黨新安，唐鵬，楊立軍，盛文盼

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安，710021)

動(dòng)物明膠具有良好的成膜性、凝膠性、易吞咽等性能，占據(jù)國內(nèi)外膠囊市場(chǎng)的主要份額[1]，但明膠原料的理化性質(zhì)決定了自身易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，且存在吸濕性強(qiáng)、原料來源不明等缺陷[2-3]。為克服這一缺陷，植物空心膠囊[4-5]引起科研人員關(guān)注。李寧寧等[6]對(duì)芹菜纖維膠囊成型特性進(jìn)行了研究；盛文盼等[7]對(duì)特定纖維形態(tài)下，不同添加劑含量制備的空心膠囊膜的力學(xué)性能進(jìn)行了研討，但芹菜纖維形態(tài)與尺寸對(duì)植物空心膠囊力學(xué)性能的影響，尚未見深入報(bào)道；郭偉強(qiáng)等[8]以超低黏度海藻酸鈉為主要原料，輔以卡拉膠混凝劑制備各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的非明膠空心膠囊，但由于產(chǎn)量限制，市場(chǎng)占有率很低；吳國慶[9]以羥丙基淀粉與普魯蘭膠為主，研制非明膠空心膠囊，但普魯蘭多糖價(jià)格昂貴，難以推廣。因此深入地開展性能優(yōu)異、成本低廉的植物空心膠囊的研究，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

本文以富含膳食纖維的芹菜[10-13]作為制備植物空心膠囊的基材，通過研究不同形態(tài)下纖維的物化性能，并輔配以與纖維具有良好相容性的淀粉，使芹菜纖維之間絞連，形成膠囊殼的“骨架”，高黏度的淀粉及其他一些輔料作為黏結(jié)劑，研發(fā)一種全新的植物空心膠囊。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

芹菜濕纖維與芹菜纖維粉，由實(shí)驗(yàn)室自制；復(fù)配膠、馬鈴薯淀粉，悅普食品有限公司；卡拉膠，海南瓊海市長青瓊脂廠有限公司；結(jié)冷膠，遠(yuǎn)大食品有限公司；山梨糖醇，華陽生物有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Y80M1-4型瓦利打漿機(jī)，西安泰富西瑪電機(jī)有限公司；109-M打漿度測(cè)試儀，咸陽通達(dá)輕工設(shè)備有限公司；粉碎機(jī)，佳聲雷有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，朗越儀器制造有限公司；DJC-100增力電動(dòng)攪拌器，江蘇省大地自動(dòng)化儀器設(shè)備廠；DHG-9070A實(shí)驗(yàn)室電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，南京曉曉儀器設(shè)備有限公司；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；亞克力板、膠囊模具，陜西科技大學(xué)自制；AI-7000-NGD型拉力試驗(yàn)機(jī)，高鐵科技股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原材料的預(yù)處理

芹菜濕纖維的制備：取新鮮芹菜去根、老葉，經(jīng)80 ℃熱水燙漂后，切丁送入打漿機(jī)進(jìn)行打漿，將不同粗細(xì)程度的漿料分組倒入料筒，備用；

芹菜纖維粉的制備：將濕纖維倒入料盤送入鼓風(fēng)干燥箱，在40～50 ℃下烘干去除90%水分后，置粉碎機(jī)中粉碎，最后通過篩分裝置分組篩出不同目數(shù)的粉料，分組分袋保存。

1.3.2 膠液的制備

精確稱取馬鈴薯淀粉、結(jié)冷膠、卡拉膠、山梨糖醇，按質(zhì)量比40∶1∶6∶10溶于200 mL去離子水中，在75 ℃下的水浴鍋中加熱攪拌使其糊化后，加入芹菜濕纖維或芹菜纖維粉，繼續(xù)攪拌使膠液均質(zhì)無氣泡，在60 ℃下養(yǎng)膠20 min后取出。

1.3.3 膜的制備與抗拉強(qiáng)度測(cè)定

抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率是衡量膠囊膜力學(xué)性能[14]的重要指標(biāo)。將膠液均勻延流到35 ℃預(yù)熱后的亞克力板上，送入鼓風(fēng)干燥箱中干燥，在同一干燥失水率下取出摘膜，剪成40 mm×15 mm的矩形樣條，在25 ℃，濕度40%下置于AI-7000-NGD型拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉力測(cè)試，設(shè)定拉伸速率為4 mm/min，取5次測(cè)量結(jié)果的平均值。按公式(1)計(jì)算抗拉強(qiáng)度：

(1)

在膜上均勻取5個(gè)點(diǎn)，使用測(cè)厚儀測(cè)定厚度3次，取平均值。

1.3.4 膠囊殼的制備與檢測(cè)

取50 ℃預(yù)熱的膠囊模具，刷勻脫模油，通過蘸膠送入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥后脫模取出。將制備的膠囊殼，按照《中華人民共和國藥典》(2015版)[15]，進(jìn)行外觀、松緊度、脆碎度、干燥質(zhì)量損失、灼燒殘?jiān)阅軝z測(cè)。

1.4 芹菜纖維植物空心膠囊掃描電鏡分析

芹菜纖維植物空心膠囊干燥至絕干后，切割成5 mm×5 mm小塊，鍍金120 s后進(jìn)行掃描電鏡分析。

1.5 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5.1 濕纖維含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響

保持打漿度30°SR、復(fù)配膠含量16%不變，選取5個(gè)水平的濕纖維含量，分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%，通過1.3.2和1.3.3的方法制備膠囊膜。

1.5.2 打漿度對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響

保持纖維含量1%，復(fù)配膠含量16%不變，依次選取不同打漿度的芹菜原漿10、20、30、40、50°SR，按照1.3.2和1.3.3的方法制備膠囊膜。

1.5.3 纖維粉含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響

保持纖維目數(shù)30目、復(fù)配膠含量16%不變，選取5個(gè)水平的纖維粉含量，0%、0.5%、1%、1.5%、2%，按照1.3.2和1.3.3的實(shí)驗(yàn)方法制備膠囊膜。

1.5.4 目數(shù)對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響

保持纖維粉含量1%，復(fù)配膠含量16%不變，依次選取不同目數(shù)的芹菜纖維粉30、40、50、60、80目，按照1.3.2和1.3.3的實(shí)驗(yàn)方法制備膠囊膜。

1.5.5 復(fù)配膠含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響

保持芹菜纖維粉含量1%，粗細(xì)程度40目不變，依次改變復(fù)配膠含量12%、14%、16%、18%、20%，按照1.3.2和1.3.3的實(shí)驗(yàn)方法制備膠囊膜。

1.6 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以纖維粉含量、目數(shù)、復(fù)配膠含量3個(gè)因素為變量，抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率為指標(biāo)，設(shè)計(jì)3因素3水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 因素和水平編碼值Table 1 Factors and horizontal coding values for response surface experiments

1.7 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 濕纖維對(duì)膠囊膜性能影響的單因素試驗(yàn)

2.1.1 濕纖維的含量對(duì)膠囊膜性能影響

原漿中，除纖維的結(jié)合水外，還存在大量自由水，純纖維總含量的測(cè)定是將少量原漿干燥至絕干，稱重計(jì)算失水率后得出。本研究中，纖維含量占原漿的4.4%～4.7%。通過比例關(guān)系計(jì)算出對(duì)應(yīng)芹菜濕纖維的質(zhì)量。按照1.5.1設(shè)計(jì)濕纖維含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 濕纖維含量對(duì)薄膜力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of wet fiber content on mechanical properties of thin films

膠囊膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著濕纖維含量的增多呈先增加后減小的趨勢(shì)，在濕纖維含量為1%時(shí)達(dá)到峰值。根據(jù)蔬菜成紙理論[16]，纖維之間具有結(jié)晶性質(zhì)，相互搭接形成“骨架”，復(fù)配膠內(nèi)的分子相互作用，并黏結(jié)在纖維之間，經(jīng)過干燥后，膜表面會(huì)形成一種由相鄰纖維之間氫鍵結(jié)合所產(chǎn)生的張力，使得纖維與復(fù)配膠之間壓緊并更緊密地連接起來，力學(xué)性能增大。但隨著纖維含量繼續(xù)增加，纖維之間無法充分舒展，導(dǎo)致纖維產(chǎn)生的絞結(jié)作用、復(fù)配膠分子間的相互作用無法充分黏連，形成小塊團(tuán)聚，使膜表面粗糙。濕纖維含量大于1.5%所制膜的力學(xué)性能低于無添加纖維時(shí)的力學(xué)性能。

2.1.2 打漿度對(duì)膠囊膜性能影響

纖維的大小是影響膠囊力學(xué)性能的另一重要因素[17]，按照1.5.2設(shè)計(jì)打漿度對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 打漿度對(duì)膠囊膜力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of beating degree on mechanical properties of capsule film

膠囊膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著打漿度的增大而增大，在打漿度為30°SR時(shí)膠囊膜的力學(xué)性能最優(yōu)，隨后膠囊膜的力學(xué)性能逐漸下降。這是由于在較低的打漿度下，制備的膠囊膜長纖維含量較多，纖維未被充分打散，纖維之間絞結(jié)形成局部團(tuán)聚小塊，導(dǎo)致與復(fù)配膠分子間未充分搭接，力學(xué)性能較低；當(dāng)打漿度提高時(shí)，制備的膠囊膜長纖維數(shù)開始減少，團(tuán)聚小塊分離，纖維表面松散，使纖維的比表面積、接觸面積增大，羥基數(shù)增多，進(jìn)而增加了纖維結(jié)合力，力學(xué)性能提高[18]；但過大的打漿度會(huì)破壞纖維的細(xì)胞壁，纖維變短，分絲帚化程度增加，纖維與復(fù)配膠結(jié)合作用減小，力學(xué)性能下降。

2.2 干纖維粉對(duì)膠囊膜性能影響的單因素試驗(yàn)

2.2.1 干纖維粉的含量對(duì)膠囊膜性能影響

為對(duì)比不同形態(tài)下芹菜纖維制備膠囊膜的力學(xué)性能，纖維粉含量的選取與芹菜濕纖維相同，按照1.5.3設(shè)計(jì)纖維粉的含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 纖維粉含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of fiber powder content on mechanical properties of capsule membrane

膠囊膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著干纖維含量的增多呈先增大后減小的趨勢(shì)，在干纖維含量為1%時(shí)達(dá)到峰值。結(jié)合圖1，由干纖維粉制備的膠囊膜力學(xué)性能普遍優(yōu)于濕纖維制備的膠囊膜力學(xué)性能。這是因?yàn)榍鄄藵窭w維經(jīng)干燥粉碎后，纖維粒度變小，顆粒數(shù)增加，纖維間的孔隙增多，溶于水后導(dǎo)致水分更容易滲入，使其膨脹伸展，提高了纖維的持水性和溶脹性[19]，使纖維間的結(jié)合力有效增強(qiáng)。

2.2.2 纖維的粗細(xì)對(duì)膠囊膜性能影響

纖維粉的粗細(xì)是影響膠囊成膜性能的另一重要因素，按照1.5.4設(shè)計(jì)目數(shù)對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 目數(shù)對(duì)膠囊膜力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of number of items on mechanical properties of capsule membrane

膠囊膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著目數(shù)的增大而增大，在打漿度為40目時(shí)膠囊膜的力學(xué)性能最優(yōu)，隨后膠囊膜的力學(xué)性能逐漸下降。這是因?yàn)樵谳^小的目數(shù)下，纖維相對(duì)粗大且表面松散，纖維與復(fù)配膠接觸面積增大，進(jìn)而增加了纖維結(jié)合力，力學(xué)性能提高。而在過大的目數(shù)下，纖維變得短小，纖維之間結(jié)合作用減小，力學(xué)性能下降。結(jié)合圖1，由干纖維粉制備的膠囊膜力學(xué)性能普遍優(yōu)于濕纖維制備的膠囊膜力學(xué)性能。這是因?yàn)榍鄄酥械睦w維差異較大[20]，打漿時(shí)葉片的纖維比較容易打碎，而葉莖的纖維束粗且長，不易打碎，造成濕纖維打漿度的不均勻。而纖維粉經(jīng)打漿干燥后粉碎，用篩粉器過篩后的纖維粉其纖維整體分布相對(duì)均勻。

2.3 復(fù)配膠對(duì)膠囊膜性能影響

結(jié)合圖1～圖4對(duì)比分析不同形態(tài)下芹菜纖維對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響，結(jié)果表明，芹菜纖維粉對(duì)制備的膠囊膜力學(xué)性能影響較大，芹菜濕纖維影響較小。芹菜含有較多的膳食纖維，而膠體物質(zhì)很少，因此，膠囊產(chǎn)品需選擇適宜的黏結(jié)劑[21-22]。經(jīng)前期探索性試驗(yàn)，馬鈴薯淀粉具有黏韌性高的特性；結(jié)冷膠具有成膜性強(qiáng)的特性；卡拉膠具有增稠的特性；山梨糖醇具有保濕、增塑的特性[23-26]，它們?cè)谫|(zhì)量比為40∶1∶6∶10時(shí)形成的膠囊膜具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，因此按照1.5.5設(shè)計(jì)復(fù)配膠含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 復(fù)配膠含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of compound gum content on mechanical properties of capsule film

隨著復(fù)配膠含量的增多，膠囊膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率呈增加的趨勢(shì)，制備的膠囊膜力學(xué)性能最優(yōu)。這是因?yàn)榍鄄死w維屬大分子基團(tuán)，含量相對(duì)較多，纖維之間需要更多的黏結(jié)劑進(jìn)行搭接。在復(fù)配膠濃度較低時(shí)，部分復(fù)配膠顆粒沒有包覆在纖維之間，使纖維與復(fù)配膠結(jié)合力較小，力學(xué)性能較低；而隨著復(fù)配膠濃度的增加，馬鈴薯淀粉具有較高的黏韌性，制備出的膠液黏度過大，使膠囊殼體較厚，在復(fù)配膠含量超過16%后，黏度瞬間增大，如圖6所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定在復(fù)配膠含量不超過18%時(shí)，膠囊殼性的厚度低于0.2 mm。滿足藥典要求。

圖6 復(fù)配膠含量對(duì)漿液黏度變化Fig.6 Change of viscosity of slurry with the content of compound gum

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.4.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與顯著性分析

由單因素實(shí)驗(yàn)得到芹菜纖維粉的粗細(xì)程度、含量及復(fù)配膠含量對(duì)膠囊膜力學(xué)性能影響較大，而濕纖維對(duì)力學(xué)性能影響相對(duì)較小，根據(jù)Box-Benhnken設(shè)計(jì)，選取17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中12次析因?qū)嶒?yàn)，5次零點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，用于估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸擬合，分別得到預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度Y1和斷裂伸長率Y2的響應(yīng)值與芹菜纖維含量X1、纖維目數(shù)X2和復(fù)配膠含量X3的二次回歸方程如(2)、(3)所示:

(2)

(3)

表2 響應(yīng)面結(jié)果Table 2 Response Surface results

對(duì)2個(gè)模型方程進(jìn)行方差分析、顯著性分析和模型系數(shù)顯著性分析，結(jié)果如表3所示，2個(gè)模型的P<0.000 5，表明2個(gè)響應(yīng)面回歸方程達(dá)到極顯著水平；2個(gè)模型的失擬項(xiàng)P值均大于0.05，表明方程檢驗(yàn)不顯著，二次響應(yīng)面回歸方程能夠較好的擬合實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果；模型X1X3對(duì)力學(xué)性能的交互影響高度顯著，表明實(shí)驗(yàn)因素與響應(yīng)面值不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值有很大關(guān)系，交互影響顯著；可以判斷影響膠囊膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的因素主次是X2>X1>X3，2個(gè)模型的校正決定系數(shù)R2分別為0.961 5、0.968 1，表明抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值之間具有較高的相關(guān)性；2個(gè)模型的校正決定因素分別為0.912 1、0.927 1，表明總變異度分別僅有8.79%和7.29%不能用模型解釋；模型的變異系數(shù)CV分別為6.18%、2.93%，也表明方程擬合度較好。因此，2個(gè)模型的穩(wěn)定性高，能夠預(yù)測(cè)各因素對(duì)膠囊膜力學(xué)性能的變化。

2.4 最優(yōu)參數(shù)確定與驗(yàn)證

為直觀反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，由抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的回歸方程所建立的響應(yīng)面圖和等高線圖如圖7、圖8所示。

表3 膠囊膜力學(xué)性能回歸模型方差分析Table 3 Regression model variance analysis of mech-anical properties of capsule membrane

圖7 各因素對(duì)膠囊膜抗拉強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖Fig.7 Trend of the influence of various factors on the tensile strength of the capsule

圖8 各因素對(duì)膠囊膜斷裂伸長率影響趨勢(shì)圖Fig.8 Trend of the influence of various factors on the elongation at break of capsule membrane

纖維含量在0.8%～1.1%，復(fù)配膠含量在16%～17%，纖維粗細(xì)在40目下最利于提高膠囊膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率，結(jié)合方程與響應(yīng)面曲線分析得到最優(yōu)的工藝條件：40目的纖維含量為0.84%，復(fù)配膠的含量為16%，預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的抗拉強(qiáng)度為13.344 Mpa，斷裂伸長率為23.337%。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度為14.443 MPa，斷裂伸長率26.958%，相對(duì)誤差小于5%，因此，用所得的優(yōu)化結(jié)果制備芹菜植物空心膠囊的工藝參數(shù)具有可靠性。

2.5 膠囊性能檢測(cè)及形貌分析

經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化確定了最佳配方后，通過1.3.2和1.3.4的方法制備膠囊殼，按照藥典標(biāo)準(zhǔn)對(duì)膠囊檢測(cè)，如圖9和表4所示。

圖9 膠囊及掃描電鏡圖Fig.9 Capsule and scanning mirror diagram

表4 檢測(cè)指標(biāo)Table 4 Detection indicators

在最優(yōu)條件下，由芹菜纖維粉制備的膠囊外觀良好，表面光滑，各項(xiàng)指標(biāo)符合國家藥典標(biāo)準(zhǔn)，無裂紋、漏粉，其脆碎度、松緊度等指標(biāo)均合格。在微觀下，膠囊膜纖維之間相互搭接成骨架，其他組分包羅其中，使膠囊的力學(xué)性能提高。其表面致密性良好，水分子不易滲透膠囊殼中，為胃滯留膠囊劑的開發(fā)提供理論了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

通過改善纖維的形態(tài)與尺寸，使膠囊膜表面形成一種由相鄰纖維之間氫鍵結(jié)合所產(chǎn)生的張力，使纖維與復(fù)配膠之間壓緊并更緊密地連接起來，提高膠囊膜力學(xué)性能；同時(shí)，纖維經(jīng)干燥粉碎后，纖維間的孔隙增多，尺寸減小，溶于水后水分更容易滲入，提高了纖維的持水性和溶脹性，使纖維間的結(jié)合力有效增強(qiáng)，進(jìn)一步提升了膠囊薄膜力學(xué)性能。利用響應(yīng)面分析得到制備膠囊膜優(yōu)化的配方條件：40目的纖維含量為0.84%，復(fù)配膠的含量為16%，預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的抗拉強(qiáng)度為13.344 MPa，斷裂伸長率為23.337%。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度為14.443 MPa，斷裂伸長率26.958%，相對(duì)誤差小于5%；在此條件下制備的膠囊殼表面致密性良好，崩解時(shí)限為62 min，符合國家藥典標(biāo)準(zhǔn)。與現(xiàn)有芹菜纖維植物空心膠囊研究相比，具有表面質(zhì)量好、強(qiáng)度高、脆碎率低等優(yōu)點(diǎn)，為胃滯留新型的膠囊劑開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。