1、天津造纸天津造纸天津造纸2年第3期天津造纸淀粉基胶囊壳的研究进展徐忆宁1，梁春艳1，张亚增1，栾鹏程1，陈启杰1，罗永清2（1.长沙理工大学化学化工学院，长沙410076；2.岳阳天添胶囊股份有限公司，岳阳414000）摘要：由于明胶基胶囊壳对储存条件的要求高，且耐酸性差，低碳环保的淀粉基胶囊壳成为研究热点。本文介绍了淀粉的理化性质及改性方法（包括氧化、酶修饰和羟丙基化），综述了淀粉基胶囊壳的研究现状，并对其未来发展进行了展望。将淀粉及其改性产物用于胶囊壳的制备，具有较好的成型性、稳定性、生物相容性和较低的成本，发展前景广阔。关键词：淀粉；氧化；酶修饰；羟丙基化；胶囊壳胶囊壳1是一种口服型固体
2、药辅材料，有良好的药物靶向性，能掩盖药物的不良气味，能容纳药物并且保护其免受外界影响。胶囊壳可分为硬胶囊壳和软胶囊壳两种类型，硬胶囊壳通常由明胶及添加防腐剂的水制成，也有采用羟丙基甲基纤维素和卡拉胶等制成的植物胶囊壳；而软胶囊壳除了含有与硬胶囊壳相同的成分外还添加了提供弹性的塑化剂。但是，在由明胶制备胶囊壳的过程中可能会引起交叉感染和环境污染等问题2；因此，制备胶囊壳的原料正逐渐向采用安全、可再生的原料转变。淀粉是可再生的、可生物降解的天然聚合物，也是地球上最主要的碳水化合物，广泛存在于植物的根茎、种子中。淀粉因来源广、绿色无毒和价格低廉等优点，被广泛应用于造纸工艺中的表面处理，如表面施胶和涂
3、布；同时，其在药用辅料的制备中也具有巨大的潜能。但是，天然淀粉存在易老化回生3、溶解度及冻融稳定性差4等不足，在一定程度上限制了其在各个领域的应用。改变淀粉的分子大小或在其结构中引入新的官能团，可改善淀粉的功能性质，更好地满足其在不同行业的需求。淀粉改性的主要方法包括物理法5、化学法6和酶修饰法7。化学法能够实现对淀粉理化性的精准调控，改性效果相对稳定，其中氧化和羟丙基化备受关注。而酶修饰法的过程温和，能够保留淀粉中天然特性，如营养成分和功能性质，具有较高的灵活性。淀粉基胶囊壳绿色环保，可降解，且生物相容性好，是明胶胶囊壳的潜在替代品，具有很好的市场前景。本文重点介绍了氧化、羟丙基化和酶修饰等
4、淀粉改性方法，并详细阐述了上述改性淀粉在胶囊壳领域的研究进展。1淀粉的种类和性质淀粉是一种由糖苷键连接在一起的葡萄糖单元经过特定方式衔接组成的多糖，主要包括支链淀粉和直链淀粉。支链淀粉是由-1,4糖苷键和-1,6糖苷键连接而成，其中-1,6糖苷键可以将其他支链或直链连接起来；直链淀粉主要由-1,4糖苷键连接。根据直链淀粉含量的不同，可以将淀粉大致分为蜡质淀粉（08%）、普通淀粉（20%30%）和高直链淀粉（40%以上）8。淀粉颗粒是由结晶区和非结晶区两个主要部分组成，其晶型9可分为三类：A型、B型和C型（见表1）。对淀粉的X射线衍射图谱分析可得到相应的结晶类型：A型淀粉通常呈扁球形、圆形和椭圆
5、形，淀粉颗粒较大且表面光滑，在衍射图谱的15、17、18和23处有四个强峰。B型淀粉形状较多样化，淀粉颗粒表面的凹面较多且深，在5.6、17、22和24处有较强的衍射峰出现。C型淀粉为A型和B型的综合表现，与A型相比，它在5.6处基金项目：湖南省自然科学基金项目（2023JJ30009）；湖南省教育厅重点研究项目（22A0208）作者简介：徐忆宁（2000），女，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向为淀粉基功能膜，；通信作者：陈启杰，教授，研究方向为生物基膜材料及化学品，。25纸天津造纸天津造纸天津造2年第3期纸天津造呈现出一个中等强度的峰，但在干燥或部分干燥的样品中，该峰可能会消失；与B型相比，
6、它在23处呈现出单峰。淀粉的糊化是将淀粉分散于水中并加热，达到一定温度后，淀粉颗粒溶胀，崩溃，形成黏稠均匀的透明糊溶液。可采用差示扫描量热法测量淀粉的糊化转变温度（起始温度T0、熔化温度TG、结束温度TC）和糊化焓H。一般情况下，高的糊化温度和窄的吸热峰表明了更高的分子秩序8。淀粉的糊化受多重因素影响：含水量、糊化前对淀粉进行的处理以及淀粉的直链淀粉与支链淀粉含量等，不同来源淀粉的糊化转变温度也不同，如表2所示。已经糊化的淀粉分子会随着温度的降低，重新分散并再次结晶，形成类似天然淀粉结构的物质，这种现象就是淀粉的回生16，也称淀粉的老化。通过控制结晶条件可以得到具有不同性质的淀粉(如不同颗粒大
7、小、不同分子量等)，从而扩展了淀粉的应用领域。但淀粉回生是一种相对耗时且消耗能量的过程，需要较长的时间和更高的成本来完成。尽管淀粉是一种价格低廉且安全性高的天然可降解材料，但其在水中的溶解性差，难以在水中形成均匀的混合物，且易受潮，易变质，易降解，容易引起产品质量的下降。为克服淀粉的缺点，可采用改性方法对其性能进行改良，如氧化改性可以增强淀粉的热稳定性和成膜性，酶修饰改性能改变淀粉的分子结构和物理性质，羟丙基化改性则可以提高淀粉的冻融稳定性和透明度。通过改性改善天然淀粉溶解性和流变性等性质，进而可以用其制备出具有良好机械强度和稳定性的胶囊壳。2改性淀粉用于制备胶囊壳2.1氧化淀粉氧化淀粉17是
8、一种通过将氧化剂与淀粉反应而得到的产物，氧化反应主要发生在C鄄2、C鄄3和C鄄6位置的羟基上，且淀粉上的羟基先被氧化成羰基，进而被氧化成羧基，所以氧化淀粉中羰基和羧基的比例反映了淀粉分子的氧化程度。通常情况下，随着氧化程度的不断提高，羧基的含量也会相应地增加，而羰基的含量则会减少。常用的氧化剂包括次氯酸钠、高碘酸钠、臭氧和过氧化氢等。CHEN等18以氧化大米淀粉和纤维素纳米晶为基料制备了一种新型硬胶囊壳，发现氧化大米淀粉与纤维素纳米晶具有良好的相容性，且胶囊壳的干燥耗损与崩解时限完全符合中国药典要求，具有较好的应用前景。刘百平19发明了一种以氧化羟丙基淀粉为原料的空心胶囊壳，该胶囊壳可增加胶液
9、的浓度且提高干燥速度及生产效率，同时还满足中国药典的要求。魏景新等20公开了一种氧化羟丙基淀粉胶囊的制备方法，其胶囊具有壳体澄明度高、储存稳定性好的优点。虽然氧化淀粉因其具有良好的透明性和抗冻融性等特点被应用于胶囊壳的制备，但现有利用氧化淀粉制备胶囊壳的方法并非简单地对淀粉进行氧化，而是在淀粉改性的基础上进一步进行氧化或添加辅料，这导致了复杂的生产过程和较高的生产成本。因此，后续的研究应着重于制备高性能的氧化淀粉，从而简化胶囊壳制备过程，使得氧化淀粉能更好地应用于生产。2.2酶修饰淀粉淀粉修饰酶主要分为糖基水解酶（裂解糖苷键，产生半缩醛糖和游离糖基）和转糖基酶（催化一种糖苷转化为另一种糖苷），
10、其中包括用于淀粉功能化技术上重要的从微生物中分离的酶，如淀粉酶、环糊精糖基转移酶和分支酶等7。相比于天然淀粉，酶修饰淀粉具有良好的溶解性和稳定性，选择性强，能更好地应用在各个行业。表1常见淀粉来源及其晶型、表面形态和直链含量淀粉来源晶型颗粒形状直链含量/%文献马铃薯淀粉B圆形、椭圆形192710,11木薯淀粉A圆形、不规则状182410,11小麦淀粉A透镜状、小圆形252611,12大米淀粉A圆形、有角的多边形03511,13玉米淀粉A不规则多边形232811,14绿豆淀粉A圆形、椭圆形314115表2常见淀粉的糊化转变温度及糊化焓11淀粉来源T0/TG/TC/H/（Jg1）马铃薯淀粉5766
11、617067751524木薯淀粉5566617171751119小麦淀粉486254655869715大米淀粉517658796483820玉米淀粉63676771727591226天津造纸天津造纸天津造纸2年第3期天津造纸李慧等21制备了一种经异淀粉酶处理后的改性玉米淀粉胶囊，结果表明：改性后淀粉溶胶的黏度降低了约42%；制备的淀粉植物胶的成膜性、阻水性及强度均明显增强，且相比于明胶胶囊崩解时限缩短。牟新东等22发明了一种以淀粉酶改性淀粉为原料而得到的低黏度淀粉胶液，在严格控制生产条件后，制备出了符合药典要求的空心植物胶囊产品。张睿展等23发明了一种经由解支酶改性的淀粉，并将其应用于空心硬胶
12、囊壳的制造，结果表明：此改性淀粉具有良好的成膜性、膜片强度及凝胶化能力，可应用于在不使用凝结剂和增塑剂的条件下制造空心硬胶囊壳。酶修饰淀粉制备胶囊壳无需使用化学溶剂，减少了对环境的污染，且易被微生物分解，降低了对环境的负面影响，符合可持续发展的要求。但是，目前对酶修饰淀粉制备胶囊壳的研究和生产技术还相对较少，相关设备和工艺也较为有限，需要进一步研发和改进。随着社会对绿色低碳和环境友好技术的需求越来越高，酶修饰淀粉制备胶囊壳的研究会在未来得到更多的关注和发展。2.3羟丙基淀粉羟丙基淀粉主要是指原淀粉通过与环氧丙烷通过醚化反应得到的改性淀粉，其可以减少淀粉糊和凝胶的逆行倾向，同时也增强了淀粉的黏性
13、、水溶性和胶凝性，还可提高保质期、透明度和质地，且应用时操作方便、无污染24。HAZARIKA等25对芋头淀粉进行了羟丙基和交联双重改性并研究了其性能，结果表明：羟丙基化改性改善了天然淀粉的溶胀性和溶解度，降低了其黏度，双改性淀粉的各项性能均优于原淀粉。JAVADIAN等26研究了酸水解及羟丙基化双重改性淀粉的热性能及微观结构，发现羟丙基化提高了淀粉的溶胀力，且双重改性改善了淀粉分子结构的秩序，降低了颗粒的稳定性，减少了糊化淀粉所需的能量。SONG等27介绍了一种用于硬胶囊材料的自增强羟丙基交联马铃薯淀粉膜的制备方法，并证明了该改性淀粉可充当制备硬胶囊的替代材料。王向峰等28研究了不同取代度羟
14、丙基淀粉对淀粉空心胶囊性能的影响，发现胶液黏度和胶囊的成型时间、厚度、吸水性及崩解时限等随着羟丙基淀粉取代度的增大而增大，取代度为2.3%时，空心胶囊符合中国药典的规定且性能最优。OCK等29采用不同植物源（玉米、糯玉米、土豆和木薯）的羟丙基淀粉制备了软胶囊壳，结果表明所有软胶囊壳均可进行商业应用。李绪发等30采用羟丙基淀粉、交联淀粉、增塑剂和水开发了一种淀粉成膜组合物，并进一步制得了植物软胶囊壳，结果表明：此软胶囊壳在制备过程中的胶液成型性好，凝胶速度快，胶皮破裂强度高，储存性能良好。李谨等31选用羟丙基淀粉和增塑剂等原料制备了一种植物软胶囊壳，添加卡拉胶的羟丙基淀粉提高了成膜强度和速度，降
15、低了凝胶温度和溶解温度，其软胶囊的溶解速率优于明胶胶囊，且性质较稳定，不易发生交联现象。目前，对羟丙基淀粉胶囊壳的研究已经非常丰富。其具有出色的耐胃酸性能，可显著提升药物的生物利用度；通过调整羟丙基淀粉的交联度和黏度等参数，可灵活调节胶囊壳的溶胀速率和释放速率。但是，羟丙基淀粉胶囊壳的制备过程相对复杂，需要精确的条件控制和高水平的操作技术；由于原料来源和制备工艺的差异，不同批次的羟丙基淀粉胶囊壳在物理性能上存在一定的差异，这也限制了其应用。针对以上问题，需要进一步改进羟丙基淀粉胶囊壳的制备方法，以提高其一致性和可控性；还可以探索将羟丙基淀粉与其他材料复合使用，以提高胶囊壳的性能。3总结与展望淀
16、粉是一种天然的高分子材料，原料易得且价格低廉，但其在潮湿环境下易吸水，加工性不佳，无法满足一些特殊使用需求。氧化淀粉相较于天然淀粉具有良好的溶解性及优异的机械强度和稳定性，但也存在高温下容易降解的问题。酶修饰淀粉能有效地提高加工性能和机械强度，但其生产周期较长。羟丙基淀粉比天然淀粉具有更好的流变性和生物相容性，但其制备难度相对较高。总之，淀粉及其各类改性产物的优缺点各不相同，在应用时需根据实际需要选择合适的材料，进行合理的搭配，以满足各个领域的要求。随着人们的健康和环保观念不断提高，对绿色环保材料的需求逐渐增加。淀粉及淀粉改性产物是一种有应用潜力的绿色环保材料，其生产过程无污染，原料资源丰富，
17、且可生物降解，符合可持续发展的要求。将淀粉和改性淀粉用于制备胶囊壳具有成型性好和稳定性高的优点，且原料成本更低，随着技27纸天津造纸天津造纸天津造2年第3期纸天津造术进步和创新，其未来的发展前景将更加广阔。参考文献：1陈严双.天然淀粉改性机制及应用概述J.化工设计通讯,2021,47(7):165166.2赵凯,雷鸣,刘丽艳,等.乙酰化羟丙基复合改性玉米淀粉物化特性研究J.中国粮油学报,2019,34(10):2935.3闫溢哲,冯琳琳,史苗苗,等.淀粉物理改性技术研究进展J.食品工业,2020,41(3):241245.4MASINA N,CHOONARA Y E,KUMAR P,et al
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31、suleshells,low鄄carbon and environmentally friendly starch鄄based capsule shells have become a research hotspot.Inthis paper,the physicochemical properties and modification methods of starch were introduced,includingoxidation,enzyme modification,and hydroxypropylation.The current research status of st
32、arch鄄based capsuleshells was summarized,and its future development was prospected.The use of starch and its modified productsfor the preparation of capsule shells,with better moldability,stability,biocompatibility and lower cost,has abroad development prospect.Key words：starch;oxidation;enzymatic modification;hydroxypropylation;capsule shell29
