真空冷凍干燥技術在化妝品中的應用趨勢

文/李 崗 姜春鵬

隨著化妝品技術的發展，功效性化妝品朝著生物醫藥方向迅速發展，尤其是美容院線產品的這種趨勢更加明顯。如何利用生物保鮮技術以延長功效性化妝品的貨架壽命，是近年來化妝品行業不斷探索和尋找的方向，本文就真空冷凍干燥技術在化妝品中的應用、趨勢進行綜合闡述。

真空冷凍干燥技術又稱“冷凍干燥技術”，英文被稱為 freeze drying，也被稱為lyophilization，是將濕物料或溶液在較低的溫度(—10℃～—50℃)下凍結成固態，然后在真空(1.3Pa～13Pa)下使其中的水分不經液態直接升華成氣態，最終使物料脫水的干燥技術。傳統的凍干技術較多用于醫藥、食品行業，近幾年市場出現一種凍干粉類型的制劑產品正逐漸進入化妝品行業。前些年，因凍干機價格較昂貴，受單只凍干粉制劑包裝成本、制作成本偏高等因素制約，冷凍干燥技術主要應用于高價值的生物醫藥產品的保存。隨著消費者及化妝品公司對產品的功能性要求不斷提升，最近幾年凍干粉制劑大量進入化妝品行業。但一些消費者和生產商對“冷凍干燥技術”還不是十分了解，且相關的文獻及數據資源相對匱乏，因此本文就針對真空冷凍干燥技術在化妝品中的應用進行綜合闡述。

真空冷凍干燥技術

1.基本原理

圖1 水三相點示意圖

從圖 1 帶箭頭的線可以清楚地看出：

當壓力高于 0.611kPa時，從固態冰開始，水等壓加熱升溫的結果是先經過液態再達到氣態。

當壓力低于0.611kPa時，水從固態冰加熱升溫的結果是直接由固態轉化為氣態。這樣，可將物料先冷凍，然后在真空狀態下對其加熱，使物料中的水分由固態冰直接轉化為水蒸氣蒸發出來，達到干燥的目的。這就是真空冷凍干燥的基本原理。

2.主要過程

真空冷凍干燥技術根據被凍物的理化性質，大致可分為如下幾個過程，如圖2所示。

圖2 真空冷凍干燥技術工藝流程圖

（1） 物料的預處理

在對被凍物進行冷凍干燥之前，必須對其進行一些必要的物理、化學處理，包括清洗、分級、切片、殺菌、濃縮等。對于不同的被凍物（化妝品，食品、醫藥），預處理內容也有所不同。在對化妝品被凍物進行冷凍之前，需添加一些添加劑，以保證凍干產品效果良好、保持被凍物生物活性和較好的外觀構造。對于添加劑，按其功能可大致分為幾類：凍干保護劑、乳化劑、填充劑、抗氧化劑、酸堿調節劑等。根據近些年實驗發現，糖類（海藻糖、甘露糖醇、蔗糖、透明質酸鈉）是非常有效的凍干保護劑以及填充劑，不同含量的搭配，使其凍出來的形狀、堅韌、有形。

（2）物料的冷卻固化過程

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

冷卻固化過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過程中不至于過多地脫水，并能實現部分玻璃化，但過快的冷卻也會造成細胞損傷和物料斷裂等不良現象。因此冷卻固化的工藝、顯得很重要。

（3）升華干燥（一次干燥）過程

對冷凍干燥過程的分析而言，物料中的水分可以劃分為兩類：一是在低溫下可被凍結成冰的，這部分的水可以稱為“自由水”，二是在低溫下不可被凍結的水分，這部分的水可以被看作是被“束縛”的，稱為“結合水”。一次干燥，又稱升華干燥，是指在低溫下對物料加熱，使其中被凍結成冰的“自由水”直接升華成水蒸氣。

要維持升華干燥的順利進行，必須滿足兩個基本條件：一是升華產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，會出現軟化、融化、隆起、塌陷等現象，升華干燥過程實際是傳熱、傳質同時進行過程，是費時、高能消耗的過程。

（4）解吸干燥（二次干燥）過程

解吸干燥，又稱二次干燥，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”的液態水，再吸熱蒸發成水蒸氣。在第一階段干燥結束后，在干燥物料的多孔結構表面和極性基團上還吸附有未被凍結的結合水。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，才能實現結合水的解吸。溫度不能過高，否則會造成被凍物過熱而變性。

（5）封裝和儲存

經過二次干燥后，要進行封裝和儲存。封存仍必須在真空條件下，或者充惰性氣體條件下進行。對于西林瓶（安瓶）裝的物料進行冷凍時，半加塞狀態（塞子不可全部壓實），膠塞的兩側通道可保證“自由水”順利被蒸發成水蒸氣，可由干燥室通過真空通道引出，送至真空室，或者充惰性氣體至瓶內進行保護，最后通過機械裝置進行壓蓋，出倉即可。圖3所示。

圖3 西林瓶凍干示意圖

真空冷凍干燥技術在化妝品中的應用

隨著化妝品技術的發展，功效性化妝品朝著生物醫藥的方向迅速發展。特別是美容院線產品的這種趨勢更加明顯。近些年，因環境的惡化、飲食生活習慣的不規律以及壓力的增加，消費者對功效性化妝品的需求日益劇增。而化學合成的功效性活性物是一把雙刃劍，功效越強，副作用也越大，這是一對矛盾體。隨著化妝品原料市場的規范，違規、超量的活性物質被禁止使用在化妝品中，人們轉而追求植物活性物及生物工程活性物(如生物多肽、細胞因子等)來提高產品的功效性，同時降低產品副作用。

1.功效性化妝品應用現狀

對于功效性化妝品，尤其是九類特殊用途化妝品（按照我國《化妝品衛生監督條例》等法規，祛斑、防曬、育發、染發、燙發、脫毛、美乳、健美、除臭九類特殊用途化妝品必須在取得的批準文號許可的范圍內對其功效用語進行宣稱，禁止宣傳超出特殊用途化妝品對其含義解釋的功效）的需求日益增加，但是消費者對市售的相關產品，往往覺得功效不顯著，很大一部分原因是來自于產品的功效成分貨架壽命太短，尤其是植物來源或生物工程來源的活性物質，在化妝品體系中非常的不穩定或者說容易失去活性，這就大大地妨礙了這些來源于天然植物或生物工程類高活性、低毒性，甚至無毒副作用“完美的活性物”在化妝品中的應用，實際上在醫藥方面也存在此類問題。早在抗生素快速發展的20世紀初就體現出來，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年冷凍干燥技術就已應用于西藥的保存。第二次世界大戰后，大量的抗生素都采用冷凍干燥法生產，此后的幾十年間，世界各國用冷凍干燥方法生產的西藥越來越多，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提高產品質量。近十幾年，冷凍干燥設備的大幅度降價使該技術大量應用于生物制藥、食品等領域，并于近幾年進入化妝品領域。

三七

冬蟲夏草

山藥

枸杞

人參

2.生長因子類凍干粉在化妝品中的應用進展

市場出現最早且最成熟的凍干粉尚屬于EGF（表皮細胞生產因子）類凍干粉。在凍干粉中活性物是產品的核心，適合于凍干的活性物基本分兩類：一類是細胞因子類活性蛋白：如細胞因子 EGF、KGF-2、SCF、BFGF、AFGF等多肽類物質；另一類是植物活性物質。這兩類物質相比，目前功效性較強的是細胞因子類活性蛋白，多以圍際單位(IU)標示。但目前對細胞因子的標示比較混亂，標示隨意性也很強。尤其是許多人認為國際單位數越大功效越強，這實際上是個極大的誤區，各種功效性要有合理的因子量，并非越大越好。同時生長因子之間的配合以及生長因子與溶媒成分間的配合也非常重要。

3.植物來源凍干粉在化妝品中的應用進展

冷凍干燥技術能較好地保持植物外觀品質、顏色、氣味，脫水徹底，保存性好，同時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、冬蟲夏草、山藥、枸杞、鹿茸、三七等的加工。而近些年來，回歸天然，添加中國傳統中草藥等植物來源的功效成分，已形成主要市場趨勢。凍干技術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期被困擾的問題。

4.生物來源凍干粉在化妝品中的應用進展

伴隨著生物技術的快速發展，生物來源的化妝品原料也隨之迅速發展，這極大地豐富了化妝品原料的種類，同時也使得各種豐富的新型功效原料迅速被研制出來，在推進化妝品發展方面發揮了非常重要的作用。以往我國在生物來源化妝品原料獲取過程中，以干燥技術為主，使得其無論是功能還是效果都與預期相差甚遠，這主要是因為生物來源功效原料對環境有著非常嚴苛的要求，極易受到外界因素的影響。為此，在制備過程中，必須達到低溫、真空、干燥等要求。真空冷凍干燥技術的問世，在很大程度上解決了生物來源化妝品原料的技術限制。

真空冷凍干燥技術不光可以應用于化妝品功效性原料的開發，同時也可以應用到終端產品上。在終端產品的開發過程中，化妝品的配方等顯得尤為重要。對于常用的多元醇等保濕成分，被凍物是盡量不能含有的。一般來說經過上述過程后就形成了凍干粉狀態，我們看到的白色粉狀物主要是賦型的基礎物質——甘露醇，而活性物質均勻分布在賦型結構之中。從市售凍干粉產品來看，常規包裝劑型多為一瓶西林瓶包裝的凍干粉，一瓶水劑精華液（俗稱溶媒），分開保存，在使用時，將凍干粉與溶媒混勻后使用能最大限度保證活性物質的功效。

凍干劑型化妝品因特殊的工藝，其生物活性保存時間遠遠大于未經過凍干處理的化妝品。另外，凍干粉真正可以做到無菌和不添加任何防腐劑，而防腐劑是化妝品過敏和對皮膚刺激的主要成分，活性物在凍干粉形態下細菌和病毒因缺水無法生存和繁殖，大大降低產品的過敏及刺激作用。對生產和消費者來說，類似生物醫藥制作方法應用到化妝品領域，將有利于提升產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域將會流行較長一段時間。但是礙于其具體配方應用及前端的研究報道不多，所以凍干技術結合化妝品領域還需要很長一段時間的摸索和探討。