高強(qiáng)度凝膠劑制備及其在淀粉空心膠囊的應(yīng)用

文 郭衛(wèi)強(qiáng) 王元龍 福建綠力生物科技有限公司

凝膠劑又稱為海藻多糖膠，是一種從產(chǎn)自印度尼西亞的天然海洋植物麒麟菜等紅藻中提取的天然多糖親水膠，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外食品添加劑、植物空心硬膠囊、化妝品等行業(yè)。海藻多糖作為凝膠劑，特別適合應(yīng)用于淀粉空心硬膠囊的生產(chǎn)，這主要是其結(jié)構(gòu)低粘度和高強(qiáng)度等理化性質(zhì)特點(diǎn)有關(guān)。

凝膠強(qiáng)度是衡量凝膠劑質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，堿處理能夠提高麒麟菜所含多糖膠的凝膠強(qiáng)度。傳統(tǒng)生產(chǎn)方法用氫氧化鈉加氯化鉀進(jìn)行堿處理麒麟菜，所得的海藻膠存在兩大缺陷：一是粘度大于130mpa.s，這就限制了海藻膠均勻成膜性，并且在堿處理過(guò)程中，由于使用了水溶性極強(qiáng)的氯化鉀，鉀離子無(wú)法完全滲入到麒麟菜內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，也無(wú)法有效阻止小分子海藻膠溶入到堿液中，導(dǎo)致堿液中的海藻膠越來(lái)越多，成品提取率下降；二是海藻膠產(chǎn)品質(zhì)量差、不穩(wěn)定，凝膠強(qiáng)度存在很大幅度的變化（一般范圍在300-700g/cm2），海藻膠的硫酸基含量均大于25%，產(chǎn)品質(zhì)量很難人工控制。因此，大于1400g/cm2超高凝膠強(qiáng)度海藻多糖膠（硫酸基小于15%）的產(chǎn)品就相當(dāng)缺乏，制約了硬膠囊等產(chǎn)品的開發(fā)。由于硫酸基含量過(guò)高導(dǎo)致海藻多糖膠的凝膠強(qiáng)度降低，并且硫酸基越高，粘度越大，成膜性就越差。以上兩點(diǎn)制約了海藻多糖膠在植物硬膠囊領(lǐng)域的發(fā)展。

本文采用氫氧化鉀替代傳統(tǒng)的氫氧化鈉和氯化鉀處理麒麟菜，使鉀離子與氫氧根離子同時(shí)進(jìn)入麒麟菜組織結(jié)構(gòu)中，可大幅降低海藻多糖膠的粘度及硫酸基含量，便海藻膠的粘度降低到80-100mpa.s，同時(shí)提高了海藻膠的凝膠強(qiáng)度（1600g/cm2以上）。

1.高強(qiáng)度凝膠劑的制備方法

1.1 材料與方法

1.1.1 材料

干麒麟菜原料，產(chǎn)于印度尼西亞；氫氧化鉀（KOH）工業(yè)純，乙醇（95%）食品級(jí)，均為市售。

1.1.2 主要儀器

NO.420型凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；9101型旋風(fēng)式微粒高速粉碎機(jī)。

1.1.3 制備高強(qiáng)度凝膠劑的工藝流程

麒麟菜→預(yù)處理→堿處理→水洗→煮膠→過(guò)濾→醇沉淀→干燥→粉碎→成品

具體操作步驟為：

（1）預(yù)處理：將麒麟菜原料經(jīng)水洗，除去泥沙、雜質(zhì)后，備用；

（2）堿處理：堿液濃度為13-14%，堿處理溫度85-90℃，堿處理時(shí)間3-4h；

（3）水洗：濾去堿液，水洗2-3h，隔0.5h換一次水，洗滌至PH7-8；

（4）煮膠：水洗瀝干后將藻體投入25-30倍的水中，使之煮爛并打漿后繼續(xù)90℃煮溶30min；

（5）過(guò)濾：加硅藻土趁熱進(jìn)行過(guò)濾；

（6）醇沉淀：將過(guò)濾后的膠液冷卻至40-45℃，與乙醇（95%）混合沉淀并進(jìn)行脫水處理；

（7）干燥：濾除沉淀物并分離出殘?jiān)?，?jīng)干燥后粉碎即得成品。

凝膠劑的生產(chǎn)關(guān)鍵工序?yàn)閴A處理，這個(gè)工序的處理工藝科學(xué)與否顯著影響到凝膠劑的凝膠強(qiáng)度和質(zhì)量。

選取堿液濃度、堿處理溫度以及堿處理時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)因素，三個(gè)因素分別在范圍內(nèi)取值，做單因?qū)嶒?yàn)，再選取海藻多糖膠凝膠強(qiáng)度、粘度及硫酸基含量作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，確定各因素取值范圍中凝膠強(qiáng)度最大的取值范圍。在利用各因素與進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定液濃度、堿處理溫度以及堿處理時(shí)間的最優(yōu)數(shù)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)凝膠強(qiáng)度、粘度和硫酸基含量堿，堿處理溫度因素影響最大，其次為堿處理濃度因素影響，再次為堿處理時(shí)間因素影響，從而得出KOH堿處理最佳處理?xiàng)l件為堿液濃度13%,堿處理溫度為85℃，堿處理時(shí)間為3.5h。

1.1.4 測(cè)定方法

1.1.4.1 凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱量1.5g凝膠劑（以干基計(jì)）及0.2gKCI晶體溶于99mL離子水中，在90℃水浴中加熱充分溶解后，分裝于3個(gè)小燒杯中，于20℃條件下恒溫靜置12h，用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量凝膠強(qiáng)度。

1.1.4.2 粘度的測(cè)定

取1g凝膠劑（以干基計(jì)）溶于99mL離子水中，置于95℃水中使凝膠劑完全溶解，制成1%濃度的凝膠劑溶液。用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)于70℃恒溫測(cè)定。

1.1.4.3 硫酸基含量的測(cè)定

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制（BaSO4比濁法）：精密稱取干燥至恒重的K2SO4108.75mg以1mol/L的鹽酸水解，定容至100mL，搖勻，即得濃度為0.6mg/mL的硫酸基標(biāo)準(zhǔn)液。用移液槍分別吸取標(biāo)準(zhǔn)液0.02mL、0.06mL、0.10mL、0.14mL、0.18mL、0.20mL，用1mol/L的鹽酸溶液補(bǔ)充至0.2mL，以0.2mlHCI溶液作空白，加入3.8mL三氯乙酸及1.0mL氯化鋇溶液，搖勻，真空干燥箱脫氣15min，360nm處測(cè)吸收度A：以算得的硫酸基的毫克數(shù)為橫坐標(biāo)，吸收度A為縱坐標(biāo)作出的曲線即為標(biāo)準(zhǔn)曲線。

凝膠劑的樣品處理：稱取凝膠劑樣品100mg于50mL反應(yīng)試管中，加入10ml 1mol/L的HCI，封管，于100℃加熱水解4h，冷卻后，加1mol/L的HCI溶液補(bǔ)至刻度線，用濾紙過(guò)濾，除去不溶物質(zhì)，于波長(zhǎng)360mm波長(zhǎng)下測(cè)量吸光度（A）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品中的硫酸基含量。

1.1.5 結(jié)果與分析

1.1.5.1 單因素試驗(yàn)

選取氫氧化鉀溶液濃度、堿處理時(shí)間和堿處理溫度為實(shí)驗(yàn)因素，將各因素分別在一定范圍取值：濃度實(shí)驗(yàn)固定時(shí)間3h、溫度60℃，溫度實(shí)驗(yàn)固定濃度12%、時(shí)間3h，時(shí)間實(shí)驗(yàn)固定濃度12%、溫度60℃考察凝膠強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)表

1.1.5.2 單因素分析

通過(guò)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，在堿濃度13-14%、溫度85-90℃、時(shí)間3-4h時(shí)，凝膠強(qiáng)度最大，為最佳取值范圍。

2.小麥改性淀粉空心膠囊的制備方法

目前市場(chǎng)上銷售的膠囊多為動(dòng)物性明膠膠囊。雖然明膠具有凝膠劑的效果，但也有其局限性，由于其含水量較高，所以長(zhǎng)時(shí)間存放易失水膠囊脆化。其次因?yàn)槊髂z膠囊制作原料多為動(dòng)物性明膠，因原材料原因有一定疾病感染風(fēng)險(xiǎn)，此類事件最為影響深遠(yuǎn)的是2012年媒體曝光的“毒膠囊事件”，對(duì)社會(huì)造成極大負(fù)面影響，促使更多的膠囊廠家為求安全的膠囊生產(chǎn)原材料與技術(shù)配方。本文選用以小麥改性淀粉和凝膠劑為主要原料，并添加適量增塑劑開發(fā)出淀粉空心硬膠囊。淀粉膠囊相對(duì)于傳統(tǒng)的明膠空心膠囊，具有含水量低、不易感染微生物、適應(yīng)性廣、無(wú)交聯(lián)反應(yīng)和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。凝膠劑是從海洋紅藻中提取的多糖，是優(yōu)良的成膜膠劑，在新型淀粉空心膠囊配方改進(jìn)中，是最為重要的材料。

2.1 材料與方法

2.1.1 材料原料

小麥改性淀粉，食品級(jí)，廣東淀粉科技有限公司；凝膠劑（海藻多糖膠）食品級(jí)，福建綠力生物科技有限公司；增塑劑，藥用級(jí)，深圳星銀醫(yī)藥有限公司。

主要儀器：不銹鋼膠囊模具，上海紅星膠囊廠；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；2B-ID型智能崩解時(shí)限測(cè)定儀，天津市國(guó)銘醫(yī)藥設(shè)備有限公司。

2.1.2 生產(chǎn)設(shè)備

明膠膠囊全自動(dòng)空心膠囊制造機(jī)，由上海星膠囊廠提供。

2.1.3 工藝流程

小麥變性淀粉空心膠囊是以小麥改性淀粉和凝膠劑為主要原料，經(jīng)溶膠、制胚、切割、套合等工序制成。生產(chǎn)工藝流程與現(xiàn)有明膠空心膠囊基本一致。

2.1.4 操作方法

（1）溶膠：將小麥變性淀粉與凝膠劑和增塑劑，加入溶膠罐的純化水中，攪拌均勻，然后加熱，使?jié){液升溫到90℃，邊攪拌邊保溫30min，使混合液成為均勻的膠狀液體。

（2）制坯、蘸膠：將溶膠工序所得的膠液置于全自動(dòng)空心膠囊制造機(jī)中，膠囊和體上膠的正確位置，再得溫靜置1-2h。調(diào)節(jié)蘸膠溫度為60℃，蘸膠速度為4次/min，加工成為空心膠囊毛坯。

（3）干燥、脫模：毛坯經(jīng)烘干脫模后，將帽、體兩部份分別用藥用的包裝袋收集。

（4）切割、套合：經(jīng)過(guò)切割、套合、燈檢等工序之后 即為淀粉空心膠囊成品。

2.1.5 淀粉空心膠囊性能檢測(cè)方法

2.1.5.1 檢測(cè)脆碎度

隨機(jī)選取空心膠囊50顆，放入裝滿硝酸鎂飽和溶液的容器中，在25℃環(huán)境下放置24h。將空心膠囊取出，置于水平木板上。于木板正上方10公分處，將重量為20克圓形砝碼，自由落體擊中膠囊。觀察膠囊破損率，保證低于10%。

2.1.5.2 檢測(cè)崩解時(shí)限

崩解時(shí)限的定義為某種固體，在一定條件下，溶解至2.0mm以下，這個(gè)過(guò)程中所用的時(shí)間。

將滑石粉填入膠囊中，確保填滿后套合，再取6粒膠囊，放入盛有3.7℃自來(lái)水的試管中（模擬人體溫度），觀察幾率其崩解時(shí)限，在10min內(nèi)6顆膠囊應(yīng)完全崩解，10min內(nèi)如存在崩解不完全情況，應(yīng)采取同樣操作進(jìn)行復(fù)試。

2.1.5.3 熾灼殘?jiān)康臋z測(cè)

稱取空心膠囊1.14g于已知恒重的坩堝中，置電爐上灼燒至完全炭化，放冷，加0.5mL硫酸使?jié)駶?rùn)，重新加熱至硫酸蒸汽除盡后，放入高溫爐中，于600℃灼燒化恒重。

2.1.5.4 干燥失重

取本品1.0g，將帽、體分開，在105℃干燥6h。

2.1.5.5 外觀及壁厚

囊體應(yīng)光潔、大小、形狀和色澤應(yīng)一致，用測(cè)量?jī)x器檢測(cè)囊體壁厚應(yīng)符合《中國(guó)藥典》2020年版羥丙基淀粉空心膠囊的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.6 結(jié)果與分析

2.1.6.1 增塑劑對(duì)膠囊脆碎度的影響（膠液60℃蘸膠）（見(jiàn)表2）

表2 膠囊成分配比

2.1.6.2 凝膠強(qiáng)度對(duì)膠囊熾灼殘?jiān)挠绊懀ㄒ?jiàn)表3）

表3 膠囊成分配比

3.結(jié)論

與其他膠囊相比，小麥改性淀粉空心膠囊具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

3.1 設(shè)備優(yōu)勢(shì)

可以直接利用現(xiàn)有的明膠膠囊生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)小麥改性淀粉空心膠囊，免去了對(duì)設(shè)備的改造或投資，減少了生產(chǎn)者的負(fù)擔(dān)，有利于該工藝的推廣。

3.2 成本優(yōu)勢(shì)

植物膠囊如纖維素膠囊和海藻多糖膠囊顯示出許多優(yōu)于明膠膠囊的優(yōu)點(diǎn)，但是其原料比明膠要貴得多，而小麥改性淀粉系通過(guò)小麥淀粉羥丙基化即得，來(lái)源非常廣泛，制備容易，且成本較低。

3.3 工藝優(yōu)勢(shì)

淀粉膠囊制備過(guò)程中，可根據(jù)情況酌量使用增塑劑，且所得的尾料網(wǎng)膠可以全部回收，加適量水，調(diào)節(jié)膠液粘度，重新利用。另外小麥改性淀粉空心膠囊絕不含有明膠成分，徹底解決明膠可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

總之，以小麥改性淀粉和凝膠劑為主要原料生產(chǎn)淀粉空心硬膠囊，在質(zhì)量和性能上與明膠膠囊相當(dāng)，在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例，也未發(fā)現(xiàn)在技術(shù)文獻(xiàn)資料中有此方面的報(bào)道。

鑒于我國(guó)小麥淀粉產(chǎn)量巨大，且成本低于明膠，因此，淀粉空心膠囊將可能成為今后國(guó)內(nèi)重點(diǎn)開發(fā)的植物膠囊新產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前途。