蔡幸哲,余龍,胡凱甄,陳家奕,劉宏生,繆承杜
(1.華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510640)(2.廣州輻銳高能技術有限公司,廣東省工業(yè)鈷-60伽瑪射線應用工程技術研究中心,廣東廣州 511458)
軟膠囊是指將油性液體、混懸液或乳濁液等半固體物質封閉于軟質囊皮內(nèi)的一種制劑[1],由于其具備良好的密封性和儲存性、生物利用率高及方便攜帶等優(yōu)點,被廣泛應用于醫(yī)藥、保健品和化妝護膚品行業(yè)[2]。目前,軟膠囊囊皮所用原料以動物明膠(Gelatin,Gel)為主,明膠具有良好的成膜性,形成的囊皮具有較好的機械性能,但其存在熔融溫度較低、高溫下容易粘連,動物源成分存在傳播瘋牛病風險、容易受到特殊文化者排斥等缺陷[3]。因此,尋找明膠替代材料以制備植物軟膠囊囊皮已成為研究熱點。
近年來,淀粉基軟膠囊囊皮研究引起了廣泛關注。淀粉由于其成膜性好、來源廣泛、價格便宜,被認為是最具潛力的明膠替代物。但天然淀粉具有易回生、耐熱性差等缺點,需經(jīng)過改性以用于軟膠囊囊皮制備[1]。羥丙基淀粉(Hydroxypropyl Starch,HPS)具有出色可加工性、良好的成膜性和粘度穩(wěn)定性[4],同時羥丙基的引入可有效抑制淀粉的老化回生。然而,HPS 凝膠凍力低,無法滿足傳統(tǒng)工藝制備軟膠囊的要求[5],因而通常需與其他食用凝膠復配,以改善其凝膠性能,從而制備出性能良好的淀粉基軟膠囊囊皮。瓊脂(Agar,AG)具有極強的凝膠能力,且形成的凝膠具有熱可逆性,廣泛應用于食品和醫(yī)藥領域[6],目前關于羥丙基淀粉和瓊脂復配的研究鮮見報道。同時,軟膠囊制備過程中通常需要添加增塑劑來改善囊皮性能以滿足加工要求[7],其中增塑劑用量與軟膠囊成品質量密切相關。
因此,本實驗以羥丙基淀粉和瓊脂作為原料制備淀粉基復配軟膠囊囊皮,選用甘油(Glycerol,G)作為增塑劑。通過預實驗確定HPS 質量分數(shù)為25%(m/m),AG 質量分數(shù)為5%(m/m),采用流延法制備不同甘油含量的復配囊皮。利用拉伸儀對其機械強度進行測定,同時表征復配囊皮的表面化學特性、結晶度、熱穩(wěn)定性、透光率、微觀結構和表面疏水性,探究甘油濃度對復配囊皮性能的影響及其作用機理,為淀粉基軟膠囊囊皮的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎和技術依據(jù)。
羥丙基淀粉(食品級),購自杭州普羅星淀粉有限公司;瓊脂(食品級),購自美國Sanland Chemical 公司;250 凍力明膠(食品級),購自河南富源明膠有限公司;甘油(分析純),購自國藥集團化學試劑有限公司。
BS210S 型電子分析天平,德國Sartorius 公司;ASTM D638 型力學定能測定儀,美國Instron 公司;Tensor 37 型傅里葉變換紅外光譜儀、D8 ADVANCE A25 型X-射線衍射儀,德國Bruker 公司;DSC 8000 型熱重分析儀,美國PerkinElmer 公司;WFZ UV-3802 型紫外分光光度計,上海洪富儀器儀表有限公司;FTA 200 型接觸角測定儀,美國First Ten Angstroms 公司;Phenom Pro 型電子掃描電鏡,荷蘭Phenom 公司。
1.3.1 HPS-AG 復配囊皮的制備
采用流延法制備復配囊皮,膠液的制備配方如表1 所示,制備方法如下:
表1 樣品編號及制備樣品所需原料(g)Table 1 Sample’s ID and contents of material
(1)HPS 膠液制備:稱取一定量的HPS 淀粉、甘油與去離子水混合,在95 ℃下緩慢攪拌,糊化30 min,至樣品充分溶解;制備好的膠液在95 ℃下保溫2 h 除盡氣泡。
(2)Gel、Gel+G 膠液制備:稱取一定量的250凍力明膠,將一定量的去離子水與甘油共混后添加至明膠顆粒中,在25 ℃下溶脹2 h,將溶脹后的明膠于60 ℃下緩慢攪拌30 min 至完全融化;將上述制備好的膠液在60 ℃下保溫2 h 除盡氣泡。
(3)HPS-AG 膠液制備:稱取一定量的HPS 淀粉、甘油與去離子水混合,在95 ℃下緩慢攪拌,糊化30 min,再加入一定量AG,在95 ℃下緩慢攪拌30 min,至樣品充分溶解;制備好的膠液在95 ℃下保溫2 h 除盡氣泡。
將上述制備好的膠液倒入玻璃平板中,于45 ℃下烘干12 h。測試前所有囊皮均在低于20%的濕度下平衡10 d 以上。
1.3.2 表面化學特性測試
采用傅里葉紅外變化光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,F(xiàn)T-IR)對囊皮表面化學特性進行測試分析,利用衰減全反射技術可以反映出樣品表層(<5 μm)的結構信息。將平衡濕度后的囊皮壓制成適宜大小用于分析,在室溫下以4 cm-1的分辨率進行掃描,掃描范圍為4 000~400 cm-1,共掃描64 次。
1.3.3 結晶結構測試
將平衡水分后的囊皮壓制成適宜大小,利用X-射線衍射儀(X-ray Diffractometry,XRD)分析樣品的結晶特性。分析條件為:Cu Kα為特征射線,掃描速度為10°/min,步寬為0.02°,電流和管壓分別為40 mA 和40 kV,掃描區(qū)域2θ:起始角5°,終止角50°。
1.3.4 熱重測試
采用熱重分析儀(Thermal Gravimetric Analyzer,TGA)對囊皮的熱穩(wěn)定性進行測試分析,將囊皮裁剪成合適大?。s4 mg)平鋪于測試坩堝中,在20 mL/min 流速的氮氣氛圍中進行測試,測試溫度范圍為30~580 ℃,升溫速率為10 ℃/min。
1.3.5 透光性能測試
將平衡水分后的囊皮裁剪成1 cm×2 cm 的長條,貼于石英比色皿內(nèi)壁。利用紫外-可見光分光光度計測定其透光率(Transmittance,T),波長檢測范圍為200~1 000 nm,掃描間隔為1 nm。取600 nm處的透光率計算吸光度(Absorbance,A),透光率與吸光度轉換由下式(1)計算,由于囊皮厚度不同,最終吸光度以下式(2)進行統(tǒng)一修正。
式中:
T——透光率,%;
A0——初始吸光度,L/(g·cm);
A——最終吸光度,L/(g·cm);
d——囊皮厚度,mm。
1.3.6 微觀形貌表征
將平衡水分后的囊皮壓制成合適大小固定于樣品臺,在20 mA 下噴金處理60 s,15 kV 電壓下,采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察囊皮表面微觀結構,放大倍率為1 000倍。同時將囊皮于液氮中進行冷凍淬斷,相同條件下進行噴金后,觀察囊皮斷面微觀結構。
1.3.7 水接觸角測試
利用接觸角測定儀測定囊皮在空氣中的靜態(tài)水接觸角(Water Contact Angle,WCA),表征囊皮表面親水性。在室溫下進行接觸角測定,將5 μL 水快速滴加于樣品表面,在囊皮的不同位置測量5 次,計算平均值。
1.3.8 力學性能測試
利用美國Instron 公司的ASTM D638 拉伸儀對囊皮進行力學性能測試,測試樣品均壓制成啞鈴型,中間的矩形尺寸為2 mm×12 mm,楊氏模量(Young’s Modulus,YM)、拉伸強度(Tensile Strength,TS)和斷裂伸長率(Elongation at Break,EAB)在100 mm/min 的拉伸速度下測定。每個樣品重復5 次,計算平均值。
1.3.9 數(shù)據(jù)分析
所有試驗結果都經(jīng)過至少三次測定以獲得數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示,利用Origin 2021 軟件進行作圖分析。
圖1 顯示了不同復配囊皮的紅外光譜圖。Gel+G 囊皮中1 635 cm-1和1 546 cm-1處的吸收峰分別歸屬于酰胺Ⅰ帶(C=O 伸縮振動)和酰胺Ⅱ帶(N-H 彎曲振動),是肽鍵的主要吸收峰,表明了蛋白質的存在。2 932 cm-1和2 886 cm-1處吸收峰分別歸屬于-CH2-基團與-CH3基團中C-H的伸縮振動。1 600~1 700 cm-1的弱吸收峰歸因于無定形區(qū)域中水的O-H 伸縮振動[8]。HPS(film)在3 282 cm-1的吸收峰與分子間氫鍵和羥基(O-H)伸縮振動有關,HPS-AG 復配囊皮該峰出現(xiàn)于3 302 cm-1處,發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象,O-H 基團的吸收峰波數(shù)變化證實HPS 與AG 之間存在明顯的氫鍵相互作用[9]。HPS 在1 000 cm-1的吸收峰和AG 在1 039 cm-1的吸收峰為多糖特征吸收峰,是由C-O、C-C 伸縮振動和C-O-H 彎曲振動引起的[9]。AG(powder)和AG(film)在930 cm-1和886 cm-1處的吸收峰歸因于瓊脂中的半乳糖結構,是瓊脂最具代表性的特征吸收峰[10];在1 366 cm-1的吸收峰是由硫酸鹽基團引起的[11]。添加HPS 后,AG 在886 cm-1和1 366 cm-1的吸收峰消失,1 039 cm-1的多糖特征吸收峰發(fā)生偏移,以上結果表明,HPS 與AG 之間存在明顯的相互作用[9]。實驗結果表明,甘油的添加量對紅外譜圖的影響較小,說明甘油對主要官能團不存在破壞作用,但添加甘油可顯著增強O-H 吸收峰,說明添加甘油可以顯著影響復配囊皮中氫鍵的數(shù)量。
圖1 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of HPS-AG compound capsule shell at different glycerol concentrations
圖2 為不同復配囊皮的XRD 圖譜,可以觀察到HPS(powder)在2θ為15°、17°、18°、23° 附近存在明顯結晶峰,為典型的A 型晶型結構。HPS(film)僅在2θ為19°附近存在一個無定形寬峰,說明在制備囊皮的糊化過程中HPS 的A 型結晶雙螺旋結構被完全破壞,HPS(film)在實驗的儲存條件下未發(fā)生重結晶。AG(powder)僅在2θ為19°附近顯示無定形寬峰,14°處顯示輕微肩部,說明AG(powder)不具備明顯的結晶結構,而AG(film)在 2θ為13.5°處存在較為明顯的結晶峰,該結果與Wu 等[12]的研究結果一致。這可能是由于在溶液成膜和干燥過程中,瓊脂高分子鏈由于氫鍵相互作用形成緊密的雙螺旋構成強大的三維網(wǎng)絡,由此形成微晶結構[13]。通過對比AG(film)與0% G+HPS+AG復配囊皮的XRD 圖譜可知,添加HPS 后AG 的結晶峰消失,說明HPS 的存在會阻礙AG 高分子鏈的聚集,阻礙其形成氫鍵,從而抑制AG 結晶。
圖2 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的XRD曲線圖Fig.2 XRD of HPS-AG compound capsule shell at different glycerol concentrations
對比0% G+HPS+AG 和5% G+HPS+AG 復配囊皮的XRD 圖譜可知,添加甘油后復配囊皮的主寬峰寬度減小,強度增大,這表明甘油與HPS 和AG之間相互作用,使得囊皮結構有序程度提升。該結果與Bergo 等[14]的實驗結果一致,通過往淀粉膜中添加甘油,XRD 圖譜顯示在2θ≈20°處觀察到一些結晶峰的趨勢。這可能是由于甘油的添加增大了高分子的遷移率,使其結構有序性增強,允許部分微晶形成[14]。實驗結果表明隨著甘油添加量的增大,HPS-AG 復配囊皮峰值變化較小,并未形成明顯結晶峰。該現(xiàn)象與Gel+G 囊皮一致,可知在實驗條件下Gel+G 囊皮與HPS-AG 復配囊皮均未發(fā)生明顯重結晶,體現(xiàn)二者良好的貯存穩(wěn)定性。
圖3 和4 為不同復配囊皮的TG 和DTG 曲線圖。樣品的第一個降解階段在200 ℃以前,該階段質量的損失通常與樣品中自由水與結合水的損失有關[15]。由于甘油的熱分解,可以在243 ℃附近觀察到一個熱降解峰[16]。Gel+G 囊皮在320 ℃的降解峰是由于明膠的分解;HPS(film)在299 ℃的降解峰歸因于HPS 的熱降解;AG(film)在268 ℃的降解峰歸因于AG 的熱降解。
圖3 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的熱重曲線Fig.3 TG curves of HPS-AG compound capsule shell at different glycerol concentrations
圖4 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的失重速率曲線Fig.4 DTG curves of HPS-AG compound capsule shell at different glycerol concentrations
在甘油的熱降解峰以后,0% G+HPS+AG 和5% G+HPS+AG 復配囊皮僅在295 ℃和301 ℃處出現(xiàn)單個熱降解峰,說明HPS 與AG 之間具有一定的相容性,HPS 的添加提升了AG 的熱降解溫度[17]。隨著甘油濃度的進一步增大,10% G+HPS+AG、15% G+HPS+AG 和20% G+HPS+AG 復配囊皮分別出現(xiàn)了兩個熱降解峰,分別位于275 ℃和310 ℃附近,分別對應AG 和HPS 的特征降解峰,說明AG 與HPS 之間相容性降低,發(fā)生一定程度的分離[18]。同時隨著甘油添加量的增大,不論是0% G+HPS+AG 和5% G+HPS+AG 復配囊皮的單峰還是10% G+HPS+AG、15% G+HPS+AG 和20% G+HPS+AG 復配囊皮中的特征雙峰,其峰值溫度均有所提升,說明在實驗的濃度范圍內(nèi),隨著甘油的添加量的增大,復配囊皮的熱穩(wěn)定性有所提升。Huo等[19]的研究結果表明,甘油的存在會與AG 或淀粉之間形成新的氫鍵,從而提升囊皮的熱穩(wěn)定性。同時甘油會與AG 競爭與HPS 的氫鍵結合位點,因此隨著甘油添加量的增大,HPS 與AG 之間的相容性反而有所降低。與Gel+G 囊皮相比,HPS-AG 復配囊皮的熱降解峰溫度均低于Gel 的熱降解峰溫度,因此Gel+G 囊皮具備更高的熱降解溫度。
利用紫外分光光度計對不同囊皮的透光性能進行了測試,其紫外光譜圖如圖5 所示。除了純AG囊皮,其余囊皮在200~1 000 nm 波段掃描范圍內(nèi),透光率呈現(xiàn)類似的變化趨勢。當波長達到600 nm時,囊皮的透光率曲線趨于平穩(wěn),600 nm 處的波長常用于薄膜透光率的測定[20]。因此選取波長600 nm 處的透光率轉化為吸光度。由于囊皮的厚度不同,需要將該吸光度值對應囊皮厚度進行統(tǒng)一校準,由此繪制圖6。
圖5 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的全波段紫外光譜圖Fig.5 Full band ultraviolet spectrograms of HPS-AG compound capsule shell at different glycerin concentrations
圖6 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮在600 nm處的吸光度Fig.6 The absorbance of HPS-AG compound capsule shell at 600 nm at different glycerol concentrations
由圖6 可知,HPS-AG 復配囊皮的吸光度值均顯著高于Gel+G 囊皮,說明其具備較好的阻光性,更適用于包裹光敏性內(nèi)容物。實驗結果表明HPSAG 復配囊皮的吸光度值均高于純HPS 和純AG 囊皮,隨著甘油量添加量的增大,復配囊皮的吸光度值先增大后減小,在甘油添加量為10%(m/m)時,囊皮吸光度最高為0.60。目前關于甘油對膜材光學性能影響的研究較多:Liang 等[21]發(fā)現(xiàn),隨著甘油添加量的增大,薄膜的吸光度升高;而Fu 等[22]發(fā)現(xiàn),甘油含量更高的薄膜透光性更好,吸光度更低。甘油主要通過影響薄膜成分的相容性、表面宏觀平整度和內(nèi)部微觀結構的有序性來影響薄膜的吸光度值[18,22,23]。結合2.3 TGA 的分析結果可知,隨著甘油添加量的增大,HPS 與AG 的相容性降低,兩相界面的光散射會導致囊皮透光率的降低,因此10%G+HPS+AG 復配囊皮吸光度的升高是由于HPS 與AG 相容性降低引起的[18]。但隨著甘油濃度的進一步增大,當甘油添加量為15%(m/m)和20%(m/m)時,復配囊皮的吸光度反而下降。這可能是由于甘油的添加可以增大高分子的遷移率,使得復配囊皮內(nèi)部結構有序性增強,從而促進可見光通過復配囊皮,降低復配囊皮吸光度值[23]。這與2.2 XRD 的結果一致,對比0% G+HPS+AG 和5% G+HPS+AG 復配囊皮的XRD 譜圖可知添加甘油后HPS-AG 復配囊皮結構的有序程度增大。
圖7 顯示了不同復配囊皮的表面和截面掃描電鏡圖。實驗結果表明Gel、Gel+G、HPS 和AG 囊皮表面和截面均較為光滑,說明體系均一性較好。Gel 和Gel+G 囊皮截面邊緣的裂紋可能是囊皮在干燥過程中失水引起的干裂[24]。由圖可知,與Gel+G囊皮相比,HPS-AG 復配囊皮表面粗糙度較高。0%G+HPS+AG 復配囊皮的表面較為平整,但也存在少量不均勻的突起。添加甘油后復配囊皮表面形成明顯的細團塊,截面也出現(xiàn)少量團塊結構,說明HPS與AG 之間的相容性下降。該結果與2.3 的TGA 分析結果保持一致,證實添加的甘油會與AG 競爭和HPS 的氫鍵結合位點(與HPS 競爭與AG 的氫鍵結合位點),從而導致HPS 與AG 相容性下降,復配囊皮表面和截面變得更為粗糙。目前已有研究表明,淀粉與AG 之間相容性降低會導致復配薄膜表面粗糙度增大[12]。
圖7 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的表面、截面掃描電鏡圖Fig.7 SEM diagrams of surface and cross-section of HPS-AG compound capsule shell at different glycerin concentrations
表2 和圖8 為不同囊皮的水接觸角。通過WCA 可以評估囊皮表面的疏水性和潤濕性。對比t=0 s 和t=30 s 的WCA 可知,當水滴在囊皮表面時由于水分的吸收和蒸發(fā),WCA 通常隨著時間的推移而減小[25]。實驗結果表明Gel+G 囊皮表面的疏水性最好,在t=0 s 和t=30 s 時WCA 均最大,分別為99.49°和90.10°。與Gel+G 囊皮相比,HPS-AG 復配囊皮的WCA 均較小,說明HPS-AG復配囊皮表面親水性高于Gel+G 囊皮,其較適合包裹油溶性內(nèi)容物。為了提升復配囊皮的表面疏水性,可在囊皮表面涂覆適當?shù)氖杷圆牧?,以用于親水性內(nèi)容物的包裹[26]。由2.5 SEM 分析結果可知,HPS-AG 復配囊皮表面較高的粗糙度有利于疏水性材料的涂覆與保留。隨著甘油添加量的增大,HPS-AG 復配囊皮的WCA(t=0 s)呈先增大后減小的趨勢,在15% G+HPS+AG 處WCA 最大,為86.17°。結合2.5 SEM 結果分析,15% G+HPS+AG 復配囊皮WCA 較高可能是由于囊皮表面粗糙度較高。已有研究表明,材料表面微米或納米級別的粗糙結構可以賦予材料更高的疏水性[27]。而20% G+HPS+AG 復配囊皮WCA 減小可能是因為高濃度的甘油使得復配囊皮含水量升高,囊皮表面親水性提升,因此WCA 減小[25]。
圖8 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮的接觸角Fig.8 WCA of HPS-AG compound capsule shell at different glycerin concentrations
由圖9 可知,隨著甘油質量分數(shù)的增大,HPSAG 復配囊皮的YM 和TS 逐漸減小,EAB 逐漸增大,這與Sandhu 等[28]的研究結果是一致的。這是由于甘油作為保濕劑在相同條件下能使囊皮保留更多水分,甘油和水均可作為囊皮的增塑劑,減小高分子之間的相互作用力,使高分子鏈更具流動性和柔性,拉伸過程中高分子鏈更容易發(fā)生位移,囊皮更容易發(fā)生形變[29]。其中當甘油質量分數(shù)為15%(m/m)時,囊皮表現(xiàn)出較好的EAB,為94.17%。同時其YM 和TS 分別為17.47 MPa 和3.17 MPa,滿足穩(wěn)定生產(chǎn)條件,表現(xiàn)出了制備軟膠囊囊皮的良好潛力。Ock 等以木薯淀粉(25.4%,m/m)、IC(8.8%,m/m)、甘油(18.6%,m/m)和D-山梨糖醇(5.4%,m/m)為原料,使用薄膜涂布機制備的淀粉基軟膠囊囊皮(50% RH 下平衡)TS 和EAB 分別為21.54 MPa 和120.23%,本實驗制備的HPS-AG 復配囊皮在更低的濕度條件下表現(xiàn)出良好的柔軟性和韌性[30]。但與Gel+G 囊皮相比,其EAB 較低,后續(xù)可通過三元復配或添加一定量的離子進一步增強其性質。
圖9 不同甘油質量分數(shù)下HPS-AG復配囊皮力學性能Fig.9 Mechanical properties of HPS-AG compound capsule shell at different glycerol concentrations
對不同甘油含量的HPS-AG 復配囊皮的性能進行了研究。紅外結果表明,復配囊皮中HPS 與AG之間存在氫鍵相互作用;熱重結果表明,甘油的添加使得HPS 與AG 相容性降低,隨著甘油質量分數(shù)升高,復配囊皮熱穩(wěn)定性提高;復配囊皮吸光度和WCA 先增大后減小,10% G+HPS+AG 復配囊皮遮光性最好,15% G+HPS+AG 復配囊皮疏水性最強;拉伸測試結果表明,15% G+HPS+AG 復配囊皮具備較好的機械強度,滿足穩(wěn)定生產(chǎn)條件;與傳統(tǒng)明膠囊皮(Gel+G)相比,15% G+HPS+AG 復配囊皮在干燥貯存條件下更加柔軟,具備良好的儲存穩(wěn)定性,且原料均為非動物源,安全性更好。結合不同甘油濃度復配囊皮的結晶結構、熱穩(wěn)定性和微觀結構等性能分析,可闡明甘油對HPS-AG 復配囊皮性能的影響機理:(1)低質量分數(shù)下甘油的存在可能促進HPS 與AG 之間的結合;(2)高質量分數(shù)下甘油會與AG 競爭與HPS 之間的氫鍵結合位點(與HPS 競爭與AG 之間的氫鍵結合位點),導致HPS與AG 之間的相容性降低;(3)甘油的存在可能使得高分子遷移率提升,囊皮內(nèi)結構的有序程度增大。以上結果表明,HPS-AG 復配體系表現(xiàn)出了制備淀粉基軟膠囊囊皮的良好潛力,可為今后淀粉基軟膠囊囊皮的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論和實踐基礎。