酶解羟丙基马铃薯淀粉的制备及其在空心胶囊中的应用

何绍凯,刘文娟,曹 余,田映良,史琦云

(1.甘肃省马铃薯变性淀粉工程技术研究中心,甘肃定西 743022;2.甘肃省变性淀粉工艺与应用重点实验室,甘肃定西 743022;3.甘肃圣大方舟马铃薯变性淀粉有限公司,甘肃定西 743022)

酶解羟丙基马铃薯淀粉的制备及其在空心胶囊中的应用

何绍凯1,2,刘文娟1,2,曹 余1,2,田映良3,史琦云1

(1.甘肃省马铃薯变性淀粉工程技术研究中心,甘肃定西 743022;2.甘肃省变性淀粉工艺与应用重点实验室,甘肃定西 743022;3.甘肃圣大方舟马铃薯变性淀粉有限公司,甘肃定西 743022)

应用普鲁兰酶对羟丙基马铃薯淀粉进行酶解处理,制备了酶解羟丙基马铃薯淀粉。研究了普鲁兰酶用量、酶解时间、酶解温度、pH对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响,并比较了不同酶解程度羟丙基马铃薯淀粉的凝胶特性。通过测定空心胶囊成品率、胶囊壁厚度、透明度、水分含量、脆碎率等指标,考察了酶解羟丙基马铃薯淀粉的酶解程度和配制浓度对空心胶囊品质的影响。结果表明:羟丙基马铃薯淀粉酶解的较佳条件为:普鲁兰酶用量0.6%,酶解温度60 ℃,pH5.5,酶解时间2 h。酶解羟丙基马铃薯淀粉糊液的黏度随着温度降低而逐渐升高,其凝胶温度为55 ℃。随着羟丙基马铃薯淀粉酶解程度的升高,浸渍液黏度降低,胶囊的透明度提高。选择黏度1500 mPa·s的酶解羟丙基马铃薯淀粉,在配胶质量分数为22.5%时制作的空心胶囊透明度高,脆碎率低,成品率可达94%。研究表明,酶解羟丙基马铃薯淀粉适于空心胶囊的制造。

普鲁兰酶,马铃薯淀粉,羟丙基淀粉,空心胶囊,黏度

空心胶囊包裹的药物成分可以避免药物对人体感觉器官的刺激,并达到缓释效果。长期以来,以明胶为原料的空心胶囊在医药、食品领域得到了广泛应用[1]。近年来,明胶的缺陷逐渐显现,如胶囊自身蛋白质易受酸、碱影响,对环境温、湿度敏感,不适宜伊斯兰教和犹太教信仰者使用。此外,受“疯牛病”、“毒胶囊”事件的影响,民众对明胶胶囊的不信任感与日俱增。于是,利用植物原料进行空心胶囊的研究逐渐成为热点[2-4]。

美国辉瑞公司率先研发了商品名为Vcaps®和PlantcapsTM的植物空心胶囊。随后,日本Shionogi Qualicaps公司也开发了Quali-V®羟丙甲纤维素(HPMC)空心胶囊[5]。此外,已见有关于HPMC[6]、普鲁兰多糖[7]、果胶[8]、沙蒿胶[9]、大豆蛋白[10]、魔芋[11]、海藻多糖[12]等植物空心胶囊的专利申请和文献报道。至今,仅有HPMC和普鲁兰多糖为原料的植物空心胶囊成功投入生产[13]。以HPMC为原料制备空心胶囊过程中,存在胶液水料比大、除水困难、成型难度大[14]等问题;普鲁兰多糖价格昂贵,生产成本高,难以推广。因此,目前国内植物胶囊的市场占有率并不高。

淀粉是重要的食品原料之一,具有原料来源广泛、天然、安全、廉价等优点,被认为是最有潜力的胶囊原料[2]。马铃薯淀粉的优点是糊化温度低、透明度高,成膜性能好。由于淀粉易老化,在以其为原料制作胶囊的过程中,存在糊液黏度高、难于蘸胶、成膜后脆性大、成品率低等缺陷,难以制得强度高、耐填装的空心胶囊[15]。因此,尝试通过对淀粉进行物理、化学或酶改性,使其成为较好的植物空心胶囊原料便成为人们关注的重要课题。羟丙基改性可以增加淀粉分子的亲水性,抑制淀粉的回生,并起到增加韧性和强度的作用[16],是一个良好的候选材料;经普鲁兰酶脱支处理的淀粉在流变学特性、成膜性等方面有突出的特点[17],是一种良好的淀粉改性方法。因此,本研究采用羟丙基马铃薯淀粉为原料,利用普鲁兰酶对其进行酶解,制备了酶解羟丙基马铃薯淀粉,研究了其在空心胶囊中的应用。以期为空心胶囊用变性淀粉的制备和生产奠定基础,也为淀粉基植物空心胶囊的研制提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

羟丙基马铃薯淀粉 羟丙基含量4.7%,食品级,甘肃圣大方舟马铃薯变性淀粉有限公司;Promozyme D2普鲁兰酶 活力为1000 NPUN/g,诺维信(中国)投资有限公司;卡拉胶 食品级,绿新(福建)食品有限公司;甘油、氢氧化钠 烟台市双双化工有限公司;硝酸镁 天津市巴斯夫化工有限公司;盐酸 北京化工厂,所有试剂均为分析纯。

DV2TRVTJ0型Brookfield黏度仪 美国Brookfield公司;0号空心胶囊模具 兰州平山机械制造有限公司;不锈钢反应罐 温州市商泰轻工机械有限公司;722-N可见分光光度计 上海欣茂仪器有限公司;CH-1-ST型薄膜测厚仪 上海精密仪器仪表有限公司;JJ-1型增力电动搅拌器 金坛市恒丰仪器厂;101-1型鼓风干燥、HH-1型恒温水浴锅 北京科伟永兴仪器有限公司;FA2004型电子天平 上海良平仪器仪表有限公司;PHS-3C型酸度计 上海大普仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酶解羟丙基马铃薯淀粉的制备 称取300 g羟丙基马铃薯淀粉于反应罐中,用纯水将其配制成质量分数25%的乳液,搅拌均匀后,加入0.1%(相对淀粉干基量)的CaCl2,用质量分数为5%的盐酸将乳液pH调至4.0～7.0,于95 ℃水浴中糊化30 min,冷却至规定温度后,加入普鲁兰酶进行酶解,酶解结束后,于95 ℃灭酶20 min,即得到酶解羟丙基马铃薯淀粉。

在单因素优化酶解条件的实验中:固定酶解温度60 ℃、酶解时间2 h、pH5.5,考察了普鲁兰酶用量(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响;固定普鲁兰酶用量0.6%、酶解温度60 ℃、pH5.5,考察了酶解时间(0、0.5、1.0、1.5、2、2.5 h)对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响;固定普鲁兰酶用量0.6%、酶解2 h、pH5.5,考察了酶解温度(45、50、55、60、65、70 ℃)对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响;固定普鲁兰酶用量0.6%、酶解温度60 ℃、酶解2 h,考察了pH(4.0、4.5、5.0、5.5、6.5、7.0)对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响。

在单因素优化的酶解条件(酶解温度60 ℃,酶解2 h,酶解pH5.5)下,使用不同的酶用量(0.7%、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%)制备了酶解程度从高到低的5个样品,对应编号分别为1、2、3、4、5号,用于考察不同酶解程度羟丙基马铃薯淀粉的凝胶特性及对空心胶囊品质的影响。

1.2.2 空心胶囊的制作 参照闫丰文等[13]的方法,采用浸渍成型方法,将酶解羟丙基马铃薯淀粉用纯水配制成一定浓度后,加热至95 ℃,缓慢加入1.5%(相对淀粉干基量)卡拉胶,完全溶解后,加入5%(相对淀粉干基量)的甘油,搅拌均匀即得到胶囊浸渍液(60 ℃保温,备用)。将胶囊模具涂抹润滑油,插针浸入胶液中蘸胶,取出翻转,冷却,胶液在插针上胶凝形成膜,经干燥后,将膜从插针上剥离、切割、套合,即得到空心胶囊。

在空心胶囊制作过程中,必须确保浸渍液黏附于胶囊模具插针表面,并且当插针从浸渍液中抽出时,胶液能够快速胶凝,避免胶液在插针表面上流动而影响胶囊成型。淀粉的凝胶特性将直接影响胶囊的成型性和质量,掌握淀粉的凝胶温度和凝胶强度尤其重要。

1.2.3 黏度测定 用纯水将酶解羟丙基马铃薯淀粉配制成质量分数20%(相对淀粉质量)的糊液,加热至60 ℃,采用Brookfield黏度仪测定,测定转速为20 r/min,时间30 s。淀粉的黏度越低,表明酶解程度越高。

1.2.4 凝胶特性测定 用纯水将酶解羟丙基马铃薯淀粉配制成质量分数20%的糊液,加热至70 ℃后自然冷却,用Brookfield黏度仪,分别测定其在70、65、60、55、50、45 ℃下的黏度。当样品黏度迅速升高时的温度即为凝胶温度[6]。凝胶强度采用45 ℃和70 ℃时的黏度之比表示。

1.2.5 胶囊成品率 根据成品数量和蘸胶所制备的空心胶囊数量计算成品率[12],成品率的计算式为:

成品率(%)=成品个数/实验所制个数×100

1.2.6 透明度 选取10粒空心胶囊,将胶囊壳裁成2.3 cm×1 cm的膜,压平后紧贴于比色皿的一侧,采用分光光度计,在480 nm波长下测定其透光率(T),以空比色皿作对照,透光率越高,表明空心胶囊的透明度越好[18]。

1.2.7 空心胶囊壁厚度 选取10粒空心胶囊,每个胶囊随机取3个点,采用薄膜测厚仪进行空心胶囊壳厚度的测定[19],取平均值,厚度单位为mm。

1.2.8 脆碎率 选取无黏结、无变形、无破裂的空心胶囊50 粒,置表面皿中,放入盛有硝酸镁饱和溶液的干燥器内,在25 ℃条件下恒温24 h后,取出,立即分别逐粒放入直立在木板(厚度2 cm)上的玻璃管(内径为24 mm,长为200 mm)内,将圆柱形砝码(材质为聚四氟乙烯,直径为22 mm,重20 g)从玻璃管口处自由落下,观察胶囊是否破裂[20]。脆碎率按下式计算：

脆碎率(%)=脆碎的胶囊个数/实验胶囊个数×100

1.2.9 水分含量 称取10粒空心胶囊样品,将帽、体分开,在105 ℃干燥6 h后对空心胶囊再称重,两次重量之差与空心胶囊的原重之比即为胶囊的水分含量[20]。

1.2.10 数据处理 所有待测参数重复测定3次,取平均值。采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 普鲁兰酶用量对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响

普鲁兰酶用量(占干羟丙基马铃薯淀粉质量百分数,下同)对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响结果如图1所示。

图1 普鲁兰酶用量对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响Fig.1 Influence of amount of pullulanase on the viscosity of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch

普鲁兰酶能专一水解支链淀粉分子中的α-1,6葡萄糖苷键,降低淀粉聚合度,形成以α-1,4糖苷键连接的多聚物[21]。因此,随着酶用量的增加,酶解程度逐渐增大。由图1可见,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度随着普鲁兰酶用量的增加而下降。当普鲁兰酶用量在0.6%以下时,淀粉的黏度下降较快;酶用量超过0.6%后,黏度下降缓慢,呈基本不变的趋势。因此,适宜的普鲁兰酶用量为0.6%。

2.2 酶解时间对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响

酶解时间对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响结果如图2所示。

图2 酶解时间对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响Fig.2 Influence of enzymolysis time on the viscosity of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch

由图2可见,当酶解时间小于2 h时,随酶解时间的延长,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度逐渐降低。当酶解时间大于2 h时,酶解马铃薯羟丙基淀粉的黏度变化趋于平缓。可能的原因是:淀粉酶解一定时间后,淀粉中绝大部分可酶解的支链淀粉已被切断。另外,随时间的延长,酶的活性会有所降低。因此,适宜的酶解时间为2 h。

2.3 酶解温度对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响

酶解温度对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响结果如图3所示。

图3 酶解温度对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响Fig.3 Influence of enzymolysis temperature on the viscosity of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch

由图3可见,酶解温度对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响呈一个U字型。在45～60 ℃的范围内,随着酶解温度的升高,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度迅速下降;在酶解温度为60 ℃时,黏度达到最小值,酶解程度最大;酶解温度超过60 ℃时,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度不降反升。说明适当提高酶解温度可以增加酶的活性,但过高的酶解温度可能会导致酶蛋白变性,使酶失活。因此,适宜的酶解温度为60 ℃。

2.4 pH对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响

pH对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响结果如图4所示。

图4 pH对酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度的影响Fig.4 Influence of pH values on the viscosity of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch

由图4可知。酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度随pH升高呈现先降低后升高的趋势:在较低的pH条件下,淀粉的黏度很高;当pH为5.5时,黏度最低,仅800 mPa·s;当pH大于5.5时,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度却随pH升高而逐渐增大。这种现象可归因为:较强的酸性或较强的碱性都会抑制酶的活性,甚至会导致酶失活。因此,适宜的pH为5.5。

表1 酶解程度对胶囊品质的影响

2.5 酶解程度对酶解羟丙基马铃薯淀粉凝胶特性的影响

酶解程度对酶解羟丙基马铃薯淀粉的凝胶特性的影响如图5和图6所示。

图5 不同温度下的酶解羟丙基马铃薯淀粉黏度Fig.5 Viscosities of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch at different temperatures

图6 不同酶解羟丙基马铃薯淀粉的凝胶强度Fig.6 The gel strength of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch with different enzymolysis degrees

由图5可见,5个样品的黏度随温度变化均呈现一致的趋势:随着温度的降低,淀粉的黏度逐渐升高;温度高于55 ℃,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度基本恒定;温度低于55 ℃时,黏度迅速升高。这个结果表明:酶解羟丙基马铃薯淀粉的凝胶温度与酶解程度无关,5个样品的凝胶温度均为55 ℃。

从图6可知,酶解程度高,酶解羟丙基马铃薯淀粉的凝胶强度大。1号样品的凝胶强度最大,冷黏是热黏的7.9倍。羟丙基马铃薯淀粉通过普鲁兰酶处理后,切断了支链淀粉分子中的α-1,6糖苷键,增加了淀粉中直链分子的比例,从而提高了酶解羟丙基马铃薯淀粉的凝胶强度[21]。

2.6 酶解程度对胶囊品质的影响

选取不同酶解程度的1、2、3、4、5号酶解羟丙基马铃薯淀粉样品,按照酶解羟丙基马铃薯淀粉质量分数20%进行配胶,控制蘸胶温度55 ℃,考察酶解程度对酶解羟丙基马铃薯淀粉糊黏度、胶囊成品率、厚度、水分含量、透光率的影响,其结果见表1。

由表1可以看出,由不同酶解程度的羟丙基马铃薯淀粉所制作的空心胶囊在成品率和胶囊质量上存在较大差异,并呈现以下规律:羟丙基马铃薯淀粉的酶解程度越高,黏度越低,所配制的胶液流动性则大,蘸胶后,胶液凝胶不充分,导致在干燥期间出现胶液从针顶向下流淌,使得胶囊壁薄,成型不好,成品率低。其中:酶解程度最高的1号样品成品率仅为14%,胶囊壁最薄,壁厚仅为0.036 mm。酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度较低,所制备的胶囊壁较薄,干燥较容易,水分含量也较低。胶囊壁越薄,其透明度越高,但胶囊脆碎率高。综合看来,采用黏度为1500 mPa·s的3号样品所制成的胶囊成品率最高,为91.7%,胶囊的质量也甚优。

2.7 浸渍液配制浓度对胶囊品质的影响

表2 酶解羟丙基马铃薯淀粉浸渍液质量分数对空心胶囊品质的影响

选取2.6中的3号酶解羟丙基马铃薯淀粉样品,分别配制成质量分数为15.0%、17.5%、20.0%、22.5%、25.0%(按酶解羟丙基马铃薯淀粉干基质量计)的浸渍液,蘸胶温度为55 ℃,考察酶解羟丙基马铃薯淀粉浸渍液的配制浓度对糊液黏度、胶囊成品率、壁厚、水分含量、透光率和脆碎率等特性的影响,其结果见表2。

由表2可以看出,随着配制浓度的提高,胶囊浸渍液的黏度增加,制成的胶囊壁厚度增大,透明度降低,胶囊脆碎率降低。当酶解羟丙基马铃薯淀粉配制浓度较低时,胶液黏度低,流动性大,凝胶不充分,胶囊的成型不好,成品率低,制成的胶囊壁薄,强度差,脆碎率高。同时,过高的酶解羟丙基马铃薯淀粉浓度导致胶液黏度过高,流动性差,胶囊成型也不好,成品率低,且胶囊壁较厚,透明度低。在酶解羟丙基马铃薯淀粉配制质量分数为22.5% 时,所制成的胶囊成品率最高,达 94%,胶囊壁厚合适,脆碎率低。

3 结论

经普鲁兰酶处理,降低了羟丙基马铃薯淀粉糊液黏度,改善了羟丙基马铃薯淀粉因为黏度高,不能配制成高浓度、低黏度胶液使用的性能缺陷。增加普鲁兰酶用量和延长酶解时间均可提高酶解程度,酶解羟丙基马铃薯淀粉较佳条件是:普鲁兰酶用量0.6%,酶解温度60 ℃,pH5.5,酶解时间2 h。随着酶解程度的提高,酶解羟丙基马铃薯淀粉的黏度逐渐降低,凝胶强度增强。

羟丙基马铃薯淀粉的酶解程度过高或配制浓度过低,均会导致胶囊浸渍液黏度低、胶液流动性大、凝胶不充分、胶囊的成型不好、成品率低和脆碎率高。羟丙基马铃薯淀粉的酶解程度低或配制浓度过高,则会导致浸渍液流动性差,成品率不高。胶囊壁越薄,其透明度越高,但壁厚度较薄的胶囊壳强度差,脆碎率高。选择黏度值为1500 mPa·s的酶解羟丙基马铃薯淀粉,胶液配制质量分数为22.5%时,胶囊成型好、成品率高、透明度好、脆碎率低,品质最好,具有替代明胶空心胶囊的潜力和良好的市场开发前景。

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Preparation of enzyme-treated hydroxypropyl potato starch and its application in hollow capsules

HE Shao-kai1,2,LIU Wen-juan1,2,CAO Yu1,2,TIAN Ying-liang3,SHI Qi-yun1

(1.Gansu Engineering and Technology Research Center of Modified Potato Starch,Dingxi 743022,China;2.Key Laboratory of Modified Starch Manufacture Techniques and Applications,Dingxi 743022,China;3.Gansu GLDARK Modified Potato Starch Co.,Ltd. ,Dingxi 743022,China)

The enzyme-treated hydroxypropyl potato starch was prepared by hydrolyzing hydroxypropyl potato starch with pullulanase. The influence of the amount of pullulanase,enzymolysis time,temperature and pH on the viscosity of the starch was studied. The gel properties of the starch with different enzymolysis degrees were compared. The influence of the enzymolysis degree and mass fraction of glue on the hollow capsules was investigated by determining the capsule yield rate,capsule wall thickness,transparency,water content and friability. The results indicated that the better enzymolysis conditions that could yield a product were as follows:0.6 wt% of pullulanase,60 ℃,pH=5.5,and for 2 hours. The viscosity of paste prepared from the enzyme-treated hydroxypropyl potato starch increases with the decreasing temperature. The gelatinization temperature was 55 ℃. With the increasing enzymolysis degree,the viscosity of capsule impregnating liquid decreases,and the capsule transparency was improved. Hollow capsules with higher transparency and lower friability could be produced when the enzyme-treated hydroxypropyl potato starch with a viscosity of 1500 mPa·s was used,at 22.5% by mass fraction of glue. The formability of capsules could reach 94%. This study indicated that the enzyme-treated hydroxypropyl potato starch was suitable for capsule manufacture.

pullulanase;potato starch;hydroxypropyl starch;hollow capsule;visicosity

2016-08-16

何绍凯(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事变性淀粉研究与应用方面的研究，E-mail:gahsk@163.com。

国家科技支撑计划(2012BAD32B01)；甘肃省科技计划资助(093NTGJ012)。

TS236.9

A

1002-0306(2017)06-0163-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.023