芹菜纖維對植物空心膠囊膜性能的影響

黨新安，唐鵬，楊立軍，盛文盼

(陜西科技大學 機電工程學院，陜西 西安，710021)

動物明膠具有良好的成膜性、凝膠性、易吞咽等性能，占據國內外膠囊市場的主要份額[1]，但明膠原料的理化性質決定了自身易發生交聯反應，且存在吸濕性強、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]引起科研人員關注。李寧寧等[6]對芹菜纖維膠囊成型特性進行了研究；盛文盼等[7]對特定纖維形態下，不同添加劑含量制備的空心膠囊膜的力學性能進行了研討，但芹菜纖維形態與尺寸對植物空心膠囊力學性能的影響，尚未見深入報道；郭偉強等[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質量指標均符合國家標準的非明膠空心膠囊，但由于產量限制，市場占有率很低；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，但普魯蘭多糖價格昂貴，難以推廣。因此深入地開展性能優異、成本低廉的植物空心膠囊的研究，具有廣闊的市場前景。

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劑，研發一種全新的植物空心膠囊。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

芹菜濕纖維與芹菜纖維粉，由實驗室自制；復配膠、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；結冷膠，遠大食品有限公司；山梨糖醇，華陽生物有限公司。

1.2 實驗儀器

Y80M1-4型瓦利打漿機，西安泰富西瑪電機有限公司；109-M打漿度測試儀，咸陽通達輕工設備有限公司；粉碎機，佳聲雷有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋，朗越儀器制造有限公司；DJC-100增力電動攪拌器，江蘇省大地自動化儀器設備廠；DHG-9070A實驗室電熱恒溫鼓風干燥箱，南京曉曉儀器設備有限公司；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，陜西科技大學自制；AI-7000-NGD型拉力試驗機，高鐵科技股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原材料的預處理

芹菜濕纖維的制備：取新鮮芹菜去根、老葉，經80 ℃熱水燙漂后，切丁送入打漿機進行打漿，將不同粗細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干燥箱，在40～50 ℃下烘干去除90%水分后，置粉碎機中粉碎，最后通過篩分裝置分組篩出不同目數的粉料，分組分袋保存。

1.3.2 膠液的制備

精確稱取馬鈴薯淀粉、結冷膠、卡拉膠、山梨糖醇，按質量比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，繼續攪拌使膠液均質無氣泡，在60 ℃下養膠20 min后取出。

1.3.3 膜的制備與抗拉強度測定

抗拉強度和斷裂伸長率是衡量膠囊膜力學性能[14]的重要指標。將膠液均勻延流到35 ℃預熱后的亞克力板上，送入鼓風干燥箱中干燥，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型拉力試驗機進行拉力測試，設定拉伸速率為4 mm/min，取5次測量結果的平均值。按公式(1)計算抗拉強度：

(1)

在膜上均勻取5個點，使用測厚儀測定厚度3次，取平均值。

1.3.4 膠囊殼的制備與檢測

取50 ℃預熱的膠囊模具，刷勻脫模油，通過蘸膠送入鼓風干燥箱內干燥后脫模取出。將制備的膠囊殼，按照《中華人民共和國藥典》(2015版)[15]，進行外觀、松緊度、脆碎度、干燥質量損失、灼燒殘渣性能檢測。

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后進行掃描電鏡分析。

1.5 單因素實驗設計

1.5.1 濕纖維含量對膠囊膜力學性能影響

保持打漿度30°SR、復配膠含量16%不變，選取5個水平的濕纖維含量，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 打漿度對膠囊膜力學性能影響

保持纖維含量1%，復配膠含量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 纖維粉含量對膠囊膜力學性能影響

保持纖維目數30目、復配膠含量16%不變，選取5個水平的纖維粉含量，0%、0.5%、1%、1.5%、2%，按照1.3.2和1.3.3的實驗方法制備膠囊膜。

1.5.4 目數對膠囊膜力學性能影響

保持纖維粉含量1%，復配膠含量16%不變，依次選取不同目數的芹菜纖維粉30、40、50、60、80目，按照1.3.2和1.3.3的實驗方法制備膠囊膜。

1.5.5 復配膠含量對膠囊膜力學性能影響

保持芹菜纖維粉含量1%，粗細程度40目不變，依次改變復配膠含量12%、14%、16%、18%、20%，按照1.3.2和1.3.3的實驗方法制備膠囊膜。

1.6 響應面實驗設計

在單因素試驗基礎上，以纖維粉含量、目數、復配膠含量3個因素為變量，抗拉強度和斷裂伸長率為指標，設計3因素3水平共17個試驗點的響應面實驗，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 數據處理

2 結果與分析

2.1 濕纖維對膠囊膜性能影響的單因素試驗

2.1.1 濕纖維的含量對膠囊膜性能影響

原漿中，除纖維的結合水外，還存在大量自由水，純纖維總含量的測定是將少量原漿干燥至絕干，稱重計算失水率后得出。本研究中，纖維含量占原漿的4.4%～4.7%。通過比例關系計算出對應芹菜濕纖維的質量。按照1.5.1設計濕纖維含量對膠囊膜力學性能影響的單因素試驗，結果如圖1所示。

圖1 濕纖維含量對薄膜力學性能的影響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，在濕纖維含量為1%時達到峰值。根據蔬菜成紙理論[16]，纖維之間具有結晶性質，相互搭接形成“骨架”，復配膠內的分子相互作用，并黏結在纖維之間，經過干燥后，膜表面會形成一種由相鄰纖維之間氫鍵結合所產生的張力，使得纖維與復配膠之間壓緊并更緊密地連接起來，力學性能增大。但隨著纖維含量繼續增加，纖維之間無法充分舒展，導致纖維產生的絞結作用、復配膠分子間的相互作用無法充分黏連，形成小塊團聚，使膜表面粗糙。濕纖維含量大于1.5%所制膜的力學性能低于無添加纖維時的力學性能。

2.1.2 打漿度對膠囊膜性能影響

纖維的大小是影響膠囊力學性能的另一重要因素[17]，按照1.5.2設計打漿度對膠囊膜力學性能影響的單因素試驗，結果如圖2所示。

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

膠囊膜的抗拉強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時膠囊膜的力學性能最優，隨后膠囊膜的力學性能逐漸下降。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，纖維之間絞結形成局部團聚小塊，導致與復配膠分子間未充分搭接，力學性能較低；當打漿度提高時，制備的膠囊膜長纖維數開始減少，團聚小塊分離，纖維表面松散，使纖維的比表面積、接觸面積增大，羥基數增多，進而增加了纖維結合力，力學性能提高[18]；但過大的打漿度會破壞纖維的細胞壁，纖維變短，分絲帚化程度增加，纖維與復配膠結合作用減小，力學性能下降。

2.2 干纖維粉對膠囊膜性能影響的單因素試驗

2.2.1 干纖維粉的含量對膠囊膜性能影響

為對比不同形態下芹菜纖維制備膠囊膜的力學性能，纖維粉含量的選取與芹菜濕纖維相同，按照1.5.3設計纖維粉的含量對膠囊膜力學性能影響的單因素試驗，結果如圖3所示。

圖3 纖維粉含量對膠囊膜力學性能的影響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，在干纖維含量為1%時達到峰值。結合圖1，由干纖維粉制備的膠囊膜力學性能普遍優于濕纖維制備的膠囊膜力學性能。這是因為芹菜濕纖維經干燥粉碎后，纖維粒度變小，顆粒數增加，纖維間的孔隙增多，溶于水后導致水分更容易滲入，使其膨脹伸展，提高了纖維的持水性和溶脹性[19]，使纖維間的結合力有效增強。

2.2.2 纖維的粗細對膠囊膜性能影響

纖維粉的粗細是影響膠囊成膜性能的另一重要因素，按照1.5.4設計目數對膠囊膜力學性能影響的單因素試驗，結果如圖4所示。

圖4 目數對膠囊膜力學性能的影響Fig.4 Effect of number of items on mechanical properties of capsule membrane

膠囊膜的抗拉強度和斷裂伸長率隨著目數的增大而增大，在打漿度為40目時膠囊膜的力學性能最優，隨后膠囊膜的力學性能逐漸下降。這是因為在較小的目數下，纖維相對粗大且表面松散，纖維與復配膠接觸面積增大，進而增加了纖維結合力，力學性能提高。而在過大的目數下，纖維變得短小，纖維之間結合作用減小，力學性能下降。結合圖1，由干纖維粉制備的膠囊膜力學性能普遍優于濕纖維制備的膠囊膜力學性能。這是因為芹菜中的纖維差異較大[20]，打漿時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均勻。

2.3 復配膠對膠囊膜性能影響

結合圖1～圖4對比分析不同形態下芹菜纖維對膠囊膜力學性能影響，結果表明，芹菜纖維粉對制備的膠囊膜力學性能影響較大，芹菜濕纖維影響較小。芹菜含有較多的膳食纖維，而膠體物質很少，因此，膠囊產品需選擇適宜的黏結劑[21-22]。經前期探索性試驗，馬鈴薯淀粉具有黏韌性高的特性；結冷膠具有成膜性強的特性；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]，它們在質量比為40∶1∶6∶10時形成的膠囊膜具有較強的力學性能，因此按照1.5.5設計復配膠含量對膠囊膜力學性能影響的單因素試驗，結果如圖5所示。

圖5 復配膠含量對膠囊膜力學性能的影響Fig.5 Effect of compound gum content on mechanical properties of capsule film

隨著復配膠含量的增多，膠囊膜的抗拉強度和斷裂伸長率呈增加的趨勢，制備的膠囊膜力學性能最優。這是因為芹菜纖維屬大分子基團，含量相對較多，纖維之間需要更多的黏結劑進行搭接。在復配膠濃度較低時，部分復配膠顆粒沒有包覆在纖維之間，使纖維與復配膠結合力較小，力學性能較低；而隨著復配膠濃度的增加，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，在復配膠含量超過16%后，黏度瞬間增大，如圖6所示，經實驗測定在復配膠含量不超過18%時，膠囊殼性的厚度低于0.2 mm。滿足藥典要求。

圖6 復配膠含量對漿液黏度變化Fig.6 Change of viscosity of slurry with the content of compound gum

2.4 響應面優化實驗

2.4.1 響應面實驗設計與顯著性分析

由單因素實驗得到芹菜纖維粉的粗細程度、含量及復配膠含量對膠囊膜力學性能影響較大，而濕纖維對力學性能影響相對較小，根據Box-Benhnken設計，選取17個實驗點，其中12次析因實驗，5次零點重復實驗，用于估計實驗誤差。對表2結果進行數據回歸擬合，分別得到預測抗拉強度Y1和斷裂伸長率Y2的響應值與芹菜纖維含量X1、纖維目數X2和復配膠含量X3的二次回歸方程如(2)、(3)所示:

(2)

(3)

表2 響應面結果Table 2 Response Surface results

對2個模型方程進行方差分析、顯著性分析和模型系數顯著性分析，結果如表3所示，2個模型的P<0.000 5，表明2個響應面回歸方程達到極顯著水平；2個模型的失擬項P值均大于0.05，表明方程檢驗不顯著，二次響應面回歸方程能夠較好的擬合實驗所得結果；模型X1X3對力學性能的交互影響高度顯著，表明實驗因素與響應面值不是簡單的線性關系，二次項對響應值有很大關系，交互影響顯著；可以判斷影響膠囊膜抗拉強度和斷裂伸長率的因素主次是X2>X1>X3，2個模型的校正決定系數R2分別為0.961 5、0.968 1，表明抗拉強度和斷裂伸長率的預測值和試驗值之間具有較高的相關性；2個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CV分別為6.18%、2.93%，也表明方程擬合度較好。因此，2個模型的穩定性高，能夠預測各因素對膠囊膜力學性能的變化。

2.4 最優參數確定與驗證

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

表3 膠囊膜力學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 各因素對膠囊膜抗拉強度影響趨勢圖Fig.7 Trend of the influence of various factors on the tensile strength of the capsule

圖8 各因素對膠囊膜斷裂伸長率影響趨勢圖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%，復配膠含量在16%～17%，纖維粗細在40目下最利于提高膠囊膜的抗拉強度和斷裂伸長率，結合方程與響應面曲線分析得到最優的工藝條件：40目的纖維含量為0.84%，復配膠的含量為16%，預測的實驗結果的抗拉強度為13.344 Mpa，斷裂伸長率為23.337%。經驗證試驗的抗拉強度為14.443 MPa，斷裂伸長率26.958%，相對誤差小于5%，因此，用所得的優化結果制備芹菜植物空心膠囊的工藝參數具有可靠性。

2.5 膠囊性能檢測及形貌分析

經響應面優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，按照藥典標準對膠囊檢測，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 檢測指標Table 4 Detection indicators

在最優條件下，由芹菜纖維粉制備的膠囊外觀良好，表面光滑，各項指標符合國家藥典標準，無裂紋、漏粉，其脆碎度、松緊度等指標均合格。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提供理論了基礎。

3 結論

通過改善纖維的形態與尺寸，使膠囊膜表面形成一種由相鄰纖維之間氫鍵結合所產生的張力，使纖維與復配膠之間壓緊并更緊密地連接起來，提高膠囊膜力學性能；同時，纖維經干燥粉碎后，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，使纖維間的結合力有效增強，進一步提升了膠囊薄膜力學性能。利用響應面分析得到制備膠囊膜優化的配方條件：40目的纖維含量為0.84%，復配膠的含量為16%，預測的實驗結果的抗拉強度為13.344 MPa，斷裂伸長率為23.337%。經驗證試驗的抗拉強度為14.443 MPa，斷裂伸長率26.958%，相對誤差小于5%；在此條件下制備的膠囊殼表面致密性良好，崩解時限為62 min，符合國家藥典標準。與現有芹菜纖維植物空心膠囊研究相比，具有表面質量好、強度高、脆碎率低等優點，為胃滯留新型的膠囊劑開發奠定了良好基礎。