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冷冻干燥在食品加工中的应用和生物技术的回顾,冷冻,干燥,食品,食物,加工,中的,应用,利用,运用,以及,生物技术,回顾
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冷冻干燥 在食品加工中的应用和生物技术 的 回顾 阿格涅斯卡 斯卡 ,雷纳特 食品工程和过程管理，食品科学系教授， 华沙生命科学大学 ,波兰 关键词： 冷冻干燥，食品工业，医药产品 冷冻干燥是通过冰晶升华从冻结的材料中除去水的方法 ,它的过程中应用合适的参数允许我们的产品相比与传统方法干燥，以获得最优质的产品。在食品和生物技 术产品的非常良好的物理和化学特性使这种方法最好用于干燥专用产品 ,在国内市场上有一个大的选择不同类型的 冻干产品，而且还有越来越多的消费者在这些产品的兴趣 ,冷冻干燥的高成本仍然限 制了大规模 在食品工业中的应用 ,设备创新和原料预处理可减少所需的这一过程的时间和精力。 介绍使用 这是常识，处理可部分或完全影响食品的质量 ,各种变化可能发生在物理，化学或食品的生物特性在加工储存和分配。质量标准正在成为日益重要消费者的选择。因此，工业产品和原料，预期可以提供不同的便利性 （味道，健康促进，安全性等）相对应的那些 新鲜的产品。与此同时，新的市场需求是新兴可能涉及冻干产品，例如脱水水果被添加到玉米，薄片，谷物棒，冰淇淋，糕点或决策。 一般特征 空气干燥是一种古老的工艺用于保存食物在其中被干 燥的材料被暴露在空气中的连续流动的热气流，其中的水分蒸发掉。这种现象根本这个过程是同时涉及质量和能量传输的吸湿性，收缩系统一个复杂的问题。空气干燥脱水提供产品保质期被延长了一年，但常规干燥产品的质量通常是大幅减少相比，原来的食品。这些改革涉及的物理变化，化学反应和生化效应。物理改变包括收缩性，提高或降低的孔隙率，并降低结合水和损坏微观结构的能力。 冷冻干燥（冻干）是其中溶剂（通常为水）和 /或悬浮液介质中结晶在低温下，然后从固态升华直接进入汽相干燥工序 。冷冻干燥已成为对热敏感的生物材料的保藏的最重要的方法之 一 乔治达塔， 2002。今天，它的应用领域的范围从相对简单的可保存食品，在复杂的生物技术或医药产品，以增殖细菌和真菌 。除食品（咖啡，茶，脆的水果和蔬菜，配料现成吃的食物和一些香草）它是适用于其他商品包括：花，微生物，药品，医疗器械，和化妆品，特别是化学物质和颜料，酶和陶瓷粉末 。虽然今天种类繁多的食品，药品，通过冷冻干燥生产，成功申请长期保存一个活的系统，仍然是科学家在这一领域的最大挑战之一 。 冷冻干燥已成为生物产业界的标准加工技术，它使得高质量的稳定的产品来制造。然而，直到相当 最近，没有专着已经出版 ，将分析的各个方面，科学，工程，经济和监管的，这有效的冷冻干燥，如复杂的操作。 评估过程 冷冻干燥的普及是基于一些知名优点相比有竞争力的工艺：在室温下，容易的重建通过加入水，所定义的多孔产品的结构，在重量的降低，并且可能性样品稳定性易消毒处理。由于这些优点往往导致节省时间和金钱，来开发或改善冷冻干燥工艺更复杂的系统的需求正在不断增加。随着越来越多的生物材料（结构，活性和代谢）的复杂性，对于一个成功的保存冷冻干燥的前景正在减少。 相比传统的食品保存技术（常规干燥等），冷冻干燥的主要优点包括：保持形态，生化和 免疫学特性，高生存力 /活动水平，较低的温度和剪切条件下与其他较干燥方法，回收率高挥发分，固定结构，比表面积和化学计量比，产量高，保质期长，以及存储，运输和处理降低重量。从冷冻干燥的产品也应低于许多蔬菜室从热空气干燥 。 尽管无法比拟的优势，冷冻干燥一直被认为是最昂贵的操作制造，由于高能耗和两个运营和维护成本高脱水产物。对于常规的干燥方法及冷冻干燥的能量需求的分析表明，以除去 1 公斤的水所需的基本能量几乎是两倍于冷冻干燥比对于常规的干燥 。另外，用空气干燥相比，冷冻干燥的成本，是 4 。最大限度地减少能量损失 在冷冻干燥是最外层的意义，为一个伟大的能量输入，需要在这个过程中，实现低温和低压下，以及加热，以满足干燥 ， 2002的要求。 2001示出的是，在冷冻干燥操作，升华约占 45的冷冻干燥周期的总能量消耗之间，而冷冻的能量消耗大约是 4 的份额。 在能耗低的条件下，生产效率高被许多科学家调查，在表 1 中有冷冻干燥的最佳条件提出的例子。 能源 相当一些研究已经进行，到目前为止已处理的冷冻干燥过程的能源利用，这是主要依赖于运营战略和感兴趣的材料固有的烘干力度，在冷冻干燥过程通常分为三 个阶段：冷冻，初级干燥阶段和二次干燥阶段。内的三个阶段，该方法包括五个主要操作：冻结，升华，解吸，抽真空和蒸汽冷凝。 简单地说，一个典型的冻干过程可能会进行如下操作。样本将被包含在一个小瓶中，其被放置在一个内冷却，该温控架将搁板温度降低，样品被冷冻至均匀，设定温度。在这一点上的压力将减少到设定的压力以启动一次干燥。在初级干燥水蒸气逐渐从冷冻质量除去 ，通过升华而搁板温度控制在常数，低温度（通过各种不同控制策略）。在初级的端干燥后，将搁板温度会升高，使得水物理吸附到半干燥物质。 实现过程 冻结之前施加不同的预 处理方法 - 干燥的冷冻干燥过程和修改已经研究了许多作者。能够表现出显著的搁板温度回收率的依赖。他们已经解释过，如果搁板温度太高，它更可能是样品的温度超过临界温度损坏导致玻璃化，多元化，再结晶，或崩溃。如果样品温度太低，水上交通工具的驱动力是不够高的足够的细胞内脱水。这也影响细胞恢复，由于细胞内的玻璃态，这是一个安全的细胞保存的前提条件，变得不稳定时，将样品重新加热至室温。 在真空条件下传统的冷冻干燥过程的限制性阶段是热转移到产品由于减少热传导性，加上降低冷冻干燥室的压力。但常压冷冻干燥的主要缺点是时间的增加是由于在冷冻干燥速率的降低。这是由于减少水蒸汽的扩散，在该腔室中的压力增大。 表 1。最佳条件为冷冻干燥过程。 作者 产品 压力（ 温度 ( ) 试样厚度（ 云飞、 志城 牛初乳 10 雷内 草莓 30 50 - 人 苹果片 50 55 - 莱 内特 草莓 63 30 整个苹果 迪马特奥等人研究了大气冷冻 - 干燥的吸收性材料的流化床。他们已经表明，这是一个有趣的替代传统的冷冻干燥 过程。这种技术中，相对于在真空条件下操作，使得大大减少植物和能源成本。另外，在进行该操作中的气态环境中的存在提高了外部热与质量传递系数，这是由流化的利用率进一步提高作为吸附剂和产品之间的接触技术。 图 1。冻干草莓微观结构。过程温度：一 - 30 C， B - 70 C。放大 50 倍。扫描显微镜 1。冻干草莓微观结构。过程温度： 0 C， B - 70 C。放大 50 倍 应用 冷冻干燥（冻干），后来发展到保护生物活性分子（ 和蛋白质），医药产品（抗生素）和其他细腻，溶剂 - 浸渍料。冷冻干燥正成为日益流行的方法用于长期保存的各种生物材料。虽然今天种类繁多的食品，药品等。通过冷冻干燥，成功申请生产 长期保存生命系统，如细胞，依旧是 科学家在这一领域的最大挑战 。 不断创新和流程优化日益导致这一过程的工业规模化，越来越多的新应用在冷冻干燥，因此，作为一个有前途的技术，将热敏感材料，如水果脱水加工条件对用于评估冻干水果的质量标准的影响，并在冷冻 - 干燥时间。事实上，两个标准（补液和纹理）都与最终使用的冷冻干燥产物的链接，并且不能被认为是绝对的条件。脱水水果拟主要添加到的产品，如玉米片 ，谷物棒，冰淇淋，糕点酱汁等。已经表明，在冷冻干燥过程的冷冻干燥的材料的物理性质依赖于温度。对于所有的材料，发生崩溃高于玻璃化转变温度和现象变得更强烈，随着温度的增加，控制所述干燥材料的体积密度和孔隙率。 冷冻步骤解释了瞬时补液能力的产品，而且质地损失，由于细胞壁的破坏。然而，冷冻速度对冷冻干燥草莓的质量没有显著作用，也不对冷冻干燥时间。同时，已经表明，苹果较慢冷冻的冷冻干燥过程导致的增加的速度和吸水量之前，以及在再水化过程中更大的干物质损失。也得到了冻干苹果的密度略有下降，随着增加冷冻时间， 冻结率 在干燥收缩减少。 冷冻干燥包括预结晶和快速冷冻，使蛋黄的功能特性不随之失效，也可以保留。因为完全接触速冻使得可以无需液氮。 通过的 人已经表明，在冷冻干燥樱桃树的，快速的预冷冻的材料有助于原的保存进行调查产物和结果在粉末材料是很少易于降解反应的多孔结构。从这些作者的测试的技术，用 温冷冻已发现最值得推荐的技术冷冻的样品。冻干针叶水果的特点是最小的收缩。此外，他们的补液量为高，是因为样本没有受到细胞破裂。与他们的价值观从而保存，冻干针叶可以被认为是维生素 C 的良好来源。 高补液量限制在液体载体 冻干草莓的应用，因为这类草莓干的质地可能会崩溃。因此，合适的涂料需要发展缓慢的冷冻干燥草莓的复水率，以保持它们的味道在一段长的时期。它表明，乳清蛋白涂布液可用于减少由于其物理化学性质的冷冻干燥草莓片的复水率。 为渗透脱水冻干草莓减少补液的（图 2）和吸附容量相对于冷冻干燥的水果不进行渗透脱水被注意。 补液的 120 分钟相比，水果不进行渗透脱水后经过前面的渗透压，预处理冷冻干燥的水果的特点是低水含量。也有人指出，淀粉糖浆渗透脱水引起补液一个显著的区别就在蔗糖和葡萄糖溶液中进行的类比过。 图 2。含水量再水化冻干草莓初步渗透脱水 改性 修改的冻干食品产品的红外（ 组合的性能和冷冻干燥可以被应用。这种方法研究了干燥红薯。它有研究表明，在冷冻干燥的远红外辐射的应用可以减少干燥时间。红外烘干已报道提供了较高的干燥速率和更好的保色性的产品比其他干燥方法，并且是适用的冷冻干燥前的预脱水方法。红外线冷冻干燥可以有效地降低冷冻干燥时间和总体干燥时间，以及提高草莓片的脆度反过来，香蕉片冻干用红外不得不更加柔和的质地和金色的颜色外观相比常规冷冻干制品。红外预脱水在随后的冷冻干燥过程中没有减少所需的干燥时间。它额外地导致在成品中的更大的收缩率比常规冷冻干燥产品。 冷冻干燥可以在放射性计量领域中使用。市场上的小型冷冻干燥机的可用性允许。用冷冻干燥法作为定量源准备一个潜在的常规方法。以冷冻干燥与常规干燥法相比，亨利贝克勒尔在法国和 65源取得的成果已提交。与使用市售装置，定量冻干源已成功相比于常规方法制备的结晶均匀性的改进。此外，更好的检测效率，以 65电子发射已取得的确认在过去所得到的结果。 在 实验，无预冷却步骤施加在大气压力下，允许有显著下降在冻结信号源（超过 1 分钟大致更少），这取决于所沉积的液滴质量与下拉扩展的时间。放射性矿床的冷却和随后冻结是由于减压自我蒸发。腔室压力降低至 1 帕在升华阶段获得解冻混合物的完全固化。在另外的实验表明，在升华阶段的持续时间可能会显著降低（以下 20 分钟）时，完成操作在较高压力下（约 30 帕）。最后，将氮气在腔室内部引入，以防止源补液而在大气压力和环境温度的回收。 图 3。冻干草莓微观结构。渗透预处理： A - 无， B - 在蔗糖溶液。放大 50 倍 渗透脱水是一种重要的技术，它使两个从产物中除去水和其功能特性通过所需溶质的 浸渍 ,修改的过程中往往是作为预处理工艺的水果和蔬菜，从而减少干燥高温过程中的物理，化学和生物变化应用。渗透治疗已被主要用作预处理以一些常规的方法如冷冻，空气干燥，而且真空冷冻干燥，以提高最终质量，降低能源成本，甚至开发新产品，也可以最大限度地减少颜色损失。 一些研究表明，添加叔丁醇（ 可以大大提高冰的速率升华，导致蔗糖溶液的短干燥周期。因此，理想的是使用 水共溶剂体系，如果冷冻干燥的脂质体基于上述数据，因此能够通过冷冻干燥 方式生产脱水 氢化大豆磷脂酰胆碱）的脂质体，脂质体 与胆汁酸 /水共溶剂系统。加少量的 仅没有明显的影响对 泡的大小和被困钙黄绿素的保留，但也可能导致短的冷冻干燥周期。此外，从 水共溶剂体系冻干 质体可以用于专门的应用程序提供的无菌粉末。在用改性酒精注射结合方法，这一技术可用于生产脱水大规模 崔等人， 2006 。绝大多数发表的作品描述了冷冻干燥和超声属于最经常使用治疗。这些技术在整形由无机或有机插层改性，蒙脱石材料的最终性能进行使用 ; 冷冻干燥和超声预处理有被证明可以大大影响外观 的随机取向的（粉末状蒙 脱石）模式蒙脱石样品。两种治疗导致更大的粘土团块破坏成更细，更容易要相互自我取向的颗粒，即使温和，构成粘土崩解的更有效手段并诱发更大的纹理排序。 技术应用 冷冻干燥是一种广泛使用的脱水方法和改进的各种药品，包括稳定性：病毒，疫苗，蛋白质，肽，或胶体载体：脂质体，纳米粒子，纳米乳液。在生物技术的最新进展已使获得足够数量的生物微量成分和冻干技术在药品生产中应用的进一步刺激。生物材料是 能 由各种因素而损坏， 即使在冷冻干燥过程中，产生的生物失活 见 1991。如今，在制药领域，有一种需要加以物质的大量 由于它们的存在不稳定性贮存在干燥状态的水，例如，抗生素，疫苗，肽类和蛋白质 等。 冷冻干燥是常用在制药和生物技术工业，以改善制剂的稳定性。活性药物成分和相应的赋形剂是首先在一种溶剂（通常是水）的溶解，溶液的质量是通过 米或等效无菌级过滤器过滤处理，使其无菌。的灭菌溶液填充到小瓶中，然后装入冻干机其中溶液被冻结，并随后在非常低的压力，以升华的溶剂和从制剂中取出加热。一旦水被除去，产物小瓶在真空或惰性气体空间（ ， 密封。所得到的高度多孔饼具有低的水分含量，并且可以被存储在一段时间在指定的储存 条件下长时间工作，直到其预期用途 人， 2004。 冷冻干燥纳米粒子是一个非常复杂的过程，需要制定的主要调查和工艺条件。该制剂的许多参数可确定冻干的成功，纳米颗粒的特别组合物（的表面活性剂，类型和冷冻和冻干保护剂的浓度，冷冻保护剂和纳米颗粒，纳米颗粒的表面修饰之间的相互作用聚合物的类型和浓度的类型）。此外，冷冻干燥的应用条件下，在期间和之后影响纳米颗粒的稳定冷冻干燥，有或无退火，压力和搁板温度冷冻的特别的速率，并且该处理的每一阶段的持续时间。许多方法可用于评估最终冻干产物，以确保纳米 粒子性质的保护和冻干 阿卜杜勒 - 瓦赫德等人， 2006所要求的品质。 冷冻干燥方法，它允许长期存储的完整的 的冻干的组织，可用于完整的 前列腺组织中的隔离，将有助于阐明 发病机制（前列腺癌）。在所有的研究中人所采用的程序，将适用的完整的 其它组织和长期储存冻结的分离 有降解。也是人类红细胞，作为一种模式非常简单的活细胞，似乎是一个众所周知的例子在冷冻干燥问题的深入研究。虽然有些作者声称他们能够冻干红细胞，大多数评论家并不相信这些成就（弗兰克斯， 1996）的。 冷冻干燥通常用来提高治疗性蛋白质的贮存稳定性，为了获得具有最佳贮存稳定性的产品，了解其中溶质防止冷冻干燥产生的应力的蛋白质，也对在随后的存储诱导损伤的机制。最好注意到海藻糖和蔗糖，其中冻干过程中形成的玻璃和其中有代替水的能力，以氢键与在干燥固体的蛋白。 冷冻干燥也常用于培养保护和用于生产浓缩的发酵剂。在冷冻干燥的细胞经历极端的环境条件，例如低温和低的水活性，这降低其存活率。此外，细胞存活率冷冻干燥后作为受培养物的 响。 一种冷冻干燥技术也被成功地用于阻止两个牙结石的固化反应，使得扫描电子显微镜可 以用于硫酸钙半水合物转化为硫酸钙二水合物在视觉上评估的各个阶段。 这似乎是可行的，添加的糖的过程中的冷冻干燥过程的影响方药的结晶行为来改变方药的稳定性。先前报道的糖加成对冻干制剂中的结晶性和稳定性的影响，并证明了药物的非晶化正比于糖类的添加好。 结论 数以百计的变体中的固体颗粒，糊剂，连续片材，浆液或溶液的干燥实际使用，它提供了食品工程之间的最大分集单元操作。这些变化会改变的物理性质如颜色和结构。它们还可以开发不期望的生化反应，如芳香化合物或营养物质的降解的劣化。所有这些物理生化变化无疑降低产品的质量，降低 进程的效率。冷冻干燥是一种特定的干燥方法，该方法允许获得干燥的材料具有典型特征的原料。 冷冻干燥是用于各种各样的热敏感产品的可靠保护，要求的可靠性和控制的最高标准除了食品，很适合其他物品，包括：鲜花，培养的微生物，原料药，医疗器械，化妆品， 专门化学品，颜料和酶。最重要的在此过程是时间，温度和压力。如果他们 被明确定义，他们可能确实影响最终的产品质量 。不幸的是，干物料的高孔隙度 对贮存稳定性有负面影响。因此，冷冻干燥的材料需要被存储在一个密封包 。 在冷冻干燥过程仍然昂贵，这在食品工业中限制了其应用的范围很广 。新的技术解决方案应用到修改的冷冻干燥处理，使其时间和成本效益，我们取代传统的加热源通过微波辐射或我们使用一个喷嘴在干燥器室。另一种解决方案来限制处理时间是使用预处理如热烫，脱水通过红外辐射或渗透脱水。 参考 1 阿卜杜勒 - 瓦赫德 W.， .， .， .，冻结 - 纳米粒子的干燥：配方，加工和储存方面的考虑。药物控制。牧师， 2006， 58，168 至 1713 年。 2 巴比奇 J.，坎 塔莱霍 .，冷冻干燥的效果工艺参数对肉鸡鸡胸脯肉。食品科学报， 1325 年至 1334 年。 3 鸟光，冻干肉适口性。食品学报， 1965。 4 莫雷利 S.，拉科四， .，在放射源的制备采用两种干燥技术比较坚固：。冷冻 - 干燥，用蒸发热干燥氮气射流。 射。 5 .， P，一些非平衡的严格审查对食品水分活度值的情况和玻璃化转变 在微生物生长的范围。 1995。 6 崔新，李传令，邓江，王元龙，王炜，冷冻干燥 脂质体使用叔丁醇 /水共溶剂体 系。诠释。 2006。 7 德 .， ，博宾通道，布沙尔 J.，冷冻干燥用于放射源的准备。 射。 2004 年， 61， 1391 迪马特奥体育， .，法拉利 G.，热量和质量的作用在常压冷冻干燥的食品转移现象在流化床中。 2003， 59， 267 9 个充满活力，火用和环境方面的干燥系统。诠释。 002， 26， 717 10 弗兰克斯楼，冷冻干燥生物制品：将原则纳入实践。欧元。 生物医药， 1998， 45， 221 11 对流的影响及冷冻干燥条件干胡萝卜根的质量。新西兰移民局。 2005， 71， 119波兰）。 12 乔治太平绅士，达塔的 发和验证热和传质冷冻干燥的蔬菜片的模型。2002， 52， 89 13 哈马米三，刘若英楼，冷冻干燥过程的测定变量草莓。 1997，32， 133 14 K， 肠杆菌， B，一些水果和蔬菜的干燥过程中的颜色变化动力学研究。干燥学报。 ， 1998， 16， 667 15 李钐，黄某 渝生，李炜，环氧酚醛清漆蒙脱土纳米复合材料的混合：新型合成方法及其特点。聚合物工程。科学， 2004， 44， 1170 至 77 年。 16 .， .，科尔曼 究基于杯芳烃的固体脂在冷冻干燥条件下纳米粒子。欧元。 物医药， 2003， 55， 181 17 .，尼尔森 H，热处理，水分活度和氧化贮存温度的影响 全脂奶粉的稳定性。诠释。乳制品 J.， 1997， 7， 331 18 参考书目： P， 果和蔬菜的渗透脱水。 2007 年，在：工业烘干手册 。（编辑阿伦 S. 泰勒弗朗西斯集团，纽约，页665 19 肠杆菌，山本光，冷冻干燥 二元体系 。影响糖的添加对头孢唑啉钠在冷冻水溶液的结晶。医药。物理学阖闾， 1995， 70， 113 20 温克勒 ，莫纳汉 .，吉尔伯特 P，冷冻干燥和设置牙科石膏的扫描电子显微，凹痕。 ， 1995， 11， 226 of J. 2011, 61, 3, 165ofainor ofofis ofto to to ofAt to be to or is an to to be is to a ofis a a by aofais to 2001. or A.to to 1995; et 1997; 2006is a inor is at aet 2008. of 2002; 2003; et 2008. ofor to et 2004. Into et 2008; et 2009, it is et 2008. aofby aa is ofin 2009a it ofto be no a2000 A 59c, 02776 is aofby ofofus to to ofOn is aofofis ofinAofinof. A.ofis on to at aby ofinofor to or of aby et 1999to ofofofof2003. be et 2008ato ofofto kg ofis 1977. Inof8 2001. inis ofais into as as to of2002. 2001 5% ofinaofis % ofby ofofso on ofet 2008. et 2008a as be inais on a is is to a At inbe to ato is by is at a a 1998. At ofbe so to be
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