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）。

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。