氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的制备及性能研究*

赵美荣，孔祥海,黄爱民，杨 华@

(1.广西农业职业技术大学，广西 南宁 530004；2.广西大学 医学院，广西 南宁 530004；3.新乡市中科科技有限公司，河南 新乡 453002;4.广西民族大学，广西 南宁 530004)

0 引言

胶囊主要应用在药物、保健品和其他食品的包裹中。明胶胶囊占了大部分市场。明胶是由动物的骨、皮经水解后制得，具有很好的生物兼容性，由于其独特的结构特征使得应用广泛。然而明胶胶囊因其自身缺陷以及食品药品安全事故的频发，使得纯天然植物胶囊材料被人们广泛研究。淀粉及其衍生物具有来源广泛、价格低廉、适用性强、安全性高等优点，因而备受人们关注，也成为最具潜力的明胶胶囊替代材料之一。淀粉是可再生、可生物降解的天然资源，来源广，性价比高，应用广泛，但由于淀粉的机械性能和阻隔性能比较差，且淀粉还容易结晶化，易发生凝固现象。常采用化学、物理、生物的方法进行分子中引入、切断、重排等对淀粉加以改性处理，以得到性能更加优良的淀粉衍生物[1-6]。氧化羟丙基淀粉是木薯淀粉在碱性条件下与环氧丙烷发生亲核取代反应得到的一种非离子型淀粉，具有糊化温度低、糊液透明度高、稳定性好、颜色洁白、黏度低、成膜性好、胶贴力强等优点。氧化羟丙基淀粉改良了天然淀粉的性能，进一步提高了成膜性，但是耐水性有所降低。通过醋酸酯改性，可以提高其耐水性，从而使淀粉成膜性更好,这种淀粉膜可以制作淀粉胶囊[7-9]。近年来，有不少学者对变性淀粉的制备及其成膜性进行了研究。木薯淀粉相对其他淀粉来说，分子量较高，膜具有较好的柔韧性、阻隔性，但抗剪切能力较差[10-12]。而以木薯淀粉改性的氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊鲜见报道。本研究基于环境可持续发展、经济发展和食品药品安全考虑，以木薯淀粉改性的氧化羟丙基淀粉、醋酸酐为原料，制备氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊和淀粉胶囊，以期为淀粉胶囊取代明胶胶囊提供理论根据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘油(分析纯，上海试剂一厂)；氧化羟丙基淀粉、醋酸酯淀粉(食品添加剂)、氧化羟丙基醋酸酯淀粉(取代度为0.125，原料是木薯淀粉)(东莞东美食品有限公司)；结冷胶(食品添加剂，上海祁邦实业有限公司)；明胶胶囊(药用胶囊，绍兴康可胶囊有限公司)。

1.2 仪器与设备

XMT-142电热恒温鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂)；D120-2F电动搅拌机(杭州仪表电机有限公司)；Spectrum One-B红外分光光度仪(美国PE公司)；FA1104B电子分析天平(上海越平科学仪器有限公司)；HH-S1数显恒温水浴锅(金坛市医疗仪器厂)；Hitachi SU8220场发射扫描电镜(日本Hitachi 公司)；SMARTLAB3KW X-射线衍射仪(日本株式会社理学公司)；T G209F3热重分析仪(德国NETZSCH公司)；0#胶囊磨具(北京中天精蓝科技有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 氧化羟丙基醋酸酯淀粉的制备

将氧化羟丙基淀粉和适量的去离子水加入500 mL的烧杯中，配成一定质量分数的淀粉乳。烧杯放入水浴中(25～30℃)，先用饱和NaCO3溶液调pH为9～10，再滴加醋酸酐溶液(醋酸酐与淀粉为4∶10,g∶g)，调pH为5～6，然后滴加数滴饱和NaCO3溶液，使溶液pH为9～10，重复上述步骤，约1h加完醋酸酐，然后继续滴加饱和NaCO3溶液使溶液pH为9～10，反应2.5h。用质量浓度为10%的稀HCl调节反应后溶液的pH呈中性。抽滤，用去离子水洗涤2～3次,45℃下烘干，备用[2]。

1.3.2 混合淀粉胶囊的制备

称取氧化羟丙基淀粉和醋酸酯淀粉(2∶1，g∶g)放在500mL的大烧杯中，加入适量蒸馏水和一定量甘油和结冷胶，搅匀，然后将其放入82℃的水浴中，搅拌40min，反应结束后，水浴锅的温度调至45℃，最后取出胶液冷却至室温，用胶囊模具蘸取溶液，沾胶后，将胶囊放在45℃的烘箱中烘干3h。取出模具，放在室温1h，从模具上取出胶囊壳放在密闭的容器中保存[7-9]。

1.3.3 氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的制备

以氧化羟丙基醋酸酯淀粉原料，通过改变甘油和结冷胶的量，制备方法同1.3.2，制备出淀粉胶囊[8]。

1.3.4 感官评价

由具有一定评分能力和评分经验的20人(男10、女10)对样品进行表观(碎裂、粘稠、厚薄、气泡、变形、砂眼)和脆碎性(其测定方法参照文献[13]方法进行,脆碎性评分为未破裂胶囊占测试胶囊数量的比例)评分。

1.4 单因素实验设计

1.4.1 甘油的添加量的考察

称取8g氧化羟丙基醋酸酯淀粉，加入0.45g结冷胶，粘胶温度45℃，考察改变甘油的添加量(0.1、0.4、0.7、1.0、1.3 )g对胶囊表观和脆碎性(测试3次，求平均值)的影响。

1.4.2 结冷胶的添加量的考察

称取8 g氧化羟丙基醋酸酯淀粉，加入0.7g甘油，粘胶温度45℃，考察改变结冷胶的添加量(0.25、0.35、0.45、0.55、0.65)g对胶囊膜的强度的影响，每组测试3次，求平均值。

1.4.3 粘胶温度的考察

称取8g氧化羟丙基醋酸酯淀粉，加入0.7g甘油和0.45g结冷胶，考察粘胶温度(25、30、35、40、45、50 )℃对胶囊溶胶黏度的影响，每组测试3次，求平均值。

1.5 胶囊崩解性能测定

配制pH值为6.8，磷酸缓冲溶液500mL，在(37±0.5)℃温度下，分别取混合淀粉胶囊，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊和明胶胶囊各6粒放入缓冲液中检查崩解时限，分别重复5次，取平均值[14]。

1.6 胶囊吸潮性测定

将3种胶囊壳于50℃烘箱中干燥，24h后取出，称重，记为W0。再置于温度为25℃，相对湿度为45%的空气中放置5 d后，每2h称其质量，直至质量恒定，记为W。含水率M计算式:

(1)

式中W0:胶囊的初始重量/g；W:胶囊的最终重量/g。

1.7 胶囊热稳定性测定

将混合淀粉胶囊、羟丙基淀粉胶囊和明胶胶囊于70℃的恒温干燥箱中干燥5h，取出样品进行密闭，然后进行热重测试[11]，温度为25～500℃。

1.8 3种胶囊的X射线衍射测定

采用Cu靶，在40kV的管电压下，温度扫描范围为5～30℃，步长为0.01°，扫描时间20s，取3种胶囊进行测试。

1.9 3种胶囊的电镜扫描

在高压1.0kV条件下，分别取适量的胶囊固定在贴有导电胶带的样品台，离子溅射仪开始喷金5min，用扫描电镜观测其外部形态变化。

1.10 胶囊膜脆碎度测定

胶囊膜脆碎度的测定参照文献[13]的方法测定。

表1 甘油的添加量对胶囊表观的影响

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1甘油的添加量对胶囊表观和脆碎性的影响

甘油的添加量对胶囊的表观见表1和脆碎性评分见图1。

2.1.2 结冷胶的添加量对胶囊膜强度的影响

不同质量的结冷胶对胶囊膜强度结果见图2。由图2可知，膜强度随结冷胶的增加先升高后降低的变化趋势，当结冷胶的量为0.45g时，膜强度达最大值(19.3MPa)，超过0.45g，膜强度有所下降，其原因是结冷胶的比例越大，凝胶时间较快，不易控制粘胶的速度，得到的膜强度有所下降。因此，选取结冷胶添加量为0.45g、0.55g、0.65g 进行正交实验。

图1 甘油的添加量对胶囊脆碎性的影响(n=5) 图2 不同质量的结冷胶对胶膜强度的影响

粘胶温度对胶囊溶胶黏度的影响结果见图3。由图3可知，溶胶的黏度随着粘胶温度升高而增大，这是由于温度越低，淀粉的粘度越大，溶胶的黏度也越小，在45℃时溶胶黏度达最大值，因此,考虑粘胶的温度分别为35℃ 、40℃、45℃进行正交实验。

图3 粘胶温度对溶胶黏度的影响

2.1.3 粘胶温度对胶囊溶胶黏度的影响

2.2 正交实验分析

2.2.1 正交实验设计

据单因素基础数据，影响胶囊性能的主要因素有透水性、强度及粘度等，故选择甘油(A)、结冷胶(B)、粘胶温度(C)为考察因素，各取3水平进行L9(34)正交实验[12]，考察其对胶囊综合质量(脆碎性评分)的影响，因素和水平见表2。

表2 正交设计的因素和水平

2.2.2 正交实验结果

以甘油(A)、结冷胶(B)、粘胶温度(C)为考察因素进行正交实验的结果见表3。

表3 正交实验结果

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。极差分析表明，各因素对胶囊质量的影响程度 依序为A>C>B，最优工艺条件为A2B1C3，即甘油的含量0.83%和结冷胶的含量0.53%，沾胶温度为45℃。

2.3 验证实验

为验证工艺组合A2B1C3是否最佳，进行5次平行实验。在A2B1C3组合工艺条件下，制备氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊膜表观和脆碎性最好，平均脆性评分为75.3，相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)为0.77%，说明正交实验的结果是可靠的。

2.4 胶囊崩解时限结果

崩解时限的测定结果见表4。

表4 3种不同胶囊的崩解性

由表4可知，混合淀粉胶囊在1min后产生变形，在8min时开始出现裂纹，10min时开始崩解出现碎片。氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊在1min时出现变形，在6min时开始出现裂纹，在8min时开始崩解出现碎片。而明胶胶囊在3min时产生变形，在6min时开始出现裂纹，在8min时开始崩解出现碎片。由此可知，混合淀粉胶囊和羟丙基醋酸酯淀粉胶囊均为刚开始出现变形，而明胶胶囊3min后出现变形，这是由于淀粉的亲水能力强，刚接触到溶液就会变软。羟丙基醋酸酯淀粉胶囊比混合淀粉胶囊容易崩解，与明胶胶囊很相近。

2.5 3种胶囊的吸潮性

胶囊壳水分含量的高低会直接影响药品的质量、稳定性和使用期限。控制好胶囊壳的水分含量至关重要。根据算式，算出3种胶囊膜的吸水率[18-19]，结果见图4。

由图4可知，随着时间延长，3种膜含水量均有所增加，在8h内混合淀粉胶囊和羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的含水量增加较明显，明胶胶囊膜增加较缓慢，16h后，3种胶囊膜的含水量基本上达到平衡，此时，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的吸水性为2.67%，混合淀粉胶囊为3.64%，明胶胶囊为2.00%，可知羟丙基醋酸酯淀粉胶囊与明胶胶囊的吸潮性基本类似，而混合淀粉胶囊的吸潮性很大，这是由于改性后淀粉胶囊膜的结构致密，吸水性略有降低。

2.6 胶囊热稳定性

热重法是测量物质质量与温度之间关系的方法[20-21]。2种淀粉胶囊和明胶胶囊的热重变化曲线见图5。

由图5可知，在小于230℃的前面3种胶囊的质量均缓慢减少；在大于230℃的面后羟丙基醋酸酯淀粉胶囊质量开始迅速下降，达到240℃后混合淀粉胶囊质量开始迅速下降，超过250℃后明胶胶囊的质量开始迅速下降，且明胶胶囊的失重速率最慢，而羟丙基醋酸在淀粉胶囊失重速率最快，混合淀粉胶囊次之。500℃后3种胶囊的质量几乎不再变化，明胶的残留物最多，混合淀粉的残留最少，羟丙基醋酸酯淀粉胶囊次之，由此可知，明胶胶囊的热稳定性最好，2种淀粉胶囊的热稳定性差别不大。

图4 3种不同胶囊的吸潮性 图5 3种胶囊的热分析曲线

2.7 3种胶囊的X-射线衍射

注：a氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊； b混合淀粉胶囊； c明胶胶囊 图6 3种胶囊的XRD结果

采用 X-射线衍射分析，在衍射曲线中结晶区对应着尖峰衍射特征，而无定形区对应着弥散衍射特征[22]。3种胶囊的 X-射线衍射图(图6)。

由图6可知，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊在2θ为21.64°、24.06°和26.28°的位置衍射峰最强，混合淀粉胶囊在2θ为21.7°的位置衍射峰最强，而明胶胶囊在2θ为21.93°和25.83°的位置处衍射峰最强，在24.33°和27.12°的位置衍射峰弱，酯化淀粉没有改变淀粉的晶型，可能是酯化反应主要发生在淀粉结构的无定形区，与甘油和结冷胶结合，为淀粉成膜提供了更大的空间，从而得出氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的晶型结构和明胶胶囊的晶型结构相似，空间结构也相近。由此可知，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊有望替代明胶胶囊。

2.8 3种胶囊的电镜扫描

电镜扫描法是对颗粒形貌的进行观察分析，3种胶囊的具体分析图像见图7。

由图7可知,明胶胶囊的表面光滑，透明性好。氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的表面光滑，无明显孔洞，透明性好。混合淀粉胶囊表面凹凸不平，且有明显孔洞。比较三组电镜图的对，可以看出，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的表面光滑度和明胶很相似，混合淀粉胶囊的表面不好，且有明显孔洞，从外貌看，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊与明胶胶囊表观差不多[22]。

注：a明胶胶囊；b氧化羟丙基醋酸酯新粉胶囊；c混合淀粉胶囊 图7 3种胶囊的电镜扫描图

3 结 语

本研究以氧化羟丙基淀粉为原料，醋酸酐为酯化剂，制备氧化羟丙基醋酸酯淀粉，并将其制备成淀粉胶囊，在单因素实验基础上，通过正交试验优化其制备工艺，得到羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的最佳配方为：新型氧化羟丙基乙酸酯淀粉的质量分数为9.5%，0.83%的甘油和0.53%的结冷胶，粘胶温度为45℃。通过对3种胶囊性能的对比可知，氧化羟丙基醋酸酯淀粉胶囊的性能优于混合淀粉胶囊，与明胶胶囊相当。该工艺条件下制得的淀粉胶囊有望取代明胶胶囊，这为以后淀粉胶囊取代明胶胶囊提供理论根据。