รักษาความคงสภาพ รส กลิ่น สี ด้วยการ Freeze-Drying - การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง
เทคโนโลยีที่จะช่วยให้ตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์ในห้องปฏิบัติการ ยังคงคุณภาพไม่ว่าจะเป็นสี กลิ่น รส หรือคุณค่าของตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์นั้น ๆ และยังสามารถคืนสภาพได้รวดเร็วและง่ายดาย นั่นคือ ‘การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง‘ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถใช้เพื่อยืดอายุการเก็บของยาบางชนิดได้นานหลายปีเลยทีเดียว
การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง (Freeze-Drying) คือ การทำให้ตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์แห้ง โดยอาศัยหลักการแช่แข็งในขณะที่อุณหภูมิต่ำ ทำให้น้ำเป็นของแข็งก่อน แล้วจึงลดความดันภายในเครื่องให้เกิดการระเหิดเอาน้ำออกจากตัวอย่าง ภายใต้ภาวะสุญญากาศ จนกระทั่งตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์แห้ง เหมาะสำหรับอบแห้งเพื่อรักษาสี กลิ่น รส และ/หรือเนื้อสัมผัสของอาหาร รวมถึงใช้สำหรับทำงานวิจัย
Freeze-Drying แบ่งเป็น 3 กระบวนการ ดังนี้1. Pre-Freezing เป็นการลดอุณหภูมิของตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์เพื่อให้เกิดก้อนผลึกของน้ำ โดยทำให้ตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์แข็งตัวใน Internal Freezing หรืออาจให้แข็งตัวในภาชนะเฉพาะ External Freezing ซึ่งความหนาของสารที่เหมาะสม คือ ประมาณ 10 มม. หรือ ไม่ควรเกิน 15 มม.
การละลายที่เป็นน้ำ Freezing Point คือ 0°C แต่หากมีส่วนประกอบที่เป็นน้ำตาลหรือเกลือ อุณหภูมิของ Freezing Point จะต้องต่ำลงไปอีก การที่ต้องทำให้วัตถุแข็งตัวเพื่อที่จะไม่ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีหรือกายภาพ ในขณะที่น้ำถูกกำจัดให้หมดไป ผลิตภัณฑ์จะแข็งตัวอย่างสมบูรณ์เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงถึง Eutectic Temperature ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดและปริมาณของแต่ละส่วนผสมของผลิตภัณฑ์นั้น แต่โดยทั่ว ๆ ไป การลดอุณหภูมิที่ 40°C ผลิตภัณฑ์แทบทุกชนิดจะแข็งตัวอย่างสมบูรณ์ภายใน 2-3 ชั่วโมง
2. Primary Drying เป็นสภาวะระเหิด หรือ การ Freeze-Drying เพื่อดึงเอาน้ำแข็งออกจากผลิตภัณฑ์ เมื่อ Primary Drying เสร็จสมบูรณ์ น้ำแข็งจะละลายไปหมด และจะมีความชื้นหลงเหลืออยู่ ซึ่งตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์ที่แห้งจะดูดความชื้นนั้นไว้ จึงต้องเอาความชื้นนั้นออกโดยใช้ Secondary Drying
3. Secondary Drying เป็นขบวนการดูดความชื้นที่หลงเหลือจาก Primary Drying เพื่อเพิ่มความคงตัวของตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์ที่มักจะมีความชื้นหลงเหลืออยู่
เทคโนโลยีการทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง สามารถนำไปใช้ได้หลากหลายอุตสาหกรรม อาทิเช่น ยาปฏิชีวนะ วัคซีน ผลิตภัณฑ์จากเลือด เอนไซม์ ฮอร์โมน และผลิตภัณฑ์ทางชีวภาพอื่น ๆ เหมาะสำหรับตัวอย่างห้องปฏิบัติการของการทดลองทำแห้งเยือกแข็งและการผลิตในปริมาณเล็กน้อย ตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์ที่ใช้เทคโนโลยีการทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งจะไม่สามารถทนต่อความร้อนสูงได้ แต่ยังคงคุณสมบัติและคงตัวอยู่ได้นาน นอกจากนี้ยังสามารถนำกลับมาละลายน้ำ (Reconstitute) ได้ง่าย
ตัวอย่างจากอุตสาหกรรมเภสัชกรรม• บริษัทยามักใช้การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งเพื่อเพิ่มอายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์ เช่น วัคซีนไวรัสที่มีชีวิต สารชีวภาพ และยาฉีดอื่น ๆ
• การใช้การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งผลิต
ยาเม็ดหรือเวเฟอร์ ข้อดี คือ ส่วนเติมเนื้อยาที่น้อยกว่า รวมทั้งรูปแบบขนาดการให้ยาที่ดูดซึมอย่างรวดเร็วและบริหารให้ง่าย
• ผลิตภัณฑ์ยาแห้งแบบแช่เยือกแข็ง ผลิตขึ้นเป็นผงแช่เยือกแข็งสำหรับคืนสภาพในขวด และในหลอดฉีดยาที่เติมไว้ล่วงหน้า
• เป็นส่วนผสมผลิตภัณฑ์ยาออกฤทธิ์ (APIs) ถูกทำให้แห้ง เพื่อให้เกิดความคงตัวทางเคมีภายใต้การจัดเก็บที่อุณหภูมิห้อง
ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ชีวภาพ • วัคซีนต่าง ๆ เช่น วัคซีนไวรัสหัดที่มีชีวิต วัคซีนไทฟอยด์ วัคซีนป้องกันโรคไข้กาฬนกนางแอ่นกลุ่ม A และ C รวมกัน
• ผลิตภัณฑ์ชีวภาพอื่น ๆ เช่น Antihemophilic Factor VIII, Interferon Alfa, Anti-Blood Clot Medicine Streptokinase และสารสกัดสารก่อภูมิแพ้จากพิษต่อตัวต่อ
• ผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชภัณฑ์จำนวนมากที่มีโปรตีนที่ใช้รักษาโรค เช่น โมโนโคลนัลแอนติบอดี ต้องการการทำแห้งเยือกแข็งเพื่อความคงตัว
ตัวอย่างจากอุตสาหกรรมเทคโนโลยี• ในการสังเคราะห์ทางเคมีผลิตภัณฑ์มักจะแห้งเยือกแข็งเพื่อให้มีความเสถียรมากขึ้น หรือ ละลายในน้ำได้ง่ายขึ้น เพื่อใช้ในภายหลัง
• ในการแยกทางชีวภาพ การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งสามารถใช้เป็นขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ในระยะสุดท้ายได้ด้วย เพราะสามารถกำจัดตัวทำละลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังสามารถรวมสารที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำซึ่งมีขนาดเล็กเกินไปที่จะกำจัดออกด้วยเมมเบรนกรอง
ตัวอย่างจากอุตสาหกรรมอาหาร• วัตถุประสงค์หลักของการทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งในอุตสาหกรรมอาหาร คือ การยืดอายุการเก็บของอาหารโดยที่ยังคงคุณภาพไว้ ส่วนใหญ่จะใช้กับผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง ได้แก่ ผลไม้และผักตามฤดูกาล
• ผลไม้อย่าง สตรอเบอร์รี่ พบว่ามีคุณภาพสูงสุดเมื่อทำแห้งเยือกแข็ง รักษาสี รส และความสามารถในการคืนความชุ่มชื้น
• เมล็ดกาแฟโรบัสต้า ที่ผ่านการทำแห้งเยือกแข็งมีกรดอะมิโนที่จำเป็นในปริมาณที่สูงกว่า เช่น ลิวซีน ไลซีน และฟีนิลอะลาลานีน
เทคโนโลยี Freeze-Drying มีข้อดี ดังนี้• ทำให้ตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์มีความคงตัว เนื่องจากการ Freezing ทำให้ปฏิกิริยาทางเคมีเกิดช้าลง และกระบวนการเกิดภายใต้สุญญากาศ ทำให้ไม่มีออกซิเจนที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยา Oxidation
• กระบวนการ Freeze-Drying ใช้อุณหภูมิต่ำมาก ทำให้ปฏิกิริยาของเอนไซม์และแบคทีเรียไม่สามารถเกิดได้ ต่างจากการทำให้แห้งโดยวิธีอื่น ซึ่งทำให้เกิดอุณหภูมิที่สูง ออกซิเจน การระเหย และน้ำ ทำให้เกิดการสลายตัว และสูญเสียสารประกอบสำคัญไป
• รักษาสภาวะของตัวอย่างหรือผลิตภัณฑ์ให้คงสภาพเดิม ในเรื่อง สี รูปร่าง ขนาด รส พื้นผิว และสารสำคัญใน ยา สมุนไพร อาหาร
• ลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนของแบคทีเรีย โดยส่วนมากพบในสมุนไพร ซึ่งกระบวนการ Freeze-Drying จะได้ผลิตภัณฑ์ที่สะอาดกว่าการทำให้แห้งในสภาวะปกติ
• น้ำหนักของผลิตภัณฑ์ลดลง 70-90% โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตร ทำให้ประหยัด และสะดวกในการขนส่ง
• นำมาใช้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่ได้จากวิธีทางเทคโนโลยีชีวภาพ เช่น ยาจำพวกเปปไทด์ หรือ โปรตีน ซึ่งจะเสื่อมสลายจากความร้อน หรือ เมื่ออยู่ในรูปสารละลายในน้ำ จึงใช้วิธี Freeze-Drying ทำให้อยู่ในรูปผงแห้งซึ่งมีความคงตัวที่ดีกว่า
การทำแห้งแบบเยือกแข็งเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างแพง อุปกรณ์มีราคาสูง และความต้องการพลังงานที่สูงทำให้ต้นทุนด้านพลังงานสูง นอกจากนี้การทำแห้งเยือกแข็งยังมีเวลาในกระบวนการที่ยาวนาน เนื่องจากการเพิ่มความร้อนมากเกินไปลงในวัสดุอาจทำให้เกิดการหลอมเหลวหรือการเสียรูปของโครงสร้าง ดังนั้น การทำแห้งแบบเยือกแข็งมักจะสงวนไว้สำหรับวัสดุที่ไวต่อความร้อน เช่น โปรตีน, เอนไซม์, จุลินทรีย์และพลาสม่าในเลือด อุณหภูมิในการทำงานต่ำของกระบวนการทำให้เกิดความเสียหายน้อยที่สุดของผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อความร้อนเหล่านี้
ขอบคุณที่มาโดย :
-
BOTO GROUP-
College of Maritime Studies and Management, Chiang Mai University, THAILAND-
TOPTION INSTRUMENT-
WANITHAI-
https://hmong.in.th/wiki/Lyophilization-
https://med.tu.ac.th/UserFiles/File/vijai/equipment/Freeze%20dry.htmขอบคุณภาพโดย
Woman photo created by Freepik อ่านบทความเพิ่มเติม >> คลิกที่นี่
