在可持续农业的浪潮中，微生物制剂正成为替代化学农药和肥料的关键力量。然而，如何让这些活生生的微生物在货架上存活数月甚至数年，是摆在科研人员和产业界面前的一道难题。冷冻干燥与喷雾干燥，作为两大主流的干燥技术，各有什么绝招？又该如何选择？本文将为您深度解析。

一、引言：为什么微生物需要“干燥”？

根据联合国粮农组织的数据，到2050年，全球农业产量需要增加70%-100%才能养活预计的人口。然而，仅仅扩大现有高投入农业系统的规模是不可行的，这将带来严重的环境后果。

微生物制剂（包括生物农药、生物肥料和生物刺激素）作为绿色替代方案正在快速发展。预计到2029年，全球生物农药市场将达到156.6亿美元，生物肥料和生物刺激素市场分别达到52亿美元和76亿美元，年复合增长率超过10%。

然而，这些活着的“小战士”需要被妥善保存。液体剂型存在稳定性差、易污染等问题，而固体剂型则具有更好的稳定性、更长的保质期、更低的运输成本。这就引出了本文的核心：如何将液态的微生物发酵液转化为稳定的固体粉末？

固体微生物生物制剂开发所涉及的步骤

二、微生物制剂的“身份证”：什么是固体微生物制剂？

固体微生物制剂是将活性微生物（核心材料）与载体材料（壁材、保护剂）结合，在适当时间释放适量活性细胞的配方产品。常见形式包括颗粒剂、可湿性粉剂、水分散粒剂等。

2.1 微生物选择：没有“一刀切”的解决方案

每种微生物都是独特的，因此处理工艺也不尽相同。影响微生物在干燥过程中存活率的因素包括：

（1）培养物的年龄和生长速率；

（2）生长培养基的类型；

（3）温度降低的幅度和速率；

（4）生长模式。

关键发现：通常认为革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌需要更少的保护，但每种菌株可能都需要个性化的考量。

2.2 载体材料的选择：寻找“保护伞”

理想的载体需要满足：

（1）确保高存活率；

（2）在储存期间维持休眠或活力；

（3）对细胞无毒；

（4）经济且易于使用。

常用保护剂类型：

协同效应：多种保护剂的混合物往往比单一化合物提供更好的保护，这归因于添加或协同的保护效果。

三、冷冻干燥技术：低温保鲜的“王者”

3.1 工作原理

冷冻干燥（冻干）是一个三阶段过程：

冷冻：将材料冷冻至共晶点以下，这是最关键的一步，影响产品结构；

一次干燥：在真空条件下，冰直接升华为水蒸气，去除约95%的水分；

二次干燥：通过升温解吸去除结合水，最终水分含量通常为0.5%-3%。

3.2 为什么能保护微生物？

冷冻干燥对微生物的保护机制主要包括：

玻璃态形成：糖类等保护剂形成无定形玻璃态基质，将细胞“锁”在其中；

水替代理论：糖分子通过氢键与膜脂和蛋白质结合，替代水分子的位置；

渗透调节：多元醇等物质调节细胞内外的渗透压平衡。

比如，使用海藻糖作为保护剂时，某些菌株的存活率可从不足10%提升至80%以上。

3.3 典型工艺流程

以乳酸菌为例的冻干流程：

（1）发酵培养至对数后期；

（2）离心收集菌体；

（3）与保护剂混合（如脱脂奶粉、蔗糖、海藻糖）；

（4）-80℃预冻（通常12-24小时）；

（5）一次干燥：-35℃至0℃，压力0.09-0.2 mbar，持续20-24小时；

（6）二次干燥：升温至25-30℃，压力0.01-0.02 mbar，持续3-8小时；

（7）密封包装。

3.4 冷冻干燥的优势与局限

四、喷雾干燥技术：高效连续生产的“利器”

4.1 工作原理

喷雾干燥是将液体悬浮液雾化后喷入热空气室中，快速蒸发水分形成干颗粒的过程：

雾化器类型：压力喷嘴、旋转雾化盘、气动雾化器、超声喷嘴等。

4.2 关键工艺参数

值得注意的是，虽然进风温度可能高达150-220℃，但由于水的蒸发冷却效应，液滴温度通常保持在100℃以下，这为热敏性微生物的存活创造了条件。

4.3 保护剂的作用机制

喷雾干燥中保护剂的作用：

形成玻璃态基质：麦芽糊精等形成无定形固体，提供结构支撑

减少热应激：乳清蛋白等成膜物质形成保护层

维持水分平衡：海藻糖等调节细胞内水分

研究案例：白僵菌Blastospores经喷雾干燥后，水分含量降至5%以下，使用脱脂奶粉作为载体时存活率显著提高，在28℃储存条件下保持良好货架期。

4.4 喷雾干燥的优势与局限

五、两大技术对比：如何选择？

5.1 核心技术参数对比

5.2 选择决策树

5.3 实际应用案例

案例1：乳酸菌喷雾干燥

使用乳清蛋白浓缩物/普鲁兰/海藻糖作为保护剂，结合喷雾干燥和冷冻干燥处理，实现了高存活率。研究表明，保护剂的组合使用比单一保护剂效果更好。

案例2：白僵菌的两种干燥方式对比

喷雾干燥：使用脱脂奶粉为载体，进风温度80-100℃，出风温度30℃

冷冻干燥：预冻-80℃，干燥24小时

两者均成功生产出具有良好货架期和毒力的产品，但喷雾干燥的成本优势明显。

冷冻干燥与喷雾干燥工艺对比图

六、工艺放大的挑战与对策

6.1 冷冻干燥的放大难题

冷冻干燥从实验室到工业放大的主要挑战：

设备差异：不同规模设备的热质传递特性不同；

升华速率控制：需要精确理解设备设计对蒸汽流动的影响；

工艺参数转移：搁板温度、升温速率、腔室压力需要重新优化。

解决方案：采用基于科学的方法（QbD），结合数学建模，而非简单的试错法。

6.2 喷雾干燥的放大考量

七、农业微生物制剂的应用实例

代表性微生物及其应用

八、未来展望：从实验室到田间

8.1 技术创新方向

智能保护剂设计：利用计算机辅助筛选最优保护剂组合；

连续冻干技术：突破批次式生产的限制；

低温喷雾干燥：降低进风温度，扩展适用范围；

多菌株复合制剂：实现协同效应，扩大防治谱；

纳米材料辅助：提高包埋效率和控释性能。

8.2 产业化挑战

法规障碍：各国生物农药注册要求差异大，全球协调有待加强

消费者认知：对活微生物的焦虑需要科普教育

质量标准：CFU计数、货架期等指标的标准化

成本控制：在保证质量的前提下降低生产成本

8.3 市场趋势

全球微胶囊市场预计到2026年将达到134亿美元，年复合增长率10.3%。农业领域的微胶囊农药和肥料是主要增长动力，公司如巴斯夫和先正达正在积极布局这一领域。

九、结论

冷冻干燥和喷雾干燥是生产固体微生物制剂的两大主流技术，各有千秋：

冷冻干燥是热敏性微生物的“保护神”，产品质量优异，但成本高昂，适合高附加值产品

喷雾干燥是连续高效生产的“发动机”，成本可控，适合大规模生产具有一定耐热性的菌株

选择哪种技术，需要根据目标微生物的特性、产品定位、产能需求和成本预算综合考量。无论选择哪种技术，合适的载体/保护剂选择、工艺参数优化和严格的质量控制都是成功的关键。

在可持续农业的大趋势下，固体微生物制剂的开发和应用将越来越重要。干燥技术的进步，正在将这些微小的“农业卫士”从实验室带到广阔的田野，为绿色农业的发展贡献力量。

本文基于Luft L, Mazutti MA发表于 Processes 期刊的综述文章《Freeze and Spray Drying Technologies to Produce Solid Microbial Formulations for Sustainable Agriculture》整理（Processes 2025, 13, 2188. DOI: 10.3390/pr13072188）

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