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(1.福格森(武汉)生物科技股份有限公司,湖北武汉 430056; 2.湖北工业大学生物工程与食品学院,湖北武汉 430068; 3.华中科技大学同济医学院公共卫生学院,湖北武汉 430030)

儿童营养素补充剂是社会广为关注的焦点,科学使用营养素补充剂对促进儿童健康有积极意义[1-5]。从配方含量和功效倾向上来看,补钙产品是儿童营养补充剂的主流产品,这与改善我国居民钙质普遍较低的现状相吻合[6]。适当补充钙质可以促进儿童的正常生长发育,提升儿童的身高、体重增长速率,预防由于缺钙引起的佝偻病、骨骼畸形等不良症状[7]。咀嚼片是市售儿童营养钙补充剂的主要产品形式[8]。碳酸钙由于钙含量高、成本低,是钙咀嚼片生产中最常用的无机钙源,然而碳酸钙具有令人不悦的石灰味、沙粒状等不良口感,导致消费者依从性差[9-10],如何改善钙咀嚼片中碳酸钙的不良口感是实际生产中的重要问题。

通常,片剂制备主要通过三种方法:湿法制粒、干法制粒和粉末直接压片。粉末直接压片由于工艺步骤简化,节能省时,且能避免制备工艺中湿热等因素对敏感成分的影响,具有明显的优势[11]。物料粉体的流动性和可压性是片剂制备和生产中最关键的影响因素[12]。然而,在钙咀嚼片生产中,由于碳酸钙粉末流动性和可压性差,使用比例较大,且大多数其他辅料的物料性质也不能满足粉末直接压片的工艺要求,因此钙咀嚼片多采用湿法制粒,需要将碳酸钙与其他辅料进行湿法制粒后压片,工序复杂,增加了生产成本[9-10,13]。因此,开发一种新型的适应于直接压片工艺的碳酸钙具有重要意义。

固体脂质微粒主要是利用固体油脂在冷却或相分离过程中固化,结晶形成固态结构,使目标物质被包覆在脂质结构中,通常采用乳化-分散法制备固体脂质微粒[14-15]。转相乳化法是控制水相和油相的加热温度,将水相加入到油相中进行乳化,使体系中乳化剂的亲水亲油性质达到适当平衡,较自然乳化法(将油相加入到水相中)更易形成含规整结构的固体脂质微粒,操作简便,易于控制,适于进行工业化生产[16]。

本实验主要是通过转相乳化法,使用固体脂质对碳酸钙进行包埋,通过正交试验优化固体脂质碳酸钙微粒的制备工艺,针对固体脂质钙微粒应用于儿童营养补充剂钙咀嚼片生产中时片剂预混料的粉体流动特性、压缩特性和口感,考察固体脂质碳酸钙微粒的直压性能和感官特性,旨在提供一种感官性能良好、可压性强的改良钙源,为实际生产中儿童营养补充剂口感的改善以及制备工艺的优化提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

单硬脂酸甘油酯(单甘酯含量大于90%) 食品级，广州美晨科技实业有限公司;碳酸钙 食品级，南通励成生物工程有限公司;酪蛋白酸钠 食品级，临夏州华安生物制品有限责任公司。

FJ200高速分散均质机 上海标本模型厂;FD-1B-50冷冻干燥机 北京博医康仪器有限公司;CJB-S磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司;BT-9300S激光粒度分布仪 丹东市百特仪器有限公司;TD5M-WS多管架自动平衡离心机 上海卢湘仪离心机机器有限公司;HY-4调速多用振荡器 苏州威尔实验用品有限公司;ZP-19旋转式压片机 上海天和制药机械有限公司;A3原子吸收分光光度计 北京普析通用仪器责任有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 固体脂质钙微粒的制备 采用转相乳化法制备固体脂质钙微粒。将油相(单、双甘油脂肪酸酯+碳酸钙)和水相(酪蛋白酸钠溶液)于60 ℃下分别加热,待固体脂质融解后,将固体脂质与碳酸钙混匀。在磁力搅拌条件下,将水相加入油相,乳化一定时间后,置于冰水浴中搅拌,迅速冷却降温,将得到的固体脂质钙微粒悬浮液于3000 r/min离心5 min,取沉淀冷冻干燥(-56 ℃,10 kPa),最后获得冻干的固体脂质碳酸钙样品。

1.2.2 单因素实验 控制油相组成为6 g单硬脂酸甘油酯和4 g碳酸钙,在水相酪蛋白酸钠溶液的浓度为2%、3%、4%、5%(其他条件为V水相∶V油相=9∶1,搅拌速度1200 r/min,乳化均质时间60 s),搅拌速度为800、1200、1600、2000、2400 r/min(其他条件为酪蛋白酸钠浓度3%,V水相∶V油相=9∶1,乳化均质时间60 s),乳化均质时间30、60、90、120 s(其他条件为酪蛋白酸钠浓度3%,V水相∶V油相=9∶1,搅拌速度1600 r/min),V水相∶V油相为7∶1、8∶1、9∶1、10∶1(其他条件为酪蛋白酸钠浓度3%,搅拌速度1600 r/min,乳化均质时间60 s)的条件下进行单因素试验,通过粒径分布和钙荷载率,研究四个因素对固体脂质钙微粒制备的影响。

1.2.3 正交试验 以单因素实验结果为基础,选取酪蛋白酸钠浓度、搅拌速度、乳化均质时间以及水相油相体积比四个因素,设计L9(3)4正交试验,以钙荷载率为指标判定包埋效果。正交试验方案见表1。

表1 正交试验因素与水平表Table 1 Factors and levels table of the orthogonal array design

1.2.4 固体脂质钙荷载率的测定 钙含量的测定方法参照国标GB 5413.21-2010第一法[17],测得碳酸钙原料中的钙含量为394.8 mg/g。对固体脂质钙微粒中的钙含量进行测定,通过测定样品中实际包埋的钙离子的含量,计算固体脂质钙微粒的钙荷载率。

固体脂质钙荷载率(%)=样品中的钙含量×100/碳酸钙中的钙含量

1.2.5 不同钙源咀嚼片预混料制备 收集工艺优化后制得的固体脂质碳酸钙样品,以普通碳酸钙为对照,按照以下配方配制咀嚼片预混料(20片量,Ca含量为250 mg/片):维生素D30.02 g,无水柠檬酸0.56 g,木糖醇5.36 g,甜菊糖苷0.01 g,硬脂酸镁0.30 g,橙粉0.26 g。

1.2.6 不同钙源咀嚼片辅料粉体综合物理特性测试

1.2.6.1 休止角的测定 将粉体样品倒入漏斗内,使样品通过漏斗落在下方直径为50 mm的圆平板上,粉体逐渐堆积至不能继续堆高为止,通过刻度尺测量圆锥体斜面与平面的夹角即为休止角[18]。

1.2.6.2 刮铲角的测定 将刮刀放入粉槽底部,把粉体样品加入槽内,直至加满。旋转刮刀下面的螺旋升降杆使刮刀升起,直至刮刀露出粉槽内的粉体表面,刮刀上形成粉堆,用测角指针贴于粉堆侧面,然后取三点用量角器量出指针所指的角度,其平均值即刮铲角[19]。

ρ1=(M2-M1)/10

式(1)

ρ2=(M3-M1)/10

式(2)

则粉体样品的压缩度计算如下:

Q(%)=(ρ1-ρ2)/ρ1×100

式(3)

C=(2-M4)/2

式(4)

1.2.6.5 粉体流动性指数 依据卡尔指数表[20](见表2)换算上述测量值,得出相应的单项流动性指数,然后将休止角、刮铲角、压缩度、凝集度的指数相加,得出粉体样品的卡尔流动性综合指数。

表2 卡尔粉体流动性指数表Table 2 Carr’s flowability index for powders

1.2.7 压片及抗张强度测定 抗张强度是粉末可压性和成形性的一种衡量指标。抗张强度反映单位面积的破碎力,与片剂的几何形状和厚度无关[21-22]。上述指标测定完成后,将分别添加有固体脂质碳酸钙和粉末碳酸钙的预混料样品进行压片,另外用粉末碳酸钙进行制粒后压片,控制压片时的压力相同。随机取获得的3种钙片各5片,使用硬度测定仪测定片剂的厚度、直径与片剂的径向破碎力。按公式(5)计算片剂的抗张强度σ

σ=2P/hD

式(5)

式中,P为径向破碎力(单位N),D为片的直径(单位cm),h为片的厚度(单位cm)。

1.2.8 感官评价 请5名受过感官评价培训的专业人员组成评定小组,小组成员均熟悉钙咀嚼片类产品的产品特性,分别对固体脂质钙咀嚼片和碳酸钙咀嚼片的组织状态、色泽、风味和口感进行评价。同一评定员对同一样品应评5次以上。同一评定员对同一样品的评定结果超过50%以上相同时,以该结果作为该评定员对样品的最后评定。每次评定间用蒸馏水漱口[13]。

1.3 数据处理

每组实验至少重复测定3次,采用Origin 9和SPSS 19.0软件进行数据统计分析,显著性水平p<0.05。

2 结果与分析

2.1 固体脂质钙微粒制备工艺的优化

2.1.1 单因素实验结果

2.1.1.1 酪蛋白酸钠浓度对固体脂质钙微粒制备的影响 不同酪蛋白酸钠浓度条件下的固体脂质钙微粒的粒径分布图如图1A所示,钙荷载率结果如图1B所示。由图1中可以看出,随着酪蛋白酸钠浓度的增加,固体脂质钙微粒的均一性先增后降,酪蛋白酸钠的浓度为3%时,钙荷载率达到最高,当酪蛋白酸钠的浓度增加到5%时,均一性降低,粒径分布区间左移,粒径减小,钙荷载率明显降低。因此,确定最佳酪蛋白酸钠浓度为3%。

图1 酪蛋白酸钠浓度对固体脂质钙粒径分布和钙荷载率的影响Fig.1 Effects of casein concentration on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.1.2 搅拌速度对固体脂质钙微粒制备的影响 不同搅拌转速条件下的固体脂质钙微粒的粒径分布图如图2A所示,钙荷载率结果如图2B所示。由图2A可知,800、2400 r/min搅拌转速条件下固体脂质钙微粒均有明显聚集,说明搅拌转速过高或过低都会导致固体脂质钙微粒的聚集,1200、1600、2000 r/min搅拌转速条件下固体脂质钙微粒的均一稳定性差别不大;图2B中结果表明,在固体脂质钙微粒均一稳定性良好的条件下,1600 r/min搅拌转速条件下钙荷载率最大。从样品的均一稳定性和钙荷载率综合考虑,选择1600 r/min为最佳均质转速。

图2 搅拌转速对固体脂质钙粒径分布和钙荷载率的影响Fig.2 Effects of agitation speed on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.1.3 乳化时间对固体脂质钙微粒制备的影响 不同乳化时间条件下的固体脂质钙微粒的粒径分布图如图3A所示,钙荷载率结果如图3B所示。由图3A可知,乳化时间为30、60 s时,固体脂质钙微粒的均一稳定性差别不大,乳化时间为90 s时均一性增加,乳化时间为120 s的粒径分布与碳酸钙原料的粒径分布基本重合;图3B显示,随乳化时间的增加,钙荷载率呈下降趋势,120 s条件下荷载率明显降低,说明乳化时间过长不利于固体脂质对碳酸钙的包载。因此,选择60 s作为最佳乳化时间。

图3 乳化均质时间对固体脂质钙粒径分布和钙荷载率的影响Fig.3 Effects of emulsifying homogenization time on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.1.4 水相与油相体积比对固体脂质钙微粒制备的影响 不同水相与油相体积比的固体脂质钙微粒的粒径分布图如图4A所示,钙荷载率结果如图4B所示。从图4A中可以看出,不同水相与油相体积比条件下固体脂质钙微粒的均一稳定性差别不大,图4B显示,当水相与油相体积比为9∶1时,钙荷载率最高。因此,确定水相与油相体积比为9∶1。

图4 乳化时间对固体脂质钙粒径分布和钙荷载率的影响Fig.4 Effects of emulsifying time on particle size distribution and calcium loading rate of SLP

2.1.2 正交试验结果 固体脂质钙微粒制备正交试验方案和结果如表3所示,结果表明最佳工艺条件组合为A1B2C3D1:酪蛋白酸钠浓度为2%、搅拌速度为1600 r/min、乳化时间为80 s、水相与油相体积比为8∶1。极差分析显示RC>RD>RA>RB,即4种因素对固体脂质钙荷载率的影响大小依次为:乳化时间>水相油相体积比>酪蛋白酸钠浓度>搅拌速度。

表3 固体脂质钙微粒制备正交试验方案及结果Table 3 Orthogonal test program and results for solid lipid particles loaded with calcium carbonate

采用最佳组合对正交试验结果进行验证,制得的固体脂质碳酸钙钙荷载率为99.8%,高于正交试验所有设计组,确认最佳固体脂质碳酸钙制备工艺为:酪蛋白酸钠浓度为2%、搅拌速度为1600 r/min、乳化时间为80 s、水相油相比为8∶1。

2.2 不同钙源咀嚼片预混料的粉体流动性

分别添加固体脂质碳酸钙和粉末碳酸钙的钙咀嚼片预混料的各项粉体物理参数及综合卡尔流动性指数结果见表4。松密度的大小影响粉体的成形性与充填性,粉体的振实密度与松密度的差值小,说明粉体内部孔隙小。粉体充填时密度越大,空隙率越小,得到的片剂硬度越高[23-24]。由表4可知,虽然未进行制粒的粉末碳酸钙咀嚼片预混料的振实密度和松密度较大,但固体脂质碳酸钙咀嚼片预混料的松密度和振实密度的差值明显较小,其休止角、刮铲角和压缩度也相对较小,卡尔流动性综合指数高于粉末碳酸钙咀嚼片预混料,说明固体脂质碳酸钙有更好的直压特性,适合用于钙咀嚼片的直接压片[25]。

表4 固体脂质碳酸钙/碳酸钙咀嚼片预混料流动性结果Table 4 Fluidity determination results for premix of Solid lipid calcium carbonate/calcium carbonate chewable tablet

2.3 固体脂质碳酸钙咀嚼片的抗张强度和感官特性

不同配方的物料样品在相同压力下制备片剂,若其中某样品的抗张强度较大,或在较小的压力下可制成较大强度的片剂,说明该配方物料的结合力强,压缩成形性好[21]。使用相同的压力压片,获得的片剂抗张强度越大,粉体的可压性和成形性越好[26-27]。由图5可看出,用粉末碳酸钙直接压片,片剂抗张强度仅为33.5 N/cm2,而利用固体脂质碳酸钙替代碳酸钙制备钙咀嚼片,抗张强度可达210.6 N/cm2,直接压片的固体脂质碳酸钙咀嚼片的抗张强度高于粉末碳酸钙咀嚼片,差异显著(p<0.05),与传统湿法制粒后压缩成型的碳酸钙咀嚼片的抗张强度差异不显著(p>0.05),说明使用固体脂对碳酸钙进行包埋可以赋予碳酸钙良好的直压特性,简化钙咀嚼片的制备工艺。

图5 固体脂质碳酸钙/碳酸钙咀嚼片的抗张强度Fig.5 Tensile strength results of solid lipid calcium carbonate/calcium carbonate chewable tablet注:标有不同字母者表示组间差异显著p<0.05;标有相同字母者表示组间差异不显著p>0.05。

另外,通过对不同咀嚼片的组织状态、色泽、风味和口感进行感官评价,结果见表5,发现固体脂质碳酸钙咀嚼片感官特性良好,品尝无沙粒感,说明通过固体脂和酪蛋白酸钠对碳酸钙进行包埋,利用酪蛋白酸钠的乳化及固体脂的润滑作用,能有效改善钙咀嚼片的口感,增强消费者的依从性。

表5 不同钙咀嚼片的感官特性Table 5 Sensory results of different calcium carbonate chewable tablet

3 结论

本实验通过转相乳化法以酪蛋白酸钠为乳化剂,制备固体脂质颗粒对碳酸钙进行包埋,通过正交试验得到固体脂质碳酸钙微粒的最佳制备条件为:酪蛋白酸钠浓度为2%、搅拌转速为1600 r/min、乳化时间为80 s、水相油相比为8∶1,钙的荷载率可达99.8%。使用固体脂质碳酸钙的钙咀嚼片预混料的粉体流动性的多项指标有明显的改善,固体脂质碳酸钙咀嚼片预混料的卡尔流动性综合指数高于粉末碳酸钙咀嚼片预混料,符合直压粉末的流动性要求。固体脂质碳酸钙的成型片剂抗张强度高,具有良好的机械性能,且感官评价无任何异味,无普通钙片常有的粉渣口,在使用低成本的碳酸钙作为原料的基础上,明显改善了钙咀嚼片的口感,可增加消费者的依从性。

以酪蛋白酸钠作为乳化剂,使用固体脂质对粉末碳酸钙进行包埋,包埋材料和被包埋物产生了功能上的协同作用,掩盖了碳酸钙的不良性质,使其功能和物理性质得到了改善,这是普通的物理混合或共处理无法达到的。固体脂质碳酸钙作为改良的钙源,感官特性良好,符合压制成型的要求,使钙咀嚼片可采用直压法制备,极大地简化了生产工艺,降低了生产成本,有利于提高儿童营养补充剂类产品的质量,具有很好的应用前景。