徐 幸 童群義 -

(江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

明膠一般由動物的骨、皮、筋腱中的膠原水解獲得[1]，來源廣泛，價格低廉，具有良好的成膜性、凝膠性和溫敏性[2]，是市場上應用最廣泛的膠囊壁材[3]。但明膠分子間主要形成三股螺旋結(jié)構(gòu)，這種體系干燥制成的膠囊或膜在環(huán)境濕度較低時容易脆碎，環(huán)境濕度較高時吸濕性強，使產(chǎn)品吸潮變質(zhì)，導致有效期縮短和質(zhì)量不合格[4]。因此，增強明膠硬膠囊的機械性能的穩(wěn)定性和阻水性，對于改善明膠作為膠囊輔材的應用具有重要意義。

目前明膠硬膠囊的改性方法主要分為交聯(lián)改性和共混改性[5]。共混改性法是在一種材料中摻混一種或多種其他物質(zhì)，改變體系的化學組成和結(jié)構(gòu)，從而增強聚合物的性能以及獲得新性能[6]。國內(nèi)外對明膠硬膠囊在共混改性方面的研究較少，但通過添加親水膠體改善明膠可食性膜的研究較廣泛，而膠囊樣品與膜樣品的性質(zhì)往往具有一致性。Ciper等[7]將殼聚糖與明膠共混制備硬膠囊，發(fā)現(xiàn)可以有效改善明膠硬膠囊的易脆碎和濕度敏感性。余家會等[8]制備殼聚糖—明膠共混膜，發(fā)現(xiàn)相容性良好，殼聚糖的加入有利于降低明膠的吸水率，并改善其力學性能。

選擇合適的親水性膠體對明膠共混改性可以提高膠囊或膜的機械性能和阻水性。普魯蘭是出芽短梗霉產(chǎn)生的一種胞外黏性多糖，由麥芽三糖重復單元通過α-(1-6)-糖苷鍵連接而成，具有良好的溶解性、成膜性、化學穩(wěn)定性、生物相容性，被廣泛應用于食品和藥品領(lǐng)域[9]。劉國軍[10]制備了符合國家藥典與國家標準的普魯蘭—卡拉膠空心硬膠囊。高丹丹等[11]將普魯蘭與明膠以較低濃度復配制備可食性膜，相較于單一的明膠膜和普魯蘭膜，該復合膜的機械性能、阻隔性和透明度增強，兩者具有良好的相容性。

膜的成型機理和膠囊的成型機理相近，并且膜的制備工藝以及性質(zhì)測定相對而言更簡單[12]。膠囊呈圓柱狀的體帽套合結(jié)構(gòu)，不易測定其機械性能、水蒸氣透過系數(shù)和囊材之間的相容性，可通過研究膜的性能來反映膠囊的性能，便于確定膠囊的配方和工藝。本試驗選取普魯蘭多糖對明膠共混改性，甘油作為增塑劑，通過預試驗，在保證膠液的黏度允許其延流成膜的前提下盡量接近實際生產(chǎn)的黏度要求，控制膠液濃度為20%(w/v)，制備明膠—普魯蘭復合膜，探究普魯蘭添加量和甘油添加量對膜性質(zhì)的影響，不同濕度下的機械性能，以及明膠和普魯蘭多糖的相容性。通過膜的性質(zhì)評價膠囊的性質(zhì)，優(yōu)化囊材配比，以期為進一步制備明膠—普魯蘭空心硬膠囊提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

明膠：江蘇力凡膠囊有限公司；

普魯蘭多糖：日本林原生化有限公司上海分公司；

甘油：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

恒溫水浴鍋：HH.S21-6型，上海精密儀器廠；

數(shù)顯型分散機套裝：T18型，廣州儀科實驗室技術(shù)有限公司；

超聲波清洗器：KQ3200DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

多段可編程人工氣候箱：PQX-300A型，寧波東南儀器有限公司；

質(zhì)構(gòu)分析儀：TA.XTPlus型，英國Stable Micro Systems公司；

電熱恒溫干燥箱：202型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；

智能崩解儀：ZB-1E型，天津市天大天發(fā)科技有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-2800A型，麥儀科學儀器(上海)有限公司；

傅立葉紅外光譜儀：IS10型，美國Nicolet公司；

掃描電鏡：TM3030型，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 明膠—普魯蘭復合膜的制備 精確稱量一定量的明膠、普魯蘭、甘油，加入50 ℃去離子水，在50 ℃水浴鍋中溶脹10 min，用分散機均質(zhì)3 min，放入50 ℃水浴鍋中靜置至明膠完全溶解，超聲波消泡20 min(50 ℃，功率100 W，工作頻率53 kHz)。采用流延法制備復合膜，取約8 mL膠液倒入并平鋪于方形培養(yǎng)皿中，迅速放入人工氣候箱中干燥12 h(溫度30 ℃，相對濕度50%)。揭膜后于25 ℃、53%相對濕度條件下平衡72 h后，進行各項性質(zhì)的測定。

1.3.2 普魯蘭添加量對膜性質(zhì)的影響 固定總膠濃度20%(w/v)，甘油濃度10%(干基百分比)，探究不同普魯蘭添加量對膜性質(zhì)的影響。

1.3.3 甘油添加量對膜性質(zhì)的影響 固定總膠濃度20%(w/v)，其中明膠18%(w/v)，普魯蘭多糖2%(w/v)，探究不同甘油添加量對膜性質(zhì)的影響。

1.3.4 不同濕度下普魯蘭添加量對膜機械性能的影響

固定甘油添加量10%，制備不同普魯蘭添加量的膜樣品置于分別盛有LiCl、Mg(NO3)2、NaCl過飽和鹽溶液的干燥器中，儲存10 d，測定機械性能。

1.3.5 膜厚度的測定 在被測膜上均勻取13個點，用千分尺測量厚度，取平均值。以下性質(zhì)測定均選取厚度為(0.105±0.010) mm且完整無損、表面光潔的膜。

1.3.6 膜的機械性能測定 參照美國材料與試驗協(xié)會ASTM D 882-01標準，采用質(zhì)構(gòu)儀測定復合膜的機械性能。根據(jù)路春玲等[13]的測試方法修改如下：將膜裁剪成80 mm×15 mm長條，選取探頭A-TG，設置探頭初始間距40 mm，拉伸速率1 mm/s，在溫度25 ℃，相對濕度53%下進行測試。按式(1)、(2)分別計算抗拉強度和斷裂延伸率。

(1)

式中：

TS——抗拉強度，MPa；

F——樣品膜的最大斷裂應力，N；

b——樣品膜的寬度，mm；

d——樣品膜的厚度，mm。

(2)

式中：

EAB——斷裂延伸率，%；

L——樣品膜斷裂時的長度，mm；

L0——樣品膜拉伸前的長度，mm。

1.3.7 膜的水蒸氣透過系數(shù)測定 參照GB 1037—70的擬杯子法，在25 ℃下，于40 cm×25 cm稱量瓶中放入無水CaCl2至杯口5 mm處。以膜封口，并稱重，放入底部為去離子水、溫度為25 ℃的干燥器中，24 h后稱量，按式(3) 計算水蒸氣透過系數(shù)。

(3)

式中：

WVP——水蒸氣透過系數(shù)，g·mm/(m2·h·kPa)；

Δm——穩(wěn)定的質(zhì)量增量，g；

d——膜厚度，mm；

A——膜面積，m2；

t——時間間隔，h；

ΔP——膜兩側(cè)水蒸氣壓差，約為3.168 kPa。

1.3.8 膜的崩解時限測定 參照文獻[14]，作如下改進：將膜裁剪成2 mm×2 mm方形小膜片，同時將6片膜片放入崩解儀吊籃的不同孔隙中，加入擋板，記錄崩解時限。崩解結(jié)束的終點為吊籃內(nèi)幾乎無膜片殘留，殘留量不超過1格。

1.3.9 膜的透光率測定 將膜裁剪成0.5 cm×1.5 cm尺寸的長條，緊貼于比色皿一側(cè)，以空白比色皿為對照，用紫外分光光度計測定膜在400～800 nm下的透過率。

1.3.10 膜的傅立葉紅外光譜(FT-IR)分析 采用KRS-5型ATR探頭、DTGS檢測器，全反射法將膜在400～4 000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描，并記錄膜的紅外光譜圖。

1.3.11 膜的掃描電鏡(SEM)分析 將膜折斷，分別以水平和垂直方向固定在樣品臺上，真空狀態(tài)下鍍金，在電鏡下觀察膜表面和斷面的形貌，放大倍數(shù)為1 000，分析復合膜的相容情況。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗均進行3次以上獨立重復操作，采用Origin 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS 19.0軟件中單因素方差分析進行顯著性分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 普魯蘭對膜性質(zhì)的影響

2.1.1 機械性能 由圖1可知，隨著普魯蘭添加量的增大，膜的TS逐漸增大，由53.70 MPa增大到68.01 MPa。由于普魯蘭多糖含有大量羥基，與明膠分子的氨基與羧基形成分子間氫鍵，從而形成更強的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，增強膜的剛性。膜的EAB隨普魯蘭添加量的增大呈先增大后減小的趨勢，當普魯蘭添加量達到1%和2%時，EAB均接近最大值13%?？赡苁怯捎谄蒸斕m是一種親水性多糖，少量的添加會與甘油共同作用，增強其韌性，因此EAB升高。然而隨著普魯蘭的進一步添加，大分子聚合物相互作用增強，聚集纏繞，分子間的遷移率下降，脆性增加。姚遙等[15]制備魔芋葡甘聚糖—普魯蘭多糖復合膜，發(fā)現(xiàn)普魯蘭的添加量對膜的機械性能產(chǎn)生類似的影響，當復配比例為6∶4時兩者發(fā)生相互作用形成特殊的分子結(jié)構(gòu)形式，膜的TS和EAB最大，相容性最好，但隨著復配比例的變化復合膜的柔韌性降低。硬膠囊的機械性能不易測定，因此通過膜的TS反映膠囊的力學強度，EAB反映膠囊的韌性。由上述結(jié)果推測：添加2%的普魯蘭可以提高明膠硬膠囊的力學強度和韌性，使硬膠囊在拔殼、切割、套合、灌裝等操作中性能穩(wěn)定，不易破損變形，并具有較低的脆碎度。

大、小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 水蒸氣透過系數(shù) 由圖2可知，復合膜的WVP隨普魯蘭添加量的增大而減小。這是由于在該濃度范圍內(nèi)明膠與普魯蘭具有良好的相容性，相互作用形成分子間氫鍵。隨著普魯蘭添加量的增大，形成更加致密的膜結(jié)構(gòu)，使水分子透過膜的路徑變曲折，延長了有效擴散路徑，從而延長通過時間[16]，增強了復合膜對水分子的阻隔性，當制備成硬膠囊時可以抑制內(nèi)容物吸濕變質(zhì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.3 崩解時限 由圖3可知，膜在37 ℃純水中的崩解時限隨著普魯蘭添加量的增大而增大，但均在3.5 min內(nèi)，說明該復合膜具有良好的崩解性。由于普魯蘭與明膠分子相互作用，形成致密的膜結(jié)構(gòu)，分子有序地排列，在水中溶脹分散的時間延長，使崩解時限增大。崩解時限與WVP的測定結(jié)果一致表明普魯蘭的適量添加有助于形成致密的膜結(jié)構(gòu)。膜的崩解時限直接反映膠囊的崩解性，上述樣品均滿足藥典對明膠硬膠囊崩解時限的要求(10 min以內(nèi))。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 甘油對膜性質(zhì)的影響

2.2.1 機械性能 由圖4可知，隨著甘油添加量的增大，明膠—普魯蘭復合膜的TS先略增大，之后快速降低，當添加量在10%以內(nèi)，膜的TS均>55 MPa，強度較好。EAB則隨甘油添加量的增大而逐漸增大，預試驗發(fā)現(xiàn)當甘油添加量達到12%，膜的EAB超過15%，容易吸濕變軟，因此只討論甘油添加量在0%～10%的影響。當甘油添加量較低時，大分子鏈間形成大量氫鍵使分子鏈變得僵硬，制得的膜脆性大；而甘油作為一種小分子增塑劑，當添加量較大時，大量插入大分子鏈間，與普魯蘭的羥基、明膠的羥基、氨基、羧基形成分子間氫鍵，從而削弱大分子鏈間以及分子內(nèi)的相互作用，增大了大分子鏈的移動性，從而提高膜的柔韌性[17]。與馬慧婷[18]考察增塑劑含量對結(jié)冷膠—明膠復合膜的機械性能影響的研究結(jié)果一致。以制備明膠硬膠囊為目的，較優(yōu)的TS為55 MPa 以上，EAB為8%～15%，以免剛性過強引起脆碎，或者囊殼過軟，容易吸濕變形，在TS均較好的情況下，以EAB為主要指標，則甘油添加量為10%時機械性能較好，此時TS為60.01 MPa，EAB為13.02%。

大、小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2.2 水蒸氣透過系數(shù) 由圖5可知，當甘油添加量較低時，復合膜的WVP隨著添加量的增大而減小，而當添加量超過6%時，膜的WVP隨之增大，阻隔性變差?？赡苡捎谔砑恿枯^小時，甘油通過形成氫鍵使復合膜中的水分以更緊密的結(jié)合水形式存在，降低親水基團的暴露，對水分子的阻隔性提高。Liu等[19]在探究甘油對明膠膜增塑作用的研究表明一定量的增塑劑可通過羥基結(jié)合水分子形成更加致密的膜結(jié)構(gòu)。但隨著甘油進一步的添加，其增塑效果和親水效果極大地增強，甘油小分子穿插在膜的大分子鏈間，增加膜基質(zhì)間的空隙[20]，破壞復合膜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，水分子更易透過膜，預試驗發(fā)現(xiàn)當甘油的添加量超過10%，膜的WVP迅速增大。膜的WVP很好地反映了膠囊的阻水性，推測當添加10%的甘油，明膠—普魯蘭硬膠囊體系中水分子的遷移率較低，具備較好的阻水性。

2.2.3 崩解時限 由圖6可知，添加少量的甘油時，明膠—普魯蘭復合膜的崩解時限略有升高，隨著甘油添加量的增大，復合膜崩解時限逐漸降低。當添加量為10%時，崩解時限低于3 min。由于甘油容易進入復合膜的鏈間空隙，當添加量較大時，會破壞分子間的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；甘油含有大量羥基，通過與大分子形成氫鍵降低大分子鏈間的分子間力，增加自由體積；且甘油具有良好的親水性，使樣品更易擴散到水中[21]，從而提高膜的崩解性。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

綜上，當甘油的添加量為10%時，根據(jù)明膠—普魯蘭復合膜的性質(zhì)推測制備成硬膠囊亦具有較優(yōu)的強度和韌性、較低的脆碎度，并且具有較好的阻水性和崩解性。

2.3 明膠—普魯蘭復合膜的機械性能穩(wěn)定性

由圖7(a)可知，在低濕環(huán)境RH 13%中儲存10 d，膜的TS顯著提高，均高于110 MPa，EAB隨著普魯蘭添加量的增大而增大并逐漸趨于穩(wěn)定，當添加量為2%時，復合膜的EAB達到最大值9.66%，相比明膠膜的EAB(4.40%)提高了1.19倍，說明普魯蘭的添加可以改善明膠

圖7 不同濕度條件下膜的機械性能

硬膠囊低濕環(huán)境下的脆碎性?？赡苁怯捎谄蒸斕m是多羥基的大分子，具有良好的親水性，與水分子產(chǎn)生較強的相互作用，從而“鎖住”水分子，水亦可作為一種增塑劑，與甘油共同增強膜的韌性。由于中藥干燥易吸濕，以明膠硬膠囊作為囊材時，水分容易轉(zhuǎn)移至藥物中，使膠囊殼的水分含量降低而發(fā)生脆碎。上述結(jié)果表明：普魯蘭的添加可以降低干燥環(huán)境下明膠膜中水分子的遷移率，因此推測普魯蘭對明膠硬膠囊共混改性在中藥囊材方面具有應用潛力。

如圖7(b)所示，在中濕環(huán)境RH 53%中儲存，隨著普魯蘭添加量的增大，膜的TS略減小，EAB略增大，但變化趨勢很小。如圖7(c)所示，在高濕環(huán)境中，膜的TS顯著降低，EAB顯著升高，由于明膠與普魯蘭都具有良好的親水性，濕度較高時膜吸收大量水分，水分子體積小，擴散至膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，削弱大分子間的相互作用，使原本致密的膜結(jié)構(gòu)變得疏松，機械性能變差。膜的TS隨著普魯蘭的添加呈先增大后減小的趨勢，當普魯蘭添加量為2%時，TS達到最大值34.12 MPa。膜的EAB隨著普魯蘭的添加先略微減小后增大，且均>40%；當添加量在1%～2%時，復合膜的EAB低于明膠膜；當普魯蘭添加量達到3%時，EAB迅速升高，達到70.92%，此時普魯蘭良好的親水性導致復合膜極易吸潮，質(zhì)地變軟，發(fā)生粘連，不適合生產(chǎn)硬膠囊。

綜上，普魯蘭添加量為2%時，復合膜在低濕環(huán)境下的TS和EAB最大，高濕環(huán)境下TS最大，EAB最小，說明此時復合膜的機械性能穩(wěn)定性最優(yōu)。在此配比下，明膠與普魯蘭的相容性最好，形成致密的膜結(jié)構(gòu)，提高聚合物的機械性能及穩(wěn)定性。選擇具有穩(wěn)定機械性能的配方制備硬膠囊可以降低產(chǎn)品在運輸、儲存過程中由于環(huán)境變化引起的品質(zhì)劣化，用作中藥的囊材包裝可降低脆碎度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 明膠—普魯蘭復合膜的相容性表征

2.4.1 透光率 聚合物的光學性能主要包括透明性和表面反光性等。透明性可以通過紫外分光光度計進行全波長掃描，以透光率表征[18]。通常相容性較好的聚合物制備的復合膜在可見光范圍內(nèi)具有較高的透明度。由圖8可知，普魯蘭膜和明膠膜均具有較高的透光率，隨著普魯蘭添加量的升高，復合膜的透光率略有降低，但在450～800 nm的可見光范圍內(nèi)，所有復合膜的透光率均>80%，說明復合膜中明膠與普魯蘭具有較好的相容性。

2.4.2 傅立葉紅外光譜 紅外光譜能較好的反映不同聚合物之間的相互作用，因此可用于表征復合膜不同原料分子間的相容性[22]。通常，如果2種聚合物分子之間出現(xiàn)相互作用，則它們的主要吸收峰會出現(xiàn)一定的位移。隨著普魯蘭添加量的增大，氨基N—H和羥基O—H的伸縮振動峰由明膠膜中3 306 cm-1逐漸向低波數(shù)頻移至3 297，3 293，3 291，3 290 cm-1，并且吸收峰變寬、峰強變強。隨著普魯蘭添加量增大至4%，羰基的C═O伸縮振動峰由明膠膜中1 628 cm-1向高波數(shù)頻移至1 630.89 cm-1，逐漸靠近普魯蘭膜在1 642 cm-1處的吸收峰；C—O—C伸縮振動峰由明膠膜中1 033 cm-1向低波數(shù)頻移至1 030 cm-1，逐漸靠近普魯蘭膜在995 cm-1處的吸收峰，且峰強變強。說明復合膜中明膠和普魯蘭分子間發(fā)生了氫鍵作用，明膠與普魯蘭具有較好的相容性。氫鍵作用的產(chǎn)生，是復合膜機械性能及其穩(wěn)定性和水蒸氣阻隔性增強的主要原因[23]，而復合膜體系中明膠含量相對較大，復合膜的譜圖更接近明膠膜的譜圖。

圖8 明膠膜、普魯蘭膜及不同普魯蘭添加量復合膜 的透光率

Figure 8 Transparency of gelatin film, pullulan film, and composite films with different addition of pullulan

圖9 明膠膜、普魯蘭膜及不同普魯蘭添加量復合膜 的FT-IR圖譜

Figure 9 The infrared spectra of gelatin film, pullulan film, and composite films with different addition of pullulan

2.4.3 掃描電鏡 微觀結(jié)構(gòu)可以反映膜的均一性和致密性，通過觀察不同放大倍數(shù)下膜表面及斷面的表觀結(jié)構(gòu)來表征共混物組分之間的相容性[24]。由于普魯蘭的添加量為2%時，復合膜整體具有優(yōu)良的性質(zhì)，因此選取純明膠膜和明膠/普魯蘭質(zhì)量比為9∶1的復合膜在1 000倍的放大倍數(shù)下觀察膜的表面和斷面。

由圖10可知，明膠膜和復合膜的微觀結(jié)構(gòu)均勻、光滑平整，不存在裂隙和小孔，部分表面有少量顆粒狀物體，可能是倒膠與干燥過程中表面的膠液部分凝固導致膜表面不平整。明膠膜和復合膜的斷面緊密均一，無小孔，斷面上的橫紋和鱗片狀是不同程度的人工撕裂膜截面造成的。說明此時膜樣品未出現(xiàn)明顯相分離現(xiàn)象，明膠與普魯蘭具有良好的相容性。

圖10 2種膜的掃描電鏡圖

Figure 10 The cross-section Scanning Electron Micrograph of two different films (×1 000)

綜上所述，當總膠濃度為20%、普魯蘭的添加量在1%～4%時，明膠與普魯蘭具有良好的相容性，透明度高，無相分離，可用于制備硬膠囊。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，最佳成膜條件為明膠/普魯蘭質(zhì)量比為9∶1，甘油添加量10%(干基百分比)。該條件下制備的復合膜的具有較好的綜合性能，抗拉強度為59.69 MPa，斷裂延伸率為12.89%，水蒸氣透過系數(shù)為0.71 g·mm/(m2·h·kPa)，相比明膠膜降低了26%，崩解時限低于3 min，在低濕環(huán)境下的斷裂延伸率為9.66%，相比明膠膜提高了1.19倍。明膠與普魯蘭分子間具有良好的相容性，增強了復合膜的機械性能穩(wěn)定性和水蒸氣阻隔性。通過膜的性質(zhì)評價硬膠囊的性能，上述成膜條件可用于對明膠硬膠囊進行共混改性，以期提高硬膠囊的機械性能穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)流通周期的脆碎度，提高阻水性，利于藥物的質(zhì)量穩(wěn)定。本試驗對明膠與普魯蘭多糖相互作用的機理研究還不夠深入，后續(xù)可進一步通過掃描電鏡表征共混膠液的凝膠結(jié)構(gòu)，通過X-射線衍射和原子力顯微鏡表征其膜結(jié)構(gòu)，通過凝膠電泳探究明膠與普魯蘭之間是否有共價鍵的產(chǎn)生。