冷凍干燥
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冷凍干燥（freeze drying）又稱升華干燥。將含水物料冷凍到冰點以下，使水轉變?yōu)楸?，然后在較高真空下將冰轉變?yōu)檎魵舛サ母稍锓椒?。物料可先在冷凍裝置內冷凍，再進行干燥。但也可直接在干燥室內經(jīng)迅速抽成真空而冷凍。升華生成的水蒸氣借冷凝器除去。升華過程中所需的汽化熱量，一般用熱輻射供給。其主要優(yōu)點是：（1）干燥后的物料保持原來的化學組成和物理性質（如多孔結構、膠體性質等）；（2）熱量消耗比其他干燥方法少。缺點是費用較高，不能廣泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。
含水的生物樣品，經(jīng)過冷凍固定，在低溫高真空的條件下使樣品中的水分由冰直接升華達到干燥的目的，在干燥的過程中不受表面張力的作用，樣品不變形。
真空冷凍干燥技術是將濕物料或溶液在較低的溫度（－10℃～－50℃）下凍結成固態(tài)，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術。中國是原料藥生產大國，因此該技術應用前景十分廣闊。但是，應當引起注意的是，近年來真空冷凍干燥技術在我國推廣得非常迅速，相比之下，其基礎理論研究相對滯后、薄弱，專業(yè)技術人員也不多。并且，與氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥技術相比，真空冷凍干燥設備投資大，能源消耗及藥品生產成本較高，從而限制了該技術的進一步發(fā)展。因此，切實加強基礎理論研究，在確保藥品質量的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗、降低生產成本，已經(jīng)成為真空冷凍干燥技術領域當前面臨的最主要的問題?！ ?/p>
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■技術優(yōu)勢
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進行，而且水分直接升華，因此賦予產品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術對熱敏性物料亦能脫水比較徹底，且經(jīng)干燥的藥品十分穩(wěn)定，便于長時間貯存。由于物料的干燥在凍結狀態(tài)下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結構和分子結構變化極小，其組織結構和外觀形態(tài)被較好地保存。在真空冷凍干燥過程中，物料不存在表面硬化問題，且其內部形成多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復水性，可在短時間內恢復干燥前的狀態(tài)。由于干燥過程是在很低的溫度下進行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質發(fā)生生物、化學或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質，以及保持了原料的色澤?！ ?/p>
■基礎理論研究
目前，我國真空冷凍干燥設備趨于完善，但與發(fā)達國家相比，該技術基礎理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術應用水平的提高。因此，研究的重點正向這方面轉移。目前，研究的焦點集中在真空冷凍干燥的物性參數(shù)及其影響因素、過程參數(shù)、過程機理和模型、過程優(yōu)化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術的基本參數(shù)包括物性參數(shù)和過程參數(shù)，它們是實現(xiàn)真空冷凍干燥過程的基礎。這些數(shù)據(jù)的缺乏會使干燥過程難以實現(xiàn)針對原料的優(yōu)化，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)效率。物性參數(shù)指物料的導熱系數(shù)、傳遞系數(shù)等。這方面的研究內容包括物性參數(shù)數(shù)據(jù)的測定及測定方法，以及環(huán)境條件壓強、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等對物性參數(shù)的影響。過程參數(shù)包括冷凍、供熱和物料形態(tài)等有關參數(shù)。對冷凍過程的研究意在為系統(tǒng)找到最優(yōu)冷凍曲線。供熱過程的研究則集中在兩方面：一是對原料載體的改良；二是加熱方式(傳熱方式和供熱熱源)的選擇。確定恰當?shù)奈锪闲螒B(tài)也是重要的研究內容，它包括原料的顆粒形態(tài)和料層厚度等。
從熱量傳遞和質量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機理，并建立相應的數(shù)學模型，有助于找出過程的影響因素，預測時間、溫度及蒸氣壓強的分布狀況。目前的研究主要限于均質液相，并提出了一些數(shù)學模型，如冰前沿均勻退卻模型、升華模型、吸附-升華模型等。這些模型雖然對真空冷凍干燥的過程作了不同程度的描述，但在實際應用中仍然存在許多限制條件。過程優(yōu)化控制是建立在上述數(shù)學模型的基礎上的?？刂品桨赣钟袦?a href="/w/%E7%A8%B3%E6%80%81" title="穩(wěn)態(tài)">穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型之分?！ ?/p>
■生產工藝
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復雜，為保證凍干產品的質量和節(jié)能，在生產過程中需要嚴格控制預凍溫度、升華吸熱等，使凍干過程各階段按照預先制訂的工藝路線工作?！ ?/p>
*應用提示一：保持合理的預凍溫度
在真空冷凍干燥過程中，需要先對被干燥的藥品進行預凍，然后在真空狀態(tài)下，使水分直接由冰變?yōu)闅舛顾幤犯稍铩Ｔ谡麄€升華階段，藥品必須保持在凍結狀態(tài)，否則就不能得到性狀良好的產品。在藥品預凍階段，要嚴格控制預凍溫度（通常比藥品的共熔點低幾度）。如果預凍溫度不夠低，則藥品可能沒有完全凍結，在抽真空升華時會膨脹起泡；若預凍溫度太低，不僅會增加不必要的能量消耗，而且對于某些生物藥品，會降低其凍干后的成活率?！ ?/p>
*應用提示二：關注升華吸熱
在干燥升華階段，物料需要吸收熱量（每克冰完全升華成水蒸氣約吸收2.8千焦耳的熱量）。如果不對藥品進行加熱或熱量不足，則在水分在升華時會吸收藥品本身的熱量而使藥品的溫度降低，致使藥品的蒸氣壓降低，于是引起升華速度的降低，整個干燥的時間就會延長，生產率下降；如果對藥品加熱過多，藥品的升華速率固然會提高，但在抵消了藥品升華所吸收的熱量之后，多余的熱量會使凍結藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現(xiàn)局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現(xiàn)象，整個干燥就會失敗。
*應用提示三：采用計算機自動化控制
為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時應根據(jù)每種凍干機的性能和藥品的特點，在經(jīng)過試驗的基礎上制訂出一條凍干曲線，然后控制機器，使凍干過程各階段的溫度變化符合預先制訂的凍干曲線。目前，真空冷凍干燥的生產過程控制可借助于計算機來控制生產系統(tǒng)按照預先設定的凍干曲線工作。如計算機對鏈霉素硫酸鹽的凍干過程控制可分為兩個階段：第一階段，在低于熔點的溫度下，將水分從冷凍的物料內升華，約有98%～99%的水分均在此時被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經(jīng)此階段水分可以減少到低于0.5%。此過程預凍溫度為－40℃左右，時間約兩小時。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，絕對壓強約為4～7帕。鏈霉素的最終干燥溫度可升至40℃，總干燥時間約18小時。采用計算機自動化控制系統(tǒng)，有助于保證藥品符合質量要求?！ ?/p>
■食品的冷凍干燥
干燥技術小史
二次世界大戰(zhàn)以后，軍隊和政府開始廣泛地進行有關脫水食品的實驗。當時，人們對于脫水食品的味道和營養(yǎng)就有了更大的期望，大家都指望有一種更好的方法，使食品保存得更長久一些，同時，人們對食用方便性也有了更高的要求，既要保存原味、質地，又要保留營養(yǎng)成份，但是，人們的要求又與科學技術所能達到的水平有一定的距離，因而人工防腐劑及化學劑的用量日益增高。
與此同時，也有科學家致力于高科技的研究和開發(fā)，從而使冷凍法的可行性進一步提高，然而這些努力在當時也險些被中斷；原因是 Del Monte 食品罐頭廠曾經(jīng)在一項大規(guī)模研究中企圖證明冷凍食品的營養(yǎng)和美味不如罐頭食品，不過，這項研究由 Del Monte 自己半途而廢了，因為研究結果顯示，冷凍食品，特別是水果和蔬菜要比罐頭食品所具有的營養(yǎng)和美味強得多。
事實上，食用冷凍食物在某些情況下甚至優(yōu)于食用新鮮食物的營養(yǎng)成份，舉例來說，一個普通的消費者在買了玉米后，如果經(jīng)過了四、五天才把它們吃掉，在這期間，某些糖份已經(jīng)轉化成了淀粉，一些營養(yǎng)成份在這過程中已經(jīng)消失了。
但是，如果植物在收割后，便很快地被清洗、剝皮，在三到四個小時之內就冷凍起來，植物的營養(yǎng)成份就不會損失，同時，由于經(jīng)過了清洗的步驟，從而可控制病源微生物的活動。冷凍食品也因而愈來愈受到人們的歡迎，并使得這項技術研究不斷地深入發(fā)展?！ ?/p>
冷凍干燥法的奧妙
把冷凍過的植物置于真空狀態(tài)下，使之充分脫水，從而完成植物從冷凍狀態(tài)到脫水防腐狀態(tài)的轉換，這就是冷凍干燥法的原理。
在進行冷凍干燥的真空環(huán)境下，水只能以固體（冰）或氣體（蒸氣）的形式存在，而不能以液體形式存在，所以可以防止植物溶解在水中而發(fā)生潰爛。植物中的冰在真空環(huán)境下變成蒸氣，因而使冷凍干燥室的氣壓變大。如果不能很好地處理蒸氣，與冷凍干燥室相連的真空機會被水充滿，從而破壞冷凍干燥室的真空狀態(tài)。當此種破壞達到一定程度時，植物就會被軟化，呈現(xiàn)出空氣干燥后的狀態(tài)－皺縮、潰爛和發(fā)黑。
但是，如果能將冷凍板控制在華氏零下 25 度以下，這個問題就能迎刃而解。水蒸氣會自然地流向這些溫度較低的冷凍板，并在板上凝結成冰。經(jīng)由此方式，我們就能減少冷凍干燥室里的水蒸氣，從而保證整個冷凍干燥過程在適當?shù)恼婵諣顟B(tài)下進行。
小心地增加溫度也是這個生產過程中重要的一環(huán)，一旦熱量提供太多、太快，就會有過量的水蒸氣蒸發(fā)到冷凍干燥室中，而如果冷凍系統(tǒng)不能及時凝結水蒸氣，過剩的水蒸氣就會加升室內的氣壓，降低真空狀態(tài)，這時植物就會變軟。
值得注意的是，在一般的冷凍干燥過程中，植物的外層會構成一個絕緣層，阻止其內部水份的蒸發(fā)，也就是說植物是由外向內進行脫水，亦意味著在適當溫度下，要花更多的時間來干燥植物內部。實際上，一般的冷凍干燥有 80% 的時間是被用來除去植物內部最后 20% 的水份，舉例來說，冷凍干燥一個草莓一般要花 14 到 16 小時?！ ?/p>
冷凍干燥法的實用
那么，究竟是什么使冷凍干燥法既有效又實用呢？為什么冷凍干燥法是最好的脫水方法？簡單地說，冷凍干燥法是對植物最具柔性的處理方法。
由于是在溫度相對很低的狀態(tài)下進行干燥的，因此，植物中的大多數(shù)營養(yǎng)成份會被完整無缺地保留下來。低溫可以避免植物中的糖份被烤焦，出現(xiàn)我們所熟悉的那種加工過的味道。低溫還能使成品保留原有的自然風味和芳香，由于整個過程進行于真空室內，所以在低溫中就可將冰轉化為蒸氣，也因此不會被破壞植物的營養(yǎng)成份。
冷凍干燥后的成品不會產生任何收縮，一個經(jīng)過冷凍干燥的草莓，無論在外形或體積上，都與新鮮草莓相差無幾。一個被徹底冷凍干燥的植物在顯微鏡下會呈現(xiàn)出蜂窩狀外表。細胞在釋放水份后，保留下了營養(yǎng)纖維和固狀物，這樣它的整個構造就得到了完好地保存，也使植物易于再次快速水化。亦即水份將極易再次進入植物的細胞內，充斥其空間，此意味著一旦暴露在空氣中，就很容易吸收潮氣，因此冷凍干燥植物必須用密封袋來保存。冷凍干燥過的豌豆和玉米在湯中只需 3 分鐘就能再次水化，而風干的豌豆和玉米則需要 10 分鐘。另外，冷凍干燥法也無需再加防腐劑和添加劑，是一種天然的濃縮制造過程。
冷凍干燥法的優(yōu)點
1. 保留完好的營養(yǎng)成份（如蛋白質、維生素、植物營養(yǎng)素等）。
2. 保留食品原有外形、色澤和構造。
3. 加水后，能快速、完全的復原。
4. 常溫下能長久儲存，而且不需添加任何防腐劑。
5. 冷凍干燥加工過的食物重量輕，易于攜帶和運輸，且運費較低。
6. 使食品更濃縮。
※ 冷凍干燥蔬果（上）和新鮮蔬果（下）的對照。.
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