冷冻干燥
冷冻干燥原理及设备
冷冻干燥原理及设备一、冷冻干燥的原理冷冻干燥，又称冷冻脱水，是一种将物质从冷冻状态直接转变为气态的过程，以达到去除水分的目的。
其原理是利用低温和真空环境下，将物质中的水分冻结成固态，然后通过升温，将水分由固态转变为气态，从而实现脱水的目标。
冷冻干燥的工作过程分为三个阶段：冷冻阶段、真空阶段和升温阶段。
1. 冷冻阶段：物质被置于低温环境中，水分开始冷冻成固态。
在低温下，水分分子的活动减缓，形成冰晶。
2. 真空阶段：通过抽取系统中的空气，形成真空环境，使冰晶从固态直接转变为气态，即升华。
这一过程称为物质的脱水过程。
3. 升温阶段：将加热源加热，提高物质的温度，使脱水后的物质完全干燥。
此时，物质中的水分已经转变为气态并被排出。
二、冷冻干燥设备冷冻干燥设备由多个组件组成，包括冷冻机、真空泵、加热源和控制系统等。
1. 冷冻机：冷冻机通过压缩制冷循环，将制冷剂制冷并循环流动，使物质达到冷冻状态。
冷冻机的制冷能力和温度控制能力对冷冻干燥的效果至关重要。
2. 真空泵：真空泵用于抽取系统中的空气，形成真空环境。
真空度的控制对于冷冻干燥的速度和质量有着重要影响。
3. 加热源：加热源用于提高物质的温度，使脱水后的物质完全干燥。
常见的加热源包括电加热器和热风炉等。
4. 控制系统：控制系统用于监测和控制整个冷冻干燥过程的参数，如温度、真空度、压力等。
通过调节控制系统，可以实现冷冻干燥过程的自动化和精确控制。
三、冷冻干燥的应用冷冻干燥广泛应用于食品、药品、生物制品、化工品等领域。
1. 食品：冷冻干燥可以保持食品的原始形状、颜色、香味和营养成分，延长食品的保质期。
常见的冷冻干燥食品包括咖啡、水果、蔬菜和冷冻干燥调理食品等。
2. 药品：冷冻干燥可以有效保护药品的活性成分，延长药品的保质期。
常见的冷冻干燥药品包括生物制剂、疫苗和草药等。
3. 生物制品：冷冻干燥可以保持生物制品的活性和稳定性，延长其使用寿命。
常见的冷冻干燥生物制品包括酶、细胞和抗体等。
冷冻干燥的原理及特点
冷冻干燥的原理及特点冷冻干燥是一种常用的食品加工技术，它通过将食品在低温下冻结，然后在低压下将水分从食品中蒸发掉，从而实现长时间保存的目的。
冷冻干燥技术不仅可以用于食品加工，还可以应用于药物制剂、生物制品、化妆品等领域。
本文将详细介绍冷冻干燥的原理及特点，并探讨其在不同领域中的应用。
一、原理1. 冷冻阶段在冷冻干燥过程中，首先需要将待处理的物料进行预处理，并将其放置在低温环境中进行快速凝固。
这一步骤可以通过直接接触法或间接接触法实现。
直接接触法是指将物料直接放置在低温介质中，如液氮或液氮混合物。
间接接触法则是通过介质传导热量来实现快速凝固。
2. 干燥阶段凝固后的物料需要进入干燥阶段。
这个阶段主要是利用低压环境下水分从固体状态转变为气体状态的特性，将水分从物料中蒸发掉。
干燥的过程中，需要控制温度和压力，以确保水分以气体的形式从物料中蒸发出来。
二、特点1. 保持品质冷冻干燥技术可以在低温下进行，可以最大程度地保持食品、药物等物料的品质。
由于低温下水分以固体形式存在，可以减少对物料结构和营养成分的破坏。
同时，在干燥过程中，由于低压环境下水分蒸发速度快，可以减少对物料内部结构和成分的影响。
2. 长时间保存冷冻干燥技术可以将食品、药物等物料中大部分水分去除掉，在干燥后得到一种极为轻便、易于保存和携带的产品。
这种产品不易受到微生物污染和氧化反应影响，在适当的条件下可以长时间保存。
3. 保持原始形态在冷冻干燥过程中，由于低温环境下水分以固态存在，并且通过减压将其转化为气态，可以减少物料的体积变化。
因此，冷冻干燥的产品可以保持原始形态，不易破碎或变形。
这对于一些易受压力和挤压影响的物料来说尤为重要。
4. 适用范围广冷冻干燥技术不仅适用于食品加工，还可以应用于药物制剂、生物制品、化妆品等领域。
在药物制剂中，冷冻干燥可以保持药物的活性成分，并延长其保质期。
在生物制品领域，冷冻干燥可以保存细胞和组织样本，并用于细胞培养和再生医学等领域。
冷冻干燥的原理和优缺点
冷冻干燥的原理和优缺点
冷冻干燥（Freeze-drying）是一种将食物或其他物质从液态直接转变为固态的过程，通过在低温下去除水分，保留物质的结构和营养成分。
下面是冷冻干燥的原理和优缺点：
原理：
1. 冷冻：将物质在低温下迅速冷冻，使水分形成冰晶。
2. 减压：通过减小环境压力，将冰晶转变为气体，称为升华过程。
在这个过程中，水直接从固态转变为气态，绕过了液态阶段。
3. 除湿：升华的水蒸气通过吸附剂或凝结器去除，使物质中的水分得以彻底去除。
优点：
1. 营养保留：冷冻干燥过程中，物质的结构和营养成分很好地保留下来，因为在低温下水分直接转变为气体，减少了热和氧化对物质的影响。
2. 长期保存：冷冻干燥的产品具有较长的保质期，因为去除水分可以防止微生物生长和食物变质。
3. 重量轻、容易携带：冷冻干燥后的产品体积小，重量轻，便于携带和储存。
4. 方便使用：冷冻干燥产品在使用前通常只需加水或加热即可恢复到原来的状态。
缺点：
1. 成本高：冷冻干燥是一种相对昂贵的过程，需要专业的设备和技术。
2. 耗时较长：冷冻干燥是一个相对耗时的过程，需要较长的时间来完成。
3. 某些物质质量变化：某些物质在冷冻干燥过程中可能发生质量变化，如颜色、口感等。
总的来说，冷冻干燥是一种有效的食品保存和物质处理方法，具有保留营养、长期保存和便于使用的优点，但也存在成本高和某些物质质量变化的缺点。
冷冻干燥的原理及操作步骤
冷冻干燥的原理及操作步骤冷冻干燥（Freeze Drying），也叫冷冻真空干燥，是一种将物质经冷冻处理后，在低压下蒸发水分的技术。
它广泛应用于食品工业、制药工业、生物工程等领域。
冷冻干燥的原理是利用物质在减压条件下过冷时，从固态直接转变为气态，这个过程称为升华。
在这个过程中，物质的水分被蒸发掉，而其他营养成分、香气和味道得以保持和最大限度地保留。
冷冻干燥的操作步骤如下：1. 物料准备：根据需要冷冻干燥的物料，选择合适的原料，保证其质量和营养价值。
对于食品来说，要选择新鲜和优质的食材，而对于药品来说，要选择合适的活性成分。
2. 冷冻：将物料以适当的方式冷冻，通常是通过低温环境下进行快速冷冻，以保留物料的营养成分和品质。
冷冻温度和冷冻时间取决于物料的性质和要求。
3. 主要：将冷冻好的物料转移到冷冻干燥设备的主要部分。
主要部分通常包括真空腔室、加热板和冷凝器等。
将物料放置在加热板上，并在真空腔室中建立适当的真空环境。
4. 升华：加热加热板，使物料升华。
通过提供适当的加热和真空条件，将物料中的水分从固态转变为气态。
水分从物料中蒸发出来，并在冷凝器中凝结。
5. 脱气：将水分从设备中排出，以便维持较低的压力。
这一步骤通常需要反复进行，以确保设备中没有多余的水分。
可用加热或局部真空回退等方式来加速脱气过程。
6. 收回：将冷凝的水分收回，以便进一步利用。
收回的水分可以作为再利用的水源，以减少水资源的浪费。
7. 制品包装：冷冻干燥后的制品通常需要进行包装，以保持其干燥状态。
透明的塑料袋、瓶子或铝罐等都可以作为合适的包装材料。
包装后的制品应存放在干燥、低温和密封的环境中，以保持其质量和保存期限。
冷冻干燥技术广泛应用于食品工业、制药工业和生物工程等领域。
它可以保持食品的营养成分和风味，并延长其保质期；在制药工业中，冷冻干燥可以保留药品的活性成分并提高其稳定性；在生物工程中，冷冻干燥可以保留细胞活性和酶的活性。
冷冻干燥的原理和操作步骤对于实现物料的干燥和长期储存具有重要意义。
冷冻干燥的原理及特点
冷冻干燥的原理及特点冷冻干燥是一种将物质从液态直接转化为气态，并在保持物质原有性质的同时将其固定在干燥剂中的技术。
它被广泛应用于生物技术、食品工业、药品工业和材料科学等领域。
以下是冷冻干燥的原理及特点的详细介绍。
1. 原理冷冻干燥的原理是将液态物质在低温情况下进行冷冻，然后通过减压使水分转移到气态，达到干燥的目的。
在干燥过程中，物质的温度和压力均控制在特定的范围内，以避免物质的化学和物理变化，同时也能保持原有的物理和化学性质。
最终生产出来的干燥物质是一种非常稳定的产品，其质量和保质期可大大提高。
2. 特点（1）保持物质的原有性质由于冷冻干燥的干燥过程是在低温下进行的，而且在干燥的过程中尽可能地采用了低压减少蒸发，这样就保证了物质的原有性质不会发生改变，包括物质的颜色、形状、味道和化学性质等。
（2）长期保存冷冻干燥制成的产品寿命很长，通常可以保存3-5年，这是由于干燥处理过程中将水份蒸发掉，完全除去了霉菌和细菌，使制品的耐储性大大提高了。
（3）不影响营养相比其他干燥方法，冷冻干燥过程虽然更加复杂，但干燥后的产品却能够保留更多的营养成分。
这是因为在低温冷冻的过程中，物质的营养成分不会随水一并挥发。
所以冷冻干燥特别适用于干燥奶制品、水果、蔬菜等食品。
（4）压力低冷冻干燥的过程和产品特点决定了其干燥时间长、所需压力小，因此干燥质量更容易控制，同时也降低了成本。
总之，冷冻干燥对不同领域的材料和产品的干燥都非常适用。
它保留了物质原有的性质，在干燥的同时不会影响其营养，并且干燥制成的产品具有极长的保质期。
因此，冷冻干燥成为现代科研、工农业等领域中不可替代的重要技术。
食品干燥技术之冷冻干燥
食品干燥技术之冷冻干燥冷冻干燥又称真空冷冻干燥、冷冻升华干燥、分子干燥等，是将物料预冷至-30～-40℃，使物料中的大部分水分变为固态冰，然后提供低温热源，在真空状态下，使冰直接升华为水蒸气而使物料脱水的过程。
(一)原理冷冻干燥是一种特殊的干燥方法。
它包括两个重要的步骤：冻结物品及升华分离结晶体。
在真空条件下，通过升华作用，把物料中冻结的水分不重新融化而从物料中分离除去。
冷冻干燥产品的质量以及干燥持续的时间与冻结过程有关。
冻结速率以及冷却终温度是取得良好效果的重要因素。
冻结速率很大程度上影响冻结物品的色泽、坚固性、香味和结构。
缓慢冻结会使冰晶生成体积大，但可以在相对短的时间内完成升华干燥的过程；而快速冻结则会产生小的冰晶体，物料结构会尽可能保持原来的形状，但升华速度较慢。
冷冻干燥食品的香味是判断质量的一个重要指标。
缓慢冻结过程中冰晶之间固体物质部分较大，由此在升华过程中通过扩散，香味损失较小，可最大限度保留食品原来的香味。
要保持物料中的纤维组织或生物活性成分，则通常采用极快的速度进行冻结，但这样会带来缺点，小的毛细管会造成较大的扩散阻力，在升华过程中会延长干燥时间。
(二)方法和过程1.物料中水分的预冻结食品的冻结主要是水溶液的冻结。
当食品内部溶质浓度低于低共熔浓度时，冷冻的结果是冰晶的析出，随后溶液的浓度越来越高，理论上达到低共熔浓度为止；若溶质浓度高于低共熔浓度时，冷却结果表现为溶质不断析出，余下的溶液浓度越来越低，理论上也达到低共熔浓度为止。
2.冻结物料进行升华干燥冻结物料的升华干燥是在真空干燥箱内进行的。
在升华过程中，物料中冻结水分汽化需要吸收热量，因此，需要给物料加热，以提高冷冻干燥速率。
但所提供的热量应保证冻结物料的温度接近而又低于物料的共熔点，以便使物料中冰晶既不溶解又能以最高速率进行升华。
在升华过程中，温度几乎不变，干燥速率保持恒定。
3.物料加热升温当冻结水分全部蒸发后，开始蒸发剩余没有冻结的水分，此时干燥速率下降，加热速度可加快，以使水分不断排除掉。
冷冻干燥技术原理讲解
冷冻干燥技术原理讲解冻干技术，也被称为冷冻干燥或低温干燥，是一种将含水物质从冰冻状态直接转变成气态的方法。
在这个过程中，水分被移除，而保持原始材料的化学和物理特性。
冷冻干燥广泛应用于食品、医药、化妆品等领域，其原理和过程如下：1.冷冻：冻干过程的第一步是将待处理的物质冰冻。
通常使用低温冷冻器将物质温度降至约-40°C至-50°C，并使其成为坚硬的固体。
这是因为当物质处于冰冻状态时，水分分子在固体水晶结构中密集排列，防止它们与其他物质发生反应。
2.减压：冷冻后，物质被转移到真空容器中以进行减压处理。
减压对于冷冻干燥至关重要，它使水从固体状态转变为气态，跳过液态阶段，这个过程称为升华。
减压减少了水分为过渡态液体的机会，从而降低其对物质的影响。
3.升温：在减压处理期间，温度逐渐升高。
由于压强的减小，水分分子会从冻结状态升华为水蒸气，同时继续保持物质的原始形态。
升温过程的控制很重要，它能够确保水分分子从物质中顺利移除，而不会对结构和性质产生不可逆的影响。
4.封闭：升温过程完成后，将干燥物质封闭于真空容器中。
这一步骤主要为了防止局部水分的重新吸收。
由于温度较高，容器内的蒸汽也会显著增加，所以需要设立一个回收系统来回收水分并避免对环境产生负面影响。
1. Sublimation（升华）：尽管温度上升，但减压的存在使水分分子从固态转化为气态，从而避免物质的液态阶段。
这就是为什么冷冻干燥被称为“桥接”过程，因为它直接将物质从冰冻状态转化为气态，而不是经过液相。
2. Desorption（解吸）：物质在冷冻过程中被冻结，并在减压期间解吸出水分。
由于较低的温度和压力，水分分子能够轻松地从物质中移动，从而保持物质的结构和特性不受影响。
3. Diffusion（扩散）：在冷冻干燥期间，物质的温度逐渐升高，水分分子从物质中扩散到环境中。
这是通过通过真空系统中的气流或较高温度的热辐射实现的。
总的来说，冷冻干燥技术通过将待处理物质冷冻、减压、升温和封闭，使水分分子从固态直接升华为水蒸气。
冷冻干燥
❖
共晶点/共熔点的测定有电阻测定法、热差
分析测定、低温显微镜直接观察、数字公式计算
测定。
溶液冻结过程中，由于离子的漂移率随温度
的下降而逐步降低，电阻增大，只要有液体存在 ，电流就可流动，一旦全部冻结，带电离子不能 移动，电阻会忽然增大，根据这个原理，测出溶 液的共晶点。
❖ 用电极测物料在冻结过程的电阻变化，同时用温 度传感器测物料的温度。
❖ 第二阶段干燥必须避免制品过分干燥。当残余水分达到要 求后，干燥过程结束。一般要求药品水分含量以低于或接 近于2％ (质量分数) 较为理想，一般制品的水分都不应超过 3％。
干燥结束判断方法
❖ 干燥层和冻结层交界面到达瓶底并消失。 ❖ 产品温度上升到接近搁板温度。 ❖ 冻干箱的压力下降到和冷凝器的压力接近，
❖ 共晶温度为冻干过程中预冻应达到的最高温 度，一般预冻过程应低于其共晶温度10-20℃。
溶液在冻结过程中，需过冷到冰点以下，形 成超冷温度，其内部产生晶核以后，自由水才开 始以纯冰的形式结晶，同时放出结晶热，使其温 度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加 ，当浓度到达共晶浓度，温度下降到共晶点以下 时，溶液就全部冻结，形成晶体结构。
加载样品
预冻
初级干燥
二次干燥
封瓶
除霜
原位清洗(CIP)
在线清洗又称原位清洗（cleaning in place），通 常程序是先用反渗透水，清洗5min；再用注射用水清 洗5min。在线清洗后，其清洁效果应符合GMP的要求。
为了实现在线清洗和在线灭菌，在冻干室和冷阱上 装有喷射杆和高压喷头。清洗水的压力>0.3MPa ，通 过喷头作雾状喷射；同时板层作上下移动，这样可以 消除箱内的死角和板层的死角。在位清洗后， 其他阀门都在关闭的情况下，用水环 真空泵进行抽空排水，再对排水 进行彻底的消毒。
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一、冷冻干燥技术原理冷冻干燥即通常所说的冻干，是将含有大量水分的生物活性物质先行降温冻结成固体，再在真空和适当加温条件下使固体水分子直接升华成水汽抽出，最后使生物活性物质形成疏松、多孔样固状物。
冷冻于燥技术的特点是：整个冻干过程在低温真空条件下进行，能有效地保护热敏性物质的生物活性，如酶、微生物、激素等经冻干后生物活性仍能得到保留；能有效地降低氧分子对酶、微生物等的作用，保持物质原来的性状；干燥物呈海绵状结构，体积几乎不变，加水后迅速溶解，并恢复原来状态；干燥能排除95%以上的水分，使干燥后的产品能长期保存而不致变质。
二、冷冻干燥技术方法（一）冻干设备与装置物质的冻干在冷冻真空干燥系统中进行。
冷冻真空干燥系统由致冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四个部分组成。
1.致冷系统由冷冻机、冻干箱和冷凝器内部的管道组成。
其功用是对冻干箱和冷凝器进行致冷，以产生和维持冻干过程中的低温条件。
2.真空系统由真空泵、冻干箱、冷凝器及真空管道和阀门组成。
真空泵为该系统重要的动力部件，必须具有高度的密封性能，使制品达到良好的升华效果。
3.加热系统常利用电加热装置。
加热系统可使冻干箱加热，使物质中的水分不断升华而干燥。
4.控制系统由各种控制开关、指示和记录仪表、自动控制元件等组成。
其功用是对冻干设备进行手动或自动控制，使其正常运行，保证冻干制品的质量。
（二）冻干程序1.测量共熔点生物制品在冻干前多配成溶液或混悬液，溶液随温度降低而发生凝固冻结，达到全部凝固冻结的温度称为凝固点或称共晶点。
不同物质的凝固点不同。
实质上物质的凝固点也就是该物质的熔化点，故又称该温度为共熔点，准备冻干的产品在升华前，必须达到共熔点以下的温度，否则则严重影响产品质量。
不同生物制品的共熔点不同，生物制品的共熔点依其组成成分不同而异，必须测定每种生物制品的共熔点才有可能按此共熔点进行冻干。
测定共熔点的原理是根据导电溶液的电阻与温度相关，当温度降低时电阻加大，当降到共熔点时电阻突然增大，此时的温度即为该溶液物质的共熔点。
正规测定法是将一对白金丝电极插入液态制品中，并插入一支热电阻温度计，并将电极、温度计、仪表与记录仪连接，然后将溶液物质冷冻至一40℃以下低温，直到电阻无穷大，随后缓慢升温至电阻突然降低的温度即为该溶液物质的共熔点。
10%蔗糖溶液-2640%蔗糖溶液-3310%葡萄糖溶液-272%明胶、10%葡萄糖溶液-322%明胶、10%蔗糖溶液-1910%明胶、10%葡萄糖、0.85%氯化钠溶液-36脱脂牛乳-26马血清-35有冻干箱内预冻和冻干箱外预冻两种。
将溶液物质分装于小瓶、安瓿等小容器，置冻干箱的分层搁板上后密闭，在一40℃以下进行预冻，称为箱内预冻；如分装后置一40℃以下低温冰箱冻结后再移入冻干箱内进行冻干的称箱外预冻。
此外，如大装量的血浆制剂等则在箱外采用旋转冻结法预冻后再移入冻干箱内冻干。
预冻对冻干制品的质量至关重要。
影响预冻效果的因素有以下几个方面：（1）溶液物质的组分与浓度生物制品通常由水、生物活性物质（微生物、酶、蛋白质等）和保护剂（高分子物质、低分子物质等）组成，其中水以外的物质应含有一定比例才能保持冻干后的干物质具有一定的理化学性状，通常在4%~25%。
（2）装量物质在冻干时，容器的表面积与物质厚度比是一定的，亦即冻干与装量有关。
表面积大，厚度小有利于水分子升华，冻干容易而质量理想。
通常装量为容器容量的1/5~1/4，厚度不超过10mm。
（3）预冻速度溶液物质在冻结过程中由于机械效应和溶质效应而对细胞的活性有一定破坏作用，因此，每种物质都有不同的最低预冻温度、最短预冻时间和最佳预冻速度。
此三项数值可根据不同物质的共熔点、冻干机性能通过实验获得。
生物制品一般预冻时间为3~4h即可开始升华。
3.干燥制品干燥过程分两个阶段。
（1）升华干燥阶段在共熔点温度将冻结物质中的水分除去的过程称为升华。
冻结物质的共熔点温度亦即其升华温度，因此，必须对冻结物质加热，但温度不能超过其共熔点温度。
而低于共熔点温度过多，则升华速率降低，升华时间延长。
升华的进行取决于制品升华表面与冷凝器冷霜表面之间水蒸气的压力差，冻干箱内的压强一般为10~30Pa时，冻结物质容易获得热量，升华速度增加，压强超过30Pa时，产品吸收热量减少，升华速度减慢，发生融化。
升华干燥时间的长短与制品的共熔点、装量厚度、供热量等因素相关，经升华可除去90%以上的水分。
（2）解析干燥阶段使与物质结合的水分子通过加热方式除去的过程称为解析干燥。
通常在加热下迅速使物质温度上升到25~30℃，冻干箱内的压强控制在15~30Pa下进行解析干燥。
解析干燥的时间与物质品种有关，耐热物质解析干燥时间短；与残水量要求有关，对残水量要求越低的产品，解析干燥时间越长；与冻干机组的性能有关。
4.冻干的后处理冻干程序结束后，冻干箱仍处于真空状态，放入无菌干燥空气或氮气后才能打开箱门，取出制品。
干燥制品一旦暴露在空气中，即迅速吸收空气中的水分而潮解，并增高制品的含水量，或因氧气侵人而引起不可逆的氧化作用。
因此，必须迅速加塞和压盖。
干燥制品的加塞有箱内加塞法和箱外加塞法两种。
（1）箱内加塞法是根本防止干燥制品受空气中水分和氧气影响的方法。
采用有特殊装置的冻干箱和特制的瓶与塞相配合，冻干箱配有液压或气压压塞的动力装置；具有四脚的丁醛胶塞安置在冻干瓶口上，在真空或放入惰性气体下进行自动压塞。
箱内加塞须注意：①由于冻干瓶口上有四脚胶塞，从而增加了水气溢出阻力，因此，需相应调整冻干曲线，加热要适当减慢，时间要适当延长；②冻干箱内各板层的冻干瓶要安排均匀，缺少部分要用同样的带塞空瓶补足，以保证压力均等；③压塞力不易过大，由于箱内板层是串联的，即一层的压力即为全箱的压塞总力，每一层的力就是每一瓶所需的力乘以该层上放置的瓶数。
例如：每瓶压塞需力为5kg，每一板层放置1000瓶，则压塞的力为：5kg×1000=5000kg。
（2）箱外压塞法在冻干结束后，即放入无菌干燥空气或氮气，开启冻干箱门，迅速加塞，抽真空，封蜡，或加塞、压盖铝帽再抽空。
如制品数量多而封口时间过长时，则可分批出箱或转移到另一干燥箱内后分批进行封口。
三、冻于保护剂冻干保护剂又称稳定剂或分散剂，是指在冻干过程中及其后使生物制品的活性物质免受破坏的一类物质。
（一）保护剂的组成与功能生物制品冻干保护剂通常由三类物质组成，并由此三类物质组合成适用于各种生物制品的各种类型的冻干保护剂。
1.低分子物质包括糖类和氨基酸类。
低分子物质可产生均匀的混悬液，使微生物保持稳定的存活状态及对水分子起缓解作用；并能使冻干生物制品仍含有一定量水分；还可促进高分子物质形成骨架，使冻于制品呈多孔的海绵状，从而增加溶解度。
2.高分子物质范围很广，种类甚多。
高分子物质在冻干生物制品中主要起骨架作用，防止低分子物质的碳化和氧化；保护活性物质不受加热的影响；使冻干制品形成多孔性、疏松的海绵状物，从而使溶解度增加。
3.抗氧化剂包括一些有机的和无机的物质。
抗氧化剂具有抑制冻干制品中的酶作用，从而促进、保持微生物等活性物质的稳定性。
（二）常用的冻干保护剂各类微生物适用的保护剂很多，不同国家的配制方法也不相同。
即使同一种制品使用的保护剂组成也不一样，例如：鸡新城疫弱毒疫苗，我国选用5%蔗糖脱脂乳为冻干保护剂，而日本则用5%乳糖、0.15%聚乙烯吡咯烷酮、1%马血清或0.4%蔗糖脱脂乳、0.2%聚乙烯吡咯烷酮作保护剂。
1.不同微生物适用的保护剂由于细菌、病毒、支原体、立克次氏体、酵母菌等生物学特性不同，其适用的冻干保护剂也不相同。
病原性细菌：适用的冻干保护剂有10%蔗糖，5%蔗糖脱脂乳，5%蔗糖，1.5%明胶，10%~20%脱脂乳，含1%谷氨酸钠的10%脱脂乳，5%牛血清白蛋白的蔗糖，灭活马血清等。
厌氧细菌：含0.1%谷氨酸钠的10%乳糖，10%脱脂乳，7.5%葡萄糖血清等。
病毒：常用下列物质的不同浓度或按不同的比例混合组成冻干保护剂。
这些物质有明胶、血清、谷氨酸钠、羊水、蛋白胨、蔗糖、乳糖、山梨醇、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮等。
支原体：50%马血清、1%牛血浆清蛋白、5%脱脂乳、7.5%葡萄糖加马血清等。
立克次氏体：常用10%脱脂乳。
酵母菌：可用马血清或含7.5%葡萄糖的马血清，含1%谷氨酸钠的10%脱脂乳。
2.几种兽用生物制品常用的保护剂（1）5%蔗糖（乳糖）脱脂乳保护剂用蔗糖（乳糖）5g，脱脂乳加至100ml，经充分溶解后100C蒸气间歇灭菌3次，每次30min，无菌检验后用于配苗。
用于羊痘冻干苗、鸭瘟冻干苗的保护剂。
（2）明胶蔗糖保护剂明胶2%~3%（重量/容积）、蔗糖5%（重量/容积）、硫脲1%~2%（重量/容积）。
先将12%~18%明胶液、30%蔗糖液和6%~12%硫脲液加热溶解，116C高压灭菌30~40min。
然后按组成比例进行配苗。
适用于猪肺疫弱毒冻干苗、猪丹毒弱毒冻干苗等细菌性疫苗保护剂。
（3）聚乙烯吡咯烷酮乳糖保护剂聚乙烯吡咯烷酮K30～35量1g，乳糖10g，蒸馏水加至100ml。
混合溶解后，120℃高压灭菌20min，经无菌检验后用于配苗。
（4）SPGA保护剂蔗糖76.62g，磷酸二氢钾0.52g，磷酸氢二钾1.64g，谷氨酸钠0.83g，牛血清白蛋白10g，无离子水加至1000ml，混合溶解后滤过除菌，经无菌检验后，用于鸡马立克氏病、火鸡疱疹病毒疫苗等的配苗。
2.冻干保护剂的作用机理（1）“水替代”假说冻干保护机理中的“水替代”假说认为，当冷冻干燥时，保护剂可与生物大分子的失水部位形成氢键，替代保持生物大分子空间结构和生物活性所必需的水分子，从而减轻了生物大分子冻干损伤。
1）保护剂对细菌细胞膜的保护水分子可通过氢键与细胞膜中磷脂的极性端相连，而且每个磷脂的极性端与其他磷脂分子的极性端被水分子隔开。
当磷脂干燥脱水时，极性端的密度增加，使处于液晶态的脂膜变成凝胶态，导致细胞膜结构发生相变，在室温下复水时，处于凝胶态的干燥质膜又经历了从凝胶态到液晶态的转变，由于膜经历了状态的转变，某些区域产生缺陷，使得膜渗漏，造成细胞死亡。
冻干保护剂特别是糖类保护剂分子上的羟基具有与膜磷脂上的磷酸集团连接形成氢键的能力，从而阻止和限制细胞膜因脱水而融合，降低相变温度（Tm），使脂膜不易向凝胶相转变而保持液晶相，增加膜的流动性。
Samuel等利用傅立叶变换红外光谱法（FTIR）测量了E.coli和B.thuringiensis的膜相变温度，干燥时不加糖，E.coli和B.thuringiensis的Tm 高于室温，干燥时加入海藻糖或蔗糖，可使干燥细胞的Tm降至室温之下。
天然保护剂中的血浆脂蛋白和卵黄脂蛋白具有与细胞膜脂蛋白类似的β折叠结构，两者具有良好的亲和性，从而对膜脂蛋白具有良好保护作用。