真空冷冻干燥技术在连翘加工中的应用研究

郭俊俊，张国香

（山西省科技资源与大型仪器开放共享中心，山西 太原 030006）

连翘果实为木犀科植物连翘（Forsythia suspensa(Thunb.)Vahl）的干燥成熟种子[1]，主产于我国河南、山西、陕西、山东等地[2]。中药制剂中，连翘果实长于清心热，用于治疗邪陷心包、神昏谵语等症[3]。连翘果实主要含有苯乙醇及其苷类、木脂素及其苷类、五环三萜类、黄酮类及挥发油类等活性成分，药理研究认为其具有抗菌、抗炎、止呃逆、抗肝损伤、抑制磷酸二酯酶、抗病毒、降血压等作用[4]。目前，应季采收的连翘（青翘）处理方式主要有自然风干、热风干燥及真空冷冻干燥等方式，通过比较发现真空冷冻干燥工艺处理的连翘与自然风干、热风干燥处理的样品连翘相比，外观品质较好，复水率显著提高，连翘中连翘酯苷A、连翘苷、连翘脂素、芦丁的提取率有提高。真空冷冻干燥过程中，预冻速率、挡板温度及真空压力等工艺参数均会影响连翘最终产品的品质。因此，以连翘（青翘）冷冻干燥工艺参数为研究对象，从优化冻干产品质量品质及提高连翘活性成分的提取率等方面入手，系统研究真空冷冻干燥工艺中预冻速率、真空压强及隔板温度等工艺参数对二者的影响，选出优化后的工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

对照品连翘酯苷A（批号11810-201606）、连翘苷（批 号110821-201615）、芦 丁（批 号100080-201608）、连翘脂素（生产编号PCS1413，质量分数均大于98%），中国食品药品检定研究院提供；甲醇为色谱纯，赛默飞世尔科技（中国）有限公司提供；甲酸为色谱纯，西格玛奥德里奇（中国）有限公司提供；其他试剂均为分析纯；水为制备的超纯水；连翘，取自山西汾西县连翘生产基地的成熟青翘果实。

1.2 试验仪器

SCIENTZ-10ND型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司产品；BSA223S型电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司产品；KQ-500E型超声波清洗器，（200 W，25 kH），昆山超声波声仪器厂产品；XW80A型涡旋混合器，上海医科大学仪器厂产品；CP225D型十万分之一天平，德国Sartorius公司产品；明澈-D 24 UV纯水/超纯水一体系统，Merck millipore默克密理博中国有限公司产品；S-4800型场发射扫描电子显微镜，日本日立公司产品；VERTEX 70型傅立叶红外变换光谱仪，布鲁克光谱仪器有限公司产品；TSQ Endura型液相色谱三重四极杆串联色谱仪配有Thermo fisher VANQUISH UHPLC超高压液相部分，TSQ Endura的三重四极杆的质谱仪，赛默飞世尔科技有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

取部分连翘样品进行连翘共晶点、共熔点温度测定，取部分连翘样品进行冷冻干燥工艺参数设定试验。真空冷冻干燥技术主要包括物料铺盘厚度、预处理、预冻结、升华干燥、解析干燥、后处理等工艺过程。对冷冻干燥后的样品，使用液相质谱联用仪对活性成分进行含量分析，使用红外光谱仪及扫描电镜对活性物种类和内部结构进行评价。

1.3.2 操作要点

连翘样品为山西汾西县采收的应季连翘（青翘）。连翘样品应去除杂质，选取大小均一的备用。测定共晶点、共熔点的样品应用小刀一分为二，以便电阻法试验使用。用于冷冻干燥工艺试验的样品，由于连翘形态特点而不做切片处理，可整颗直接铺盘。连翘冷冻干燥工艺参数设置范围：预冻速率（5～8℃/min），隔板温度（-10～60℃），真空压强（30～55 Pa）。

选取连翘冻干工艺的干燥速率[5]、生产效率及样品表面积收缩率[6]作为连翘冻干工艺的干燥特性指标。连翘冷冻干燥样品活性成分提取有连续回流浸提和超声提取2种方法。经比较，超声提取可满足试验要求，且操作简单、方便快捷。常用提取溶剂有甲醇、乙醇、丙酮及水。经试验考查，甲醇-水（4∶1）系提取效率最高，且成本较乙醇低，安全性较丙酮高。超声提取时间控制在45 min，提取效率达到最高。

2 结果与分析

2.1 连翘共晶点、共熔点测定

连翘的共晶点和共熔点采用电阻法进行测定。取50 g 1.3.2制备的连翘样品1份进行冷冻干燥，采用预冻速率为1℃/min进行预冻，同时测定连翘的电阻变化并记录，当物料预冻到-35℃时，通过调整隔板温度，以1℃/min进行升温，同时测定连翘的电阻变化并记录

连翘电阻随温度降低变化图见图1，连翘电阻随温度升高变化图图2。

图1 连翘电阻随温度降低变化图

图2 连翘电阻随温度升高变化图

由图1～图2可知，当连翘温度高于-25℃时，电阻变化缓慢，当温度低于-25℃时，电阻随温度变化速率陡然增大，故连翘共晶点及共熔点温度为-25～-30℃时，因此设定连翘预冻温度为-35℃，预冻2 h，再进行真空冷冻干燥。

2.2 连翘冻干曲线绘制

使用SCIENTZ-10ND型冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司产品），对1.3.2制备的样品进行冻干试验，同时监测冻干过程物料温度、冷阱温度、冻干箱压力等3个参数随时间的变化曲线，并绘制出连翘的冻干曲线。

连翘冻干曲线见图3。

图3 连翘冻干曲线

由图3可知，连翘的冻干过程主要包括物料的预冻过程、升华干燥过程和解析干燥过程[7]。-35℃下预冻2 h；然后控制隔板温度，使物料温度达到-30℃（共结晶温度附近），维持15 h进行真空冷冻干燥，直到物料中的冻结冰升华完毕，此阶段冻干箱内的真空度维持在物料温度所对应饱和蒸汽的30%，即35～50 Pa；最后控制隔板温度，使物料温度达到最高容许温度30℃，同时保持高真空度，维持6 h，进行冻干物料的解析干燥，直到整个冻干程序结束。

2.3 预冻速率对连翘干燥特性的影响

取50g 1.3.2制备的样品5份，按照冻干曲线试验设置的条件，分别以4.5，5.5，6.5，7.5，8.5℃/min速率进行预冻2 h，随后执行后续冷冻干燥程序，直至冻干程序结束。分取冻干物料进行干燥速率、生产效率及样品表面积收缩率计算，并绘制预冻速率对干燥特性的变化图。

不同预冻速率下连翘干燥特性变化见图4。

由图4可知，冷冻干燥过程中，冻结温度越低，冻结速率越快，形成的晶核数量越多，晶粒越细，冻干产品质量好，但冻干过程慢，生产效率低、面积收缩率大。相反，如果冻结速度慢，晶核数量少，晶粒大，冻干时间短，生产效率高，面积收缩率小。结合真空冷冻机自身特征，预冻速率应当控制在5～8℃/min。

图4 不同预冻速率下连翘干燥特性变化

2.4 真空压强对连翘干燥特性的影响

取50 g 1.3.2制备的样品6份，按照冻干曲线试验设置的条件，分别以腔内真空压强为30，40，50，60，70，80 Pa执行冷冻干燥程序，直至冻干程序结束。分取冻干物料进行干燥速率、生产效率及样品表面积收缩率的计算，并绘制真空压强对干燥特性的变化图。

不同压强下连翘干燥特性变化见图5。

由图5可知，连翘的干燥速率随干燥室压强增加呈先升后降的趋势，在40 Pa时速率达最大值。物料单位时间其干燥速率[5]与生产率[6]呈正相关，因此连翘的单位时间生产率也呈现相同的趋势。真空压力过高，会影响连翘的品质。故压力应当控制在35～50 Pa。

图5 不同压强下连翘干燥特性变化

2.5 隔板温度连翘干燥特性的影响

取50 g 1.3.2制备的样品6份，按照冻干曲线试验设置的条件，分别以隔板温度为35，40，45，50，55，60℃执行冷冻干燥程序，直至冻干程序结束。分取冻干物料进行干燥速率、生产效率及样品表面积收缩率的计算，并绘制隔板温度对干燥特性的变化图。

不同隔板温度下连翘干燥特性变化见图6。

图6 不同隔板温度下连翘干燥特性变化

由图6可知，随着隔板温度的升高，增加了传热推动力，有利于水分逸出，加快干燥速率，连翘的干燥速率和生产率也随之增大，且温度升高会加剧连翘的收缩变形，温度过高会使连翘受热不均，影响品质。综合考虑，隔板温度控制在50～60℃。

2.6 不同工艺参数对连翘中4种活性物质得率的影响

将2.3、2.4及2.5不同工艺参数条件下冷冻干燥后的样品粉碎研磨，各取1 g，置于50 mL具塞量筒中，准确加入70%的甲醇25 mL，称质量，常温超声提取45 min，放冷，称质量，用75%甲醇补足失重，过0.25 μm滤膜，取滤液2.0 mL上液质联用仪测定连翘酯苷A、连翘苷、连翘脂素、芦丁等4种活性成分含量。按以上方法每份冻干物料各测定2次，取平均值，绘制活性物质得率对工艺参数的曲线图。

不同干燥特工艺参数条件下连翘中4种活性成分变化趋势见图7。

由图7可知，干燥工艺各参数设置对连翘中4种活性成分得率的影响显著。且各活性成分得率随干燥工艺各参数的变化规律不尽相同。因此，以单一因素对连翘冷冻干燥工艺参数进行优化，无法综合和全面反映干燥工艺参数设置对连翘冻干品质的影响，需要采用正交试验来解决问题。

图7 不同干燥特工艺参数条件下连翘中4种活性成分变化趋势

2.7 正交试验设计

根据单因素试验的考查结果，建立活性成分得率与各因素（预冻速率、真空压强、隔板温度）之间的数学模型，选用L9（34）设计正交试验，每个试验水平重复3次，以保证试验的准确性[8]。以连翘活性物质得率为评价指标，对预冻速率、真空压强、隔板温度3个因素进一步考查。以得到连翘冷冻干燥工艺参数的较佳设置。

正交试验因素与水平设计见表1，二次回归正交试验结果及分析见表2。

表1 正交试验因素与水平设计

表2 二次回归正交试验结果及分析

由表2可知，最优冻干工艺参数是8号，即A3B2C1，根据预冻速率、正空压强和隔板温度三因素对连翘有效成分得率影响的主次顺序为预冻速率>隔板温度>真空压强，确定最优冻干工艺组合为A3B2C1。既预冻速率为7.5℃/min，真空度为40 Pa，隔板温度为50℃的条件下，连翘酯苷A、连翘苷、连翘脂素、芦丁的甲醇浸出物含量分别为3.648%，0.560%，0.037%，0.170%，连翘活性成分提取得率的综合评分最高为1.103 9%。

2.8 冻干产品品质分析

在最优干燥工艺下制备冻干连翘样品，并以自然干燥、热风干燥样品为对照，进行特性对比研究。自然干燥指自然条件下晒干，热风干燥样品是在与优选的真空冷冻干燥工艺相同的温度条件下干燥。

2.8.1 连翘红外指纹图谱研究。

分别将适量不同干燥方式的样品粉末与溴化钾按照1∶100比例混合均匀，直接压片，采用傅立叶红外变换光谱仪进行扫描[2]。结果为不同干燥方式所得连翘样品的红外指纹图谱峰形相似，仅存在信号强弱差异。表明连翘样品在不同的干燥方式下，其化学成分并未发生变化。

2.8.2 连翘样品内部结构研究结果

真空冷冻干燥的产品色度更接近新鲜连翘样品；冻干产品更好地保留了连翘样品的植物组织结构，植物结构未产生塌陷；采用真空冷冻干燥工艺制备的连翘样品植物形态及品质更接近新鲜样品，质量良好。

不同干燥方式的连翘样品红外指纹图谱见图8，不同干燥方式的连翘样品和新鲜样品的SEM图见图9。

图8 不同干燥方式的连翘样品红外指纹图谱

3 结论

从冷冻干燥技术关键参数的确定出发，使用电阻法测定了连翘的共晶点温度和共熔点温度，在-25～-30℃范围内，因此设定连翘预冻温度为-35℃。通过测定冻干速率、单位时间生产率及干燥样品的面积收缩率等干燥特性指标，确定冷冻干燥工艺关键核心参数预冻速率、真空压强计及隔板温度等。从而绘制出连翘冷冻干燥工艺的冻干曲线。通过各类单因素试验及正交试验，对工艺参数进行了优化，得出SCIENTZ-10ND型冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）对连翘的冻干工艺的最优参数值为预冻速率7.5℃/min，真空度40 Pa，隔板温度50℃。该条件下，冻干的连翘样品，在外观、色泽及内部结构保留了与新鲜样品具有同样的品质，而且更多地保留了连翘中易挥发、高温易氧化分解的活性成分。

图9 不同干燥方式的连翘样品和新鲜样品的SEM图