Box-Behnken設(shè)計-效應(yīng)面法優(yōu)化茴香油β-環(huán)糊精微球包合物的制備工藝研究

楊黎燕,余麗麗,姚 琳

(西安醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院,陜西西安710021)

Box-Behnken設(shè)計-效應(yīng)面法優(yōu)化茴香油β-環(huán)糊精微球包合物的制備工藝研究

楊黎燕,余麗麗,姚 琳

(西安醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院,陜西西安710021)

在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken設(shè)計-效應(yīng)面法(RSA)對影響茴香油β-CDP微球包合物的制備工藝的主要因素反應(yīng)溫度、β-CDP微球與茴香油投料比、水與β-CDP微球投料比進(jìn)行了優(yōu)化,并建立了相應(yīng)的預(yù)測模型。經(jīng)二次多項數(shù)學(xué)模型分析得到優(yōu)化制備條件為:茴香油用量1 m L、β-CDP微球用量5.7 g、水用量50 m L、包合溫度40℃、包合時間1 h,此條件下茴香油平均包合率為86.9%、微球包合物平均產(chǎn)率為93.9%。經(jīng)驗證,應(yīng)用效應(yīng)面法所得到的茴香油β-CDP微球包合物制備工藝是可行的。

茴香油;β-CDP微球包合物;Box-Behnken設(shè)計;效應(yīng)面法

八角茴香油(Aniseed oil)為木蘭科植物八角茴香新鮮枝葉或成熟果實經(jīng)水蒸氣蒸餾得到的揮發(fā)油,是八角茴香主要有效成分之一,為芳香調(diào)味藥及健胃藥,具有溫陽散寒、理氣止痛的功效[1]。但八角茴香油儲存時不穩(wěn)定,容易揮發(fā)損失,致使其進(jìn)一步的開發(fā)受到限制。目前將揮發(fā)油作為芯材進(jìn)行吸附包埋的研究報道較多,其中大部分以β-環(huán)糊精(β-CDP)和淀粉微球作為基質(zhì)[2,3],但持香效果不夠理想。β-CDP微球經(jīng)高分子化后內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、呈蜂窩狀,具有交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),既保留了β-CDP原有的環(huán)內(nèi)疏水、環(huán)外親水的空腔構(gòu)造,又增強了β-CDP空穴的疏水性,促進(jìn)了包合作用的進(jìn)行,可作為藥物載體有效地應(yīng)用于藥物控制釋放[4],用β-CDP微球吸附包載茴香油,理論上可以提高茴香油的包合率和穩(wěn)定性。

作者在此采用飽和水溶液法制備茴香油β-CDP微球包合物,進(jìn)而采用Box-Behnken設(shè)計-效應(yīng)面法(RSA)對其制備條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 實驗

1.1 原料、試劑與儀器

茴香油(批號:20110130),江西吉安振興香料油提煉廠;煤油,陜西和平化學(xué)玻璃有限公司。

β-CDP微球,自制;環(huán)氧氯丙烷,天津福晨化學(xué)試劑廠;Span80、鹽酸,天津市化學(xué)試劑有限公司; Tween20,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;無水乙醇,天津大茂化學(xué)試劑廠;丙酮,天津醫(yī)藥化學(xué)有限公司。所用試劑均為分析純,實驗用水為蒸餾水。

85-2型磁力加熱攪拌器,上海浦東物理光學(xué)儀器廠;DZF型真空干燥箱,北京科偉永興儀器有限公司;揮發(fā)油提取器,津南玻璃儀器儀表廠;JJ-1型電動攪拌器,江蘇金壇正基儀器有限公司;601型恒溫水浴鍋,江蘇金壇醫(yī)療儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 空白β-CDP微球的制備

參照文獻(xiàn)[5]合成β-CDP微球。

1.2.2 茴香油β-CDP微球包合物的制備

采用飽和水溶液法制備[6]。取一定量的β-CDP微球,加適量蒸餾水加熱溶解,放涼至所需溫度,加1 m L茴香油混合,密封,恒溫電磁攪拌適當(dāng)時間后取出,自然冷卻后冰箱冷藏過夜(24 h),取出離心,置40℃真空干燥箱內(nèi)減壓干燥6 h,即得茴香油β-CDP微球包合物。

1.3 評價指標(biāo)

將微球包合物置于500 m L的平底燒瓶中,加蒸餾水250 m L,連接揮發(fā)油測定器。按《中國藥典》(一部)2010年版附錄揮發(fā)油測定法(甲法)[1]測定揮發(fā)油的含量。按照公式(1)和(2)計算茴香油包合率(Y1)和茴香油β-CDP微球包合物產(chǎn)率(Y2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

選定β-CDP微球與茴香油的投料比(g∶m L,下同)、水與β-CDP微球投料比(m L∶g,下同)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間為主要影響因素,以綜合得分(Y)為考核指標(biāo)(選定包合率、產(chǎn)率權(quán)重系數(shù)分別為0.5,Y=0.5 ×Y1+0.5×Y2),進(jìn)行單因素實驗。

2.1.1 β-CDP微球與茴香油的投料比對包合效果的影響

在包合溫度為30℃、水與β-CDP微球投料比為10∶1、包合時間為1 h的條件下,考察β-CDP微球與茴香油的投料比對包合效果的影響,結(jié)果見圖1。

圖1 β-CDP微球與茴香油的投料比對包合效果的影響Fig.1 Effect of the proportion ofβ-CDP microspheres and aniseed oil on inclusion

由圖1可知,隨β-CDP微球用量的增加,綜合得分逐漸上升;當(dāng)β-CDP微球與茴香油的投料比為5∶1時,綜合得分最高;繼續(xù)增加β-CDP微球用量,綜合評分逐漸趨于平緩,并有下降的趨勢。

2.1.2 水與β-CDP微球的投料比對包合效果的影響

在包合溫度為30℃、β-CDP微球與茴香油的投料比為5∶1、包合時間為1 h的條件下,考察水與β-CDP微球的投料比對包合效果的影響,結(jié)果見圖2。

由圖2可知,隨著水用量的增加,綜合得分逐漸上升;當(dāng)水與β-CDP微球的投料比超過10∶1后,綜合得分反而有所回落。這可能是因為,隨著水用量的增加,β-CDP微球分散得更好,和茴香油接觸更充分,當(dāng)水用量逐漸達(dá)到飽和后,β-CDP微球和茴香油濃度不再增加,包合效果下降。

圖2 水與β-CDP微球的投料比對包合效果的影響Fig.2 Effect of the proportion of water andβ-CDP microspheres on inclusion

2.1.3 包合溫度對包合效果的影響

包合溫度直接影響著茴香油在水中的溶解度及包合過程的揮發(fā)程度,是影響包合效果的一個較為重要的因素。在β-CDP微球與茴香油的投料比為5∶1、水與β-CDP微球的投料比為10∶1、包合時間為1 h的條件下,考察包合溫度對包合效果的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 包合溫度對包合效果的影響Fig.3 Effect of inclusion temperature on inclusion

由圖3可知,隨著包合溫度的升高,綜合得分先上升后下降;在包合溫度為40℃時,綜合得分最高。這可能是因為,隨著包合溫度的升高,揮發(fā)油中各種物質(zhì)分子運動速度加快,與β-CDP微球接觸機(jī)會增多,茴香油包合率、包合物產(chǎn)率增大,但包合溫度過高時,茴香油的揮發(fā)性也隨之增大,包合效果下降。

2.1.4 包合時間對包合效果的影響

在β-CDP微球與茴香油的投料比為5∶1、水與β-CDP微球的投料比為10∶1、包合溫度為30℃的條件下,考察包合時間對包合效果的影響,結(jié)果見圖4。

由圖4可知,包合時間對綜合得分的影響不是很顯著,隨著包合時間的延長,綜合得分逐漸上升,后趨于平緩并有所回落。這可能是因為,隨著包合時間的延長,β-CDP微球充分包合茴香油,當(dāng)包合處于飽和狀態(tài)后,再延長包合時間,反而不利于茴香油的包合。綜合考慮能耗因素,包合時間選擇1 h較好。

圖4 包合時間對包合效果的影響Fig.4 Effect of inclusion time on inclusion

2.2 效應(yīng)面法優(yōu)化制備條件

以茴香油包合率(Y1)和微球包合物產(chǎn)率(Y2)為指標(biāo),采用綜合評分法對其影響因素排序。設(shè)定Y1、Y2最高為10分,最低為1分,計算各組實驗得分,將Y1和Y2得分相加得出經(jīng)驗得分Y0;運用SPSS軟件得出回歸方程式:Y'=0.158 Y1+0.262 Y2-29.423,將實測值代入回歸方程中得到線性回歸綜合評分(Y')。以Y'作為響應(yīng)值,選取β-CDP微球與茴香油的投料比(A)、水與β-CDP微球的投料比(B)、包合溫度(C)3個對微球包合物制備影響顯著的因素作為自變量,每個自變量的低、中、高水平以-1、0、1為編碼,進(jìn)行3因素3水平Box-Behnken設(shè)計,RSA實驗因素與水平見表1,結(jié)果及分析見表2。

表1 效應(yīng)面實驗因素與水平Tab.1 Factors and levels of RSA experiment

利用Design-Expert7.0軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出二次多元回歸模型方程:Y'=9.12+1.83A+ 0.92B-0.65C-0.74AB+1.01AC+0.6BC-1.21A2-1.5B2-1.6C2,R2=0.9927。方差分析見表3。

由表3可知,模型為顯著性。各顯著性影響因素對綜合評分的影響次序為:β-CDP微球與茴香油的投料比＞水與β-CDP微球的投料比＞包合溫度。

當(dāng)β-CDP微球與茴香油的投料比、水與β-CDP微球投料比、包合溫度3因素之一取零水平時,考察其它兩因素對綜合得分的影響,得到綜合評分的效應(yīng)曲面圖,見圖5。

表2 效應(yīng)面實驗結(jié)果Tab.2 Results of RSA experiment

表3 方差分析Tab.3 Results of regression analysis

由圖5可知,在實驗范圍內(nèi),綜合評分隨實驗3因素的變化趨勢都是先增大后減小。對回歸方程的3個自變量分別取一階偏導(dǎo),并令偏導(dǎo)方程等于零,整理得:

圖5 綜合評分的效應(yīng)曲面Fig.5 Response surface of composite score

由式(3)～(5)解得A=0.738,B=0.136,C= 0.055。由此得到優(yōu)化的制備條件為:β-CDP微球與茴香油的投料比5.74∶1,水與β-CDP微球投料比10.2∶1,包合溫度40.5℃,理論最佳綜合評分為9.84。

為檢測效應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性并考慮到實際可操作性,調(diào)整優(yōu)化制備條件為:茴香油用量1 m L、β-CDP微球用量5.7 g、水用量50 m L、包合溫度40℃、包合時間1 h。進(jìn)行3次驗證實驗,茴香油平均包合率為86.9%,微球包合物平均產(chǎn)率為93.9%,平均綜合評分為9.70。

3 結(jié)論

在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken設(shè)計-效應(yīng)面法(RSA)對茴香油β-CDP微球包合物的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化,得到優(yōu)化制備條件為:茴香油用量1 m L、β-CDP微球用量5.7 g、水用量50 m L、包合溫度40℃、包合時間1 h,在此條件下茴香油平均包合率為86.9%、微球包合物平均產(chǎn)率為93.9%。經(jīng)驗證,應(yīng)用效應(yīng)面法所得到的茴香油β-CDP微球包合物制備工藝是可行的。

[1] 國家藥典委員會.中國藥典(一部)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2010:附錄.

[2] 曾俊,楊宗發(fā).β-環(huán)糊精及其衍生物在中藥領(lǐng)域中的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生,2008,24(2):229-230.

[3] 張幸生.丁香油β-環(huán)糊精包合物的制備工藝研究[J].時珍國醫(yī)國藥,2005,16(12):1270-1271.

[4] Liu Y Y.Release of chlorambucil from poly(N-isopropylacrylamide)hydrogels with beta-cyclodextrin moieties[J].Macromolecular Bioscience,2004,4(8):729-733.

[5] 吳文娟,鄭敦勝,蔡詩填,等.β-環(huán)糊精聚合物微球的合成及藥物控釋行為的研究[J].中藥材,2007,30(3):329-333.

[6] Zhang W F,Chen X G,Li P W,et al.Preparation and characterization of carboxymethyl chitosan and beta-cyclodextrin microspheres by spray drying[J].Drying Technology,2008,26(1):108-115.

Application of Box-Behnken Design and Response Surface Methodology to Optimize Preparation Process of Aniseed Oil-β-CDP Microspheres Inclusion Compound

YANG Li-yan,YU Li-li,YAO Lin
(College of Pharmacy,Xi'an Medical University,Xi'an 710021,China)

On the basis of single factor experiment,a three-factor,three-level Box-Behnken design combining with response surface methodology(RSA)was employed to optimize three crucial preparation conditions for aniseed oil-β-cyclodextrin polymer microspheres inclusion compound.The mathematical regression model indicated that the optimum technological conditions were as follows:aniseed oil amount was 1 m L,water amount was 50 m L,β-CDP amount was 5.7 g,inclusion temperature was 40℃and inclusion time was 1 h.The average encapsulation rate of aniseed oil,the average yield of the inclusion compound under the optimized conditions were 86.9%and 93.9%,respectively.It was verified that the optimum preparation process for aniseed oil-β-CDP microspheres inclusion compound was feasible.

aniseed oil;β-cyclodextrin polymer microspheres inclusion compound;Box-Behnken design;response surface methodology

O 636.12

A

1672-5425(2013)03-0050-04

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.013

陜西省衛(wèi)生廳科研資助項目(2012D14),陜西省教育廳科研計劃資助項目(11JK0694)

2012-12-05

楊黎燕(1968-),女,陜西渭南人,碩士,副教授,研究方向:高分子材料制備及應(yīng)用,E-mail:yangliyan923@163.com。