咖啡泡騰片加工工藝研制

張樂樂,劉雨晴,王奕文,張妍宇,李二嬌,劉生杰*

1.阜陽師范大學生物與食品工程學院,安徽阜陽,236037;2.阜陽師范大學信息工程學院食品系,安徽阜陽,236041

泡騰片是含有泡騰崩解劑的特殊片劑,遇水后其所含的酸堿發生化學反應,釋放二氧化碳使其崩解,呈泡騰狀[1]。由于其體積小、方便攜帶存放、速溶性好、有利于提高藥物生物利用率、飲用方便;制作時再將果汁、維生素和微量元素添加至泡騰片中,具有更好的保健作用;崩解時片劑產生大量泡沫,觀感好,具有汽水般的口感,越來越受到人們的青睞。例如,很多上班族把泡騰片作為營養補充劑或緩解劑而飲用[2]。在食品領域中泡騰片主要為固體飲料,目前在市場上已經廣泛食用的泡騰片種類有茶、維生素、果蔬[3-4],還有藥食兩用的中草藥及其有效成分研發的系列泡騰片保健品[5-6]。泡騰片與其他食品有機結合,拓展其食品的食用形式。

咖啡作為世界三大飲料之一,已經有1 000多年的消費史,以其獨特的風味、口感以及生物活性成為世界范圍內最重要的食品類商品之一[7]?？Х鹊纳锘钚灾饕獊碜云渲械目Х纫?、綠原酸以及類黑精等成分,這些成分具有醒腦提神、抗氧化、抗菌抗炎、治療機體代謝綜合征和抑制體質量等生物活性功能[8]?？Х纫蚴鞘澜缟鲜褂米顬閺V泛的精神活性藥物,若長期大劑量攝入咖啡因會對人體中樞神經系統造成損害,引發心臟病和高血壓;同時咖啡因具有成癮性,一旦停用會出現渾身困乏疲軟、精神萎頓等“戒斷癥狀”的發生,因此被列入國家管制類精神藥品范圍[9]。針對罐裝咖啡粉沒有精準的定量標準,開發定量咖啡泡騰片,避免咖啡因攝入過量問題,同時拓展了泡騰片的種類。

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料與設備

市售咖啡粉(雀巢金牌咖啡)、咖啡因標準品(成都麥德生科技有限公司,生產批號:RP201026,純度99.96%)為色譜級、氧化鎂(天津科密歐有限公司)為分析純、木糖醇、檸檬酸、碳酸氫鈉、碳酸鈉、亮氨酸、乳糖、聚乙二醇2000(PEG2000)、聚乙二醇6000(PEG6000)、麥芽糊精均為食品級,聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP K30)為藥用輔料。

1.2 實驗設備

BJ-800A型粉碎機(浙江拜杰有限公司)、DZK-K30B型真空干燥箱(合肥華德利科學器材有限公司)、JA2003型分析天平(上海橫平科學儀器有限公司)、LC-16型高效液相色譜儀(日本島津公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 色譜檢測咖啡粉中咖啡因含量

1.3.1.1 咖啡粉制備

取咖啡粉適量,研磨至粉狀,過80目篩備用。

1.3.1.2 高效液相色譜分析條件

色譜柱為Wondasil C18-WR(4.6 mm×250 mm,5 μm,島津技邇(上海)商貿有限公司),流動相為甲醇∶水=6∶4,柱溫30 ℃,流速 0.4 mL/min,檢測波長 λ=272 nm,進樣量為5 μL。

1.3.1.3 咖啡因標準曲線的繪制

精確稱量10.0 mg咖啡因標準品,定容于5 mL甲醇中,配置成2.0 mg/mL的標準儲備液,濃度分別稀釋成200 μg/mL、400 μg/mL、600 μg/mL、800 μg/mL和1 000 μg/mL。以濃度作為橫坐標,峰面積作為縱坐標,繪制標準曲線。

1.3.1.4 咖啡粉中咖啡因含量檢測

取研磨好的80目咖啡粉0.5 g,加適量水溶解,加0.1 g氧化鎂振搖,加水定容至50 mL搖勻靜置。取上清液經0.45 μm濾膜過濾后,按照1.3.1.2方法進行高效液相色譜分析。

1.3.2 泡騰片的制備工藝

1.3.2.1 泡騰片的制備

在制備泡騰片時采用酸堿兩相制粒法[10]。稱取一定質量的咖啡粉、填充劑麥芽糊精和潤滑劑PEG6000混合均勻,平分成兩份,一份與酸源混勻制成酸顆粒,另一份與堿源混合制得堿顆粒。再將酸堿顆粒與粘合劑PVP K30乙醇溶液混合壓片,在紫外燈下殺菌30 min,即得成片。

1.3.2.2 泡騰片發泡量的測定

取100 mL的量筒,加滿水后倒置在盛有適量水的盆中,取250 mL的抽濾瓶,將乳膠管一端連接在抽濾瓶上,另一端伸入量筒內。向抽濾瓶中注入120 mL溫水后,取一片泡騰片投入抽濾瓶中,立即塞上橡皮塞,直至乳膠管出口端不再有氣泡冒出,量筒中氣體的體積就是發泡容量[11]。

1.3.2.3 崩解時間的測定

參照2020版《中華人民共和國藥典》崩解時限檢測法[12],稍作修改。取1片泡騰片置于裝有60 mL常溫水的燒杯中,當片劑或碎片周圍無氣體逸出的時間記為崩解時間。同法檢測6片,取平均值。

1.3.2.4 感官評價標準

采用感官評定法,以泡騰片的色澤、溶解后狀態、氣味和口感作為指標進行感官評定。根據文獻[13]稍作修改。選擇10人,依據表1的評分標準對每一配方組合的泡騰片飲料進行感官評價。

表1 咖啡泡騰片感官評價標準

1.3.3 單因素試驗

選擇咖啡粉添加量(20%、30%、40%、50%、60%)、檸檬酸與碳酸鈉的比例(2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2)、填充劑麥芽糖添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、潤滑劑PEG6000添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、甜味劑木糖醇添加量(8%、12%、16%、20%、24%),按照1.3.2.1的方法進行單因素實驗,確定泡騰片中各因素的添加量。

1.3.4 泡騰片配方優化正交試驗

以單因素試驗為基礎,選擇咖啡粉的添加量、木糖醇的添加量、酸源與堿源的比例3個因素,設計三因素三水平正交試驗。通過感官評價、發泡量、崩解時間等綜合評定,確定最優配方,試驗設計因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表

1.4 數據處理分析

采用Origin Pro 8.6軟件繪圖分析,所有數據用“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 高效液相色譜法檢測咖啡粉中咖啡因的含量

按照1.3.1.2分析條件,經高效液相色譜法分析,色譜圖見圖1。圖1(A)中咖啡粉中咖啡因的保留時間是8.425 min,分離度為2.237,大于1.5,說明咖啡粉中的咖啡因與前面的雜質峰基線分離[14],分離度較好。圖1(B)中咖啡因標準品的保留時間是8.436 min,與咖啡粉中咖啡因出峰時間一致,無雜質峰影響。

圖1 咖啡色譜圖

以咖啡因的濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標,得到咖啡因的標準曲線方程y=23 412x-97 089,R2=0.999 4,計算得出1 g咖啡粉中含有63.5±0.7 mg咖啡因。實驗中咖啡粉最大添加量為60%,即制成的1片泡騰片中添加的1.5 g咖啡粉中含有95.3±1.1 mg咖啡因。按照歐洲食品安全局(EFSA)提出的科學建議[15]:單次攝入咖啡因 200 mg(按70 kg體重算約3 mg /kg bw)不會引起健康風險。因此1片泡騰片中即使添加60%咖啡粉也是安全劑量。

2.2 方法學驗證

在樣品中分別加入高、中、低三個濃度標準儲備液,配置成加樣回收液,經平行提取,檢測含量并計算回收率為101.5±1.7%。取標準品溶液,按照1.3.1.2條件,檢測6次,計算標準相對偏差(RSD)=1.91%。取同一批次咖啡粉樣品,按照同樣條件,計算標準相對偏差(RSD)=4.37%,表明加標回收率、精密度和重復性良好,可滿足實驗分析要求。

2.3 單因素實驗

2.3.1 酸堿比的確定

前期實驗過程中,發現碳酸鈉與碳酸氫鈉質量比1∶1作為堿源時,碳酸鈉崩解時間短且氣泡大、無固形物殘留,感官評價分數高,所以選擇碳酸鈉為崩解劑的堿源。崩解劑中的酸堿比例影響泡騰片的口感,比較檸檬酸與碳酸鈉的質量比例對泡騰片影響,結果見表3。

表3 崩解劑中酸堿源質量比例的確定

崩解時間、CO2發泡量和感官評價分數是評價泡騰片的重要指標,優質的泡騰片崩解時間短、發泡量大、感官好。綜合考慮崩解時間、泡騰片發泡量、溶解現象、感官評價分數,選擇檸檬酸與碳酸鈉質量比例為1∶1。

2.3.2 填充劑麥芽糊精添加量的確定

泡騰片的吸濕性是影響片劑產品質量和儲存期的主要影響因素之一。在前期實驗中,比較乳糖、麥芽糖作為填充劑對泡騰片的影響。實驗發現乳糖作為填充劑時,產生的氣泡小,崩解過程存在粉渣殘留,所以選擇麥芽糊精為填充劑。麥芽糊精吸濕性低,不結團,具有很好的載體作用[16]。比較麥芽糊精的添加量對泡騰片的影響,實驗結果見表4。

表4 麥芽糊精的添加量的確定

綜合考慮崩解時間、泡騰片發泡量、溶解現象、感官評價分數,所以選擇麥芽糊精添加量為3%。

2.3.3 潤滑劑PEG6000添加量的確定

前期實驗中,比較L-亮氨酸、PEG2000、PEG6000作為潤滑劑對泡騰片感官的影響。綜合各項指標,PEG6000作為潤滑劑崩解時間和發泡量較為合適,溶解性良好,所以選擇PEG6000作為潤滑劑。比較PEG6000的添加比例,結果見表5。

表5 PEG6000添加量的確定

聚乙二醇用量一般在5%以內,過多使用會增加粘沖[17],綜合各項指標,選擇PEG6000添加量為3%。

2.3.4 咖啡粉添加量的確定

比較咖啡粉20%、30%、40%、50%、60%的添加量對泡騰片感官的影響,結果見表6。

表6 咖啡粉的添加量的確定

綜合各項指標,選擇咖啡的添加量為40%,即1片泡騰片中咖啡因的含量63.5±0.7 mg,處于安全劑量范圍內。

2.3.5 木糖醇添加量的確定

木糖醇可以預防齲齒和口腔潰瘍,比較木糖醇8%、12%、16%、20%、24%的添加量對泡騰片的影響,結果見表7。

表7 木糖醇添加量的確定

綜合各項指標,當木糖醇的添加量為20%,其崩解時間和感官評價都較好,所以選擇木糖醇的添加量為20%。

2.4 正交試驗

按照正交試驗設計表,選擇咖啡粉、木糖醇、酸堿比做三因素三水平正交試驗結果,見表8。

表8 試驗方案及結果分析

由表8正交試驗結果可以看出,影響泡騰片品質的各因素影響的主次順序為A>B>C,即咖啡粉添加量>木糖醇添加量>酸堿比例。由K值的分布情況,得到泡騰片的最佳制備條件為A1B1C2,即咖啡粉添加量為30%、木糖醇的添加量為16%、酸堿比為1∶1。按照感官評價分數最高分組合條件是A1B2C2,即咖啡粉添加量為30%、木糖醇的添加量為20%、酸堿比為1∶1,再分別制備這兩個條件下的泡騰片進行驗證。

分別精密稱取同一批次咖啡樣品,按照相同的方法制備,進行驗證試驗,表9為驗證試驗的結果。

表9 驗證試驗

由表9可得A1B2C2組合的感官評價分數比A1B1C2組合高, CO2發泡量相對較多,所以確定咖啡泡騰片的最優組合是A1B2C2。

2.5 泡騰片質量標準

2.5.1 成品形狀

本品為褐色片劑,溶于水后呈澄清溶液。

2.5.2 溶化性

取1片咖啡泡騰片(2.5±0.2 g)置于60 mL溫水中,水溫為15～25 ℃,迅速產生CO2氣體呈沸騰狀,2 min全部溶解,具有咖啡香味口感俱佳。

2.5.3 咖啡因含量檢測

按照1.3.1.2方法,檢測1片泡騰片中的咖啡因的含量為45.1±2.3 mg,劑量安全。

3 結 語

用咖啡粉作為原材料,制備咖啡泡騰片。依據崩解時間、CO2發泡量、感官評價作為標準綜合評定咖啡泡騰片工藝,得到最佳配方:崩解劑選擇檸檬酸與碳酸鈉質量比1∶1,填充劑選擇麥芽糊精添加量為3%,潤滑劑PEG6000添加量為3%、木糖醇添加量為20%、咖啡粉添加量為30%、1片泡騰片中咖啡因的含量為45.1±2.3 mg,制得的咖啡泡騰片片劑完整、表面光滑、泡騰效果好、口感適中、具有咖啡香味,且咖啡因含量在安全范圍內?？Х扰蒡v片拓展了泡騰片的種類,同時也為咖啡粉定量攝入提供了參考依據。后續可以利用超臨界萃取技術,制備去除咖啡因的咖啡粉,開發不含咖啡因的咖啡泡騰片,以解決咖啡因上癮問題。