超聲波協同離子交聯優化薄荷精油膠囊濕丸處理工藝

孫煒煒 段麗萍 蔡 超 陳 浩 陳 健 苗麗坤 陳 勝

(1. 武漢黃鶴樓香精香料有限公司，湖北 武漢 430050；2. 武漢黃鶴樓新材料科技開發有限公司，湖北 武漢 430050)

隨著膠囊添加技術的推廣應用，中國膠囊卷煙的銷量自2017年以來一直保持井噴式高速增長的態勢，塑造了對高檔卷煙高價值、高品位的消費認知。膠囊的加工流程主要分為膠液配制、滴制成型、脫油干燥、平衡、篩選等單元。膠囊在線滴制通常需要在石蠟油或者辛癸酸甘油酯冷卻液體系中完成，導致油溶性的冷卻液包裹在濕丸表面，由于濕丸壁材含水率在90%以上，且強度不高，容易出現干燥時間較長、產品圓度較差等問題[1-2]。因此，在滴制成型后需對濕丸進行合理的塑型處理。當前，大多數膠囊生產企業使用鈣離子水溶液對濕丸進行離子交聯處理，通過促進凝膠空間網絡結構的形成，提升濕丸壁材強度，便于后序干燥塑型處理[3]。離子交聯法適用于卡拉膠、海藻酸鈉等壁材體系濕丸的處理，不易受膠囊芯液種類限制，具有操作簡便、生產安全、效果明顯、成本低等優點，但大多數的離子交聯過程至少需要20 min甚至以上，存在效率低的技術缺陷[4-5]。超聲波輔助植物提取或者化學反應技術具有簡單、高效、快速等特點[6]，但在超聲波協助離子交聯技術處理膠囊濕丸方面未見文獻報道。

當前，含有薄荷精油膠囊的卷煙制品深受廣大消費者的青睞[7]。在薄荷精油膠囊的生產過程中，由于芯液中薄荷香精的濃度普遍大于20%，有的甚至高達50%，芯液與膠囊壁材的適配性較差，導致生產過程中容易出現橢圓、異形的情況(即爆珠圓度指標偏高)，這種缺陷又會造成下游濾棒加工企業生產廢品率高的問題，嚴重影響了膠囊制品在濾棒中的應用[8]。研究擬采用超聲波輔助離子交聯技術處理膠囊濕丸，考察各因素對濕丸強度和膠囊成品圓度的影響，通過工藝優化確定最佳工藝條件，并考察該技術在提升膠囊產品質量方面的應用效果，旨在為煙用膠囊的研究開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海藻酸鈉：食用級，山東豐泰生物科技有限公司；

卡拉膠：食用級，鄭州龍生化工產品有限公司；

山梨糖醇：食用級，上海倍特化工有限公司；

氯化鈣：食用級，濰坊迪拜爾化工有限公司；

純水：TDS<5×10-6mg/L，武漢黃鶴樓香精香料有限公司；

BH24046薄荷香精：食品級，上海華寶孔雀香精香料有限公司。

1.2 儀器與設備

全自動彈性體硬度測試儀：DIGI TEST II型，德商博銳儀器(上海)有限公司；

恒溫水浴鍋：HH-M8型，上海赫田科學儀器有限公司；

數顯電動攪拌器：S312-250型，上海羌強事業發展有限公司；

滴丸機：DWJX-III型，煙臺博鑫制藥機械有限公司；

煙用膠囊顆粒強度測試儀：APW-II型，泰州奧普偉成儀器有限公司；

超聲細胞破碎儀：MEC型，深圳市明和超音波工業股份有限公司；

轉筒干燥機：DDG-6013型，云南巴菰生物科技有限公司；

煙用膠囊質量檢測系統：CQS-IV型，武漢林立鋒科技有限公司；

濕丸檢測裝置：ZT-37型，武漢林立鋒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 薄荷精油膠囊濕丸制備工藝 以海藻酸鈉和卡拉膠為壁材主體原料按照常規工藝調制膠液，以薄荷香精為芯液，使用自然冷凝法滴丸設備在一定工藝參數條件下，滴制薄荷精油膠囊濕丸，滴制過程中要求滴制狀態穩定，濕丸直徑、芯液直徑、同心度滿足滴制技術要求，收集濕丸，使用過濾網充分瀝油10～20 min，確保無白油滴出，待用。其流程為：

膠液調制→自然冷凝法滴丸→濕丸質量指標檢測→濕丸收集→瀝油備用[9]

1.3.2 離子交聯工藝浸泡濕丸 稱取一定質量的濕丸，按照比例加入氯化鈣水溶液，攪拌均勻后，經離子交聯強化后取出，用清水沖洗兩遍后，迅速檢測濕丸強度指標。固定一定的干燥工藝條件，評估離子交聯技術中鈣離子濃度、液料比、處理時間等因素對薄荷精油膠囊產品圓度的影響。

1.3.3 離子交聯工藝參數優化

(1) 鈣離子質量分數：固定浸泡時間20 min，液料比1.0∶1.0 (mL/g)，考察鈣離子質量分數(0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%)對濕丸強度和成品圓度的影響。

(2) 浸泡時間：固定鈣離子質量分數0.4%，液料比1.0∶1.0 (mL/g)，考察浸泡時間(10，15，20，25，30 min)對濕丸強度和成品圓度的影響。

(3) 液料比：固定鈣離子質量分數0.4%，浸泡時間20 min，考察液料比[0.6∶1.0，0.8∶1.0，1.0∶1.0，1.2∶1.0，1.4∶1.0 (mL/g)]對濕丸強度和成品圓度的影響。

1.3.4 超聲波協同離子交聯工藝浸泡濕丸 稱取一定質量的濕丸，按照比例加入氯化鈣水溶液，攪拌均勻后，置入超聲細胞破碎儀中超聲處理，為避免樣品在超聲過程中溫度升高，外加冷水浴且超聲休息時間設定為10 s，工作時間設定為5 s。超聲完成后，用清水沖洗兩遍濕丸，迅速檢測濕丸強度偏心情況指標。固定干燥工藝條件，評估處理過程中超聲時間、超聲功率、超聲溫度等因素對薄荷精油膠囊濕丸強度和產品圓度的影響。

1.3.5 超聲波協同離子交聯工藝參數優化

(1) 超聲時間：固定超聲功率120 W，超聲溫度30 ℃，考察超聲時間(5，10，15，20，25 min)對濕丸強度和成品圓度的影響。

(2) 超聲功率：固定超聲時間15 min，超聲溫度30 ℃，考察超聲功率(80，100，120，140，160 W)對濕丸強度和成品圓度的影響。

(3)超聲溫度：固定超聲時間15 min，超聲功率120 W，考察超聲溫度(20，25，30，35，40 ℃)對濕丸強度和成品圓度的影響。

1.3.6 濕丸強度檢測 濕丸經鈣離子水溶液或超聲輔助鈣離子水溶液強化處理后，經兩遍水洗，采用DIGI TEST II型硬度儀測試濕丸強度[9]。

1.3.7 濕丸偏心情況檢測 濕丸經鈣離子水溶液或超聲輔助鈣離子水溶液強化處理后，經兩遍水洗，采用濕丸檢測裝置測試。

1.3.8 膠囊產品質量檢測 使用CQS-IV煙用膠囊質量檢測系統測試膠囊成品的圓度指標，使用鹵素分析儀測試膠囊水分含量[10-11]。圓度定義：爆珠橫截面接近理論圓的程度，圓度越小，產品越圓整。用單顆成品膠囊的最大直徑與最小直徑之差來表征。

1.3.9 數據分析 所有試驗均平行5次，再取平均值。單因素及爆珠質量檢測數據采用 Origin 2019b 軟件處理，ANOVA單因素方差分析和數據差異顯著性采用SPSS 26軟件檢驗，響應面優化試驗采用 Design-Expert.V8.0.6 軟件分析，并進行模型方差分析。其中，P<0.05，差異顯著，P<0.01，差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 離子交聯法單因素試驗

從圖1(a)可看出，在鈣離子質量分數為0.5%時，膠囊成品圓度達到最小值，繼續增加鈣離子質量分數，圓度反而上升。這是由于水分子急劇從濕丸膠皮中游離到鈣溶液中，導致膠囊出現褶皺、異形等現象，圓度上升[12-13]。因此，鈣離子質量分數為0.5%左右較好。由圖1(b)可看出，隨著浸泡時間的延長，濕丸的強度逐漸增加，對應成品圓度逐漸降低。當浸泡時間大于20 min，濕丸強度的變化趨于平緩，這是因為膠體成分與鈣離子的交聯作用達到飽和。因此，最佳浸泡時間為20 min。由圖1(c)可知，在液料比1.2∶1.0 (mL/g)時強度最大為11.5 N，這是因為，在濕丸與鈣化液共混的體系中，較大的液料比促進了離子交聯反應。因此，液料比為1.2∶1.0 (mL/g)較好。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 離子交聯工藝響應面試驗

2.2.1 響應面試驗結果分析 根據2.1單因素試驗結果，采用Box-Behnken試驗設計工具，以鈣離子質量分數、浸泡時間、液料比為響應因素，膠囊成品圓度為響應值，進行響應面優化，并驗證響應模型預測的最佳工藝條件，試驗設計見表1。

表1 離子交聯工藝響應面因素分析水平表

對表2中試驗結果進行多項擬合回歸，得到膠囊成品圓度對鈣離子質量分數、浸泡時間和液料比的二次多項回歸模型方程：

表2 離子交聯工藝響應面設計方案和試驗結果

Y=0.033+3.125×10-3A+3.750×10-3B-2.625×10-3C+2.500×10-4AB+0.018AC-5.750×10-3BC+5.200×10-3A2+5.450×10-3B2+0.023C2。

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表3 離子交聯工藝響應面回歸方程系數顯著性檢驗和方差分析?

2.2.2 響應面分析與最佳工藝驗證 由圖2可知，鈣離子質量分數和液料比曲面最陡峭，兩者交互作用對膠囊圓度指標的影響程度最顯著，而鈣離子質量分數和處理時間的交互作用不顯著。

利用Design-Expert.V8.0.6軟件預測離子交聯法處理濕丸的最佳工藝條件為鈣離子質量分數0.4%、浸泡時間20 min、液料比1.3∶1.0 (mL/g)。該條件下，膠囊成品圓度達到0.030 mm。通過開展驗證實驗(n=5)確定結果的準確性，制備的膠囊成品圓度為(0.033±0.003) mm，與預測值的相對誤差僅為0.18%。說明該模型預測的工藝參數穩定可靠。

2.3 超聲波協同離子交聯法單因素試驗

由圖3(a)可知，超聲10 min時濕丸強度最大為12.6 N，這是由于一定功率的超聲條件下，由于空化效應作用并通過機械振動促進了濕丸壁材與鈣離子的交聯反應，形成更加致密的空間網絡結構，導致濕丸強度增加。隨著時間的延長，交聯反應達到飽和[16]。綜合考慮，超聲時間為10 min。由圖3(b)可知，超聲波功率增大至120 W時濕丸強度達峰值14.3 N，繼續增大功率，由于較強的振動力學效應導致濕丸中的芯液出現偏心現象，濕丸強度大幅度降低；當超聲功率≥140 W后，大量偏心濕丸在干燥過程中出現破損，一定程度影響了干燥效率，導致爆珠圓度增加[17]。綜合考慮，超聲功率為120 W。由圖3(c)可知，在25 ℃溫度條件下，膠囊濕丸強度達到最大值14.8 N，對應的膠囊圓度為0.031 mm。濕丸壁材與鈣離子的交聯過程為化學放熱反應。當溫度超過30 ℃，壁材中的膠體成分在機械力的作用下溶出擴散到鈣化液體系中，較大程度降低了膠囊濕丸的強度，導致膠囊成品圓度數值呈明顯升高趨勢。綜合實際條件考慮，超聲溫度為25 ℃。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.4 超聲波協同離子交聯工藝響應面試驗

2.4.1 響應面試驗結果及方差分析 根據2.3單因素試驗結果，采用Box-Behnken試驗設計工具，以超聲時間、超聲功率、超聲溫度為響應因素，膠囊成品圓度為響應值，進行響應面優化，并驗證響應模型預測的最佳工藝條件，試驗設計見表4。

表4 超聲波協同離子交聯工藝響應面因素分析水平表

對表5中試驗結果進行多項擬合回歸，得到膠囊成品圓度對超聲時間、超聲功率和超聲溫度的二次多項回歸模型方程：

表5 超聲波協同離子交聯工藝響應面設計方案和試驗結果

Y=0.027+3.000×10-3A+2.125×10-3B-2.375×10-3C-5.000×10-4AB-5.500×10-3AC+0.012BC+0.011A2+4.175×10-3B2+0.017C2。

(2)

表6 超聲波協同離子交聯工藝響應面回歸方程系數顯著性檢驗和方差分析?

2.4.2 響應面分析與最佳工藝驗證 由圖4可知，超聲功率和超聲溫度曲面陡峭程度最高，且BC的等高線圖最接近橢圓，說明兩者交互作用對膠囊成品影響最大。

圖4 各因素交互作用對膠囊成品圓度的響應面及等高線圖

通過回歸模型預測得到超聲波協同離子交聯處理濕丸的最佳工藝為：超聲功率106.45 W、超聲時間9.61 min、超聲溫度26.49 ℃，此條件下膠囊成品圓度0.026 mm。考慮生產操作的可行性，調整工藝參數為超聲時間10 min、超聲功率105 W、超聲溫度25 ℃。根據調整后工藝條件設置5組平行驗證實驗，得到膠囊成品圓度達(0.028±0.002) mm，與預測值接近，說明該模型優化后的工藝參數準確性較高。

2.5 超聲波協同離子交聯在膠囊生產中的應用

在實際生產過程中，按照2.4.2優化的工藝條件，對膠囊濕丸進行超聲協同離子強化處理，清水沖洗兩次，經轉筒干燥后，通過CQS-IV煙用膠囊質量檢測系統進行選檢，得到膠囊產品。

由表7可知，與未處理的濕丸相比，優化后的離子交聯處理濕丸工藝或者超聲波協同離子交聯處理濕丸工藝，對膠囊濕丸的芯液直徑和同心度幾乎無影響，但離子交聯作用可以降低濕丸膠皮厚度，且隨著超聲波的協同作用，膠皮厚度由0.95 mm大幅度降低至0.82 mm，且溶液中未發現膠體成分溶出現象，進一步印證在超聲波協同鈣離子交聯濕丸壁材的過程中，形成致密凝膠網絡結構的同時，一部分水分子由壁材膠皮內游離到溶液中。一般而言，在一定的凝膠強度下，膠皮內的水分含量越低，越有利于后序的干燥塑形處理，可縮短干燥時間，提高干燥效率[18-19]。

表7 同一批次膠囊濕丸的物理指標對比

由表8可知，兩種工藝處理濕丸對成品膠囊的硬度均值、直徑均值、水分含量等指標影響不大。在鈣離子交聯技術的基礎上，超聲波的輔助作用進一步降低了膠囊的圓度，圓度均值由0.075 mm降低至0.028 mm，成品率由83.7%提高到98.3%，進一步提升了膠囊產品的質量，取得了良好的應用效果。

表8 同一批次膠囊成品的物理指標對比

3 結論

試驗結合單因素和響應面分析法優化了離子交聯法和超聲波輔助離子交聯處理薄荷精油膠囊濕丸的工藝參數。結果表明，鈣離子交聯法的最佳條件為鈣離子質量分數0.4%、處理時間20 min、液料比1.3∶1.0 (mL/g)，此條件下濕丸的強度可達11.5 N，產品的圓度為0.033 mm。超聲波輔助法最優處理條件為超聲時間10 min、超聲功率105 W、超聲溫度25 ℃，該條件下濕丸的強度為14.7 N，較離子交聯法濕丸壁材強度提高27.8%，說明超聲波輔助離子交聯法對濕丸強度提升有顯著促進作用，具有快速、高效等優點。同時，對最優工藝條件下制備的膠囊產品進行質量檢測。結果表明：成品膠囊的圓度均值由0.075 mm降低至0.028 mm，成品率由83.7%提高到98.3%。超聲波協同鈣離子交聯技術，在空化效應下可以促進鈣離子和海藻酸鈉的交聯，形成更加致密的空間網絡結構，有效提升濕丸強度，顯著改善膠囊成品的圓度，提高薄荷精油膠囊產品質量。