影响芹菜植物空心胶囊薄膜力学性能的因素研究

盛文盼，杨立军，刘 楠，王志龙

(陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

现有的空心胶囊多数采用动物明胶为主要原料[1-5]，动物明胶在生产过程中会产生大量异味，并且耗费大量的水资源，其对空气与水资源都产生较严重的污染.同时，由于明胶胶囊易于滋生微生物，易吸潮，环境湿度大而易于发生粘结等问题使得其应用面积受限[6].更甚之，近年来一些不法企业和人员采用劣质、变质或代用的牲畜皮、骨加工医用明胶，已经严重危害到医药安全，使人们对医药产生信任危机.因此，研发一种安全可靠的新材料胶囊成为形势所趋.

目前已有多种植物胶囊的应用报道.美国辉瑞公司胶囊部[7](Capsugel)率先开发上市全球第一种非明胶胶囊——Vcaps.其主要原料为来自植物的羟丙基甲基纤维素(HPMC).羟丙基甲基纤维素价格便宜，但以其为主要原料制备空心胶囊的生产过程中胶液水料比较大，除水困难，而且胶液糊丝较长，成型难度大；法国Capsugel胶囊公司推出以普鲁兰糖为原料的植物胶囊新产品NPcaps，这种胶囊不仅具有水溶性好而且无色无味，可在人体消化道内完全生物降解.但是由于普鲁兰多糖价格昂贵，难以在国内推广.

芹菜植物空心胶囊能够有效避免明胶作为胶囊主要原料的弊端，又能显著降低当前市场植物胶囊的成本.芹菜凭借优异的药用价值[8,9]，用其作为原料制备的芹菜植物空心胶囊适合更多人群食用，且有着安全性高，无动物性传染病的隐患，物化性质稳定等优点，拥有广阔的发展前景.

1 实验部分

1.1 实验材料

芹菜湿纤维,陕西科技大学机电工程学院实验室自制；马铃薯淀粉，漯河市恒瑞化工有限公司；甘油，阳江市白云香化有限公司；卡拉胶，琼海市长坡琼青琼脂厂；魔芋粉，亳州宝丰生物科技有限公司；亚克力玻璃板，上海锦淳五金机电有限公司.

1.2 实验设备

Y80M1-4型瓦利打浆机，西安泰富西玛电机有限公司；电子天平，余姚纪铭称重校验设备有限公司；HH-2数显恒温水浴锅，朗越仪器制造有限公司；HH-B11-600-BS-II电热恒温培养箱，上海跃进医疗器械有限公司；AI-7000-NGD伺服控制高低温拉力试验机，高铁科技股份有限公司；红外线快速水分测定仪，昆山鹭工精密仪器有限公司；120目标准检测筛，浙江省上虞市大亨桥化验仪器厂.

1.3 实验方法

1.3.1 芹菜植物空心胶囊薄膜的制备

通过瓦利打浆机对去根的新鲜芹菜进行打浆处理，得到不同打浆度的芹菜原浆，对该芹菜原浆滤掉相应的水分，得到芹菜湿纤维.将芹菜湿纤维在水浴锅中预热至45 ℃；将马铃薯淀粉倒入常温纯化水中，置于75 ℃水浴锅中不断搅拌直至淀粉充分糊化得到马铃薯淀粉糊化液；卡拉胶、魔芋粉按1∶1比例[10]配置复配液并在75 ℃的水浴锅中不断搅拌,直至呈半透明胶状；将预热后的芹菜湿纤维、卡拉胶/魔芋粉复配液、甘油倒入马铃薯淀粉糊化液中，提高转速，保温充分搅拌，得到芹菜胶囊浆料；利用流延法对芹菜胶囊浆料在亚克力玻璃板[11]上成型，在80 ℃干燥箱中干燥一定时间得到含水量相同的胶囊薄膜.

1.3.2 芹菜植物空心胶囊薄膜的处理与检测

将芹菜植物空心胶囊薄膜剪裁成15 mm×40 mm的膜条，在25 ℃、湿度为40%时，用AI-7000-NGD伺服控制高低温拉力试验机在拉伸速率为4 mm/min条件下测定膜条抗拉强度和断裂延伸率，取各指标3次测量的平均值.

以上1.3.1和1.3.2所述的具体实验流程如图1所示.

图1 实验流程

1.3.3 单因素实验设计

分别称取一定量的芹菜纤维、淀粉、甘油、卡拉胶、魔芋粉，按照表1设计单因素实验.

表1 单因素实验设计

1.3.4 正交试验设计

控制包括打浆度、滤水率等在内各项工艺不变，以各项原料即芹菜纤维含量、淀粉含量、甘油含量、卡拉胶/魔芋粉含量为变量，选择四因素三水平正交表，利用综合评分法对抗拉强度、断裂伸长率两指标进行加权评分，即取总评分为5分，按重要程度使抗拉强度占3分，断裂伸长率占2分，各项数据乘以对应分值后相加得到总评分.正交试验设计如表2所示.

表2 正交试验设计

2 结果与讨论

2.1 芹菜纤维含量对胶囊薄膜力学性能的影响

本文所述芹菜纤维含量是指芹菜原浆绝干后的质量，并通过比例关系计算出对应芹菜湿纤维的质量.保持打浆度25 °SR、滤水率35%、淀粉含量14%、甘油含量8%、卡拉胶/魔芋粉含量0.5%恒定及其他工艺相同，分别取芹菜纤维含量为2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%，按照1.3.1的实验方法制备胶囊薄膜.

芹菜纤维含量对胶囊薄膜力学性能的影响如图2所示.图2表明，随着纤维含量的增加，胶囊薄膜的抗拉强度和断裂伸长率随之增加，当纤维含量为3.5%时，胶囊薄膜的抗拉强度和断裂伸长率达到峰值，随后随着纤维含量的增加，抗拉强度和断裂伸长率逐渐下降.这可能是由于随着纤维含量的增加，纤维之间相互绞结[12]形成“骨架”，马铃薯淀粉充分粘结填充其中，多糖大分子与纤维之间的粘结作用，以及淀粉分子间的相互作用使得抗拉强度和断裂伸长率增大.但随着纤维含量继续增加，纤维可能无法充分舒展，以团聚小块形式存在，导致纤维与纤维之间的绞结作用以及纤维与淀粉之间粘结作用，淀粉分子间的相互作用无法充分发挥，故而导致抗拉强度和断裂伸长率下降.

图2 纤维含量对胶囊薄膜力学性能的影响

2.2 芹菜纤维的打浆度对胶囊薄膜力学性能的影响

保持芹菜纤维含量3.5%、滤水率35%、淀粉含量14%、甘油含量8%、卡拉胶/魔芋粉含量0.5%恒定及其他工艺条件相同，分别取打浆度为15 °SR、25 °SR、35 °SR、45 °SR、55 °SR的芹菜原浆，按照1.3.1的实验方法制备胶囊薄膜.

打浆度对胶囊薄膜力学性能的影响如图3所示.图3表明，随着打浆度的提高，抗拉强度和断裂伸长率随之增强，在打浆度为28 °SR时达到峰值，随后逐渐下降.这可能是由于当打浆度低时，纤维未被充分打散，纤维以团聚小块形式与淀粉及其他配料混合，导致抗拉强度和断裂伸长率低.随着打浆度的提高，团聚小块被充分分离，纤维表面由于摩擦而使纤维内部的原纤甚至微原纤松散，使纤维的比表面增大，纤维与纤维间的接触面积增大，同时，纤维表面暴露的羟基数量增加，使得相邻羟基间的氢键数量增多，这使得力学性能增大.但随着打浆度的持续增大，长条的纤维被切断成细小部分，导致纤维间的相互作用和纤维与淀粉的结合作用受到影响，这导致抗拉强度和断裂伸长度下降.

图3 打浆度对胶囊薄膜力学性能的影响

2.3 芹菜纤维的滤水率对胶囊薄膜力学性能的影响

对芹菜原浆进行滤水，使用120目标准检测筛进行滤水处理.保持芹菜纤维含量3.5%、打浆度25 °SR、淀粉含量14%、甘油含量8%、卡拉胶/魔芋粉含量0.5%恒定及其他工艺条件相同，分别取芹菜浆滤水率为15%、25%、35%、45%、55%，按照1.3.1的实验方法制备胶囊薄膜.

滤水率对胶囊薄膜力学性能的影响如图4所示.图4表明，随着滤水率的增大，胶囊薄膜的断裂伸长率迅速减小，抗拉强度先增大后减小，并在滤水率为35%时达到峰值.这可能是由于当滤水率低时，芹菜原浆中有较多的水分，水分与配方中甘油等吸水性增塑剂结合[13]，使得胶囊薄膜的断裂伸长率增大，但水分的存在同样使得纤维间的接触面积及纤维与淀粉之间粘结作用减弱，使得抗拉强度不足.随着滤水率的提高，这种纤维间的相互作用和纤维与淀粉的粘结作用得到增强，近而使得抗拉强度增大.随着滤水率的进一步增大，甘油等增塑剂与水分结合的可能性进一步减小，使得断裂伸长率迅速减小，水分的大量损失使得纤维未得到充分舒展，纤维与淀粉间的粘结作用不充分，从而导致抗拉强度下降.

图4 滤水率对胶囊薄膜力学性能的影响

2.4 淀粉含量对胶囊薄膜力学性能的影响

保持芹菜纤维含量3.5%、打浆度25 °SR、滤水率35%、甘油含量8%、卡拉胶/魔芋粉含量0.5%恒定及其他工艺条件相同，分别取淀粉含量为12%、14%、16%、18%、20%，按照1.3.1的实验方法制备胶囊薄膜.

淀粉对胶囊薄膜力学性能的影响如图5所示.图5表明，随着淀粉含量的增大，胶囊薄膜力学性能不断提高，这是由于随着淀粉含量的增加，淀粉糊的凝胶性增强，冷稳定性基本不变[14]，这导致胶囊薄膜力学性能得到增强.但淀粉含量不宜过多，这会导致胶囊薄膜黏度过大，厚度较厚，影响后续实验，综合评判选取淀粉含量为16%～18%适宜.

图5 淀粉含量对胶囊薄膜力学性能的影响

2.5 甘油含量对胶囊薄膜力学性能的影响

保持芹菜纤维含量3.5%、打浆度25 °SR、滤水率35%、淀粉含量16%、卡拉胶/魔芋粉含量0.5%恒定及其他工艺条件相同，分别取甘油含量为0%、4%、8%、12%、16%，按照1.3.1的实验方法制备胶囊薄膜.

甘油含量对胶囊薄膜力学性能的影响如图6所示.图6表明，随着甘油含量的增大，胶囊薄膜的抗拉强度先增大后逐渐减小.这可能是由于甘油含量较小时，胶囊薄膜难以成型，同时甘油的吸水性即甘油与浆料中的水分结合得不到充分施展.随着甘油含量增大，由于甘油属于多元醇，多元醇小分子吸附到淀粉颗粒表面，并且易与淀粉形成氢键，这使得抗拉强度增大.但甘油含量过大时，甘油扩散到淀粉分子内部，破坏其氢键作用，使得淀粉分子间作用力减小，也使得抗拉强度降低；甘油含量的增大使得胶囊薄膜的断裂伸长率不断增大，在12%出现拐点，此后断裂伸长率下降，这可能是由于甘油对卡拉胶/魔芋粉的复配具有拮抗作用[15]，使得断裂伸长率小幅度下降.由于浆料要考虑其整体力学性能，故而甘油含量在8%～12%之间较合适.

图6 甘油含量对胶囊薄膜力学性能的影响

2.6 卡拉胶/魔芋粉含量对胶囊薄膜力学性能的影响

由于卡拉胶与魔芋粉需按照1∶1的比例溶于水中配置复配液，故而所述卡拉胶/魔芋粉含量是指卡拉胶、魔芋粉按照1∶1比例混合时的总量.保持芹菜纤维含量3.5%、打浆度25 °SR、滤水率35%、淀粉含量16%、甘油含量8%恒定及其他工艺条件相同，分别取卡拉胶/魔芋粉含量为0%、0.5%、1%、1.5%、2%，按照1.3.1的实验方法制备胶囊薄膜.

卡拉胶/魔芋粉含量对胶囊薄膜力学性能的影响如图7所示.图7表明，随着卡拉胶/魔芋粉含量的增加，胶囊薄膜的抗拉强度和断裂伸长率均得到提高，这是由于在卡拉胶/魔芋粉复配体系中，魔芋粉中的魔芋葡甘聚糖表现为自缠绕[15,16]，与同体系的卡拉胶形成所谓的互穿网状结构，从而使协同作用增大，也使得力学性能增强.但随着卡拉胶/魔芋粉含量继续增加，胶囊薄膜的力学性能反而下降，这主要是由于甘油的存在降低了卡拉胶/魔芋粉的相互协同胶凝作用[17].

2.7 正交试验结果分析

正交试验结果如表3所示.由表3可知，A因素的极差最大，即芹菜纤维对实验结果的影响最大.对实验结果影响的主次顺序为A>B>C>D，即主次顺序依次为芹菜纤维、淀粉、甘油、卡拉胶/魔芋粉.最佳原料配比为：A2B1C2D2，即芹菜纤维含量3.5%、淀粉含量16%、甘油含量10%、卡拉胶/魔芋粉0.5%.由于最佳原料配比不在九组正交试验中，故进行验证实验.

验证实验结果如表4所示.由表4可知，最佳原料配比下的抗拉强度为5.36 MPa，断裂伸长率为44.60%，达到期望预期结果.这与正交试验中最优的第四组相比性能更优，可能的原因是相比正交第四组试验，验证实验的卡拉胶/魔芋粉含量更低，甘油与其发生拮抗作用更小而导致力学性能增强.

表3 正交试验结果

表4 验证实验结果

3 结论

通过单因素实验可知，当芹菜纤维含量在3.5%，打浆度为28 °SR，滤水率为35%，淀粉含量为16%，甘油含量为8%，卡拉胶/魔芋粉含量为0.5%时，胶囊薄膜在各自单因素实验中具有较高的力学性能.

通过正交试验可知，芹菜纤维对力学性能的影响最大，最佳原料配比为芹菜纤维含量3.5%、淀粉含量16%、甘油含量10%、卡拉胶/魔芋粉0.5%，在此最佳原料配比下的抗拉强度为5.36 MPa，断裂伸长率为44.60%.这为芹菜作为芹菜植物空心胶囊原料提供数据支撑，也为开发新型廉价植物胶囊提供可能.