IMO/D-甘露醇水溶液玻璃化轉變溫度的確定及凍干過程塌陷現象分析

張 哲，孫 娜，陳佳楠，計宏偉，郎元路，張金斗，趙恩惠，劉衛賓，田津津

（天津商業大學機械工程學院，天津 300134）

真空冷凍干燥技術廣泛應用于食品、藥品和生物制品的研究[1-3]，但該技術存在效率低、能耗大及凍干結構損傷等不足[4]，凍干過程中耗時長的問題是亟需解決的[5]。凍結和干燥過程都能夠影響干燥效率和產品質量[2]，冷凍速率可以改變冰晶形態和分布密度[6-7]，升溫速率能夠影響升華速率和干燥層形態。在保證干燥過程樣品結構完整的同時，應盡量提升樣品溫度。

目前，凍干文獻中大多以玻璃化轉變溫度Tg′為升華臨界溫度[8-9]。玻璃態轉變是凍結物體因受熱從玻璃態向過冷液態的轉變[10]，轉變后的過冷液體呈黏性的高彈態，高分子聚合物為橡膠體，低分子物質為黏性流體[11-12]。通常來說，凍結物料熔融過程的熱流曲線存在兩個階梯轉變，包括低溫和高溫轉變[13]，聚合物溶液濃度越低其轉變越弱，尤其低溫轉變較弱易被忽略，濃度越高二者轉變較明顯。國內對于低溫轉變確認為玻璃化轉變的研究較少，國外學者Ablett[14]提出低溫轉變是冷凍濃縮溶液的玻璃化轉化溫度Tg′；Blond等[15]通過蔗糖/水的熱容-溫度圖發現高溫轉變與融冰吸熱信號相連接，為低溫轉變確定為玻璃化轉變提供有利基礎；Knopp等[13]測定不同濃度蔗糖溶液的塌陷溫度Tc在低溫轉變結束和高溫轉變開始之間，比熱容在低溫轉變區增長緩慢，是因為凍結濃縮液低溫轉變區受動力學限制，高溫轉變區是冰的延遲溶解[16]造成的，冰在不斷溶解過程中熱流上升明顯。

國內缺乏對低溫和高溫轉變區分以及塌陷現象與玻璃化轉變相結合的研究。本文以凍干保護劑低聚異麥芽糖（IMO）和D-甘露醇水溶液為研究對象，分析不同工況下Tg′與Tc的相關性和D-甘露醇對IMO的影響，證實低溫轉變為玻璃化轉變。對深入了解凍干保護劑特性和升華臨界溫度提供有利基礎，進而改進凍干工藝，提高產品質量。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低聚異麥芽糖（IMO）、D-甘露醇國藥試劑（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；液氮、氮氣（純度＞99.99%） 天津市永熙氣體有限公司；超純水優普系列超純水器制取；定性濾紙（孔徑15～20 μm） 鄭州中天實驗儀器有限公司。

DSC Q-1000差示掃描量熱儀、坩堝壓片機 美國TA公司；FA2204C 電子天平 上海越平科學儀器制造有限公司；Linkam FDSC196冷干臺 英國林克曼科學儀器公司；OLYMPUS BX-43光學顯微鏡

日本奧林巴斯公司；PFEIFFER D-35614真空泵德國普發技術有限公司；大龍TopPetter彈道可調移液器 北京大龍興創實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶液制備 實驗所用溶液均按照質量濃度配置，以10%的IMO/水二元溶液為例。使用電子天平稱取IMO 10.0000 g，移至燒杯并加入超純水至100.0000 g，用玻璃棒攪拌稀釋，采用80 ℃的熱水進行水浴加熱使溶質充分溶解，攪拌至清澈，用漏斗過濾。10%的IMO/D-甘露醇水三元溶液按照質量比例分別稱取然后合并溶解，步驟與IMO/水二元溶液相同。

1.2.2 玻璃化轉化溫度Tg′測定 利用DSC測試玻璃化轉化溫度Tg′，機械制冷方式（RCS），高純度氮氣（＞99.99%）以50 mL/min流量對樣品和參比盤沖洗，藍寶石標定熱阻和熱熔，銦（熔融溫度-156.6 ℃）對溫度標定。用移液器吸取12.0 μL（約12 mg）樣品溶液注入標準液體坩堝，用電子天平稱取樣品和坩堝的質量，精確至0.1 mg，壓片機密封坩堝；將物料和參比坩堝放置DSC爐體對應位置；通過自帶軟件設定參數，從40 ℃降至-60 ℃，維持5 min，然后升溫掃描至20 ℃結束。在升溫過程中找玻璃態向高彈態低溫轉變時的外推起始溫度（熱流變化率最大點）作為Tg′，如圖1所示。每組實驗重復3次，取平均值作為結果。

圖1 熱流曲線中Tg′的確定Fig.1 Determination of Tg′ in heat flow curve

1.2.3 塌陷溫度Tc的測定 用移液器取2.0 μL樣品溶液滴在石英玻璃表面，銀臺上面涂有導熱硅油與石英玻璃底部密切接觸，增強導熱效果。將樣品邊緣（相對較薄，利于觀察塌陷現象）部位置于顯微鏡光源中心，密封冷熱臺。控溫速率由Linkam自帶系統軟件對液氮流量和電加熱二者相互補充實現精準控制。樣品從室溫降至Tg′以下凍結，維持5 min將腔體壓力抽至10 Pa升溫，確定凍結物升華過程開始塌陷的溫度Tc。OLYMPUS BX-43顯微鏡綜合放大樣品至100倍，自帶的CCD相機獲取高清圖片，以2 s/張的周期進行拍攝。

隨著共混設備剪切能力的提高，共混物沖擊強度逐漸增加，可以認為橡膠粒子分散逐漸均勻。由于提高了橡膠粒子的表面積，從而提高橡膠增韌效率。

1.3 數據處理

所有實驗均重復三次，采用軟件TA Universal Analysis 對數據進行分析和提取，精確找出所需的參數，采用凍干顯微鏡系統將Linkam FDSC-196冷熱臺（帶有PFEIFFER DUO 3真空泵）與OLYMPUS BX-43有機結合使用，通過高速攝像機將畫面投在計算機顯示器上記錄冰晶變化時的溫度和壓力等數據，采用Origin繪圖軟件進行數據的整理和分析。

2 結果與分析

2.1 降溫速率對IMO溶液Tg′和塌陷現象的影響

研究10% IMO溶液在不同降溫速率下熱流曲線如圖2所示，可以看出DSC的熱流曲線趨勢相同，但低溫轉變信號較弱，高溫轉變較為明顯，在文獻[10]明確指出20%以上的蔗糖溶液能夠清析觀察到低溫轉變，可見是溶液濃度較低原因，放大后測得數據如表1。降溫速率在5～30 ℃/min時-42～-41 ℃，高溫轉變溫度THg′均在-28～-27 ℃，5 ℃/min降溫時最低。一方面是因為溶液在凍結時分子構象發生調整并濃縮，在接近Tg′的某一范圍，溶液黏度急劇增大，由于熱阻存在，降溫速率增大時，構象重排時間大于溫度變化時間，導致熱流曲線較早偏離，出現拐點，Tg′升高；另一方面是降溫越快凍結過程形成的晶體小而密集，以致在冰的開始溶解溫度有所提升。

表1 不同凍結速率下10% IMO溶液的的轉變溫度Table 1 Transition temperature for 10% IMO solution

圖2 10% IMO溶液不同降溫速率下的熱流曲線Fig.2 Heat flow curve of 10% IMO solution at different cooling rates

10% IMO溶液真空冷凍干燥過程中以5、10、20、30 ℃/min從室溫降至-45 ℃，以1 ℃/min升溫時的塌陷狀況如圖3所示。A組以5 ℃/min降溫，升溫至-39.25 ℃時凍干層保留完整，-37.92 ℃發生微塌陷，高出TLg′4.08 ℃，低于THg′10.09 ℃，直到-35.04 ℃裂紋寬度最大為0.1 nm，沒有孔洞出現，是因為降溫速率較低，凍結過程中冰晶形態較大，單位體積內數量少，傳質阻力較小而升華通道較大，在升華界面處熱量和水蒸氣沒有積聚，其凍干層比表面積較小，隨著水分不斷升華干燥張力超過內聚力，在邊緣處較薄，形成裂縫來松弛干燥張力；10 ℃/min降溫時，升溫至-38.27 ℃出現孔洞，隨著溫度升高孔洞不斷擴大并從一邊裂開，-33.59 ℃時裂縫增大至0.3 nm大于A組裂紋；20 ℃/min降溫時，升溫過程中隨著干燥層不斷向中間延伸，-38.29 ℃時干燥界面與冷凍界面出現亮點，隨著溫度的升高導致生物局部塌陷嚴重，-33.42 ℃時不再變化；30 ℃/min降溫時，-38.24 ℃時凍結層和干燥層交界處出現孔洞亮點高出TLg′3.33 ℃，低于THg′10.78 ℃，此時干燥層寬度小于C組，空洞塌陷嚴重，并出現裂縫直到-35.22 ℃不再變化。

圖3 10% IMO溶液的不同降溫速率的凍干顯微圖Fig.3 Freeze-drying micrographs of 10% IMO solution at different cooling rates

對比A、B、C、D四組發現，降溫速率越大塌陷現象越嚴重，是因為隨降溫速率的增大冰晶尺寸減小，單位體積排布密度增大，導致干燥層的蜂窩海綿結構通道減小，升華阻力增大。干燥層與冷凍界面的水蒸氣分子聚集[23]，蒸汽壓升高，與升華通道壁碰撞幾率增大，碰撞過程釋放潛熱，多孔海綿結構易發生塌陷。D組先出現孔洞亮點后產生裂縫，是因為溶液在凍結時發生濃縮，先凍結溶液較薄的邊緣處，溶質向中間濃縮而溶質濃度低于內部，干燥過程中的內聚力較小導致。

圖4為10% IMO溶液降溫速率5～30 ℃/min時Tc均在-38 ℃左右高出TLg′3～4 ℃，低于THg′10 ℃左右，并且Tc在低溫轉變結束TLe和高溫轉變開始THo之間，明顯低于THo，這表明不同凍結速率下的TLg′為冷凍濃縮液的玻璃化轉變溫度Tg′，轉變過程與圖1中的過程相對應。

圖4 降溫速率對10% IMO溶液轉變溫度和Tc的影響Fig.4 Effect of freezing rates on transition temperature and Tc of 10% IMO solution

2.2 升溫速率對IMO 溶液Tg′和塌陷現象的影響

10% IMO溶液在10 ℃/min降溫速率下凍結，不同升溫速率的熱流曲線如圖5所示，隨著升溫速率增大，低溫和高溫轉變溫度都呈遞增趨勢且轉變信號明顯，因為玻璃化轉變是黏性流動過程[17]，以及熱傳導過程中有熱阻，冰在融解時存在延遲現象，具體數據如表2所示。

表2 10% IMO溶液的轉變溫度Table 2 Transition temperature for 10% IMO solution

圖5 10% IMO溶液不同升溫速率下的熱流曲線Fig.5 Heat flux curve of 10% IMO solution at different heating rates

10% IMO溶液真空冷凍干燥過程中降溫速率為10 ℃/min降至-45 ℃，升溫速率分別為1、2、4、8、12 ℃/min時的塌陷狀況如圖6所示。1 ℃/min升溫時，塌陷情況在上面已分析；2 ℃/min升溫，升溫至-32.44 ℃出現孔洞并不斷擴大，-30.26 ℃時邊緣處出現裂縫向中間延伸，-28.45 ℃時不再變化，塌陷現象較A組嚴重；4 ℃/min升溫，-30.13 ℃時出現孔洞亮點，局部塌陷程度大于B組，-22.11 ℃時邊緣處出現裂縫，直到-20.53 ℃不在變化；8 ℃/min升溫，-23.12 ℃時干燥和冷凍界面出現了小而密集的孔洞亮點，但無裂縫出現；速率為12 ℃/min時，-21.82 ℃出現孔洞亮點更為密集。

圖6 10% IMO溶液不同升溫速率的的凍干顯微圖Fig.6 Freeze-dried micrographs of 10% IMO solution at different heating rates

對比五組圖發現，B和C組先出現亮點，后出現裂縫相比A組塌陷嚴重；D和E組只有塌陷的孔洞并沒有出現裂縫，E組較D組洞的尺寸小而排布密。根據分子熱力學理論，隨著凍結物料升溫速率增大開始升華速度隨之加快，干燥的多孔蜂窩層不斷向下延伸，水蒸氣的傳質阻力增大。如果升溫過快，且溫度未達到Tg′時，傳遞熱量大于升華熱，熱量容易積聚在干燥層和凍結層界面處，造成局部孔洞塌陷，升溫速率越大，出現的孔洞小而密集，干燥效果較差，因此不建議物料干燥過程中快速升溫；另一方面是因為傳熱過程中熱阻存在使得升溫速率越大塌陷溫度越高且塌陷開始至結束的溫度差隨之增大，升溫速率為12 ℃/min最為明顯。

由圖7可知從Tc和轉變溫度均隨升溫速率的增大而增大，升溫速率1、2、4 ℃/min的塌陷溫度都在低溫轉變結束和高溫轉變開始溫度之間，但8、12 ℃/min的塌陷溫度大于高溫轉變的開始溫度，這表明升溫速率較高時容易導致水分升華不充分，可能快速過度到熔融區域導致的。通常在干燥過程中升溫速率低于5 ℃/min，低溫轉變應作為重要黏性流動的參考依據。

圖7 升溫速率對10% IMO 溶液轉變溫度和Tc的影響Fig.7 Effect of heating rates on transition temperature and Tc of 10% IMO solution

2.3 IMO/D-甘露醇比值對IMO/D-甘露醇水三元溶液Tg′和塌陷現象的影響

D-甘露醇屬于一種六碳糖醇是凍干制品中常用的膨化劑[24-25]，在凍干過程中有較高的結晶傾向，結晶形式可以提供穩定的蛋糕結構[26]。在D-甘露醇溶液熱流曲線中發現一個放熱峰，也屬于冷結晶峰如圖8所示。分析表明快速凍結過程中的時間限制，鏈段或基團彼此之間相互干擾結晶，使得溶液不能夠完全結晶。在升溫過程中溫度高于Tg′但低于結晶溫度時，高彈態的分子鏈較為柔軟且動能增強，冰晶能夠增長或重新生成[27-28]，該現象也稱反玻璃化。圖8為10%的D-甘露醇溶液10 ℃/min降溫1 ℃/min升溫過程中的熱流曲線，放熱峰的起始點為-29.08 ℃低于5% D-甘露醇溶液放熱峰的起始點-24.81 ℃[29]，這表明濃度對反玻璃化現象有一定的影響。

圖8 10% D-甘露醇溶液熱流曲線Fig.8 Heat flux curve of 10% D-mannitol solution

調節IMO/D-甘露醇比值分別為9:1、8:2、7:3、6:4、5:5，溶液總質量分數為10%的三元溶液，以10 ℃/min降溫1 ℃/min升溫時的熱流曲線如圖9所示，針對6:4的熱流曲線為例進行標記，經分析點1與點2分別對應表3中的低溫和高溫轉變，隨著比值的減小高溫轉變信號逐漸減弱，5:5曲線中轉變信號最弱，但反玻璃信號逐漸增強，主要原因是D-甘露醇分子的阻礙了降溫過程結晶，導致升溫過程的重組結晶；到達點3之前是過量的IMO（未與D-甘露醇相互結合）隨著升溫形成高彈態，受D-甘露醇分子的影響高彈態溫度區間隨比值的減小而減小；點3至點4為D-甘露醇分子開始進入玻璃化狀態，點4為D-甘露醇分子開始出現重組結晶，在比值5:5的曲線圖中發現重組結晶效果更明顯，表明該說法的正確性；又因為IMO對D-甘露醇的影響，重組結晶困難致使重結晶溫度提高；點5為重結晶結束也是共晶熔融起始點進入溶解狀態。

圖9 IMO/D-甘露醇溶液的熱流曲線Fig.9 Heat flux curve of IMO/ D-mannitol solution

轉變區域的數值如表3所示，表中看出低溫 轉變和高溫轉變溫度都隨IMO/D-甘露醇比值的減小而降低。比值為9:1時相比10% IMO低溫轉變溫度由-41.13 ℃降至-44.03 ℃，高溫轉變溫度從-27.47 ℃降至-30.88 ℃；比值為5:5時低溫轉變降至-50.89 ℃，高溫轉變降至-39.36 ℃。表明D-甘露醇分子能夠阻礙IMO結晶，二者比值越低，溶液中兩種分子相互碰撞幾率越大，分子鏈干擾增強，結晶溫度更低。

表3 IMO/D-甘露醇三元溶液的轉變溫度Table 3 Transition temperature of IMO/D-mannitol ternary solution

IMO/D-甘露醇水三元溶液的以10 ℃/min降溫至-55 ℃（低溫轉變開始溫度一下），1 ℃/min升溫凍干過程中塌陷現象如圖10所示。IMO/D-甘露醇為9:1時在-37.14 ℃出現裂縫，相比10%的IMO溶液-38.27 ℃升高了1.13 ℃，并且裂縫尺寸減小，這證明了D-甘露醇對蜂窩海綿結構有增強穩定作用；比值為8:2時塌陷溫度明顯降低，只有孔洞出現且塌陷嚴重；隨著D-甘露醇比例的增加，Tc隨之降低，但幅度較小。

圖10中A、B兩組對比發現，D-甘露醇在作為凍干保護劑進行添加時，能夠增強冰晶的穩定性，但添加量過多，會對水蒸氣升華過程有阻礙作用，導致熱量的積聚，塌陷溫度更低并且塌陷嚴重。D-甘露醇對于干燥層有強化作用，能夠有效防止裂化現象，應根據材料的要求添加合適的量。C、D、E三組圖中可以發現，塌陷現象越來越弱，尤其是5:5時，Tc反而小幅度上升，孔洞塌陷更少，這表明以溶液D-甘露醇量為主時，也能防止嚴重塌陷。

圖10 IMO/D-甘露醇的凍干顯微圖Fig.10 Photomicrographs of freeze-drying of IMO/ D-mannitol solution

在圖11中可以看出Tc依然在低溫轉變結束和高溫轉變開始之間，表明低溫轉變為玻璃化轉變的正確性，測得的Tg′低于Tc6～7 ℃，大于二元溶液的差值，表明D-甘露醇對干燥層多孔結構的強化作用。

圖11 IMO/D-甘露醇溶液轉變溫度和Tc的影響Fig.11 Effect of transition temperature and Tc of IMO/D-Mannitol solution

3 結論

本文對IMO/水二元溶液及D-甘露醇三元溶液在低溫和高溫轉變區分以及塌陷現象進行了研究，實驗表明IMO/水二元溶液及D-甘露醇三元溶液的塌陷溫度Tc均在低溫轉結束（TLe）和高溫轉變開始溫度（THo）之間，且THg′明顯高于Tc，確定了低溫轉變冷凍濃縮液的玻璃化轉變。

降溫速率對10%IMO水二元溶液的Tc和Tg′影響較小，玻璃態屬于過冷無序的非晶態，降溫速率僅對凍結過程中的過冷度和冰晶形態產生影響，對玻璃態的形成影響較小。冷凍速率越大使冰晶形態小而分布密集，嚴重阻礙干燥過程中水分的升華，容易導致塌陷；由于受熱阻影響，隨升溫速率的增大轉變信號明顯增強且Tc顯著提升，每提升4 ℃/min Tg′增加1 ℃左右，每升高1 ℃/min Tc升高1～2 ℃。升溫速率大于4 ℃/min時，Tc將直接過渡至高溫轉變的冰熔融過程，水分升華不充分導致嚴重塌陷，生產過程建議低速升溫。

D-甘露醇可以阻礙IMO降溫過程中的結晶，使得Tg′降低，隨著IMO與甘露醇比值的減小反玻璃化現象逐漸增強，二者比例相同時最為明顯。同時，D-甘露醇對干燥層的強化作用，致使 Tc和Tg′得差值增大，少量的D-甘露醇有利于IMO溶液的升華，IMO:D-甘露醇為9:1時Tc高于IMO溶液的值，且干燥效果最好，過量的D-甘露醇會阻礙水分升華。本研究一方面為了解凍干保護劑特性和升華臨界溫度提供理論依據，另一方面為優化凍干工藝和提高產品品質提供參考。