Лиофильная сушкаЧасть 1. Основные сведения и применение

2

Справочник по лиофильной сушкеОсновные сведения и применение

Лиофильная сушка представляет собой наиболее бережную технологию, которая применяется для сушки разного рода скоропортящихся материалов. В основе принципа лиофильной сушки лежит непосредственный переход вещества из твердого состояния в газообразное, который называется лиофилизацией. Сначала продукт замораживают, а затем подвергают лиофильной сушке в среде пониженного давления. Низкое давление делает возможным прямой переход замороженного растворителя в пар. В большинстве случаев удаляемым из продукта при сушке растворителем является вода. Но могут использоваться и другие растворители – такие как этанол.

Лиофильная сушка используется главным образом для консервации материалов, требующих к себе бережного отношения и подверженных порче и разложению. Устойчивость продукта значительно возрастает за счет снижения в нем содержания воды. Существует связь между присутствием воды и биологической и химической активностью, виновной в порче продукта. По сравнению с другими методами обезвоживания лиофильная сушка меньше повреждает продукт и позволяет избежать усадки или уплотнения материала (рис. 1). При обычных способах консервации используются высокие температуры, которые влияют на форму и цвет продукта, а также на его вкус, аромат и пищевую ценность. Лиофильная сушка проходит бережно и особенно подходит для чувствительных к нагреву, а также дорогостоящих

продуктов. Лиофильная сушка применяется во многих сферах и с самыми разными целями: для сохранения характеристик продукта (например, фармацевтических препаратов) и первоначальной формы (в археологии, флористике) или с целью доведения продукта до кондиции, необходимой для его дальнейшего использования (например, фруктов в йогурте).

В процессе первичного замораживания продукта внутри него и на поверхности образуются кристаллы льда. Превращаясь в лед, молекулы воды запираются в четко выраженную решетку (рис. 2). Поскольку молекулы воды сублимируются из продукта, они оставляют небольшие поры и промежутки внутри продукта, что способствует сохранению формы и структуры продукта. Поэтому регидрация продукта происходит быстро и легко, что особенно важно в фармацевтике. Лиофилизированные продукты могут храниться много лет, часто при комнатной температуре, если они хорошо загерметизированы и защищены от контакта с влагой и кислородом.

Лиофилизация: переход из твердого состояния в газообразное Лиофилизацией называют непосредственный переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Лиофилизация может происходить только при низком давлении и низкой температуре. Идеальные условия лиофильной сушки сильно зависят

Рис. 1: При обычных способах консервации использу-ются высокие температуры, которые влияют на форму и цвет продукта, а также на его вкус, аромат и пище-вую ценность (например, сохранность витаминов).

Рис. 2: При лиофильной сушке лед непосредственно переходит в водяной пар путем лиофилизации, что позволяет сохранить структуру и характеристики про-дукта. Лиофильная сушка – очень бережный процесс.

3

от подлежащего сушке образца, а также от растворителя, который должен быть удален из продукта. Если основным растворителем является вода, то существует три состояния – это лед, вода и водяной пар. Лиофильная сушка базируется на диаграмме состояний (рис. 3). Диаграмма состояний иллюстрирует три физических состояния воды в зависимости от давления и температуры. Фазовые переходы происходят на линиях, разделяющих разные состояния. Это так называемые фазовые границы. Как показано на рис. 3, вода проходит через все физические состояния (твердое, жидкое и газообразное), пока давление превышает 6,11 мбар. При давлении ровно 6,11 мбар три состояния сосуществуют (тройная точка), а ниже 6,11 мбар вода может быть только в виде льда или водяного пара. Продукт, подлежащий лиофильной сушке, изначально часто представляет собой жидкость. Согласно диаграмме состояний процесс лиофильной сушки проходит через два фазовых перехода – сначала в твердую, а затем в газообразную фазу (красная стрелка). Чтобы после замораживания продукта произошла его полная лиофилизация, давление должно быть ниже тройной точки, как показано на рисунке 3.

Давление и температура Важнейшими параметрами при лиофильной сушке являются давление и температура. Стандартный процесс лиофильной сушки можно разделить на три этапа: замораживание, первичную сушку и вторичную сушку. Каждый этап предъявляет конкретные требования к давлению и температуре. Первоначально продукт замораживается при температуре, достаточно низкой для того, чтобы обеспечить полную заморозку (рис. 3, точка A). Процесс замораживания подробнее рассматривается в следующей главе. На первичной стадии сушки должны быть созданы условия, благоприятные для лиофилизации. В то же время важным является сохранение характеристик продукта, поэтому необходимо, чтобы температура оставалась ниже определенного значения, которое называют критической температурой. При температуре выше этого значения структура продукта разрушается, что приводит к усадке и растрескиванию. В идеале лиофильная сушка проводится при температурах чуть ниже критической. Давление в сушильной камере понижают, чтобы активировать процесс сушки. Превалирующие показания давления и

Рисунок 3: Фазовая диаграмма воды в зависимости от давления и температуры. Все состояния сосуществуют в тройной точке. Лиофильная сушка происходит при температуре ниже тройной точки, она требует низких значе-ний давления и температуры.

Дав

лени

е

Температура

0,00611 бар

1 бар

221 бар

0 °C 100 °C 374 °C

Газообразное состояниеТройная

точка

Твердое состояние Жидкое состояние

Критическая точка

A

C B

-60 -50 -40 -30

6

5

4

3

2

1

TEMPERATURE [˚C]

VAP

OR

PR

ES

SU

RE

[mba

r]

-20 -10 0

∆p1

∆p2

∆T = 20˚C∆T = 20˚C B

A

a

b

b

b

b

c

c

4

Справочник по лиофильной сушкеОсновные сведения и применение

температуры теперь ниже тройной точки (рис. 3, точка B).

Лиофилизация вызывает образование водяного пара в сушильной камере. Если пар не удалять из системы, он насыщается, и частицы льда перестают сублимироваться. Частицы пара удаляются посредством ледового конденсора – охлаждающего устройства, работающего при температурах значительно ниже критической температуры продукта (рис. 3, точка C). Давление пара в ледовом конденсоре понижается за счет охлаждения. Возникает разница

давлений, которая способствует естественному перемещению молекул воды от продукта в ледовый конденсор. Как следствие водяной пар, а также другие конденсируемые газы намерзают на коллектор конденсора.

Скорость лиофилизации в основном определяется разностью давлений пара: давления пара над продуктом и давления пара в конденсоре. Как правило, чем больше разность, тем быстрее лиофилизация. В то же время, чем ближе температура продукта к тройной точке, тем значительнее разность давления. Как пример, рисунок 5 показывает, что комбинация A (температура продукта –5 °C, температура ледового конденсора –25 °C) имеет большую разницу давлений, чем комбинация B (температура продукта –25 °C, температура ледового конденсора –45 °C). Поэтому наиболее благоприятной для лиофилизации является температура, максимально близкая к тройной точке.

Тепло как катализаторЛиофилизация – это эндотермический процесс, требующий тепловой энергии. Поэтому подвергаемый лиофилизации продукт выделяет тепло и, следовательно, охлаждается, если Рис. 5: Пример изменения скорости лиофилизации.

Рис. 4: Существуют разные способы теплопереноса; теплопередача(a), конвекция (b) и излучение (с). При использовании нагреваемых полок их тепло переносится непосредственно через поверхность за счет теплопередачи, в то время как окружающее тепло дополнительно передается конвекцией и излучением. При сушке в манифолде тепло передается только из окружающей среды.

5

Основные компоненты лиофильной сушилки

Сушильная камераДля размещения образцов (например, в колбах или на полках)

Траектория параВодяной пар перемещается в сторону более низкого давления

Блок управленияРегулировка давления и температуры

Ледовый конденсорВодяной пар превращается в лед и скапливается в конденсоре

Вакуумный насосПоддерживает очень низкое давление в системе

требуемая теплота не подводится. Как было сказано выше, более высокие температуры продукта приводят к более сильным перепадам давления и, следовательно, к более эффективному процессу лиофилизации. Дополнительная подача тепла усиливает лиофилизацию и выступает настоящим катализатором лиофильной сушки.

Способы теплопереноса включают в себя теплопередачу, конвекцию и излучение (рис. 4). Прямая теплопередача применяется при сушке на нагреваемых полках. Конвекция и излучение важны с точки зрения дополнительного подвода тепла из окружающей среды. При сушке с помощью манифолда тепло поступает только из окружающей среды за счет конвекции и излучения. При сушке на полке доминирующим способом

переноса тепла является теплопроводность, однако эффекты от конвекции и излучения тоже нельзя игнорировать, особенно если образцы расположены по краям сушильной камеры.

Количество подводимого тепла требует точного контроля; температура продукта может увеличиваться, но она не должна превышать критического значения. Количество требуемого тепла зависит от объема и расположения продукта, а также от используемой емкости. Нагреваемые полки позволяют точно контролировать подачу тепла с заданным градиентом и заданной температурой. Что касается сушки с помощью манифолда, то она дает мало возможностей для контроля подачи тепла.

Freezing Primary Drying Secondary Drying

Shelf

ProductProduct & shelf

1 – 5%5 – 10%> 80%

Condenser Condenser

Pressure

Tem

pera

ture

Pre

ssur

e

Time

AB

C

Water content

6

Справочник по лиофильной сушкеОсновные сведения и применение

температур для гарантированного удаления лиофилизированных частиц. Поэтому Lyovapor™ L-300 способен охлаждать до –105 °C. Кроме того, адекватная система управления поддерживает регулирование давления и тепла. Системы управления варьируются от базовых до самых передовых; Infinite-Control™ от BUCHI обладает беспрецедентными возможностями, выходящими далеко за пределы регулирования давления и температуры.

Infinite-Control™ Эта система позволяет контролировать процесс в лиофильной сушилке Lyovapor™ на самом приборе, с рабочего места или с помощью мобильного устройства. Контроль параметров в режиме реального времени, запись данных и индивидуальные отчеты делают работу максимально удобной. Специальное приложение позволяет удаленно контролировать прибор и получать мгновенные уведомления на смартфон. Infinite-Technology™ Lyovapor™ L-300 – это первая лабораторная лиофильная сушилка с неограниченной ёмкостью. Два ледовых конденсора поочередно собирают лед и автоматически очищаются. Система автоматически переключается между

Настройка лиофильной сушилки Основными компонентами лиофильной сушилки являются сушильная камера или специальные аксессуары для сушки, вакуумный насос и ледовый конденсор. Подлежащий лиофильной сушке образец помещают на полки внутри сушильной камеры или в отдельные колбы, прикрепленные к манифолду. Вакуумный насос соединен с сушильной камерой через ледовый конденсор и отвечает за вакуумирование сушильной камеры. Кроме того, вакуумный насос действует как средство для удаления всех неконденсируемых газов, которые не собираются в ледовом конденсоре.

Главная задача ледового конденсора – собирать водяной пар и другие конденсируемые газы. Молекулы воды естественным образом перемещаются к ледовому конденсору, чему способствует разница значений давления пара. Температура ледового конденсора должна быть значительно ниже температуры замороженного продукта – обычно на 15 °C или более. Следовательно, рабочая температура Lyovapor™ L-200, которая составляет –55 °C, хорошо подходит для большинства применений. Использование органических растворителей вместо воды требует еще более низких

Рис. 6: Процесс лиофильной сушки включает в себя три основных этапа: замораживание, первичная сушка и вторичная сушка. Начальное содержание воды обычно снижается более чем на 95 %.

7

двумя конденсорами через определенное время. Пока второй конденсор собирает лед, первый конденсор автоматически и гигиенически очищается паром и готовится к дальнейшему использованию. Концепция чередования делает возможной непрерывную работу при любых объемах льда, без вынужденных простоев, необходимых для разморозки конденсора.

Обзор процессаОсновными этапами процесса лиофильной сушки являются замораживание, первичная сушка и вторичная сушка (рис. 6). Замораживание происходит в камере глубокой заморозки, в жидком азоте или с использованием низкотемпературной ванны. Температуру замораживания следует выбирать значительно ниже критической точки (эвтектической температуры или точки стеклования) препарата, чтобы обеспечить полное замораживание образца (рис. 3 и 6, пункт А). По завершении внешнего замораживания лиофильная сушилка готова к работе, в ней инициализируется охлаждение конденсора (рис. 3 и 6, пункт C).

После окончания заморозки образцы помещаются в сушильную камеру или емкости с образцами прикрепляются к портам манифолда. Далее сушильная камера вакуумируется, в ней создается необходимый вакуум. Если используются нагреваемые полки, температура полки повышается, что приводит к повышению температуры продукта. Однако температура продукта должна оставаться ниже критической (рис. 3 и 6, точка B). Теперь процесс лиофильной

сушки активирован. Ниже каждый этап процесса лиофильной сушки рассматривается подробнее.

Замораживание Большинство жидких продуктов или препаратов замерзает, образуя ледяные кристаллы. Размер и форма кристаллов льда зависят от скорости охлаждения и определяют способность к лиофильной сушке; при быстром охлаждении кристаллы льда получаются меньше, а при медленном охлаждении – крупнее. Что касается лиофильной сушки, то маленькие кристаллы льда сложнее удалить из продукта, чем крупные. Тем не менее, температура замораживания образца определяется его характеристиками и составом.

Образцы могут быть заморожены двумя разными способами; эвтектические смеси содержат вещества, которые замерзают при более низких температурах, чем окружающая их вода. При охлаждении эвтектической смеси вода сначала отделяется от веществ и замерзает, превращаясь в лед. Теперь образец может выглядеть замороженным, но остальные вещества фактически остаются жидкими. Они образуют концентрированные области, которые, в конце концов, замерзают при температурах ниже точки замерзания воды. Температура, при которой должным образом замерзают все компоненты смеси, называется эвтектической температурой. Это критическая температура препарата и максимальная температура, которую препарат может выдержать во время процесса лиофильной сушки. Воздействие вакуума на не полностью замороженную эвтектическую смесь может привести к разрушению продукта, поскольку в вакууме незамороженные компоненты расширяются.

Другой класс смесей является аморфным и образует при замораживании стеклообразные формы. С понижением температуры образец становится все более вязким, пока в точке стеклования не застывает окончательно, становясь при этом твердым, стеклообразным. У аморфных продуктов критическая для стабильности точка называется температурой коллапса. Температура коллапса обычно несколько ниже температуры стеклования. В целом аморфные продукты представляют собой трудность для лиофильной сушки.

Рис. 7: Фронт лиофилизации движется сквозь продукт сверху вниз.

Фронт лиофили-зации

Высушенный образец

Замороженный образец

a b c d e

8

Справочник по лиофильной сушкеОсновные сведения и применение

Первичная сушка Первая фаза сушки удаляет из продукта основную часть воды. Необходимо тщательно контролировать температуру продукта и подачу тепла. Идеальная температура продукта – максимально высокая, чтобы сделать перепад давлений пара предельно возможным, но ниже критической для продукта температуры, чтобы продукт оставался замороженным. За счет использования нагреваемых полок настроенная температура медленно приближается к установленному значению. Одновременное измерение фактической температуры продукта позволяет определить конечную точку первичной сушки. Подробнее об определении конечной точки рассказывается ниже.

Вторичная сушка Подавляющее количество воды должно удаляться к концу первой фазы сушки. Остаточная влажность продукта может теперь составлять 5 – 10 % и вызвана водой, которая связанна с матрицей. На этом этапе лед не должен больше присутствовать. На стадии вторичной сушки адсорбированные молекулы воды удаляются путем десорбции. В целях достижения идеальных для десорбции условий требуется минимально возможное давление, а также дальнейшее повышение температуры полки. И опять при выборе температуры полки необходимо учитывать стабильность продукта. Вторичная сушка обычно длится меньше по времени. В конце вторичной

сушки содержание влаги в продукте должно быть в пределах от 1 до 5 %.

Определение конечной точкиКак узнать, что первичная и вторичная сушка завершилась? Существует несколько надежных способов определения конечной точки основного цикла сушки. Ниже описываются три наиболее часто используемых способа. Все они доступны в Lyovapor™ L-300.

Проверка разности температурЭтот способ подходит для нагреваемых полок, на которых во время первичной сушки температура продукта постепенно увеличивается в сторону настроенного значения. От нагрева полкой температура продукта увеличивается соразмерно повышению температуры полки. Но при этом температура продукта будет всегда ниже температуры полки, поскольку лиофилизация забирает у продукта энергию. Когда все молекулы воды лиофилизируются, температура продукта приближается к температуре полки, что указывает на конечную точку процесса. Температура продукта измеряется термопарами, помещенными в продукт, тогда как температура полки предустановлена.

Проверка повышения давленияВодяной пар образуется все время, пока происходит лиофилизация. Закрытие выхода из сушильной камеры препятствует перемещению

Рис. 8: Типы сушильных камер от BUCHI: (a) сушильная камера с нагреваемыми полками и системой закупорива-ния (b) сушильная камера с нагреваемыми полками (c) сушильная камера с манифолдом и полками без нагрева (d) сушильная камера с полками без нагрева и (e) манифолдом.

a b c d ea) b) c) d) e)

9

водяного пара в ледовый конденсор. Таким образом, давление в сушильной камере повышается, пока лед лиофилизируется, и остается неизменным, когда первичная сушка завершена.

Проверка разности давленийСравнительное измерение давления с помощью двух разных типов датчиков является еще одним надежным методом определения конечной точки. В то время как емкостной датчик давления измеряет абсолютное давление независимо от состава газа, датчик Пирани откалиброван на конкретный газ, преимущественно – на N2. Поскольку присутствие водяного пара влияет на сигнал датчика Пирани, и не влияет на другой датчик, сигналы датчиков различаются до тех пор, пока образуется водяной пар. Конечная точка первичной сушки достигнута, когда два сигнала совпадают.

Эффективность сушки Скорость лиофильной сушки конкретного продукта зависит от различных факторов, ключевыми являются давление и температура. Однако важную роль играет и сам продукт, а именно объем и вид продукта, подлежащего лиофильной сушке. Как правило, чем больше площадь поверхности относительно объема, тем

быстрее продукт высыхает. Большая поверхность приводит к тому, что больше молекул воды покидает матрицу. Поэтому при сушке с помощью манифолда может быть полезным использование поверхностного замораживания, при котором тонкие слои продукта создаются вращением колб над низкотемпературной ванной.

С другой стороны, колбы необходимо наполнять для лиофильной сушки аккуратно; идеальная глубина наполнения составляет приблизительно 1 см, максимум 2 см. Учитывая, что лиофилизация происходит на поверхности, сушка начинается в верхней части продукта. Здесь формируется слой, где в данный момент происходит сушка. В процессе сушки этот четко выраженный фронт лиофилизации перемещается в продукте сверху вниз (рис. 7). Если в начале процесса эффективность сушки высока, то по мере смещения фронта лиофилизации вниз процесс усложняется. Лиофилизированным молекулам воды необходимо затем пройти сквозь высушенный продукт, прежде чем покинуть матрицу. Применение тепла помогает преодолеть это препятствие.

Конфигурации сушильной камеры Требования к конечному продукту определяют выбор подходящих конфигураций сушильной

Рис. 9: Пробка свободно ставится на колбу (a) и дает растворителю возможность улетучиваться из колбы (b). Верхняя полка опускается вниз (c) и вдавливает пробку в колбу (d), теперь колба плотно закупорена (e).

10

Справочник по лиофильной сушкеОсновные сведения и применение

камеры. Каждая конфигурация имеет конкретные цели с соответствующими преимуществами и ограничениями. Общепринятые подходы описаны ниже.

Сушка с помощью манифолдаКолбы (виалы, ампулы) разных типов крепятся к отдельным разъемам манифолда. То есть каждая колба индивидуально соединена с сушильной камерой посредством отдельных клапанов. Это позволяет подсоединять колбы с разным содержимым в разное время и вести лиофильную сушку с помощью Lyovapor™ L-300 непрерывно. Сушка в манифолде позволяет работать с одним и тем же прибором сразу нескольким пользователям. Продукты замораживают в колбах с помощью морозильной камеры или низкотемпературной ванны. После присоединения к разъемам манифолда в колбе быстро создается вакуум. Энергия, необходимая для управления процессом, обеспечивается окружающим теплом, что затрудняет контроль подачи тепла.

Сушка на полкахНесколько рядов полок в сушильной камере служат для размещения наполненных продуктом колб или нарезанных на части продуктов. Продукты замораживаются на полках с помощью морозильной камеры. После полного замораживания полки помещают в сушильную камеру. Последующее вакуумирование сушильной камеры инициализирует процесс лиофильной сушки. Полки с подогревом позволяют точно контролировать подачу тепла, а термопары в продуктах – следить за температурой продукта. Как правило, на все колбы или распределенный по полке продукт воздействует одинаковое давление и тепло. Однако небольшие локальные эффекты могут возникать по причине тепловой конвекции и излучения, особенно в случае с образцами, находящимися по краям полки. Сушка колб партиями делает возможным закупоривание внутри прибора, в той же самой среде, в которой проходит сушка (см. следующую главу).

Сочетание сушки в манифолде и на полкеКомбинированное решение с несколькими полками и несколькими разъемами манифолда доступно пользователям обоих методов.

Удобное закупориваниеЛиофилизированные продукты гигроскопичны и дестабилизируются под воздействием влаги или кислорода. Поэтому для хранения лиофилизированный продукт необходимо изолировать от окружающей среды. Упаковка должна быть непроницаемой для влаги и воздуха. Процесс закупоривания должен происходить в атмосфере, свободной от влаги или кислорода, в идеале – под вакуумом, как при лиофильной сушке. Учитывая, что партии колб подвергаются лиофильной сушке в сушильной камере, необходимо, чтобы колбы там же и закупоривались.

Закупоривание внутри Lyovapor™ обеспечивается закупорочной системой с использованием колб со специальными пробками. Пробки с вырезами ставятся на колбы перед лиофильной сушкой (рис. 9, a). Благодаря форме вырезов растворитель может свободно покидать колбу во время процесса лиофильной сушки (рис. 9, b). Как только процесс сушки завершается, в действие приводится закупорочное устройство в верхней части сушильной камеры. При повороте рукояток полки опускаются вниз ближе друг к другу (рис. 9, c). При этом пробки на колбах вдавливаются и автоматически закупоривают колбы (рис. 9, d). Полки поднимаются вверх, оставляя колбы плотно закупоренными(рис. 9, e).

Условия вакуума могут быть не идеальными для определенных продуктов или емкостей (например, при использовании шприца для регидрации материала). В этих случаях рекомендуется перед закупориванием заполнить пустой объем инертным газом, например азотом. Заполнение подходящим особо сверхчистым газом может быть осуществлено прибором Lyovapor™ автоматически.

Ниже представлены некоторые примеры применения лиофильной сушки. Лиофилизированные продукты могут представлять собой ценное сырье для пищевой промышленности (трюфели), сложный в получении маннит, а также лиофилизированные отвары трав для использования в традиционной китайской медицине.

Обзор областей примененияЛиофильная сушка

12

Приложение № 254/2017Lyovapor™ L-200: Лиофилизация свежих банановых ломтиков

ВведениеЛиофильная сушка может служить бережным способом консервации продуктов питания без изменения их вкуса и внешнего вида.

Процесс лиофильной сушки включает в себя замораживание образца пищи, а затем воздей-ствие на него вакуума. В этих условиях вода в пище лиофилизируется и образец высыхает.

В пищевой промышленности лиофильная сушка обычно используется для изготовления растворимого кофе, а также для сушки и консервирования фруктов, овощей и трав [1].

ЭкспериментБананы были нарезаны ломтиками толщиной около 5 мм. Одиннадцать банановых ломтиков были разложены на полке из нержавеющей стали (рис. 1) и оставлены для заморозки на ночь в морозильнике при температуре –40 °C.

Через 24 часа глубокой заморозки полка с банановыми ломтиками была помещена в Lyovapor™ L-200 для лиофильной сушки. Температура полки была выбрана такой, чтобы она не превышала 25 °C к концу первичной и вторичной сушки (заданное значение температуры). Подробнее о последовательности сушки см. по ссылке [2].

После сушки банана (см. рис. 2) для оценки ее эффективности был проведен анализ остаточного содержания влаги в трех банановых ломтиках с помощью галогенного баланса влажности с температурой 110 °C. Для этого образцы были измельчены в ступке и перенесены в галогенный анализатор влажности в течение 30 секунд. Критерий остановки составляет не более 1 мг/140 с.

Результаты и обсуждениеНа рисунках 1 и 2 показана полка с ломтиками банана до и после процесса лиофильной сушки. Все одиннадцать ломтиков банана имеют гомогенную структуру лиофилизированного продукта и одинаковый внешний вид. Изменений размера и морфологии во время сушки не наблюдалось.

Для определения эффективности сушки в Lyovapor™ L-200 три банановых ломтика были подвергнуты анализу остаточной влажности с помощью галогенного анализатора. Результаты измеренного содержания влаги и эффективности сушки показаны в таблице 1.

Исходное содержание воды в банане составляло 76,97 ± 1,24 % (n=3). Следовательно, применение описанного способа лиофильной сушки в Lyovapor™ привело к удалению ≥ 95,92 % воды.

Рис. 1: Полка со свежими банановыми ломтиками. Рис. 2: Полка с банановыми ломтиками после лиофильной сушки.

13

Ломтик банана

Масса ли-офилизи-рованного образца [г]

Масса высу-шенного гало-геном образ-ца [г]

Содержа-ние влаги [%]

1 0,606 0,587 3,142 0,843 0,818 2,973 0,794 0,770 3,02

В целом, применение лиофильной сушки по отношению к пищевым продуктам, таким как ломтики бананов, имеет следующие преимущества и недостатки [3]:

Преимущества• Низкая температура и низкое давление

делают лиофильную сушку эффективным способом сохранения цвета, запаха, вкуса и термочувствительных питательных веществ в продуктах питания.

• Устраняет поверхностное затвердевание пищевого продукта.

• Высушенный продукт получается пористым, он легко регидрируется и/или растворяется. Его можно употреблять как сухим, так и после регидрации.

• Поскольку высушенный продукт содержит очень мало влаги, он имеет низкую плотность и легко транспортируется. Высушенные продукты питания можно хранить при комнатной температуре в течение длительного времени, а их транспортировка обходится намного дешевле, чем транспортировка замороженных продуктов.

• В процессе лиофильной сушки не вносится никаких добавок.

Недостатки• На воздухе лиофилизированные продукты

питания быстро вбирают влагу, что приводит к их порче.

• Лиофилизированные продукты следует хранить упакованными в вакуумной или вакуум-азотной среде, упаковочный материал не должен пропускать водяной пар.

• Во время транспортировки и при продаже лиофилизированный продукт легко ломается и рассыпается из-за своей пористой структуры.

• Лиофильная сушка – это долгий и энергоемкий процесс, что повышает стоимость производства.

ВыводыLyovapor™ L-200 позволил достичь высокой эффективностью при обезвоживании банана. Таким образом, Lyovapor™ L-200 позволяет подвергать лиофильной сушке фрукты, такие как ломтики банана.

Ссылки[1] G. W. Oetjen; Freeze-Drying; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (2004).[2] Приложение 254/2016, Лиофилизация свежих банановых ломтиков.[3] H. Tse-Chao Hua, L. Bao-Lin, Z. Hua; Freeze-Drying of Pharmaceutical and Food Products, (2010).

Таблица 1: Результаты анализа остаточной влажности после лиофильной сушки в Lyovapor™ L-200.

14

Приложение № 269/2017: Lyovapor™ L-200 ProЛиофилизация свежих ломтиков трюфеля

ВведениеТрюфели представляют собой продукт с ограниченным сроком годности, они быстро теряют свои вкусовые свойства. Следовательно, дорогие грибы всего за несколько дней становятся менее ценными. Потеря летучих соединений, окисление и ферментативные реакции являются существенной проблемой в процессе хранения. Высокие температуры и ферментативные реакции вызывают также изменение аромата.

Лиофильная сушка грибов предотвращает потерю и распад летучих соединений благодаря низким температурам. Трюфели сохраняют свой аромат. Лиофилизированные трюфели можно употреблять либо в регидрированном, либо в сухом виде [1].

ЭкспериментСвежий летний трюфель был нарезан ломтиками толщиной около 1 мм (рис. 1). Ломтики были разложены на полке из нержавеющей стали и оставлены для заморозки на сутки в морозильнике при температуре –24 °C.

Через 24 часа глубокой заморозки полка с ломтиками трюфеля была помещена в Lyovapor™ L-200 для лиофильной сушки. Температура полки была выбрана такой, чтобы она не превышала

20 и 25 °C к концу первичной и вторичной сушки (заданное значение температуры). Подробнее о последовательности сушки см. по ссылке [2].

После сушки трюфеля (см. рис. 2) остаточная влажность в пяти трюфельных ломтиках была измерена с помощью галогенного анализатора влажности, нагретого до температуры 110 °C. Для этого образцы были перенесены в анализатор влажности сразу же после того, как высушенный образец был вынут из Lyovapor™. Критерий остановки анализатора влажности составляет не более 1 мг/140 с.

Результаты и обсуждениеНа рисунках 1 и 2 показан лоток с ломтиками трюфеля до и после процесса лиофильной сушки. Все ломтики трюфеля имеют гомогенную структуру лиофилизированного продукта и одинаковый внешний вид. Изменений размера и морфологии во время сушки не наблюдалось.

Для определения эффективности сушки в Lyovapor™ L-200 пять ломтиков трюфеля были подвергнуты анализу остаточной влажности с помощью галогенного анализатора. Результаты измеренного содержания влаги показаны в таблице 1.

Рис. 1: Лоток со свежими ломтиками трюфеля. Рис. 2: Лоток с ломтиками трюфеля после лиофильной сушки.

15

Кусо-чек трю-феля

Масса ли-офилизи-рованного образца [г]

Масса высу-шенного гало-геном образ-ца [г]

Содержа-ние влаги [%]

1 0,187 0,179 4,282 0,119 0,115 3,363 0,165 0,161 2,424 0,211 0,204 3,325 0,153 0,147 3,92

Пос ле ли о фильн ой сушк и вс е проанализированные образцы содержали ≤ 3,46 ± 0,63 % влаги. Исходное содержание воды в летнем трюфеле составляло 66,33 ± 0,94 % (n=3). Следовательно, применение описанного способа лиофильной сушки в Lyovapor™ L-200 приводит к удалению в среднем ≥ 94,78 % воды. Обезвоженные примерно на 80 %, лиофилизированные трюфели могут храниться более 24 месяцев [3]. В целом, применение лиофильной сушки по отношению к пищевым продуктам, таким как ломтики трюфеля, имеет следующие преимущества и недостатки [4]:

Преимущества• Низкая температура и низкое давление

делают лиофильную сушку эффективным способом сохранения цвета, запаха, вкуса и термочувствительных питательных веществ в продуктах питания.

• Устраняет поверхностное затвердевание пищевого продукта.

• Высушенный продукт получается пористым, он легко регидрируется и/или растворяется. Его можно употреблять как сухим, так и после регидрации.

• Поскольку высушенный продукт содержит очень мало влаги, он имеет низкую плотность и легко транспортируется. Высушенные продукты питания можно хранить при комнатной температуре в течение длительного времени, а их транспортировка обходится намного дешевле, чем транспортировка замороженных продуктов.

• В процессе лиофильной сушки не вносится никаких добавок

Недостатки• На воздухе лиофилизированные продукты

питания быстро вбирают влагу, что приводит к их порче.

• Лиофилизированные продукты следует хранить упакованными в вакуумной или вакуум-азотной среде, упаковочный материал не должен пропускать водяной пар.

• Во время транспортировки и при продаже лиофилизированный продукт легко ломается и рассыпается из-за своей пористой структуры.

• Лиофильная сушка – это долгий и энергоемкий процесс, что повышает стоимость производства.

ВыводыЛиофилизированные трюфели являются хорошей альтернативой свежим трюфелям в несезон, потому что вкус, аромат и пищевая ценность почти полностью сохраняются в отличие от других способов сушки [1, 3, 5].

Lyovapor™ L-200 позволяет обезвоживать продукт с высокой эффективностью. Таким образом, Lyovapor™ L-200 позволяет подвергать лиофильной сушке грибы, такие как ломтики трюфеля.

Ссылки[1] I. Palacios, E. Guillamón, A. García-Lafuente, A. Villares; Effects of Freeze-Drying Treatment on the Aromatic Profile of Tuber spp. Truffles. Journal of Food Processing and Preservation, Volume 38, Issue 3, Pages 768–773, (2014).[2] Приложение 269/2016, Лиофилизация трюфеля.[3] http://www.tartuflanghe.com/en/tartufo-bianco/dehydratedwhite-truffle[4] H. Tse-Chao Hua, L. Bao-Lin, Z. Hua; Freeze-Drying of Pharmaceutical and Food Products, Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition, pages 141–169 (2010).[5] https://www.sialparis.com/Catalogue/Catalogue-Sial-Paris-2016/Products-list/freeze-dried-truffles-GEOOFOODSITALIAN-TRUFFLES

Таблица 1: Результаты анализа остаточной влажности после лиофильной сушки в Lyovapor™ L-200.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

16

Приложение № 256/2017: Lyovapor™ L-200 ProЛиофилизация растворов маннита и NaCl во флаконах

ВведениеВ этой заметке для эксперимента по лиофильной сушке используются хлорид натрия (NaCl) и маннит. Практически идеальная кристаллическая решетка NaCl делает эту соль хорошим образцом. С другой стороны, маннит хорошо известен тем, что превращается при кристаллизации в различные полиморфы [1] и может образовывать гидраты [2].

Тем не менее, маннит является наиболее часто используемым наполнителем для лиофилизиро-ванных фармацевтических препаратов.

Эксперимент3 мл 5 %-ного водного раствора маннита (50 г/л) были перенесены в виалы с помощью волюметрической пипетки (70 виал). Затем образцы были поставлены на полку из нержавеющей стали и оставлены для заморозки на ночь в морозильнике при температуре –40 °С.

Через 24 часа глубокой заморозки виалы были помещены в Lyovapor™ L-200 для лиофильной сушки. Критическая температура была установлена на 30 °C. Для неизвестных препаратов рекомендуется определять критическую температуру с помощью лиофилизационного микроскопа. Кроме того, имеется возможность запрограммировать границу безопасной температуры для защиты образца от перегрева.

Температура полки была выбрана такой, чтобы она не превышала 20 °C к концу первичной сушки и 25 °C к концу вторичной сушки. Подробнее о последовательности сушки см. по ссылке 3.

После сушки для оценки ее эффективности был проведен анализ остаточного содержания влаги в девяти образцах маннита и NaCl, которые располагались по краям полки, с помощью галогенного анализатора влажности при температуре 110 °C. Для этого образцы были измельчены в ступке и перенесены в анализатор влажности в течение 30 секунд.

Результаты и обсуждение Виалы с чистым маннитом, который располагались по краям полки, показаны на рис. 1. Все виалы содержали гомогенный лиофилизированный маннит или NaCl.

Для определения эффективности сушки в Lyovapor™ L-200 девять образцов маннита, располагавшихся по краям полки, были подвергнуты анализу остаточной влажности с помощью галогенного анализатора. Результаты измеренного остаточного содержания влаги показаны в таблице 1.

После лиофильной сушки образы маннита содержали, независимо от их расположения на полке, менее 2,0 % влаги.

Рис. 1: Стальная полка с лиофилизированными образцами.

Рис. 2: Лиофилизированные образцы маннита, подвергнутые анализу на остаточную влажность.

17

Фла-кон

Масса ли-офилизи-рованного образца [г]

Масса вы-сушенного галогеном образца [г]

Оста-точная влага [%]

Эффек-тив-ность сушки [%]

1 0,107 0,105 1,87 98,132 0,100 0,098 2,00 98,003 0,113 0,112 0,88 99,124 0,122 0,121 0,82 99,185 0,111 0,110 0,90 99,106 0,116 0,115 0,86 99,147 0,121 0,120 0,83 99,178 0,108 0,107 0,93 99,079 0,116 0,114 1,72 98,28

Выяснилось, что образцы маннита, расположенные в центре полки, содержали меньше остаточной влаги, чем образцы по краям. Для NaCl этого не наблюдалось. Содержание остаточной влаги в произвольно выбранных для анализа образцах NaCl варьировалось от 0,79 до 1,59 %. Это может указывать на то, что во время процесса замораживания фракция образующегося гидрата маннита больше ближе к краям полки, нежели к ее центру. Кроме того, вероятно, что некоторая вода адсорбируется на образце при его подготовке к анализу остаточной влажности. Следовательно, эффективность сушки, вероятно, даже выше, чем указано в отчете. Стратегии для удаления большего количества влаги: i) увеличение времени сушки, ii) увеличение температуры во время вторичной сушки и iii) отжиг [2].

ВыводыLyovapor™ L-200 позволяет обезвоживать выступающий в качестве модели маннит с высокой эффективностью. Оба соединения внешне выглядели однородными.

Ссылки[1] Kim, A.I; Akers, M.J.; Nail, S.L. J. Pharm. Sci. 1998, 87 (8), 931-935. [2] Yu, L.; Milton, N.; Groleau, E.G.; Mishra, D.S.; Vansickle, R.E. J. Pharm. Sci. 1998, 88 (2), 196-198. [3] Приложение 256/2017

Таблица 1: Результаты анализа остаточной влажности после лиофильной сушки в Lyovapor™ L-200.

18

Приложение № 270/2017: Lyovapor™ L-200 ProЛиофилизация отваров, применяемых в традиционной китайской медицине

ВведениеСредства, применяемые в традиционной китайской медицине, обычно готовятся путем растирания и кипячения в воде. Этот процесс называется отваркой. Таким образом, лекарственные соединения извлекаются из растительного сырья. Эти экстракты, если их использовать не сразу, можно сохранить, подвергнув лиофилизации.

В данной заметке мы освещаем процесс лиофилизации образца, в качестве которого выступает отвар Tianma Gouteng Yin (TGY). TGY – широко применяемое средство для лечения симптомов болезни Паркинсона. Недавно выяснилось, что этот отвар TCM оказывает нейропротекторное действие на животных и клеточные модели PD [1].

ЭкспериментОборудование: ∙ BUCHI Lyovapor™ L-200 Pro ∙ ПО BUCHI Lyovapor™ ∙ Камера глубокой заморозки (–24 °C), Bauknecht ∙ Поддон из нержавеющей стали ∙ BUCHI Rotavapor® R-300, System Rotavapor®

Dynamic

Образец: ∙ TGY был приготовлен в аптеке St. Peter

Pharmacy в Цюрихе (Швейцария).

Для человека одна доза TGY1 содержит Gastrodiae Rhizoma (Tianma) 9 г, Uncaria Ramulus Cum Uncis (Gouteng) 12 г, Haliotidis Concha (Shijueming) 18 г, Gardeniae Fructus (Zhizi) 9 г, Scutellariae Radix (Huangqin) 9 г, Cyathulae Radix (Chuanniuxi) 12 г, Eucommiae Cortex (Duzhong) 9 г, Leonuri Herba (Yimucao) 9 г, Taxilli Herba (Sangjisheng) 9 г, Polygoni Multiflori Caulis (Shouwuteng) 9 г, Poria (Fuling) 9 г.

Результаты Образец TGY был подвергнут экстракции, концентрированию и лиофильной сушке. В верхней части рисунка 1 образец показан в процессе лиофилизации. В нижней части рисунка 1 образец показан лиофилизированный продукт в поддоне из нержавеющей стали.

Хорошо видно, что продукт имеет высокопористую структуру. Благодаря этой структуре дозы TCM легко регидрируются и мгновенно растворяются. Его можно употреблять как сухим, так и после регидрации. Лечебные соединения сохраняются во время лиофилизации [1].

Рис. 1: Стальной поддон с экстрактом TGY, высушенным в Lyovapor™ L-200 Pro.

Рис. 2: Высушенный TGY имеет пористую структуру.

19

Кроме того, отвары TCM имеют длительный срок хранения в упаковке с вакуумной или вакуум-азотной средой.

ЗаключениеЛиофильная сушка является подходящим методом для приготовления отваров TCM с длительным сроком хранения и для простого использования путем регидрации. Здесь мы успешно высушили человеческую дозу образца Tinma Gouteng Yin, которая, как утверждается, оказывает нейропротекторное действие в моделях болезни Паркинсона in vitro и in vivo.

Благодаря бережному приготовлению с использованием комбинации из экстракции, концентрирования и лиофилизации, действующие вещества сохраняются в лекарстве. В представленном здесь процессе дозы TCM имеют длительный срок хранения и готовы для использования.

Ссылки[1] Liu L.-F. et al. Nature Scientific Reports, 5, 16862, 2015.

Quality in your hands

russia@buchi.com | www.buchi.com/ru-ru

Контактная информация компании BUCHI:BUCHI Russia/CIS127287, Россия, Москва 2-я Хуторская ул., 38А стр.1 Тел. +7 495 36 36 495

Нашу компанию представляют более 100 дистрибьюторов по всему миру.Найдите представителя в своей стране: www.buchi.com

Distributors