冷冻干燥过程中溶液冻结特性的DSC研究

    1 引 言

    目前真空冷冻干燥广泛应用于热敏性药物和生物制品的保存[1, 2],但冻干过程时间长、能耗大。升华干燥阶段的物料温度是一个重要的参数,温度每降1℃,升华干燥时间将增加13%[3]。因此在不损害冻干品质量的前提下,应尽可能提高物料温度,以缩短冻干周期。物料所允许的最高温度是由物料本身的性质决定的[4]。

    水溶液的冻干过程如图1所示[5]。物料由常温A开始冷却;越过凝固点B,过冷至点C,形成晶核;物料温度返回凝固点D;在整个结冰过程中,随着温度的下降,冻结水增加,未冻相的溶质浓度不断提高。当到达共晶点Te时,理论上应形成共晶体,但对大多数生物制品,溶质很少在温度Te下结晶。因此如果温度继续降低,冰还会进一步形成,未冻相的溶质浓度还会进一步提高,致使溶液处于过饱和状态,即沿着TeETg.线,直至Tg.点,发生玻璃化转变。此时过饱和的未冻相就形成玻璃态,整个物料就成为既有冰晶,又有玻璃体的复杂固态结构。再进一步冷却,由点Tg.到点F,温度降至Tg.以下,但浓度不变。理想的干燥过程应沿路径FGH进行,即干燥过程中物料的温度始终保持低于相应浓度的玻璃化转变温度Tg,这样分子的流动性极小,能够保持物料的稳定,避免出现塌陷等现象。如果冷却温度不够低,如冷却到点E(E点温度高于相应浓度的玻璃化转变温度Tg)就开始加热,干燥过程就会沿路径EGH进行。在干燥的最初阶段,由于冰晶的存在,物料暂时不会出现塌陷;但只要有部分物料已被干燥,其中的冰晶已消失,而温度又在玻璃化转变温度Tg以上,再继续加热就可能出现塌陷等情况。

    差式扫描量热法(DSC)是测量玻璃化转变温度最有效的方法之一。目前利用DSC进行热分析的文献很多[6~8],但把DSC与冷冻干燥结合起来,研究溶液配方和热历史对冻干过程影响的文献尚不多见。蔗糖是一种最常用的冻干保护剂[9],降温时不共晶而是发生玻璃化转变,具有一定的代表性。本文利用DSC研究了蔗糖水溶液的过冷度、玻璃化转变温度以及最大冻结浓缩溶液中的含水量等特性,着重分析了溶液浓度和热历史对冻干过程的影响。

    2 材料与方法

    蔗糖为分析纯(上海生化试剂有限公司),标定用水和溶液配制用水为二次蒸馏水。

    实验采用的差示扫描量热仪是Pyris DiamondDSC (美国Perkin-Elmer公司)。温度标定采用环戊烷的晶-晶转变点(外推起始温度为-135.06℃)和纯水(二次蒸馏)的熔点(外推起始温度为0℃)进行两点标定;热焓标定采用纯水(二次蒸馏)的融化潜热(333.88 J/g)进行单点标定。冷却方式为液氮冷却,样品冲洗气体为高纯度氦气(纯度>99.999% ),流量25 mL/min并保持不变。为避免炉块结霜,加样时用高纯度氮气冲洗炉块。