陳啟杰，趙雅蘭，蹤張揚，張 朋，王 鳳，謝瓊?cè)A，王建輝

（1 長沙理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 長沙 410076 2 長沙理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 長沙 410076）

硬膠囊作為膠囊劑的藥用輔料用于掩蓋藥物的異味，已成為現(xiàn)代醫(yī)藥和功能食品的重要包裝，具有生物利用度高、腸胃崩解快、載藥穩(wěn)定性好和藥物定位釋放能力強等優(yōu)點[1]。目前，我國國內(nèi)藥用和保健食品用空心膠囊產(chǎn)量約為5 500 億粒，其中國內(nèi)市場需求總量約為5 000 億粒，表明我國對空心膠囊的需求很大。目前大部分藥用和保健食品用空心膠囊的主要成分是明膠、甘油和水。傳統(tǒng)制備膠囊所用明膠主要是動物明膠，因其具有黏度高、成膜性好的優(yōu)點而被用于膠囊殼原材料[2]。

原材料價格較高以及明膠膠囊的缺點，比如動物源性成分、較低的軟性溫度和明膠在水中的不穩(wěn)定性，使得人們嘗試尋找動物明膠的替代物。隨著“瘋牛病”和“毒膠囊”事件的發(fā)生，人們對從牛、豬和其它動物的骨頭中提取出來的明膠產(chǎn)生某種不安全感。動物源性的明膠膠囊對一些特殊人群也存在一定的限制，例如穆斯林和素食主義者等。由于來源和制備方法的不同，明膠的結(jié)構(gòu)和組成不同，明膠膠囊的溶出度不能得到很好的控制，容易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而影響膠囊的質(zhì)量[3]。開發(fā)低成本的非明膠共混物，利用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)膠囊，克服明膠產(chǎn)品的不足，已成為更多研究者關(guān)注的方向。

淀粉是最豐富的天然生物聚合物之一，由葡萄糖聚合而成，一般由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。近些年來，由于淀粉具有的低成本、良好的成膜性、可生物降解性、綠色環(huán)保、可再生等特點，引起生物基膠囊殼領(lǐng)域的關(guān)注。Zhang 等[4]在淀粉和纖維素上接枝羥丙基基團(tuán)，改善了羥丙基淀粉（HPS）和羥丙基甲基纖維素（HPMC）的相容性，通過添加聚乙二醇作為增塑劑和增容劑，采用浸漬法制備出HPMC/HPS 膠囊殼。Oladzadabbasabadi等[5]以變性西米淀粉和κ-卡拉膠為原料制備復(fù)合薄膜作為藥用膠囊中的明膠替代品，復(fù)合薄膜的干燥動力學(xué)和力學(xué)性能與明膠膜相近，透氣性和含水率低于明膠，溶解度高于明膠，且在較高的相對濕度下復(fù)合膜的穩(wěn)定性優(yōu)于明膠膜。綠豆淀粉（MBS）是由綠豆經(jīng)水浸漲、磨碎后，沉淀而成的粉末，具有吸水性小、抗菌、抑菌，色潔白且有光澤等特點，其直鏈淀粉含量達(dá)40.44%～41.82%，是一種良好的成膜原料[6]。纖維素納米晶（CNC）是由天然纖維素制備而成，是由一種平均長度100～400 nm，直徑5～10 nm 的高晶棒狀顆粒組成，具有許多獨特的性能，如高強度、高縱橫比、高比表面積、低密度等。

本文以綠豆淀粉為原料，以纖維素納米晶為增強劑，輔以甘油和卡拉膠作為增塑劑和膠凝劑，通過流延法和浸漬法分別制備MBS/CNC 膠囊膜和其對應(yīng)的膠囊殼，研究膠囊的相關(guān)性能，并采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X 射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等對其進(jìn)行表征，為淀粉基膠囊殼的制備提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 原料

綠豆淀粉，新鄉(xiāng)良潤谷物食品有限公司；纖維素納米晶，天津市木精靈生物科技有限公司提供；甘油、吐溫-80、HCl、KBr，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；κ-卡拉膠，購自山東優(yōu)索化工科技有限公司；胃蛋白酶，上海展云化工有限公司。

1.2 設(shè)備與儀器

HH-2 數(shù)顯恒溫水浴鍋，天津市塞得利斯實驗分析儀器制造廠；JJ-6 數(shù)顯直流恒速攪拌器，金壇市醫(yī)療儀器廠；GZX-9076 MBE 數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；DZF-6050 真空干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；UP-400S 超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；DV-Ⅱ+Pro Brookfield 數(shù)字粘度計，美國Brookfield 公司；5202 電子數(shù)顯千分尺，上海思為儀器制造有限公司；KT-300 切割儀，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司；WZL-300B 臥式電腦拉力儀，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司；TU-1080 紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；LB-2D 崩解時限測定儀，上海黃海藥檢儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 綠豆淀粉/纖維素納米晶（MBS/CNC）凝膠溶液的制備 稱取5 g 的綠豆淀粉于錐形瓶中，加入100 g 蒸餾水和不同用量（0%，2%，4%，6%，8%，基于MBS 質(zhì)量）的CNC 搖勻，同時滴加30%（基于MBS 質(zhì)量）的甘油于懸浮液中，在90 ℃水浴鍋中先高速 （560 r/min） 攪拌30 min，后低速（260 r/min）攪拌30 min，直至獲得均一、半透明狀的MBS/CNC 凝膠溶液。

1.3.2 綠豆淀粉/纖維素納米晶（MBS/CNC）膠囊膜的制備 將MBS/CNC 凝膠溶液室溫靜置冷卻至55 ℃，然后將凝膠溶液通過流延法倒在直徑為150 mm 的聚丙烯（PP）培養(yǎng)皿上。將流延好的膠囊膜轉(zhuǎn)入45 ℃的真空干燥箱中干燥18 h，得到了不同用量CNC 的MBS/CNC 膠囊膜。制備的復(fù)合膜平均厚度為0.18 mm 左右。其中，MBS/CNC-0、MBS/CNC-2、MBS/CNC-4、MBS/CNC-6 和MBS/CNC-8 分別代表著CNC 含量為0%，2%，4%，6%和8%時的MBS/CNC 膠囊膜。

1.3.3 綠豆淀粉/纖維素納米晶（MBS/CNC）膠囊殼的制備 MBS/CNC 凝膠溶液中添加卡拉膠（1.5 g/100 g）作為凝膠劑，繼續(xù)在90 ℃溫度下以800 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌2 h，將其在60 ℃下養(yǎng)膠30 min，即可得到成殼凝膠溶液。利用浸漬法將不銹鋼模具浸入凝膠溶液中8 s，然后在60 ℃的烘箱中烘干可獲得MBS/CNC 膠囊殼，干燥時間為30 min左右，最后進(jìn)行脫殼裁剪即可得到MBS/CNC 膠囊殼（圖1），保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 MBS/CNC 膠囊殼的制備流程圖Fig.1 The preparation process of MBS/CNC capsule

1.3.4 MBS/CNC 成膜/成殼凝膠溶液黏度測量 采用Brookfield 數(shù)字粘度計對凝膠溶液進(jìn)行黏度測量。將轉(zhuǎn)子浸入到凝膠溶液中并開始轉(zhuǎn)動，使凝膠溶液和轉(zhuǎn)子達(dá)到熱平衡后讀取記錄數(shù)據(jù)。由于綠豆淀粉的黏度特性，對于成膜凝膠溶液的黏度測量，從90 ℃開始每下降5 ℃記錄一個黏度值，直至下降到55 ℃為止。對于成殼凝膠溶液，測定從90 ℃到60 ℃，每下降5 ℃的對應(yīng)黏度值。

1.3.5 拉伸強度 將CNS/CNC 膠囊膜裁剪成15 mm×100 mm 的長條，放入干燥器中平衡水分24 h。然后在臥式電腦拉力儀上按照ASTM 標(biāo)準(zhǔn)方法對其進(jìn)行拉伸強度（TS）的測定。平行測試5 次，取其平均值。

式中，TS——拉伸強度，MPa；F——抗拉力，N；A——橫截面積，m2。

1.3.6 透明度 將MBS/CNC 膠囊膜裁剪成長方形緊貼在比色皿一側(cè)，以蒸餾水為對照組，采用紫外-可見分光光度計在波長650 nm 處測試膜的透光率。平行測試3 次，取其平均值。

式中，T——透光率，%；A——吸光度。

1.3.7 干燥失重（LD） 根據(jù)《中國藥典》（2015）方法研究了MBS/CNC 膠囊殼的干燥失重?fù)p失。稱取約1.0 g（精確至0.1 mg）的膠囊殼置于干燥的恒重瓶中，然后將其放在105 ℃的干燥箱中干燥6 h。干燥后，將膠囊殼在干燥器中冷卻至室溫，并準(zhǔn)確稱量。

式中，Wundried——干燥前總質(zhì)量，g；Wdried——干燥后總質(zhì)量，g。

1.3.8 崩解時限 通過崩解時限測定儀按照《中國藥典》（2015）方法，在去離子水或者模擬人工胃液中測定MBS/CNC 膠囊殼的崩解時間。

1.3.9 FTIR 分析 采用真空光譜儀來測定MBS/CNC 膠囊殼的紅外光譜。在鎢燈的照射下，將干燥的樣品和KBr（約1∶100，質(zhì)量比）混合研磨成粉末，并通過壓片機(jī)壓成透明薄片。光譜范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

1.3.10 XRD 分析 采用X-射線衍射儀測記錄MBS/CNC 膠囊的X-射線衍射圖譜。其中，X-射線源為Cu-Kα 線，2θ 掃描范圍為5°～90°，掃描速度為3°/min。利用MDI Jade 和Origin 軟件對XRD曲線進(jìn)行處理。結(jié)晶度參考公式（4）進(jìn)行計算：

式中，CI——結(jié)晶指數(shù)，%；I002——002 結(jié)晶衍射峰的強度，a.u.；IAM——無定形衍射峰的強度，a.u.。

1.3.11 SEM 分析 采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對MBS/CNC 膠囊的形貌進(jìn)行了分析。將1 cm×1 cm 的樣品置于LEICA EM SCD 500 中進(jìn)行鍍金，并在加速電壓為10.0 kV 時在掃描電鏡中進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 MBS/CNC 成膜/成殼凝膠溶液的黏度分析

凝膠溶液的黏度對成膜/成殼過程有直接的影響。對于成膜操作，黏度過高，在流延法的過程中薄膜厚度不易均勻，難于成型。對于成殼操作，黏度過低，則成殼過程中凝膠溶液不易掛在模具上，難以成殼；黏度過高，浸漬法的過程中凝膠溶液在模具上蘸膠不均勻，成殼均勻性差。圖2為不同溫度下MBS/CNC 成膜/成殼凝膠溶液黏度的變化曲線。由圖2a 可知，隨著CNC 用量的增加，成膜凝膠溶液黏度有所增加，溶液的黏度都隨溫度的降低逐漸增大，當(dāng)CNC 用量大于4%，CNC 用量的增加對MBS/CNC 成膜凝膠溶液黏度的影響不大，且在65～90 ℃，溶液黏度隨溫度影響很小，溶液黏度較穩(wěn)定。

由于成膜溶液的黏度較低，不能滿足浸漬法蘸膠工藝，需在成膜溶液中加入一定量的卡拉膠膠凝膠，提高綠豆淀粉基溶液黏度。從圖2b 可以看出，卡拉膠的加入，顯著提高了MBS/CNC 溶液的黏度，隨著CNC 用量的增加，MBS/CNC 成殼凝膠溶液的黏度逐漸增加，在90 ℃、CNC 用量8%時，成殼凝膠溶液黏度從1.21 Pa·s 提高到3.12 Pa·s，提高了157.9%，經(jīng)大量的蘸膠試驗操作，選定了成殼凝膠溶液65 ℃下養(yǎng)膠0.5 h 然后通過浸漬法制備膠囊殼，此時成殼凝膠溶液的黏度范圍為1.95～3.85Pa·s。

圖2 不同溫度下成膜凝膠溶液（a）和成殼凝膠溶液（b）黏度的變化曲線Fig.2 The viscosity variation curves of film-forming gel solutions （a） and capsule-forming gel solutions （b）at different temperature

2.2 拉伸強度

纖維素納米晶由于其獨特的納米特性，在作為復(fù)合材料增強劑時表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。膠囊膜的拉伸強度在一定程度上也反映對應(yīng)膠囊殼的力學(xué)性能。圖3為不同CNC 用量對綠豆淀粉基膠囊膜拉伸強度的影響，由圖可以看出，CNC 可以明顯改善MBS/CNC 膠囊膜的拉伸強度，隨著CNC 用量的增大，MBS/CNC 膠囊膜的拉伸強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。與未添加CNC 的膠囊膜相比，添加了CNC 的膠囊膜的拉伸強度都提高了。這是因為CNC 表面富含羥基，為剛性分子鏈，表面自由能大，與綠豆淀粉有著較強的表面結(jié)合力，相互結(jié)合形成氫鍵，使MBS/CNC 膠囊膜的拉伸強度得到提高，這與Fazeli 等[7]的研究結(jié)果一致。當(dāng)CNC用量為6.0%，MBS/CNC 膠囊膜的拉伸強度達(dá)到最大值，為15.61 MPa，增加了175.2%。當(dāng)CNC 用量為8.0%時，膠囊膜的拉伸強度有所下降，這可能是由于CNC 用量的增加，產(chǎn)生了自聚集的現(xiàn)象，從而使MBS/CNC 膠囊膜拉伸強度下降。

圖3 CNC 用量對MBS/CNC 膠囊膜拉伸強度的影響Fig.3 Effects of CNC content on the tensile strength of MBS/CNC capsule-film

2.3 透明度

透明度是膠囊殼的一個重要的光學(xué)特性，一般常用透光率來表示，透明度一定程度上也反映制備膠囊殼原料間的相容性。如果原料之間相容性好，則膠囊殼表現(xiàn)出高透光率，反之則表現(xiàn)出低透光率。膠囊殼的透明度也決定了裝載藥物的種類，有些特殊藥物要求膠囊殼具有一定的透明度。圖4為不同用量CNC 對MBS/CNC 膠囊膜透明度的影響，由圖可以看出，當(dāng)不添加CNC 時，MBS/CNC-0 膠囊膜的透光率為90.78%，隨著CNC 用量的增加，MBS/CNC 膠囊殼的透光率在一定程度上略微下降。當(dāng)CNC 用量為6.0%，MBS/CNC-6 膠囊膜的透光率為83.5%，這可能是由于CNC 納米顆粒的光散射性而影響了膠囊殼的透光率。MBS/CNC 膠囊膜的透光率均高于80%，表明MBS 和CNC 具有很好的相容性。

圖4 CNC 用量對MBS/CNC 膠囊膜透明度的影響Fig.4 Effects of CNC content on the transparency of MBS/CNC capsule-film

從圖5和圖6可以看出，MBS/CNC 具有很好的成膜性和成殼性，MBS/CNC 膠囊膜和膠囊殼均為無色透明且有光澤，說明MBS 與CNC 相容性好，為綠豆淀粉制備高質(zhì)量淀粉基膠囊殼提供了依據(jù)。

圖5 不同CNC 用量的MBS/CNC 膠囊膜照片F(xiàn)ig.5 The photos of the MBS/CNC capsule-film with different CNC content

圖6 不同CNC 用量的MBS/CNC 膠囊殼照片F(xiàn)ig.6 The photos of the MBS/CNC capsules with different CNC content

2.4 干燥失重

膠囊殼的干燥失重是衡量膠囊殼質(zhì)量的一個重要因素，與膠囊殼的性能、使用、保存等有著密切的關(guān)系，干燥失重太低會導(dǎo)致膠囊殼易脆碎開裂，干燥失重太高則影響膠囊殼的使用，降低保質(zhì)期限。參考中國藥典2015 版的規(guī)定，膠囊殼的干燥失重率范圍應(yīng)為12.5%～17.5%。表1為MBS/CNC 膠囊殼的干燥失重，由表可以看出，不同用量CNC 的MBS/CNC 膠囊殼的干燥失重相差不大，均處于14.14%～14.99%之間，符合中國藥典2015 版的規(guī)定，表明綠豆淀粉和CNC 凝膠溶液在優(yōu)化的工藝下，能制備出干燥失重滿足要求的淀粉基膠囊殼。

表1 MBS/CNC 膠囊殼的干燥失重Table 1 The loss on drying of the MBS/CNC capsules

2.5 崩解時限

膠囊殼的崩解時限是其在食用過程中的一個重要參數(shù)，它直接影響膠囊殼內(nèi)藥物載體釋放的時機(jī)，且在藥物載體作用完后，膠囊殼的完全可降解也很重要，這會直接影響到人體的健康狀況。MBS/CNC 膠囊殼因其原料為綠豆淀粉和纖維素，是一種綠色生物可降解的膠囊殼。表2為MBS/CNC 膠囊殼在蒸餾水和模擬人工胃液中的崩解時限，由表可以看出，相比于在蒸餾水中崩解，膠囊殼在模擬人工胃液中的崩解時限更快一些，且在14 min 之內(nèi)可以完全溶解。隨著CNC 用量的增加，與之對應(yīng)的膠囊殼的崩解時限會有一定的延長，這是由于CNC 表面自由能高易聚集，使得相互纏繞增加了阻礙崩解的動力，隨著CNC 用量的增加，阻礙崩解的阻力隨之增加，導(dǎo)致崩解時限的增加。中國藥典2015 版規(guī)定了膠囊殼的崩解時限最大為30 min，表中數(shù)據(jù)表明MBS/CNC 膠囊殼的崩解時限均滿足藥典要求，可用作胃溶性膠囊。

表2 MBS/CNC 膠囊殼的崩解時限Table 2 The disintegration time of the MBS/CNC capsules

2.6 FTIR 分析

圖7為不同用量CNC 的MBS/CNC 膠囊殼的紅外圖譜，從圖可以看出，MBS/CNC 膠囊殼試樣在3 410 cm-1附近均有一個極強且寬的吸收峰，這主要是葡萄糖單元中O-H 鍵的伸縮振動峰；在2 940 cm-1附近出現(xiàn)了一個中等強度的吸收峰，主要是葡萄糖環(huán)上-CH 基團(tuán)的對稱振動峰；在1 650 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰為淀粉中吸附水的無定形區(qū)域的伸縮振動峰[8]。當(dāng)添加CNC 后，MBS/CNC膠囊殼在1 380，1 080 cm-1和1 030 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰，分別對應(yīng)纖維素納米晶的-CH2剪切振動峰、纖維素納米晶吡喃環(huán)上O-C 和C-O-C 的伸縮振動峰。882 cm-1處為纖維素納米晶β-1，4-苷糖中的C-H 特征吸收峰[9]。此外，2 910 cm-1處是甘油的特征吸收峰，甘油的羥基與綠豆淀粉的羥基通過氫鍵鏈接，可以提高淀粉分子鏈的流動性，一定程度上改善了淀粉膠囊膜和膠囊殼的柔韌性。FTIR 表明綠豆淀粉與CNC 之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的化學(xué)物質(zhì)，而是以共混溶液的形式結(jié)合，仍保留各自的特征吸收峰。

圖7 MBS/CNC 膠囊殼的FTIR 圖Fig.7 FTIR spectra of the MBS/CNC capsules

2.7 XRD 分析

不同CNC 用量的MBS/CNC 膠囊殼的XRD衍射圖譜如圖8所示，由圖可以看出，MBS/CNC膠囊殼的XRD 在2θ=20°左右都出現(xiàn)了一個寬的衍射峰，這是綠豆淀粉的無定形區(qū)[10]，相對于MBS/CNC-0 的衍射圖譜，添加CNC 的MBS/CNC膠囊殼在2θ=23°附近出現(xiàn)了一個明顯的尖銳衍射峰，且隨著CNC 用量的增加愈加尖銳，這是纖維素納米晶的X-射線特征衍射峰，且在2θ=34°附近出現(xiàn)了一個較弱衍射峰，這是天然纖維素典型的I型結(jié)構(gòu)[11]。從表3的結(jié)晶指數(shù)來看，MBS/CNC-0 膠囊殼的結(jié)晶指數(shù)為32.10%，隨著CNC 用量的增加，對應(yīng)膠囊殼的結(jié)晶指數(shù)隨之增加。當(dāng)CNC 用量為6%時，MBS/CNC-6 膠囊殼的結(jié)晶指數(shù)為43.30%，提高了34.9%，表明CNC 的加入提高了MBS/CNC 膠囊殼共混體系的結(jié)晶度。

圖8 MBS/CNC 膠囊殼的XRD 圖Fig.8 X-ray diffraction patterns of the MBS/CNC capsules

表3 不同CNC 用量的MBS/CNC 膠囊殼的結(jié)晶指數(shù)Table 3 The crystallinity index of the MBS/CNC capsules with different CNC content

2.8 SEM 分析

不同用量CNC 的MBS/CNC 膠囊殼的SEM如圖9所示，由圖可以看出，未添加CNC 的膠囊殼（圖9a）表面光滑無雜質(zhì)、比較平整，添加CNC之后的膠囊殼（圖9b～e）整體上表面較為平整，結(jié)構(gòu)緊湊，表明MBS 和CNC 都是連續(xù)相且相容性比較好。然而，當(dāng)CNC 含量過高時表面會出現(xiàn)少量小顆粒，這可能是由于隨著CNC 用量的增加，部分CNC 很容易在MBS 的表面與其形成氫鍵，相互吸引引發(fā)自聚集的現(xiàn)象[12]。結(jié)合前面的研究結(jié)果，綜合CNC 不同用量的SEM 圖，MBS/CNC-6膠囊殼具有較好的性能，是一種較好的綠豆淀粉基膠囊殼。

圖9 MBS/CNC 膠囊殼的SEM 圖Fig.9 SEM of the MBS/CNC capsules

3 結(jié)論

以綠豆淀粉和纖維素納米晶為原料，輔以甘油和卡拉膠分別作為增塑劑和膠凝劑，采用浸漬法制備了新型MBS/CNC 淀粉基膠囊殼。溫度和CNC 用量均對MBS/CNC 成膜/成殼凝膠溶液黏度有一定的影響。CNC 作為增強劑有效提高了綠豆淀粉基膠囊膜的拉伸強度，當(dāng)CNC 用量為6.0%時，綠豆淀粉基膠囊膜的拉伸強度為15.61 MPa，增加了175.2%。綠豆淀粉與CNC 之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的化學(xué)物質(zhì)，而是以共混溶液的形式結(jié)合，仍保留各自的特征吸收峰。MBS/CNC膠囊殼成膜平整光滑，相容性好，CNC 的加入提高了MBS/CNC 膠囊殼共混體系的結(jié)晶度。MBS/CNC膠囊殼的干燥失重率處于14.14%～14.99%之間，且在蒸餾水和模擬人工胃液中的崩解時限為14 min 以內(nèi)，均符合《中國藥典》（2015）的規(guī)定要求。綠豆淀粉和纖維素納米晶為原料制備淀粉基膠囊殼具有廣闊的應(yīng)用前景。