響應面法優(yōu)化芹菜纖維植物空心膠囊的制備工藝

唐 鵬，黨新安，楊立軍，袁越錦

（陜西科技大學 西安710021）

現(xiàn)階段，國內(nèi)外主要以明膠為主要原料來生產(chǎn)空心膠囊[1-3]。明膠主要是由動物的皮骨經(jīng)過提煉出的皮膠、骨膠發(fā)酵產(chǎn)生的，其生產(chǎn)過程會對空氣和水環(huán)境造成嚴重污染。明膠空心膠囊的保水性差，長時間放置于干燥環(huán)境下韌性降低，導致膠囊強度低，易脆碎[4-6]。國內(nèi)一些不法商販利益熏心，用生石灰處理的皮革廢料來制備工業(yè)明膠，賣給一些制藥企業(yè)制備膠囊，嚴重影響消費者的身體健康。為尋找明膠空心膠囊的替代品，植物空心膠囊[7-10]逐漸成為人們研究的重點。王向峰等[11]以羥丙基淀粉為原料制備植物空心膠囊，然而其性能與明膠膠囊仍有較大差異，且成品質(zhì)量不穩(wěn)定；郭衛(wèi)強等[12]以超低黏度海藻酸鈉為主要原料，輔以卡拉膠混凝劑制備各項質(zhì)量指標均符合國家標準的非明膠空心膠囊，因產(chǎn)量限制，故市場占有率很低；李永安等[13]將普魯蘭多糖與明膠、刺槐豆膠復配制成非明膠空心膠囊，然而，普魯蘭膠囊價格昂貴，不利于膠囊的推廣，限制了其市場應用。面對植物空心膠囊生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高的現(xiàn)狀，開發(fā)新型廉價且性能優(yōu)異的植物空心膠囊成為形勢所需。

本文以價格低廉、富含膳食纖維的芹菜[14-19]作為制備植物空心膠囊的基材，經(jīng)前期試驗確定膠囊配方后，按中國藥典的要求，研究植物空心膠囊的制備及成型工藝，研發(fā)一種全新的植物空心膠囊。本研究為制備植物空心膠囊提供了新思路，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

芹菜纖維粉，由實驗室自制；復配膠：馬鈴薯淀粉，悅普食品有限公司；卡拉膠，海南瓊海市長青瓊脂廠有限公司；結冷膠，遠大食品有限公司；山梨糖醇，華陽生物有限公司。

1.2 試驗設備與儀器

Y80M1-4 型瓦利打漿機，西安泰富西瑪電機有限公司；109-M 打漿度測試儀，咸陽通達輕工設備有限公司；粉碎機，佳聲雷有限公司；HH-2 數(shù)顯恒溫水浴鍋，朗越儀器制造有限公司；DJC-100增力電動攪拌器，江蘇省大地自動化儀器設備廠；DHG-9070A 實驗室電熱恒溫鼓風干燥箱，南京曉曉儀器設備有限公司；膠囊模具，陜西科技大學制；電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 膠囊制備方法

1）芹菜纖維的制備 取新鮮芹菜去根，老葉，經(jīng)80 ℃熱水燙漂后，切丁送入打漿機進行打漿，將濕纖維倒入料盤送入鼓風干燥箱，在40～50℃下烘干去除水分后，置粉碎機中粉碎，最后通過篩粉裝置分組篩出相關目數(shù)的粉料。

2）制膠 精確稱取纖維粉、馬鈴薯淀粉、結冷膠、卡拉膠、山梨糖醇，按質(zhì)量4∶40∶1∶6∶10 的復配關系溶于200 mL 去離子水中，在HH-2 水浴鍋加熱攪拌至糊化后養(yǎng)膠20 min 后取出。

3）干燥 取50 ℃預熱的膠囊模具，刷勻脫模油，通過蘸膠送入鼓風干燥箱內(nèi)干燥后脫殼取出。

1.3.2 膠囊殼的制備與檢測 按照《中華人民共和國藥典》（2015 版）[20]的要求，對外觀、松緊度、脆碎度、崩解時限性能進行檢測。

1）外觀 按色澤均勻、形狀規(guī)則、有無氣泡、外觀光潔、有無褶皺5 個指標對外觀感官評分，每項指標滿分10 分，任取10 人去標簽后評分，按權重比1∶3∶2∶1.5∶2.5 計算平均值，按公式（1）計算：

2）松緊度 取10 粒膠囊，用拇指和食指輕捏膠囊兩端，旋轉(zhuǎn)拔開，檢測是否有黏結、變形或破裂，裝入滑石粉，將帽體套合，逐粒自1 m 高處垂直墜于厚度為2 cm 的木板上，檢查有無漏粉現(xiàn)象，如有少量漏粉，不得超過2 粒，按公式（2）計算松緊率：

3）脆碎度 取10 ?？招哪z囊，置培養(yǎng)皿中，移入盛有硝酸鎂飽和溶液的干燥器內(nèi)，經(jīng)25℃恒溫24 h 取出，立即分別逐粒放入直立在木板（厚度為2 cm）上的玻璃管內(nèi)，將圓柱形砝碼（20 g）從玻璃口處自由落下，觀察膠囊是否有破裂，破裂數(shù)不得超過3 粒，按公式（3）計算脆碎率：

4）崩解時限 取6 粒膠囊，裝入滑石粉，套合后置于吊籃的玻璃管中（無需加擋板），按照崩解時限檢測法 （藥典附錄XA 膠囊劑項下的方法），檢測崩解時限，介質(zhì)為自來水，水溫為（37±0.5）℃。

5）成品率 按1.3.1 節(jié)試驗方法制備膠囊，以公式（4）計算成品率：

1.4 數(shù)據(jù)處理及單因素試驗設計

經(jīng)前期的試驗研究，以溶膠溫度、溶膠時間、干燥溫度、失水率作為試驗因素，每組分為5 水平，重復1.3.2 節(jié)試驗3 次，取平均值，以±s 表示。采用Origin7.0 軟件處理圖像，因素表如表1所示。

表1 單因素試驗因素水平表Table 1 Single factor test factor level table

1.5 響應面試驗設計

在單因素試驗基礎上，以溶膠溫度、溶膠時間、失水率、干燥溫度4 個因素為變量，外觀、松緊度、脆碎度、崩解度和成品率為指標，設計4 因素3 水平共29 個試驗點，建立響應面因素水平表2，用于估計試驗誤差。

表2 響應面因素水平表Table 2 Level table of response surface factors

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 溶膠溫度對膠囊性能影響 溶膠溫度的不同將導致液黏度值不同，影響膠液質(zhì)量及膠囊成形質(zhì)量[21]。保持原有配方配比不變、固定工藝參數(shù)：溶膠時間25 min，失水率86%，干燥溫度40℃不變，依次改變?nèi)苣z溫度65，70，75，80，85 ℃，按照1.3.1 節(jié)試驗制備膠囊，所得結果如表3所示。

溶膠溫度在75 ℃時，膠囊殼體色澤均勻，形狀規(guī)則，表面光潔度高，外觀評分高，不易發(fā)生漏粉的現(xiàn)象，膠囊殼體套合度高；溶膠溫度在75～80℃時，脆碎度低，膠囊不易破損，成品率高；溶膠溫度在65 ℃處崩解時限短。

表3 溶膠溫度對膠囊性能影響Table 3 Effect of sol temperature on the properties of capsules

如圖1所示，隨著溶膠溫度的升高，黏度變化先增大后減小。這是因為在較低的溶膠溫度下，淀粉尚未糊化，分子間結合力較小[22]，漿液不均勻，黏度較低，成囊性較差；隨著溶膠溫度繼續(xù)上升，分子之間氫鍵作用加強，分子間聯(lián)系緊密，黏度逐漸增大；但過高的溫度下，多糖大分子在高溫攪拌下部分降解，使黏度下降。試驗表明，漿料黏度在2 700～3 200 MPa·s 時掛模均勻，流動性適中，膠囊囊殼厚度均勻。

由差異顯著性分析結果得到，溶膠溫度在70～80 ℃時的各項指標顯著性（P＜0.05）大于溶膠溫度65～70 ℃和80～85 ℃時的各項指標。綜上，選取72，75，78 ℃為響應面試驗3 個水平。

2.1.2 溶膠時間對膠囊性能影響 溶膠時間決定了漿料攪拌的均勻度以及各原料成分之間的協(xié)同作用，間接影響膠囊質(zhì)量[23]。保持原有配方配比不變，固定工藝參數(shù)：溶膠溫度75 ℃，失水率86%，干燥溫度40 ℃不變，依次改變?nèi)苣z時間20，25，30，35，40 min，按照1.3.1 節(jié)試驗制備膠囊，所得結果如表4所示。

圖1 不同溶膠溫度下的黏度變化Fig.1 Viscosity changes at different sol temperatures

溶膠時間在25 min 時，膠囊殼體色澤均勻，形狀規(guī)則，表面光潔度高，外觀評分較好；溶膠時間在25～35 min 時不易漏粉，膠囊套合度高，松緊度良好，膠囊不易發(fā)生脆碎現(xiàn)象，成品率高；溶膠時間在20 min 時崩解時限短。

表4 溶膠時間對膠囊性能影響Table 4 Effect of sol time on the properties of capsules

如圖2所示，隨溶膠時間延長，漿料黏度先增大后減小。這是因為在較短的溶膠時間內(nèi)，纖維與復配膠部分溶解，并包裹凝結成塊；隨著溶膠時間延長，纖維間凝結塊溶解，復配膠處于半糊化狀態(tài)，黏度升高；隨著溶膠時間繼續(xù)延長，復配膠完全糊化，使得纖維與復配膠之間的結合力減小，黏度隨之降低。

由差異顯著性分析結果得，溶膠時間在25～35 min 時的各項指標顯著性 （P＜0.05）大于溶膠時間20～25 min 和35～40 min 時的各項指標。因此，選取溶膠時間：25，30，35 min 為響應面試驗三水平。

2.1.3 失水率對膠囊性能影響 失水率影響膠囊的成囊性[24]。保持原有配方配比不變，固定工藝參數(shù)：溶膠溫度75 ℃，溶膠時間25 min，干燥溫度40℃不變，依次改變失水率83%，84%，85%，86%，87%，按照1.3.1 節(jié)試驗制備膠囊，結果如表5所示。

圖2 不同溶膠時間下的黏度變化Fig.2 Viscosity changes at different sol time

失水率在86%時，膠囊殼體色澤均勻，形狀規(guī)則，表面光潔度高，外觀評分較好；失水率在84%～86%時不易漏粉，膠囊殼套合度高，松緊度良好，膠囊殼不易發(fā)生脆碎現(xiàn)象，成品率高；失水率在86%時崩解時限短。

表5 失水率對膠囊性能影響Table 5 Effect of water loss rate on the properties of capsules

這是由于當膠囊干燥失水時，表面形成張力，芹菜纖維束間壓緊并與復配膠緊密地連接，膠囊性能提高。但過大的失水率會造成分子流動性差，膠囊易碎。試驗表明，在失水率為84%時，膠囊質(zhì)軟，且該失水率下膠囊不易脫模，易出現(xiàn)折皺、碎裂；在失水率為85%時，膠囊質(zhì)較軟，膠囊不容易碎裂；在失水率為86%時，膠囊容易脫模，性能良好，但膠囊成品率降低。

由差異顯著性分析結果得到，失水率在84%～86%時的各項指標顯著性 （P＜0.05）大于失水率83%～84%和86%～87%時的各項指標。因此，選取失水率：84%，85%，86%為響應面試驗三水平。

2.1.4 干燥溫度對膠囊性能影響 干燥溫度對膠囊成型形態(tài)有著較大的影響，是膠囊成型一個關鍵因素。過高的干燥溫度，使膠囊表面發(fā)黑，膠囊殼易褶皺；溫度過低，使膠囊殼較軟，硬度不足[25]。保持原有配方配比不變，固定工藝參數(shù)：溶膠溫度75 ℃，溶膠時間25 min，失水率86%不變，依次改變干燥溫度25，30，35，40，45 ℃，按照1.3.1 節(jié)試驗制備膠囊，結果如表6所示。

干燥溫度在30～40 ℃時，膠囊殼體色澤均勻，形狀規(guī)則，無氣泡褶皺，外觀評分較好，在干燥溫度45 ℃時，殼體發(fā)黑，有膠囊殼體少量褶皺；干燥溫度在30～45 ℃時不易漏粉，膠囊殼套合度高，松緊度良好，膠囊不易發(fā)生脆碎現(xiàn)象，成品率高；干燥溫度在30 ℃時崩解時限短。

表6 干燥溫度對膠囊性能影響Table 6 Effect of drying temperature on properties of capsules

由差異顯著性分析結果得，干燥溫度在30～40 ℃時的各項指標顯著性（P＜0.05）大于干燥溫度在25～30 ℃和40～45 ℃的各項指標。因此，選取干燥溫度：30，35，40 ℃為響應面試驗三水平。

2.2 響應面試驗

根據(jù)RSM 設計，對表7結果進行數(shù)據(jù)回歸擬合，得到預測外觀Y1、松緊度Y2、脆碎度Y3、崩解度Y4和成品率Y5的響應值與干燥溫度X1、失水率X2、溶膠溫度X3和溶膠時間X4的二次回歸方程：

表7 響應面設計結果Table 7 Response surface design results

（續(xù)表7）

對5 個模型方程進行方差分析、顯著性分析和模型系數(shù)顯著性分析，結果如表8所示，5 個模型的P<0.0005，表明5 個響應面回歸方程達到極顯著水平；5 個模型的失擬項P 值均大于0.05，表明方程檢驗不顯著，二次響應面回歸方程能夠較好地擬合試驗所得結果；外觀模型中，因素X12、X42對外觀的曲面效應極顯著；在松緊度模型中，因素X3對松緊度的線性效應極顯著，因素X1X3對松緊度的相互影響極其顯著，因素X32對松緊度的曲面效應極顯著；在脆碎度模型中，因素X22對脆碎度的線性效應極顯著，因素X22對脆碎度的曲面高度顯著；在崩解時限中，因素X22對崩解時限的線性效應極顯著，因素X1X3對崩解時限的相互影響高度顯著，因素X22對崩解時限的曲面效應高度顯著；在成品率模型中，因素X3對成品率的線性效應極顯著，因素X1X3對成品率的相互影響極顯著，因素X22、X32對成品率的曲面效應極顯著。表明試驗因素對響應值不是簡單的線性關系，二次項對相應值也有很大的關系，交互項影響顯著。

根據(jù)模型F 值的大小可以判斷影響外觀、崩解度和松緊度的因素主次：X3>X2>X4>X1，根據(jù)模型F 值的大小可以判斷影響脆碎度的因素主次：X2>X3>X1>X4，根據(jù)模型F 值的大小可以判斷影響成品率的因素主次：X3>X4>X2>X1；5 個模型的校正決定系數(shù)R2分別為0.9017，0.8875，0.8737，0.8534，0.9081 表明抗拉強度和斷裂伸長率的預測值和試驗值之間具有較高的相關性；模型的變異系數(shù)CV/%分別為9.35%，18.18%，22.57%，10.66%，4.57%，也表明方程擬合度較好，因此，5個模型的穩(wěn)定性高，能夠預測各因素各指標工藝的變化。

表8 回歸模型方差分析Table 8 Analysis of variance of regression model

（續(xù)表8）

為直觀反映各因素對響應值的影響，由各指標的回歸方程所建立的等高線圖如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，優(yōu)化工藝參數(shù)后所制備的膠囊如圖8所示。

對響應面進行分析，得到芹菜纖維植物空心膠囊的優(yōu)化工藝參數(shù)：溶膠溫度73.85 ℃，溶膠時間31.75 min，干燥溫度35.42 ℃，失水率84.63%時，松緊度預測值為11.82%，脆碎度預測值為12.40%，崩解時限預測值為43.96 min，成品率預測值為86.56%，外觀評分預測值為7.95 分。為便于檢測驗證性試驗，取優(yōu)化工藝參數(shù)：溶膠溫度74 ℃，溶膠時間32 min，干燥溫度36 ℃，失水率85%。經(jīng)3 次平行驗證性試驗檢測：制備的膠囊松緊度為13.33%，脆碎度為13.33%，崩解時限42 min，成品率為86.67%、外觀評分8.4 分，相對誤差小于5%，制備的膠囊符合中國藥典標準。

圖3 各因素對外觀評分影響趨勢圖Fig.3 Trend diagram of the influence of each factor on appearance score

圖4 各因素對松緊度影響趨勢圖Fig.4 Trend chart of the influence of each factor on the degree of tightness

圖5 各因素對脆碎度影響趨勢圖Fig.5 Trend diagram of the influence of factors on brittleness

圖6 各因素對崩解度影響趨勢圖Fig.6 Trend diagram of the influence of each factor on the degree of disintegration

圖7 各因素對成品率影響趨勢圖Fig.7 Trend diagram of the influence of various factors on yield

圖8 優(yōu)化工藝參數(shù)后的膠囊實物圖Fig.8 The physical diagram of the capsule after optimizing the process parameters

3 結論

通過單因素試驗研究了芹菜纖維植物空心膠囊的制備工藝，溶膠溫度對膠囊外觀、崩解度、松緊度、成品率影響較大，失水率對膠囊脆碎度影響較大；利用響應面分析得到優(yōu)化工藝參數(shù)：溶膠溫度為74 ℃，溶膠時間為32 min，干燥溫度為36℃，失水率為85%。經(jīng)驗證性試驗檢測：制備的膠囊松緊度為13.33%，脆碎度為13.33%，崩解時限為42 min，成品率為86.67%，外觀評分8.4 分，相對誤差小于5%；在此條件下制備的膠囊符合國家藥典標準。響應面分析結果為新型植物膠囊的研發(fā)提供了理論基礎。