瓊脂/麥芽糊精緩釋硬膠囊的制備、表征及其體外釋放

宋作會，侯漢學，王文濤，張錦麗

（山東農業大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018）

速釋膠囊服用后瞬時大劑量的釋放會導致轉運載體瞬間飽和，致使大量的水溶性營養素和藥物無法被吸收，不但達不到治療效果，而且還造成很大浪費。緩釋制劑可以延長藥物在體內的滯留時間，降低給藥的頻率，可大大提高患者的依從性，提高營養素和藥物的生物利用度。因此，將營養素和藥物制備成緩釋制劑在療效和便利上具有較大優勢[1]。目前常用的緩釋制劑主要采用微膠囊的方法，但緩釋微膠囊壁材及其制備方法等均影響微膠囊粒子的滲透性、溶解性、緩釋效果等性能，且微囊化過程中會導致部分活性物質的損失[2]，故針對不同活性成分需要制定不同的微囊化工藝。緩釋硬膠囊同樣具有延緩藥物或營養素在體內代謝的功能，并且應用廣泛，節省開發和生產成本。

目前，大多數研究以涂層法制備緩釋硬膠囊。Yang等[3]用 滲 透 性 不 同 的Eudragit?RS PO和Eudragit?RL PO通過靜電干粉涂覆和浸涂法制備緩釋硬膠囊，兩種方法制備的緩釋硬膠囊具有相似的持續釋放行為。但是，該緩釋硬膠囊的原料價格高，制備工藝較為復雜。Bhatt等[4]通過浸涂法用再生纖維素制備緩釋硬膠囊并評價了緩釋硬膠囊的釋藥特性，結果表明，該膠囊持續釋放時間較短，且其原料提取較為復雜，制備工藝較為繁瑣。

將廣泛使用的原料麥芽糊精與瓊脂復配制備緩釋硬膠囊，利用瓊脂的穩定性和麥芽糊精的水溶性，可以降低混合膠液的黏度，同時降低了以瓊脂為單一壁材制備的硬膠囊的成本。瓊脂是一類以半乳糖為主要成分的高分子多糖[5]，不溶于冷水，在人體內難以被消化吸收[6]，具有良好的成膜性、穩定性、凝膠性能[7]。Zhao等[8]利用瓊脂和卡拉膠制備水凝膠包埋藥物，結果表明其具有良好的緩釋作用。程文健等[9]利用瓊脂和麥芽糊精制備微膠囊包埋油脂，結果表明，單獨使用瓊脂制備的膜材料斷裂伸長率較低，黏度較大，而將瓊脂和麥芽糊精復配可以提高復合膜的柔韌性，瓊脂/麥芽糊精微膠囊在低溫下具有較好的緩釋效果。麥芽糊精是一類經酸或酶部分水解，DE值在20以下的淀粉不完全水解產物[10]，易溶于水，黏度較低。

本文采用蘸膠法制備不同比例的瓊脂/麥芽糊精緩釋硬膠囊，通過質構、黏度和流變等分析表征其理化指標，利用掃描電鏡（SEM）和紅外光譜（FTIR）研究瓊脂和麥芽糊精之間的相互作用，旨在探索不同比例的瓊脂/麥芽糊精對膠液和膠囊性能的影響；將水溶性藥物阿莫西林作為模型藥物，通過體外消化模擬實驗，分析瓊脂/麥芽糊精膠囊釋放特性，評價瓊脂/麥芽糊精膠囊的緩釋效果以為開發制備緩釋硬膠囊的新材料做理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

瓊脂 食品級，浙江伊藻技術有限公司；麥芽糊精 食品級，山東西王食品有限公司；甘油 分析純，天津市凱通化學試劑有限公司；吐溫80 食品級，山東青島烏索夫技術有限公司；液體石蠟 食品級，韓國蔚山化學有限公司；阿莫西林 分析純，索萊寶試劑有限公司；胃蛋白酶（≥2500 U/mg）、胰酶（8 USP）、膽鹽 色譜純，Sigma-Aldrich公司；1#膠囊模具 上海紅星膠丸有限公司。

TA.XT Plus質構儀 北京微訊超技儀器技術有限公司；DVS+黏度計 廣東東南科創科技有限公司；ZB-1D智能崩解時限儀 天津市精拓儀器科技有限公司；UA-8000紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；MCR102流變儀 奧地利Anton Paar股份有限公司；QUANTA FEG 250掃描電子顯微鏡 美國FEI公司；Nexus 670傅里葉紅外光譜分析儀 美國Thermo Fisher Scientific公司；WTS-031水浴恒溫振蕩器 上海赫田科學儀器有限公司；IKA Ultra Turrax T18數字均質機 上海楚柏實驗室設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 瓊脂/麥芽糊精膠液的制備 將瓊脂/麥芽糊精以100:0、90:10，80:20、70:30、60:40、50:50、40:60的比例（w/w）配制成6%（w/v）的膠液400 mL，在95 ℃水浴中以300 r/min的速度攪拌1 h，隨后加入30%的甘油（占瓊脂/麥芽糊精質量），繼續攪拌30 min。然后用數字均質機以12000 r/min的速度均質2 min。在60 ℃下保溫30 min除盡氣泡，備用。

1.2.2 體外消化模擬液的制備 模擬胃腸消化過程參考Minekus等[11]的方法，略作修改。模擬胃液和腸液電解質儲備液的配方見表1。

表1 模擬胃液和腸液電解質儲備液Table 1 Preparation of electrolyte stock solutions for simulated gastric fluid and simulated intestinal fluid

胃模擬液的制備：將200 mL去離子水和160 mL模擬胃液電解質儲備液混合后，用6 mol/L HCl溶液調節pH至3.0。再加入以模擬胃液電解質儲備液為溶劑制備的豬胃蛋白酶液10 mL，混勻后立即加入100 μL CaCl2溶液（0.3 mol/L），最后用去離子水補充體積至400 mL。

腸模擬液的制備：分別將模擬胃消化3 h后200 mL樣品和85 mL模擬腸液電解質儲備液混合，用1 mol/L NaOH溶液調節pH至7.0，再加入以模擬腸液電解質儲備液為溶劑制備的胰酶液50 mL、25 mL膽汁，混勻后加入400 μL CaCl2溶液（0.3 mol/L），最后用去離子水補充體積至400 mL。

結腸模擬液的制備：準確稱取5.59 g磷酸氫二鉀和0.41 g磷酸二氫鉀，溶于1000 mL蒸餾水中即可（pH7.8）。

1.2.3 瓊脂/麥芽糊精膠液的凝膠強度和黏度的測定

將不同比例瓊脂和麥芽糊精膠液30 mL分別倒入50 mL的燒杯中密封，4 ℃下放置8 h后采用質構儀（P/0.5型探頭）測定瓊脂/麥芽糊精凝膠破裂時所需要的最大力，即凝膠強度。測試條件為測前速度3 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度3 mm/s，壓縮距離1.5 cm，觸發力5 g[12]。將不同比例瓊脂/麥芽糊精膠液倒入燒杯中，通過黏度計在65 ℃下測定黏度。

1.2.4 瓊脂/麥芽糊精膠液的靜態流變學測定 將不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠液分別置于旋轉流變儀的樣品臺，選擇ф50 mm平行板（板間距1.0 mm）測量系統，剪切速率為0.1～100 s-1，溫度為65 ℃進行測定瓊脂/麥芽糊精膠液的剪切黏度和剪切應力，并用Power law模型對剪切應力進行擬合。

式中：σ—剪切壓力（Pa）；γ—剪切速率（1/s）；K—稠度系數（Pa.sn）；n—冪律指數（流動行為指數）。

將不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠液分別置于旋轉流變儀的樣品臺上，采用兩步Steady State Flow程序使剪切速率先從0.1 s-1增加到100 s-1，之后立即以同樣的剪切速率從100 s-1下降到0.1 s-1，測定瓊脂/麥芽糊精膠液的觸變性。

1.2.5 瓊脂/麥芽糊精硬膠囊的制備 按照1.2.1膠液的制備方法，將400 mL膠液在65 ℃水浴中保溫脫氣40 min。采用膠囊模具進行蘸膠，蘸膠后迅速翻轉5次，使得膠液在模具表面分布均勻。制備的樣品置于40 ℃下干燥2 h。定型后的膠囊逐一從模具上進行脫模、裁剪、套合，并最終得到空心膠囊的囊殼。

1.2.6 瓊脂/麥芽糊精硬膠囊的紅外光譜測定 將瓊脂/麥芽糊精硬膠囊直接放在樣品架上進行傅里葉紅外光譜分析。掃描范圍為400～4000 cm-1，累積掃描次數和掃描速率分別為32和4 cm-1。

1.2.7 瓊脂/麥芽糊精硬膠囊的掃描電子顯微鏡 利用掃描電子顯微鏡觀察膠囊的表面和斷面的微觀形貌，測試之前在樣品表面進行噴金處理，加速電壓為6.0 kV。

1.2.8 瓊脂/麥芽糊精膠囊的理化指標測定 根據YBX-2000-20072[13]和2010版《中國藥典》[14]測定硬膠囊的松緊度、脆碎度、干燥失重和灼燒殘渣。用精度為0.001 mm的螺旋測微器分別測定膠囊體和膠囊帽5個點的單壁厚，取均值。

1.2.9 瓊脂/麥芽糊精硬膠囊的不透明度的測定 將膜切成4×l cm大小，緊貼在比色皿內側，在600 nm波長處測定其不透明度（Op）。以空比色皿做空白對照，每組3個平行。通過公式（2）[15]計算薄膜的不透明度：

式中：A600nm為波長600 nm的吸光度；b為膜的厚度（mm）。

1.2.10 瓊脂/麥芽糊精硬膠囊的體外溶出實驗 將0.20 g阿莫西林粉末分別放入不同比例瓊脂/麥芽糊精硬膠囊中，置依次在37 ℃，轉速100 r/min下于模擬胃液、模擬腸液、模擬結腸液中模擬消化2、5、17 h。分別在0、0.5、1、2、3、4.5、6、7.5、9、10.5、12、24 h時間點處取5 mL樣液，同時及時補充相同體積的溶出介質，取出的溶出介質用0.45 μm微孔濾膜快速過濾，于272 nm處測定濾液吸光度，根據阿莫西林的標準曲線方程計算出相應的濃度，并繪制溶出曲線。（阿莫西林標準曲線：A=0.0272C+0.0093，R2=0.9996，A：吸光度，C：濃度）。藥物釋放百分率（Q）計算公式如下:

式中，Rt和L分別指初始載藥量和t時刻阿莫西林累積釋放量。

1.3 數據處理

數據采用Origin8.0和SPSS21對實驗數據進行處理，在顯著性水平α=0.05下進行分析。圖表中數據均由平均值±標準差組成，不同字母表示α=0.05水平下各試驗點具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同比例的瓊脂/麥芽糊精對凝膠強度和黏度的影響

圖1 是不同比例的瓊脂/麥芽糊精對凝膠強度和黏度的影響。由圖1可知，隨著膠液中瓊脂比例的減小，凝膠強度逐漸降低，這可能是由于瓊脂含量低時，瓊脂膠凝過程中形成的雙螺旋結晶域較少，可以供給彼此連接的結點較少，使得連接較為疏松，形成的凝膠強度較低[16]。聚合物黏度是獲得具有適當厚度、輕松地從模具上移除膠囊的關鍵[17]。從圖1整體來看，隨著麥芽糊精比例的增加，瓊脂/麥芽糊精膠液黏度降低，是由于在整個體系中黏度主要取決于瓊脂，所以隨著瓊脂含量的減少，黏度下降，有利于實現“高濃低黏”，利于蘸膠[18]。

圖1 不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠液對凝膠強度和黏度的影響Fig.1 Effects of different ratios of agar/maltodextrin gel on strength and viscosity

2.2 瓊脂/麥芽糊精混合液的靜態流變特性

2.2.1 不同比例瓊脂/麥芽糊精對膠液的剪切黏度和剪切應力的影響 不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠液的剪切黏度和剪切應力如圖2所示。由圖2可知，瓊脂/麥芽糊精膠液的黏度隨著剪切速率的增加而降低，并逐漸趨于穩定。這是由于在較低的剪切速率下，分子鏈段相互纏繞，導致膠液黏度較大，流動阻力增強，難以流暢的流動。隨著剪切應力的增大，相互纏繞的分子鏈段逐漸定向排列，流體層的流動阻力開始下降，導致黏度降低[19]。剪切應力隨剪切速率的增大而增大，表明瓊脂/麥芽糊精膠液表現為剪切變稀的假塑性流體[20]。在相同的剪切速率下，瓊脂含量低的膠液黏度更小，這可能是由于麥芽糊精的添加，破壞了瓊脂原有的完整的凝膠結構[21]，導致黏度下降，這與圖1中得到的結果相一致。

對瓊脂/麥芽糊精膠液的剪切應力擬合后得到的相關參數如表2所示。牛頓流體的流動指數n=1，假塑性流體的流動指數n＜1，且n越小，表示流體的假塑性程度越強[22]。Power law模型的擬合結果顯示，相關系數均高于0.99，具有良好的擬合效果，表明曲線與方程之間具有良好的相關性。稠度系數K代表流體的粘稠度，流動系數n代表偏離牛頓流體的程度[17]。從表2可以得出，隨著麥芽糊精比例的增加，K值逐漸減小，表明膠液流動性增加，黏度降低，n值均小于2，表明體系為假塑性流體，與圖2得出的結論相一致。而體系流動行為指數n呈現上升趨勢，這是由于麥芽糊精比例的增加，減弱了體系的假塑性程度，體系的剪切穩定性提高，這有利于膠囊的生產和應用[16]。

圖2 不同比例的瓊脂/麥芽糊精對剪切黏度和剪切應力的影響Fig.2 Effects of different ratios of agar/maltodextrin gel on the shear viscosity and shear stress

2.2.2 不同比例的瓊脂/麥芽糊精對膠液觸變性的影響 圖3是不同比例瓊脂/麥芽糊精對膠液觸變性的影響。當瓊脂/麥芽糊精膠液受到剪切作用時，內部結構遭到破壞的速度大于恢復的速度，將會導致觸變環的產生。觸變環面積越大，表明觸變性越強，越不容易恢復，即在剪切過程中內部結構破壞的越嚴重[23]。不同比例瓊脂/麥芽糊精膠液均形成觸變環，說明瓊脂/麥芽糊精膠液為粘彈性和觸變性流體[24]。由表2還可以得出，隨著麥芽糊精比例的增加，觸變環的面積逐漸減小。這表明添加麥芽糊精使得整個體系的恢復能力和抗剪切能力增大，比較容易恢復，對整個體系的觸變性產生了積極的影響[25]。

圖3 不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠液對觸變性的影響Fig.3 Effects of different ratios of agar/maltodextrin gel on the thixotropy

表2 瓊脂/麥芽糊精膠液的Power law參數Table 2 Power law parameters of agar/maltodextrin gel

2.3 不同比例的瓊脂/麥芽糊精對膠囊分子間作用的影響

通過FT-IR用來分析制備膠囊過程中發生的分子相互作用，不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠囊的紅外光譜如圖4所示。純瓊脂膠囊和添加麥芽糊精的膠囊呈現出相似的峰值，添加麥芽糊精的膠囊中沒有新的峰出現，說明沒有新的化學鍵產生，這意味著通過添加麥芽糊精未改變瓊脂的結構。圖中3300 cm-1附近較寬的吸收峰為O-H伸縮振動所致，隨著麥芽糊精比例的增加，該峰向高波數移動，表明麥芽糊精通過削弱膠囊中的氫鍵從而影響瓊脂的凝膠網絡結構[26]。2936和2879 cm-1處的峰為瓊脂鏈中烷烴基團的C-H伸縮振動吸收，1030 cm-1處有最大吸收峰為3,6-脫水-D-半乳糖的C=O伸縮振動吸收[27]。Pawlak等[28]研究認為隨著分子間相互作用的增強，特征峰的波數會隨之降低。2936、2879和1030 cm-1附近的特征峰逐漸向低波數移動，這表明瓊脂/麥芽糊精之間的相互作用增強[4]。3300和1030 cm-1處的特征峰強度隨著麥芽糊精的比例增加而降低，這可能是由于瓊脂網絡結構被破壞，導致穩定性下降[5]。

圖4 不同比例的瓊脂/麥芽糊精緩釋膠囊的FTIR 圖譜Fig.4 FTIR spectra of different ratios of agar/maltodextrin capsules

2.4 不同比例瓊脂/麥芽糊精對膠囊微觀結構的影響

利用掃描電鏡可以比較直觀地獲得共混聚合物的表觀形態[29]，圖5為不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠囊表面和橫截面的SEM圖像。不同比例下瓊脂/麥芽糊精膠囊的表面微觀結構均勻、光滑平整，不存在裂隙和小孔，所有的膠囊樣品沒有出現明顯相分離現象，表明瓊脂/麥芽糊精膠囊具有很好的相容性。從不同比例瓊脂/麥芽糊精斷面中可以看出，隨著麥芽糊精含量比例的增加，分離層數減少。瓊脂具有強凝膠結構，添加麥芽糊精后得到的結構略有褶皺。麥芽糊精吸水性較強，在高麥芽糊精體系中，干燥過程中水分的蒸發會導致網狀結構的萎縮，并導致明顯的褶皺結構[5]。

圖5 不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠囊的表面形態和斷面形態（2000×）Fig.5 Surface morphology and cross section morphology of agar/maltodextrin capsules with different ratios（2000×）

2.5 膠囊理化指標

表3 是不同比例瓊脂/麥芽糊精膠囊的壁厚、松緊度、碎脆度、干燥失重、燒灼殘渣和透明度。在相同的蘸膠條件下，隨著麥芽糊精含量的增加，膠囊壁厚會略有減小，因為添加麥芽糊精會降低膠液的黏度，與圖1得到的結論相一致[30]。用10粒裝有滑石粉的瓊脂/麥芽糊精膠囊測定松緊度，測試結果均無漏粉現象。脆碎度實驗中，按照國家藥典和國家標準規定選取50粒瓊脂/麥芽糊精膠囊進行測定，測試結果無膠囊破裂，符合標準。明膠空心膠囊的含水量一般在12.5%～17.5%之間。瓊脂/麥芽糊精膠囊的含水量明顯低于明膠膠囊。高含水量的明膠膠囊往往容易吸取內容物水分或者被內容物吸取水分，使膠囊發軟或發脆，影響藥物本身[31]。瓊脂/麥芽糊精膠囊的含水量控制在5%～9%之間，不易和內容物反應，不同性質的內容物都能保持良好的物理性質。瓊脂/麥芽糊精膠囊屬于透明膠囊，按藥典標準燒灼殘渣應小于1.5%，制備的瓊脂/麥芽糊精膠囊符合標準。

純瓊脂和瓊脂/麥芽糊精膠囊外觀整潔，沒有粘結、變形或破裂現象。不同比例瓊脂/麥芽糊精膠囊在600 nm處的不透明度如表3所示。不透明度越低，膠囊越透明。膠囊的透明度隨著麥芽糊精比例的增加而增加，是因為麥芽糖糊精小分子量填充劑改善了薄膜的透明度。瓊脂比例增加透光率降低，這是由于瓊脂分子間的氫鍵形成的雙螺旋構象使得網絡結構更緊密[32]。膠囊的透明度整體上都比較好，在一定程度上表明共混物具有良好的相容性，其結果與SEM結果相一致。

表3 瓊脂/麥芽糊精膠囊的理化指標Table 3 Physical and chemical indicators of agar/maltodextrin capsules

2.6 不同比例瓊脂/麥芽糊精對膠囊釋放度的影響

圖6 是不同比例瓊脂/麥芽糊精膠囊的釋放度。由圖6可知，不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠囊的釋放度隨著時間的延長而增加。隨著麥芽糊精比例的增加，膠囊的藥物釋放速率加快。與瓊脂相比，麥芽糊精具有更好的溶解性，從而導致膠囊持續釋放的時間更短。瓊脂/麥芽糊精膠囊具有親水性，當其與水發生接觸時,水分子向膠囊擴散進入膠囊結構中，膠囊吸水后不斷溶脹,結構變得松弛,使麥芽糊精從膠囊壁中逐漸釋放出來[33]。瓊脂/麥芽糊精比例為100:0、90:10、80:20、70:30、60:40、50:50、40:60的膠囊分別在14、12、10、9、8、7、6 h達到完全釋放。不同比例瓊脂/麥芽糊精膠囊具有不同的釋放度，可以滿足不同藥物的緩釋需求。

圖6 不同比例的瓊脂/麥芽糊精膠囊體外釋放分析Fig.6 In vitro release analysis of agar/maltodextrin capsules with different ratios

3 結論

探究了不同比例瓊脂/麥芽糊精對膠液和膠囊性能的影響。膠液黏度越低，膠囊的厚度越薄，瓊脂/麥芽糊精成功制備被制成膠囊，制備工藝簡單高效，膠囊光滑，無粘結、變形或破裂現象。添加麥芽糊精顯著降低了混合膠液的黏度，減小了瓊脂/麥芽糊精膠液的觸變性和假塑性。SEM表明瓊脂和麥芽糊精具有良好的相容性，即使在麥芽糊精含量高達60%的混合物中，也具有相容的微觀結構和連續相，因此可以生產出比較好的膠囊。通過體外消化實驗證明，瓊脂/麥芽糊精硬膠囊緩釋性能良好，可有效延長阿莫西林的釋放。不同比例瓊脂/麥芽糊精硬膠囊具有不同的緩釋時間，可以根據營養素和藥物釋放時間的需要，調控瓊脂/麥芽糊精比例。因此，瓊脂/麥芽糊精有望成為制備緩釋膠囊的新型材料。

本研究制備的瓊脂/麥芽糊精硬膠囊緩釋性能良好，但僅限體外消化模擬實驗。后續將進行高溫、高濕環境下膠囊穩定性的研究，以明確膠囊的保質期。并選用多種不同模型營養物質和藥物，進行動物試驗、藥理學及毒理學試驗等，以拓展膠囊的應用范圍，為瓊脂/麥芽糊精硬膠囊在食品工業中的應用奠定基礎。