高强度凝胶剂制备及其在淀粉空心胶囊的应用
2023-03-12郭卫强王元龙福建绿力生物科技有限公司
文 郭卫强 王元龙 福建绿力生物科技有限公司
凝胶剂又称为海藻多糖胶，是一种从产自印度尼西亚的天然海洋植物麒麟菜等红藻中提取的天然多糖亲水胶，被广泛应用于国内外食品添加剂、植物空心硬胶囊、化妆品等行业。海藻多糖作为凝胶剂，特别适合应用于淀粉空心硬胶囊的生产，这主要是其结构低粘度和高强度等理化性质特点有关。
凝胶强度是衡量凝胶剂质量的一个重要指标，碱处理能够提高麒麟菜所含多糖胶的凝胶强度。传统生产方法用氢氧化钠加氯化钾进行碱处理麒麟菜，所得的海藻胶存在两大缺陷：一是粘度大于130mpa.s，这就限制了海藻胶均匀成膜性，并且在碱处理过程中，由于使用了水溶性极强的氯化钾，钾离子无法完全渗入到麒麟菜内部结构中，也无法有效阻止小分子海藻胶溶入到碱液中，导致碱液中的海藻胶越来越多，成品提取率下降；二是海藻胶产品质量差、不稳定，凝胶强度存在很大幅度的变化（一般范围在300-700g/cm2），海藻胶的硫酸基含量均大于25%，产品质量很难人工控制。因此，大于1400g/cm2超高凝胶强度海藻多糖胶（硫酸基小于15%）的产品就相当缺乏，制约了硬胶囊等产品的开发。由于硫酸基含量过高导致海藻多糖胶的凝胶强度降低，并且硫酸基越高，粘度越大，成膜性就越差。以上两点制约了海藻多糖胶在植物硬胶囊领域的发展。
本文采用氢氧化钾替代传统的氢氧化钠和氯化钾处理麒麟菜，使钾离子与氢氧根离子同时进入麒麟菜组织结构中，可大幅降低海藻多糖胶的粘度及硫酸基含量，便海藻胶的粘度降低到80-100mpa.s，同时提高了海藻胶的凝胶强度（1600g/cm2以上）。
1.高强度凝胶剂的制备方法
1.1 材料与方法
1.1.1 材料
干麒麟菜原料，产于印度尼西亚；氢氧化钾（KOH）工业纯，乙醇（95%）食品级，均为市售。
1.1.2 主要仪器
NO.420型凝胶强度测定仪；NDJ-1型旋转粘度计；9101型旋风式微粒高速粉碎机。
1.1.3 制备高强度凝胶剂的工艺流程
麒麟菜→预处理→碱处理→水洗→煮胶→过滤→醇沉淀→干燥→粉碎→成品
具体操作步骤为：
（1）预处理：将麒麟菜原料经水洗，除去泥沙、杂质后，备用；
（2）碱处理：碱液浓度为13-14%，碱处理温度85-90℃，碱处理时间3-4h；
（3）水洗：滤去碱液，水洗2-3h，隔0.5h换一次水，洗涤至PH7-8；
（4）煮胶：水洗沥干后将藻体投入25-30倍的水中，使之煮烂并打浆后继续90℃煮溶30min；
（5）过滤：加硅藻土趁热进行过滤；
（6）醇沉淀：将过滤后的胶液冷却至40-45℃，与乙醇（95%）混合沉淀并进行脱水处理；
（7）干燥：滤除沉淀物并分离出残渣，经干燥后粉碎即得成品。
凝胶剂的生产关键工序为碱处理，这个工序的处理工艺科学与否显著影响到凝胶剂的凝胶强度和质量。
选取碱液浓度、碱处理温度以及碱处理时间作为实验因素，三个因素分别在范围内取值，做单因实验，再选取海藻多糖胶凝胶强度、粘度及硫酸基含量作为实验指标，确定各因素取值范围中凝胶强度最大的取值范围。在利用各因素与进行正交试验，确定液浓度、碱处理温度以及碱处理时间的最优数值。通过实验发现对凝胶强度、粘度和硫酸基含量碱，碱处理温度因素影响最大，其次为碱处理浓度因素影响，再次为碱处理时间因素影响，从而得出KOH碱处理最佳处理条件为碱液浓度13%,碱处理温度为85℃，碱处理时间为3.5h。
1.1.4 测定方法
1.1.4.1 凝胶强度的测定
准确称量1.5g凝胶剂（以干基计）及0.2gKCI晶体溶于99mL离子水中，在90℃水浴中加热充分溶解后，分装于3个小烧杯中，于20℃条件下恒温静置12h，用质构仪测量凝胶强度。
1.1.4.2 粘度的测定
取1g凝胶剂（以干基计）溶于99mL离子水中，置于95℃水中使凝胶剂完全溶解，制成1%浓度的凝胶剂溶液。用NDJ-1型旋转式粘度计于70℃恒温测定。
1.1.4.3 硫酸基含量的测定
标准曲线的绘制（BaSO4比浊法）：精密称取干燥至恒重的K2SO4108.75mg以1mol/L的盐酸水解，定容至100mL，摇匀，即得浓度为0.6mg/mL的硫酸基标准液。用移液枪分别吸取标准液0.02mL、0.06mL、0.10mL、0.14mL、0.18mL、0.20mL，用1mol/L的盐酸溶液补充至0.2mL，以0.2mlHCI溶液作空白，加入3.8mL三氯乙酸及1.0mL氯化钡溶液，摇匀，真空干燥箱脱气15min，360nm处测吸收度A：以算得的硫酸基的毫克数为横坐标，吸收度A为纵坐标作出的曲线即为标准曲线。
凝胶剂的样品处理：称取凝胶剂样品100mg于50mL反应试管中，加入10ml 1mol/L的HCI，封管，于100℃加热水解4h，冷却后，加1mol/L的HCI溶液补至刻度线，用滤纸过滤，除去不溶物质，于波长360mm波长下测量吸光度（A）。根据标准曲线计算出样品中的硫酸基含量。
1.1.5 结果与分析
1.1.5.1 单因素试验
选取氢氧化钾溶液浓度、碱处理时间和碱处理温度为实验因素，将各因素分别在一定范围取值：浓度实验固定时间3h、温度60℃，温度实验固定浓度12%、时间3h，时间实验固定浓度12%、温度60℃考察凝胶强度，实验结果如表1。
表1 单因素实验表
1.1.5.2 单因素分析
通过表1实验数据分析可得，在碱浓度13-14%、温度85-90℃、时间3-4h时，凝胶强度最大，为最佳取值范围。
2.小麦改性淀粉空心胶囊的制备方法
目前市场上销售的胶囊多为动物性明胶胶囊。虽然明胶具有凝胶剂的效果，但也有其局限性，由于其含水量较高，所以长时间存放易失水胶囊脆化。其次因为明胶胶囊制作原料多为动物性明胶，因原材料原因有一定疾病感染风险，此类事件最为影响深远的是2012年媒体曝光的“毒胶囊事件”，对社会造成极大负面影响，促使更多的胶囊厂家为求安全的胶囊生产原材料与技术配方。本文选用以小麦改性淀粉和凝胶剂为主要原料，并添加适量增塑剂开发出淀粉空心硬胶囊。淀粉胶囊相对于传统的明胶空心胶囊，具有含水量低、不易感染微生物、适应性广、无交联反应和稳定性高的优点。凝胶剂是从海洋红藻中提取的多糖，是优良的成膜胶剂，在新型淀粉空心胶囊配方改进中，是最为重要的材料。
2.1 材料与方法
2.1.1 材料原料
小麦改性淀粉，食品级，广东淀粉科技有限公司；凝胶剂（海藻多糖胶）食品级，福建绿力生物科技有限公司；增塑剂，药用级，深圳星银医药有限公司。
主要仪器：不锈钢胶囊模具，上海红星胶囊厂；NDJ-1型旋转粘度计，上海精密科学仪器有限公司；2B-ID型智能崩解时限测定仪，天津市国铭医药设备有限公司。
2.1.2 生产设备
明胶胶囊全自动空心胶囊制造机，由上海星胶囊厂提供。
2.1.3 工艺流程
小麦变性淀粉空心胶囊是以小麦改性淀粉和凝胶剂为主要原料，经溶胶、制胚、切割、套合等工序制成。生产工艺流程与现有明胶空心胶囊基本一致。
2.1.4 操作方法
（1）溶胶：将小麦变性淀粉与凝胶剂和增塑剂，加入溶胶罐的纯化水中，搅拌均匀，然后加热，使浆液升温到90℃，边搅拌边保温30min，使混合液成为均匀的胶状液体。
（2）制坯、蘸胶：将溶胶工序所得的胶液置于全自动空心胶囊制造机中，胶囊和体上胶的正确位置，再得温静置1-2h。调节蘸胶温度为60℃，蘸胶速度为4次/min，加工成为空心胶囊毛坯。
（3）干燥、脱模：毛坯经烘干脱模后，将帽、体两部份分别用药用的包装袋收集。
（4）切割、套合：经过切割、套合、灯检等工序之后 即为淀粉空心胶囊成品。
2.1.5 淀粉空心胶囊性能检测方法
2.1.5.1 检测脆碎度
随机选取空心胶囊50颗，放入装满硝酸镁饱和溶液的容器中，在25℃环境下放置24h。将空心胶囊取出，置于水平木板上。于木板正上方10公分处，将重量为20克圆形砝码，自由落体击中胶囊。观察胶囊破损率，保证低于10%。
2.1.5.2 检测崩解时限
崩解时限的定义为某种固体，在一定条件下，溶解至2.0mm以下，这个过程中所用的时间。
将滑石粉填入胶囊中，确保填满后套合，再取6粒胶囊，放入盛有3.7℃自来水的试管中（模拟人体温度），观察几率其崩解时限，在10min内6颗胶囊应完全崩解，10min内如存在崩解不完全情况，应采取同样操作进行复试。
2.1.5.3 炽灼残渣含量的检测
称取空心胶囊1.14g于已知恒重的坩埚中，置电炉上灼烧至完全炭化，放冷，加0.5mL硫酸使湿润，重新加热至硫酸蒸汽除尽后，放入高温炉中，于600℃灼烧化恒重。
2.1.5.4 干燥失重
取本品1.0g，将帽、体分开，在105℃干燥6h。
2.1.5.5 外观及壁厚
囊体应光洁、大小、形状和色泽应一致，用测量仪器检测囊体壁厚应符合《中国药典》2020年版羟丙基淀粉空心胶囊的标准。
2.1.6 结果与分析
2.1.6.1 增塑剂对胶囊脆碎度的影响（胶液60℃蘸胶）（见表2）
表2 胶囊成分配比
2.1.6.2 凝胶强度对胶囊炽灼残渣的影响（见表3）
表3 胶囊成分配比
3.结论
与其他胶囊相比，小麦改性淀粉空心胶囊具有如下几点优势。
3.1 设备优势
可以直接利用现有的明胶胶囊生产设备生产小麦改性淀粉空心胶囊，免去了对设备的改造或投资，减少了生产者的负担，有利于该工艺的推广。
3.2 成本优势
植物胶囊如纤维素胶囊和海藻多糖胶囊显示出许多优于明胶胶囊的优点，但是其原料比明胶要贵得多，而小麦改性淀粉系通过小麦淀粉羟丙基化即得，来源非常广泛，制备容易，且成本较低。
3.3 工艺优势
淀粉胶囊制备过程中，可根据情况酌量使用增塑剂，且所得的尾料网胶可以全部回收，加适量水，调节胶液粘度，重新利用。另外小麦改性淀粉空心胶囊绝不含有明胶成分，彻底解决明胶可能存在的安全风险。
总之，以小麦改性淀粉和凝胶剂为主要原料生产淀粉空心硬胶囊，在质量和性能上与明胶胶囊相当，在国内外尚无先例，也未发现在技术文献资料中有此方面的报道。
鉴于我国小麦淀粉产量巨大，且成本低于明胶，因此，淀粉空心胶囊将可能成为今后国内重点开发的植物胶囊新产品，具有广阔的发展前途。
