芹菜纤维对植物空心胶囊膜性能的影响

党新安，唐鹏，杨立军，盛文盼

(陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安，710021)

动物明胶具有良好的成膜性、凝胶性、易吞咽等性能，占据国内外胶囊市场的主要份额[1]，但明胶原料的理化性质决定了自身易发生交联反应，且存在吸湿性强、原料来源不明等缺陷[2-3]。为克服这一缺陷，植物空心胶囊[4-5]引起科研人员关注。李宁宁等[6]对芹菜纤维胶囊成型特性进行了研究；盛文盼等[7]对特定纤维形态下，不同添加剂含量制备的空心胶囊膜的力学性能进行了研讨，但芹菜纤维形态与尺寸对植物空心胶囊力学性能的影响，尚未见深入报道；郭伟强等[8]以超低黏度海藻酸钠为主要原料，辅以卡拉胶混凝剂制备各项质量指标均符合国家标准的非明胶空心胶囊，但由于产量限制，市场占有率很低；吴国庆[9]以羟丙基淀粉与普鲁兰胶为主，研制非明胶空心胶囊，但普鲁兰多糖价格昂贵，难以推广。因此深入地开展性能优异、成本低廉的植物空心胶囊的研究，具有广阔的市场前景。

本文以富含膳食纤维的芹菜[10-13]作为制备植物空心胶囊的基材，通过研究不同形态下纤维的物化性能，并辅配以与纤维具有良好相容性的淀粉，使芹菜纤维之间绞连，形成胶囊壳的“骨架”，高黏度的淀粉及其他一些辅料作为黏结剂，研发一种全新的植物空心胶囊。

1 材料与方法

1.1 实验材料

芹菜湿纤维与芹菜纤维粉，由实验室自制；复配胶、马铃薯淀粉，悦普食品有限公司；卡拉胶，海南琼海市长青琼脂厂有限公司；结冷胶，远大食品有限公司；山梨糖醇，华阳生物有限公司。

1.2 实验仪器

Y80M1-4型瓦利打浆机，西安泰富西玛电机有限公司；109-M打浆度测试仪，咸阳通达轻工设备有限公司；粉碎机，佳声雷有限公司；HH-2数显恒温水浴锅，朗越仪器制造有限公司；DJC-100增力电动搅拌器，江苏省大地自动化仪器设备厂；DHG-9070A实验室电热恒温鼓风干燥箱，南京晓晓仪器设备有限公司；电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；亚克力板、胶囊模具，陕西科技大学自制；AI-7000-NGD型拉力试验机，高铁科技股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 原材料的预处理

芹菜湿纤维的制备：取新鲜芹菜去根、老叶，经80 ℃热水烫漂后，切丁送入打浆机进行打浆，将不同粗细程度的浆料分组倒入料筒，备用；

芹菜纤维粉的制备：将湿纤维倒入料盘送入鼓风干燥箱，在40～50 ℃下烘干去除90%水分后，置粉碎机中粉碎，最后通过筛分装置分组筛出不同目数的粉料，分组分袋保存。

1.3.2 胶液的制备

精确称取马铃薯淀粉、结冷胶、卡拉胶、山梨糖醇，按质量比40∶1∶6∶10溶于200 mL去离子水中，在75 ℃下的水浴锅中加热搅拌使其糊化后，加入芹菜湿纤维或芹菜纤维粉，继续搅拌使胶液均质无气泡，在60 ℃下养胶20 min后取出。

1.3.3 膜的制备与抗拉强度测定

抗拉强度和断裂伸长率是衡量胶囊膜力学性能[14]的重要指标。将胶液均匀延流到35 ℃预热后的亚克力板上，送入鼓风干燥箱中干燥，在同一干燥失水率下取出摘膜，剪成40 mm×15 mm的矩形样条，在25 ℃，湿度40%下置于AI-7000-NGD型拉力试验机进行拉力测试，设定拉伸速率为4 mm/min，取5次测量结果的平均值。按公式(1)计算抗拉强度：

(1)

在膜上均匀取5个点，使用测厚仪测定厚度3次，取平均值。

1.3.4 胶囊壳的制备与检测

取50 ℃预热的胶囊模具，刷匀脱模油，通过蘸胶送入鼓风干燥箱内干燥后脱模取出。将制备的胶囊壳，按照《中华人民共和国药典》(2015版)[15]，进行外观、松紧度、脆碎度、干燥质量损失、灼烧残渣性能检测。

1.4 芹菜纤维植物空心胶囊扫描电镜分析

芹菜纤维植物空心胶囊干燥至绝干后，切割成5 mm×5 mm小块，镀金120 s后进行扫描电镜分析。

1.5 单因素实验设计

1.5.1 湿纤维含量对胶囊膜力学性能影响

保持打浆度30°SR、复配胶含量16%不变，选取5个水平的湿纤维含量，分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%，通过1.3.2和1.3.3的方法制备胶囊膜。

1.5.2 打浆度对胶囊膜力学性能影响

保持纤维含量1%，复配胶含量16%不变，依次选取不同打浆度的芹菜原浆10、20、30、40、50°SR，按照1.3.2和1.3.3的方法制备胶囊膜。

1.5.3 纤维粉含量对胶囊膜力学性能影响

保持纤维目数30目、复配胶含量16%不变，选取5个水平的纤维粉含量，0%、0.5%、1%、1.5%、2%，按照1.3.2和1.3.3的实验方法制备胶囊膜。

1.5.4 目数对胶囊膜力学性能影响

保持纤维粉含量1%，复配胶含量16%不变，依次选取不同目数的芹菜纤维粉30、40、50、60、80目，按照1.3.2和1.3.3的实验方法制备胶囊膜。

1.5.5 复配胶含量对胶囊膜力学性能影响

保持芹菜纤维粉含量1%，粗细程度40目不变，依次改变复配胶含量12%、14%、16%、18%、20%，按照1.3.2和1.3.3的实验方法制备胶囊膜。

1.6 响应面实验设计

在单因素试验基础上，以纤维粉含量、目数、复配胶含量3个因素为变量，抗拉强度和断裂伸长率为指标，设计3因素3水平共17个试验点的响应面实验，如表1所示。

表1 因素和水平编码值Table 1 Factors and horizontal coding values for response surface experiments

1.7 数据处理

2 结果与分析

2.1 湿纤维对胶囊膜性能影响的单因素试验

2.1.1 湿纤维的含量对胶囊膜性能影响

原浆中，除纤维的结合水外，还存在大量自由水，纯纤维总含量的测定是将少量原浆干燥至绝干，称重计算失水率后得出。本研究中，纤维含量占原浆的4.4%～4.7%。通过比例关系计算出对应芹菜湿纤维的质量。按照1.5.1设计湿纤维含量对胶囊膜力学性能影响的单因素试验，结果如图1所示。

图1 湿纤维含量对薄膜力学性能的影响Fig.1 Effect of wet fiber content on mechanical properties of thin films

胶囊膜的抗拉强度和断裂伸长率随着湿纤维含量的增多呈先增加后减小的趋势，在湿纤维含量为1%时达到峰值。根据蔬菜成纸理论[16]，纤维之间具有结晶性质，相互搭接形成“骨架”，复配胶内的分子相互作用，并黏结在纤维之间，经过干燥后，膜表面会形成一种由相邻纤维之间氢键结合所产生的张力，使得纤维与复配胶之间压紧并更紧密地连接起来，力学性能增大。但随着纤维含量继续增加，纤维之间无法充分舒展，导致纤维产生的绞结作用、复配胶分子间的相互作用无法充分黏连，形成小块团聚，使膜表面粗糙。湿纤维含量大于1.5%所制膜的力学性能低于无添加纤维时的力学性能。

2.1.2 打浆度对胶囊膜性能影响

纤维的大小是影响胶囊力学性能的另一重要因素[17]，按照1.5.2设计打浆度对胶囊膜力学性能影响的单因素试验，结果如图2所示。

图2 打浆度对胶囊膜力学性能的影响Fig.2 Effect of beating degree on mechanical properties of capsule film

胶囊膜的抗拉强度和断裂伸长率随着打浆度的增大而增大，在打浆度为30°SR时胶囊膜的力学性能最优，随后胶囊膜的力学性能逐渐下降。这是由于在较低的打浆度下，制备的胶囊膜长纤维含量较多，纤维未被充分打散，纤维之间绞结形成局部团聚小块，导致与复配胶分子间未充分搭接，力学性能较低；当打浆度提高时，制备的胶囊膜长纤维数开始减少，团聚小块分离，纤维表面松散，使纤维的比表面积、接触面积增大，羟基数增多，进而增加了纤维结合力，力学性能提高[18]；但过大的打浆度会破坏纤维的细胞壁，纤维变短，分丝帚化程度增加，纤维与复配胶结合作用减小，力学性能下降。

2.2 干纤维粉对胶囊膜性能影响的单因素试验

2.2.1 干纤维粉的含量对胶囊膜性能影响

为对比不同形态下芹菜纤维制备胶囊膜的力学性能，纤维粉含量的选取与芹菜湿纤维相同，按照1.5.3设计纤维粉的含量对胶囊膜力学性能影响的单因素试验，结果如图3所示。

图3 纤维粉含量对胶囊膜力学性能的影响Fig.3 Effect of fiber powder content on mechanical properties of capsule membrane

胶囊膜的抗拉强度和断裂伸长率随着干纤维含量的增多呈先增大后减小的趋势，在干纤维含量为1%时达到峰值。结合图1，由干纤维粉制备的胶囊膜力学性能普遍优于湿纤维制备的胶囊膜力学性能。这是因为芹菜湿纤维经干燥粉碎后，纤维粒度变小，颗粒数增加，纤维间的孔隙增多，溶于水后导致水分更容易渗入，使其膨胀伸展，提高了纤维的持水性和溶胀性[19]，使纤维间的结合力有效增强。

2.2.2 纤维的粗细对胶囊膜性能影响

纤维粉的粗细是影响胶囊成膜性能的另一重要因素，按照1.5.4设计目数对胶囊膜力学性能影响的单因素试验，结果如图4所示。

图4 目数对胶囊膜力学性能的影响Fig.4 Effect of number of items on mechanical properties of capsule membrane

胶囊膜的抗拉强度和断裂伸长率随着目数的增大而增大，在打浆度为40目时胶囊膜的力学性能最优，随后胶囊膜的力学性能逐渐下降。这是因为在较小的目数下，纤维相对粗大且表面松散，纤维与复配胶接触面积增大，进而增加了纤维结合力，力学性能提高。而在过大的目数下，纤维变得短小，纤维之间结合作用减小，力学性能下降。结合图1，由干纤维粉制备的胶囊膜力学性能普遍优于湿纤维制备的胶囊膜力学性能。这是因为芹菜中的纤维差异较大[20]，打浆时叶片的纤维比较容易打碎，而叶茎的纤维束粗且长，不易打碎，造成湿纤维打浆度的不均匀。而纤维粉经打浆干燥后粉碎，用筛粉器过筛后的纤维粉其纤维整体分布相对均匀。

2.3 复配胶对胶囊膜性能影响

结合图1～图4对比分析不同形态下芹菜纤维对胶囊膜力学性能影响，结果表明，芹菜纤维粉对制备的胶囊膜力学性能影响较大，芹菜湿纤维影响较小。芹菜含有较多的膳食纤维，而胶体物质很少，因此，胶囊产品需选择适宜的黏结剂[21-22]。经前期探索性试验，马铃薯淀粉具有黏韧性高的特性；结冷胶具有成膜性强的特性；卡拉胶具有增稠的特性；山梨糖醇具有保湿、增塑的特性[23-26]，它们在质量比为40∶1∶6∶10时形成的胶囊膜具有较强的力学性能，因此按照1.5.5设计复配胶含量对胶囊膜力学性能影响的单因素试验，结果如图5所示。

图5 复配胶含量对胶囊膜力学性能的影响Fig.5 Effect of compound gum content on mechanical properties of capsule film

随着复配胶含量的增多，胶囊膜的抗拉强度和断裂伸长率呈增加的趋势，制备的胶囊膜力学性能最优。这是因为芹菜纤维属大分子基团，含量相对较多，纤维之间需要更多的黏结剂进行搭接。在复配胶浓度较低时，部分复配胶颗粒没有包覆在纤维之间，使纤维与复配胶结合力较小，力学性能较低；而随着复配胶浓度的增加，马铃薯淀粉具有较高的黏韧性，制备出的胶液黏度过大，使胶囊壳体较厚，在复配胶含量超过16%后，黏度瞬间增大，如图6所示，经实验测定在复配胶含量不超过18%时，胶囊壳性的厚度低于0.2 mm。满足药典要求。

图6 复配胶含量对浆液黏度变化Fig.6 Change of viscosity of slurry with the content of compound gum

2.4 响应面优化实验

2.4.1 响应面实验设计与显著性分析

由单因素实验得到芹菜纤维粉的粗细程度、含量及复配胶含量对胶囊膜力学性能影响较大，而湿纤维对力学性能影响相对较小，根据Box-Benhnken设计，选取17个实验点，其中12次析因实验，5次零点重复实验，用于估计实验误差。对表2结果进行数据回归拟合，分别得到预测抗拉强度Y1和断裂伸长率Y2的响应值与芹菜纤维含量X1、纤维目数X2和复配胶含量X3的二次回归方程如(2)、(3)所示:

(2)

(3)

表2 响应面结果Table 2 Response Surface results

对2个模型方程进行方差分析、显著性分析和模型系数显著性分析，结果如表3所示，2个模型的P<0.000 5，表明2个响应面回归方程达到极显著水平；2个模型的失拟项P值均大于0.05，表明方程检验不显著，二次响应面回归方程能够较好的拟合实验所得结果；模型X1X3对力学性能的交互影响高度显著，表明实验因素与响应面值不是简单的线性关系，二次项对响应值有很大关系，交互影响显著；可以判断影响胶囊膜抗拉强度和断裂伸长率的因素主次是X2>X1>X3，2个模型的校正决定系数R2分别为0.961 5、0.968 1，表明抗拉强度和断裂伸长率的预测值和试验值之间具有较高的相关性；2个模型的校正决定因素分别为0.912 1、0.927 1，表明总变异度分别仅有8.79%和7.29%不能用模型解释；模型的变异系数CV分别为6.18%、2.93%，也表明方程拟合度较好。因此，2个模型的稳定性高，能够预测各因素对胶囊膜力学性能的变化。

2.4 最优参数确定与验证

为直观反映各因素对响应值的影响，由抗拉强度和断裂伸长率的回归方程所建立的响应面图和等高线图如图7、图8所示。

表3 胶囊膜力学性能回归模型方差分析Table 3 Regression model variance analysis of mech-anical properties of capsule membrane

图7 各因素对胶囊膜抗拉强度影响趋势图Fig.7 Trend of the influence of various factors on the tensile strength of the capsule

图8 各因素对胶囊膜断裂伸长率影响趋势图Fig.8 Trend of the influence of various factors on the elongation at break of capsule membrane

纤维含量在0.8%～1.1%，复配胶含量在16%～17%，纤维粗细在40目下最利于提高胶囊膜的抗拉强度和断裂伸长率，结合方程与响应面曲线分析得到最优的工艺条件：40目的纤维含量为0.84%，复配胶的含量为16%，预测的实验结果的抗拉强度为13.344 Mpa，断裂伸长率为23.337%。经验证试验的抗拉强度为14.443 MPa，断裂伸长率26.958%，相对误差小于5%，因此，用所得的优化结果制备芹菜植物空心胶囊的工艺参数具有可靠性。

2.5 胶囊性能检测及形貌分析

经响应面优化确定了最佳配方后，通过1.3.2和1.3.4的方法制备胶囊壳，按照药典标准对胶囊检测，如图9和表4所示。

图9 胶囊及扫描电镜图Fig.9 Capsule and scanning mirror diagram

表4 检测指标Table 4 Detection indicators

在最优条件下，由芹菜纤维粉制备的胶囊外观良好，表面光滑，各项指标符合国家药典标准，无裂纹、漏粉，其脆碎度、松紧度等指标均合格。在微观下，胶囊膜纤维之间相互搭接成骨架，其他组分包罗其中，使胶囊的力学性能提高。其表面致密性良好，水分子不易渗透胶囊壳中，为胃滞留胶囊剂的开发提供理论了基础。

3 结论

通过改善纤维的形态与尺寸，使胶囊膜表面形成一种由相邻纤维之间氢键结合所产生的张力，使纤维与复配胶之间压紧并更紧密地连接起来，提高胶囊膜力学性能；同时，纤维经干燥粉碎后，纤维间的孔隙增多，尺寸减小，溶于水后水分更容易渗入，提高了纤维的持水性和溶胀性，使纤维间的结合力有效增强，进一步提升了胶囊薄膜力学性能。利用响应面分析得到制备胶囊膜优化的配方条件：40目的纤维含量为0.84%，复配胶的含量为16%，预测的实验结果的抗拉强度为13.344 MPa，断裂伸长率为23.337%。经验证试验的抗拉强度为14.443 MPa，断裂伸长率26.958%，相对误差小于5%；在此条件下制备的胶囊壳表面致密性良好，崩解时限为62 min，符合国家药典标准。与现有芹菜纤维植物空心胶囊研究相比，具有表面质量好、强度高、脆碎率低等优点，为胃滞留新型的胶囊剂开发奠定了良好基础。