕集升华水蒸气

Desivac法：用抽气机抽除升华水蒸气1940年，冻干人血浆和青霉素的大量生产，第二次世界大战对冻干技术在医药界的应用起到了巨大的推动作用。战后，冻干法又迅速扩展到各种疫苗、药品等领域。直到目前，冻干技术在医药生产领域仍在广泛地应用。对食品冷冻干燥的系统研究始于50年代。

60年代，世界冻干食品有了长足发展。美、日、德、荷兰、丹麦等国相继建立起了自己的食品冻干工厂。当时，出现在欧美市场上的所有冻干食品中，以咖啡最为成功，在日本，冻干方便面占了它的整个方便面市场的一半，成为冻干技术应用的推动力。70～90年代，FD水果制品（草莓、哈密瓜）；

FD肉制品（咖喱牛肉、什锦米板）；

FD调味品（方便面调料、茶）；在世界范围内，合成食品、蔬菜、虾仁、油炸物、肉酱、松茸、鱼类、贝类、肉类加工等工业开始广泛使用了冻干技术。

90年代至今，微生物的冻干保存；制造超细微粒（纳米级）。

学术发展1944年，第一部冷冻干燥技术和理论专著1951、1958年第一、二届冻干专题讨论会1963年，美国制定了冻干药品GMP生产标准，1969年国际贸易组织决定执行冻干药品的GMP标准。1990年后，生物药品的出现和发展对冷冻干燥技术提出了新要求。1980年后，“溶液玻璃化理论”和“食品聚合物科学”等为冷冻干燥技术的发展提供了一些理论基础。物料的预处理或制备物料的冷却固化过程升华干燥（一次干燥）过程解吸干燥（二次干燥）过程封装和储存1.2冷冻干燥的基本过程物料的预处理或制备Pretreatment食品预处理：物理、化学处理，包括清洗、分级、切片、漂烫、杀菌、浓缩等。不同食品预处理内容也有所不同，一般不加添加剂。药品和细胞预处理：必须添加剂，添加剂功能分类：冻干保护剂、乳化剂、填充剂、抗氧化剂、酸碱调整剂。其中糖类（海藻糖、蔗糖等）是很有效的冻干保护剂。物料的冷却固化过程Solidification是将物料充分冷却，不仅要使物料中的自由水完全结成冰，还要使物料中其他部分也完全固化，形成固态的非晶体（玻璃态）。冷却固化后的物料，实际上是既具有晶态，又具有玻璃态的、坚硬的网状结构。冻结终温：冷却固化过程的最终温度应当是完全固化温度（Tcs），它应低于物料的共晶温度（Te），或玻璃化转变温度（Tg）。冻结速率：在冷却固化过程中，物料的冷却速率十分重要，快速冷却能使物料在冻结过程中不至过多地脱水，并能实现部分玻璃化；但过快冷却会造成细胞损伤和物料断裂等不良现象。冻结热历史（thermalhistory）：降温过程的温度随时间变化的情况会对物料的热物理性质产生影响，就和热处理会对金属机械性质产生影响类似。在冷却固化过程中，如有一段“退火”（annealing）阶段，会引起物料的玻璃化转化温度Tg等性质的变化。升华干燥（一次干燥）过程物料中的水分,对冷冻干燥过程的分析而言，可以划分为两类。一类是在低温下可被冻结成冰的，这部分的水可以称为“自由水”（freewater）或“物理截留水”；另一类是在低温下不可被冻结的水分，这部分的水可以被看作是被“束缚”的，称为“结合水”或“束缚水”(boundwater)。对于含水量高的物料，其中“自由水”的含量约占总水分量的90%以上。升华干燥（一次干燥）过程Sublimationdrying,Primarydrying是指在低温下对物料加热，使其中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸汽。一次干燥的物料温度必须低于物料的最高允许温度冻结层的温度低于共晶温度干燥层的温度低于塌陷温度加热：在一次干燥过程中，所需要的热量为冰的升华热。加热的方式可以是搁板导热加热；或辐射加热。要维持升华干燥的顺利进行，必须满足两个基本条件：一是升华产生的水蒸汽必须不断地从升华表面被移走；二是必须不断地给物料提供升华所需要的热量。如控制不好，会出现软化、融化、隆起、塌陷等现象。升华干燥过程实际上是传热、传质同时进行的过程。只有当传递给升华界面的热量等于从升华界面溢出的水蒸汽所需的热量时，升华干燥才能顺利进行。解吸干燥（二次干燥）过程Desorptiondrying，Secondarydrying第一阶段干燥结束后，在干燥物料的多孔结构表面和极性基团上还吸附着未冻结的结合水。吸附的能量很大，必须提供较高的温度和足够的热量，才能实现结合水的解吸过程。解吸干燥，是在较高温度下加热，使物料中被吸附的部分“束缚水”解吸，变成“自由”的液态水，再吸热蒸发成水蒸汽。在解吸干燥过程中，物料的温度Tw2必须低于物料的最高允许温度Tmax2。最高允许温度Tmax2由物料的性质所决定，如对蛋白质药物，最高允许温度一般应低于40℃；对果蔬等食品，最高允许温度可以到60-70℃。在二次干燥过程中，所需要的热量为解吸附热与蒸发热之和，一般简称之为“解吸热”。在二次干燥过程结束时，物料中的含水量应当达到最终要求的剩余含水量RMF（residualmoisturefinal）。冻干后物料中的剩余水分含量过高或过低都是不利的。剩余含水量过高不利于长期贮存；过低也会损伤物料的活性。经二次干燥后，冻干后物料中的剩余水分含量一般应低于5%。封装和密封工质对PackingandStorage经二次干燥后，要进行封装和储存。在干燥状态下，如果不与空气中的氧气和水蒸汽相接触，冻干药品可以长时间贮存。待需要使用时，再将其复水（rehydration）。封装仍须在真空条件，或充惰性气体（氮气或氩气）的条件下进行。对于瓶装(vial)的物料，可在干燥室内，用压瓶塞器(stopper)直接将橡胶瓶塞压下，堵住蒸汽通道，并保证密封。对于安瓿(ampoule)装的物料或较大块的物料，可由干燥室通过真空通道引出，送至真空室，或充惰性气体室，用机械手封装。冻干物料的储藏温度一般是室温。药品4℃，-18℃1.3冷冻干燥系统的构成

冰的升华对冷冻干燥系统的技术要求

水的三相点为0.01℃和610.62Pa。冰的饱和蒸汽压，随温度降低而降低。

不同温度下冰的饱和蒸汽压温度/℃-70-60-50-40-30-20-100.01压力/Pa0.2621.113.9412.938.0103.3259.9610.62欲使温度处于三相点温度以下的冰进行升华，可以有两个途径。一个是加热升温；另一个是抽空降压。实际上，这两种方法是同时应用的。例如，我们要求物料在-40℃下升华，干燥室内的水蒸汽压力必须低于12.9Pa；同时为了提供冰升华所需要的热量（冰在-40℃的升华热为2838.6kJ/kg）,必须对物料进行加热。冷冻干燥系统主要由干燥箱（或称冻干箱）、冷阱、制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等组成。

冷冻干燥系统主要部件的技术要求

冻干箱

冻结过程

干燥室

冷阱（coldtrap）

真空系统

加热系统

冻干箱

冻干箱是物料进行真空干燥的场所。物料瓶置于下隔板上，物料瓶的上方可以有上隔板。对物料的加热，可以用下隔板，以导热的方式进行；也可以用上隔板，以辐射的方式进行。 药剂的冻干过程，要求冻干箱与真空系统是无菌的，采用高温蒸汽灭菌，要求冻干箱箱体采用不锈钢材，箱内全部零部件具有耐受高温蒸汽的能力。冻结过程 对物料的冷却固化过程（冻结过程），可以在干燥室内进行，此时下搁板内有载冷剂，通过制冷系统进行降温。物料的冻结过程，也可以在干燥室外进行，待物料完全冷却固化后，放入干燥室内，再进行真空干燥。干燥室干燥室要求密封良好。有的干燥室内，还设有压瓶塞器（stopper)，在干燥结束时，就立即对物料瓶密封。

冷阱可以放在干燥室内或外。冷阱的作用是在真空系统中提供一个低温的环境。冷阱的温度要比物料升华界面的温度低20k以上。冷阱表面的饱和水蒸汽压力和物料升华界面的饱和水蒸气压力差是物料升华水蒸气逸出的传质驱动力。物料中逸出的水蒸气，遇到冷阱的低温表面，凝结成液态水，排出系统。对一般升华干燥，如物料的升华温度在-10℃至-40℃时，冷阱的温度可工作在-30℃至-70℃之间。物料升华温度与冷阱温度之间的差值越大，则升华的传质驱动力就越大。但是两者的温差过大也是没有意义的。例如，物料的升华温度为-40℃时，其对应的水蒸汽饱和蒸汽压为12.9Pa；冷阱温度为-60℃,和-70℃所对应的水蒸汽饱和蒸汽压分别为1.11Pa和0.26Pa；这两种情况下的传质驱动力的差别是很少的，对提高干燥速率已没有实际意义。制冷系统制冷系统的任务是在冷阱处形成低温条件，有些还在冻干箱内起着制冷冷却的作用。在这里，制冷系统可以有蒸气压缩式制冷、热电制冷和利用液氮等多种方式。在蒸气压缩式制冷系统，冷阱是制冷系统中制冷工质的蒸发器(evaporator)。如果要求冷阱的温度很低，则要采用双级压缩制冷循环或复叠式制冷循环。真空系统真空系统的主要功能是抽走“非凝性”气体。在冷冻干燥系统的温度范围内，空气是“非凝性”气体，它既包括由外界大气漏入干燥箱的空气；也包括由物料中逸出的空气或其他“非凝性”气体。对于冷冻干燥系统真空泵的要求，除了真空度和抽气速率外，还要求能用于水蒸汽，并能有一定的水蒸汽抽除能力。冷冻干燥系统对真空度的要求并不高，约1Pa；可以采用旋片式机械真空泵（rotaryvanepump），或在旋片式真空泵的低压侧再加罗茨泵（Rootspump）。

加热系统对冻干箱中物料的加热，一般是通过搁板进行的。下搁板以导热的方式对物料瓶进行加热；上搁板是以辐射的方式对物料进行加热。搁板中可以装置电加热器；也可以装有载热剂。搁板的温度由温控系统控制。微生物的冷冻干燥食品的冷冻干燥生物药品的冷冻干燥人细胞的冷冻干燥其他应用1.4冷冻干燥技术的应用

微生物、咖啡、牛奶的冷冻干燥是技术比较成熟的应用领域；而水果、蔬菜的的冷冻干燥是新兴的与人民生活关系密切的高附加值的技术。近10年来冷冻干燥界最关心、投入研究力量最多、最重要的应用领域。可望给临床医学带来新的变革，是目前国际学术界十分关心和积极研究的问题，但仍处于探索阶段。微生物的冷冻干燥细菌、放线菌、酵母菌、丝状真菌及病毒等大量的微生物成功实现冷冻干燥，冻干后存活率80％以上。尽管如此，直至目前还有许多微生物还不能实现冷冻干燥；即使对已经能实现冻干的多种微生物，它们的冻干程序和所用保护剂也是不全相同的。食品的冷冻干燥优点：保持新鲜食品的色、香、味；避免了一般干燥方法易产生营养成分损失和表面硬化现象；脱水彻底，质量轻，能在室温下长期保存；复水性好速溶性强；食用简单方便。应用：高附加值产品，优质食品、方便食品、休闲食品、出口的蔬菜和水果；旅游、探险、航海食品。缺点和难点：冷冻干燥过程费时长、耗能多；过程的参数选择，对冻干食品的质量有着决定性的影响。

冻干草莓冻干蘑菇冻干青豆冻干山药冻干蒜片冻干香蕉

冻干胡萝卜冻干红萝卜冻干香菜冻干西兰花冻干肉冻干洋葱冻干板栗冻干姜片冻干土豆块冻干南瓜目前在国际市场上冻干食品所占的比重已达到相当高的水平。随着冻干技术的提高，冷冻干燥设备的完善，冻干食品的生产成本和产品价格也会不断降低。冻干食品已经在国内市场出现，并正在迅速发展。药品冷冻干燥热敏性药品：对温度（主要是高温）比较敏感的药品脂质体、干扰素、生长激素、中草药

冷冻干燥药品特点：结构稳定；生物活性基本不变；药物中的易挥发性成分和受热易变性成分损失很少；呈多孔状，药效好；排除了95％～99％的水分，能在室温或冰箱内长期保存。根据美国1998年的统计，约有14%的抗生素类药品、92%的生物大分子类药品、52%其它生物制剂都需要冻干。实际上，近年来开发出的生物药品都是用冷冻干燥制成药剂的；而且冷冻干燥处于制药流程的最后阶段，它的优劣对药品的品质起着关键的作用。为防止冻干过程中蛋白质的变性或膜结构的破坏，生物药品等的冷冻干燥都需要加入适当的冻干保护剂。冻干保护剂的种类与浓度，因药品种类的不同而不同。这些冻干保护剂的种类与浓度、pH值等均会对冻干生物药品的品质产生重要的影响。人细胞的冷冻干燥20世纪60年代起血小板：＝85％临床应用可行性论证20世纪60年代起红细胞：﹤50％脐血中含有大量未成熟的造血干细胞。与成年人细胞相比，零岁婴儿未成熟的造血干细胞具有无污染、异体排斥反应小、免疫原性低等特点；而且其再生能力和速度是成年人的10至20倍。人脐血全血：有核细胞恢复率39％，细胞活性89％。人脐血单核细胞：恢复率75％，细胞活性89％。冷冻干燥的其他应用

皮肤、角膜、骨骼等保存，组织工程支架的制备材料科学中制备精细陶瓷粉末、催化剂粉末、超细的新型化妆品的研制、饱水文物的脱水、电子显微镜生物样品制备、动物和人体器官样本制作

金属粉末、合金粉末、记录用的超细磁性粉末

1.5冷冻干燥技术的要点和难点（1）物料系统的配方在药品和细胞冷冻干燥之前，必须加入一些保护剂和添加剂，以保证其冻干效果、保持药品的活性和细胞的存活。物料和保护剂、添加剂一起，组成了多组分的系统，我们称之为“物料系统”。保护剂和添加剂与物料之间是有相互作用的，因此对于不同的物料，应当采用不同种类和不同浓度的保护剂和添加剂。近年来在生物药品方面取得的每一重要进展，几乎都是和采用新的“鸡尾酒”式的物料系统的配方有关的。保护剂和添加剂的问题值得讨论。（2）物料系统的物性的研究物料系统的物性，如凝固温度、相变热、玻璃化转变温度、玻璃化转变前后的热容量等，都会对冻结和干燥过程产生很大的影响。在干燥过程中，希望物料的升华速率高，就要求物料的空隙多、而又不致塌陷。这些也都是和物料系统的物性有关的。近年来又发现当物料系统经历过不同的“温度历史”（热历史），如在不同温度下“退火”（annealing）不同时间，会给物性带来明显的变化。对于物料系统物性的测量，差示扫描量热技术（DifferentialScanningCalorimetry,DSC）是一种最有效的、被广泛认可的技术。

（3）冷却固化过程的选择及实现的技术对于物料系统的冷却固化过程，要解决两个问题，一个是冷却最终温度的确定；另一个是选择合适的降温程序。冷却固化过程的最终温度应当是完全固化温度，它应低于物料系统的共晶点温度,或玻璃化转化温度。冷却固化后的物料系统，实际上是既具有晶态，又具有玻璃态的的混合系统。为确定降温的最终温度，就要先测量物料系统的共晶点温度和玻璃化转化温度。对于合适降温程序的选择，就是希望活性药物、或细胞在冷却固化过程中不受损伤或少受损伤，这是细胞低温保存的基本问题。分析物料系统的冻结过程诸多现象、对细胞损伤及防止办法；讨论程序降温的理论和实施技术。（4）升华干燥参数的确定升华干燥是在低温下对物料系统进行加热，使物料中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸汽。在升华干燥过程中，可以控制的参数有：物料的温度、干燥室的真空度、升华干燥的持续时间等。关于物料的温度，一般认为必须低于物料系统的玻璃化转变温度,或共晶温度。升华干燥的温度的确定是十分重要的。如温度过高，会出现软化、塌陷等现象，造成冻干的失败；如温度过低，不仅给制冷系统提出了过高的要求，而且大为降低了升华过程的速率，费时又耗能。目前大多数的操作，都是在整个升华干燥过程中保持加热温度不变的。关于是否应当这样，有两种不同的观点。一种观点认为，在升华干燥阶段，随着水分的升华，物料系统的浓度会提高，物料系统的玻璃化转变温度也会提高，这意味着升华干燥阶段的加热过程的温度应当逐渐提高，而不要恒定在一个温度上。另一种观点认为，在升华干燥阶段，升华的只是“游离”在网状结构空隙中的自由水，不会对物料实体的玻璃化转变温度产生影响，因此升华干燥过程中加热温度仍应保持不变。实际上这两种情况都可能出现，是和冷却固化的情况有关的。一般说来，在升华干燥过程中真空度是维持不变的。但也可以采用循环压力法，即控制真空系统的压力在一定范围内上下波动，以期提高传热传质的效果，来加速干燥的过程。关于升华干燥持续时间的确定，也就是如何判断何时应该结束升华干燥阶段转入解吸干燥阶段。这是个十分重要的难题。（5）干燥过程中动态参数的测量人们希望能够实时地精确测量干燥过程的物