真空冷冻干燥技术在化妆品中的应用趋势

文/李 岗 姜春鹏

随着化妆品技术的发展，功效性化妆品朝着生物医药方向迅速发展，尤其是美容院线产品的这种趋势更加明显。如何利用生物保鲜技术以延长功效性化妆品的货架寿命，是近年来化妆品行业不断探索和寻找的方向，本文就真空冷冻干燥技术在化妆品中的应用、趋势进行综合阐述。

真空冷冻干燥技术又称“冷冻干燥技术”，英文被称为 freeze drying，也被称为lyophilization，是将湿物料或溶液在较低的温度(—10℃～—50℃)下冻结成固态，然后在真空(1.3Pa～13Pa)下使其中的水分不经液态直接升华成气态，最终使物料脱水的干燥技术。传统的冻干技术较多用于医药、食品行业，近几年市场出现一种冻干粉类型的制剂产品正逐渐进入化妆品行业。前些年，因冻干机价格较昂贵，受单只冻干粉制剂包装成本、制作成本偏高等因素制约，冷冻干燥技术主要应用于高价值的生物医药产品的保存。随着消费者及化妆品公司对产品的功能性要求不断提升，最近几年冻干粉制剂大量进入化妆品行业。但一些消费者和生产商对“冷冻干燥技术”还不是十分了解，且相关的文献及数据资源相对匮乏，因此本文就针对真空冷冻干燥技术在化妆品中的应用进行综合阐述。

真空冷冻干燥技术

1.基本原理

图1 水三相点示意图

从图 1 带箭头的线可以清楚地看出：

当压力高于 0.611kPa时，从固态冰开始，水等压加热升温的结果是先经过液态再达到气态。

当压力低于0.611kPa时，水从固态冰加热升温的结果是直接由固态转化为气态。这样，可将物料先冷冻，然后在真空状态下对其加热，使物料中的水分由固态冰直接转化为水蒸气蒸发出来，达到干燥的目的。这就是真空冷冻干燥的基本原理。

2.主要过程

真空冷冻干燥技术根据被冻物的理化性质，大致可分为如下几个过程，如图2所示。

图2 真空冷冻干燥技术工艺流程图

（1） 物料的预处理

在对被冻物进行冷冻干燥之前，必须对其进行一些必要的物理、化学处理，包括清洗、分级、切片、杀菌、浓缩等。对于不同的被冻物（化妆品，食品、医药），预处理内容也有所不同。在对化妆品被冻物进行冷冻之前，需添加一些添加剂，以保证冻干产品效果良好、保持被冻物生物活性和较好的外观构造。对于添加剂，按其功能可大致分为几类：冻干保护剂、乳化剂、填充剂、抗氧化剂、酸碱调节剂等。根据近些年实验发现，糖类（海藻糖、甘露糖醇、蔗糖、透明质酸钠）是非常有效的冻干保护剂以及填充剂，不同含量的搭配，使其冻出来的形状、坚韧、有形。

（2）物料的冷却固化过程

物料的冷却固化过程是将物料成分冷却，不仅要使物料中的自由水完全结成冰，还要使物料中的其他部分完全固化，形成固态的非晶体（玻璃态）。

冷却固化过程中的物料冷却速率也是很重要的，一般快速冷却能使物料在冻结过程中不至于过多地脱水，并能实现部分玻璃化，但过快的冷却也会造成细胞损伤和物料断裂等不良现象。因此冷却固化的工艺、显得很重要。

（3）升华干燥（一次干燥）过程

对冷冻干燥过程的分析而言，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”。一次干燥，又称升华干燥，是指在低温下对物料加热，使其中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸气。

要维持升华干燥的顺利进行，必须满足两个基本条件：一是升华产生的水蒸气必须不断地从升华表面被移走；二是必须不断地给物料提供升华所需要的热量。如果控制不好，会出现软化、融化、隆起、塌陷等现象，升华干燥过程实际是传热、传质同时进行过程，是费时、高能消耗的过程。

（4）解吸干燥（二次干燥）过程

解吸干燥，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“束缚水”解吸，变成“自由”的液态水，再吸热蒸发成水蒸气。在第一阶段干燥结束后，在干燥物料的多孔结构表面和极性基团上还吸附有未被冻结的结合水。由于吸附的能量很大，因此必须提供较高的温度和足够的热量，才能实现结合水的解吸。温度不能过高，否则会造成被冻物过热而变性。

（5）封装和储存

经过二次干燥后，要进行封装和储存。封存仍必须在真空条件下，或者充惰性气体条件下进行。对于西林瓶（安瓶）装的物料进行冷冻时，半加塞状态（塞子不可全部压实），胶塞的两侧通道可保证“自由水”顺利被蒸发成水蒸气，可由干燥室通过真空通道引出，送至真空室，或者充惰性气体至瓶内进行保护，最后通过机械装置进行压盖，出仓即可。图3所示。

图3 西林瓶冻干示意图

真空冷冻干燥技术在化妆品中的应用

随着化妆品技术的发展，功效性化妆品朝着生物医药的方向迅速发展。特别是美容院线产品的这种趋势更加明显。近些年，因环境的恶化、饮食生活习惯的不规律以及压力的增加，消费者对功效性化妆品的需求日益剧增。而化学合成的功效性活性物是一把双刃剑，功效越强，副作用也越大，这是一对矛盾体。随着化妆品原料市场的规范，违规、超量的活性物质被禁止使用在化妆品中，人们转而追求植物活性物及生物工程活性物(如生物多肽、细胞因子等)来提高产品的功效性，同时降低产品副作用。

1.功效性化妆品应用现状

对于功效性化妆品，尤其是九类特殊用途化妆品（按照我国《化妆品卫生监督条例》等法规，祛斑、防晒、育发、染发、烫发、脱毛、美乳、健美、除臭九类特殊用途化妆品必须在取得的批准文号许可的范围内对其功效用语进行宣称，禁止宣传超出特殊用途化妆品对其含义解释的功效）的需求日益增加，但是消费者对市售的相关产品，往往觉得功效不显著，很大一部分原因是来自于产品的功效成分货架寿命太短，尤其是植物来源或生物工程来源的活性物质，在化妆品体系中非常的不稳定或者说容易失去活性，这就大大地妨碍了这些来源于天然植物或生物工程类高活性、低毒性，甚至无毒副作用“完美的活性物”在化妆品中的应用，实际上在医药方面也存在此类问题。早在抗生素快速发展的20世纪初就体现出来，比如青霉素的保存，同样要避免高温和光线的照射，因此在1935年冷冻干燥技术就已应用于西药的保存。第二次世界大战后，大量的抗生素都采用冷冻干燥法生产，此后的几十年间，世界各国用冷冻干燥方法生产的西药越来越多，乃至一些原料用药、研制的新药，甚至在食品加工方面，也采用真空冷冻干燥的方法来提高产品质量。近十几年，冷冻干燥设备的大幅度降价使该技术大量应用于生物制药、食品等领域，并于近几年进入化妆品领域。

三七

冬虫夏草

山药

枸杞

人参

2.生长因子类冻干粉在化妆品中的应用进展

市场出现最早且最成熟的冻干粉尚属于EGF（表皮细胞生产因子）类冻干粉。在冻干粉中活性物是产品的核心，适合于冻干的活性物基本分两类：一类是细胞因子类活性蛋白：如细胞因子 EGF、KGF-2、SCF、BFGF、AFGF等多肽类物质；另一类是植物活性物质。这两类物质相比，目前功效性较强的是细胞因子类活性蛋白，多以围际单位(IU)标示。但目前对细胞因子的标示比较混乱，标示随意性也很强。尤其是许多人认为国际单位数越大功效越强，这实际上是个极大的误区，各种功效性要有合理的因子量，并非越大越好。同时生长因子之间的配合以及生长因子与溶媒成分间的配合也非常重要。

3.植物来源冻干粉在化妆品中的应用进展

冷冻干燥技术能较好地保持植物外观品质、颜色、气味，脱水彻底，保存性好，同时使有效成分的分解和散失降至最低限度，保持药用有效成分的活性。冻干法常用于人参、西洋参、冬虫夏草、山药、枸杞、鹿茸、三七等的加工。而近些年来，回归天然，添加中国传统中草药等植物来源的功效成分，已形成主要市场趋势。冻干技术为中草药提取物作为活性成分使用提供了一种非常好的途径，可以在很大程度上避免、减轻不相容、货架寿命低、颜色气味不易脱除等长期被困扰的问题。

4.生物来源冻干粉在化妆品中的应用进展

伴随着生物技术的快速发展，生物来源的化妆品原料也随之迅速发展，这极大地丰富了化妆品原料的种类，同时也使得各种丰富的新型功效原料迅速被研制出来，在推进化妆品发展方面发挥了非常重要的作用。以往我国在生物来源化妆品原料获取过程中，以干燥技术为主，使得其无论是功能还是效果都与预期相差甚远，这主要是因为生物来源功效原料对环境有着非常严苛的要求，极易受到外界因素的影响。为此，在制备过程中，必须达到低温、真空、干燥等要求。真空冷冻干燥技术的问世，在很大程度上解决了生物来源化妆品原料的技术限制。

真空冷冻干燥技术不光可以应用于化妆品功效性原料的开发，同时也可以应用到终端产品上。在终端产品的开发过程中，化妆品的配方等显得尤为重要。对于常用的多元醇等保湿成分，被冻物是尽量不能含有的。一般来说经过上述过程后就形成了冻干粉状态，我们看到的白色粉状物主要是赋型的基础物质——甘露醇，而活性物质均匀分布在赋型结构之中。从市售冻干粉产品来看，常规包装剂型多为一瓶西林瓶包装的冻干粉，一瓶水剂精华液（俗称溶媒），分开保存，在使用时，将冻干粉与溶媒混匀后使用能最大限度保证活性物质的功效。

冻干剂型化妆品因特殊的工艺，其生物活性保存时间远远大于未经过冻干处理的化妆品。另外，冻干粉真正可以做到无菌和不添加任何防腐剂，而防腐剂是化妆品过敏和对皮肤刺激的主要成分，活性物在冻干粉形态下细菌和病毒因缺水无法生存和繁殖，大大降低产品的过敏及刺激作用。对生产和消费者来说，类似生物医药制作方法应用到化妆品领域，将有利于提升产品的科技含量和档次。以上种种迹象表明，冻干剂型化妆品在化妆品领域将会流行较长一段时间。但是碍于其具体配方应用及前端的研究报道不多，所以冻干技术结合化妆品领域还需要很长一段时间的摸索和探讨。