异淀粉酶改性玉米淀粉胶囊的研制及性能研究

李　慧，吴　　琳，王楠楠，姜义军，牟新东，李春虎，*

（1.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛266100；2.青岛职业技术学院，山东青岛266000；3.贵州大学药学院，贵州贵阳550000；4.中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东青岛266100）

异淀粉酶改性玉米淀粉胶囊的研制及性能研究

李慧1，吴琳2，王楠楠3，姜义军4，牟新东4，李春虎1，*

（1.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛266100；2.青岛职业技术学院，山东青岛266000；3.贵州大学药学院，贵州贵阳550000；4.中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东青岛266100）

以玉米淀粉为主料，聚乙烯醇、海藻酸钠、甘油及卡拉胶等为辅料制备异淀粉酶改性玉米淀粉胶囊，并对其吸湿性、崩解性等进行测定。结果表明：经0.2mL 10mg/mL的异淀粉酶处理5min后得到的玉米淀粉在溶胀、糊化等一系列过程中操作可控性增强，改性后溶胶的粘度降低了约42%。通过添加辅料3.0%卡拉胶、0.2g KCl、1.0%甘油、0.5%海藻酸钠及0.2%聚乙烯醇，所得淀粉植物胶成膜性、阻水性及强度均明显增强，相比于明胶胶囊崩解时限缩短。

异淀粉酶，改性玉米淀粉，胶囊，性能

淀粉具有原料来源广泛，纯天然、安全、无毒、廉价易得、可生物降解、生产工艺简单等优点，是最重要的食品原料之一，已经广泛应用于食品及医药领域中，被认为是最有潜力的胶囊原料替代物［1］。在淀粉基材料和相关食品科学方面的研究基础上，淀粉胶囊的研究取得了突破性的进展。鉴于淀粉本身的凝胶性能不能满足胶囊的生产工艺，需要添加相应凝胶剂以改善其性能。Bae等［2］报道了使用浸渍和成型方法，以几种淀粉（绿豆、荸荠和甘薯）分别为原料制备淀粉胶囊过程。使用传统浸渍成形方法制备淀粉硬胶囊的工艺中，淀粉溶液粘度过高，不易控制厚度和自动化生产是其最大的不足［3］。刘宇等［4］通过用次氯酸钠调节pH的方法，降低胶液的粘度，制得了木薯淀粉植物胶囊。通过调节pH间接控制溶胶黏度的制胶工艺过程较为复杂，不易实现，使得其规模化生产受到了限制。本研究探索异淀粉酶处理玉米淀粉制备医药硬胶囊。通过异淀粉酶的处理改善淀粉溶液粘度的方法控制囊壁厚度，通过添加海藻酸盐和聚乙烯醇来增强囊壁的强度等性能，为新型植物胶囊的研制和开发奠定基础。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

卡拉胶k-型，青岛德慧集团生产；聚乙烯醇（PVA）药用级，聚合度500～1000，日本可乐丽公司；海藻酸钠药用级，青岛黄海生物制药提供；玉米淀粉石家庄利生淀粉糖业有限公，主要成分：淀粉90%～94%，蛋白质3%～4%，脂肪0.5%～1.0%，灰分0.2%～0.4%，水溶性物质1.0～2.0；甘油、山梨醇、氯化钾食品级，郑州奇雅化工产品有限公司提供；异淀粉酶1000U/mg，sigma生物试剂提供；糖化酶（1000U/mL）、α-淀粉酶（500U/mL） 阿拉丁试剂提供，BR。

NDJ-5S粘度计上海方瑞仪器有限公司；恒温加热磁力搅拌器德国IKA公司；电热恒温鼓风干燥箱上海新苗医疗器械制造有限公司；BJ-4A型智能崩解仪天津创兴电子设备有限公司；WDW-J系列微机控制电子万能实验机（门式） 济南东方集团有限公司。

1.2实验方法

1.2.1原料共混比例研究方法将100mL纯净水加热至75℃，加入卡拉胶、0.2g KCl，恒温溶胶化处理30min，加入玉米淀粉，不断搅拌并升温至90℃。控制淀粉与卡拉胶总质量浓度为12%，氯化钾含量为0.2%，玉米淀粉（质量为m1）与卡拉胶（质量为m2）分别按照不同的比例（m1∶m2）混合，在糊化温度（90℃）下进行充分混合并保温40min，对溶胶粘度以及所得膜强度进行检测。

1.2.2酶种类及用量的研究

1.2.2.1酶种类选择根据淀粉酶［5］种类的不同以及各自反应机理的差异，选取常用的α-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶对玉米淀粉进行改性处理，取等量酶活条件下的三种酶，即：0.2mL 10mg/mL的异淀粉酶溶液、2mL糖化酶、4mL α-淀粉酶，对共混比例相同溶胶进行酶处理，对比其粘度和所得膜的强度，确定最佳酶种类。

表1　正交实验因素水平表Table 1　Factor and levels of orthogonal test

1.2.2.2酶含量及作用时间的确定种类确定后，将淀粉酶配制成2mg/mL的溶液，分别加入0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0mL 2mg/mL的异淀粉酶溶液于淀粉混合溶胶中，以确定最优酶用量。随后，用最优量的酶对淀粉混合溶胶进行改性处理，自酶加入时刻开始计时，分别在0、1、3、5、8、10、15、20min作用时间点取样，测定时间点对应的溶胶粘度及所得膜的强度，根据工艺要求选择合适用量。

1.2.3正交实验法测定添加剂对膜性能的影响影响胶囊性能的主要因素有透水性、强度以及脆碎度等，故依据前期基础实验数据结论，选择辅料甘油、PVA、海藻酸钠［6］设计三因素正交实验，考察其对胶囊膜综合质量的影响。正交实验设计如表1所示。

1.2.4吸水性对比研究方法制备淀粉与卡拉胶质量比为9∶3、浓度为12%的溶胶两份，其中一份在糊化后用0.2mL的10mg/mL的异淀粉酶溶液在60℃条件下处理，并加入0.5g海藻酸钠、0.2g PVA等添加剂，另一份不做任何处理；分别使二者成膜，所得膜分别记为膜a、膜b。用12%的明胶溶液成膜，记为膜c。控制膜厚度在0.08～0.10mm范围，储存在湿度为50%的环境下，采用干燥失重法，每30min测定水分含量，每个溶胶样品取5个对应的膜样进行测量，求平均值。

1.2.5工艺操作要点

1.2.5.1溶胶过程将纯净水、甘油、山梨醇、PVA以及海藻酸钠充分混合、搅拌、溶解，加热至60℃得到呈透明溶液；加入卡拉胶、KCl后，升温至75℃，恒温下溶胶化处理约30min，直至充分溶解并形成均匀胶状溶液；加入玉米淀粉并搅拌升温至糊化温度（90℃），恒温处理40min，待胶液完全糊化并呈现均一、透明状。

1.2.5.2酶处理过程降温至60℃，取10mg/mL的异淀粉酶溶液食量，缓慢滴加并匀速搅拌。待酶反应进行一定时间后，加入浓度为1mol/L的NaOH溶液，搅拌约2min后加入同等量的HCl，调节pH为中性。

1.2.5.3蘸胶成型及制膜胶囊模具上油，60℃蘸胶。同时，采用流延法，将相同组分的胶体在表面皿内成膜。置于50℃烘箱内，干燥一定时间使胶囊保证一定的含水量。

1.2.5.4拔胶、切割用专用胶囊拔胶钳拔下胶囊，剪切成形。同时，将得到的淀粉膜，裁剪成约15mm× 30mm的长方形薄膜。

1.2.6胶囊性能检测及方法

1.2.6.1胶囊成型速度及壳厚度测定采用计时器记录自蘸胶结束时刻到溶胶凝固成型所需要的时间，即为凝胶时间，用凝胶时间表征成型速度。由千分尺测定胶囊壳的壁厚。

1.2.6.2胶囊膜拉伸强度的测定取溶胶20～30mL，用流延法均匀铺于塑料培养皿内，50℃干燥一定时间后，裁剪成15mm×30mm，厚度0.08～0.10mm的长方形薄膜。将膜置于50%的相对湿度下平衡24h，在微机控制电子万能实验机上，设置夹距为20mm，拉伸速率为100mm/min，测定断裂时的抗拉强度。每种膜测定5个样，取平均值。

1.2.6.3溶胶粘度的测定将得到的溶胶在60℃环境中保持恒温，用布氏粘度计在30r/min的转速下测量粘度。将转子完全浸没入溶胶内，约持续2min，待数值稳定后读数。每个样品测试3～5次，取平均值。

1.2.6.4胶囊膜脆碎性测定取20粒空心胶囊于表面皿中，在25℃，50%空气湿度条件下储存24h后取出，分别立即逐粒放入直立在木板（厚度为2cm）上的玻璃管内，将圆柱形砝码（20g）从玻璃口处自由落下，观察胶囊是否破裂，并计算破裂胶囊占测试胶囊总数量的比例，即为脆碎度。脆碎性评分为未破裂胶囊占测试胶囊数量的比例。根据药品检验操作规程，医用胶囊的脆碎度不能超过30%［7-8］，因此若破裂数超过9粒，则不合格。脆碎度评分测试5次，求平均值。

1.2.6.5吸水性测定将胶囊置于湿度10%、温度25℃的烘干箱中干燥，24h后取出，称重，记为W0。再置于装有饱和NaNO3溶液、湿度为75%的密闭干燥器内，每隔一定时间称其质量，直至质量恒定，记为W。含水率M计算公式如下。

1.2.6.6胶囊壳崩解性能测定崩解时限是指固体制剂在规定检验方法和液体介质中，崩解（或软化、溶化）至小于2.0mm粉粒所需时间的限度［8］。依据文献［9］进行医药胶囊崩解性能模拟实验。取所制胶囊6粒，装满滑石粉，套合后，置于吊篮的玻璃管中，崩解液采用pH6.8的磷酸缓冲溶液，在（37±0.5）℃温度条件下，分别选用未经处理且不含PVA及海藻酸盐的纯玉米淀粉胶囊、经异淀粉酶处理但不含PVA及海藻酸盐的玉米淀粉胶囊、经异淀粉酶酶处理并含PVA及海藻酸盐的玉米淀粉胶囊和明胶胶囊检测崩解时限。分别做5个重复，取其平均值。

1.3数据处理

本实验中，脆碎度检测、胶液粘度、膜强度、吸水性等均取5个平行数据进行平均值和方差计算，并用origin软件作图。

2　结果与讨论

2.1淀粉与卡拉胶共混对粘度及膜强度的影响

玉米淀粉（m1）与卡拉胶（m2）共混比例对粘度及膜强度的影响结果见表2。

表2　共混比例对溶液粘度及膜厚度、强度的影响Table 2　Effect of mixed ratio to the viscosity of starch gel，the thickness and the tensile strength of the film

由表2可知，当淀粉比例较高时，溶胶粘度较大，所得胶囊壁厚且表面粗糙；卡拉胶所含比例较高，凝胶时间较快，不易控制蘸胶速度；在8∶4及9∶3比例下，能形成壁厚均一且厚度符合要求的胶囊。由于添加卡拉胶的成本远高于淀粉，故选定二者共混比例为9∶3作为胶囊的基本材料。

2.2不同种类淀粉酶修饰后淀粉性能比较

取等量酶活条件下的α-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶对共混比例为9∶3的溶胶处理5min，测其粘度和所得膜的强度，结果如图1所示。

图1　不同淀粉酶处理后所得溶胶粘度（a）及膜强度（b）Fig.1　Sol viscosity（a）and membrane strength（b）after different amylase processing

由图1可知，酶处理后，膜的强度和溶胶粘度均低于未经酶处理的样品；经异淀粉酶处理后的溶胶粘度较大，为其他两种酶处理后粘度值的2倍；但所得淀粉膜的强度相对较高。这可能是由于糖化酶从淀粉分子非还原端逐个切下葡萄糖残基，水解产生的游离半缩醛羟基发生转位作用，最终水解产物为葡萄糖，导致所得溶胶的粘度最低，并且所形成的淀粉膜强度较小、易碎。α-淀粉酶处理玉米淀粉时生成葡萄糖、果糖、糊精等链长较短的单糖或多糖，使得溶胶的粘度迅速下降［10］。由于多糖的存在，使得其对应淀粉膜的强度较糖化酶处理后的淀粉膜强度略大。而异淀粉酶作用过程中水解支链淀粉或糖原的α-1，6-糖苷键，生成长短不一的直链淀粉，仍能保持淀粉的性质，所以形成的淀粉膜结构致密，强度较大［11］。

选择异淀粉酶处理淀粉，能够达到降低溶胶粘度的目的。此外，由于异淀粉酶的引入而导致的强度下降，可通过在后续反应中加入增强剂来弥补，故亦能够保证所得膜材料具有较高的强度。

2.3异淀粉酶含量及作用时间对溶胶粘度和膜强度的影响

异淀粉酶含量对溶胶黏度和强度的影响结果如图2所示。

图2　异淀粉酶量对溶胶粘度及膜强度的影响Fig.2　Effect of isoamylase quantity to sol viscosity and film strength

由图2可知，所加入异淀粉酶量越高，淀粉溶胶的粘度越小，所制得淀粉膜的强度也逐渐减小。这是由于酶浓度越高，淀粉酶解速率越快，随着反应的进行淀粉链长逐渐减小，产生糊精，导致溶胶的粘度降低，成膜的强度下降。根据胶囊制作工艺所要求的蘸胶条件，当异淀粉酶用量为0.2mL时，可以有效地把溶胶的粘度控制在2500～3500MPa·S，满足现代胶囊生产过程的要求。

统计经0.2mL的异淀粉酶溶液改性后的淀粉溶胶在0、1、3、5、8、10、15、20min作用时间点所对应的溶胶黏度和所得淀粉膜的强度。结果如图3所示。

图3　异淀粉酶作用时间对溶胶粘度和强度的影响Fig.3　Effect of quantity of isoamylase to sol viscosity and film strength

从图3可以看出，在10min内，溶胶的黏度随反应进行而不断降低，所制得淀粉膜的强度迅速降低至60%左右；10min以后，反应基本结束，溶胶粘度和膜强度逐渐趋于稳定，此时粘度约为2000MPa·S，强度为8MPa左右。根据明胶胶囊生产过程中蘸胶工艺的要求，粘度范围应确定在3000MPa·S左右，因此，确定酶的作用时间为5min。

综上可以看出，加入0.2mL 10mg/mL的异淀粉酶能够有效地降低溶胶的黏度，且通过控制酶的加入量和反应时间，可使淀粉膜的强度控制在合理的范围。此时，异淀粉酶处理后的混合溶胶比未经处理的溶胶粘度降低了约42%。

2.4添加剂含量对淀粉膜性能的影响

基础实验结论表明，影响胶囊膜强度及脆碎性的辅料主要有PVA、甘油、海藻酸钠［6］，以此为因素进行正交实验设计，实验结果见表3。

胶囊的脆碎性是反应胶囊产品质量及合格率的最直接因素，故选取其作为极差分析的指标。根据正交实验的结果，A是对所得胶囊质量影响最大的因素，其次是C，最后是B。验证实验表明当工艺条件为A2B3C3时，所得胶囊不易碎，但在50%湿度条件下长期保存时，该工艺所制得的胶囊膜材料会因吸水而出现较为明显的变软甚至粘手现象；而A2B2C3工艺过程可以实现较高的脆碎性评分和胶囊膜的长期保存，故确定最优的工艺条件为A2B2C3，即海藻酸钠含量为0.5%，甘油含量为1.0%，PVA含量为0.2%。

正交实验过程中可以看出，PVA或者海藻酸钠的添加明显增加了淀粉膜的强度。另一方面，二者的添加都使淀粉溶胶的粘度增大，但通过调节二者的加入量，能够使溶胶粘度控制在合理范围。

2.5改性后淀粉胶囊膜的吸水情况

从图4可知，随着时间延长，三种膜含水量均有所增加，明胶胶囊膜c在8h内，含水量急剧增加，净增加约10%，同比玉米淀粉胶囊膜a、b含水率仅增加3%～4%。在储存15h之后，明胶胶囊膜的含水率基本达到平衡，此时其含水率明显高于玉米淀粉胶囊膜，且表面开始粘手。同样可以看出，用异淀粉酶处理后的淀粉胶囊膜a吸水性比纯淀粉胶囊膜b差。可能是异淀粉酶处理后，玉米淀粉被水解为直链淀粉，又通过PVA、海藻酸钠等添加剂的添加，使所得淀粉膜的结构变得致密，吸水性略有降低。

表3　正交实验设计及结果Table 3　Results of orthogonal experiments

图4　改性淀粉膜和非改性淀粉膜吸水性对比Fig.4　The comparison of moisture absorbability between modified film and pure film

2.6酶改性后淀粉胶囊的崩解性能

由表4可以看出，在无PVA以及海藻酸钠添加的情况下，未经酶处理的玉米淀粉胶囊崩解时限明显高于酶处理后的胶囊崩解时限。未经酶处理过的淀粉胶囊放入缓冲液中，开始卷曲、收缩、变形，当2min时，出现裂纹，随后在4min时变成碎片；崩解6min时，完全分散于缓冲液中。经异淀粉酶改性后的胶囊在2min时已裂成碎片，随后逐步分散、并很快溶解于缓冲液中。这可能是由于经酶处理的玉米淀粉胶囊中存在糊精等一些链长较短的多糖，使得整个胶囊壳的崩解速度降低。加入PVA及海藻酸盐以后，由于成膜性能的提高，胶囊的崩解时限延长，但也足以保证在10min内完全溶解，更有利于实现崩解过程的可控性。而相比于明胶胶囊，淀粉胶囊的崩解时间较短，可用于释放时间较短药物的封装和保存。

Fabrication and character of a new capsule made from modified corn starch treated with isoamylase

LI Hui1，WU Lin2，WANG Nan-nan3，JIANG Yi-jun4，MU Xin-dong4，LI Chun-hu1，*
（1.Chemical Engineering College，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Qingdao Technical College，Qingdao 266000，China；3.College of Medicine，Guizhou University，Guiyang 550000，China；4.Qingdao Institute of Biomass Energy and Bioprocess Technology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266100，China）

A novel plant hard capsule was made from corn starch modified by isoamylase，and polyving akohol，alginate and carrageenan was used as uxiliary materials.Then the new kind of capsule film was tested about its characters of humility sensitivity and disintegration.It was indicated that，the process of starch expansion and gelation could be controlled very well，when the corn starch treated by 0.2mL 10mg/mL isoamylase for 5min. The viscosity of the sol was reduced effectively as well.The film-forming characters and strength of the starch film were enhanced，by added 3.0%carrageenan，0.2g KCl，1.0%glycerinum，0.2%PVA and 0.5%alginate，also，the disintegration time of the capsule would be controlled effectively and reasonably.

isoamylase；modified corn starch；capsule；fabrication

TS236.9

B

1002-0306（2015）12-0274-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.050

2014－08－26

李慧（1988-），女，硕士研究生，研究方向：天然生物基高分子功能材料研究。

李春虎（1965-），男，教授，研究方向：化工原料气的催化净化。