冷冻干燥技术的应用

一、冷冻干燥技术在化妆品中的应用

1、前言

《化妆品监督管理条例》，2020年1月3日国务院常务会审议通过了《化妆品监督管理条例》，李克强总理于6月16日正式签署，《条例》于2021年1月1日起正式施行。《条例》的制定出台，充分体现了坚持以人民为中心的发展思想，贯彻落实“四个最严”、“放管服”改革要求，为做好新时代的化妆品安全监管工作指明了方向。《条例》共分6章、80条，基于化妆品发展规律和监管实践，面对新形势、新挑战、新问题，进行了充分的调研和论证后，在监管理念上发生了一些变化，主要体现在以下几方面：一是风险管理理念;二是责任治理和社会共治;三是全程治理。化妆品产品现有剂型包括以下14种其中冻干类产品在列(释义和说明生产工艺包含冻干技术)。

2、冷冻干燥技术(冻干技术)

真空冷冻干燥，简称冻干，是指在真空条件下，固态物料不经过液相直接升华为气态进行干燥的过程。在冻干的过程中，溶剂直接由固态升华为气态，因此不会破坏溶质原有的化学结构和形态。具有生物活性的材料在重新溶解后，仍能恢复冻干前的构象和生物学功能。因此，冻干是一种对被干燥物质性质影响最小、最安全的干燥方法。 对热敏性物质特别适合，可以使热敏性的物料干燥后保留热敏成分;能保存食品中的各级营养成分，尤其对维生素C，能保存90%以上。复水快，食用方便。因为被干燥物料含有的水分是在冻结状态下直接蒸发的，故在干燥过程中，水汽不带动可溶性物质移向物料表面，不会在物料表面沉积盐类，即在物料表面不会形成硬质薄皮，亦不存在因中心水分移向物料表面时对细胞或纤维产生的张力，不会使物料干燥后因收缩引起变形，故极易吸水恢复原状。冷冻干燥法能排除95%～99%以上的水分，产品能长期保存而不变质。

3、化妆品冷冻干燥

冻干机技术应用到化妆品生产，通常经过以下几个过程：

物料的预处理需要添加一些添加剂以保证冻干产品外观、生物活性、稳定性。按照功能常见的有赋形剂、填充剂、抗氧化剂、酸碱调节剂等。

预冻就是将溶液中的自由水固化，赋予干后产品与干燥前相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩和溶质移动等不可逆变化发生，尽量减少由温度引起的物质可溶性减少和生命特性的变化。

升华干燥(一次干燥)。物料中的水分可以划 分为两类： 一是在低温下可被冻结成冰的，这部分的水可以称为 “自由水” ，二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” 。将冻结后的产品置于密封的真空容器中并提供升华所需要热量，其冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成后升华水蒸汽的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面。当全部冰晶除去时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的90%左右。

(解吸干燥( 二次干燥) ， 又称二次干燥， 是在较高温度下加热，使物料中被吸附的部分“ 结合水”解吸， 变成“自由”的液态水，再吸热蒸发成水蒸气。解析干燥是进一步除去产品中吸附的水分﹐使含水量符合工艺要求的过程该阶段的最高温度视产品性质及成品要求的含水量而定。

封装和储存，经过二次干燥后， 要进行封装和储存。封存仍须在真空条件下， 或者充惰性气体条件下进行。

常见冻干化妆品

冻干粉

EGF(表皮细胞生产因子) 类冻干粉。主要作用是收缩毛孔、

抗皱。EGF可以加快皮肤表皮细胞的生长分裂，在胶原蛋白合成

的方面有强大的促进作用。在冻干粉中活性物是产品的核心，如

细胞因子EGF 、KGF-2 、SCF 、BFGF 、AFGF等多肽类物质。

AFGF是冻干粉的一种，也是多功能强力细胞因子，能够提升细胞

新陈代谢的速率，促进细胞分裂分化。AFGF通常被用在皮肤受损时，能够加快细胞的恢复。使用AFGF还能够起到抗衰老的作用，

促进皮肤层细胞蛋白质的合成。

冻干精华

冻干精华顾名思义冻干粉与精华液的结合，将纯度极高活性极佳的冻干粉和高于普通2倍纯度的精华液结合，在真空的条件下使冻干粉和精华液复配，从而产生一种效果优于高端精华液几倍的冻干精华。

冻干球

冻干球，也叫冻干珠，液氮点小球，是指将试剂/药液，通过专业精密微量泵点到液态氮中，使其在极短极低的温度下，迅速冷冻成形状均匀规则的小固态圆球，然后收集起来进行冷冻干燥。

冻干面膜

冻干固态原液面膜，是指将面膜原液、增稠剂、保湿剂等成分，与膜布纤维融合，使用真空冷冻干燥，将水分进行升华，形成固态干膜形式的面膜。

冻干眼贴

以胶原透明质酸钠为主要成分，添加各类功效肽类的最优良的载体，去黑，去皱。各类小分子吸收率极高，由于是冻干技术产品，能保持生物活性。

实验型化妆品冻干机

二、冷冻干燥技术的应用-抗原检测

前言

新冠病毒是一种微生物。它随时都在发生着变异，只是变异程度不同而已。疫情以来，从阿尔法到伽马，从贝塔到德尔塔，从拉姆达到奥密克戎，新冠病毒已经出现多次明显变异。特别是2021年11月9日，在南非首次发现的奥密克戎变异株，其传染性、适应性比德尔塔可能更强。2021年11月29日，世卫组织称，奥密克戎变异毒株在全球总体风险评估为“非常高”，可能在世界广泛传播。同时，世卫组织专家预测，“德尔塔+奥密克戎”，可能会出现“海啸”般的传播。

抗原抗体检测

「IVD」全名叫「invitrodiagnosticproducts」，中文译为体外诊断产品，IVD 包括医疗器械、体外诊断试剂以及药品，是指在人体之外通过对人体的血液等组织及分泌物进行检测获取临床诊断信息的产品和服务。我国医院里俗称的「检验检查」中的「检验」包括了 IVD 的大多数细分种类——如①生化诊断(clinicalchem)、②免疫诊断(immunoassay)、③分子诊断(MDx)、元素诊断、微生物诊断、尿液诊断、凝血类诊断、组织诊断、血液学和流式细胞诊断等。通俗来说就是把你身上的标本(比如血液、唾液)取出来诊断。

冻干技术应用

2020年以来，国内的新冠核酸检测试剂大量出口，传统核酸诊断试剂盒因含有生物活性成分(DNA酶、反转录酶等)，一般需要在-20℃左右的冷链环境中储运，以确保试剂有效成分的生物活性。冷链运输不仅成本高，而且环境温度的变化造成试剂反复冻融会直接影响检测试剂的性能和保质期。如何既能降低成本还能在长途运输中保证试剂的稳定性成为了亟待解决的问题。经过研究发现，将液体试剂冻干成固体试剂不仅成本低、保质期会更长，其性能和液体试剂一样。

真空冷冻干燥，简称冻干，是指在真空条件下，固态物料不经过液相直接升华为气态进行干燥的过程。在冻干的过程中，溶剂直接由固态升华为气态，因此不会破坏溶质原有的化学结构和形态。具有生物活性的材料在重新溶解后，仍能恢复冻干前的构象和生物学功能。因此，冻干是一种对被干燥物质性质影响最小、最安全的干燥方法。

冻干技术优势及其设备构成

冷冻干燥技术有下列优点：

⑴冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛的应用。

⑵在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品、药品和食品干燥。

⑶在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。

⑷由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。

⑸干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。

⑹由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。

⑺干燥能排除95-99%以上的水分，使干燥后产品能长期保存而不致变质。

1、箱体是一个能够制冷到-55℃左右，能够加热到+80℃左右的高低温箱，也是一个能抽成真空的密闭容器。

2、冷凝器同样是一个真空密闭容器，在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面，吸附面的温度能降到-40℃～-70℃以下，并且能维持这个低温范围。

3、冻干箱、冷凝器、真空管道、阀门、真空泵等构成冻干机的真空系统。

4、制冷系统由制冷机与冻干箱、冷凝器内部的管道等组成。

5、加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式。有的是利用直接电加热法;有的则利用中间介质来进行加热。

6、控制系统由各种控制开关，指示调节仪表及一些自动装置等组成，它可以较为简单，也可以很复杂。一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。控制系统的功用是对冻干机进行手动或自动控制，操纵机器正常运转，以使冻干机生产出合乎要求的产品来。

新冠病毒抗原检测

国家卫健委官网挂出了《关于印发新冠病毒抗原检测应用方案(试行)的通知》。文中提到，为进一步优化新冠病毒检测策略，服务疫情防控需要，经研究，国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制综合组决定在核酸检测基础上，增加抗原检测作为补充。

上海新冠肺炎临床救治专家组组长、复旦大学附属华山医院感染科主任张文宏在接受媒体采访时指出，抗原就像是病毒外面穿的“衣服”，核酸就是病毒里面的基因。他表示，就像在家用验孕棒检测是否怀孕一样，抗原检测能居家进行检测，而且速度很快，在条件比较差的医院也能检测，费用也比较低。

抗原检测步骤检测新型冠状病毒

1.将标本处理液滴至标本处理管中;

2. 将取样拭子搅拌并挤压管壁，使标本充分洗脱至处理液中;

3. 取出检测卡，向圆孔中加样;

4. 等待15分钟，判读结果。

三、冷冻干燥技术的应用-蜂王浆

冷冻干燥技术在蜂王浆中的应用

1、前言

蜂王浆是蜜蜂(工蜂)咽腺中分泌出来的一种物质, 是蜜蜂用来喂饲蜂王的食料。它其有较高的营养价值及药理价值, 受到国内外食品、化妆和医药等行业的青睐蜂王浆具有一定的生物活性, 并具有较高的热敏感性质因此, 新鲜蜂王浆的常温贮藏,会很快丧失其生物活性, 以致腐败、变质。我国规定蜂王浆应在一18 ℃ 下低温保存。新鲜蜂王浆经过冷冻干燥, 制成干粉后, 则从根本上解决了蜂王浆贮藏困难而带来的一系列麻烦, 从而促进了蜂王浆生产与销售的发展。

2、蜂王浆主要成分

蜂王浆的成分相当复杂，含有蛋白质、脂肪、维生素、糖类等多种营养物质。鲜蜂王浆中水份约占62.5-70%，干物质约30-37.5%。蜂王浆的干物质中以蛋白质含量最多，约占36-55%;其他成分如12种游离氨基酸约占0.8%，糖类约占据20%以上，包括10-羟基-癸烯酸等脂肪酸在内的脂类物质含量为7.5-15%，矿物质为0.9-3%。此外，蜂王浆中还含有维生素、核酸、激素等其他含量较少的物质。

3、蜂王浆为什么要冻干

蜂王浆可以说是「活性」蜂王浆，其中包括精华物质，在常温下极易变质，因而保存很困难，携带极为不便。鲜王浆适宜的冷藏温度为-18℃以下，但一般家庭冰箱达不到这个性能，况且鲜王浆在冰箱中成冰冻形，不易取食;冰箱经常开门，箱内温度变化较大，鲜王浆从冰箱中进进出出，容易丧失生物活性。采用冻干技术，生产高质量的蜂王浆冻干粉。不仅充分保存了营养物质的生物活性又克服了生物活性在室温下或冰箱中不能长期保存的缺点。

冻干蜂王浆

蜂王浆的药理作用与功效：

⑴、 蜂王浆能增强人的基础体力，使人的衰老组织活化，服后食欲好，长精神，气色佳;

⑵、 蜂王浆所含肽与蛋白质类保健因子，可促进智力发展，因而服用可提高记忆力;

⑶、 蜂王浆富含VB和优良蛋白质，特别是含杀菌力强的王浆酸，因而为治癌良药;

⑷、 蜂王浆所含多种无机盐，能促进肝糖释放、增强代谢，具有预防、保护化学性肝损伤的作用;

⑸、 蜂王浆内的泛酸含有丰富的活性物质，可改善风湿症和关节炎症状;

⑹、 蜂王浆含乙酰胆碱，能使植物神经失调恢复正常，对治疗心血管病效果显著;

⑺、 蜂王浆含类胰岛素，对糖尿病有一定功效;

⑻、 蜂王浆含蛋白质荷尔蒙，服用后随血液循环全身，有助于皮肤和肌肉组织机能恢复活力，对治疗烫伤效果明显;

⑼、 蜂王浆有促进造血功能作用，对发育不良的少年儿童可增加血红蛋白，促进生长，提高抗病力;

⑽、 蜂王浆可强化肾上腺皮质机能，调节人体激素，促进间脑细胞复苏，有利于治疗更年期障碍症和慢性前列腺炎症。

蜂王浆冻干过程

1、 原料准备(物料浓度定在4—25 %之间)

2、过滤, 除杂。

3、装盘，放入冷冻干燥机。

4、编辑冻干工艺启动运行。(预冻、升华干燥、解析干燥自动运行。)

5、冻干终点判断

6、充气，开箱收料。

7、粉碎

8、分装或者其他成型工艺

蜂王浆的冻结温度控制在-30℃到-3 5 ℃。

维持物料在-25℃到-30 ℃之间。

蜂王浆冻干工艺

四、冷冻干燥技术的应用-FD苹果脆片

中国长期保持苹果最大消费国地位。随着国民收入的增加，中国每年人均苹果消费量也在稳步提升，已超过世界平均水平，且因为人口基数大，中国苹果消费市场已是全球之最。这同时对供应端提出了更高的要求，逐年增长的苹果进口量表明，中国消费者对质量上乘的各类高端苹果需求越来越大。

LG-20食品冻干机

FD苹果片是一种方便即食、口感酥脆、营养丰富、绿色健康的果蔬休闲食品，深受消费者青睐。与通常热干燥技术相比，它有许多显著的优点：冻干苹果片干燥后体积、形状基本不变，物料呈海绵状，无干缩现象;在真空和低温下干燥，苹果中易氧化物质得到了保护，且易挥发成分和受热变性的营养成分损失少，能最大限度地保持苹果原有性状;冻干后，产品含水量低、重量轻、保存期长，采用真空密封包装，常温下即可保存、运输，十分方便。

LG-03实验型冻干机(桌面冻干机)

配套设备技术要点

真空冷冻干燥(FreezeDrying，FD)果蔬脆片营养和生物活性物质保留率高，同时可较好保持果蔬色泽和生鲜风味。冻干苹果片工艺流程一般包含：清洗→削皮、去核→切块、护色→真空冷冻干燥(预冻—升华干燥—解析干燥)→包装。预冻是真空冷冻干燥工艺中必不可少的环节，果蔬的冻结状态和冰晶形态对FD 果蔬品质有显著影响。预冻和冻融处理一方面影响苹果片干燥速率，另一方面也会改变苹果片硬度、脆度等感官品质，综合考虑真空冷冻干燥苹果片品质和干燥能耗，缓慢冻结(XX℃)结合冻融X 次处理的真空冷冻干燥苹果片干燥时间可缩短至600分钟以内。

五、冷冻干燥技术应用-速食面(FD面)

真空冷冻干燥技术，简称冻干技术，英文是FREEZE DRIED，缩写作FD。冻干技术最早是被发达国家航空航天局研发出来应用在外太空宇航员专用营养食品里的，它能在不破坏物质原有物理化学结构的前提下，利用升华原理将含有水分的食材在预冻后置于真空环境下升华、脱水干燥。 由于在冻结的状态下进行干燥，因此制品的体积、形状几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。在真空下进行干燥，物料处于高度缺氧状态下，容易氧化的物质得到了保护。 干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不变质。经过冻干技术处理过的食物，内在营养成分的保存率仍然可达到96%以上，而食物含有的极轻芳香油也会被保留在食物表面，不受损失。

冻干面和方便面的区别在于：冻干面是运用冷冻干燥技术加工而成的方便面，特点是非油炸，食材丰盛，口感好，营养价值高;而方便面则是通过对切丝出来的面条进行蒸煮、油炸，从而让面条的形状固定，一般可以生吃。冻干面采用真空冷冻干燥技术将鲜面条、汤及蔬菜速冻，后在真空状态下升华干燥脱水，冻干面和其它速食面一样，只需加水，即可恢复原来的面貌，且色、香、味基本保持不变。而且由于冻干面采用真空冷冻干燥技术，没有经过高温改变食品的物理化学结构，因此它的营养成分几乎没有流失，基本与新鲜实物相等。此外，高达95%的脱水率使得食品保质期大大延长，真空包装，可在常温环境中保存五年以上。

冻干处理后，不仅面饼复水性好，鲜嫩劲道，和生面现煮的没两样，配菜里的蔬菜、萝卜乃至整块牛肉、整只虾仁，就是和泡面盒子上画得一样大、一样色泽诱人、一样有口感，远比以往泡面配菜包里色彩暗沉、香精调味明显的小肉块、小虾米要来得令人欣慰得多  。

北京松源华兴科技发展有限公司创立于2000年，专注于真空冷冻干燥技术产品的研发、生产、销售，以“真空冷冻干燥机”为核心产品，形成了针对科研实验冻干、医用冻干、食品冻干，不同规模、不同应用的三大系列产品。

食品型冷冻干燥机主要技术优势：

● 预冻、干燥分体结构，同时进行，提高了冻干效率，缩短了冻干时间。

● 航天级铝合金隔板材质，双面辐射加热，辐射率90%以上，温度均匀性好。

● 高效混合型载冷剂介质，较低的凝固点和较高的沸点，换热效率高，使用寿命长。

● 干燥曲线优化控制算法，可在干燥阶段控制制品升温速率及真空度值。

● 专业的气体导流设计及控制技术，捕水能力强，干燥效率高。

● 托盘由航空防锈铝合金冲压成形，并经特殊表面处理有较高的吸热率。每个干燥舱均配有2套物料托盘。

● 工业级嵌入式触摸屏+专用SH-HPSC-III模块化控制器，系统稳定可靠，控制精度高。

● 专业设计的FD-MANAGER控制系统，可保存多组工艺配方，同时可在干燥过程中对工艺进行实时调整，提高工艺优化率。

● 灵活的手动+自动控制方式，手动用于摸索工艺，自动用于批量化生产。

● 精准的传感器校准功能，确保长期使用工艺参数的精确性。

● 可设置用户等级和密码，分权进行操作管理。

● 可选配功能强大的LYO-MEGA上位机控制系统，可记录、保存长达十年期间的运行数据、曲线及报警记录，提高产品的可追溯性;同时方便观察、操作及故障诊断。

● 可根据用户需求进行非标定制。

LG-50食品型冷冻干燥机，单次鲜料处理量500-700Kg

食品冻干机冻干操作展示

纯天然冻干产品

六、冷冻干燥技术应用-牛肉(宠物食品)

食品冷冻干燥法是一种特殊形式的食品真空干燥法冷冻干燥还有多种其他的叫法,如真空冷冻干燥升华干燥,冷冻升华干燥等。它是先将物料冻结到冰点以下使水分变成固态的冰，然后在较高的真空度下，使冰不经液态直接转化为水蒸气而除去从而获得干燥的制品，水的相平衡关系是研究和分析含水食品冷冻干燥的基础 ，从水的相平衡图及三相点示意图上可以得知当压力大于610.5Pa 时，从固态冰开始等压加热升温的结果必然要经过液态才能达到气态，而当冰周围的蒸汽压低于610.5Pa 时，固态冰加热升温可以直接升华为水蒸气，这就是冷冻干燥的基本原理。

冻干食品具有以下特点：

a.由于脱水比较彻底，因而不加任何防腐剂也可安全地贮存较长时间、并且运输方便。

b.由于物料在升华脱水前先经冻结形成稳定的固体骨架，所以水分升华汽化后固体骨架基本维持不变，故干制品不失原有的固体结构保持新鲜食品的形态，且多孔结构的制品具有理想的速溶性和快速复水性 。

c.由于物料中水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水中的无机盐之类的溶解物质被均匀地分配在物料之中，冰晶升华时溶于水中的溶解物质就地析出，避免了一般干燥方法中，因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象，因此冻干食品无表面硬化的问题。

d.冷冻干燥在低温高真空度下进行，避免了加工时食品中的热敏性成分被破坏，低温下各种化学反应的速率较低，故冷冻干燥时由于色素分解造成的褪色、酶和氨基酸所引起的褐变现象几乎不发生，所以冻干食品不需添加任何色素其色泽依然鲜艳如初,风味不变 。

f.冻干食品容易吸湿、潮解故对包装材料要求高，此外多孔疏松结构使得冻干食品在输送、销售途中极易破碎粉末化，因此应采用具有一定保护作用的包装材料或包装形式 。

冻干五香牛肉类冻干工艺流程

五香牛肉筛选整理→切片→预冻 → 升华干燥→ 解吸干燥  → 包装 →成品

冷冻干燥操作说明

a.筛选半膜性肌背部最长肌等部位制作的五香牛肉剔除熟牛肉上附着的脂肪及结缔组织切块厚度5mm左右，将切好的物料摆放于干燥托盘中并将探头放于物料中。

b.自动运行LGJ-100F冷冻干燥机预至冻干工艺，仓搁板制冷10min 后板温达-15℃，此时将料盘放入干燥室搁板上预冷约1.5h后料温降到20℃左右继续冷冻0.5h后结束冻结。

c.预冻结束后真空泵自动运行，对捕水器和干燥仓抽真空，本机先对捕水器抽空这样就可以维持干燥室真空度比捕水器真空度略低，真空开启隔板进入升温状态设置搁板极限温度为55℃。

d.设备监控界面显物料温度接近隔板设定极限温度时，可认为到达干燥终点，打开充气阀门负压后取出牛肉片用包装袋封口包装。

食品冷冻干燥机牛肉类工艺说明

松源冻干LGJ-100F冷冻干燥机，五香牛肉的冻干工艺设置为预冻时间 3h，预冻终点温度-24℃，干燥室真空度 60Pa，捕水器真空度 45Pa，捕水器温度 -70℃，干燥时间4h 冻干熟牛肉外观其色泽与冻干前无差别呈暗红色表面呈焦状使制品赋有特殊风味，在20℃的常温水中使冻干熟牛肉复水约 1min左右制品恢复至冻干前鲜熟牛肉的状态复水后制品具有较好的品质并且口味与冻干前一致。宠物食品直接食用即可，易消化、营养价值高易吸收。