真空冷凍干燥技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用趨勢(shì)

文/李 崗 姜春鵬

隨著化妝品技術(shù)的發(fā)展，功效性化妝品朝著生物醫(yī)藥方向迅速發(fā)展，尤其是美容院線產(chǎn)品的這種趨勢(shì)更加明顯。如何利用生物保鮮技術(shù)以延長(zhǎng)功效性化妝品的貨架壽命，是近年來(lái)化妝品行業(yè)不斷探索和尋找的方向，本文就真空冷凍干燥技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用、趨勢(shì)進(jìn)行綜合闡述。

真空冷凍干燥技術(shù)又稱(chēng)“冷凍干燥技術(shù)”，英文被稱(chēng)為 freeze drying，也被稱(chēng)為lyophilization，是將濕物料或溶液在較低的溫度(—10℃～—50℃)下凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空(1.3Pa～13Pa)下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術(shù)。傳統(tǒng)的凍干技術(shù)較多用于醫(yī)藥、食品行業(yè)，近幾年市場(chǎng)出現(xiàn)一種凍干粉類(lèi)型的制劑產(chǎn)品正逐漸進(jìn)入化妝品行業(yè)。前些年，因凍干機(jī)價(jià)格較昂貴，受單只凍干粉制劑包裝成本、制作成本偏高等因素制約，冷凍干燥技術(shù)主要應(yīng)用于高價(jià)值的生物醫(yī)藥產(chǎn)品的保存。隨著消費(fèi)者及化妝品公司對(duì)產(chǎn)品的功能性要求不斷提升，最近幾年凍干粉制劑大量進(jìn)入化妝品行業(yè)。但一些消費(fèi)者和生產(chǎn)商對(duì)“冷凍干燥技術(shù)”還不是十分了解，且相關(guān)的文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)資源相對(duì)匱乏，因此本文就針對(duì)真空冷凍干燥技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用進(jìn)行綜合闡述。

真空冷凍干燥技術(shù)

1.基本原理

圖1 水三相點(diǎn)示意圖

從圖 1 帶箭頭的線可以清楚地看出：

當(dāng)壓力高于 0.611kPa時(shí)，從固態(tài)冰開(kāi)始，水等壓加熱升溫的結(jié)果是先經(jīng)過(guò)液態(tài)再達(dá)到氣態(tài)。

當(dāng)壓力低于0.611kPa時(shí)，水從固態(tài)冰加熱升溫的結(jié)果是直接由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。這樣，可將物料先冷凍，然后在真空狀態(tài)下對(duì)其加熱，使物料中的水分由固態(tài)冰直接轉(zhuǎn)化為水蒸氣蒸發(fā)出來(lái)，達(dá)到干燥的目的。這就是真空冷凍干燥的基本原理。

2.主要過(guò)程

真空冷凍干燥技術(shù)根據(jù)被凍物的理化性質(zhì)，大致可分為如下幾個(gè)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 真空冷凍干燥技術(shù)工藝流程圖

（1） 物料的預(yù)處理

在對(duì)被凍物進(jìn)行冷凍干燥之前，必須對(duì)其進(jìn)行一些必要的物理、化學(xué)處理，包括清洗、分級(jí)、切片、殺菌、濃縮等。對(duì)于不同的被凍物（化妝品，食品、醫(yī)藥），預(yù)處理內(nèi)容也有所不同。在對(duì)化妝品被凍物進(jìn)行冷凍之前，需添加一些添加劑，以保證凍干產(chǎn)品效果良好、保持被凍物生物活性和較好的外觀構(gòu)造。對(duì)于添加劑，按其功能可大致分為幾類(lèi)：凍干保護(hù)劑、乳化劑、填充劑、抗氧化劑、酸堿調(diào)節(jié)劑等。根據(jù)近些年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，糖類(lèi)（海藻糖、甘露糖醇、蔗糖、透明質(zhì)酸鈉）是非常有效的凍干保護(hù)劑以及填充劑，不同含量的搭配，使其凍出來(lái)的形狀、堅(jiān)韌、有形。

（2）物料的冷卻固化過(guò)程

物料的冷卻固化過(guò)程是將物料成分冷卻，不僅要使物料中的自由水完全結(jié)成冰，還要使物料中的其他部分完全固化，形成固態(tài)的非晶體（玻璃態(tài)）。

冷卻固化過(guò)程中的物料冷卻速率也是很重要的，一般快速冷卻能使物料在凍結(jié)過(guò)程中不至于過(guò)多地脫水，并能實(shí)現(xiàn)部分玻璃化，但過(guò)快的冷卻也會(huì)造成細(xì)胞損傷和物料斷裂等不良現(xiàn)象。因此冷卻固化的工藝、顯得很重要。

（3）升華干燥（一次干燥）過(guò)程

對(duì)冷凍干燥過(guò)程的分析而言，物料中的水分可以劃分為兩類(lèi)：一是在低溫下可被凍結(jié)成冰的，這部分的水可以稱(chēng)為“自由水”，二是在低溫下不可被凍結(jié)的水分，這部分的水可以被看作是被“束縛”的，稱(chēng)為“結(jié)合水”。一次干燥，又稱(chēng)升華干燥，是指在低溫下對(duì)物料加熱，使其中被凍結(jié)成冰的“自由水”直接升華成水蒸氣。

要維持升華干燥的順利進(jìn)行，必須滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件：一是升華產(chǎn)生的水蒸氣必須不斷地從升華表面被移走；二是必須不斷地給物料提供升華所需要的熱量。如果控制不好，會(huì)出現(xiàn)軟化、融化、隆起、塌陷等現(xiàn)象，升華干燥過(guò)程實(shí)際是傳熱、傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行過(guò)程，是費(fèi)時(shí)、高能消耗的過(guò)程。

（4）解吸干燥（二次干燥）過(guò)程

解吸干燥，又稱(chēng)二次干燥，是在較高溫度下加熱，使物料中被吸附的部分“束縛水”解吸，變成“自由”的液態(tài)水，再吸熱蒸發(fā)成水蒸氣。在第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物料的多孔結(jié)構(gòu)表面和極性基團(tuán)上還吸附有未被凍結(jié)的結(jié)合水。由于吸附的能量很大，因此必須提供較高的溫度和足夠的熱量，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)合水的解吸。溫度不能過(guò)高，否則會(huì)造成被凍物過(guò)熱而變性。

（5）封裝和儲(chǔ)存

經(jīng)過(guò)二次干燥后，要進(jìn)行封裝和儲(chǔ)存。封存仍必須在真空條件下，或者充惰性氣體條件下進(jìn)行。對(duì)于西林瓶（安瓶）裝的物料進(jìn)行冷凍時(shí)，半加塞狀態(tài)（塞子不可全部壓實(shí)），膠塞的兩側(cè)通道可保證“自由水”順利被蒸發(fā)成水蒸氣，可由干燥室通過(guò)真空通道引出，送至真空室，或者充惰性氣體至瓶?jī)?nèi)進(jìn)行保護(hù)，最后通過(guò)機(jī)械裝置進(jìn)行壓蓋，出倉(cāng)即可。圖3所示。

圖3 西林瓶?jī)龈墒疽鈭D

真空冷凍干燥技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用

隨著化妝品技術(shù)的發(fā)展，功效性化妝品朝著生物醫(yī)藥的方向迅速發(fā)展。特別是美容院線產(chǎn)品的這種趨勢(shì)更加明顯。近些年，因環(huán)境的惡化、飲食生活習(xí)慣的不規(guī)律以及壓力的增加，消費(fèi)者對(duì)功效性化妝品的需求日益劇增。而化學(xué)合成的功效性活性物是一把雙刃劍，功效越強(qiáng)，副作用也越大，這是一對(duì)矛盾體。隨著化妝品原料市場(chǎng)的規(guī)范，違規(guī)、超量的活性物質(zhì)被禁止使用在化妝品中，人們轉(zhuǎn)而追求植物活性物及生物工程活性物(如生物多肽、細(xì)胞因子等)來(lái)提高產(chǎn)品的功效性，同時(shí)降低產(chǎn)品副作用。

1.功效性化妝品應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于功效性化妝品，尤其是九類(lèi)特殊用途化妝品（按照我國(guó)《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》等法規(guī)，祛斑、防曬、育發(fā)、染發(fā)、燙發(fā)、脫毛、美乳、健美、除臭九類(lèi)特殊用途化妝品必須在取得的批準(zhǔn)文號(hào)許可的范圍內(nèi)對(duì)其功效用語(yǔ)進(jìn)行宣稱(chēng)，禁止宣傳超出特殊用途化妝品對(duì)其含義解釋的功效）的需求日益增加，但是消費(fèi)者對(duì)市售的相關(guān)產(chǎn)品，往往覺(jué)得功效不顯著，很大一部分原因是來(lái)自于產(chǎn)品的功效成分貨架壽命太短，尤其是植物來(lái)源或生物工程來(lái)源的活性物質(zhì)，在化妝品體系中非常的不穩(wěn)定或者說(shuō)容易失去活性，這就大大地妨礙了這些來(lái)源于天然植物或生物工程類(lèi)高活性、低毒性，甚至無(wú)毒副作用“完美的活性物”在化妝品中的應(yīng)用，實(shí)際上在醫(yī)藥方面也存在此類(lèi)問(wèn)題。早在抗生素快速發(fā)展的20世紀(jì)初就體現(xiàn)出來(lái)，比如青霉素的保存，同樣要避免高溫和光線的照射，因此在1935年冷凍干燥技術(shù)就已應(yīng)用于西藥的保存。第二次世界大戰(zhàn)后，大量的抗生素都采用冷凍干燥法生產(chǎn)，此后的幾十年間，世界各國(guó)用冷凍干燥方法生產(chǎn)的西藥越來(lái)越多，乃至一些原料用藥、研制的新藥，甚至在食品加工方面，也采用真空冷凍干燥的方法來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量。近十幾年，冷凍干燥設(shè)備的大幅度降價(jià)使該技術(shù)大量應(yīng)用于生物制藥、食品等領(lǐng)域，并于近幾年進(jìn)入化妝品領(lǐng)域。

三七

冬蟲(chóng)夏草

山藥

枸杞

人參

2.生長(zhǎng)因子類(lèi)凍干粉在化妝品中的應(yīng)用進(jìn)展

市場(chǎng)出現(xiàn)最早且最成熟的凍干粉尚屬于EGF（表皮細(xì)胞生產(chǎn)因子）類(lèi)凍干粉。在凍干粉中活性物是產(chǎn)品的核心，適合于凍干的活性物基本分兩類(lèi)：一類(lèi)是細(xì)胞因子類(lèi)活性蛋白：如細(xì)胞因子 EGF、KGF-2、SCF、BFGF、AFGF等多肽類(lèi)物質(zhì)；另一類(lèi)是植物活性物質(zhì)。這兩類(lèi)物質(zhì)相比，目前功效性較強(qiáng)的是細(xì)胞因子類(lèi)活性蛋白，多以圍際單位(IU)標(biāo)示。但目前對(duì)細(xì)胞因子的標(biāo)示比較混亂，標(biāo)示隨意性也很強(qiáng)。尤其是許多人認(rèn)為國(guó)際單位數(shù)越大功效越強(qiáng)，這實(shí)際上是個(gè)極大的誤區(qū)，各種功效性要有合理的因子量，并非越大越好。同時(shí)生長(zhǎng)因子之間的配合以及生長(zhǎng)因子與溶媒成分間的配合也非常重要。

3.植物來(lái)源凍干粉在化妝品中的應(yīng)用進(jìn)展

冷凍干燥技術(shù)能較好地保持植物外觀品質(zhì)、顏色、氣味，脫水徹底，保存性好，同時(shí)使有效成分的分解和散失降至最低限度，保持藥用有效成分的活性。凍干法常用于人參、西洋參、冬蟲(chóng)夏草、山藥、枸杞、鹿茸、三七等的加工。而近些年來(lái)，回歸天然，添加中國(guó)傳統(tǒng)中草藥等植物來(lái)源的功效成分，已形成主要市場(chǎng)趨勢(shì)。凍干技術(shù)為中草藥提取物作為活性成分使用提供了一種非常好的途徑，可以在很大程度上避免、減輕不相容、貨架壽命低、顏色氣味不易脫除等長(zhǎng)期被困擾的問(wèn)題。

4.生物來(lái)源凍干粉在化妝品中的應(yīng)用進(jìn)展

伴隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，生物來(lái)源的化妝品原料也隨之迅速發(fā)展，這極大地豐富了化妝品原料的種類(lèi)，同時(shí)也使得各種豐富的新型功效原料迅速被研制出來(lái)，在推進(jìn)化妝品發(fā)展方面發(fā)揮了非常重要的作用。以往我國(guó)在生物來(lái)源化妝品原料獲取過(guò)程中，以干燥技術(shù)為主，使得其無(wú)論是功能還是效果都與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)，這主要是因?yàn)樯飦?lái)源功效原料對(duì)環(huán)境有著非常嚴(yán)苛的要求，極易受到外界因素的影響。為此，在制備過(guò)程中，必須達(dá)到低溫、真空、干燥等要求。真空冷凍干燥技術(shù)的問(wèn)世，在很大程度上解決了生物來(lái)源化妝品原料的技術(shù)限制。

真空冷凍干燥技術(shù)不光可以應(yīng)用于化妝品功效性原料的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也可以應(yīng)用到終端產(chǎn)品上。在終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，化妝品的配方等顯得尤為重要。對(duì)于常用的多元醇等保濕成分，被凍物是盡量不能含有的。一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)上述過(guò)程后就形成了凍干粉狀態(tài)，我們看到的白色粉狀物主要是賦型的基礎(chǔ)物質(zhì)——甘露醇，而活性物質(zhì)均勻分布在賦型結(jié)構(gòu)之中。從市售凍干粉產(chǎn)品來(lái)看，常規(guī)包裝劑型多為一瓶西林瓶包裝的凍干粉，一瓶水劑精華液（俗稱(chēng)溶媒），分開(kāi)保存，在使用時(shí)，將凍干粉與溶媒混勻后使用能最大限度保證活性物質(zhì)的功效。

凍干劑型化妝品因特殊的工藝，其生物活性保存時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未經(jīng)過(guò)凍干處理的化妝品。另外，凍干粉真正可以做到無(wú)菌和不添加任何防腐劑，而防腐劑是化妝品過(guò)敏和對(duì)皮膚刺激的主要成分，活性物在凍干粉形態(tài)下細(xì)菌和病毒因缺水無(wú)法生存和繁殖，大大降低產(chǎn)品的過(guò)敏及刺激作用。對(duì)生產(chǎn)和消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，類(lèi)似生物醫(yī)藥制作方法應(yīng)用到化妝品領(lǐng)域，將有利于提升產(chǎn)品的科技含量和檔次。以上種種跡象表明，凍干劑型化妝品在化妝品領(lǐng)域?qū)?huì)流行較長(zhǎng)一段時(shí)間。但是礙于其具體配方應(yīng)用及前端的研究報(bào)道不多，所以?xún)龈杉夹g(shù)結(jié)合化妝品領(lǐng)域還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間的摸索和探討。