邱勛榮，李玉姍，萬 琴，高 歡，齊婭汝，李遠輝, ，楊 明,

1. 江西中醫(yī)藥大學 現(xiàn)代中藥制劑教育部重點實驗室，江西 南昌 330004

2. 創(chuàng)新藥物與高效節(jié)能降耗制藥設備國家重點實驗室，江西 南昌 330004

新鮮植物性中藥材由于含水率較高（60%～90%），采收后容易因采后生理、遭受機械損傷和微生物侵染而腐爛、變質，失去藥用和經(jīng)濟價值。干燥是中藥材廣泛應用的產(chǎn)地加工工序，其主要利用熱能去除鮮藥中的大部分水分、抑制采后生理，以防腐爛變質，便于后續(xù)加工和貯存。中藥材干燥為中藥制藥的前端，可引起藥材活性成分或藥理活性的顯著變化，與藥材品質的形成密切相關。目前，中藥材干燥主要采用傳統(tǒng)干燥方法，包括自然干燥法（陰干、曬干等）和烘干法等，這些方法雖然具有簡單易操作、成本低的優(yōu)勢，但存在干燥效率低、部分有效成分損失較大、易污染、占用空間大等問題，且自然干燥法易受氣候條件影響[1]。真空冷凍干燥技術是20 世紀初真空泵和制冷機問世后，于1909 年首次實現(xiàn)應用；1942 年第二次世界大戰(zhàn)中將其用于血液制品、抗生素的貯存運輸；20 世紀50 年代我國開始引進真空冷凍干燥技術用于生物制藥的生產(chǎn)和保存；60 年代開始應用于食品領域；隨后嘗試將其用于中藥材干燥領域[2]，1993 年徐成海等[3]研制出了ZLG-1 型人參真空冷凍干燥機。真空冷凍干燥技術是將物料在低溫條件下凍結至共晶點以下，然后在真空條件下加熱使物料中的水分直接從固態(tài)升華成氣態(tài)，從而除去水分[4]（圖1）。真空冷凍干燥在低溫條件下進行能夠較好的保存物料的外觀形態(tài)、色澤和有效成分，具有獨特的優(yōu)勢，已經(jīng)成功應用于人參[5]、鹿茸[6]、三七[7]等中藥材的干燥，但是其優(yōu)勢的形成機制少有總結。同時，真空冷凍干燥技術也存在一些不足，除了能耗高、設備和生產(chǎn)成本高外，其也可對藥材質量產(chǎn)生不利影響，然而未見文獻對其進行梳理。因此，本文對相關文獻進行回顧性分析，總結中藥材真空冷凍干燥的優(yōu)勢與其形成機制，及可能對藥材質量產(chǎn)生的不利影響，并為發(fā)揮其優(yōu)勢分析總結了調控技術和方法，以期幫助進一步認識和掌握真空冷凍干燥技術，促進其合理應用。

圖1 真空冷凍干燥過程原理Fig. 1 Schematic diagram of vacuum freeze drying process

1 中藥材真空冷凍干燥的優(yōu)勢

1.1 減小皺縮，保護外觀形態(tài)

皺縮是中藥材干燥過程中普遍存在的現(xiàn)象（圖2）。由于中藥材結構的異質性、成分的多樣復雜性及入藥部位的多樣性，造成不同中藥材干燥過程中的皺縮規(guī)律和機制有所不同，增加了理解中藥材干燥皺縮過程中發(fā)生的物理化學變化難度。中藥材干燥過程中發(fā)生皺縮的原因主要包括：（1）新鮮植物性中藥材普遍含水率較高，水分分布于藥材組織細胞中，對其具有物理填充、支撐作用，干燥過程中隨著含水率的降低，原來由水分占據(jù)的空間被空氣替換，藥材組織細胞失去水分的支撐力，造成體積減小、形態(tài)皺縮。（2）中藥材干燥過程中，藥材外皮結構坍塌、機械強度降低造成皺縮。（3）膨壓是高水分植物細胞內(nèi)的一種流體力，推動細胞壁以保持細胞壁的剛性。由于單個細胞內(nèi)的膨脹壓力，細胞形狀保持完整。若在干燥過程中膨脹壓力失效，則由于內(nèi)部熱應力，細胞結構將崩潰，造成皺縮。中藥材發(fā)生皺縮不僅直接造成其外觀形態(tài)、質地和復水性不佳，還導致水分擴散速率降低，干燥時間延長，引起干燥效率降低[8-9]。

圖2 中藥材干燥過程皺縮原理Fig. 2 Schematic diagram of shrinkage of drying process of Chinese herbal medicine

中藥材在真空冷凍干燥預凍階段中，內(nèi)部所含水分形成固態(tài)冰晶，冰晶形成的骨架結構代替原來液態(tài)水對組織細胞的支撐作用；在升華干燥階段固態(tài)冰晶直接升華，以氣態(tài)的形式排出，由于升華干燥過程是緩慢進行的，水分向外擴散的應力不足以破壞冰晶形成的空間，冰晶形成空間仍然保留，在藥材內(nèi)部形成空隙，造成水分向外擴散的阻力降低，對組織結構造成的破壞降低，藥材組織仍然具有較好的機械強度抵抗皺縮，因此真空冷凍干燥所得中藥材收縮最小[10-11]。王婭等[12]選用香菇研究了真空冷凍干燥、熱風干燥和太陽能干燥對其品質的影響，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥處理的香菇收縮率最?。?.85%），復水比最大（6.18%）。吳靖娜等[13]基于低場核磁共振技術研究了熱風干燥、冷風干燥、真空冷凍干燥和真空干燥對海馬品質的影響，表明不同干燥技術處理的海馬收縮率具有顯著性差異，其中真空冷凍干燥處理的海馬收縮率最低（17.47%）。Ge等[14]通過對比熱風干燥、真空干燥和真空冷凍干燥的高良姜掃描電子顯微鏡圖發(fā)現(xiàn)，真空冷凍干燥的高良姜樣品呈多孔蜂窩狀結構，細胞組織結構收縮最小。劉勝男等[15]在對三七真空冷凍干燥工藝優(yōu)化及對活性成分影響的研究中發(fā)現(xiàn)，真空冷凍干燥的三七切片物理結構和分子結構變化極小，組織結構和外觀形態(tài)保存較好。

1.2 保護熱敏性和易氧化成分

中藥熱敏性成分是指中藥所含的對熱敏感，受熱情況下容易發(fā)生分解、氧化、降解等結構變化的一類成分。中藥材干燥過程中，其所含的多糖、酚類等熱敏性成分由于高溫造成成分降解，引起中藥有效成分降低，從而影響中藥材的質量和療效[16]。真空冷凍干燥的升華干燥階段約在0 ℃高真空度下進行，可有效避免或減少中藥材中熱敏性、易氧化成分被破壞。敖青霞等[17]研究了真空冷凍干燥、自然陰干、恒溫鼓風干燥對丹參莖葉的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)真空冷凍干燥的丹參莖葉多酚酸類成分含量最高，真空冷凍干燥能夠更好保存丹參莖葉中酚酸類成分，可能是由于在低溫、真空條件下丹參莖葉中的酶活性被抑制，最大程度減少酚酸類成分的降解和酶促反應。吳一超等[18]研究了自然陰干、40 ℃和65 ℃烘干、微波干燥及真空冷凍干燥對丹參莖葉中總酚酸含量及抗氧化活性的影響，表明真空冷凍干燥處理的丹參莖葉總酚酸含量最高。

1.3 抑制生理作用引起的色澤褐變和有效成分損失

酶促褐變反應是指中藥材中的酚類物質在有氧條件下，在多酚氧化酶、過氧化物酶、氧化酶的催化作用形成醌，醌類物質進一步聚合形成黑色素，引發(fā)色澤褐變[19]。中藥材發(fā)生酶促褐變需要氧氣、酶、酚類物質3 者同時存在。新鮮中藥材中一般存在多酚氧化酶和酚類物質，但二者被各種細胞膜和細胞結構劃分在不同區(qū)域，因此一般不會發(fā)生酶促反應。中藥材在干燥過程中，由于傳熱、傳質產(chǎn)生的應力破壞了組織細胞結構，導致酶和酚類物質的區(qū)域分布被破壞而接觸，在活性氧存在的條件下發(fā)生酶促褐變[8]。

真空冷凍干燥因其低溫、絕氧環(huán)境，酶的活性被抑制，造成中藥材發(fā)生酶促褐變的條件缺失。陳紅惠等[20]在研究熱風干燥、真空干燥、微波干燥和真空冷凍干燥對山藥品質的影響中，發(fā)現(xiàn)4 種干燥方式對過氧化物酶活性呈顯著差異，其活性由大到小為微波干燥＞熱風干燥＞真空干燥＞真空冷凍干燥，且真空冷凍干燥處理的山藥對外觀品質影響最小，色澤潔白。楊小艷等[21]在比較曬干、烘干、減壓干燥、真空冷凍干燥、遠紅外干燥、微波干燥6種干燥方式對半夏質量的影響中，表明真空冷凍干燥可很好地保護半夏原有的色澤，而烘干和遠紅外干燥的半夏顏色偏黃，說明低溫、低壓在一定程度上可以抑制酶促反應。Abbaspour-Gilandeh 等[22]通過對比不同干燥方式的山楂顏色變化，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥的樣品由于處于真空狀態(tài)與氧氣接觸少顏色變化率最低，而熱風干燥的樣品由于長時間受熱導致發(fā)生酶促反應，山楂果實顏色變化率最大。

1.4 提取速率和復水速率快

真空冷凍干燥是將物料中的水分直接由冰晶狀態(tài)升華為氣體，冰晶升華后留下的孔隙在后續(xù)干燥過程中被保留，形成了疏松多孔的結構。不同于傳統(tǒng)的曬干、烘干由表及里的熱傳遞方式，形成相對致密的結構。中藥材經(jīng)真空冷凍干燥后內(nèi)部結構較為松泡，外部水分易進入，致其復水速率和提取速率較其他干燥方式快，更有利于中藥材的臨床應用。劉勇等[7]在研究陰干、曬干、凍干及熱風干燥對三七藥材外觀性狀和內(nèi)在結構及其品質的影響中，表明真空冷凍干燥三七復水時間最短，經(jīng)復水曲線模型擬合計算為44.70 h，比陰干和曬干快59.18%、64.50%。宋丹妮等[23]考察了烘干、曬干、真空干燥和真空冷凍干燥對醋制延胡索成分溶出的影響，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥的醋延胡索在加水回流提取20 min溶出速度和含量優(yōu)于烘干、曬干和真空干燥的醋延胡索。梁嘉俊等[24]對桑葉的干燥研究也表明真空冷凍干燥的桑葉粉硒的溶出率最高，達到23.45%。

2 中藥材真空冷凍干燥的不足

2.1 能耗及生產(chǎn)成本高

真空冷凍干燥一般包括預凍、升華干燥、解析干燥3 個階段，其中升華干燥階段是最耗能的過程，占總能耗的48%[2]。在升華干燥階段水分通過升華除去，要求真空冷凍干燥系統(tǒng)的壓力必須小于或接近冷凍溶劑的平衡蒸氣壓，同時因為要保持水分處于凍結狀態(tài)，升華干燥階段物料要保持在較低溫度下，導致升華干燥過程能耗較高。對常規(guī)干燥方法和真空冷凍干燥的能量需求分析表明，真空冷凍干燥除去1 kg 水所需的基本能量幾乎是常規(guī)干燥的2倍[25]。張鐘元等[26]研究了熱風干燥、真空冷凍干燥、真空微波干燥、熱風聯(lián)合真空微波干燥和真空冷凍聯(lián)合微波干燥對牛蒡片干燥時間、能耗等的影響，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥時間最長、能耗率最高，較熱風干燥時間長49.1%，能耗率高17.9%。楊春等[27]對紅棗熱風干燥、真空干燥、真空微波干燥、真空冷凍干燥、變溫壓差膨化干燥的研究，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥較其他干燥方式能耗高。在實際生產(chǎn)過程中，除考慮藥材經(jīng)干燥后的質量因素外，同時還需要考慮成本、周期、簡便性等因素，真空冷凍干燥存在所需成本高、干燥過程復雜、需特定設備和受過專業(yè)訓練的人員參與等不足，制約了其廣泛規(guī)模化應用。

2.2 揮發(fā)性成分損失

真空冷凍干燥被認為可以最大程度的保留中藥材中的活性成分，然而卻容易損失一些揮發(fā)性成分。An 等[28]研究發(fā)現(xiàn)生姜經(jīng)過真空冷凍干燥后其揮發(fā)性成分的種類相比于60 ℃熱風干燥下降了16.33%，相比于紅外干燥下降了12.77%。王雨晨等[29]觀察了常溫晾干、曬干、熱風干燥和真空冷凍干燥對太子參揮發(fā)性成分的影響，發(fā)現(xiàn)干燥方式對太子參揮發(fā)性成分具有顯著影響，其中采用真空冷凍干燥的太子參揮發(fā)性成分的種類和含量較其他干燥方式顯著降低，表明真空冷凍干燥不利于太子參揮發(fā)性成分的保留。對比真空冷凍干燥、烘箱干燥、遮光干燥、日光干燥和中紅外干燥發(fā)現(xiàn)，紫蘇葉的揮發(fā)油得率在烘箱干燥和遮光干燥下最高（0.45%），在真空冷凍干燥下最低（0.32%），主要是由于真空冷凍干燥形成的疏松多孔結構和負壓環(huán)境為精油由內(nèi)向外擴散提供了便利[30]。真空冷凍干燥雖然在低溫條件下進行，降低了酶的活性不易發(fā)生生化反應，但由于中藥材長時間處于真空狀態(tài)，可能會導致?lián)]發(fā)性成分的損失。

2.3 部分有效成分轉化不足

長期以來，一般認為干燥會引起藥材活性成分的損失從而降低藥材質量，故許多研究以鮮藥材中的指標成分為參照對干燥方式進行評價。但是許多研究表明，干燥可引起部分活性成分含量的增加，已有學者認為這與干燥脅迫誘導次生代謝產(chǎn)物合成、結合型成分游離釋放等有關。藥用植物的主要有效成分如生物堿、酚類、多糖等，是植物長期適應環(huán)境的次生代謝產(chǎn)物，當自然環(huán)境突然改變或遭受環(huán)境脅迫，可誘導植物次生代謝產(chǎn)物數(shù)量增加、有效成分積累[31]。多數(shù)中藥材在干燥初期仍然是有生命的有機體（干燥前進行殺青等滅活處理的藥材除外），由于受到干燥條件的刺激，其可通過抗逆反應實現(xiàn)有效成分再次轉化與積累。多項研究表明丹參中的丹酚酸B 等丹酚酸類成分在新鮮藥材中含量甚微，但在干燥過程中大量形成，且黃芩中的黃酮類成分也表現(xiàn)出類似的結果，并提出假說：干燥過程對于新鮮采收的植物而言，尤其是根部，實際上是一個干旱脅迫的過程，因此有可能誘導有關化學成分形成和含量升高[32-35]。此外，許多活性成分如多酚、果膠、纖維素、半纖維素通過化學鍵結合存在于細胞壁中，干燥過程中的高溫可破壞細胞壁促進其游離釋放，便于提取利用。如周濤[36]對丹參干燥前后游離型和結合型酚酸的比較研究中，發(fā)現(xiàn)丹參生長過程中已經(jīng)積累了大量結合酚酸，但由于這些結合酚酸主要以酯鍵與細胞壁多糖相連形成不溶性酚酸，難以用常規(guī)溶劑提取出來，造成常規(guī)方法不易檢出；在干燥脫水過程中，細胞受到脅迫，在相關酶的誘導下這些結合酚酸解離轉化形成游離酚酸，這一研究結果佐證了丹參中的游離型酚酸是干燥脫水脅迫誘導的產(chǎn)物。而真空冷凍干燥在低溫、無氧條件下操作，生理活動受到抑制，甚至在預凍階段遭受“極端低溫”（與自然生長環(huán)境相比），活性成分無法通過刺激次生代謝進行合成積累。王紅等[37]在分析50、80 ℃烘干和-70 ℃真空冷凍干燥對人參皂苷類成分的影響中，發(fā)現(xiàn)人參皂苷R1、人參皂苷II 等成分在50、80 ℃烘干干燥中存在，而在-70 ℃真空冷凍干燥中缺失。

部分中藥材采用曬干、烘干等熱干燥方式以促進其有效成分的轉化、合成或特殊香氣的產(chǎn)生，而僅采用真空冷凍干燥可能造成部分有效成分轉化、合成不足。如曬干丹參樣品的丹參酮IIA、二氫丹參酮I 等成分含量顯著高于真空冷凍干燥樣品[38]。附子的毒、效成分都是酯型生物堿，其中雙酯型生物堿毒性大，單酯型生物堿毒性較小，因此在入藥時會將雙酯型生物堿水解為單酯型生物堿使用[39]。汪云偉等[40]在研究炮制工藝中各個階段指標性成分的變化時，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥的附子雙酯型生物堿總量最高，并且單酯型生物堿總量顯著低于鮮附子，而70 ℃常壓干燥和50 ℃減壓干燥處理的附子雙酯型生物堿總量降低，單酯型生物堿總量增加2～4倍，表明真空冷凍干燥不利于附子中雙酯型生物堿的轉化。

2.4 破壞細胞結構完整性

中藥材中水分在細胞中的分布主要分為3 類，即液泡水、細胞質和細胞外水、細胞壁水。液泡水占細胞總水分比例最多，且僅受液泡膜的約束；細胞質水位于液泡和細胞膜間，與細胞質中的細胞骨架蛋白和酶有結合，細胞質水的改變會影響細胞骨架和細胞膜的功能；細胞外水存在于細胞間隙中；細胞壁水與細胞壁多糖有著很強的結合，對維持細胞壁完整性具有重要作用。在冷凍過程中，由于細胞內(nèi)或外的局部水結晶，發(fā)生水的轉移，導致局部產(chǎn)生一些高濃度的水，即不結冰水，周圍細胞中的水由于滲透壓差會被強烈吸收到冷凍細胞中，水從細胞質通過細胞膜和細胞壁進入細胞間隙，或從液泡內(nèi)部通過液泡體進入細胞質，然后通過細胞膜和細胞壁進入細胞間隙；冷凍過程中，在細胞間隙中易形成較大冰晶，可能會對細胞結構造成破壞[41-42]。

Lewicki 等[43]在觀察對流干燥、膨化干燥和真空冷凍干燥對土豆微觀結構的影響中，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥對土豆微觀結構組織破壞嚴重，可能是由于土豆組織細胞較小，冰晶生長過程中小細胞被廣泛破壞。Semenov 等[44]對真空冷凍干燥草莓組織微觀結構觀察，發(fā)現(xiàn)冷凍導致細胞膜破裂，冰晶的形成導致嚴重的細胞損傷和水分流失。這些研究證明真空冷凍干燥對細胞結構會造成一定程度破壞。中藥材真空冷凍干燥過程中由于冰晶的形成使其基本骨架保持，收縮減小，但同時可能會破壞細胞結構，因此在干燥過程中需控制冰晶的形成和大小，盡可能保持細胞結構的完整性。Zvitov-Ya'ari 等[45]對土豆真空冷凍干燥的研究中表明，未經(jīng)過漂燙處理的凍干土豆復水后發(fā)生明顯褐變，經(jīng)過漂燙和電處理的凍干土豆復水前后色澤無明顯變化。有研究表明，細胞結構完整性的喪失會促進物料貯存過程中的色澤褐變[46]，真空冷凍干燥對細胞結構的破壞，可能會影響中藥材復水后和貯存期質量。

2.5 影響后續(xù)貯存

2.5.1 蟲菌卵等有害生物存活 中藥材干燥前通常攜帶蟲菌卵等有害生物，其本身含有的糖類、蛋白質等營養(yǎng)成分為微生物的生長、繁殖提供物質基礎[47]，烘干、微波等干燥方式在脫水的同時還可殺滅中藥材攜帶的蟲菌卵等有害生物，以便于保存，但真空冷凍干燥過程中的低溫無氧條件只能抑制大多數(shù)蟲菌卵等有害生物的生長，不能將其滅活。有研究顯示物料在真空冷凍干燥后，營養(yǎng)細胞和孢子可以存活數(shù)月[48]。因此若恢復到一般貯存環(huán)境微生物可能繼續(xù)增殖，引起腐爛變質，造成中藥材質量不佳。金敬紅等[49]在研究真空冷凍干燥過程中微生物數(shù)量變化規(guī)律中，發(fā)現(xiàn)在解吸干燥階段胡蘿卜、香菇在較低的終結溫度下（45、50 ℃），微生物數(shù)量減小不明顯，甚至還會出現(xiàn)數(shù)量增長，主要是由于預凍階段結束后適宜的干燥溫度和豐富的營養(yǎng)物質導致微生物生長，后續(xù)的真空冷凍干燥終結溫度不足以殺死增加的微生物，導致最終的微生物總數(shù)增加（所有干燥結果均符合國家食品標準）。

2.5.2 酶活性殘余 真空冷凍干燥過程中由于低溫抑制了酶的活性，當恢復到正常條件后酶的活性可能會恢復，不利于中藥材后續(xù)的儲存。Oh 等[50]在研究烘箱干燥（50、100 ℃）、真空冷凍干燥對月桂葉抗氧化和氧化酶活性的影響中，發(fā)現(xiàn)在烘箱干燥環(huán)境中氧化酶失活，而真空冷凍干燥后氧化酶還具有活性。李佳陽等[51]在研究鮮天麻中酶對巴利森苷A 的降解作用中，對比蒸透烘干、40 ℃烘干和真空冷凍干燥處理后天麻樣品中的色譜峰差異發(fā)現(xiàn)，真空冷凍干燥處理的天麻巴利森苷A 的含量低于蒸后40 ℃烘干，表明真空冷凍干燥后的天麻還具有一定的酶活性。此外，真空冷凍干燥技術已經(jīng)用于酶制劑產(chǎn)品的生產(chǎn)，同樣表明真空冷凍干燥過程中只是抑制了酶的活性并沒有使其失活，恢復正常條件后酶的活性可能會恢復，不利于中藥材后續(xù)的貯存[52]。

3 中藥材真空冷凍干燥過程的調控策略

真空冷凍干燥包括冷凍和干燥（升華干燥和解析干燥2 個階段）2 個過程，整個過程中有許多因素會影響干燥的效率及產(chǎn)品的質量特性，為此研究者提出了多種技術和方法對真空冷凍干燥過程進行調控。中藥材真空冷凍干燥進行調控的主要目的是節(jié)能降耗、提高效率、保證質量。

3.1 預凍前處理技術

預凍前處理是指在預凍前采用物理、化學等技術手段對物料進行處理（表1），從而達到加快真空冷凍干燥效率，提高產(chǎn)品外觀和有效物質含量，延長貯存期的效果。不同前處理技術的優(yōu)缺點見表2，對常用的預凍前處理技術操作原理及對藥材質量的影響總結如下。

表1 真空冷凍干燥前的各種預處理Table 1 Various pre-treatments before vacuum freeze drying

表2 不同預凍前處理技術的優(yōu)勢與不足Table 2 Advantages and disadvantages of different pre-freezing treatment technologies

3.1.1 超聲預處理 超聲預處理是一種非熱物理預處理方法，超聲預處理過程中超聲波在固體介質中傳播會產(chǎn)生各種影響傳質的效應。如空化效應：超聲波在濕物料內(nèi)部會引起壓力快速波動，產(chǎn)生微小的充滿蒸汽的氣泡，這些氣泡會迅速破裂，對細胞結構造成破壞，從而引起細胞膜通透性提高，造成后續(xù)真空冷凍干燥過程水分擴散速度加快；微通道形成：超聲能量引起物料內(nèi)部膨脹和收縮，類似于海綿被反復擠壓和釋放，導致物料內(nèi)部細胞微通道形成，引起后續(xù)真空冷凍干燥過程傳質速率提高[58-59]。Xu 等[42]研究了超聲等不同預處理方式對秋葵真空冷凍干燥效率及產(chǎn)品質量特性的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲預處理后真空冷凍干燥秋葵總酚含量提高、抗氧化能力增強，葉綠素降解率降低，并縮短了25%的干燥時間和降低了24.28%的總能耗。

3.1.2 漂燙預處理 由于真空冷凍干燥不能將酶徹底失活，在合適條件下酶活性可能會恢復，導致中藥材發(fā)生褐變。漂燙預處理是指將物料在溫度較高的熱水、沸水或蒸汽中進行熱處理，高溫可以提高細胞通透性，使酶失活。在真空冷凍干燥前進行漂燙預處理，使酶失活，可避免后續(xù)貯存過程中酶促反應的發(fā)生，保護藥材色澤，延長貯存期。龔吉軍等[60]對速凍山藥預處理工藝研究發(fā)現(xiàn)，以清水為漂燙液，山藥經(jīng)漂燙預處理后凍藏60 d 后色澤無明顯變化，而未經(jīng)漂燙預處理的山藥凍藏10 d 后開始出現(xiàn)褐變。馬麗娜等[61]對山藥片真空冷凍干燥工藝的優(yōu)化研究中，同樣表明高溫漂燙預處理可以很好的防止山藥褐變。

3.1.3 滲透預處理 滲透脫水是將物料浸入高濃度滲透劑中，以物料與高滲溶液間的滲透壓差為驅動力，物料中的水分從物料內(nèi)部洗脫到高滲溶液中，從而達到脫水的效果，并且滲透脫水無需加熱，所得產(chǎn)品質量穩(wěn)定。常用的滲透劑有糖類（葡萄糖、蔗糖、果糖等）、鹽和鹽水。滲透脫水能夠去除物料中的部分水分，但由于最終水活度太高，導致其無法作為一個獨立的單元操作來干燥物料，因此通常將其作為干燥前的一種預處理方法[62-63]。有研究表明滲透預處理可以改善真空冷凍干燥產(chǎn)品的內(nèi)部細胞結構，提高真空冷凍干燥產(chǎn)品的硬度、感官品質和復水能力[64]，而且由于滲透預處理去除了部分水分減少了干燥時間，節(jié)約能耗。黃子建[65]研究了超聲和滲透預處理對桑葚真空冷凍干燥的影響，發(fā)現(xiàn)桑葚經(jīng)超聲輔助蔗糖滲透預處理后真空冷凍干燥時間縮短20.83%，且花青素和維生素C 保留狀況較好，外觀品質無明顯變化。

3.2 冷凍階段

冷凍是真空冷凍干燥的第1 階段，直接影響冰晶形成的數(shù)量、大小和形狀，冰晶的特性直接影響著產(chǎn)品的質量特性，如形態(tài)、物理特性、復水性等，并顯著影響著后續(xù)干燥階段的傳熱和傳質效率。冰晶的形成與冷凍過程中的冷凍速率等息息相關，冷凍階段的調控技術和方法主要包括以下幾項，見圖3。

圖3 冰晶成核過程及調控技術方法Fig. 3 Ice crystal nucleation process and regulation technology method

3.2.1 控制冷凍速率 冷凍速率會影響冰晶的尺寸大小和分布情況，冰晶的尺寸大小會影響后續(xù)升華干燥和解析干燥速率。慢速冷凍形成的冰晶顆粒大而少，大冰晶在升華后會形成寬敞的孔道，將提高升華干燥速率；但較大的冰晶會使物料內(nèi)部的表面積減小，降低解吸干燥速率?？焖倮鋬鲂纬傻谋《?，小冰晶升華后會形成細微孔道，這會增加水分遷移阻力，從而降低升華干燥速率；但小冰晶會使物料內(nèi)部的表面積增加，提高解析干燥效率[66]。肖鑫等[67]采用微型電子計算機斷層掃描研究了冷凍速率對胡蘿卜真空冷凍干燥過程中升華干燥的影響，發(fā)現(xiàn)快速冷凍形成了大量微小冰晶，物料組織破壞較小，但升華干燥過程水分傳質阻力增大；慢速冷凍產(chǎn)生了大冰晶，在物料中形成網(wǎng)狀冰晶骨架結構，冰晶升華后形成網(wǎng)狀通道有利于水分擴散，但對物料結構破壞較大，影響品質。因此，對于中藥材真空冷凍干燥應通過實驗找到合適的冷凍速率，既對藥材組織結構破壞較小，又能形成有利于升華傳質的冰晶結構。

3.2.2 退火處理 退火處理是指將冷凍完成的物料加熱至略低于共熔點溫度以下，并保持一段時間，然后將物料冷凍至預定溫度。退火處理是為了增大物料內(nèi)部冰晶平均尺寸，使冰晶升華后形成較大孔隙，降低干燥過程傳質阻力，從而提高干燥速率[66]。Searles 等[68]以羥乙基淀粉和蔗糖為溶質采用退火處理優(yōu)化升華干燥速率的研究表明，經(jīng)退火處理后，樣品的冰晶尺寸明顯增大，升華干燥速率均勻，縮短了升華干燥時間。

3.2.3 控制冰晶成核 水的凍結是一個復雜的過程，一般情況水的凍結包括以下幾個過程：以規(guī)定冷凍速度凍結至冷凍溫度以下、冰晶的形成、冰晶的生長（二次成核）、冰晶的進一步生長完成液固相變[69]。在冷凍過程中水被轉化為冰晶，冰晶的狀態(tài)（大小、形態(tài)、分布）對干燥產(chǎn)品的品質至關重要，因為其直接影響產(chǎn)品多孔結構的形成。然而由于成核溫度受工藝條件、樣品體積、樣品成分組成、樣品與容器的接觸面積等因素的影響，造成冰晶成核的開始具有隨機性，引起物料批次間和批次內(nèi)形成的冰晶均勻性差，從而影響干燥產(chǎn)品的品質[70]。因此，研究者提出了多種控制冰晶成核的方法來改善冰晶形成的狀態(tài)，進而提高干燥產(chǎn)品的品質。目前對于液體樣品控制冰晶成核的技術相對較多，如冰霧技術、超聲誘導成核技術、真空誘導表面凍結；而對于像中藥材這種固體樣品研究較少，主要有超聲誘導成核技術、磁場、電場等；其原理主要是通過改變過冷度，從而改變成核溫度來控制或誘導冰晶形成[71]。Dai 等[72]研究了超聲輔助成核對胡蘿卜真空冷凍干燥的影響，表明在過冷度較低的情況下，直接接觸超聲可以刺激胡蘿卜片的成核，獲得較大的冰晶，且與對照樣品相比，超聲結晶下樣品的升華時間明顯縮短了21.80%。

3.3 干燥階段

干燥過程包括升華干燥和解析干燥2 個階段。升華干燥主要是通過隔板提供的能量將冷凍階段形成的冰晶升華，水分以氣態(tài)的形式排出，從而達到脫水干燥的目的。解析干燥的目的是去除物料中的結合水，使藥材達到合格的殘余含水量。真空冷凍干燥過程中干燥階段是最耗時、耗能的階段，因此在保證中藥材質量的同時，優(yōu)化干燥過程，可顯著縮短總干燥時間、降低成本。干燥階段常用的調控方法是聯(lián)合其他干燥技術。

3.3.1 紅外-真空冷凍干燥 紅外干燥是指應用紅外線的輻射能力，將藥材中的水分由液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)從而除去水分的干燥方法，其具有設備簡單易操作、干燥效率高、干燥產(chǎn)品質量好的特點[73]。傳統(tǒng)的真空冷凍干燥是通過隔板提供冰升華的能量干燥時間長，應用紅外干燥輔助真空冷凍干燥，在干燥階段應用紅外線加熱（圖4），利用紅外輻射穿透樣品表層，產(chǎn)生分子振動，并產(chǎn)生熱能，能夠保留真空冷凍干燥產(chǎn)品質量高的優(yōu)勢的同時發(fā)揮紅外干燥干燥速度快的優(yōu)勢，縮短干燥時間[57]。真空冷凍干燥與紅外干燥的另一種結合方式是聯(lián)用，先進行真空冷凍干燥去除藥材中大部分的自由水，在干燥后期采用紅外干燥去除剩余的自由水和結合水，彌補真空冷凍干燥后期對脫水貢獻不大但耗時長的缺點，提高干燥后期干燥速率。劉德成等[74]對紅棗片紅外-真空冷凍組合干燥工藝優(yōu)化研究中，發(fā)現(xiàn)紅外-真空冷凍組合干燥紅棗片干燥時間比單獨使用真空冷凍干燥縮短了57.6%，并且保持了紅棗片多孔微觀結構。

圖4 紅外輔助冷凍干燥Fig. 4 Schematic diagram of infrared assisted freeze drying

3.3.2 微波-真空冷凍干燥 微波干燥是利用微波的穿透、吸收、反射的性質，在物料內(nèi)部將微波能轉化為熱能，形成內(nèi)熱源為水分蒸發(fā)提供能量；其具有干燥速度快、干燥效果均勻、容易控制的特點，且滅菌效果好、特別適合熱敏性物料的干燥[75]。將真空冷凍干燥與微波干燥聯(lián)用，先進行真空冷凍干燥得到較高質量的中藥材，在解析干燥階段采用微波干燥將藥材中的酶滅活和微生物殺滅，克服單獨使用真空冷凍干燥造成酶活性殘余、微生物存活引起的藥材后續(xù)貯存問題，而且由于干燥過程增加了微波的功能，能夠縮短干燥時間。真空冷凍干燥和微波干燥的另一種組合方式是采用微波提供干燥所需的熱量（圖5），能夠顯著縮短干燥所需時間。鄭艷萍等[76]研究了真空冷凍干燥、微波真空冷凍干燥等不同干燥方式對杜仲葉4 種活性成分含量的影響，發(fā)現(xiàn)微波冷凍干燥干燥時間比真空冷凍干燥時間更短，且這2 種干燥方法的桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸、京尼平苷的含量與鮮品接近。

圖5 微波輔助冷凍干燥Fig. 5 Schematic diagram of microwave-assisted freezedrying

3.3.3 熱風-真空冷凍干燥 熱風干燥是最常用的干燥方法之一，其通過長時間的高溫熱風運行干燥，具有設備簡單易操作、干燥效率高的特點，但存在干燥產(chǎn)品質量不高，對熱敏性成分損失大的問題；真空冷凍干燥具有干燥產(chǎn)品質量高的優(yōu)勢，但存在干燥時間長、干燥效率低的問題。熱風-真空冷凍聯(lián)合干燥技術結合熱風干燥和真空冷凍干燥二者的特點，干燥時間和能耗相比于真空冷凍干燥降低，干燥產(chǎn)品的品質優(yōu)于單一熱風干燥，接近于真空冷凍干燥[77]。熱風-真空冷凍干燥分為2 種組合模式：一種是先熱風干燥，再進行真空冷凍干燥；另一種是先真空冷凍干燥，再進行熱風干燥。趙雪芳等[78]研究了熱風-真空冷凍聯(lián)合干燥對甘肅紫斑牡丹品質的影響，通過與變溫熱風干燥和真空冷凍干燥的比較，發(fā)現(xiàn)紫斑牡丹花冠茶經(jīng)熱風-真空冷凍干燥處理，比變溫熱風干燥處理花青素含量增加了3.95%、復水性增加了58.24%、皺縮率減小13.82%；比真空冷凍干燥處理效率提高了1 倍，能耗降低了51.79%。羅小梅等[79]以微波干燥和真空冷凍干燥為對照，研究了熱風-真空冷凍聯(lián)合干燥對金花茶花朵品質的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱風-真空冷凍干燥處理的金花茶花朵在室內(nèi)常溫下（18～22 ℃）存放1～3 個月的外觀色澤和內(nèi)在品質與貯藏前基本保持一致，而真空冷凍干燥處理的在貯藏過程中外觀變化較大，貯藏2 個月花瓣開始褪色，到達3 個月時花瓣色澤發(fā)生褐變，且內(nèi)在品質變化較大，貯藏達3 個月時失去產(chǎn)品飲用價值。

3.3.4 噴霧-真空冷凍干燥 噴霧-真空冷凍干燥過程一般包括：（1）將干燥液體霧化成細小霧滴；（2）通過低溫氣體或液體將霧滴快速冷卻凍結，形成凍結粉末；（3）將凍結粉末進行升華干燥。適用于粉末狀或顆粒狀產(chǎn)品的形成[80]。噴霧-真空冷凍干燥技術可避免噴霧干燥對活性成分破壞大的缺點，同時克服真空冷凍干燥成粉易結塊的不足。蘇小軍等[81]對真空冷凍干燥、噴霧干燥、噴霧冷凍干燥、熱風干燥4 種不同干燥方式所得紫淮山全粉的理化性質對比，發(fā)現(xiàn)噴霧冷凍干燥紫淮山全粉溶解度最高，堆積密度和色差最小。

3.3.5 高壓電場-真空冷凍干燥 高壓電場干燥技術是通過針電極所形成的電暈風對樣品進行干燥，其具有能耗低、不污染環(huán)境、干燥均勻、干燥樣品不升溫、對樣品有效成分破壞小的優(yōu)勢，同時還能殺滅樣品中的細菌[82]。高壓電場干燥技術在干燥后期干燥速度慢，且產(chǎn)品品質不如真空冷凍干燥，將其與真空冷凍干燥技術聯(lián)合發(fā)揮其優(yōu)勢，克服真空冷凍干燥能耗高的不足，同時發(fā)揮真空冷凍干燥產(chǎn)品質量高的優(yōu)勢。白亞鄉(xiāng)等[83]將高壓電場干燥技術與真空冷凍干燥技術聯(lián)合于海參的干燥，發(fā)現(xiàn)與單獨的真空冷凍干燥相比，3 h 和5 h 聯(lián)合干燥分別節(jié)能19.5%和32.6%，與單獨高壓電場干燥相比，聯(lián)合干燥的海參質量更好。

4 結語與展望

真空冷凍干燥中藥材具有減少收縮保護外觀形態(tài)、保護熱敏性和易氧化成分、抑制生理作用引起的色澤褐變和有效成分損失的優(yōu)勢，同時還存在揮發(fā)性成分損失、部分有效成分轉化不足、破壞細胞結構完整性、影響后續(xù)貯存的缺點。預處理技術、真空冷凍聯(lián)合干燥技術在提升干燥產(chǎn)品品質，解決真空冷凍干燥能耗高、效率低方面有巨大潛力。未來如何將真空冷凍干燥技術更加合理的應用于中藥材干燥，提升中藥材品質，可以從以下幾個方面著手：（1）加強真空冷凍干燥基礎理論研究。如從水分擴散、內(nèi)部孔道行為、冰晶的形成和一系列變化等，及其相互影響來闡述凍干機制，同時研究藥材真空冷凍干燥各環(huán)節(jié)品質變化規(guī)律，分析真空冷凍干燥過程藥材品質變化機制。（2）不斷突破真空冷凍組合干燥技術。真空冷凍干燥與其他干燥技術進行合理組合，可在產(chǎn)品品質、干燥效率、能耗等方面優(yōu)于單獨使用真空冷凍干燥，但如何實現(xiàn)聯(lián)合干燥效益最大化還存在一些問題。應首先探明物料的關鍵質量指標和水分在不同干燥方式干燥過程中的變化規(guī)律，再根據(jù)其變化關鍵臨界點和不同干燥方式的特點，合理的將不同干燥方式進行先后或并行組合使用，以達到干燥效率最高、藥材品質最佳的組合效果。（3）加強中藥材真空冷凍干燥的適用性研究。首先，許多中藥材中的有效成分同時也是毒性或刺激性成分，需要控制其含量。真空冷凍干燥在保留有效成分的同時，可能也將有害成分更多的保留下來，因此對于有毒性中藥材，應與傳統(tǒng)干燥方法對照，對其進行毒性成分、給藥毒性研究，確定其適用性。其次，不同的干燥方式對藥材中的活性成分具有不同影響，將中藥材傳統(tǒng)的自然干燥、烘干等替換為真空冷凍干燥，易引起藥材活性成分在組成上消失或新生、含量上由成分轉化、結合態(tài)成分游離、揮發(fā)、降解等途徑引起變化、結構上大分子成分降解為較低相對分子質量、同分異構轉化等方面發(fā)生變化，其制成飲片、制劑后可引起臨床療效的不同。最后對于花、葉類等質地輕浮的藥材，經(jīng)驗表明真空冷凍干燥可能會造成較高的破損率，從而影響藥材的鑒別、外觀和經(jīng)濟性。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突