異淀粉酶改性玉米淀粉膠囊的研制及性能研究

李　慧，吳　　琳，王楠楠，姜義軍，牟新東，李春虎，*

（1.中國海洋大學化學化工學院，山東青島266100；2.青島職業技術學院，山東青島266000；3.貴州大學藥學院，貴州貴陽550000；4.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東青島266100）

異淀粉酶改性玉米淀粉膠囊的研制及性能研究

李慧1，吳琳2，王楠楠3，姜義軍4，牟新東4，李春虎1，*

（1.中國海洋大學化學化工學院，山東青島266100；2.青島職業技術學院，山東青島266000；3.貴州大學藥學院，貴州貴陽550000；4.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東青島266100）

以玉米淀粉為主料，聚乙烯醇、海藻酸鈉、甘油及卡拉膠等為輔料制備異淀粉酶改性玉米淀粉膠囊，并對其吸濕性、崩解性等進行測定。結果表明：經0.2mL 10mg/mL的異淀粉酶處理5min后得到的玉米淀粉在溶脹、糊化等一系列過程中操作可控性增強，改性后溶膠的粘度降低了約42%。通過添加輔料3.0%卡拉膠、0.2g KCl、1.0%甘油、0.5%海藻酸鈉及0.2%聚乙烯醇，所得淀粉植物膠成膜性、阻水性及強度均明顯增強，相比于明膠膠囊崩解時限縮短。

異淀粉酶，改性玉米淀粉，膠囊，性能

淀粉具有原料來源廣泛，純天然、安全、無毒、廉價易得、可生物降解、生產工藝簡單等優點，是最重要的食品原料之一，已經廣泛應用于食品及醫藥領域中，被認為是最有潛力的膠囊原料替代物［1］。在淀粉基材料和相關食品科學方面的研究基礎上，淀粉膠囊的研究取得了突破性的進展。鑒于淀粉本身的凝膠性能不能滿足膠囊的生產工藝，需要添加相應凝膠劑以改善其性能。Bae等［2］報道了使用浸漬和成型方法，以幾種淀粉（綠豆、荸薺和甘薯）分別為原料制備淀粉膠囊過程。使用傳統浸漬成形方法制備淀粉硬膠囊的工藝中，淀粉溶液粘度過高，不易控制厚度和自動化生產是其最大的不足［3］。劉宇等［4］通過用次氯酸鈉調節pH的方法，降低膠液的粘度，制得了木薯淀粉植物膠囊。通過調節pH間接控制溶膠黏度的制膠工藝過程較為復雜，不易實現，使得其規?；a受到了限制。本研究探索異淀粉酶處理玉米淀粉制備醫藥硬膠囊。通過異淀粉酶的處理改善淀粉溶液粘度的方法控制囊壁厚度，通過添加海藻酸鹽和聚乙烯醇來增強囊壁的強度等性能，為新型植物膠囊的研制和開發奠定基礎。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

卡拉膠k-型，青島德慧集團生產；聚乙烯醇（PVA）藥用級，聚合度500～1000，日本可樂麗公司；海藻酸鈉藥用級，青島黃海生物制藥提供；玉米淀粉石家莊利生淀粉糖業有限公，主要成分：淀粉90%～94%，蛋白質3%～4%，脂肪0.5%～1.0%，灰分0.2%～0.4%，水溶性物質1.0～2.0；甘油、山梨醇、氯化鉀食品級，鄭州奇雅化工產品有限公司提供；異淀粉酶1000U/mg，sigma生物試劑提供；糖化酶（1000U/mL）、α-淀粉酶（500U/mL） 阿拉丁試劑提供，BR。

NDJ-5S粘度計上海方瑞儀器有限公司；恒溫加熱磁力攪拌器德國IKA公司；電熱恒溫鼓風干燥箱上海新苗醫療器械制造有限公司；BJ-4A型智能崩解儀天津創興電子設備有限公司；WDW-J系列微機控制電子萬能實驗機（門式） 濟南東方集團有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1原料共混比例研究方法將100mL純凈水加熱至75℃，加入卡拉膠、0.2g KCl，恒溫溶膠化處理30min，加入玉米淀粉，不斷攪拌并升溫至90℃。控制淀粉與卡拉膠總質量濃度為12%，氯化鉀含量為0.2%，玉米淀粉（質量為m1）與卡拉膠（質量為m2）分別按照不同的比例（m1∶m2）混合，在糊化溫度（90℃）下進行充分混合并保溫40min，對溶膠粘度以及所得膜強度進行檢測。

1.2.2酶種類及用量的研究

1.2.2.1酶種類選擇根據淀粉酶［5］種類的不同以及各自反應機理的差異，選取常用的α-淀粉酶、糖化酶和異淀粉酶對玉米淀粉進行改性處理，取等量酶活條件下的三種酶，即：0.2mL 10mg/mL的異淀粉酶溶液、2mL糖化酶、4mL α-淀粉酶，對共混比例相同溶膠進行酶處理，對比其粘度和所得膜的強度，確定最佳酶種類。

表1　正交實驗因素水平表Table 1　Factor and levels of orthogonal test

1.2.2.2酶含量及作用時間的確定種類確定后，將淀粉酶配制成2mg/mL的溶液，分別加入0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0mL 2mg/mL的異淀粉酶溶液于淀粉混合溶膠中，以確定最優酶用量。隨后，用最優量的酶對淀粉混合溶膠進行改性處理，自酶加入時刻開始計時，分別在0、1、3、5、8、10、15、20min作用時間點取樣，測定時間點對應的溶膠粘度及所得膜的強度，根據工藝要求選擇合適用量。

1.2.3正交實驗法測定添加劑對膜性能的影響影響膠囊性能的主要因素有透水性、強度以及脆碎度等，故依據前期基礎實驗數據結論，選擇輔料甘油、PVA、海藻酸鈉［6］設計三因素正交實驗，考察其對膠囊膜綜合質量的影響。正交實驗設計如表1所示。

1.2.4吸水性對比研究方法制備淀粉與卡拉膠質量比為9∶3、濃度為12%的溶膠兩份，其中一份在糊化后用0.2mL的10mg/mL的異淀粉酶溶液在60℃條件下處理，并加入0.5g海藻酸鈉、0.2g PVA等添加劑，另一份不做任何處理；分別使二者成膜，所得膜分別記為膜a、膜b。用12%的明膠溶液成膜，記為膜c。控制膜厚度在0.08～0.10mm范圍，儲存在濕度為50%的環境下，采用干燥失重法，每30min測定水分含量，每個溶膠樣品取5個對應的膜樣進行測量，求平均值。

1.2.5工藝操作要點

1.2.5.1溶膠過程將純凈水、甘油、山梨醇、PVA以及海藻酸鈉充分混合、攪拌、溶解，加熱至60℃得到呈透明溶液；加入卡拉膠、KCl后，升溫至75℃，恒溫下溶膠化處理約30min，直至充分溶解并形成均勻膠狀溶液；加入玉米淀粉并攪拌升溫至糊化溫度（90℃），恒溫處理40min，待膠液完全糊化并呈現均一、透明狀。

1.2.5.2酶處理過程降溫至60℃，取10mg/mL的異淀粉酶溶液食量，緩慢滴加并勻速攪拌。待酶反應進行一定時間后，加入濃度為1mol/L的NaOH溶液，攪拌約2min后加入同等量的HCl，調節pH為中性。

1.2.5.3蘸膠成型及制膜膠囊模具上油，60℃蘸膠。同時，采用流延法，將相同組分的膠體在表面皿內成膜。置于50℃烘箱內，干燥一定時間使膠囊保證一定的含水量。

1.2.5.4拔膠、切割用專用膠囊拔膠鉗拔下膠囊，剪切成形。同時，將得到的淀粉膜，裁剪成約15mm× 30mm的長方形薄膜。

1.2.6膠囊性能檢測及方法

1.2.6.1膠囊成型速度及殼厚度測定采用計時器記錄自蘸膠結束時刻到溶膠凝固成型所需要的時間，即為凝膠時間，用凝膠時間表征成型速度。由千分尺測定膠囊殼的壁厚。

1.2.6.2膠囊膜拉伸強度的測定取溶膠20～30mL，用流延法均勻鋪于塑料培養皿內，50℃干燥一定時間后，裁剪成15mm×30mm，厚度0.08～0.10mm的長方形薄膜。將膜置于50%的相對濕度下平衡24h，在微機控制電子萬能實驗機上，設置夾距為20mm，拉伸速率為100mm/min，測定斷裂時的抗拉強度。每種膜測定5個樣，取平均值。

1.2.6.3溶膠粘度的測定將得到的溶膠在60℃環境中保持恒溫，用布氏粘度計在30r/min的轉速下測量粘度。將轉子完全浸沒入溶膠內，約持續2min，待數值穩定后讀數。每個樣品測試3～5次，取平均值。

1.2.6.4膠囊膜脆碎性測定取20粒空心膠囊于表面皿中，在25℃，50%空氣濕度條件下儲存24h后取出，分別立即逐粒放入直立在木板（厚度為2cm）上的玻璃管內，將圓柱形砝碼（20g）從玻璃口處自由落下，觀察膠囊是否破裂，并計算破裂膠囊占測試膠囊總數量的比例，即為脆碎度。脆碎性評分為未破裂膠囊占測試膠囊數量的比例。根據藥品檢驗操作規程，醫用膠囊的脆碎度不能超過30%［7-8］，因此若破裂數超過9粒，則不合格。脆碎度評分測試5次，求平均值。

1.2.6.5吸水性測定將膠囊置于濕度10%、溫度25℃的烘干箱中干燥，24h后取出，稱重，記為W0。再置于裝有飽和NaNO3溶液、濕度為75%的密閉干燥器內，每隔一定時間稱其質量，直至質量恒定，記為W。含水率M計算公式如下。

1.2.6.6膠囊殼崩解性能測定崩解時限是指固體制劑在規定檢驗方法和液體介質中，崩解（或軟化、溶化）至小于2.0mm粉粒所需時間的限度［8］。依據文獻［9］進行醫藥膠囊崩解性能模擬實驗。取所制膠囊6粒，裝滿滑石粉，套合后，置于吊籃的玻璃管中，崩解液采用pH6.8的磷酸緩沖溶液，在（37±0.5）℃溫度條件下，分別選用未經處理且不含PVA及海藻酸鹽的純玉米淀粉膠囊、經異淀粉酶處理但不含PVA及海藻酸鹽的玉米淀粉膠囊、經異淀粉酶酶處理并含PVA及海藻酸鹽的玉米淀粉膠囊和明膠膠囊檢測崩解時限。分別做5個重復，取其平均值。

1.3數據處理

本實驗中，脆碎度檢測、膠液粘度、膜強度、吸水性等均取5個平行數據進行平均值和方差計算，并用origin軟件作圖。

2　結果與討論

2.1淀粉與卡拉膠共混對粘度及膜強度的影響

玉米淀粉（m1）與卡拉膠（m2）共混比例對粘度及膜強度的影響結果見表2。

表2　共混比例對溶液粘度及膜厚度、強度的影響Table 2　Effect of mixed ratio to the viscosity of starch gel，the thickness and the tensile strength of the film

由表2可知，當淀粉比例較高時，溶膠粘度較大，所得膠囊壁厚且表面粗糙；卡拉膠所含比例較高，凝膠時間較快，不易控制蘸膠速度；在8∶4及9∶3比例下，能形成壁厚均一且厚度符合要求的膠囊。由于添加卡拉膠的成本遠高于淀粉，故選定二者共混比例為9∶3作為膠囊的基本材料。

2.2不同種類淀粉酶修飾后淀粉性能比較

取等量酶活條件下的α-淀粉酶、糖化酶和異淀粉酶對共混比例為9∶3的溶膠處理5min，測其粘度和所得膜的強度，結果如圖1所示。

圖1　不同淀粉酶處理后所得溶膠粘度（a）及膜強度（b）Fig.1　Sol viscosity（a）and membrane strength（b）after different amylase processing

由圖1可知，酶處理后，膜的強度和溶膠粘度均低于未經酶處理的樣品；經異淀粉酶處理后的溶膠粘度較大，為其他兩種酶處理后粘度值的2倍；但所得淀粉膜的強度相對較高。這可能是由于糖化酶從淀粉分子非還原端逐個切下葡萄糖殘基，水解產生的游離半縮醛羥基發生轉位作用，最終水解產物為葡萄糖，導致所得溶膠的粘度最低，并且所形成的淀粉膜強度較小、易碎。α-淀粉酶處理玉米淀粉時生成葡萄糖、果糖、糊精等鏈長較短的單糖或多糖，使得溶膠的粘度迅速下降［10］。由于多糖的存在，使得其對應淀粉膜的強度較糖化酶處理后的淀粉膜強度略大。而異淀粉酶作用過程中水解支鏈淀粉或糖原的α-1，6-糖苷鍵，生成長短不一的直鏈淀粉，仍能保持淀粉的性質，所以形成的淀粉膜結構致密，強度較大［11］。

選擇異淀粉酶處理淀粉，能夠達到降低溶膠粘度的目的。此外，由于異淀粉酶的引入而導致的強度下降，可通過在后續反應中加入增強劑來彌補，故亦能夠保證所得膜材料具有較高的強度。

2.3異淀粉酶含量及作用時間對溶膠粘度和膜強度的影響

異淀粉酶含量對溶膠黏度和強度的影響結果如圖2所示。

圖2　異淀粉酶量對溶膠粘度及膜強度的影響Fig.2　Effect of isoamylase quantity to sol viscosity and film strength

由圖2可知，所加入異淀粉酶量越高，淀粉溶膠的粘度越小，所制得淀粉膜的強度也逐漸減小。這是由于酶濃度越高，淀粉酶解速率越快，隨著反應的進行淀粉鏈長逐漸減小，產生糊精，導致溶膠的粘度降低，成膜的強度下降。根據膠囊制作工藝所要求的蘸膠條件，當異淀粉酶用量為0.2mL時，可以有效地把溶膠的粘度控制在2500～3500MPa·S，滿足現代膠囊生產過程的要求。

統計經0.2mL的異淀粉酶溶液改性后的淀粉溶膠在0、1、3、5、8、10、15、20min作用時間點所對應的溶膠黏度和所得淀粉膜的強度。結果如圖3所示。

圖3　異淀粉酶作用時間對溶膠粘度和強度的影響Fig.3　Effect of quantity of isoamylase to sol viscosity and film strength

從圖3可以看出，在10min內，溶膠的黏度隨反應進行而不斷降低，所制得淀粉膜的強度迅速降低至60%左右；10min以后，反應基本結束，溶膠粘度和膜強度逐漸趨于穩定，此時粘度約為2000MPa·S，強度為8MPa左右。根據明膠膠囊生產過程中蘸膠工藝的要求，粘度范圍應確定在3000MPa·S左右，因此，確定酶的作用時間為5min。

綜上可以看出，加入0.2mL 10mg/mL的異淀粉酶能夠有效地降低溶膠的黏度，且通過控制酶的加入量和反應時間，可使淀粉膜的強度控制在合理的范圍。此時，異淀粉酶處理后的混合溶膠比未經處理的溶膠粘度降低了約42%。

2.4添加劑含量對淀粉膜性能的影響

基礎實驗結論表明，影響膠囊膜強度及脆碎性的輔料主要有PVA、甘油、海藻酸鈉［6］，以此為因素進行正交實驗設計，實驗結果見表3。

膠囊的脆碎性是反應膠囊產品質量及合格率的最直接因素，故選取其作為極差分析的指標。根據正交實驗的結果，A是對所得膠囊質量影響最大的因素，其次是C，最后是B。驗證實驗表明當工藝條件為A2B3C3時，所得膠囊不易碎，但在50%濕度條件下長期保存時，該工藝所制得的膠囊膜材料會因吸水而出現較為明顯的變軟甚至粘手現象；而A2B2C3工藝過程可以實現較高的脆碎性評分和膠囊膜的長期保存，故確定最優的工藝條件為A2B2C3，即海藻酸鈉含量為0.5%，甘油含量為1.0%，PVA含量為0.2%。

正交實驗過程中可以看出，PVA或者海藻酸鈉的添加明顯增加了淀粉膜的強度。另一方面，二者的添加都使淀粉溶膠的粘度增大，但通過調節二者的加入量，能夠使溶膠粘度控制在合理范圍。

2.5改性后淀粉膠囊膜的吸水情況

從圖4可知，隨著時間延長，三種膜含水量均有所增加，明膠膠囊膜c在8h內，含水量急劇增加，凈增加約10%，同比玉米淀粉膠囊膜a、b含水率僅增加3%～4%。在儲存15h之后，明膠膠囊膜的含水率基本達到平衡，此時其含水率明顯高于玉米淀粉膠囊膜，且表面開始粘手。同樣可以看出，用異淀粉酶處理后的淀粉膠囊膜a吸水性比純淀粉膠囊膜b差。可能是異淀粉酶處理后，玉米淀粉被水解為直鏈淀粉，又通過PVA、海藻酸鈉等添加劑的添加，使所得淀粉膜的結構變得致密，吸水性略有降低。

表3　正交實驗設計及結果Table 3　Results of orthogonal experiments

圖4　改性淀粉膜和非改性淀粉膜吸水性對比Fig.4　The comparison of moisture absorbability between modified film and pure film

2.6酶改性后淀粉膠囊的崩解性能

由表4可以看出，在無PVA以及海藻酸鈉添加的情況下，未經酶處理的玉米淀粉膠囊崩解時限明顯高于酶處理后的膠囊崩解時限。未經酶處理過的淀粉膠囊放入緩沖液中，開始卷曲、收縮、變形，當2min時，出現裂紋，隨后在4min時變成碎片；崩解6min時，完全分散于緩沖液中。經異淀粉酶改性后的膠囊在2min時已裂成碎片，隨后逐步分散、并很快溶解于緩沖液中。這可能是由于經酶處理的玉米淀粉膠囊中存在糊精等一些鏈長較短的多糖，使得整個膠囊殼的崩解速度降低。加入PVA及海藻酸鹽以后，由于成膜性能的提高，膠囊的崩解時限延長，但也足以保證在10min內完全溶解，更有利于實現崩解過程的可控性。而相比于明膠膠囊，淀粉膠囊的崩解時間較短，可用于釋放時間較短藥物的封裝和保存。

Fabrication and character of a new capsule made from modified corn starch treated with isoamylase

LI Hui1，WU Lin2，WANG Nan-nan3，JIANG Yi-jun4，MU Xin-dong4，LI Chun-hu1，*
（1.Chemical Engineering College，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Qingdao Technical College，Qingdao 266000，China；3.College of Medicine，Guizhou University，Guiyang 550000，China；4.Qingdao Institute of Biomass Energy and Bioprocess Technology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266100，China）

A novel plant hard capsule was made from corn starch modified by isoamylase，and polyving akohol，alginate and carrageenan was used as uxiliary materials.Then the new kind of capsule film was tested about its characters of humility sensitivity and disintegration.It was indicated that，the process of starch expansion and gelation could be controlled very well，when the corn starch treated by 0.2mL 10mg/mL isoamylase for 5min. The viscosity of the sol was reduced effectively as well.The film-forming characters and strength of the starch film were enhanced，by added 3.0%carrageenan，0.2g KCl，1.0%glycerinum，0.2%PVA and 0.5%alginate，also，the disintegration time of the capsule would be controlled effectively and reasonably.

isoamylase；modified corn starch；capsule；fabrication

TS236.9

B

1002-0306（2015）12-0274-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.050

2014－08－26

李慧（1988-），女，碩士研究生，研究方向：天然生物基高分子功能材料研究。

李春虎（1965-），男，教授，研究方向：化工原料氣的催化凈化。