ไลโอฟิไลเซอร์ช่วยเพิ่มคุณภาพการเก็บรักษาอาหารได้อย่างไร?

พื้นฐานของเครื่องลิโอฟิไลเซอร์: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังกระบวนการอบแห้งแบบแช่แข็ง

การเปลี่ยนสถานะโดยการระเหิดภายใต้สุญญากาศ: น้ำแข็งเปลี่ยนโดยตรงจากรูปของแข็งเป็นไอ

เทคโนโลยีเครื่องทำแห้งแบบแช่แข็ง (Lyophilizer) ทำงานโดยอาศัยหลักการการระเหิดเป็นหลัก ซึ่งคือกระบวนการที่น้ำแข็งในสถานะของแข็งเปลี่ยนแปลงโดยตรงเป็นไอน้ำโดยไม่ผ่านสถานะของเหลวมาก่อน กระบวนการนี้เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่ควบคุมอย่างแม่นยำ มักตั้งค่าความดันไว้ต่ำกว่า 0.006 เท่าของความดันบรรยากาศ โดยอยู่ต่ำกว่าจุดสามทาง (triple point) ของน้ำเล็กน้อย ซึ่งอยู่ที่อุณหภูมิประมาณ 0.01 องศาเซลเซียส การขจัดสถานะของเหลวออกไปช่วยป้องกันการเคลื่อนที่ของน้ำที่อาจก่อให้เกิดอันตราย รักษาโครงสร้างของเซลล์ให้คงสมบูรณ์ รักษาโปรตีนให้อยู่ในรูปร่างที่เหมาะสม และป้องกันไม่ให้วัสดุชีวภาพที่บอบบางเสียหาย เครื่องทำแห้งแบบแช่แข็งสำหรับงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ระบบสุญญากาศกำลังสูงและคอนเดนเซอร์เย็นจัดเพื่อดักจับไอน้ำให้กลับกลายเป็นน้ำแข็งอีกครั้ง เครื่องเหล่านี้สามารถขจัดความชื้นออกได้มากกว่าร้อยละ 95 ในขณะที่ยังคงรักษารูปทรงและโครงสร้างดั้งเดิมของตัวอย่างไว้เกือบเท่าเดิมหลังจากการแช่แข็ง

กระบวนการสามขั้นตอน: การแช่แข็ง การทำแห้งขั้นต้น และการทำแห้งขั้นทุติยภูมิ อธิบายอย่างละเอียด

การแช่แข็งแล้วทำแห้ง (Freeze-drying) ดำเนินการผ่านสามขั้นตอนที่ดำเนินตามลำดับและมีลักษณะเชิงเทอร์โมไดนามิกที่แตกต่างกัน:

1. การแช่แข็ง การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วให้ลดลงถึง –40°C ถึง –50°C จะก่อให้เกิดผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กและสม่ำเสมอ—ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อการรักษาโครงสร้างของเซลล์ให้คงรูป และการจัดตั้งโครงสร้างรูพรุนที่เหมาะสมในแมทริกซ์ที่ผ่านการอบแห้ง
2. การอบแห้งขั้นแรก ภายใต้สภาวะสุญญากาศ (<0.1 มิลลิบาร์) การให้ความร้อนแบบควบคุมบนชั้นวาง (–20°C ถึง 0°C) จะขับเคลื่อนกระบวนการการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นไอโดยตรง (sublimation) ไอน้ำจะเคลื่อนย้ายจากผลิตภัณฑ์ไปยังคอนเดนเซอร์ ทำให้กำจัดความชื้นรวมได้ประมาณ 93% โดยไม่เกิดปรากฏการณ์ 'melt-back' หรือโครงสร้างยุบตัว
3. การอบแห้งขั้นที่สอง ที่อุณหภูมิของชั้นวางที่สูงขึ้น (20°C ถึง 40°C) ความชื้นที่ยังคงผูกพันอยู่ (residual bound water) จะถูกกำจัดออกผ่านกระบวนการแพร่กระจายเชิงโมเลกุล (molecular diffusion) จนเหลือความชื้นสุดท้ายต่ำกว่า 2% ซึ่งเป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการยับยั้งจุลินทรีย์และการรักษาเสถียรภาพทางเคมีในระยะยาว

การรักษาคุณค่าทางโภชนาการ: เหตุใดเครื่องไลโอฟิไลเซอร์จึงสามารถรักษาวิตามินและสารชีวภาพ (bioactives) ได้ดีกว่าวิธีการใช้ความร้อน

การปกป้องสารที่ไวต่อความร้อน (เช่น วิตามินซี วิตามินบี โพลีฟีนอล)

กระบวนการแช่แข็งแห้งช่วยรักษาสารอาหารที่ไวต่อความร้อนเหล่านี้ไว้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากขั้นตอนแรกของการทำให้แห้งไม่ผ่านขั้นตอนที่ใช้ความร้อนสูงเลย วิธีการแบบดั้งเดิม เช่น การอบแห้งด้วยเตา การพ่นแห้ง (spray drying) หรือการกลิ้งแห้ง (drum drying) มักดำเนินการที่อุณหภูมิระหว่าง 110 ถึง 150 องศาเซลเซียส ซึ่งอาจทำลายองค์ประกอบที่บอบบางจำนวนมากได้ แต่กระบวนการแช่แข็งแห้งทำงานต่างออกไป โดยส่วนใหญ่ของกระบวนการจะรักษาอุณหภูมิให้เย็นอยู่ตลอดเวลา และจะเพิ่มอุณหภูมิขึ้นเล็กน้อยเท่านั้นในระยะที่สองของการทำให้แห้ง ซึ่งยังคงต่ำกว่าระดับอุณหภูมิที่จะทำลายสารประกอบส่วนใหญ่ได้อย่างมาก งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระบุว่า อาหารที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งแห้งสามารถรักษาวิตามินซีไว้ได้มากกว่าร้อยละ 97 รวมทั้งวิตามินบีส่วนใหญ่และโพลีฟีนอลเป็นส่วนใหญ่ เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการอบแห้งแบบทั่วไป ซึ่งเราอาจโชคดีที่จะรักษาสารอาหารไว้ได้เพียงประมาณร้อยละ 40 ถึง 60 เท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น แอนโธไซยานินและคาเทชิน ซึ่งเป็นสารจากพืชที่ให้สีสันสดใสเหล่านี้ มักเสื่อมสลายอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 70 องศาเซลเซียส แต่กลับคงสภาพได้ดีมากภายใต้กระบวนการแช่แข็งแห้ง ดังนั้นอาหารจึงยังคงรักษาพลังต้านอนุมูลอิสระไว้ได้ รวมทั้งประโยชน์ต่อสุขภาพทั้งหมดที่มาพร้อมกับสารเหล่านั้น

การยับยั้งการย่อยสลายโดยเอนไซม์และการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิต่ำ

เมื่อแช่แข็งอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำกว่าลบ 40 องศาเซลเซียส เอนไซม์ต่างๆ เช่น โพลีฟีนอลออกซิเดส (polyphenol oxidase) และเพอร์ออกซิเดส (peroxidase) จะหยุดทำงาน ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เกิดจุดสีน้ำตาลและป้องกันไม่ให้สารอาหารสูญเสียออกไปก่อนเริ่มกระบวนการอบแห้ง นอกจากนี้ การสร้างสุญญากาศยังช่วยดึงออกซิเจนรอบๆ วัตถุดิบออกได้มากกว่าร้อยละ 99 ทำให้ไขมันและสารประกอบจากพืชที่ละเอียดอ่อนเสียหายลดลงอย่างมีนัยสำคัญ งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Food Chemistry ระบุว่า อัตราการเกิดออกซิเดชันของผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งแล้วอบแห้ง (freeze dried) ต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ที่อบแห้งด้วยอากาศทั่วไปประมาณ 12 เท่า ซึ่งช่วยรักษาสารสำคัญที่มีประโยชน์ต่อสุขภาพให้มีความเสถียรได้นานกว่าสองปี โดยไม่จำเป็นต้องใช้สารกันบูดสังเคราะห์หรือเก็บรักษาไว้ในที่เย็นตลอดเวลา

อายุการเก็บรักษายาวนาน: วิธีที่ไลโอฟิไลเซอร์ (lyophilizers) ช่วยให้ผลิตภัณฑ์มีความเสถียรในระยะยาวโดยไม่ต้องใช้ตู้เย็น

ค่าความชื้นวิกฤต (<2%): การยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และการเสื่อมสภาพทางเคมี

เครื่องทำแห้งแบบแช่แข็ง (Lyophilizers) ช่วยยืดอายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์ให้คงอยู่ได้ที่อุณหภูมิห้อง โดยลดปริมาณความชื้นลงต่ำกว่า 2% ซึ่งส่งผลให้กิจกรรมของน้ำ (Water Activity: Aw) ลดลงต่ำกว่า 0.2 เมื่อกิจกรรมของน้ำลดลงถึงระดับนี้ จุลินทรีย์ส่วนใหญ่จะหยุดการเจริญเติบโต เอนไซม์จะทำงานช้าลงอย่างมาก และปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ เช่น ปฏิกิริยาเมลลาร์ด (Maillard reactions) ที่ทำให้เกิดสีน้ำตาล ก็จะหยุดเกิดขึ้นเกือบทั้งหมด การอบด้วยลมร้อน (Hot air drying) ไม่ให้ผลดีเท่าเทียมกัน เนื่องจากมักทิ้งจุดที่มีความชื้นไม่สม่ำเสมอไว้ และก่อให้เกิดชั้นผิวนอกที่แข็งตัว ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งและทำแห้งจึงมีโครงสร้างคล้ายฟองน้ำ ซึ่งรักษากิจกรรมของน้ำในระดับต่ำอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งมวลสาร เนื่องจากข้อได้เปรียบทางกายภาพและเคมีเหล่านี้ หน่วยงานกำกับดูแล เช่น สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (US Food and Drug Administration) และเภสัชตำรับยุโรป (European Pharmacopoeia) จึงกำหนดเกณฑ์ความชื้นสูงสุดที่ 2% เป็นข้อกำหนดสำคัญในการรักษาเสถียรภาพของผลิตภัณฑ์ชีวภาพปลอดเชื้อ และเพื่อประกันคุณภาพระยะยาวของผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร

ประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริง: อายุการเก็บรักษาที่อุณหภูมิห้องของอาหารที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งและทำแห้ง (Lyophilized Foods) อยู่ระหว่าง 24–36 เดือน

ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการไลโอฟิไลเซชัน (Lyophilized products) แสดงความเสถียรที่ดีเป็นเวลาประมาณ 2 ถึง 3 ปี เมื่อเก็บรักษาที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วในหลายบริบท รวมถึงการแปรรูปอาหาร การผลิตยา และชุดทดสอบวินิจฉัย เมื่อดำเนินการทดสอบอายุเร่ง (accelerated aging tests) ตามแนวทางของ ICH ภายใต้สภาวะโซน IVb (อุณหภูมิประมาณ 30 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ์ 75%) เราพบว่า ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพ (potency) ของผลิตภัณฑ์ สียังคงสม่ำเสมอ และเนื้อสัมผัสยังคงใกล้เคียงกับผลิตภัณฑ์ที่เพิ่งผลิตใหม่ เหตุผลที่เป็นเช่นนี้คือ ระหว่างกระบวนการแช่แข็งแห้ง (freeze drying) ผลิตภัณฑ์จะผ่านหลายขั้นตอน โดยน้ำจะถูกกำจัดออกก่อนด้วยการแช่แข็งให้กลายเป็นน้ำแข็ง จากนั้นให้น้ำแข็งระเหิดโดยตรงเป็นไอ (sublimation) แล้วจึงกำจัดน้ำที่ยังคงผูกพันอยู่ (bound water) ที่เหลืออยู่ทั้งหมด สิ่งนี้ทำให้เกิดสถานะแก้วแบบไม่มีผลึก (amorphous glassy state) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะจำกัดการเคลื่อนที่ของโมเลกุล จึงชะลอกระบวนการย่อยสลายทางเคมีทั้งหมด หลังจากการเติมน้ำกลับ (rehydration) ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ยังคงรักษาคุณลักษณะเดิมไว้ได้มากกว่า 95% ทั้งรสชาติ กลิ่น และคุณค่าทางโภชนาการ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการอื่น เช่น การอบแห้งด้วยฝอยละออง (spray drying) หรือการอบแห้งด้วยลูกกลิ้ง (drum drying) ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งแห้งมักมีอายุการเก็บรักษานานกว่าบนชั้นวางสินค้า และยังมีประสิทธิภาพในการใช้งานที่ดีกว่าด้วย

ความซื่อสัตย์ทางอินทรีย์สัมผัส: วิธีที่เครื่องทำแห้งแบบแช่แข็งรักษาคุณลักษณะด้านรสชาติ โครงสร้าง เส้นใย สี และกลิ่น

การรักษาโครงสร้างแมทริกซ์ที่มีรูพรุนช่วยให้สามารถฟื้นคืนสภาพได้ทันทีและรักษาความแท้จริงของประสาทสัมผัส

เมื่อเราพูดถึงกระบวนการซับลิเมชัน (sublimation) สิ่งที่เกิดขึ้นคือโครงสร้างเซลล์ดั้งเดิมจะยังคงสมบูรณ์ค่อนข้างมาก สิ่งนี้หมายความว่า เราได้วัสดุที่มีรูพรุนสูงมาก ประกอบด้วยรูเล็กๆ จำนวนมาก ซึ่งสามารถกักเก็บสารประกอบที่ให้กลิ่นสำคัญต่างๆ ไว้ได้ เช่น เทอร์ปีน (terpenes) และเอสเทอร์ (esters) รวมทั้งสารสีที่ให้สีสันสดใส เช่น แอนโธไซยานิน (anthocyanins) และแคโรทีโนอิด (carotenoids) รวมถึงโปรตีนทั้งหมดที่ให้เนื้อสัมผัสแก่ผลิตภัณฑ์ ทั้งนี้ เนื่องจากไม่มีขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับสถานะของเหลว องค์ประกอบรสชาติที่บอบบางจึงไม่สูญเสียไปจากการกลั่นด้วยไอน้ำ (steam distillation) หรือเสียหายจากความร้อนที่ทำให้เปลี่ยนเป็นสารคล้ายคาราเมล ซึ่งมักเกิดขึ้นกับวิธีการอื่น เช่น การทำแห้งแบบพ่นฝอย (spray drying) หรือการทำแห้งแบบกลองหมุน (drum drying) ผลลัพธ์สุดท้ายจะมีโครงสร้างแบบกระจก (glassy structure) ที่สามารถล็อกโมเลกุลที่ไวต่อสภาวะต่างๆ ไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังคงยอมให้น้ำซึมเข้ามาได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอเมื่อมีการเติมน้ำกลับ (rehydration) ผู้เชี่ยวชาญที่ทำการทดสอบทางคลินิกระบุว่า ผลไม้ สมุนไพร และแม้แต่พรีไบโอติกส์ที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งแล้วทำแห้ง (freeze-dried) มีรสชาติใกล้เคียงกับเวอร์ชันสดมากจนแทบแยกไม่ออก ทั้งยังได้รับคะแนนสูงสุดในด้านความเข้มข้นของกลิ่น ความรู้สึกขณะรับประทานในปาก และความสามารถในการรักษาความสดใสของสีไว้ได้ดี นำเอาความจริงด้านประสาทรับรู้ทั้งหมดนี้มารวมกับปริมาณความชื้นที่เหลืออยู่ต่ำกว่า 2% จึงไม่น่าแปลกใจที่กระบวนการแช่แข็งแล้วทำแห้งยังคงเป็นวิธีที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับผลิตภัณฑ์เสริมอาหารคุณภาพสูงและผลิตภัณฑ์โภชนาการเฉพาะทางที่ใช้ในสถานการณ์ทางการแพทย์