绿豆淀粉/纤维素纳米晶胶囊壳的制备及表征

陈启杰，赵雅兰，踪张扬，张 朋，王 凤，谢琼华，王建辉

（1 长沙理工大学化学化工学院 长沙 410076 2 长沙理工大学食品与生物工程学院 长沙 410076）

硬胶囊作为胶囊剂的药用辅料用于掩盖药物的异味，已成为现代医药和功能食品的重要包装，具有生物利用度高、肠胃崩解快、载药稳定性好和药物定位释放能力强等优点[1]。目前，我国国内药用和保健食品用空心胶囊产量约为5 500 亿粒，其中国内市场需求总量约为5 000 亿粒，表明我国对空心胶囊的需求很大。目前大部分药用和保健食品用空心胶囊的主要成分是明胶、甘油和水。传统制备胶囊所用明胶主要是动物明胶，因其具有黏度高、成膜性好的优点而被用于胶囊壳原材料[2]。

原材料价格较高以及明胶胶囊的缺点，比如动物源性成分、较低的软性温度和明胶在水中的不稳定性，使得人们尝试寻找动物明胶的替代物。随着“疯牛病”和“毒胶囊”事件的发生，人们对从牛、猪和其它动物的骨头中提取出来的明胶产生某种不安全感。动物源性的明胶胶囊对一些特殊人群也存在一定的限制，例如穆斯林和素食主义者等。由于来源和制备方法的不同，明胶的结构和组成不同，明胶胶囊的溶出度不能得到很好的控制，容易发生交联反应而影响胶囊的质量[3]。开发低成本的非明胶共混物，利用传统工艺生产胶囊，克服明胶产品的不足，已成为更多研究者关注的方向。

淀粉是最丰富的天然生物聚合物之一，由葡萄糖聚合而成，一般由直链淀粉和支链淀粉组成。近些年来，由于淀粉具有的低成本、良好的成膜性、可生物降解性、绿色环保、可再生等特点，引起生物基胶囊壳领域的关注。Zhang 等[4]在淀粉和纤维素上接枝羟丙基基团，改善了羟丙基淀粉（HPS）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）的相容性，通过添加聚乙二醇作为增塑剂和增容剂，采用浸渍法制备出HPMC/HPS 胶囊壳。Oladzadabbasabadi等[5]以变性西米淀粉和κ-卡拉胶为原料制备复合薄膜作为药用胶囊中的明胶替代品，复合薄膜的干燥动力学和力学性能与明胶膜相近，透气性和含水率低于明胶，溶解度高于明胶，且在较高的相对湿度下复合膜的稳定性优于明胶膜。绿豆淀粉（MBS）是由绿豆经水浸涨、磨碎后，沉淀而成的粉末，具有吸水性小、抗菌、抑菌，色洁白且有光泽等特点，其直链淀粉含量达40.44%～41.82%，是一种良好的成膜原料[6]。纤维素纳米晶（CNC）是由天然纤维素制备而成，是由一种平均长度100～400 nm，直径5～10 nm 的高晶棒状颗粒组成，具有许多独特的性能，如高强度、高纵横比、高比表面积、低密度等。

本文以绿豆淀粉为原料，以纤维素纳米晶为增强剂，辅以甘油和卡拉胶作为增塑剂和胶凝剂，通过流延法和浸渍法分别制备MBS/CNC 胶囊膜和其对应的胶囊壳，研究胶囊的相关性能，并采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等对其进行表征，为淀粉基胶囊壳的制备提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 原料

绿豆淀粉，新乡良润谷物食品有限公司；纤维素纳米晶，天津市木精灵生物科技有限公司提供；甘油、吐温-80、HCl、KBr，国药集团化学试剂有限公司；κ-卡拉胶，购自山东优索化工科技有限公司；胃蛋白酶，上海展云化工有限公司。

1.2 设备与仪器

HH-2 数显恒温水浴锅，天津市塞得利斯实验分析仪器制造厂；JJ-6 数显直流恒速搅拌器，金坛市医疗仪器厂；GZX-9076 MBE 数显鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；DZF-6050 真空干燥箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；UP-400S 超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；DV-Ⅱ+Pro Brookfield 数字粘度计，美国Brookfield 公司；5202 电子数显千分尺，上海思为仪器制造有限公司；KT-300 切割仪，杭州轻通博科自动化技术有限公司；WZL-300B 卧式电脑拉力仪，杭州轻通博科自动化技术有限公司；TU-1080 紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；LB-2D 崩解时限测定仪，上海黄海药检仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 绿豆淀粉/纤维素纳米晶（MBS/CNC）凝胶溶液的制备 称取5 g 的绿豆淀粉于锥形瓶中，加入100 g 蒸馏水和不同用量（0%，2%，4%，6%，8%，基于MBS 质量）的CNC 摇匀，同时滴加30%（基于MBS 质量）的甘油于悬浮液中，在90 ℃水浴锅中先高速 （560 r/min） 搅拌30 min，后低速（260 r/min）搅拌30 min，直至获得均一、半透明状的MBS/CNC 凝胶溶液。

1.3.2 绿豆淀粉/纤维素纳米晶（MBS/CNC）胶囊膜的制备 将MBS/CNC 凝胶溶液室温静置冷却至55 ℃，然后将凝胶溶液通过流延法倒在直径为150 mm 的聚丙烯（PP）培养皿上。将流延好的胶囊膜转入45 ℃的真空干燥箱中干燥18 h，得到了不同用量CNC 的MBS/CNC 胶囊膜。制备的复合膜平均厚度为0.18 mm 左右。其中，MBS/CNC-0、MBS/CNC-2、MBS/CNC-4、MBS/CNC-6 和MBS/CNC-8 分别代表着CNC 含量为0%，2%，4%，6%和8%时的MBS/CNC 胶囊膜。

1.3.3 绿豆淀粉/纤维素纳米晶（MBS/CNC）胶囊壳的制备 MBS/CNC 凝胶溶液中添加卡拉胶（1.5 g/100 g）作为凝胶剂，继续在90 ℃温度下以800 r/min 的转速搅拌2 h，将其在60 ℃下养胶30 min，即可得到成壳凝胶溶液。利用浸渍法将不锈钢模具浸入凝胶溶液中8 s，然后在60 ℃的烘箱中烘干可获得MBS/CNC 胶囊壳，干燥时间为30 min左右，最后进行脱壳裁剪即可得到MBS/CNC 胶囊壳（图1），保存备用。

图1 MBS/CNC 胶囊壳的制备流程图Fig.1 The preparation process of MBS/CNC capsule

1.3.4 MBS/CNC 成膜/成壳凝胶溶液黏度测量 采用Brookfield 数字粘度计对凝胶溶液进行黏度测量。将转子浸入到凝胶溶液中并开始转动，使凝胶溶液和转子达到热平衡后读取记录数据。由于绿豆淀粉的黏度特性，对于成膜凝胶溶液的黏度测量，从90 ℃开始每下降5 ℃记录一个黏度值，直至下降到55 ℃为止。对于成壳凝胶溶液，测定从90 ℃到60 ℃，每下降5 ℃的对应黏度值。

1.3.5 拉伸强度 将CNS/CNC 胶囊膜裁剪成15 mm×100 mm 的长条，放入干燥器中平衡水分24 h。然后在卧式电脑拉力仪上按照ASTM 标准方法对其进行拉伸强度（TS）的测定。平行测试5 次，取其平均值。

式中，TS——拉伸强度，MPa；F——抗拉力，N；A——横截面积，m2。

1.3.6 透明度 将MBS/CNC 胶囊膜裁剪成长方形紧贴在比色皿一侧，以蒸馏水为对照组，采用紫外-可见分光光度计在波长650 nm 处测试膜的透光率。平行测试3 次，取其平均值。

式中，T——透光率，%；A——吸光度。

1.3.7 干燥失重（LD） 根据《中国药典》（2015）方法研究了MBS/CNC 胶囊壳的干燥失重损失。称取约1.0 g（精确至0.1 mg）的胶囊壳置于干燥的恒重瓶中，然后将其放在105 ℃的干燥箱中干燥6 h。干燥后，将胶囊壳在干燥器中冷却至室温，并准确称量。

式中，Wundried——干燥前总质量，g；Wdried——干燥后总质量，g。

1.3.8 崩解时限 通过崩解时限测定仪按照《中国药典》（2015）方法，在去离子水或者模拟人工胃液中测定MBS/CNC 胶囊壳的崩解时间。

1.3.9 FTIR 分析 采用真空光谱仪来测定MBS/CNC 胶囊壳的红外光谱。在钨灯的照射下，将干燥的样品和KBr（约1∶100，质量比）混合研磨成粉末，并通过压片机压成透明薄片。光谱范围为4 000～400 cm-1，分辨率为2 cm-1。

1.3.10 XRD 分析 采用X-射线衍射仪测记录MBS/CNC 胶囊的X-射线衍射图谱。其中，X-射线源为Cu-Kα 线，2θ 扫描范围为5°～90°，扫描速度为3°/min。利用MDI Jade 和Origin 软件对XRD曲线进行处理。结晶度参考公式（4）进行计算：

式中，CI——结晶指数，%；I002——002 结晶衍射峰的强度，a.u.；IAM——无定形衍射峰的强度，a.u.。

1.3.11 SEM 分析 采用场发射扫描电子显微镜对MBS/CNC 胶囊的形貌进行了分析。将1 cm×1 cm 的样品置于LEICA EM SCD 500 中进行镀金，并在加速电压为10.0 kV 时在扫描电镜中进行观察。

2 结果与分析

2.1 MBS/CNC 成膜/成壳凝胶溶液的黏度分析

凝胶溶液的黏度对成膜/成壳过程有直接的影响。对于成膜操作，黏度过高，在流延法的过程中薄膜厚度不易均匀，难于成型。对于成壳操作，黏度过低，则成壳过程中凝胶溶液不易挂在模具上，难以成壳；黏度过高，浸渍法的过程中凝胶溶液在模具上蘸胶不均匀，成壳均匀性差。图2为不同温度下MBS/CNC 成膜/成壳凝胶溶液黏度的变化曲线。由图2a 可知，随着CNC 用量的增加，成膜凝胶溶液黏度有所增加，溶液的黏度都随温度的降低逐渐增大，当CNC 用量大于4%，CNC 用量的增加对MBS/CNC 成膜凝胶溶液黏度的影响不大，且在65～90 ℃，溶液黏度随温度影响很小，溶液黏度较稳定。

由于成膜溶液的黏度较低，不能满足浸渍法蘸胶工艺，需在成膜溶液中加入一定量的卡拉胶胶凝胶，提高绿豆淀粉基溶液黏度。从图2b 可以看出，卡拉胶的加入，显著提高了MBS/CNC 溶液的黏度，随着CNC 用量的增加，MBS/CNC 成壳凝胶溶液的黏度逐渐增加，在90 ℃、CNC 用量8%时，成壳凝胶溶液黏度从1.21 Pa·s 提高到3.12 Pa·s，提高了157.9%，经大量的蘸胶试验操作，选定了成壳凝胶溶液65 ℃下养胶0.5 h 然后通过浸渍法制备胶囊壳，此时成壳凝胶溶液的黏度范围为1.95～3.85Pa·s。

图2 不同温度下成膜凝胶溶液（a）和成壳凝胶溶液（b）黏度的变化曲线Fig.2 The viscosity variation curves of film-forming gel solutions （a） and capsule-forming gel solutions （b）at different temperature

2.2 拉伸强度

纤维素纳米晶由于其独特的纳米特性，在作为复合材料增强剂时表现出优异的性能。胶囊膜的拉伸强度在一定程度上也反映对应胶囊壳的力学性能。图3为不同CNC 用量对绿豆淀粉基胶囊膜拉伸强度的影响，由图可以看出，CNC 可以明显改善MBS/CNC 胶囊膜的拉伸强度，随着CNC 用量的增大，MBS/CNC 胶囊膜的拉伸强度呈现先升高后降低的趋势。与未添加CNC 的胶囊膜相比，添加了CNC 的胶囊膜的拉伸强度都提高了。这是因为CNC 表面富含羟基，为刚性分子链，表面自由能大，与绿豆淀粉有着较强的表面结合力，相互结合形成氢键，使MBS/CNC 胶囊膜的拉伸强度得到提高，这与Fazeli 等[7]的研究结果一致。当CNC用量为6.0%，MBS/CNC 胶囊膜的拉伸强度达到最大值，为15.61 MPa，增加了175.2%。当CNC 用量为8.0%时，胶囊膜的拉伸强度有所下降，这可能是由于CNC 用量的增加，产生了自聚集的现象，从而使MBS/CNC 胶囊膜拉伸强度下降。

图3 CNC 用量对MBS/CNC 胶囊膜拉伸强度的影响Fig.3 Effects of CNC content on the tensile strength of MBS/CNC capsule-film

2.3 透明度

透明度是胶囊壳的一个重要的光学特性，一般常用透光率来表示，透明度一定程度上也反映制备胶囊壳原料间的相容性。如果原料之间相容性好，则胶囊壳表现出高透光率，反之则表现出低透光率。胶囊壳的透明度也决定了装载药物的种类，有些特殊药物要求胶囊壳具有一定的透明度。图4为不同用量CNC 对MBS/CNC 胶囊膜透明度的影响，由图可以看出，当不添加CNC 时，MBS/CNC-0 胶囊膜的透光率为90.78%，随着CNC 用量的增加，MBS/CNC 胶囊壳的透光率在一定程度上略微下降。当CNC 用量为6.0%，MBS/CNC-6 胶囊膜的透光率为83.5%，这可能是由于CNC 纳米颗粒的光散射性而影响了胶囊壳的透光率。MBS/CNC 胶囊膜的透光率均高于80%，表明MBS 和CNC 具有很好的相容性。

图4 CNC 用量对MBS/CNC 胶囊膜透明度的影响Fig.4 Effects of CNC content on the transparency of MBS/CNC capsule-film

从图5和图6可以看出，MBS/CNC 具有很好的成膜性和成壳性，MBS/CNC 胶囊膜和胶囊壳均为无色透明且有光泽，说明MBS 与CNC 相容性好，为绿豆淀粉制备高质量淀粉基胶囊壳提供了依据。

图5 不同CNC 用量的MBS/CNC 胶囊膜照片Fig.5 The photos of the MBS/CNC capsule-film with different CNC content

图6 不同CNC 用量的MBS/CNC 胶囊壳照片Fig.6 The photos of the MBS/CNC capsules with different CNC content

2.4 干燥失重

胶囊壳的干燥失重是衡量胶囊壳质量的一个重要因素，与胶囊壳的性能、使用、保存等有着密切的关系，干燥失重太低会导致胶囊壳易脆碎开裂，干燥失重太高则影响胶囊壳的使用，降低保质期限。参考中国药典2015 版的规定，胶囊壳的干燥失重率范围应为12.5%～17.5%。表1为MBS/CNC 胶囊壳的干燥失重，由表可以看出，不同用量CNC 的MBS/CNC 胶囊壳的干燥失重相差不大，均处于14.14%～14.99%之间，符合中国药典2015 版的规定，表明绿豆淀粉和CNC 凝胶溶液在优化的工艺下，能制备出干燥失重满足要求的淀粉基胶囊壳。

表1 MBS/CNC 胶囊壳的干燥失重Table 1 The loss on drying of the MBS/CNC capsules

2.5 崩解时限

胶囊壳的崩解时限是其在食用过程中的一个重要参数，它直接影响胶囊壳内药物载体释放的时机，且在药物载体作用完后，胶囊壳的完全可降解也很重要，这会直接影响到人体的健康状况。MBS/CNC 胶囊壳因其原料为绿豆淀粉和纤维素，是一种绿色生物可降解的胶囊壳。表2为MBS/CNC 胶囊壳在蒸馏水和模拟人工胃液中的崩解时限，由表可以看出，相比于在蒸馏水中崩解，胶囊壳在模拟人工胃液中的崩解时限更快一些，且在14 min 之内可以完全溶解。随着CNC 用量的增加，与之对应的胶囊壳的崩解时限会有一定的延长，这是由于CNC 表面自由能高易聚集，使得相互缠绕增加了阻碍崩解的动力，随着CNC 用量的增加，阻碍崩解的阻力随之增加，导致崩解时限的增加。中国药典2015 版规定了胶囊壳的崩解时限最大为30 min，表中数据表明MBS/CNC 胶囊壳的崩解时限均满足药典要求，可用作胃溶性胶囊。

表2 MBS/CNC 胶囊壳的崩解时限Table 2 The disintegration time of the MBS/CNC capsules

2.6 FTIR 分析

图7为不同用量CNC 的MBS/CNC 胶囊壳的红外图谱，从图可以看出，MBS/CNC 胶囊壳试样在3 410 cm-1附近均有一个极强且宽的吸收峰，这主要是葡萄糖单元中O-H 键的伸缩振动峰；在2 940 cm-1附近出现了一个中等强度的吸收峰，主要是葡萄糖环上-CH 基团的对称振动峰；在1 650 cm-1附近出现的吸收峰为淀粉中吸附水的无定形区域的伸缩振动峰[8]。当添加CNC 后，MBS/CNC胶囊壳在1 380，1 080 cm-1和1 030 cm-1附近出现吸收峰，分别对应纤维素纳米晶的-CH2剪切振动峰、纤维素纳米晶吡喃环上O-C 和C-O-C 的伸缩振动峰。882 cm-1处为纤维素纳米晶β-1，4-苷糖中的C-H 特征吸收峰[9]。此外，2 910 cm-1处是甘油的特征吸收峰，甘油的羟基与绿豆淀粉的羟基通过氢键链接，可以提高淀粉分子链的流动性，一定程度上改善了淀粉胶囊膜和胶囊壳的柔韧性。FTIR 表明绿豆淀粉与CNC 之间没有发生化学反应生成新的化学物质，而是以共混溶液的形式结合，仍保留各自的特征吸收峰。

图7 MBS/CNC 胶囊壳的FTIR 图Fig.7 FTIR spectra of the MBS/CNC capsules

2.7 XRD 分析

不同CNC 用量的MBS/CNC 胶囊壳的XRD衍射图谱如图8所示，由图可以看出，MBS/CNC胶囊壳的XRD 在2θ=20°左右都出现了一个宽的衍射峰，这是绿豆淀粉的无定形区[10]，相对于MBS/CNC-0 的衍射图谱，添加CNC 的MBS/CNC胶囊壳在2θ=23°附近出现了一个明显的尖锐衍射峰，且随着CNC 用量的增加愈加尖锐，这是纤维素纳米晶的X-射线特征衍射峰，且在2θ=34°附近出现了一个较弱衍射峰，这是天然纤维素典型的I型结构[11]。从表3的结晶指数来看，MBS/CNC-0 胶囊壳的结晶指数为32.10%，随着CNC 用量的增加，对应胶囊壳的结晶指数随之增加。当CNC 用量为6%时，MBS/CNC-6 胶囊壳的结晶指数为43.30%，提高了34.9%，表明CNC 的加入提高了MBS/CNC 胶囊壳共混体系的结晶度。

图8 MBS/CNC 胶囊壳的XRD 图Fig.8 X-ray diffraction patterns of the MBS/CNC capsules

表3 不同CNC 用量的MBS/CNC 胶囊壳的结晶指数Table 3 The crystallinity index of the MBS/CNC capsules with different CNC content

2.8 SEM 分析

不同用量CNC 的MBS/CNC 胶囊壳的SEM如图9所示，由图可以看出，未添加CNC 的胶囊壳（图9a）表面光滑无杂质、比较平整，添加CNC之后的胶囊壳（图9b～e）整体上表面较为平整，结构紧凑，表明MBS 和CNC 都是连续相且相容性比较好。然而，当CNC 含量过高时表面会出现少量小颗粒，这可能是由于随着CNC 用量的增加，部分CNC 很容易在MBS 的表面与其形成氢键，相互吸引引发自聚集的现象[12]。结合前面的研究结果，综合CNC 不同用量的SEM 图，MBS/CNC-6胶囊壳具有较好的性能，是一种较好的绿豆淀粉基胶囊壳。

图9 MBS/CNC 胶囊壳的SEM 图Fig.9 SEM of the MBS/CNC capsules

3 结论

以绿豆淀粉和纤维素纳米晶为原料，辅以甘油和卡拉胶分别作为增塑剂和胶凝剂，采用浸渍法制备了新型MBS/CNC 淀粉基胶囊壳。温度和CNC 用量均对MBS/CNC 成膜/成壳凝胶溶液黏度有一定的影响。CNC 作为增强剂有效提高了绿豆淀粉基胶囊膜的拉伸强度，当CNC 用量为6.0%时，绿豆淀粉基胶囊膜的拉伸强度为15.61 MPa，增加了175.2%。绿豆淀粉与CNC 之间没有发生化学反应生成新的化学物质，而是以共混溶液的形式结合，仍保留各自的特征吸收峰。MBS/CNC胶囊壳成膜平整光滑，相容性好，CNC 的加入提高了MBS/CNC 胶囊壳共混体系的结晶度。MBS/CNC胶囊壳的干燥失重率处于14.14%～14.99%之间，且在蒸馏水和模拟人工胃液中的崩解时限为14 min 以内，均符合《中国药典》（2015）的规定要求。绿豆淀粉和纤维素纳米晶为原料制备淀粉基胶囊壳具有广阔的应用前景。