本文對(duì)泡沫冷凍干燥保護(hù)劑的配方及過程參數(shù)進(jìn)行了四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)研究，確定了各因素對(duì)發(fā)泡效果影響的顯著性。其中發(fā)泡真空度對(duì)發(fā)泡高度的影響最顯著，明膠及Pluronic-F68 用量其次，擱板溫度的影響最不顯著。應(yīng)用發(fā)泡效果最佳的配方及過程參數(shù)，進(jìn)行了1 ml 樣品的泡沫真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，一次干燥時(shí)間3 h、二次干燥時(shí)間12 h，所得樣品剩余含水量小于2.0%。

　　冷凍干燥是生物制藥、高檔食品和化妝品生產(chǎn)以及超細(xì)粉體生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。由于其制品具有保存期限長、使用方便、便于運(yùn)輸、可常溫保存等優(yōu)點(diǎn)，在疫苗、微生物的保存中冷凍干燥方法也經(jīng)常被運(yùn)用。與其它常見干燥方法如烘干法相比，凍干生產(chǎn)的周期長，能耗大，這些缺點(diǎn)制約了凍干技術(shù)的應(yīng)用范圍。

　　為提高凍干生產(chǎn)的效率、減少其能耗同時(shí)又能保持其制品的優(yōu)點(diǎn)，近年來有國外學(xué)者針對(duì)獸用疫苗提出了一種新的干燥方法，泡沫真空冷凍干燥，其特點(diǎn)是：對(duì)物料進(jìn)行前期預(yù)處理，載入發(fā)泡劑，配合抽真空等手段使物料膨松成泡沫狀，然后在真空下加熱完成一、二次干燥，從而除去物料中的水分。新方法由于發(fā)泡后物料的比表面積顯著增大，傳熱、傳質(zhì)情況能得到明顯改善，從而極大地提高了干燥速率。運(yùn)用此方法，國外學(xué)者已干燥保存了流感病毒、支原體、牛瘟病毒等，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，還有學(xué)者嘗試采用此方法干燥食品。

　　國內(nèi)目前關(guān)于泡沫真空冷凍干燥研究的公開報(bào)道還很少見。為了促進(jìn)泡沫真空冷凍干燥技術(shù)在我國的應(yīng)用和推廣，本文擬對(duì)泡沫真空冷凍干燥工藝開展實(shí)驗(yàn)研究，確定影響發(fā)泡效果的主要因素，并以發(fā)泡效果最佳的工藝參數(shù)進(jìn)行瓶裝1ml樣品的泡沫真空冷凍干燥。

1、材料和方法

　　1.1、實(shí)驗(yàn)材料

　　本文實(shí)驗(yàn)采用的泡沫真空冷凍干燥配方包含40%蔗糖、2%精氨酸、1%甘油、0.025 mol·L^-1 磷酸鹽緩沖液(pH 7.2)以及一定比例的Pluronic-F68、明膠，預(yù)期用于雞新城疫活疫苗的保存。其中Pluronic F-68 作為發(fā)泡劑，在系統(tǒng)抽真空時(shí)使溶液膨松成泡沫狀；明膠作為穩(wěn)定劑，使產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

　　1.2、實(shí)驗(yàn)裝置

　　所使用的冷凍干燥裝置簡圖如圖1 所示。擱板下面布置有電加熱器，其功率輸出由PLC 控制，從而控制擱板的溫度。制冷系統(tǒng)采用單級(jí)蒸汽壓縮式，混合制冷工質(zhì)在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮成高溫高壓的蒸汽后進(jìn)入冷凝器中，冷凝后的低溫低壓流體分為兩路，分別在兩個(gè)手動(dòng)節(jié)流閥中進(jìn)行節(jié)流、調(diào)節(jié)流量，隨后兩股流體分別進(jìn)入凍干箱中的擱板和冷阱盤管中進(jìn)行制冷，完成一個(gè)制冷循環(huán)，實(shí)驗(yàn)時(shí)冷阱溫度約為-60 ℃。真空泵為三相供電，接在西門子MICROMASTTER440 變頻器的輸出端，通過控制真空泵的抽速，配合真空微調(diào)閥開度調(diào)整，達(dá)到精確控制干燥箱真空度的目的。使用Agilent 數(shù)據(jù)采集儀每6 秒鐘采集一次樣品內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。樣品在擱板上預(yù)冷后開始抽真空發(fā)泡，由于抽真空速率過快會(huì)引起溶液噴瓶，同時(shí)也為了得到更好的發(fā)泡效果，發(fā)泡過程需分階段進(jìn)行，先使干燥箱內(nèi)達(dá)到一定的真空度，保持兩分鐘后將真空控制在10 Pa以內(nèi)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

　　1.3、實(shí)驗(yàn)方案

　　泡沫真空冷凍干燥過程如下：預(yù)冷→發(fā)泡→凍結(jié)→一次干燥→二次干燥→密封。實(shí)驗(yàn)包括兩部分，第一部分通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定影響發(fā)泡效果的因素，第二部分在第一部分基礎(chǔ)上進(jìn)行，以最佳發(fā)泡效果對(duì)應(yīng)的工藝條件進(jìn)行1 ml 樣品的泡沫冷凍干燥。通過文獻(xiàn)調(diào)研及初步實(shí)驗(yàn)，作者確定了Pluronic F-68 以及明膠的含量、擱板溫度、真空度等四個(gè)會(huì)影響發(fā)泡效果的因素。因素水平范圍如表1 所示，正交實(shí)驗(yàn)表按L9 (34)安排。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。發(fā)泡效果的指標(biāo)為發(fā)泡高度和一次干燥時(shí)間，發(fā)泡高度越高、一次干燥時(shí)間越短，說明所選取的工藝條件越佳。第二部分實(shí)驗(yàn)的步驟如下：1)取1 mL 樣品溶液裝在Φ22 mm西林瓶里，裝液高度約2.5 mm，半蓋上瓶塞，放置于擱板上，預(yù)冷30 min；2)抽真空發(fā)泡；3)一次干燥3 h；4) 擱板溫度升溫至32 ℃進(jìn)行二次干燥，時(shí)間12 h；5)樣品的剩余含水量測(cè)定采用烘干稱重法，電子天平采用梅特勒- 托利多的AL104型，精度為0.1 mg，實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。

表1 正交試驗(yàn)因素表

圖2 實(shí)驗(yàn)過程溫度曲線

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　實(shí)驗(yàn)過程中擱板和樣品內(nèi)溫度曲線如圖1所示。在一次干燥過程中溫度升到10 ℃左右時(shí)樣品溫度會(huì)出現(xiàn)突然的下降，是由于局部自由水分布不均勻?qū)е屡菽�結(jié)構(gòu)發(fā)生相變所致。在樣品溫度趨于擱板溫度時(shí)認(rèn)為一次干燥過程結(jié)束，隨后升高擱板溫度進(jìn)行二次干燥。試驗(yàn)中未遭遇噴瓶現(xiàn)象，即泡沫溢出瓶口。表2 給出了不同工藝條件下的一次干燥時(shí)間和發(fā)泡高度，這兩組數(shù)據(jù)之間沒有明顯相關(guān)性，即在試驗(yàn)條件下并非發(fā)泡高度越高一次干燥時(shí)間就越短。9 組實(shí)驗(yàn)的一次干燥時(shí)間均在120~145 min 之間，各組時(shí)間的差別不大。表3 列出了對(duì)發(fā)泡高度的方差分析。根據(jù)所求得的F 值可知，因素B 發(fā)泡采用的真空度對(duì)發(fā)泡高度的影響最顯著，其次因素C 明膠含量、D 發(fā)泡劑含量對(duì)發(fā)泡高度的影響也比較顯著，而因素A擱板溫度的影響不顯著。在因素組合為A1B1C2D3，即擱板溫度為15 ℃、發(fā)泡真空度為50 Pa、明膠用量為3%、Pluronic F-68 用量3%，發(fā)泡效果最好。采用該因素組合進(jìn)行第二部分實(shí)驗(yàn)，得到的干燥樣品的剩余含水量均小于2%，該水分含量能夠保證樣品在較高環(huán)境溫度(如37 ℃)下安全儲(chǔ)存。

表2 不同工藝條件下的發(fā)泡高度及一次干燥時(shí)間

表3 發(fā)泡高度顯著性分析表

　　本文在影響因素的選擇方面參考了文獻(xiàn)和。參考文獻(xiàn)的F68 和明膠用量發(fā)泡效果均不理想，文獻(xiàn)對(duì)F108、F87、F68 三種發(fā)泡劑的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)含量在3%(W/V)時(shí)發(fā)泡效果最佳，本文所得F68 最佳用量與該文一致。文獻(xiàn)的泡沫冷凍干燥將真空抽到50 mTorr，而根

　　據(jù)作者的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直接將真空度抽到這么低，泡沫極容易破裂，甚至?xí)��?dǎo)致噴瓶，因此進(jìn)行泡沫冷凍干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)采取分階段抽真空的方法，發(fā)泡階段的真空度水平根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)選取范圍為50~200 Pa。從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，只要發(fā)泡達(dá)到一定效果，如表2 中最小的13 mm，與初始裝液高度比為5.2，對(duì)于一次干燥時(shí)間的影響有限。對(duì)于二次干燥時(shí)間的影響，作者由于實(shí)驗(yàn)條件的限制未加開展研究，但從傳熱傳質(zhì)理論出發(fā)，能夠預(yù)計(jì)到隨著發(fā)泡效果變好二次干燥時(shí)間會(huì)縮短。根據(jù)第二部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于1 ml 樣品采用泡沫真空冷凍干燥技術(shù)達(dá)到剩余含水量低于2%，耗時(shí)不超過16 h，該時(shí)間約為傳統(tǒng)冷凍干燥耗時(shí)的一半。

3、小結(jié)

　　作為一種新興的干燥技術(shù)，泡沫真空冷凍干燥既能保持冷凍干燥帶給制品的一些優(yōu)點(diǎn)，還能縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低生產(chǎn)能耗，在生產(chǎn)效率和成本方面具有一定優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)含有常見凍干保護(hù)劑蔗糖的溶液進(jìn)行了泡沫真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，對(duì)可能影響泡沫生成和穩(wěn)定的四個(gè)因素進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)應(yīng)用發(fā)泡效果最佳的因素組合生產(chǎn)的樣品的剩余含水量予以檢測(cè)。在干燥時(shí)間明顯縮短的情況下樣品剩余含水量也能達(dá)到低于2%的水平。本文所得結(jié)果對(duì)泡沫真空冷凍干燥工藝的開發(fā)具有指導(dǎo)價(jià)值。