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天下武功,唯快不破;天下冻干,唯快冻“不破”

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药事纵横
冻干技术
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1个月前
冻干技术起源于19世纪,经过200多年发展,冻干技术凭借其得天独厚的优势,让其它干燥方法望尘莫及。当今冻干技术日趋成熟,受到越来越多的追捧和青睐,尤其是在制药行业,食品加工行业得到广泛应用,例如:在制药行业有小分子化药冻干制品,也有大分子蛋白质、核酸、疫苗、甚至干细胞、胚胎等生物冻干制品,在食品加工行业有发酵剂冻干制品,也有冻干水果、蔬菜。从小分子到大分子;从疫苗到干细胞;从发酵剂乳酸菌到海红果,林林种种冻干产品,唯快冻更胜一筹。

什么是快冻?说起快冻,与之对应的就有慢冻。快冻是指冷冻过程中,温度每分钟降幅在10℃-50℃,而慢冻是指在冷冻过程中,温度每分钟降幅在1℃左右。通过冷冻过程中降温得速度不同,得到的产品内部的晶型结构也不同。快冻使配制液过冷度高,冰晶凝结速度快,形成大量冰晶的尺寸小;慢冻使配制液过冷度低,冰晶凝结速度慢,形成冰晶的尺寸大。

快冻与慢冻的对比如下:

1.  在冻干过程中,快冻与慢冻表现不同。快冻形成的冰晶尺寸小,在一次干燥阶段,水分升华后,形成的升华孔道细腻疏松,有利于水分进一步升华,得到的产品水分含量更低。而形成的细腻疏松孔道会导致水分升华过程中,传质阻抗增加,水分转移的阻力增加,一次干燥的时间延长。慢冻形成的冰晶尺寸大,在一次干燥阶段,水分升华后,形成的升华孔道间隙较大,不利于水分进一步升华,产品的水分含量较高。而形成的较大间隙的孔道会导致水分升华过程中,传质阻抗减少,水分转移的阻力减少,一次干燥的时间缩短。详见Fig1和Fig2。

Fig1.快冻的冰晶电镜图
 
Fig2.慢冻的冰晶电镜图

2.  在成品性状和溶解方面等关键质量属性上不同。快冻冰晶尺寸小,冻干成品外观均匀细腻,因为存在疏松多孔的结构,有更大的比表面积,溶解速度更快。慢冻冰晶尺寸大,冻干成品外观粗糙,因为存在较大间隙孔道的结构,与快冻产品相比,比表面积小,溶解速度慢。详见Fig3和Fig4。

Fig3.快冻的形成过程
Fig4.慢冻的形成过程

3.在疫苗制品上快冻与慢冻的影响不同。赵艳红等为了提高鸭病毒性肝炎弱毒(DHV)活疫苗的耐热性能。比较了不同预冻方式对鸭病毒性肝炎活疫苗的效价影响。对快冻、慢冻以及退火3种不同的冻干方式进行比较,发现对鸭肝炎病毒耐热损失由大到小依次为:退火>慢冻>快冻;结果表明采用快速冻干冻方式的耐热性能最好,延长保存期并且提高了耐热性能。说明在本案例中,快冻能降低耐热损失,提升耐热性能,优于慢冻。

吕芳等为提高猪瘟(CSF)活疫苗的耐热性能,比较了不同预冻方式对猪瘟活疫苗效价的影响。对快冻、慢冻以及退火3种不同的冻干方式进行比较,发现对猪瘟病毒冻干损失由大到小依次为:退火>慢冻>快冻。在本案例中,同样能说明:疫苗采用快冻能降低损失,优于慢冻。

4.在胚胎细胞方面,快冻与慢冻的影响不同。赵庆红等将复苏后全部卵裂球存活的胚胎定义完整存活胚胎,同一病人由于有多余冻融胚胎而行2次及以上移植周期的称为重复周期。对577个快冻周期和276个慢冻周期的相关资料进行回顾性统计学分析,比较两组冻融胚胎的存活率、完整存活率、重复周期率、胚胎种植率和临床妊娠率等指标。结果:快冻组的每周期胚胎解冻数低于慢冻组,而每周期存活胚胎数和重复周期率均高于慢冻组;玻璃化冷冻后的胚胎存活率和完整性胚胎存活率均显著高于慢冻组,复苏周期移植取消率显著低于慢冻组,而胚胎种植率和临床妊娠率则明显高于慢冻组,均有统计学差异(P<0.05)。结论:玻璃化法能够较好地保存冻融胚胎的发育潜能,得到较好的临床妊娠率,是一种卵裂期胚胎冷冻保存的理想方法。在本案例中,胚胎细胞采用快冻存活率、重复周期率、妊娠率均高于慢冻。

5.在发酵剂乳酸菌活力方面,快冻与慢冻的影响不同。陈迪等比较了速冻和缓冻处理对冷冻酸面团中乳酸菌在冻藏期间(-20℃,28天)活力的影响,结果表明:随着冻藏时间的延长,乳酸菌的存活率和产酸能力显著下降;相同冻藏时间下,速冻组的存活率高于缓冻组;在冻藏28天后,速冻组乳酸菌的存活率是缓冻组的1.2倍。在冻藏前期(7天),两种处理条件下乳酸菌的产酸能力没有显著变化;在冻藏中后期(14天和28天),速冻组酸面团的pH值显著低于缓冻组,而总酸度值显著高于缓冻组,说明在冻藏中后期速冻组乳酸菌的产酸能力高于缓冻组。总体而言,在冻藏期间速冻处理比缓冻处理更好地保持了酸面团中乳酸菌的活力,研究结果可为实现酸面团的商品化生产提供技术支撑。在本案例中,快冻与慢冻相比能更好地保持乳酸菌的活力,再次说明快冻优于慢冻。

6.在冻干食品方面,快冻与慢冻的影响不同。梁杰等主要研究了不同的冻藏方式对不同成熟度海红果化学成分的影响。结果表明:不论速冻还是缓冻,不论成熟度高低,可滴定酸含量下降均可受到显著抑制,但速冻比缓冻可滴定酸含量下降要缓慢。速冻与缓冻对不同成熟度海红果贮藏期间的可溶性固形物含量影响不大,尤其速冻对不同成熟度果实可溶性固形物含量几乎没有太大影响。海红果速冻和缓冻贮藏期间,不论果实成熟度高低,单宁和维生素C含量均随着贮藏时间的延长缓慢下降,速冻比缓冻下降的幅度要小。在本案例中,快冻能有效一致可滴定酸含量下降,优于慢冻。

通过上述种种研究,从疫苗制品到胚胎细胞;从发酵剂乳酸菌到冻干食品,快冻均优于慢冻,究其原因,

冰晶的产生类似于玻璃破裂的过程,冰峰在遇到细胞时,或者停止生长,或者产生新的分支,细胞逐渐被冰晶包围,慢冻时,冰晶不断发展,形成的冰晶大,细胞受到四周不断增多的冰晶挤压,引起的机械损伤,这是造成细胞死亡的主要原因。而快冻能使细胞快速达到玻璃态转化点以下形成玻璃态凝固,较少形成冰晶对细胞造成的损伤。

总之,经过快冻与慢冻的比较,我们可以知道快冻在很多方面优于慢冻,可谓是天下冻干,唯快冻更胜一筹。究其根本原因,快冻可以减少冰晶造成细胞的破损,可谓是天下冻干,唯快冻“不破”。

参考文献:
1. 赵艳红,鸭病毒性肝炎活疫苗的耐热冻干工艺策略设计,西南农业学报. 2017,30(07)
2. 吕芳,猪瘟无明胶无蛋白耐热活疫苗的研制及冻干工艺,中国兽医学报. 2016,36(12)
3. 赵庆红,快冻和慢冻法对胚胎复苏结局的比较,武汉大学学报(医学版). 2011,32(02)
4. 陈迪,速冻和缓冻处理对冷冻酸面团中乳酸菌活力的影响,河南工业大学学报(自然科学版). 2018,39(01)
5. 梁杰,速冻与缓冻贮藏对不同成熟度海红果主要化学成分的影响,内蒙古农业科技. 2012,(01)

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