便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂及其应用

技术领域

本发明属于冷冻干燥技术领域，涉及一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂及其应用。

背景技术

冷冻干燥是一种脱水过程，通常在低压和低温(温度≤0.0098℃，压力≤4.58mmHg)下进行。冷冻干燥过程包括三个连续的阶段，即湿物料中的水完全冻结、升华干燥和解吸干燥。冷冻干燥在食品、药品和生物材料生产以及功能材料制造中发挥着不可替代的作用，尤其是生产高附加值产品。

冷冻干燥利用搁板加热提供升华潜热和物料升华界面的饱和蒸汽压与真空室的压力差为传质动力，驱使冰晶升华为水蒸气并迁移到冷冻干燥机的冷凝室，最终实现品质低损干燥。由于该过程是在真空低温环境下进行，水气迁移过程无法实时可视化监测，因此冷冻干燥的干燥终点难以预测。实际生产过程中，冷冻干燥终点往往是生产人员依据经验判断，这种生产模式对物料多样性无法做到普适性，加上冷冻干燥的干燥时间长，这很大程度的制约了物料干燥品质控制以及冷冻干燥能耗的降低。

目前实验和生产上监测冷冻干燥终点的有效方法是通过热电偶或压差仪监测干燥过程物料温度或饱和蒸汽压的变化。具体的方法是将热电偶或压差仪探头插入待冷冻的溶液、果肉或其他半固体内部，然后利用搁板降温进行冻结，最后进行冷冻干燥，期间记录温度或压力信号，直至温度接近搁板设置的目标温度或压力达到定值，即可认为冷冻干燥结束。然而，由于传统的检测方法是侵入式的，其探头监测的实时信号会显著受到探头插入深度、位置的影响，例如探头没有尽可能靠近物料的底部或过于靠近模具等都会导致冷冻干燥终点的判断，即终点判断提前。此外，热电偶和压差仪探头最大的一个缺点是会破坏冻结物料结构，同时还会干预物料冷冻干燥的传热传质模式，导致有探头存在的物料的干燥终点要比没有探头存在的物料要提前。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂及其应用，用于快速便捷地实时监测冷冻干燥过程冰晶升华界面的移动情况，为冷冻干燥终点判断提供可视化依据。

为此，本发明提供的技术方案为：

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，以重量份计，包括如下步骤：

1)取塑型剂加入水中得到塑型剂混合溶液，所述塑型剂为木薯淀粉、羟甲基纤维素钠、甘露醇或乳糖；

2)取1-3份五水合硫酸铜溶解于6-18份蒸馏水中得到五水合硫酸铜溶液；

3)取五水合硫酸铜溶液1-3份与得到的所述塑型剂混合溶液混合得到新的混合液；

4)将得到的所述新的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

5)将冷冻后的新的混合液于10-20Pa的真空条件下进行冷冻干燥，得到冷冻干燥指示剂，所述冷冻干燥的条件为：搁板初始温度为-40℃，升华干燥温度为-40℃至-10℃，维持30h，解析干燥温度为0℃至20℃，维持40h。

优选的是，所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法中，步骤5)中，所述冷冻干燥的条件为：搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃保持2h，-30℃保持5 8h，-10℃保持10 20h，0℃保持10h，20℃保持30h。

优选的是，所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，还包括如下步骤：

根据目标物料的含水率，冷冻干燥使用前调节所述冷冻干燥指示剂的水分含量与目标物料的水分含量相同，冷冻干燥中，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，实时监测物料的冰晶升华情况。目标物料冷冻干燥时的步骤与指示剂的制备方法中步骤5)中的冷冻干燥步骤相同。

优选的是，所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法中，步骤1)中，当塑型剂为木薯淀粉或羟甲基纤维素钠时，取所述木薯3-5份和沸水30-40份；或取所述羟甲基纤维素钠1-3份和沸水97-99份。

优选的是，所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法中，将木薯淀粉或羟甲基纤维素钠加入部分沸水中，于沸水中隔水加热搅拌，待混合物变黏稠状，持续加入剩余份沸水，直至所需沸水加完，期间不断搅拌至混合液变为黏稠透明状，得到所述塑型剂溶液混合溶液。

优选的是，所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法中，步骤1)中，取所述甘露醇6-10份和去离子水90-94份；或，取所述乳糖8-12份和去离子水88-92份。更优选地是，取所述甘露醇6份和去离子水94份；或取所述乳糖8份和去离子水92份。

优选的是，所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法中，步骤3)中，利用超声震荡器将所述新的混合液排气，再进入步骤4)。

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂，其由任一项所述的便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法制备得到。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明解决了物料冷冻干燥初级干燥阶段冰晶升华界面无法便捷可视化追踪的问题；

本发明解决了物料冷冻干燥解析干燥阶段终点难预测的问题；

本发明解决了物料冷冻干燥过程水分动态迁移可视化的问题；

本发明能根据物料含水率的不同，可个性化和定向地配置对应含水率的冻干指示剂。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明其中一种方案中指示剂的制备方法的流程示意图。

图2为本发明中的冻干指示剂原理示意图。

图3为本发明其中一种方案中冷冻干燥指示剂冷冻干燥升华界面追踪情况。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

无水硫酸铜为白色粉末，其吸湿后易转变为五水合硫酸铜。五水合硫酸铜化合物为蓝色晶体，其受热易脱去结合的水分子，转化为无水硫酸铜，该过程为可逆反应。因此，利用这一特性，可通过木薯淀粉、羟甲基纤维素钠、甘露醇和乳糖等作为塑型剂构建网络骨架，将五水合硫酸铜溶液均匀地填充进骨架网络中，制备得到均一性的蓝色冷冻干燥指示剂。将蓝色冷冻指示剂进行冷冻干燥，由于溶液冻结升华率先发生于表面，表层的五水合硫酸铜最先失去水分子，即由蓝色固体转变为白色多孔层(图2)。随着冷冻干燥的进行，白色多孔层—已干层逐渐向下移动，直至蓝色固体完全转变为白色多孔层，冷冻干燥即可判断到达终点(图3)。针对物料含水率的差异，五水合硫酸铜冻干指示剂的制备可以相应的调整水分含量至目标含水率，从而解决物料差异性，实现技术应用的普适性。此外，也可将待冻干的物料加入到已冻结的指示剂表面，当下层的指示剂发生界面移动后，即可判定冷冻干燥终点到达，从而实现指示剂的多元化、多样性和个性化地应用。

为使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，现提供如下的实施例进行说明：

实施例1

如图1所示，一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别称取3份木薯淀粉和30份沸水。

第二步：将木薯淀粉与15份沸水混合均匀，于沸水中隔水加热搅拌，待混合物变黏稠状，继续加入15份沸水，直至所有沸水加完，期间不断搅拌至混合液变为黏稠透明状。

第三步：称取1份五水合硫酸铜完全溶解于6份蒸馏水中备用。

第四步：取步骤三中五水合硫酸铜溶液1份与步骤二中木薯淀粉混合液9份于透明PP小瓶中搅拌均匀。

第五步：利用超声震荡器将步骤四中的混合液排气，同时使混合液界面平整。

第六步：将步骤五中的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

第七步：将步骤六中冻结的混合液于10-20Pa的真空下进行干燥，搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃2h，-30℃8h，-10℃保持20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：将步骤七中冷冻干燥后的混合液取出，将PP小瓶密封，隔湿保存，即得冷冻干燥指示剂；

第九步：根据物料的含水率，使用前于冷冻干燥指示剂中加入目标的水分含量，冻结后，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，即可实时监测物料的冰晶升华情况。

实施例2

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别称取4份木薯淀粉和36份沸水。

第二步：将木薯淀粉与12份沸水混合均匀，于沸水中隔水加热搅拌，待混合物变黏稠状，继续加入12份沸水，直至所有沸水加完，期间不断搅拌至混合液变为黏稠透明状。

第三步：称取1份五水合硫酸铜完全溶解于7份蒸馏水中备用。

第四步：取步骤三中五水合硫酸铜溶液1份与步骤二中木薯淀粉混合液9份于透明PP小瓶中搅拌均匀。

第五步：利用超声震荡器将步骤四中的混合液排气，同时使混合液界面平整。

第六步：将步骤五中的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

第七步：将步骤六中冻结的混合液于10-20Pa的真空下进行干燥，搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃2h，-30℃8h，-10℃保持20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：将步骤七中冷冻干燥后的混合液取出，将PP小瓶密封，隔湿保存，即得冷冻干燥指示剂；

第九步：根据物料的含水率，使用前于冷冻干燥指示剂中加入目标的水分含量，冻结后，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，即可实时监测物料的冰晶升华情况。

实施例3

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别称取5份木薯淀粉和40份沸水。

第二步：将木薯淀粉与10份沸水混合均匀，于沸水中隔水加热搅拌，待混合物变黏稠状，继续加入10份沸水，直至所有沸水加完，期间不断搅拌至混合液变为黏稠透明状。

第三步：称取1份五水合硫酸铜完全溶解于8份蒸馏水中备用。

第四步：取步骤三中五水合硫酸铜溶液1份与步骤二中木薯淀粉混合液9份于透明PP小瓶中搅拌均匀。

第五步：利用超声震荡器将步骤四中的混合液排气，同时使混合液界面平整。

第六步：将步骤五中的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

第七步：将步骤六中冻结的混合液于10-20Pa的真空下进行干燥，搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃2h，-30℃8h，-10℃保持20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：将步骤七中冷冻干燥后的混合液取出，将PP小瓶密封，隔湿保存，即得冷冻干燥指示剂；

第九步：根据物料的含水率，使用前于冷冻干燥指示剂中加入目标的水分含量，冻结后，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，即可实时监测物料的冰晶升华情况。

实施例4

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别称取1份羟甲基纤维素钠和99份沸水。

第二步：将羟甲基纤维素钠与40份沸水混合均匀，于沸水中隔水加热搅拌，待混合物变黏稠状，继续加入10份沸水，直至所有沸水加完，期间不断搅拌至混合液变为黏稠透明状。

第三步：称取1份五水合硫酸铜完全溶解于6份蒸馏水中备用。

第四步：取步骤三中五水合硫酸铜溶液1份与步骤二中羟甲基纤维素钠混合液9份于透明PP小瓶中搅拌均匀。

第五步：利用超声震荡器将步骤四中的混合液排气，同时使混合液界面平整。

第六步：将步骤五中的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

第七步：将步骤六中冻结的混合液于10-20Pa的真空下进行干燥，搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃2h，-30℃8h，-10℃保持20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：将步骤七中冷冻干燥后的混合液取出，将PP小瓶密封，隔湿保存，即得冷冻干燥指示剂；

第九步：根据物料的含水率，使用前于冷冻干燥指示剂中加入目标的水分含量，冻结后，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，即可实时监测物料的冰晶升华情况。

实施例5

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别称取6份甘露醇和94份去离子水。

第二步：将步骤一的甘露醇溶解于去离子水中。

第三步：称取1份五水合硫酸铜完全溶解于6份蒸馏水中备用。

第四步：取步骤三中五水合硫酸铜溶液1份与步骤二中9份甘露醇溶液于透明PP小瓶中搅拌均匀。

第五步：利用超声震荡器将步骤四中的混合液排气，同时使混合液界面平整。

第六步：将步骤五中的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

第七步：将步骤六中冻结的混合液于10-20Pa的真空下进行干燥，搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃2h，-30℃8h，-10℃保持20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：将步骤七中冷冻干燥后的混合液取出，将PP小瓶密封，隔湿保存，即得冷冻干燥指示剂；

第九步：根据物料的含水率，使用前于冷冻干燥指示剂中加入目标的水分含量，冻结后，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，即可实时监测物料的冰晶升华情况。

实施例6

一种便捷实时监测冷冻干燥升华界面及终点的指示剂的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别称取8份乳糖和92份去离子水。

第二步：将步骤一的乳糖溶解于去离子水中。

第三步：称取1份五水合硫酸铜完全溶解于6份蒸馏水中备用。

第四步：取步骤三中五水合硫酸铜溶液2份与步骤二中4份乳糖溶液于透明PP小瓶中搅拌均匀。

第五步：利用超声震荡器将步骤四中的混合液排气，同时使混合液界面平整。

第六步：将步骤五中的混合液于-40℃下冷冻4-8h；

第七步：将步骤六中冻结的混合液于10-20Pa的真空下进行干燥，搁板初始温度为-40℃，冷冻干燥程序为-40℃2h，-30℃8h，-10℃保持20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：将步骤七中冷冻干燥后的混合液取出，将PP小瓶密封，隔湿保存，即得冷冻干燥指示剂。

第九步：根据物料的含水率，使用前于冷冻干燥指示剂中加入目标的水分含量，冻结后，根据冷冻干燥指示剂冷冻干燥过程颜色界面的变化，即可实时监测物料的冰晶升华情况。

下面提供一些应用例。

应用例1

第一步：冻品沙棘原料清洗，打浆。

第二步：超高压处理杀菌，参数为：400MPa、4min、25℃。

第三步：分别称取10份灭菌的沙棘原浆，根据GB 5009.3-2016中的直接干燥方法检测得到沙棘原浆含水率为90.55％

第四步：取沙棘原浆10份于透明PP材质模具中定型。

第五步：取0.095份实施例1中的冻干指示剂粉末与9.055份蒸馏水混匀，用步骤四中相同的透明PP材质模具定型。

第六步：步骤四和步骤五定型的溶液于-40℃下冻结4-8h；

第七步：将步骤六中冻结好的溶液送入冷冻干燥机，冷冻干燥程序为：-40℃2h，-30℃8h，-10℃20h，0℃10h，20℃30h；

第八步：观察冷冻干燥指示剂干燥过程蓝色升华界面移动情况，待蓝色完全消失，表明沙棘原浆冷冻干燥到达干燥终点，沙棘原浆干燥完成。

第九步：将冷冻干燥好的产品取出，包装。

应用例2

第一步：水蜜桃原料清洗，打浆。

第二步：超高压处理杀菌，参数为：400MPa、4min、25℃。

第三步：分别称取10份灭菌的水蜜桃原浆，根据GB 5009.3-2016中的直接干燥方法检测得到水蜜桃原浆含水率为88.76％

第四步：取水蜜桃原浆10份于透明PP材质模具中定型。

第五步：取1.124份实施例4冻干指示剂粉末与8.876份蒸馏水混匀，用步骤四中相同的透明PP材质模具定型。

其他步骤与应用例1一致。

应用例3

除第五、六步骤外，其他步骤与应用例1一致。

第五步：取1.124份实施例5冷冻干燥指示剂粉末与8.876份蒸馏水混匀。

第六步：取步骤五中的冷冻干燥指示剂溶液1份，用步骤四中相同的透明PP材质模具定型。

第七步：将步骤四和步骤六中定型的溶液于-40℃下冻结4h。

第八步：向步骤七中的冷冻干燥指示剂中加入9份水蜜桃原浆，继续于-40℃下冻结4h。

第九步：将步骤六中冻结好的溶液送入冷冻干燥机，冷冻干燥程序为：-40℃2h，-30℃8h，-10℃20h，0℃10h，20℃30h；

第十步：观察冷冻干燥指示剂干燥过程蓝色升华界面移动情况，待蓝色界面开始向下移动时，表明水蜜桃原浆冰晶升华完全，水蜜桃原浆到达干燥终点。

第十一步：将冷冻干燥好的产品取出，包装。

应用例4

第一步：脱脂牛奶超高压处理杀菌，参数为：400MPa、4min、25℃。

第二步：分别称取10份灭菌的脱脂牛奶，根据GB 5009.3-2016中的直接干燥方法检测得到脱脂牛奶含水率为87.50％。

第三步：取灭菌脱脂牛奶10份于透明PP材质模具中定型。

第四步：取1.250份实施例6冻干指示剂粉末与8.750份蒸馏水混匀，用步骤四中相同的透明PP材质模具定型。

第五步：步骤三和步骤四定型的溶液于-40℃下冻结4-8h；

第六步：将步骤五中冻结好的溶液送入冷冻干燥机，冷冻干燥程序为：-40℃2h，-30℃8h，-10℃20h，0℃10h，20℃30h；

第七步：观察冷冻干燥指示剂干燥过程蓝色升华界面移动情况，待蓝色完全消失，表明脱脂牛奶冷冻干燥到达干燥终点，脱脂牛奶干燥完成。

第八步：将冷冻干燥好的产品取出，包装。

这里说明的模块数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。