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凍干預凍過程中的過冷、冰晶成核和生長

來源:優醫全(天津)生物技術有限公司   2025年07月31日 11:16  

過冷、冰晶成核和生長

在冷凍干燥(凍干)的預凍階段,過冷現象、冰晶成核與生長是影響最終產品質量的核心物理過程。以下從機理、影響及調控策略三方面給大家做分享:


一、過冷(Supercooling)

1、定義與機理

過冷:液體溫度降至冰點以下(如純水可過冷至-40℃以下)仍未凍結的現象。

原因:均質成核能壘較高,缺乏成核位點時,液態水分子難以自發排列成有序冰晶結構。

2、對凍干的影響

2.1冰晶尺寸:過冷度越大,成核后冰晶生長速率加快,形成細小冰晶(快速凍結)。

2.2結構破壞:細胞內過冷可能導致冰晶在胞內形成(滲透脫水不足),刺破細胞膜。

2.3干燥效率:細小冰晶形成致密結構,可能阻礙后續升華階段的水蒸氣逸出。


二、冰晶成核(Nucleation)

1、成核類型

均質成核:無外界干擾,僅靠水分子自組織形成晶核。需過冷度(如純水需≈-40℃),實際凍干中罕見。

異質成核:依賴雜質、容器壁或添加劑的表面催化作用降低成核能壘。常見于實際凍干過程,成核溫度接近冰點(如-5℃至-20℃)。

2、調控策略

2.1添加成核劑:如銀碘化物、納米顆粒,提供成核位點,減少過冷度。

2.2表面處理:粗糙容器壁促進異質成核。

2.3溫度振蕩:短暫升溫-降溫循環誘導成核。


三、冰晶生長(Crystal Growth)

1、生長機制

1.1方向性:冰晶沿熱梯度方向生長(如從外向內)。

1.2速率控制:

慢速冷凍(0.1~1℃/min):冰晶在細胞外緩慢生長,擠壓細胞,但允許胞內水分滲出(減少胞內冰晶)。

快速冷凍(>10℃/min):形成細小冰晶,但可能導致胞內冰晶損傷。

2、冰晶形態與凍干效果

2.1大冰晶(慢凍):形成多孔通道,升華效率高。可能破壞細胞/蛋白質結構(機械應力)。

2.2小冰晶(快凍):結構致密,升華阻力大,但保護精細結構(如病毒顆粒)。

凍干預凍過程中的過冷、冰晶成核和生長

四、工藝調控:平衡過冷、成核與生長

1、關鍵措施

1.1控制降溫速率:

生物樣品:程序降溫(如1℃/min)結合保護劑(如海藻糖),促進胞外冰晶生長。

食品/簡單溶液:快速冷凍(液氮噴淋)形成細小冰晶,保留色澤/營養。

1.2退火(Annealing):

預凍后短暫升溫至略低于共晶點,促使小冰晶融化并重結晶為均勻大冰晶,優化升華路徑。

2、成核控制:添加成核劑(如冰核蛋白)或超聲誘導,減少過冷隨機性。

3、保護劑設計:

小分子(甘油):降低冰點,抑制冰晶生長。

大分子(聚乙烯吡咯烷酮):促進玻璃化,固定非晶態結構。


五、應用實例

疫苗凍干:過冷度控制在-10℃以下,添加海藻糖促進異質成核,形成均勻冰晶,保護病毒衣殼完整性。

細胞保存:程序降溫(-1℃/min)結合DMSO,引導胞外冰晶生長,避免胞內凍結。

食品凍干:草莓切片預凍時通過退火處理(-25℃保持1小時),增大冰晶尺寸,減少復水后質構塌陷。

凍干預凍過程中的過冷、冰晶成核和生長



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