[科普中国]-泡沫层干燥

泡沫层干燥法

泡沫层干燥法（Foamdryingmethod）适用于加工热敏性的、粘性的、含糖量高的食品物料和药物等（Rajkumar等，2007；Ratiya等，2008）。其原理是：先将液态或半固态食品物料进行预泡沫化处理，预先泡沫化是为了形成多孔状结构，增大物料的表面积，使水分能够快速散失。对于不同性质的食品物料预处理方式可以不同，本身易起泡的食物，如鸡蛋清，可以直接用机械搅成泡沫或向其中吹入气体并急剧搅拌形成泡沫；而不易起泡食物，如柑橘汁、果泥、果浆、番茄酱，可以人为的添加少量发泡剂，如蔬菜蛋白、碳水化合物、胶类、甘油酸酯等，搅拌形成泡沫。在进行起泡预处理的同时添加适量可食用的稳定剂，确保形成密度在0.2-0.6g/cm3范围内的稳定泡沫。然后，将稳定的泡沫物在多孔板上铺成厚约2-5mm的均匀薄层，再进行干燥（德力格尔桑，2002）。早在60年代，美国的Hartd等学者（Hartd等，1963）就开始对泡沫特性和起泡装置进行研究，并成功找出进行连续操作的条件。传统的泡沫层干燥是以热风作为加热介质（Rajkumar等，2007；Ratiya等，2008），也可利用真空干燥、喷雾干燥、冷冻干燥等其他方法作为辅助干燥手段1。

泡沬层干燥研究现状近年来国外学者提出了泡沫层干燥法，该方法对物料进行前期预处理，载入保护剂、发泡剂等，配合抽真空等手段使物料膨胀成泡沫状，然后在真空下加热完成一、二次干燥，从而除去药品中水分。泡沫层干燥法由于发泡后物料的比表面积显著增大，传质情况得到明显改善，并且发泡过程中会带走大量水分，从而显著提高了干燥速率。泡沫层干燥法的配方及工艺过程比较复杂，配方成分包括：发泡剂、保护剂、稳定剂、表面活性剂、酸碱缓冲液以及其它的一些赋形剂等。工艺处理过程包括预处理、发泡、一次干燥、二次干燥等。干燥过程需控制的参数包括：一次干燥温度位、一次干燥结束点判定、抽真空速率、二次干燥温度位等。

泡沫层干燥配方发泡剂是用于抽真空时使悬浮液膨胀成泡沫状结构，此过程即为发泡过程。发泡的手段有多种，可以通过调节温度与真空度，使悬浮液在较低温度下沸腾成泡沫；可以通过充注隋性气体，增加悬浮液中的气泡数量；也可以在悬浮液中添加化学药品，使之发生化学反应产生气泡等。泡沫层干燥法可以使用的保护剂各类比较多，包括糖类、多元醇、聚合物等，比如鹿糖、海藻糖、山梨糖、松三糖、山梨醇、水苏糖、棉子糖、果糖、甘露糖、麦芽糖、乳糖、树胶酸醣、木糖、核酸糖、鼠李糖、半乳糖、葡萄糖、甘露醇、木糖醇、赤薛糖醇、苏糖醇、甘油等。该类保护剂可以在干燥过程中代替水分围绕在生物活性材料周围，提高物料分子结构的强度，同时避免物料直接暴露在周围环境中，防止物料在干燥过程中变性。在配方溶液中添加聚合物稳定剂，在干燥过程中可以给物料提供保护，同时使发泡产生的泡沫结构更稳定。与多元醇类保护剂类似，聚合物稳定剂可以为生物活性材料提供物理、化学方面的保护。但是相比多元醇类保护剂，同等剂量的聚合物稳定剂可以极大增强物料的粘性，使产生的泡沫结构稳定、不易破裂。泡沫层干燥法可以使用的稳定剂有很多，比如明胶、卵白蛋白、胶原、硫酸软骨素、肌动蛋白、肌浆球蛋白、动力蛋白、激动素、人血清白蛋白等，其中许多聚合物极易溶于水，所以干燥后的泡沫状药品仍易于复水使用。在配方溶液中添加表面活性剂增加其它成分的溶解度，同时可以减小在发泡过程中生物分子由于表面张力引起的活性损失，增强泡沫的稳定性，提高了泡沫的复水性能，有助于在泡沫层干燥结束后药品的复水使用。

在配方溶液中添加酸碱缓冲液，可以为溶液提供一个合适、稳定的pH值。泡沫层干燥法中使用的典型的缓冲液包括磷酸钾、磷酸钠、醋酸钠、组氨酸、柠檬酸钠、丁二酸钠、碳酸氧铵、碳酸盐等。泡沫层干燥法使用的缓冲液的值，需要根据不同配方和物料进行调节，pH值的范围一般应为pH4-10之间，但是对于大多数配方而言，一个接近中性的pH值（比如pH7.2）是比较合适的。

在配方溶液中同时可添加其它一些赋形剂，比如精氨酸、蛋氨酸等氨基酸，甘油，乙二胺四乙酸等。氨基酸因为可以去除氧化作用、脱酰胺作用，可以稳定蛋白质结构，因而提高生物活性材料的稳定性；甘油可作为干燥泡沫的多元醇类保护剂和塑化剂；乙二胺四乙酸可以去除溶液中的金属离子，避免金属离子破坏自由基反应。

泡沫层干燥工艺处理过程泡沫层干燥法的工艺处理过程主要包括配制溶液、溶液的预处理、发泡、一次干燥、二次干燥等几个部分。实验前需根据配方配制溶液，并将溶液内各组分混合均匀再放入冷冻干燥实验台进行实验。预处理过程是将生物活性材料预冷到细胞膜的相变温度（即从流动态转变为液晶态），并保持10-20分钟，对物料进行前期预处理是为了提高生物活性材料对保护剂的负载量，保护剂的含量通常应在2%-40%之间。预处理过程结束后即可抽真空对药品溶液进行发泡处理，发泡过程需控制抽真空速率，抽真空速率太快会使产生的泡沫不稳定，甚者会产生喷瓶现象，抽真空速率太慢则发泡效果不理想。一次干燥、二次干燥过程与传统的冷冻干燥法相同，都是通过在真空下提供热量去除物料中的自由水分和结合水，不过由于在物料中添加了各种保护剂、稳定剂以及表面活性剂，泡沫层干燥法的一、二次干燥温度位可远高于传统冷冻干燥法的一次干燥温度位，并且由于发泡后物料的比表面积显著增加，二次干燥时间显著缩短。

微波辅助泡沫层干燥特点传统的泡沫层干燥是以热风为加热介质，因物料预处理成泡沫状，增加热风与物料的接触面积，来提高表层干燥速率。但因泡沫内有空气存在，不利于热量向泡沫内部传递，使物料内部水分扩散速度变慢，因此，这种干燥方法一般干燥时间长，又由于这些物料中的某些成分热敏性强，在干燥过程中易产生热损伤或过度氧化，以致影响最终产品的颜色和质量，难以保证产品的品质要求。在微波干燥时，微波能够穿过物料表层，直接作用到物料内部，使内部水分加热，提高水分蒸发速度。但是如果单纯使用微波干燥，容易出现过度加热的现象，局部温度有时会高达100℃，这样会导致食品、药品等热敏性物料的品质变坏，营养风味的损失等等。因此将微波干燥和泡沫层干燥方法结合，以微波为加热源代替热空气进行泡沫层干燥，发挥两种方法的优势，提出一种新型干燥方法。

微波辅助泡沫层干燥结合了泡沫层干燥方式和微波干燥的优点（杨州等，2000；祝圣远等，2003），其主要表现在如下几个方面：

1.干燥速度快

在微波加热过程中，物料内外同时、快速产生热量；由于物料的预泡沫化处理，增加了物料表面积，从而扩大物料水分蒸发面积，使干燥速度大为提高；

2.产品品质好

经微波辅助泡沫层干燥后的产品，受热均匀，可以避免出现表面硬化、过热等现象；而且制得的产品充分体现了泡沫脱水制品的特点，基本上能够保持原有的色泽、风味儿和营养成分，具有良好的品质；

3.能量利用率高

微波干燥结合泡沫层干燥方法能较好地减少热量的散失，可以更加充分的利用微波能量来干燥物料，因而能更有效的节约能源、降低成本；

4.适用范围广

微波泡沫层干燥方法可以广泛的应用到食品、医药、生物制品等热敏性物料的干燥，尤其适用于粘度大、结构致密、不易干燥的物料2。