冷凍幹燥技術發展史

　　冷凍幹燥技術 (FD) 是20世紀新興的一種應用于生物體的脫水幹燥方法，自20世紀初真空泵與制冷機問世後，有人将兩者 結合，并于1909年首次實現了冷凍幹燥技術的應用。1919年，Shackell 利用冷凍幹燥技術（FD）實現了菌種、病毒以及血清的穩定保存，實現了凍幹技術最初的實際應用，并于第二次世界大戰期間解決了人體血漿和抗生素的貯存和運輸問題，自此冷凍幹燥技術開始在生物制藥和生物制品産業中迅速興起。

　　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。 此後，于20世紀40年代， 俄羅斯科學家開始進行FD産品的小型實驗并獲得成功。 随着1958年第一屆國際冷凍幹燥會議的召開，針對凍幹過程的物理生物學基礎研究以及工業應用的優化引起了大量學者關注，并促進FD技術在食品行業的進一步推廣。

　　上世紀60年代，美國将FD技術 用于加工食品及農副産品，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技術的應用為優質食 品生産提供了無限可能性。 此後，FD食品得到了快 速發展，據資料記載，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年内美國的FD食品産量從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 猛發展，發達國家近一半的方便食品采用FD技術研制，并已經普遍被人們所接受。

　　冷凍幹燥技術原理

　　水可分别以固态、液态和氣态3種狀态存在，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由冰到蒸汽的直接轉變，這個過程被稱為水的升華。 冷凍幹燥技術是通過将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幹燥技術，并通過真空系統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、體系穩定且營養功能完整的脫水産品。

　　 凍幹過程主要可以分為三個階段，分别為預凍階段、升華幹燥階段（第一階段幹燥） 與解析幹燥階段（第二階段幹燥）。

　　 預凍階段：該階段主要将濕物料中大量的自由水凍結成固态，一般根據不同物料的共融點來确定适宜的預凍溫度。 由于物料處于凍結狀态，物料體系處于穩定狀态，預凍速率與凍幹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。 然而較大冰晶将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 。

　　 升華幹燥階段（第一階段幹燥）：該階段需要對物料進行适當的升溫，使物料中處于凍結狀态的遊離态 水發生升華， 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、 水分分布及水分狀态等特性存在差異，導緻該階段水 分升華所需要的熱量也存在差異。 該階段内需要保證 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，物料将會因體系中水分粘度的減小而發生體積塌陷、變色、出現氣泡等現象，故物料升華溫度以接近共融點，同時超過水升華點為宜。

　　 解析幹燥階段（第二階段幹燥）：基于前一階段， 本階段繼續将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，确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，所以需要确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。

　　凍幹技術的優勢：

　　與通常的曬幹、烘幹、煮幹、噴霧幹燥及真空幹燥相比、凍幹技術有許多突出的優點。

　　1. 低溫幹燥，不使蛋白質、微生物類産生變性、失去活力。對于熱敏感物質如疫苗、菌類、毒種、血液制品的幹燥特别适用。

　　2. 低溫幹燥，使物質中的揮發成分和受熱變形的營養成分損失很小，是化學制品、藥品和食品的優質幹燥方法

　　3. 在低溫幹燥過程中，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. 幹燥後體積、形狀基本不變、物質呈海綿狀，無幹縮。複水時與水接觸面積大，能迅速還原到原來的性狀

　　5. 真空幹燥狀态，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

　　凍幹機應用

　　應用領域：真空冷凍幹燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副産品深加工等領域有着廣泛的應用。

　　目前凍幹機的用途主要應用在以下一些方面：

　　1. 藥品冷凍幹燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍幹燥在國内已經得到了一定的發展，很多較大型的制藥廠都有冷凍幹燥設備。在針劑方面，冷凍幹燥工藝采用的比較多，提高了藥品質量和貯存期限，給醫患雙方都帶來了利益。但目前凍幹藥品的品種不多，産品價格高，幹燥工藝不先進。

　　在中藥方面，目前還隻局限在人參、鹿茸、山藥、冬蟲夏草等少量中藥材的凍幹，大量的中成藥還沒有采用凍幹工藝，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，也解決了中藥不治急病的難題，因此我國中藥凍幹工藝及産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. 生物标本、活組織方面：如制作各種動植物标本，幹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、心髒瓣膜等邊緣組織。

　　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. 食品的幹燥：如咖啡、茶葉、魚肉蛋類、海藻、水果、蔬菜、調料、豆腐、方便食品等

　　7. 高級營養品及中草藥：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，凍幹後可提高催化效率5-20倍；将植物葉子、土壤凍幹後保存，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幹法幹燥，能最大限度地保持原狀。

　　凍幹機類型

　　 制藥：根據生産規模或實驗的需求, 凍幹機一般可分為三個系列,即實驗系列、中試及小規模生産系列, 以及工業生産系列。實驗系列的凍幹機用于研發之用,冷凝器的結冰量每批小于10公斤, 凍幹箱的闆層面積小于0.5平方米之間。中試及小規模生産系列用于擴大試驗及小生産之用。冷凝器的結冰量每批在 10-40 公斤之間, 凍幹箱的闆層面積在 0.5-2 平方米之間。工業生産系列的凍幹機用于工廠大規模生産之用, 冷凝器的結冰量每批在40-1600公斤之間, 凍幹箱的闆層面積在 3-80 平方米之間。

　　實驗室常用凍幹機

　　中試用凍幹機（凍幹工藝開發）

　　生産型凍幹機

　　 生物工程：用于制造凍幹粉針。雖然冷凍幹燥技術應用于生物制品具有許多優勢，但同時生物制品在冷凍幹燥的過程中也容易發生變性導緻藥物效價降低。在技術上為了降低冷凍幹燥對生物制品的不良影響，往往采用添加輔料或者優化凍幹工藝這兩種方法。

　　小型凍幹粉針凍幹機

　　大型粉針凍幹機

　　 食品：冷凍幹燥技術可用于各類農副産品。果蔬類，如桑果、黃秋葵等；特色農産品，如木耳、野生菌等；谷物類，如面類、豆類、玉米等；肉禽水産類，如畜禽、肉、蛋、奶等。經研究表明，凍幹技術處理後的産品，營養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，适合長期保存，且複水性良好。

　　食品用凍幹機

　　 材料：在材料工程方面，冷凍幹燥技術可以作為一種簡單、高效、環保及可控的材料結構調控方法，可使有序多孔複合材料具有多種優良的性能。

　　 化妝品：化妝品分為液态類、半固态類、固态類、膏霜乳液類、氣霧劑類、有機溶劑類、蠟基類、其他類等8大類，其中液态類、半固态類、膏霜乳液類等常規化妝品因營養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）在液體狀态下，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。

　　基于液态的常規化妝品存在的缺陷和凍幹産品具有的優勢，可以将部分液态化妝品開發成凍幹産品。透明質酸鈉是一種雙糖重複結構單元組 成的線性多糖，具有一定的熱不穩定性，營養豐富易造成微生物污染，适宜于開發成凍幹産品。

　　化妝品凍幹粉針

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