芹菜纤维空心胶囊工艺优化与力学性能分析

杨立军，盛文盼，唐鹏

(陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安，710021)

胶囊具有改善药物口感、便于用药等优点，是医药市场不可或缺的产品之一。市场上空心胶囊多采用动物明胶为主料，动物明胶有很多优异性能，但生产中会对空气与水产生较严重的污染[1-3]。同时，明胶吸湿性大，易与还原糖等发生反应[4]。近年来一些不法人员采用劣质或代用的牲畜皮、骨加工医用明胶，已严重危害到医药安全[5]，使人们对医药产生信任危机。因此，研发一种可靠的新材料胶囊成为形势所趋。

目前已有多种植物胶囊的应用报道。美国辉瑞公司胶囊部(Capsugel)最早开发出以羟丙基甲基纤维素(HPMC)为主料的非明胶胶囊。HPMC具有良好的成膜、分散、增稠等作用[6]，但其胶囊成本高，制备时胶液糊丝长，成型困难[7]；法国Capsugel胶囊公司推出以普鲁兰糖为原料的植物胶囊，其水溶性好，无色无味，可在人体消化道内完全生物降解[8]，但其价格昂贵，低水分下易脆化，制造损耗大[9]。

本文所描述制备的芹菜纤维空心胶囊能够有效避免明胶作为胶囊为主要原料的弊端，又能显著降低当前市场植物胶囊的成本。芹菜凭借优异的药用价值，用其作为原料制备的芹菜纤维空心胶囊适合更多人群食用，特别是宗教人士群体，且无动物性传染病的隐患等优点，拥有广阔的发展前景。本文以芹菜纤维为主料制备空心胶囊在市场上具有独创性，相较前人[10-11]研究，本文在其基础上，优化了配方与工艺条件，大幅度提高了胶囊力学性能，使其具有盛装药粉的能力，更重要的是从微观角度表征了混合体系相互作用机理的合理性。为此，本文以力学性能为衡量指标，以透光率、扫描电镜等微观表征手段为技术参考，探究配方与工艺对芹菜纤维植物空心胶囊的影响规律，这为芹菜纤维植物空心胶囊的生产奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

芹菜湿纤维，实验室自制；马铃薯淀粉，漯河市恒瑞化工有限公司(以下简称淀粉)；甘油，阳江市白云香化有限公司；卡拉胶，海南省琼海市长坡琼青琼脂厂；魔芋粉，亳州宝丰生物科技有限公司；亚克力玻璃板，上海锦淳五金机电有限公司。

Y80M1-4型瓦利打浆机，西安泰富西玛电机有限公司；电子天平，余姚纪铭称重校验设备有限公司；HH-2数显恒温水浴锅，朗越仪器制造有限公司；HH-B11-600-BS-Ⅱ电热恒温培养箱，上海跃进医疗器械有限公司；AI-7000-NGD伺服控制高低温拉力试验机，高铁科技股份有限公司；红外线快速水分测定仪，昆山鹭工精密仪器有限公司；120目标准检测筛，浙江省上虞市大亨桥化验仪器厂；真空冷冻干燥箱，上海比朗仪器制造有限；Cary-5000紫外-可见-近红外分光光度计，美国安捷伦；FEI-Q45+EDAX-Octane-Prime环境扫描电子显微镜，美国FEI；D8 Advance X-射线衍射仪，德国布鲁克Bruker公司；傅立叶变换红外光谱仪，天津瑞岸科技有限公司。同步TG-DSC热分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 芹菜纤维空心胶囊薄膜的制备

由于直接制备芹菜纤维空心胶囊不便进行力学性能测试，故制备成胶囊薄膜[12]。通过瓦利打浆机对去根的新鲜芹菜进行打浆处理，得到不同打浆度的芹菜原浆，对该芹菜原浆滤掉相应的水分，得到芹菜湿纤维(以下均简称为纤维)。将纤维在水浴锅中预热至45 ℃；将淀粉、卡拉胶、魔芋粉(其中卡拉胶、魔芋粉按1∶1质量比[13]称取)倒入常温纯化水中，置于水浴锅中不断搅拌制备混合胶液；将预热后的纤维，混合胶液、甘油混合，提高转速，保温充分搅拌，得到芹菜胶囊浆料；利用流延法将芹菜胶囊浆料在亚克力玻璃板[14]上成型，在80 ℃干燥箱中干燥一定时间得到一定含水量的胶囊薄膜。

1.2.2 正交实验

(1)配方的正交实验

按照1.2.1胶囊薄膜制备方法，以探索性实验得到的较好的工艺条件为基础，即控制打浆度28 °SR、滤水率35 %、失水率82.5 %、溶胶时间20 min、浆料混合时间7 min及浆料混合温度75 ℃，以芹菜纤维含量、甘油含量、淀粉含量、卡拉胶/魔芋粉(简称卡/魔)含量为变量，选择4因素3水平正交表，利用综合评分法对抗拉强度、断裂伸长率两指标进行加权评分，得到影响配方实验结果最大的2个因素。加权评分计算公式[15-16]如公式(1)所示:

(1)

式中：Ci，第i组实验综合评分结果；σi，第i组样品抗拉强度；σm，正交实验中抗拉强度最大值；εi，断裂伸长率；εm，正交实验中断裂伸长率最大值。

(2)工艺的正交实验

按照1.2.1胶囊薄膜制备方法，以优化配方为基础，即控制芹菜纤维质量浓度(含量)为3.5 g/L、甘油含量为 12 g/L、淀粉含量为16 g/L、卡拉胶/魔芋粉含量为0.5 g/L及浆料混合温度75 ℃，以打浆度、滤水率、失水率、溶胶时间、浆料混合时间为变量，选择5因素4水平正交表，利用综合评分法对抗拉强度、断裂伸长率两指标进行加权评分，得到影响工艺实验结果最大的2个因素。

(3)配方与工艺结合的正交实验

按照1.2.1胶囊薄膜制备方法，以优化配方及优化工艺为基础，即控制甘油含量为12 g/L、卡拉胶/魔芋粉含量为0.5 g/L、溶胶时间25 min、滤水率35 %、浆料混合时间6 min及浆料混合温度75 ℃，分别选取影响配方与工艺的2个主要影响因素进行正交实验，即以芹菜纤维含量、淀粉含量、打浆度、失水率为变量，选择4因素3水平正交表，利用综合评分法对抗拉强度、断裂伸长率两指标进行加权评分，如公式(1)所示，正交实验设计如表1所示。

表1 配方的正交实验设计Table 1 Orthogonal experimental design of formulation

表2 工艺的正交实验设计Table 2 Orthogonal experimental design of process

表3 配方与工艺结合的正交实验设计Table 3 orthogonal experiment design of formulation and process

1.2.3 芹菜纤维空心胶囊薄膜的处理与力学性能检测

将芹菜纤维空心胶囊薄膜剪裁成15 mm×40 mm的膜条，在25 ℃、湿度为40 %，用AI-7000-NGD伺服控制高低温拉力试验机在拉伸速率为4 mm/min条件下测定膜条抗拉强度和断裂延伸率，取各指标3次测量的平均值。

1.2.4 芹菜纤维空心胶囊薄膜的微观表征

由配方与工艺结合的正交实验得到最优样品，将最优样品与空白对比样品首先使用Cary-5000紫外-可见-近红外分光光度计进行检测，其次将其置于真空冷冻干燥箱中干燥除水[17]后再分别使用FEI-Q45+EDAX-Octane-Prime环境扫描电子显微镜、D8 Advance X-射线衍射仪、傅立叶变换红外光谱仪进行检测，对胶囊薄膜进行表征。空白对比样品有：纤维+淀粉+甘油薄膜、纤维+卡拉胶/魔芋粉+甘油薄膜、纤维+甘油薄膜、淀粉+卡拉胶/魔芋粉+甘油薄膜、淀粉+甘油薄膜、卡拉胶/魔芋粉(简成卡/魔)+甘油薄膜。各测试手段使用参数如下：

(1)透光率

将膜厚均匀，结构完整的最优样品与各空白对比样品裁剪成长方形紧贴于比色皿一侧，使用Cary-5000紫外-可见-近红外分光光度计测定膜在400～800 nm下的透光率。

(2)扫描电子显微镜(SEM)

将膜厚均匀，结构完整的最优样品与空白对比样品薄膜裁剪成2.5 mm×2.5 mm的样品，分别以水平方向和垂直方向固定在样品台上，在真空条件下喷金后观察样品的表面与断面。实验条件为电子束加速电压为20.00 kV，放大倍数为2 000倍。

(3)X-射线衍射(XRD)

将膜厚均匀，结构完整的优化样品与空白对比样品薄膜置于D8 Advance X-射线衍射仪试验台上，在扫描角度5°～80°，扫描速度为4°/min的条件下扫描测定样品。

(4)傅立叶变换红外光谱(FTIR)

利用傅立叶变换红外光谱仪对最优样品与各空白样品的分子结构进行分析对比。称取样品2 mg左右，加入200 mg烘干的KBr于研钵中研磨均匀后压片，在2 cm-1分辨率、4 000～400 cm-1进行红外扫描。

(5)热重-差示扫描量热分析法(TG-DSC)

称取一定量的最优样品放入坩埚中，压片封口，放入同步TG-DSC热分析仪中分析，升温速率为10 ℃/min，氮气流速为20 mL/min，升温范围为25～600 ℃。

1.3 数据处理

利用SPSS软件对正交实验结果进行直观分析，利用Origin作图工具对透光率、XRD、FTIR及TG-DSC的测试结果进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 正交实验结果

2.1.1 配方的正交实验结果

正交实验如表4所示，由极差R可知，4个因素的影响程度从大到小依次为芹菜纤维含量>淀粉含量>卡拉胶/魔芋粉含量>甘油含量。故而对配方的正交实验结果影响最大的2个因素为芹菜纤维含量与淀粉含量。最佳原料配比为A2B3C2D2，即芹菜纤维含量为3.5 g/L、甘油含量为12 g/L、淀粉含量为16 g/L、卡拉胶/魔芋粉含量为0.5 g/L。由于优方案不在9组正交试验中，故进行验证实验。

验证实验结果的抗拉强度为6.76 MPa，断裂伸长率为38.65 %，这与正交试验中最优的第4组相比性能更优，可能原因是卡拉胶/魔芋粉含量减少，甘油与其发生拮抗作用更小而导致抗拉强度增强[18]。

表4 配方的正交实验结果Table 4 Orthogonal test results of formulation

2.1.2 工艺的正交实验结果

正交实验如表5所示，由极差R可知，5个因素的影响程度从大到小依次为失水率>打浆度>浆料混合时间>溶胶时间>滤水率。故而对工艺的正交实验结果影响最大的2个因素为失水率与打浆度。最佳原料配比为A3B1C3D3E2，即芹菜原浆打浆度为35 °SR、失水率81.5 %、溶胶时间25 min、滤水率35 %、浆料混合时间6 min，由于最佳原料配比并不包含在正交表中，故而进行验证性实验。

验证实验结果的抗拉强度为9.76 MPa，断裂伸长率为36.55 %，这与正交试验中最优的第9组相比性能更优。

表5 工艺的正交实验结果Table 5 Orthogonal experimental results of process

2.1.3 配方与工艺结合的正交实验结果

正交实验如表6所示，由极差R可知，4个因素的影响程度从大到小依次为打浆度>失水率>纤维含量>淀粉含量。最佳实验条件为A2B3C2D3，即纤维含量为3.5 g/L、淀粉含量为18 g/L、打浆度为35 °SR、失水率为82 %。该组合未在正交实验中，故而进行验证实验。

验证实验结果的抗拉强度为13.56 MPa，断裂伸长率为25.35 %。相较正交第4组结果，抗拉强度增强，断裂伸长率略有降低，其结果仍优于正交第四组实验。这是由于淀粉含量增多，混合体系的凝胶性增强，导致样品的力学性能增强，但淀粉含量较多又会使得淀粉分子碰撞机会增多，导致淀粉回生的几率增加，表现的性质为变硬变脆[19]，故而抗拉强度增大，断裂伸长率减小。

表6 配方与工艺结合的正交实验结果Table 6 Orthogonal experiment results of formula and process

2.2 微观表征

2.2.1 透光率分析

复合物的光学性能如透明性以可见光的透光率来表征，如果复合膜中各组分有较好的相容性，则表现为较高的透光率；如果复合膜中各组分相容性差，会出现光的散射或反射，导致膜的透光率低[20]。

由于纤维+甘油薄膜力学性能差未能形成平整均匀的薄膜，故而未进行透光率测试。其他样品测试结果如图1所示。

A-最优样品；B-卡/魔+甘油薄膜；C-淀粉+甘油薄膜；D-纤维+淀粉+甘油薄膜；E-淀粉+卡/魔+甘油薄膜；F-纤维+卡/魔+甘油薄膜；G-空气空白样品图1 各样品透光率变化图Fig.1 Light transmittance profiles of each sample

图1中的G的透光率在55 %～62 %，未添加纤维的薄膜样品透光率均在82 %以上，这些样品包括图1中的B、C、E，说明卡拉胶、魔芋粉、淀粉、甘油之间拥有良好的相容性，而相容性好的样品相应的力学性能会增强[21]；添加纤维的薄膜样品，包括图1中的A、D、F，其透光率基本呈上升态势，这可能与纤维自身的性质有关。优化样品的透光率要整体高于其他添加纤维的薄膜样品，说明淀粉、卡拉胶、魔芋粉、甘油共混后的相容性得到加强，可能的原因是淀粉、卡拉胶、魔芋粉之间存在协同作用[22-23]。

2.2.2 SEM分析

如图2所示，图2-A显示，纤维杂乱堆积、断面气泡较多，气孔粗大，成膜能力差；图2-B显示，断面除气泡和毛刺外，薄膜基本形成连续稳定且结构细密的整体，没有任何相分离或异质[24]，说明卡拉胶、魔芋粉与甘油相容性良好；图2-C显示，对比图2-B可知纤维的加入使得薄膜断面出现较多裂痕与相分离，说明纤维的加入降低了薄膜组分的相容性；图2-D显示，断面除毛刺外，薄膜形成连续稳定且结构细密的整体，说明淀粉与甘油相容性良好，吴婷婷等[25]研究也证明了这一点；图2-E显示，对比图2-D纤维的加入使得光滑的断面变得褶皱，但仍是连续稳定的平面，可能的原因是各组分包裹吸附在纤维周围，使得截面变得褶皱；图2-F显示，断面除气泡和毛刺外，基本形成连续稳定且结构细密的整体，说明淀粉、卡拉胶、魔芋粉、甘油之间有良好的相容性[26]；图2-G显示，断面除气泡和毛刺外，薄膜基本形成连续稳定且结构细密的整体，说明淀粉、卡拉胶、魔芋粉、甘油之间良好的相容性弱化了由于纤维加入导致的相分离现象，这与透光率分析结果一致；图2-H从薄膜平面角度观察到纤维相互搭接现象，说明纤维之间形成骨架，其他组分包罗其中，使得优化样品的力学性能提高。

A-纤维+甘油薄膜断面图；B-卡/魔+甘油薄膜断面图；C-纤维+卡/魔+甘油断面图；D-淀粉+甘油薄膜断面图；E-纤维+淀粉+甘油薄膜断面图；F-淀粉+卡/魔+甘油薄膜断面图;G-最优样品断面图，H-最优样品平面图。图2 各样品SEM图Fig.2 SEM diagrams of each sample

2.2.3 XRD分析

如图3所示，各样品在20 °左右均有一个衍射峰。其中，图3中的E的衍射峰最强，说明其存在较多的结晶结构；由图3中的C的图线可知，淀粉的加入使得其在20 °左右的衍射峰平缓，说明淀粉降低了图3中的E样品的结晶程度[27]，这也说明了淀粉与卡拉胶、魔芋粉、甘油有良好的相容性；由图3中的G的图线可知，其在20 °左右的衍射峰最弱，形成一个宽的衍射峰，说明最优样品的结晶程度最小，形成无定型结构，这可能是由于多糖分子之间的相互作用导致[28]，也说明纤维的加入改变了淀粉、卡拉胶、魔芋粉等多糖分子之间的氢键网络结构[29]，使得力学性能得到提高，这与透光率、SEM通过相容性角度验证力学性能的结论一致。

A-纤维+淀粉+甘油薄膜；B-纤维+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-纤维+甘油薄膜；G-最优样品图3 各样品XRD图Fig.3 XRD diagram for each sample

2.2.4 FTIR分析

如图4所示，在3 300 cm-1附近有一个强度较大且宽的吸收峰[30]，主要是O—H键伸缩振动吸收；在2 900 cm-1附近出现的强度较小的峰是CH2的反对称伸缩振动；1 642 cm-1附近的吸收峰为淀粉中吸附水中无定形区域的吸收峰；1 419 cm-1附近的吸收峰为CH2弯曲振动；1 370 cm-1附近的吸收峰是C—H弯曲振动；1 018 cm-1附近吸收峰是C—O键的伸缩振动及C—OH弯曲振动；764 cm-1附近吸收峰是C—C键的伸缩振动。对比图4可知，各样品的特征峰位置基本相似，区别在于峰值的不同。

A-淀粉+甘油薄膜；B-淀粉+卡/魔+甘油薄膜；C-卡/魔+甘油薄膜；D-纤维+淀粉+甘油薄膜；E-纤维+甘油薄膜；F-纤维+卡/魔+甘油薄膜；G-最优样品。图4 各样品红外光谱分析Fig.4 Infrared spectrum analysis of samples

对比图4中的A、B可知，卡/魔的加入使得3 300 cm-1附近的吸收峰大幅减弱，这主要是由于卡/魔形成的亲水性胶体与混合体系间的氢键作用增强，加上淀粉中的羟基氢原子与甘油羟基氧原子也形成氢键，这使得淀粉分子间的相互作用力得到抑制，降低了淀粉大分子链间的卷曲缠绕，从而降低了淀粉的回生效应[31]。由图4中的B、G可知，芹菜纤维的加入使得3 300 cm-1附近的吸收峰略微加强，但相较其他曲线仍属于较平缓的吸收峰，这说明混合体系中其他组分良好的相容性弱化了芹菜纤维的加入导致的相分离现象，这与SEM分析的结果一致。

2.2.5 TG-DSC分析

如图5所示，最优样品的热解过程大致分为3个阶段。第1阶段发生在90～260 ℃，主要是由芹菜植物空心胶囊薄膜含有的水分蒸发引起的；第2阶段发生在260～340 ℃，是失重的加速阶段，这主要是因为薄膜壁材开始热分解，化学键开始断裂，裂解成中间产物CO2与H2O等，此阶段反映了胶囊薄膜发生了剧烈的理化反应，胶囊壁材被破坏；第3阶段发生在340 ℃以后，中间产物进一步完全裂解并碳化。在110 ℃以下，胶囊的质量几乎没有损失，表现出良好的热稳定性。

图5 最优样品的TG-DSC分析Fig.5 TG-DSC analysis of optimal samples

3 结论

通过正交实验分析，对胶囊薄膜性能影响程度依次为打浆度、失水率、纤维含量、淀粉含量，并且当打浆度为35 °SR时，失水率为82 %时、纤维质量浓度(含量)为3.5 g/L时、淀粉含量为18 g/L时，薄膜拥有最优力学性能，其抗拉强度为13.56 MPa，断裂伸长率为25.35 %。透光率测试结果表明，淀粉、卡拉胶、魔芋粉、甘油之间具有良好的相容性；SEM分析结果表明，良好的相容性弱化了芹菜纤维导致的相分离现象，并且纤维之间形成骨架，使得力学性能得到加强；XRD表明，混合体系在20 °左右形成一个宽的衍射峰，并形成无定型结构；FTIR分析结果表明在3 300 cm-1附近的吸收峰减弱，混合体系趋于匀质稳定；TG-DSC表明，胶囊薄膜在低于110 ℃具有良好的热稳定性，这些表征均证明芹菜纤维与混合体系的共同作用使得力学性能得到提高。这与党新安等[10]相比，本文利用透光率等各种表征手段从微观角度证明了芹菜纤维与混合辅料之间的相互作用机理；与盛文盼等研究[11]相比，本文优化了配方及工艺条件，使得力学性能得以大幅提高。综上所述，本文为芹菜作为芹菜植物空心胶囊原料提供理论支撑，也为开发新型廉价植物胶囊提供可能。