碳酸鈣固體脂質微粒的制備工藝優化及其直壓性能和感官特性

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(1.福格森(武漢)生物科技股份有限公司,湖北武漢 430056; 2.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430068; 3.華中科技大學同濟醫學院公共衛生學院,湖北武漢 430030)

兒童營養素補充劑是社會廣為關注的焦點,科學使用營養素補充劑對促進兒童健康有積極意義[1-5]。從配方含量和功效傾向上來看,補鈣產品是兒童營養補充劑的主流產品,這與改善我國居民鈣質普遍較低的現狀相吻合[6]。適當補充鈣質可以促進兒童的正常生長發育,提升兒童的身高、體重增長速率,預防由于缺鈣引起的佝僂病、骨骼畸形等不良癥狀[7]。咀嚼片是市售兒童營養鈣補充劑的主要產品形式[8]。碳酸鈣由于鈣含量高、成本低,是鈣咀嚼片生產中最常用的無機鈣源,然而碳酸鈣具有令人不悅的石灰味、沙粒狀等不良口感,導致消費者依從性差[9-10],如何改善鈣咀嚼片中碳酸鈣的不良口感是實際生產中的重要問題。

通常,片劑制備主要通過三種方法:濕法制粒、干法制粒和粉末直接壓片。粉末直接壓片由于工藝步驟簡化,節能省時,且能避免制備工藝中濕熱等因素對敏感成分的影響,具有明顯的優勢[11]。物料粉體的流動性和可壓性是片劑制備和生產中最關鍵的影響因素[12]。然而,在鈣咀嚼片生產中,由于碳酸鈣粉末流動性和可壓性差,使用比例較大,且大多數其他輔料的物料性質也不能滿足粉末直接壓片的工藝要求,因此鈣咀嚼片多采用濕法制粒,需要將碳酸鈣與其他輔料進行濕法制粒后壓片,工序復雜,增加了生產成本[9-10,13]。因此,開發一種新型的適應于直接壓片工藝的碳酸鈣具有重要意義。

固體脂質微粒主要是利用固體油脂在冷卻或相分離過程中固化,結晶形成固態結構,使目標物質被包覆在脂質結構中,通常采用乳化-分散法制備固體脂質微粒[14-15]。轉相乳化法是控制水相和油相的加熱溫度,將水相加入到油相中進行乳化,使體系中乳化劑的親水親油性質達到適當平衡,較自然乳化法(將油相加入到水相中)更易形成含規整結構的固體脂質微粒,操作簡便,易于控制,適于進行工業化生產[16]。

本實驗主要是通過轉相乳化法,使用固體脂質對碳酸鈣進行包埋,通過正交試驗優化固體脂質碳酸鈣微粒的制備工藝,針對固體脂質鈣微粒應用于兒童營養補充劑鈣咀嚼片生產中時片劑預混料的粉體流動特性、壓縮特性和口感,考察固體脂質碳酸鈣微粒的直壓性能和感官特性,旨在提供一種感官性能良好、可壓性強的改良鈣源,為實際生產中兒童營養補充劑口感的改善以及制備工藝的優化提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

單硬脂酸甘油酯(單甘酯含量大于90%) 食品級，廣州美晨科技實業有限公司;碳酸鈣 食品級，南通勵成生物工程有限公司;酪蛋白酸鈉 食品級，臨夏州華安生物制品有限責任公司。

FJ200高速分散均質機 上海標本模型廠;FD-1B-50冷凍干燥機 北京博醫康儀器有限公司;CJB-S磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司;BT-9300S激光粒度分布儀 丹東市百特儀器有限公司;TD5M-WS多管架自動平衡離心機 上海盧湘儀離心機機器有限公司;HY-4調速多用振蕩器 蘇州威爾實驗用品有限公司;ZP-19旋轉式壓片機 上海天和制藥機械有限公司;A3原子吸收分光光度計 北京普析通用儀器責任有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 固體脂質鈣微粒的制備 采用轉相乳化法制備固體脂質鈣微粒。將油相(單、雙甘油脂肪酸酯+碳酸鈣)和水相(酪蛋白酸鈉溶液)于60 ℃下分別加熱,待固體脂質融解后,將固體脂質與碳酸鈣混勻。在磁力攪拌條件下,將水相加入油相,乳化一定時間后,置于冰水浴中攪拌,迅速冷卻降溫,將得到的固體脂質鈣微粒懸浮液于3000 r/min離心5 min,取沉淀冷凍干燥(-56 ℃,10 kPa),最后獲得凍干的固體脂質碳酸鈣樣品。

1.2.2 單因素實驗 控制油相組成為6 g單硬脂酸甘油酯和4 g碳酸鈣,在水相酪蛋白酸鈉溶液的濃度為2%、3%、4%、5%(其他條件為V水相∶V油相=9∶1,攪拌速度1200 r/min,乳化均質時間60 s),攪拌速度為800、1200、1600、2000、2400 r/min(其他條件為酪蛋白酸鈉濃度3%,V水相∶V油相=9∶1,乳化均質時間60 s),乳化均質時間30、60、90、120 s(其他條件為酪蛋白酸鈉濃度3%,V水相∶V油相=9∶1,攪拌速度1600 r/min),V水相∶V油相為7∶1、8∶1、9∶1、10∶1(其他條件為酪蛋白酸鈉濃度3%,攪拌速度1600 r/min,乳化均質時間60 s)的條件下進行單因素試驗,通過粒徑分布和鈣荷載率,研究四個因素對固體脂質鈣微粒制備的影響。

1.2.3 正交試驗 以單因素實驗結果為基礎,選取酪蛋白酸鈉濃度、攪拌速度、乳化均質時間以及水相油相體積比四個因素,設計L9(3)4正交試驗,以鈣荷載率為指標判定包埋效果。正交試驗方案見表1。

表1 正交試驗因素與水平表Table 1 Factors and levels table of the orthogonal array design

1.2.4 固體脂質鈣荷載率的測定 鈣含量的測定方法參照國標GB 5413.21-2010第一法[17],測得碳酸鈣原料中的鈣含量為394.8 mg/g。對固體脂質鈣微粒中的鈣含量進行測定,通過測定樣品中實際包埋的鈣離子的含量,計算固體脂質鈣微粒的鈣荷載率。

固體脂質鈣荷載率(%)=樣品中的鈣含量×100/碳酸鈣中的鈣含量

1.2.5 不同鈣源咀嚼片預混料制備 收集工藝優化后制得的固體脂質碳酸鈣樣品,以普通碳酸鈣為對照,按照以下配方配制咀嚼片預混料(20片量,Ca含量為250 mg/片):維生素D30.02 g,無水檸檬酸0.56 g,木糖醇5.36 g,甜菊糖苷0.01 g,硬脂酸鎂0.30 g,橙粉0.26 g。

1.2.6 不同鈣源咀嚼片輔料粉體綜合物理特性測試

1.2.6.1 休止角的測定 將粉體樣品倒入漏斗內,使樣品通過漏斗落在下方直徑為50 mm的圓平板上,粉體逐漸堆積至不能繼續堆高為止,通過刻度尺測量圓錐體斜面與平面的夾角即為休止角[18]。

1.2.6.2 刮鏟角的測定 將刮刀放入粉槽底部,把粉體樣品加入槽內,直至加滿。旋轉刮刀下面的螺旋升降桿使刮刀升起,直至刮刀露出粉槽內的粉體表面,刮刀上形成粉堆,用測角指針貼于粉堆側面,然后取三點用量角器量出指針所指的角度,其平均值即刮鏟角[19]。

ρ1=(M2-M1)/10

式(1)

ρ2=(M3-M1)/10

式(2)

則粉體樣品的壓縮度計算如下:

Q(%)=(ρ1-ρ2)/ρ1×100

式(3)

C=(2-M4)/2

式(4)

1.2.6.5 粉體流動性指數 依據卡爾指數表[20](見表2)換算上述測量值,得出相應的單項流動性指數,然后將休止角、刮鏟角、壓縮度、凝集度的指數相加,得出粉體樣品的卡爾流動性綜合指數。

表2 卡爾粉體流動性指數表Table 2 Carr’s flowability index for powders

1.2.7 壓片及抗張強度測定 抗張強度是粉末可壓性和成形性的一種衡量指標。抗張強度反映單位面積的破碎力,與片劑的幾何形狀和厚度無關[21-22]。上述指標測定完成后,將分別添加有固體脂質碳酸鈣和粉末碳酸鈣的預混料樣品進行壓片,另外用粉末碳酸鈣進行制粒后壓片,控制壓片時的壓力相同。隨機取獲得的3種鈣片各5片,使用硬度測定儀測定片劑的厚度、直徑與片劑的徑向破碎力。按公式(5)計算片劑的抗張強度σ

σ=2P/hD

式(5)

式中,P為徑向破碎力(單位N),D為片的直徑(單位cm),h為片的厚度(單位cm)。

1.2.8 感官評價 請5名受過感官評價培訓的專業人員組成評定小組,小組成員均熟悉鈣咀嚼片類產品的產品特性,分別對固體脂質鈣咀嚼片和碳酸鈣咀嚼片的組織狀態、色澤、風味和口感進行評價。同一評定員對同一樣品應評5次以上。同一評定員對同一樣品的評定結果超過50%以上相同時,以該結果作為該評定員對樣品的最后評定。每次評定間用蒸餾水漱口[13]。

1.3 數據處理

每組實驗至少重復測定3次,采用Origin 9和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析,顯著性水平p<0.05。

2 結果與分析

2.1 固體脂質鈣微粒制備工藝的優化

2.1.1 單因素實驗結果

2.1.1.1 酪蛋白酸鈉濃度對固體脂質鈣微粒制備的影響 不同酪蛋白酸鈉濃度條件下的固體脂質鈣微粒的粒徑分布圖如圖1A所示,鈣荷載率結果如圖1B所示。由圖1中可以看出,隨著酪蛋白酸鈉濃度的增加,固體脂質鈣微粒的均一性先增后降,酪蛋白酸鈉的濃度為3%時,鈣荷載率達到最高,當酪蛋白酸鈉的濃度增加到5%時,均一性降低,粒徑分布區間左移,粒徑減小,鈣荷載率明顯降低。因此,確定最佳酪蛋白酸鈉濃度為3%。

圖1 酪蛋白酸鈉濃度對固體脂質鈣粒徑分布和鈣荷載率的影響Fig.1 Effects of casein concentration on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.1.2 攪拌速度對固體脂質鈣微粒制備的影響 不同攪拌轉速條件下的固體脂質鈣微粒的粒徑分布圖如圖2A所示,鈣荷載率結果如圖2B所示。由圖2A可知,800、2400 r/min攪拌轉速條件下固體脂質鈣微粒均有明顯聚集,說明攪拌轉速過高或過低都會導致固體脂質鈣微粒的聚集,1200、1600、2000 r/min攪拌轉速條件下固體脂質鈣微粒的均一穩定性差別不大;圖2B中結果表明,在固體脂質鈣微粒均一穩定性良好的條件下,1600 r/min攪拌轉速條件下鈣荷載率最大。從樣品的均一穩定性和鈣荷載率綜合考慮,選擇1600 r/min為最佳均質轉速。

圖2 攪拌轉速對固體脂質鈣粒徑分布和鈣荷載率的影響Fig.2 Effects of agitation speed on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.1.3 乳化時間對固體脂質鈣微粒制備的影響 不同乳化時間條件下的固體脂質鈣微粒的粒徑分布圖如圖3A所示,鈣荷載率結果如圖3B所示。由圖3A可知,乳化時間為30、60 s時,固體脂質鈣微粒的均一穩定性差別不大,乳化時間為90 s時均一性增加,乳化時間為120 s的粒徑分布與碳酸鈣原料的粒徑分布基本重合;圖3B顯示,隨乳化時間的增加,鈣荷載率呈下降趨勢,120 s條件下荷載率明顯降低,說明乳化時間過長不利于固體脂質對碳酸鈣的包載。因此,選擇60 s作為最佳乳化時間。

圖3 乳化均質時間對固體脂質鈣粒徑分布和鈣荷載率的影響Fig.3 Effects of emulsifying homogenization time on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.1.4 水相與油相體積比對固體脂質鈣微粒制備的影響 不同水相與油相體積比的固體脂質鈣微粒的粒徑分布圖如圖4A所示,鈣荷載率結果如圖4B所示。從圖4A中可以看出,不同水相與油相體積比條件下固體脂質鈣微粒的均一穩定性差別不大,圖4B顯示,當水相與油相體積比為9∶1時,鈣荷載率最高。因此,確定水相與油相體積比為9∶1。

圖4 乳化時間對固體脂質鈣粒徑分布和鈣荷載率的影響Fig.4 Effects of emulsifying time on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.2 正交試驗結果 固體脂質鈣微粒制備正交試驗方案和結果如表3所示,結果表明最佳工藝條件組合為A1B2C3D1:酪蛋白酸鈉濃度為2%、攪拌速度為1600 r/min、乳化時間為80 s、水相與油相體積比為8∶1。極差分析顯示RC>RD>RA>RB,即4種因素對固體脂質鈣荷載率的影響大小依次為:乳化時間>水相油相體積比>酪蛋白酸鈉濃度>攪拌速度。

表3 固體脂質鈣微粒制備正交試驗方案及結果Table 3 Orthogonal test program and results for solid lipid particles loaded with calcium carbonate

采用最佳組合對正交試驗結果進行驗證,制得的固體脂質碳酸鈣鈣荷載率為99.8%,高于正交試驗所有設計組,確認最佳固體脂質碳酸鈣制備工藝為:酪蛋白酸鈉濃度為2%、攪拌速度為1600 r/min、乳化時間為80 s、水相油相比為8∶1。

2.2 不同鈣源咀嚼片預混料的粉體流動性

分別添加固體脂質碳酸鈣和粉末碳酸鈣的鈣咀嚼片預混料的各項粉體物理參數及綜合卡爾流動性指數結果見表4。松密度的大小影響粉體的成形性與充填性,粉體的振實密度與松密度的差值小,說明粉體內部孔隙小。粉體充填時密度越大,空隙率越小,得到的片劑硬度越高[23-24]。由表4可知,雖然未進行制粒的粉末碳酸鈣咀嚼片預混料的振實密度和松密度較大,但固體脂質碳酸鈣咀嚼片預混料的松密度和振實密度的差值明顯較小,其休止角、刮鏟角和壓縮度也相對較小,卡爾流動性綜合指數高于粉末碳酸鈣咀嚼片預混料,說明固體脂質碳酸鈣有更好的直壓特性,適合用于鈣咀嚼片的直接壓片[25]。

表4 固體脂質碳酸鈣/碳酸鈣咀嚼片預混料流動性結果Table 4 Fluidity determination results for premix of Solid lipid calcium carbonate/calcium carbonate chewable tablet

2.3 固體脂質碳酸鈣咀嚼片的抗張強度和感官特性

不同配方的物料樣品在相同壓力下制備片劑,若其中某樣品的抗張強度較大,或在較小的壓力下可制成較大強度的片劑,說明該配方物料的結合力強,壓縮成形性好[21]。使用相同的壓力壓片,獲得的片劑抗張強度越大,粉體的可壓性和成形性越好[26-27]。由圖5可看出,用粉末碳酸鈣直接壓片,片劑抗張強度僅為33.5 N/cm2,而利用固體脂質碳酸鈣替代碳酸鈣制備鈣咀嚼片,抗張強度可達210.6 N/cm2,直接壓片的固體脂質碳酸鈣咀嚼片的抗張強度高于粉末碳酸鈣咀嚼片,差異顯著(p<0.05),與傳統濕法制粒后壓縮成型的碳酸鈣咀嚼片的抗張強度差異不顯著(p>0.05),說明使用固體脂對碳酸鈣進行包埋可以賦予碳酸鈣良好的直壓特性,簡化鈣咀嚼片的制備工藝。

圖5 固體脂質碳酸鈣/碳酸鈣咀嚼片的抗張強度Fig.5 Tensile strength results of solid lipid calcium carbonate/calcium carbonate chewable tablet注:標有不同字母者表示組間差異顯著p<0.05;標有相同字母者表示組間差異不顯著p>0.05。

另外,通過對不同咀嚼片的組織狀態、色澤、風味和口感進行感官評價,結果見表5,發現固體脂質碳酸鈣咀嚼片感官特性良好,品嘗無沙粒感,說明通過固體脂和酪蛋白酸鈉對碳酸鈣進行包埋,利用酪蛋白酸鈉的乳化及固體脂的潤滑作用,能有效改善鈣咀嚼片的口感,增強消費者的依從性。

表5 不同鈣咀嚼片的感官特性Table 5 Sensory results of different calcium carbonate chewable tablet

3 結論

本實驗通過轉相乳化法以酪蛋白酸鈉為乳化劑,制備固體脂質顆粒對碳酸鈣進行包埋,通過正交試驗得到固體脂質碳酸鈣微粒的最佳制備條件為:酪蛋白酸鈉濃度為2%、攪拌轉速為1600 r/min、乳化時間為80 s、水相油相比為8∶1,鈣的荷載率可達99.8%。使用固體脂質碳酸鈣的鈣咀嚼片預混料的粉體流動性的多項指標有明顯的改善,固體脂質碳酸鈣咀嚼片預混料的卡爾流動性綜合指數高于粉末碳酸鈣咀嚼片預混料,符合直壓粉末的流動性要求。固體脂質碳酸鈣的成型片劑抗張強度高,具有良好的機械性能,且感官評價無任何異味,無普通鈣片常有的粉渣口,在使用低成本的碳酸鈣作為原料的基礎上,明顯改善了鈣咀嚼片的口感,可增加消費者的依從性。

以酪蛋白酸鈉作為乳化劑,使用固體脂質對粉末碳酸鈣進行包埋,包埋材料和被包埋物產生了功能上的協同作用,掩蓋了碳酸鈣的不良性質,使其功能和物理性質得到了改善,這是普通的物理混合或共處理無法達到的。固體脂質碳酸鈣作為改良的鈣源,感官特性良好,符合壓制成型的要求,使鈣咀嚼片可采用直壓法制備,極大地簡化了生產工藝,降低了生產成本,有利于提高兒童營養補充劑類產品的質量,具有很好的應用前景。