芹菜纖維空心膠囊工藝優化與力學性能分析

楊立軍，盛文盼，唐鵬

(陜西科技大學 機電工程學院，陜西 西安，710021)

膠囊具有改善藥物口感、便于用藥等優點，是醫藥市場不可或缺的產品之一。市場上空心膠囊多采用動物明膠為主料，動物明膠有很多優異性能，但生產中會對空氣與水產生較嚴重的污染[1-3]。同時，明膠吸濕性大，易與還原糖等發生反應[4]。近年來一些不法人員采用劣質或代用的牲畜皮、骨加工醫用明膠，已嚴重危害到醫藥安全[5]，使人們對醫藥產生信任危機。因此，研發一種可靠的新材料膠囊成為形勢所趨。

目前已有多種植物膠囊的應用報道。美國輝瑞公司膠囊部(Capsugel)最早開發出以羥丙基甲基纖維素(HPMC)為主料的非明膠膠囊。HPMC具有良好的成膜、分散、增稠等作用[6]，但其膠囊成本高，制備時膠液糊絲長，成型困難[7]；法國Capsugel膠囊公司推出以普魯蘭糖為原料的植物膠囊，其水溶性好，無色無味，可在人體消化道內完全生物降解[8]，但其價格昂貴，低水分下易脆化，制造損耗大[9]。

本文所描述制備的芹菜纖維空心膠囊能夠有效避免明膠作為膠囊為主要原料的弊端，又能顯著降低當前市場植物膠囊的成本。芹菜憑借優異的藥用價值，用其作為原料制備的芹菜纖維空心膠囊適合更多人群食用，特別是宗教人士群體，且無動物性傳染病的隱患等優點，擁有廣闊的發展前景。本文以芹菜纖維為主料制備空心膠囊在市場上具有獨創性，相較前人[10-11]研究，本文在其基礎上，優化了配方與工藝條件，大幅度提高了膠囊力學性能，使其具有盛裝藥粉的能力，更重要的是從微觀角度表征了混合體系相互作用機理的合理性。為此，本文以力學性能為衡量指標，以透光率、掃描電鏡等微觀表征手段為技術參考，探究配方與工藝對芹菜纖維植物空心膠囊的影響規律，這為芹菜纖維植物空心膠囊的生產奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

芹菜濕纖維，實驗室自制；馬鈴薯淀粉，漯河市恒瑞化工有限公司(以下簡稱淀粉)；甘油，陽江市白云香化有限公司；卡拉膠，海南省瓊海市長坡瓊青瓊脂廠；魔芋粉，亳州寶豐生物科技有限公司；亞克力玻璃板，上海錦淳五金機電有限公司。

Y80M1-4型瓦利打漿機，西安泰富西瑪電機有限公司；電子天平，余姚紀銘稱重校驗設備有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋，朗越儀器制造有限公司；HH-B11-600-BS-Ⅱ電熱恒溫培養箱，上海躍進醫療器械有限公司；AI-7000-NGD伺服控制高低溫拉力試驗機，高鐵科技股份有限公司；紅外線快速水分測定儀，昆山鷺工精密儀器有限公司；120目標準檢測篩，浙江省上虞市大亨橋化驗儀器廠；真空冷凍干燥箱，上海比朗儀器制造有限；Cary-5000紫外-可見-近紅外分光光度計，美國安捷倫；FEI-Q45+EDAX-Octane-Prime環境掃描電子顯微鏡，美國FEI；D8 Advance X-射線衍射儀，德國布魯克Bruker公司；傅立葉變換紅外光譜儀，天津瑞岸科技有限公司。同步TG-DSC熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 芹菜纖維空心膠囊薄膜的制備

由于直接制備芹菜纖維空心膠囊不便進行力學性能測試，故制備成膠囊薄膜[12]。通過瓦利打漿機對去根的新鮮芹菜進行打漿處理，得到不同打漿度的芹菜原漿，對該芹菜原漿濾掉相應的水分，得到芹菜濕纖維(以下均簡稱為纖維)。將纖維在水浴鍋中預熱至45 ℃；將淀粉、卡拉膠、魔芋粉(其中卡拉膠、魔芋粉按1∶1質量比[13]稱取)倒入常溫純化水中，置于水浴鍋中不斷攪拌制備混合膠液；將預熱后的纖維，混合膠液、甘油混合，提高轉速，保溫充分攪拌，得到芹菜膠囊漿料；利用流延法將芹菜膠囊漿料在亞克力玻璃板[14]上成型，在80 ℃干燥箱中干燥一定時間得到一定含水量的膠囊薄膜。

1.2.2 正交實驗

(1)配方的正交實驗

按照1.2.1膠囊薄膜制備方法，以探索性實驗得到的較好的工藝條件為基礎，即控制打漿度28 °SR、濾水率35 %、失水率82.5 %、溶膠時間20 min、漿料混合時間7 min及漿料混合溫度75 ℃，以芹菜纖維含量、甘油含量、淀粉含量、卡拉膠/魔芋粉(簡稱卡/魔)含量為變量，選擇4因素3水平正交表，利用綜合評分法對抗拉強度、斷裂伸長率兩指標進行加權評分，得到影響配方實驗結果最大的2個因素。加權評分計算公式[15-16]如公式(1)所示:

(1)

式中：Ci，第i組實驗綜合評分結果；σi，第i組樣品抗拉強度；σm，正交實驗中抗拉強度最大值；εi，斷裂伸長率；εm，正交實驗中斷裂伸長率最大值。

(2)工藝的正交實驗

按照1.2.1膠囊薄膜制備方法，以優化配方為基礎，即控制芹菜纖維質量濃度(含量)為3.5 g/L、甘油含量為 12 g/L、淀粉含量為16 g/L、卡拉膠/魔芋粉含量為0.5 g/L及漿料混合溫度75 ℃，以打漿度、濾水率、失水率、溶膠時間、漿料混合時間為變量，選擇5因素4水平正交表，利用綜合評分法對抗拉強度、斷裂伸長率兩指標進行加權評分，得到影響工藝實驗結果最大的2個因素。

(3)配方與工藝結合的正交實驗

按照1.2.1膠囊薄膜制備方法，以優化配方及優化工藝為基礎，即控制甘油含量為12 g/L、卡拉膠/魔芋粉含量為0.5 g/L、溶膠時間25 min、濾水率35 %、漿料混合時間6 min及漿料混合溫度75 ℃，分別選取影響配方與工藝的2個主要影響因素進行正交實驗，即以芹菜纖維含量、淀粉含量、打漿度、失水率為變量，選擇4因素3水平正交表，利用綜合評分法對抗拉強度、斷裂伸長率兩指標進行加權評分，如公式(1)所示，正交實驗設計如表1所示。

表1 配方的正交實驗設計Table 1 Orthogonal experimental design of formulation

表2 工藝的正交實驗設計Table 2 Orthogonal experimental design of process

表3 配方與工藝結合的正交實驗設計Table 3 orthogonal experiment design of formulation and process

1.2.3 芹菜纖維空心膠囊薄膜的處理與力學性能檢測

將芹菜纖維空心膠囊薄膜剪裁成15 mm×40 mm的膜條，在25 ℃、濕度為40 %，用AI-7000-NGD伺服控制高低溫拉力試驗機在拉伸速率為4 mm/min條件下測定膜條抗拉強度和斷裂延伸率，取各指標3次測量的平均值。

1.2.4 芹菜纖維空心膠囊薄膜的微觀表征

由配方與工藝結合的正交實驗得到最優樣品，將最優樣品與空白對比樣品首先使用Cary-5000紫外-可見-近紅外分光光度計進行檢測，其次將其置于真空冷凍干燥箱中干燥除水[17]后再分別使用FEI-Q45+EDAX-Octane-Prime環境掃描電子顯微鏡、D8 Advance X-射線衍射儀、傅立葉變換紅外光譜儀進行檢測，對膠囊薄膜進行表征。空白對比樣品有：纖維+淀粉+甘油薄膜、纖維+卡拉膠/魔芋粉+甘油薄膜、纖維+甘油薄膜、淀粉+卡拉膠/魔芋粉+甘油薄膜、淀粉+甘油薄膜、卡拉膠/魔芋粉(簡成卡/魔)+甘油薄膜。各測試手段使用參數如下：

(1)透光率

將膜厚均勻，結構完整的最優樣品與各空白對比樣品裁剪成長方形緊貼于比色皿一側，使用Cary-5000紫外-可見-近紅外分光光度計測定膜在400～800 nm下的透光率。

(2)掃描電子顯微鏡(SEM)

將膜厚均勻，結構完整的最優樣品與空白對比樣品薄膜裁剪成2.5 mm×2.5 mm的樣品，分別以水平方向和垂直方向固定在樣品臺上，在真空條件下噴金后觀察樣品的表面與斷面。實驗條件為電子束加速電壓為20.00 kV，放大倍數為2 000倍。

(3)X-射線衍射(XRD)

將膜厚均勻，結構完整的優化樣品與空白對比樣品薄膜置于D8 Advance X-射線衍射儀試驗臺上，在掃描角度5°～80°，掃描速度為4°/min的條件下掃描測定樣品。

(4)傅立葉變換紅外光譜(FTIR)

利用傅立葉變換紅外光譜儀對最優樣品與各空白樣品的分子結構進行分析對比。稱取樣品2 mg左右，加入200 mg烘干的KBr于研缽中研磨均勻后壓片，在2 cm-1分辨率、4 000～400 cm-1進行紅外掃描。

(5)熱重-差示掃描量熱分析法(TG-DSC)

稱取一定量的最優樣品放入坩堝中，壓片封口，放入同步TG-DSC熱分析儀中分析，升溫速率為10 ℃/min，氮氣流速為20 mL/min，升溫范圍為25～600 ℃。

1.3 數據處理

利用SPSS軟件對正交實驗結果進行直觀分析，利用Origin作圖工具對透光率、XRD、FTIR及TG-DSC的測試結果進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 正交實驗結果

2.1.1 配方的正交實驗結果

正交實驗如表4所示，由極差R可知，4個因素的影響程度從大到小依次為芹菜纖維含量>淀粉含量>卡拉膠/魔芋粉含量>甘油含量。故而對配方的正交實驗結果影響最大的2個因素為芹菜纖維含量與淀粉含量。最佳原料配比為A2B3C2D2，即芹菜纖維含量為3.5 g/L、甘油含量為12 g/L、淀粉含量為16 g/L、卡拉膠/魔芋粉含量為0.5 g/L。由于優方案不在9組正交試驗中，故進行驗證實驗。

驗證實驗結果的抗拉強度為6.76 MPa，斷裂伸長率為38.65 %，這與正交試驗中最優的第4組相比性能更優，可能原因是卡拉膠/魔芋粉含量減少，甘油與其發生拮抗作用更小而導致抗拉強度增強[18]。

表4 配方的正交實驗結果Table 4 Orthogonal test results of formulation

2.1.2 工藝的正交實驗結果

正交實驗如表5所示，由極差R可知，5個因素的影響程度從大到小依次為失水率>打漿度>漿料混合時間>溶膠時間>濾水率。故而對工藝的正交實驗結果影響最大的2個因素為失水率與打漿度。最佳原料配比為A3B1C3D3E2，即芹菜原漿打漿度為35 °SR、失水率81.5 %、溶膠時間25 min、濾水率35 %、漿料混合時間6 min，由于最佳原料配比并不包含在正交表中，故而進行驗證性實驗。

驗證實驗結果的抗拉強度為9.76 MPa，斷裂伸長率為36.55 %，這與正交試驗中最優的第9組相比性能更優。

表5 工藝的正交實驗結果Table 5 Orthogonal experimental results of process

2.1.3 配方與工藝結合的正交實驗結果

正交實驗如表6所示，由極差R可知，4個因素的影響程度從大到小依次為打漿度>失水率>纖維含量>淀粉含量。最佳實驗條件為A2B3C2D3，即纖維含量為3.5 g/L、淀粉含量為18 g/L、打漿度為35 °SR、失水率為82 %。該組合未在正交實驗中，故而進行驗證實驗。

驗證實驗結果的抗拉強度為13.56 MPa，斷裂伸長率為25.35 %。相較正交第4組結果，抗拉強度增強，斷裂伸長率略有降低，其結果仍優于正交第四組實驗。這是由于淀粉含量增多，混合體系的凝膠性增強，導致樣品的力學性能增強，但淀粉含量較多又會使得淀粉分子碰撞機會增多，導致淀粉回生的幾率增加，表現的性質為變硬變脆[19]，故而抗拉強度增大，斷裂伸長率減小。

表6 配方與工藝結合的正交實驗結果Table 6 Orthogonal experiment results of formula and process

2.2 微觀表征

2.2.1 透光率分析

復合物的光學性能如透明性以可見光的透光率來表征，如果復合膜中各組分有較好的相容性，則表現為較高的透光率；如果復合膜中各組分相容性差，會出現光的散射或反射，導致膜的透光率低[20]。

由于纖維+甘油薄膜力學性能差未能形成平整均勻的薄膜，故而未進行透光率測試。其他樣品測試結果如圖1所示。

A-最優樣品；B-卡/魔+甘油薄膜；C-淀粉+甘油薄膜；D-纖維+淀粉+甘油薄膜；E-淀粉+卡/魔+甘油薄膜；F-纖維+卡/魔+甘油薄膜；G-空氣空白樣品圖1 各樣品透光率變化圖Fig.1 Light transmittance profiles of each sample

圖1中的G的透光率在55 %～62 %，未添加纖維的薄膜樣品透光率均在82 %以上，這些樣品包括圖1中的B、C、E，說明卡拉膠、魔芋粉、淀粉、甘油之間擁有良好的相容性，而相容性好的樣品相應的力學性能會增強[21]；添加纖維的薄膜樣品，包括圖1中的A、D、F，其透光率基本呈上升態勢，這可能與纖維自身的性質有關。優化樣品的透光率要整體高于其他添加纖維的薄膜樣品，說明淀粉、卡拉膠、魔芋粉、甘油共混后的相容性得到加強，可能的原因是淀粉、卡拉膠、魔芋粉之間存在協同作用[22-23]。

2.2.2 SEM分析

如圖2所示，圖2-A顯示，纖維雜亂堆積、斷面氣泡較多，氣孔粗大，成膜能力差；圖2-B顯示，斷面除氣泡和毛刺外，薄膜基本形成連續穩定且結構細密的整體，沒有任何相分離或異質[24]，說明卡拉膠、魔芋粉與甘油相容性良好；圖2-C顯示，對比圖2-B可知纖維的加入使得薄膜斷面出現較多裂痕與相分離，說明纖維的加入降低了薄膜組分的相容性；圖2-D顯示，斷面除毛刺外，薄膜形成連續穩定且結構細密的整體，說明淀粉與甘油相容性良好，吳婷婷等[25]研究也證明了這一點；圖2-E顯示，對比圖2-D纖維的加入使得光滑的斷面變得褶皺，但仍是連續穩定的平面，可能的原因是各組分包裹吸附在纖維周圍，使得截面變得褶皺；圖2-F顯示，斷面除氣泡和毛刺外，基本形成連續穩定且結構細密的整體，說明淀粉、卡拉膠、魔芋粉、甘油之間有良好的相容性[26]；圖2-G顯示，斷面除氣泡和毛刺外，薄膜基本形成連續穩定且結構細密的整體，說明淀粉、卡拉膠、魔芋粉、甘油之間良好的相容性弱化了由于纖維加入導致的相分離現象，這與透光率分析結果一致；圖2-H從薄膜平面角度觀察到纖維相互搭接現象，說明纖維之間形成骨架，其他組分包羅其中，使得優化樣品的力學性能提高。

A-纖維+甘油薄膜斷面圖；B-卡/魔+甘油薄膜斷面圖；C-纖維+卡/魔+甘油斷面圖；D-淀粉+甘油薄膜斷面圖；E-纖維+淀粉+甘油薄膜斷面圖；F-淀粉+卡/魔+甘油薄膜斷面圖;G-最優樣品斷面圖，H-最優樣品平面圖。圖2 各樣品SEM圖Fig.2 SEM diagrams of each sample

2.2.3 XRD分析

如圖3所示，各樣品在20 °左右均有一個衍射峰。其中，圖3中的E的衍射峰最強，說明其存在較多的結晶結構；由圖3中的C的圖線可知，淀粉的加入使得其在20 °左右的衍射峰平緩，說明淀粉降低了圖3中的E樣品的結晶程度[27]，這也說明了淀粉與卡拉膠、魔芋粉、甘油有良好的相容性；由圖3中的G的圖線可知，其在20 °左右的衍射峰最弱，形成一個寬的衍射峰，說明最優樣品的結晶程度最小，形成無定型結構，這可能是由于多糖分子之間的相互作用導致[28]，也說明纖維的加入改變了淀粉、卡拉膠、魔芋粉等多糖分子之間的氫鍵網絡結構[29]，使得力學性能得到提高，這與透光率、SEM通過相容性角度驗證力學性能的結論一致。

A-纖維+淀粉+甘油薄膜；B-纖維+卡/魔+甘油薄膜；C-淀粉+卡/魔+甘油薄膜；D-淀粉+甘油薄膜；E-卡/魔+甘油薄膜；F-纖維+甘油薄膜；G-最優樣品圖3 各樣品XRD圖Fig.3 XRD diagram for each sample

2.2.4 FTIR分析

如圖4所示，在3 300 cm-1附近有一個強度較大且寬的吸收峰[30]，主要是O—H鍵伸縮振動吸收；在2 900 cm-1附近出現的強度較小的峰是CH2的反對稱伸縮振動；1 642 cm-1附近的吸收峰為淀粉中吸附水中無定形區域的吸收峰；1 419 cm-1附近的吸收峰為CH2彎曲振動；1 370 cm-1附近的吸收峰是C—H彎曲振動；1 018 cm-1附近吸收峰是C—O鍵的伸縮振動及C—OH彎曲振動；764 cm-1附近吸收峰是C—C鍵的伸縮振動。對比圖4可知，各樣品的特征峰位置基本相似，區別在于峰值的不同。

A-淀粉+甘油薄膜；B-淀粉+卡/魔+甘油薄膜；C-卡/魔+甘油薄膜；D-纖維+淀粉+甘油薄膜；E-纖維+甘油薄膜；F-纖維+卡/魔+甘油薄膜；G-最優樣品。圖4 各樣品紅外光譜分析Fig.4 Infrared spectrum analysis of samples

對比圖4中的A、B可知，卡/魔的加入使得3 300 cm-1附近的吸收峰大幅減弱，這主要是由于卡/魔形成的親水性膠體與混合體系間的氫鍵作用增強，加上淀粉中的羥基氫原子與甘油羥基氧原子也形成氫鍵，這使得淀粉分子間的相互作用力得到抑制，降低了淀粉大分子鏈間的卷曲纏繞，從而降低了淀粉的回生效應[31]。由圖4中的B、G可知，芹菜纖維的加入使得3 300 cm-1附近的吸收峰略微加強，但相較其他曲線仍屬于較平緩的吸收峰，這說明混合體系中其他組分良好的相容性弱化了芹菜纖維的加入導致的相分離現象，這與SEM分析的結果一致。

2.2.5 TG-DSC分析

如圖5所示，最優樣品的熱解過程大致分為3個階段。第1階段發生在90～260 ℃，主要是由芹菜植物空心膠囊薄膜含有的水分蒸發引起的；第2階段發生在260～340 ℃，是失重的加速階段，這主要是因為薄膜壁材開始熱分解，化學鍵開始斷裂，裂解成中間產物CO2與H2O等，此階段反映了膠囊薄膜發生了劇烈的理化反應，膠囊壁材被破壞；第3階段發生在340 ℃以后，中間產物進一步完全裂解并碳化。在110 ℃以下，膠囊的質量幾乎沒有損失，表現出良好的熱穩定性。

圖5 最優樣品的TG-DSC分析Fig.5 TG-DSC analysis of optimal samples

3 結論

通過正交實驗分析，對膠囊薄膜性能影響程度依次為打漿度、失水率、纖維含量、淀粉含量，并且當打漿度為35 °SR時，失水率為82 %時、纖維質量濃度(含量)為3.5 g/L時、淀粉含量為18 g/L時，薄膜擁有最優力學性能，其抗拉強度為13.56 MPa，斷裂伸長率為25.35 %。透光率測試結果表明，淀粉、卡拉膠、魔芋粉、甘油之間具有良好的相容性；SEM分析結果表明，良好的相容性弱化了芹菜纖維導致的相分離現象，并且纖維之間形成骨架，使得力學性能得到加強；XRD表明，混合體系在20 °左右形成一個寬的衍射峰，并形成無定型結構；FTIR分析結果表明在3 300 cm-1附近的吸收峰減弱，混合體系趨于勻質穩定；TG-DSC表明，膠囊薄膜在低于110 ℃具有良好的熱穩定性，這些表征均證明芹菜纖維與混合體系的共同作用使得力學性能得到提高。這與黨新安等[10]相比，本文利用透光率等各種表征手段從微觀角度證明了芹菜纖維與混合輔料之間的相互作用機理；與盛文盼等研究[11]相比，本文優化了配方及工藝條件，使得力學性能得以大幅提高。綜上所述，本文為芹菜作為芹菜植物空心膠囊原料提供理論支撐，也為開發新型廉價植物膠囊提供可能。