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菌種凍干是微生物保存領域中的一項關鍵技術
點擊次數：899 更新時間：2025-07-03
菌種凍干(Lyophilization，又稱冷凍干燥)是微生物保存領域的一項關鍵技術，通過低溫冷凍→真空升華→解析干燥三步法，將菌體中的水分以冰晶形式直接升華去除，獲得含水量低(通常<5%)的干燥菌粉。
菌種凍干的核心在于通過物理狀態變化實現菌體脫水，同時保留其生物學活性。其工藝流程可分為三個階段：
1.預處理階段：保護劑添加與菌體穩定
保護劑選擇：糖類(如海藻糖、蔗糖)：通過氫鍵替代水分子與菌體蛋白質結合，防止冷凍導致的蛋白質變性；
蛋白質類(如牛血清白蛋白、脫脂奶粉)：形成包裹層，減少冰晶對細胞膜的機械損傷；聚合物(如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇)：調節溶液粘度，控制冰晶生長速率。
菌體懸浮：將菌體與保護劑按一定比例(通常1:1~1:5)混合，制成濃度約10~100 CFU/mL的懸浮液，確保凍干后菌粉的活菌數達標。
2.冷凍階段：冰晶形成與細胞保護
快速冷凍(-80℃以下)：通過液氮或超低溫冰箱實現，使菌體周圍水分迅速形成細小冰晶(直徑<10 μm)，減少冰晶對細胞膜的穿刺損傷；
慢速冷凍(-20℃至-40℃)：適用于部分對低溫敏感的菌種(如某些放線菌)，通過控制降溫速率(0.5~1℃/min)，允許細胞內水分逐步外排，減少胞內冰晶形成。
3.升華干燥階段：真空環境下去除游離水
真空系統啟動：當樣品溫度降至-40℃以下時，開啟真空泵(壓力通常<10 Pa)，使冰晶直接從固態升華為氣態(無需經過液態)；
物理原理：根據克勞修斯-克拉佩龍方程，低溫下冰的飽和蒸氣壓遠低于水，因此真空環境可加速冰晶升華。
加熱控制：通過隔板加熱(溫度范圍-20℃~30℃)提供升華潛熱(約2838 kJ/kg)，避免樣品溫度過低導致升華速率下降；
4.解析干燥階段：去除結合水
提高溫度(20℃~40℃)：在升華干燥完成后，進一步升高樣品溫度，破壞菌體與結合水之間的氫鍵，將殘留水分(通常1%~3%)降低；
作用：結合水是微生物代謝活動的主要介質，去除后可抑制酶活性與化學反應，顯著延長菌種保存期。
終點判斷：通過壓力上升測試(Pressure Rise Test)或殘余水分分析(如卡爾費休法)確認干燥完成，通常總干燥時間需12~48小時。
劉先生
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