冷凍干燥技術(shù)及其在中藥研究中的應用

[摘要] 　對冷凍干燥技術(shù)的原理及特點進行了介紹,詳細分析了干燥過程的技指標及干燥后產(chǎn)品的質(zhì)量評價,最后對凍干技術(shù)在中藥領(lǐng)域中的應用進行了綜述。
    [關(guān)鍵詞] 　冷凍干燥;原理特點;技術(shù)指標;質(zhì)量評價;中藥應用

    　冷凍干燥( Freeze2Drying) 全名為真空冷凍干燥(Vacuum Freeze Drying) , 簡稱凍干, 又名升華干燥(Drying by Sublimation) ,是將被干燥液體物料冷凍成固體,在低溫減壓條件下利用冰的升華性能,使物料低溫脫水而達到干燥目的的一種方法[1 ] 。冷凍干燥是一門綜合性專業(yè)技術(shù),屬于邊緣學科,涉及到物理學、化學、生物學等知識,包括機械、制冷、真空、電工、電子、儀表等技術(shù)。
1 　凍干技術(shù)原理及其特點
1.1 　凍干技術(shù)原理　冷凍干燥的機理就是將需干燥的物料在低溫下先行凍結(jié)至其共熔點以下,使物料中的水分變成固態(tài)的冰,然后在適當?shù)恼婵窄h(huán)境下,通過加熱,使冰直接升華為水蒸氣而除去,從而獲得干燥的制品。
1.2 　凍干技術(shù)特點　凍干是一種使物料在低溫低壓下脫水的干燥工藝,與其他干燥方法相比,具有藥品不變質(zhì)、易長期儲存、藥劑定量準確、脫水徹底、易復水再生、易進行無菌操作、利于熱敏性藥物保持活性、揮發(fā)成分損失少等優(yōu)點[2～4 ] ;但也存在設備要求高、投資大、干燥速率低、時間長、能耗高、產(chǎn)品成本高等缺點和不足[5 ] 。
2 　凍干過程的技術(shù)指標
2.1 　產(chǎn)品的預凍　預凍主要為了固定產(chǎn)品、形成有利于升華的結(jié)晶、保證全部產(chǎn)品獲得相同細微結(jié)構(gòu)。預凍不僅影響干燥速率,而且影響凍干產(chǎn)品質(zhì)量。因此在凍結(jié)過程中必須考慮配方、凍結(jié)速率、凍結(jié)方式、凍結(jié)時間以及是否退火等問題。
2.1.1 　配方的影響　如果配方中固體含量太少,凍干藥品結(jié)構(gòu)的機械性能不穩(wěn)定,外觀可能會塌陷。尤其在干燥過程中,藥品微粒不能粘在基質(zhì)上,逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上,甚至會帶到真空室中[6 ] 。若用量太多,除增加成本外,還會影響到配制過程,如溶解度問題、凍干后的復溶等。為獲得均勻一致、表面光滑、穩(wěn)定的產(chǎn)品,配方中須有填充劑、賦形劑、穩(wěn)定劑等保護劑,文獻[7～9 ] 對不同的保護劑進行了詳盡的研究。
2.1.2 　凍結(jié)方式的影響　凍結(jié)方式不同,產(chǎn)生的冰晶形態(tài)大小不同,干燥速率也不同。凍結(jié)分為全域過冷結(jié)晶和定向結(jié)晶兩類[10 ] ,全域過冷結(jié)晶指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結(jié)的方式,分慢速凍結(jié)(制品每分鐘降溫1 ℃) 和快速凍結(jié)(制品每分鐘降溫10～15 ℃) [11 ] 。速凍的冰晶細小,沒有凍結(jié)濃縮現(xiàn)象,但升華阻力大,存在不完全凍結(jié)現(xiàn)象。而慢凍晶格較大,存在凍結(jié)濃縮的現(xiàn)象[12 ] 。定向結(jié)晶指一小部分藥液處于過冷狀態(tài)下進行凍結(jié)的方式。Thomas[13 ] 將溶液用濕冰冷卻,瓶底用干冰冷卻,形成晶核,然后放到- 50 ℃的擱板上凍結(jié)得到了表面無凍結(jié)濃縮層,結(jié)構(gòu)均一的樣品。Martin[14 ] 在真空為011 kPa ,擱板溫度為+ 10 ℃的條件下,讓溶液開始表面凍結(jié),形成1～3 mm 的冰晶薄層。然后解除真空,降低擱板溫度到結(jié)晶溫度以下進行凍結(jié),同樣實現(xiàn)了定向凍結(jié)。實驗證明,定向結(jié)晶凍結(jié)的干燥速率比全域過冷結(jié)晶的快。
2.1.3 　預凍速率的影響　預凍過程產(chǎn)生的機械效應和溶質(zhì)效應會對生物細胞產(chǎn)生一定的破壞作用并引起生化藥品失活或變性[15 ] 。對這種現(xiàn)象可采用下列措施解決: ①預凍采用速凍法,先將擱板溫度降至- 45 ℃,再放入產(chǎn)品急速冷凍,形成細微冰晶,使
其來不及產(chǎn)生機械效應和溶質(zhì)效應。②緩沖液要選用溶解度相當?shù)木彌_配對鹽。③加入產(chǎn)品保護劑[16 ,17 ] 。實驗證明,快速凍結(jié)導致升華速率低,解吸速率快;慢速凍結(jié)導致升華速率快,解吸速率慢[18 ] 。
2.1.4 　最低凍結(jié)溫度的影響　最低凍結(jié)溫度和所凍樣品的共熔點有關(guān),安全的凍結(jié)溫度低于共熔點10 ℃左右。若溫度太低,則會造成能源浪費。
2.1.5 　凍結(jié)時間的影響　適宜的凍結(jié)時間可以確保抽真空之前所有的產(chǎn)品都能凍實,避免因抽真空而噴瓶。由于物體的傳熱先表后里,凍干箱內(nèi)的產(chǎn)品存在一定的溫度梯度,因此需要相應的保溫時間和改善傳熱效率來縮小溫差。
2.1.6 　退火　退火是指把凍結(jié)藥品升溫接近共熔點,保溫一段時間,再降低到凍結(jié)溫度的過程[19 ] 。增加退火的原因: ①強化結(jié)晶[20 ] 。在凍結(jié)特別是快速凍結(jié)過程中,配方中結(jié)晶成分往往來不及完全結(jié)晶,凍結(jié)濃縮液中還會有一部分水達不到最大濃縮狀態(tài)。當退火的溫度高于配方的最大濃縮玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’時,會促進再結(jié)晶的形成使結(jié)晶成分和未凍結(jié)水結(jié)晶完全[21 ,22 ] 。②提高非晶相的最大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從非晶相中除去Tg’較低的結(jié)晶成分,能夠提高非晶相的Tg’。Barry[23 ] 在研究非晶態(tài)碳水化合物的水合物結(jié)晶規(guī)律時發(fā)現(xiàn),經(jīng)過退火之后的海藻糖干燥溶液的Tg’由31 ℃上升到79 ℃,大大提高了穩(wěn)定作用。③改變冰晶形態(tài)和大小分布,提高干燥效率。James[21 ] 認為不同成核溫度產(chǎn)生不同的冰晶形態(tài)和粒徑大小,繼而導致升華干燥的速率不均勻。而一個過程中的干燥速率是由最慢的干燥藥品確定的,因此不均勻的干燥速率會影響藥品質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟性。退火過程中的相行為和重結(jié)晶可以減小由于成核溫度差異造成的冰晶尺寸差異及干燥速率的不均勻性,提高干燥效率和藥品均勻性。但由于目前實驗手段不夠先進和理論知識缺乏,退火機理尚有疑問,加熱速率、退火溫度、退火時間等參數(shù)的選取還沒有依據(jù)。
2.2 　升華干燥的干燥特性及干燥結(jié)束的判斷方式[24 ]
2.2.1 　升華干燥的干燥特性　升華從物料表面開始到物料內(nèi)部,水蒸氣必經(jīng)過已干物料表層,所以干燥過程的快慢不僅依賴于冰物料所必需的升華熱,而且依賴于整個凍干系統(tǒng)水蒸氣的傳遞和排出速率。干燥過程中升華所需的熱量以對流、傳導及輻射的方式提供,干燥箱內(nèi)的壓力隨著溫度變化而變化[25 ] 。在升華進行一段時間后,物料表面不再需要升華熱,需要熱量的是物料的冰核心層。冰核心隨著升華的進行而縮小,最后縮小至物料中心。由于干層的導熱能力差,可能使干燥過程局部熱傳遞不暢,導致物料干層溫度升高,所以必須使提供給冰核心表層的熱量與其升華所需的熱量保持平衡,避免因升華面的任何過熱使物料損壞。
2.2.2 　升華時溫度的限制　產(chǎn)品升華主要受下列幾種溫度限制: ①產(chǎn)品凍結(jié)部分的溫度應低于產(chǎn)品共熔點; ②產(chǎn)品干燥部分的溫度必須低于其崩解溫度[26 ] 或容許的最高溫度(不燒焦或變形) ; ③最高擱板溫度[27 ] 2.2.3 　升華干燥結(jié)束判斷方法?、偈褂脺囟葌鞲衅鞅O(jiān)測物料溫度以判斷物料中的冰是否全部升華;②壓力升判定法; ③目測法即視窗觀察升華交界面;④冷凝器溫度下降至升華前的狀態(tài); ⑤凍干箱的壓力下降至接近冷凝器的壓力[28 ] 。
2.3 　解析干燥的干燥特性及干后處理
2.3.1 　解析干燥的干燥特性　升華干燥結(jié)束后,物料中還存有約10 %的結(jié)合水。要除去結(jié)合水,必須增大溫度梯度,克服水的結(jié)合力。同時嚴格控制熱量輸入,防止產(chǎn)品過干。
2.3.2 　判斷凍干物料干燥程度的經(jīng)驗　關(guān)閉凍干箱與冷凝器之間的真空閥,觀察在1 min 內(nèi),凍干箱內(nèi)壓力的回升情況(箱體沒有泄漏) ,如果壓力沒有明顯的升高,則可以結(jié)束凍干。一般關(guān)閉1 min 壓力上升< 1 Pa ,殘余水分約在1～2 %之間[29 ] 。
2.3.3 　干后處理　因干燥產(chǎn)品表面積大,極易吸潮,所以解析干燥結(jié)束后的干后處理非常重要。干燥產(chǎn)品在出箱前必須迅速封口或加塞,這一過程需在真空或特定氣體的環(huán)境下進行,具體的應用方法根據(jù)產(chǎn)品種類的不同而異。特別在放空干燥箱時最好先將干燥的氮氣或惰性氣體充入箱內(nèi),而不能將高濕度的空氣直接放入。
2.4 　凍干曲線[30 ,31 ] 　凍干曲線是凍干箱板溫與時間之間的關(guān)系曲線。一般以溫度為縱坐標,時間為橫坐標,還可以有產(chǎn)品溫度、冷凝器溫度、真空度曲線。根據(jù)凍干產(chǎn)品的不同性質(zhì)、凍干機的不同性能,制訂出適宜的凍干曲線,既是手工操作凍干機的依據(jù),也是全自動控制凍干機操作的依據(jù)。凍干曲線的制定應主要確定以下參數(shù):預凍速率、預凍溫度、預凍時間、水汽凝結(jié)器的降溫時間與溫度、升華速率和干燥時間、共熔點的測試等。其中預凍速率的快慢,對產(chǎn)品凍結(jié)中晶粒大小、活菌的存活率和升華速度均有直接影響。慢凍冰晶粒大,產(chǎn)品外觀粗糙,不易損傷活菌,速凍則相反[32 ] 。共熔點測定方法主要有:電阻檢測法、差熱分析掃描法、低溫顯微鏡直接觀察法、數(shù)學公式理論推算法等。其中電阻檢測法方便易行,是目前應用最多的一種[33 ] 。
3 　凍干的質(zhì)量評價
    不同制品有不同的質(zhì)量要求,例如外觀、復水性、含水率、pH 值、有效成分含量、穩(wěn)定性等。若是將藥品制成毫微粒凍干粉還需要考察其再分散性、形態(tài)、粒徑、包封率、載藥量、體外釋藥特性等。
3.1 　外觀　理想的凍干產(chǎn)品外形應不塌陷,不皺縮、表面光潔,保持凍干體積不變,形成海綿狀團塊結(jié)構(gòu)?？烧麎K脫落但不散碎為佳,色澤應均勻,無花斑,質(zhì)地細膩。
3.2 　含水率　含水量視產(chǎn)品種類的要求而定,一般控制在1～5 %之間。殘留水分過多,則為細菌提供了生長繁殖的條件而發(fā)生腐敗,生化活性物質(zhì)易失活,降低穩(wěn)定性。含水率太低,對于生物制品來說會因細胞中結(jié)合水被抽出,使細胞破裂,細胞質(zhì)濃縮而干萎死亡。
3.3 　穩(wěn)定性　凍干制品的穩(wěn)定性可采用差示熱分析、差示熱掃描、熱重法等方法。如翁幼武等[34 ] 采用差示熱分析法對去氫駱駝蓬堿明膠微球的熱解穩(wěn)定性進行了探討。
3.4 　熱原檢查　藥典規(guī)定中藥注射劑的熱原檢查應采用家兔實驗法,馮文軍等[35 ] 通過與家兔實驗法對比,證實了鱟試驗法在丹參粉針劑細菌內(nèi)毒素檢查中的可行性。茍虹等[36 ] 對參麥凍干粉針劑中細菌內(nèi)毒素檢查干擾試驗進行了研究,也說明了細菌內(nèi)毒素檢查法(BET) 的可行性。
4 　凍干技術(shù)在中藥領(lǐng)域中的應用
4.1 　在中藥材中的應用　中藥在炮制加工過程中,植物蛋白、揮發(fā)油等有效成分會受到破壞。中藥飲片易受運輸、倉儲、保存等因素的影響而降低臨床療效,進而使以飲片為原材料的中成藥的質(zhì)量受到制約。由于真空冷凍干燥制品能良好地保存加工原料的營養(yǎng)保健成份以及色、香、味、形,故其在人參、西洋參、冬蟲夏草、山藥、枸杞、鹿茸等中藥材中得到了廣泛應用。
4.2 　在中藥半成品中的應用　中藥提取液的濃縮方法目前多采用真空低溫濃縮技術(shù)及薄膜蒸發(fā)濃縮技術(shù),以減少有效成分的損失。而濃縮液的干燥也多有選擇冷凍干燥方法,尤其在對照品的干燥上應用較廣。
4.3 　在中成藥中的應用　隨著中藥現(xiàn)代化的發(fā)展,凍干技術(shù)已被廣泛應用于植物藥現(xiàn)代化劑型的研究和開發(fā)。很多臨床治療效果良好的中藥注射劑因其不穩(wěn)定性,臨床應用受到局限并且儲藏和運輸不便。而將其制成凍干粉針后,穩(wěn)定性大大增強,所得產(chǎn)品
具備凍干制品的各種優(yōu)點。唐嵐等[37 ] 對參附青注射液進行了凍干研究,結(jié)果參附青凍干粉針成型性、水溶性好,較注射液穩(wěn)定。因此中藥水針改粉針已成為近年來劑型改制的熱點,特別對于需靜脈注射但在水中不穩(wěn)定的復方或單體中藥來說,凍干粉針的研制和應用使很多問題迎刃而解。同時,凍干技術(shù)也是制備各種脂質(zhì)體、毫微粒、納米乳的常用方法。
4.4 　發(fā)展前景　中藥是中華民族的寶貴遺產(chǎn),已經(jīng)和正在為維護我們民族的健康昌盛發(fā)揮重要作用。中藥的炮制有其獨特的工藝,凍干工藝的出現(xiàn)又為傳統(tǒng)中藥的炮制提供了一種新的現(xiàn)代化的技術(shù)手段。中藥注射用粉針劑在臨床上也日益發(fā)揮出優(yōu)勢
作用,它也是中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展和中藥現(xiàn)代化的方向之一。凍干脂質(zhì)體既可單獨制備、儲存,又可有效地延長藥品在體內(nèi)的作用時間,降低藥品的毒副作用,提高藥品在體內(nèi)的有效生物利用度。因此,凍干技術(shù)又使脂質(zhì)體原有作為藥物載體的優(yōu)點進一步擴大,也為藥物研發(fā)開辟了一個嶄新的空間[38 ] ?？傊?真空冷凍干燥作為一種新興的技術(shù)手段,在中藥的研究和開發(fā)上必然有著廣闊而美好的前景。