Sấy thăng hoa đã được sử dụng trong một số ứng dụng trong nhiều năm, phổ biến nhất là trong ngành thực phẩm và dược phẩm. Tuy nhiên, quy trình này còn có nhiều ứng dụng khác bao gồm chuẩn bị mẫu nhạy nhiệt, nghiên cứu nguyên liệu thực vật, ổn định vật liệu sống như nuôi cấy vi sinh vật, lưu trữ lâu dài các mẫu HPLC, bảo quản toàn bộ mẫu vật động vật để trưng bày trong bảo tàng, phục hồi các mẫu vật và các đồ vật khác bị hư hỏng do nước…
Cần có thiết bị chuyên dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đông khô. Thiết bị này hiện có sẵn và có thể đáp ứng nhu cầu sấy thăng hoa các vật liệu từ các dự án quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp.
Sấy thăng hoa là gì?
Sấy thăng hoa liên quan đến việc loại bỏ nước hoặc dung môi khác khỏi sản phẩm bằng một quá trình gọi là thăng hoa. Sự thăng hoa xảy ra khi một chất lỏng đông lạnh chuyển trực tiếp sang trạng thái khí mà không qua pha lỏng. Ngược lại, việc sấy khô ở nhiệt độ môi trường từ pha lỏng thường dẫn đến những thay đổi về sản phẩm và có thể chỉ phù hợp với một số vật liệu. Tuy nhiên, trong sấy thăng hoa, vật liệu không trải qua pha lỏng và cho phép tạo ra sản phẩm ổn định, dễ sử dụng và có hình thức thẩm mỹ.
Ưu điểm của sấy thăng hoa
Đây được xem là phương pháp lựa chọn tối ưu để khử nước vì bảo toàn được chất lượng, nghĩa là các đặc tính của sản phẩm thực phẩm như mùi thơm, khả năng bù nước và hoạt tính sinh học cao hơn đáng kể so với thực phẩm được sấy khô bằng các kỹ thuật khác.
Kéo dài thời hạn sử dụng
Việc kéo dài thời hạn sử dụng là kết quả của nhiệt độ xử lý thấp kết hợp với sự chuyển đổi nhanh chóng của nước qua quá trình thăng hoa. Với các điều kiện xử lý này, các phản ứng hư hỏng, bao gồm hóa nâu không do enzym, hóa nâu do enzym và biến tính protein, được giảm thiểu. Khi sản phẩm được sấy khô thành công, được đóng gói đúng cách và đặt trong điều kiện bảo quản lý tưởng, thực phẩm có thời hạn sử dụng trên 12 tháng.
Tái hydrat hóa
Nếu sản phẩm đã sấy khô không thể được ngậm nước lại một cách dễ dàng hoặc hoàn toàn thì sản phẩm đó được coi là có chất lượng thấp hơn. Bởi vì sản phẩm đông khô cuối cùng có tính xốp nên việc tái hydrat hóa hoàn toàn có thể xảy ra trong thực phẩm. Điều này cho thấy chất lượng sản phẩm cao hơn và khiến sản phẩm trở nên lý tưởng cho các bữa ăn liền ăn liền.
Ảnh hưởng đến chất dinh dưỡng và chất lượng cảm quan
Do nhiệt độ xử lý thấp và giảm thiểu các phản ứng hư hỏng nên chất dinh dưỡng được giữ lại và màu sắc được duy trì. Trái cây sấy đông khô vẫn giữ được hình dạng ban đầu và có kết cấu mềm giòn đặc trưng.
Nhược điểm của sấy thăng hoa
Không làm chết vi khuẩn
Vì phương pháp khử nhiễm vi sinh vật chính để sấy thăng hoa là quá trình khử nước ở nhiệt độ thấp nên các sinh vật gây hư hỏng và mầm bệnh kháng lại các điều kiện này có thể vẫn còn trong sản phẩm. Mặc dù sự phát triển của vi sinh vật bị ức chế bởi điều kiện độ ẩm thấp nhưng nó vẫn có thể tồn tại trong sản phẩm thực phẩm. Nếu sản phẩm không được đóng gói và/hoặc bảo quản đúng cách, sản phẩm có thể hấp thụ độ ẩm, tạo điều kiện cho các mầm bệnh từng bị ức chế cũng bắt đầu sinh sản.
Giá thành
Sấy thăng hoa có chi phí cao gấp khoảng 5 lần so với sấy thông thường nên phù hợp nhất với những sản phẩm có giá trị gia tăng qua quá trình chế biến. Chi phí cũng thay đổi tùy thuộc vào sản phẩm, nguyên liệu đóng gói, công suất chế biến, v.v. Bước tiêu tốn nhiều điện nhất là thăng hoa.
Nguyên tắc sấy thăng hoa
Quá trình sấy thăng hoa bao gồm ba giai đoạn: làm đông sơ bộ, sấy sơ cấp và sấy thứ cấp.
Làm đông trước
Vì sấy thăng hoa là sự thay đổi trạng thái từ pha rắn sang pha khí nên vật liệu được đông khô trước tiên phải được đông lạnh trước một cách thích hợp. Phương pháp cấp đông trước và nhiệt độ cuối cùng của sản phẩm có thể ảnh hưởng đến khả năng đông khô thành công của nguyên liệu.
Làm lạnh nhanh dẫn đến các tinh thể băng nhỏ, hữu ích trong việc bảo quản các cấu trúc được kiểm tra bằng kính hiển vi, nhưng tạo ra sản phẩm khó đông khô hơn. Làm mát chậm hơn dẫn đến các tinh thể băng lớn hơn và các kênh ít hạn chế hơn trong nền trong quá trình sấy khô.
Điều rất quan trọng trong quá trình đông khô là phải đông lạnh trước sản phẩm xuống dưới nhiệt độ eutectic trước khi bắt đầu quá trình đông khô. Những túi nhỏ vật liệu chưa đông lạnh còn lại trong sản phẩm sẽ giãn nở và làm ảnh hưởng đến độ ổn định cấu trúc của sản phẩm đông khô.
Sấy sơ cấp
Sau khi đông lạnh trước sản phẩm, phải thiết lập các điều kiện để đá có thể được loại bỏ khỏi sản phẩm thông qua quá trình thăng hoa, tạo ra sản phẩm khô, nguyên vẹn về cấu trúc. Điều này đòi hỏi phải kiểm soát rất cẩn thận hai thông số, nhiệt độ và áp suất, liên quan đến hệ thống đông khô. Tốc độ thăng hoa của đá từ sản phẩm đông khô phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất hơi của sản phẩm so với áp suất hơi của bộ thu đá. Các phân tử di chuyển từ mẫu có áp suất cao hơn đến vùng có áp suất thấp hơn. Vì áp suất hơi liên quan đến nhiệt độ nên nhiệt độ sản phẩm cần phải cao hơn nhiệt độ bẫy lạnh (bộ thu đá).
Điều cực kỳ quan trọng là nhiệt độ mà sản phẩm được đông khô phải được cân bằng giữa nhiệt độ duy trì tính nguyên vẹn khi đông lạnh của sản phẩm và nhiệt độ giúp tối đa hóa áp suất hơi của sản phẩm. Sự cân bằng này là chìa khóa để sấy khô tối ưu. Hầu hết các sản phẩm được đông lạnh dưới điểm chuyển tiếp eutectic hoặc thủy tinh, sau đó nhiệt độ được tăng lên ngay dưới nhiệt độ tới hạn này và chúng phải chịu áp suất giảm. Lúc này quá trình đông khô bắt đầu.
Điều quan trọng là phải hiểu rằng áp suất hơi của sản phẩm buộc các phân tử hơi nước thăng hoa từ nền sản phẩm đông lạnh đến bộ thu. Các phân tử có ái lực tự nhiên để di chuyển về phía bộ thu vì áp suất hơi của nó thấp hơn áp suất hơi của sản phẩm. Do đó, nhiệt độ của bộ thu phải thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ của sản phẩm. Việc tăng nhiệt độ sản phẩm có ảnh hưởng nhiều hơn đến chênh lệch áp suất hơi so với việc giảm nhiệt độ của bộ thu.
Thành phần thứ ba cần thiết trong hệ thống đông khô là điện. Điện được cung cấp dưới dạng nhiệt. Năng lượng cần thiết để thăng hoa một gam nước từ trạng thái đông lạnh sang trạng thái khí gần gấp mười lần năng lượng cần thiết để đóng băng một gam nước. Do đó, với tất cả các điều kiện khác là đủ, nhiệt độ phải được cung cấp cho sản phẩm để khuyến khích loại bỏ nước dưới dạng hơi khỏi sản phẩm đông lạnh. Nhiệt phải được kiểm soát rất cẩn thận, vì việc sử dụng nhiều nhiệt hơn nhiệt độ làm mát bay hơi trong hệ thống có thể làm sản phẩm nóng lên trên nhiệt độ eutectic hoặc nhiệt độ sụp đổ của nó.
Nhiệt có thể được áp dụng bằng nhiều cách. Một phương pháp là truyền nhiệt trực tiếp qua kệ dẫn nhiệt như được sử dụng trong sấy khay. Một phương pháp khác là sử dụng nhiệt xung quanh như trong quá trình sấy đa dạng.
Sấy thứ cấp
Sau khi quá trình đông khô sơ cấp hoàn tất và tất cả đá đã thăng hoa, độ ẩm liên kết vẫn còn trong sản phẩm. Sản phẩm có vẻ khô nhưng độ ẩm còn lại có thể lên tới 7-8%. Cần tiếp tục sấy khô ở nhiệt độ ấm hơn để giảm độ ẩm còn lại xuống giá trị tối ưu. Quá trình này được gọi là giải hấp đẳng nhiệt vì nước liên kết được giải hấp khỏi sản phẩm.
Quá trình sấy thứ cấp thường được tiếp tục ở nhiệt độ sản phẩm cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhưng tương thích với độ nhạy của sản phẩm. Tất cả các điều kiện khác, chẳng hạn như áp suất và nhiệt độ của bộ thu, vẫn giữ nguyên. Bởi vì quá trình này là quá trình giải hấp nên độ chân không phải càng thấp càng tốt (không tăng áp suất) và nhiệt độ của bộ thu càng lạnh càng tốt. Sấy thứ cấp thường được thực hiện trong khoảng 1/3 đến 1/2 thời gian cần thiết cho sấy sơ cấp.
Ứng dụng của sấy thăng hoa
Đông khô gây ra ít hư hại cho chất hơn các phương pháp sấy khô khác sử dụng nhiệt độ cao hơn. Các yếu tố dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt bị mất ít hơn trong quy trình so với các quy trình kết hợp xử lý nhiệt cho mục đích sấy khô. Sấy đông khô thường không gây co rút hoặc cứng của vật liệu được sấy khô. Ngoài ra, hương vị, mùi và hàm lượng dinh dưỡng nhìn chung không thay đổi, khiến quá trình bảo quản thực phẩm trở nên phổ biến. Tuy nhiên, nước không phải là hóa chất duy nhất có khả năng thăng hoa và việc mất đi các hợp chất dễ bay hơi khác như axit axetic (giấm) và rượu có thể mang lại kết quả không mong muốn.
Các sản phẩm đông khô có thể được bù nước (hoàn nguyên) nhanh chóng và dễ dàng hơn nhiều. Đông khô cũng có thể được sử dụng để tăng thời hạn sử dụng của một số dược phẩm trong nhiều năm.
Dược phẩm và công nghệ sinh học
Các công ty dược phẩm thường sử dụng phương pháp đông khô để tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm, chẳng hạn như vắc xin vi rút sống, thuốc sinh học và các loại thuốc tiêm khác. Bằng cách loại bỏ nước khỏi vật liệu và đậy kín vật liệu trong lọ thủy tinh, vật liệu có thể được bảo quản, vận chuyển dễ dàng và sau đó được hoàn nguyên về dạng ban đầu để tiêm. Một ví dụ khác từ ngành công nghiệp dược phẩm là việc sử dụng đông khô để sản xuất viên nén hoặc tấm mỏng, ưu điểm của phương pháp này là ít tá dược hơn cũng như dạng bào chế dễ hấp thu và dễ sử dụng.
Các sản phẩm dược phẩm đông khô được sản xuất dưới dạng bột đông khô để pha chế trong lọ và gần đây hơn là ở dạng ống tiêm nạp sẵn để bệnh nhân tự tiêm.
Ví dụ về các sản phẩm sinh học đông khô bao gồm nhiều loại vắc xin như vắc xin sởi sống, vắc xin thương hàn và vắc xin polysaccharide não mô cầu nhóm A và C kết hợp. Các sản phẩm sinh học đông khô khác bao gồm yếu tố chống bệnh máu khó đông VIII, interferon alfa, thuốc chống đông máu streptokinase và chiết xuất dị ứng nọc độc của ong bắp cày.
Nhiều sản phẩm dược phẩm sinh học dựa trên các protein điều trị như kháng thể đơn dòng cần phải đông khô để ổn định. Ví dụ về dược phẩm sinh học đông khô bao gồm các loại thuốc bom tấn như etanercept (Enbrel của Amgen), infliximab (Remicade của Janssen Biotech), rituximab và trastuzumab (Herceptin của Genentech).
Đông khô cũng được sử dụng trong sản xuất nguyên liệu thô cho các sản phẩm dược phẩm. Thành phần hoạt chất của sản phẩm dược phẩm (API) được đông khô để đạt được độ ổn định hóa học trong điều kiện bảo quản ở nhiệt độ phòng. Quá trình đông khô số lượng lớn API thường được tiến hành bằng cách sử dụng khay thay vì lọ thủy tinh.
Chiết xuất tế bào hỗ trợ các ứng dụng công nghệ sinh học không có tế bào như chẩn đoán điểm chăm sóc và sản xuất sinh học cũng được đông khô để cải thiện độ ổn định khi bảo quản ở nhiệt độ phòng.
Bột khô của men vi sinh thường được sản xuất bằng cách đông khô số lượng lớn các vi sinh vật sống như vi khuẩn axit lactic và vi khuẩn bifidobacteria.
Làm đông khô thực phẩm
Mục đích chính của sấy thăng hoa trong ngành công nghiệp thực phẩm là kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm trong khi vẫn duy trì chất lượng. Sấy thăng hoa được biết là mang lại chất lượng thực phẩm cao nhất trong số tất cả các kỹ thuật sấy vì tính toàn vẹn cấu trúc được duy trì cùng với việc bảo quản của hương vị. Bởi vì sấy thăng hoa đắt tiền nên nó được sử dụng chủ yếu với các sản phẩm có giá trị cao. Ví dụ về các sản phẩm đông khô có giá trị cao là trái cây và rau quả theo mùa do nguồn cung hạn chế, cà phê; và thực phẩm dùng làm khẩu phần ăn cho quân đội, phi hành gia/nhà du hành vũ trụ và/hoặc người đi phượt.
Phi hành gia và khẩu phần ăn của quân đội
Do trọng lượng nhẹ trên một thể tích thực phẩm hoàn nguyên, các sản phẩm đông khô rất phổ biến và tiện lợi cho những người đi bộ đường dài, như khẩu phần ăn của quân đội hoặc bữa ăn của phi hành gia. Có thể mang theo một lượng thực phẩm khô lớn hơn so với cùng một trọng lượng của thực phẩm ướt, tươi. Để thay thế, thực phẩm đông khô có thể dễ dàng được bù nước bằng nước nếu muốn và thời hạn sử dụng của sản phẩm khô lâu hơn sản phẩm tươi/ướt, lý tưởng cho những chuyến đi dài của người đi bộ đường dài, quân nhân hoặc phi hành gia. Sự phát triển của công nghệ sấy đông khô đã làm tăng sự đa dạng của bữa ăn và đồ ăn nhẹ bao gồm các món như cocktail tôm, thịt gà và rau, bánh pudding bơ và sốt táo.
Cà phê
Cà phê có hương vị và mùi thơm được tạo ra do phản ứng Maillard trong quá trình rang và có thể được bảo quản bằng phương pháp đông khô. So với các phương pháp sấy khác như sấy ở nhiệt độ phòng, sấy bằng không khí nóng và sấy bằng năng lượng mặt trời, hạt cà phê Robusta được đông lạnh – khô chứa lượng axit amin thiết yếu cao hơn như leucine, lysine và phenylalanine. Ngoài ra, một số axit amin không thiết yếu góp phần đáng kể vào hương vị vẫn được bảo tồn.
Trái cây
Với quá trình khử nước thông thường, quả mọng có thể bị giảm chất lượng vì cấu trúc của chúng rất mỏng và chứa độ ẩm cao. Dâu tây được cho là có chất lượng cao nhất khi đông khô; giữ được màu sắc, hương vị và khả năng bù nước.
Côn trùng
Đông khô được sử dụng rộng rãi để bảo quản côn trùng cho mục đích tiêu dùng. Côn trùng đông khô nguyên con được bán dưới dạng thức ăn cho vật nuôi, thức ăn cho chim, mồi cá và ngày càng được con người tiêu thụ. Côn trùng đông khô dạng bột được sử dụng làm nguồn protein trong thức ăn chăn nuôi và ở một số thị trường, như chất bổ sung dinh dưỡng cho con người. Côn trùng nuôi thường được sử dụng cho tất cả các mục đích nói trên thay vì thu hoạch côn trùng hoang dã, ngoại trừ trường hợp châu chấu thường được thu hoạch ngoài đồng ruộng.
Ngành công nghệ
Trong quá trình phân tách sinh học, đông khô cũng có thể được sử dụng như một quy trình tinh chế ở giai đoạn cuối vì nó có thể loại bỏ dung môi một cách hiệu quả. Hơn nữa, nó có khả năng cô đặc các chất có trọng lượng phân tử thấp, quá nhỏ để màng lọc có thể loại bỏ. Đông khô là một quá trình tương đối tốn kém. Thiết bị này đắt gấp ba lần so với thiết bị được sử dụng cho các quá trình phân tách khác và nhu cầu năng lượng cao dẫn đến chi phí năng lượng cao. Hơn nữa, đông khô cũng có thời gian xử lý lâu, vì việc bổ sung quá nhiều nhiệt vào vật liệu có thể gây nóng chảy hoặc biến dạng cấu trúc. Do đó, đông khô thường được dành riêng cho các vật liệu nhạy cảm với nhiệt, chẳng hạn như protein, enzyme, vi sinh vật và huyết tương. Nhiệt độ vận hành thấp của quy trình dẫn đến hư hỏng tối thiểu đối với các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt này.
Trong công nghệ nano, đông khô được sử dụng để tinh chế ống nano nhằm tránh sự kết tụ do lực mao dẫn trong quá trình sấy bay hơi nhiệt thông thường.
Công dụng khác
Các tổ chức như Phòng thí nghiệm Bảo tồn Tài liệu tại Cục Quản lý Hồ sơ và Lưu trữ Quốc gia Hoa Kỳ (NARA) đã thực hiện các nghiên cứu về đông khô như một phương pháp phục hồi sách và tài liệu bị hư hỏng do nước. Mặc dù có thể khôi phục nhưng chất lượng khôi phục phụ thuộc vào chất liệu của tài liệu. Nếu một tài liệu được làm từ nhiều loại vật liệu có đặc tính hấp thụ khác nhau thì sự giãn nở sẽ xảy ra với tốc độ không đồng đều, có thể dẫn đến biến dạng. Nước cũng có thể khiến nấm mốc phát triển hoặc làm chảy mực. Trong những trường hợp này, đông khô có thể không phải là phương pháp phục hồi hiệu quả.
Trong vi khuẩn đông khô được sử dụng để bảo tồn các chủng đặc biệt.
Các quy trình gốm sứ tiên tiến đôi khi sử dụng phương pháp đông khô để tạo ra bột có thể tạo hình từ sương mù được phun. Sấy thăng hoa tạo ra các hạt mềm hơn với thành phần hóa học đồng nhất hơn so với sấy phun nóng truyền thống nhưng cũng đắt hơn.
Độ ổn định của sản phẩm đông khô
Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của vật liệu đông khô. Hai trong số những điều quan trọng nhất là độ ẩm và oxy .
Tất cả các sản phẩm đông khô đều có một lượng nhỏ hơi ẩm còn sót lại trong đó gọi là độ ẩm dư. Lượng hơi ẩm còn lại trong vật liệu phụ thuộc vào bản chất của sản phẩm và thời gian sấy thứ cấp. Độ ẩm dư có thể được đo bằng nhiều phương pháp: hóa học, sắc ký, áp kế hoặc trọng lượng. Nó được biểu thị bằng phần trăm trọng lượng của tổng trọng lượng của sản phẩm sấy khô. Giá trị độ ẩm còn lại dao động từ <1% đến 3% đối với hầu hết các sản phẩm.
Về bản chất, vật liệu đông khô có tính hút ẩm và việc tiếp xúc với độ ẩm trong quá trình bảo quản có thể làm mất ổn định sản phẩm. Bao bì dùng cho vật liệu đông khô phải không thấm được độ ẩm của khí quyển. Bảo quản sản phẩm trong môi trường có độ ẩm thấp có thể làm giảm nguy cơ hư hỏng do tiếp xúc với độ ẩm. Oxy cũng có hại cho tính ổn định của hầu hết các vật liệu đông khô nên bao bì được sử dụng cũng phải không thấm khí.
Tác động bất lợi của oxy và độ ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ bảo quản càng cao thì sản phẩm càng xuống cấp nhanh hơn. Hầu hết các sản phẩm đông khô có thể được bảo quản ở nhiệt độ tủ lạnh, tức là 4-8°C. Việc đặt các sản phẩm đông khô ở nhiệt độ thấp hơn sẽ kéo dài thời hạn sử dụng của chúng. Thời hạn sử dụng của sản phẩm đông khô có thể được dự đoán bằng cách đo tốc độ phân hủy của sản phẩm ở nhiệt độ cao. Điều này được gọi là lưu trữ tăng tốc. Bằng cách chọn mối quan hệ thời gian và nhiệt độ thích hợp ở nhiệt độ cao, tốc độ phân hủy sản phẩm có thể được dự đoán ở nhiệt độ bảo quản thấp hơn.p;
