交叉融合探索性實驗在食品營養與健康專業教學中的應用

關鍵詞：食品營養與健康；探索性實驗；軟膠囊；蜂膠；教學改革

0 引言

近年來，隨著《“健康中國2030”規劃綱要》《國民營養計劃（2017—2030年）》等文件的發布，推進健康中國建設是實現人民健康與經濟社會協調發展的國家戰略[1]。教育部2019年增設了食品營養與健康專業，旨在培養學生營養健康食品研發、食品營養均衡搭配、食品質量控制與管理等能力。2022年華南理工大學獲批食品營養與健康本科專業，將食品營養與健康的理論和信息科學的新理念融入到食品科學與工程教育中，以面向新經濟發展需要、面向未來的姿態，探索和布局食品專業新結構，注重學科交叉、實踐引導，凸顯新工科優勢。致力于培養食品營養與健康新工科人才，以滿足蓬勃發展的食品產業和大健康產業對人才的迫切需求[2]。

目前學院已開設食品新產品研發與設計、營養工程學等理論課，擁有健康食品良好生產虛擬仿真實踐與設計虛擬仿真實驗教學項目，但相關實驗課程較少，缺乏與專業特點相適應的個性化實驗，對后續專業實習缺少足夠強度的支撐[3]。因此在科研成果和本科生創新研究的基礎上，利用學院充足的資源和設備，開發了不同功效成分軟膠囊生產和質量檢測探索性實驗課。開設兩年來學生對實驗課表現出極大的參與度和積極性，取得了良好的教學效果。

1 實驗設計思路與教學安排

1.1 設計思路

軟膠囊是指將一定量的液體藥物或液固體藥物經處理密封于軟質囊材中制成的一種膠囊劑，可掩蓋藥物不良氣味，廣泛應用于醫藥及保健品行業[4]。市場上有很多軟膠囊劑型的保健食品，學生對自己能動手制作這些與生活和應用密切相關的產品興趣度高、熱情度大。另外軟膠囊生產工藝較簡單、產品收率高、成型性好，學生上手操作快、容易成功。為此，選擇軟膠囊為實驗劑型，融入多學科知識，以軟膠囊產品開發生產為主線，設計了配方開發、生產包裝、質量檢測等操作模塊。每個模塊均模擬產品研發、制劑生產、品質管理等實際工作崗位，讓學生熟悉保健食品研發流程和生產工序，對食品生產體系有整體認識。課程設計系統完整，涵蓋整個保健食品研發生產過程，而每個模塊又有自己的獨立性，可靈活拆分進行深入實驗教學，形成了模塊化、彈性化的課程體系[5]。項目示意如圖1所示。

1.2 教學安排

學生自由分組，4～5名學生為一個實驗小組，設立一名組長。實驗前查閱文獻或觀看視頻設計實驗方案，包括選擇原輔料、確定功效成分含量和樣品規格，熟悉生產設備操作規程。學生和教師討論后確保方案安全可控方可進入實驗室開始實驗。

考慮到軟膠囊生產完需風干24h完全干燥后才能進行后續包裝等工序，因此實驗課分兩次開設，8～10學時。第1次進行軟膠囊生產，包括化膠、配液、制丸等操作（4～5學時），每個生產工序均填寫生產操作記錄表，計算物料平衡。第2次先完成產品鋁塑包裝，然后運用各種分析儀器進行質量檢測，根據相關指標分析和判斷制劑是否合格（4～5學時）。實驗結束后每組學生提交一份論文形式的實驗報告和一份制劑質量檢測報告。

2 實驗原料和儀器

2.1 原材料

明膠，凍力180，羅賽洛廣東明膠有限公司；甘油，湖南爾康制藥有限公司；純凈水；魚油，寧波鼎元生物科技有限公司；蜂膠，河南省長興蜂業有限公司；維生素E油，安徽辰善食品配料有限公司；大豆油，安徽辰善食品配料有限公司；蘆丁標準品，純度HPLC≥98%，中國食品藥品檢定研究院；乙醇，分析純，廣州化學試劑廠。

2.2 儀器

JLR-50型軟膠囊機，北京中天精藍科技有限公司；真空攪拌桶、TLE204型分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；膠囊鋁塑包裝機，廣州機械設備廠；UV-1800型紫外可見光分光光度計，上海美普達科技有限公司等。

3 實驗方法

3.1 課前準備

教師提供3種不同功效成分和物理性質的軟膠囊內容物（魚油、蜂膠和維生素E），基礎原輔料如明膠、甘油、大豆油等。其中魚油和維生素E是脂溶性油狀物，制作成軟膠囊的工藝較簡單。蜂膠是固體，需和稀釋劑大豆油按適宜比例混合后制成混懸型軟膠囊，制作工藝較復雜。學生小組討論后自主選擇內容物設計實驗方案（包括產品配方、儀器試劑、實驗步驟等）。參考配方（按1000粒計算）如表1所示，生產工藝如圖2所示。

3.2 實驗內容

3.2.1 配方研究

以內容物選擇蜂膠為例。

3.2.1.1 膠皮配方篩選

軟膠囊膠皮常用原輔料為明膠、甘油和純凈水。通用比例為明膠∶甘油∶水=1∶（0.3～0.4）∶1。明膠顆粒類型和凍力大小是決定膠皮質量的關鍵因素之一，可使用不同型號明膠顆粒制備膠皮，對比膠液黏度、膠囊質量等指標進行選擇。經篩選明膠180（骨膠）具有良好的凍力和膠液黏度，滿足生產需求。

3.2.1.2 內容物配方篩選

內容物物理穩定性是評價混懸型軟膠囊的重要指標，可通過測定沉降體積比來比較內容物蜂膠與基質大豆油相容的穩定性，內容物越穩定，生產出的膠囊漏油少，質量好[6]。

將蜂膠和大豆油按質量比為3∶7、4∶6、5∶5和6∶4進行混合，置于50mL具塞量筒中充分振搖，記錄混懸液初始高度H0（mL），放入40°C恒溫水浴鍋內，在30min、1和2h時記錄沉降面高度H1（mL），計算沉降體積比F（F=H1/H0），F值變化越小說明內容物越穩定[7]。

3.2.2 生產操作

3.2.2.1 稱量備料

學生自行計算生產一批軟膠囊每種材料用量（按10000粒計算，規格2.0g/粒），選擇適宜量程的天平進行稱量。

3.2.2.2 膠皮制備

將配方稱量的甘油、純凈水放入真空攪拌桶中，升溫至90°C時緩慢加入明膠，攪拌60min左右使明膠完全溶解，無氣泡，調整溫度至70°C保溫備用。

3.2.2.3 軟膠囊生產

啟動軟膠囊機，左右兩側膠盒溫度設定58～62°C、滾模轉速3～4r/min。打開膠盒出膠口，讓明膠緩慢流動到滾模上制做膠皮帶狀物，并調節膠皮厚度0.8mm左右。噴體溫度設定38～45°C、噴體流速10～15mL/min，放下供料組件灌裝蜂膠、大豆油內容物進入膠膜中，即可生產出軟膠囊。生產過程中進行質量抽檢，每隔5min檢查10粒樣品質量和性狀。

3.2.2.4 干燥裝瓶

生產好的軟膠囊放入涼盤，放入恒溫恒濕箱進行24h干燥過夜。開啟鋁塑包裝機調節溫度至150～180°C進行鋁箔包裝，10粒/板。

3.2.3 質量檢驗

參考中國藥典2020版附錄IA和各類國家標準及文獻。

3.2.3.1 感官指標

在自然光線下，用目測、鼻嗅和口嘗方法進行檢驗，觀察色澤、滋味、氣味和性狀等感官指標。

3.2.3.2 質量差異

取供試品20粒，分別精密稱定質量，傾出內容物，再分別精密稱定囊殼質量，求出每粒內容物的裝量與平均裝量。超出裝量差異限度的不得gt;2粒，并不得有1粒超出限度1倍。質量差異限度±7.5%[8]。

3.2.3.3 崩解時限

取供試品6粒，依次置于崩解儀吊籃里，加擋板，浸入1000mL燒杯中，燒杯內盛有溫度（37±0.5）°C的蒸餾水，往返速度30～32次/min。每粒均應在15min內全部崩解[9]。

3.2.3.4 功效成分含量測定

稱取5.0mg蘆丁標準品，加甲醇定容至100mL得到濃度50μg/mL的對照品溶液。稱取0.5g樣品內容物，加乙醇定容至50mL并離心，吸取澄清液1.0mL用甲醇定容至50mL得到供試品溶液。取供試品溶液和對照品溶液用紫外?可見分光光度計在360nm吸收波長處測定吸收值計算回歸方程，計算樣品中總黃酮含量[10]。

3.3 課后作業

每組按照生產企業質量標準設計一份檢測報告，依據實驗結果對自制軟膠囊的品質進行評價。提交一份論文形式的實驗報告，內容無固定模式，可總結做好實驗的關鍵、失敗的教訓及自己的體會、實驗現象的分析和解釋、結果的誤差分析及對該實驗的改進意見等各個方面。

4 實驗結果與討論

4.1 內容物配方比

實驗結果如表2所示，隨著蜂膠與大豆油比例增加，沉降體積比提高，內容物穩定性好。但蜂膠比例過大，無法完全溶解在大豆油中，內容物無流動性。選擇蜂膠與大豆油質量比5∶5作為內容物配方比。

4.2 生產記錄和物料平衡

根據內容物配方比實驗結果投料，計劃產量10000粒。稱量蜂膠4.50kg、大豆油4.50kg、明膠4.80kg、甘油1.30kg和純凈水4.80kg，總質量20.00kg。生產過程數據記錄如表3所示。由表3可知，物料平衡98.85%，符合生產企業操作標準。

4.3 質量指標

樣品為橢圓形深棕色軟膠囊，外觀整潔，無黏結、變形或破裂，內容物有蜂膠特有的芳香味。取20粒樣品經測定平均質量2.063g，質量差異在±7.5%之內，取6粒樣品均在15min內崩解，符合藥典要求。功效成分總黃酮含量4.56g/100g，結果接近理論值。

5 教學效果

5.1 融合多學科知識，內容豐富

實驗交叉融合食品營養學、食品加工機械設備、食品分析、食品包裝與保藏等多學科知識，篩選配方、選用參考指標、制定設備操作程序和規程、確定質量檢測項目及合理安排實驗，都需要學生自己查資料結合理論課知識來思考設計。實驗也是其他專業基礎實驗課的總結和提高，融合了食品分析實驗、生物化學實驗、食品工廠設計實驗等課程內容，涉及面廣、自由度高，能極大提高學生綜合能力。

5.2 培養團隊合作能力，各司其職

實驗中同組學生要明確分工并密切配合。如軟膠囊生產過程中，學生甲負責觀察左右膠盒溫度和膠液流速，學生乙負責調節和檢查膠皮厚度，學生丙負責灌裝內容物和觀察樣品性狀，學生丁負責根據其他人的要求隨時調整軟膠囊機生產參數和記錄實驗數據。大家各盡其責、交叉協助，共同完成實驗。這種操作步驟責任制的模式，既能發揮學生主觀能動性，增強責任心，又能培養他們協同合作的團隊精神[11]。

5.3 開發全新教學模式，培養能力

本實驗課依托華南理工大學食品科學與工程學院良好的實驗環境和優質的設備資源，采用以學生為主體、教師輔助指導的開放式教學模式。除了完成本實驗內容，學生還可以自己設計不同配方和劑型的樣品進行多角度探索。實驗開放性大，不確定因素多，在操作中經常會遇到失敗，需要學生心態樂觀，不怕挫折，積極思考，在分析和解決問題中不斷學習和創新[12]。

6 結束語

與傳統實驗課相比，本實驗課融合多學科知識，課程內容涵蓋保健食品研發生產和質量檢測，讓學生通過團隊合作和個人任務來完成食品生產全過程，將理論知識與實踐操作融會貫通。逐步形成獨立式、合作式、探究式的實驗模式，培養學生創新思維和提高實踐能力，更好地培養滿足時代需求的創新型人才。