設(shè)計(jì)空間法優(yōu)化銀杏葉滴丸滴制工藝

申基琛+王青青+陳安+潘方來(lái)+龔行楚+瞿海斌

[摘要] 運(yùn)用設(shè)計(jì)空間法優(yōu)化銀杏葉滴丸滴制工藝。首先通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)調(diào)研確定潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)和潛在關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后采用Box-Behnken設(shè)計(jì)開展試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)，再采用二階多項(xiàng)式模型描述關(guān)鍵工藝參數(shù)與關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)間的定量關(guān)系，最后計(jì)算獲得基于概率的設(shè)計(jì)空間并驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，在工藝參數(shù)設(shè)計(jì)空間內(nèi)操作能夠確保銀杏葉滴丸高效產(chǎn)出。銀杏葉滴丸滴制工藝關(guān)鍵參數(shù)的推薦操作范圍為：滴距5.5～6.7 cm，滴速59～60 滴/min，為銀杏葉滴丸的工業(yè)生產(chǎn)提供了參考。

[關(guān)鍵詞] 銀杏葉滴丸；滴制工藝；關(guān)鍵工藝參數(shù)；設(shè)計(jì)空間

[Abstract] In this paper， a design space approach was applied to optimize the dropping process of Ginkgo biloba dropping pills. Firstly， potential critical process parameters and potential process critical quality attributes were determined through literature research and pre-experiments. Secondly， experiments were carried out according to Box-Behnken design. Then the critical process parameters and critical quality attributes were determined based on the experimental results. Thirdly， second-order polynomial models were used to describe the quantitative relationships between critical process parameters and critical quality attributes. Finally， a probability-based design space was calculated and verified. The verification results showed that efficient production of Ginkgo biloba dropping pills can be guaranteed by operating within the design space parameters. The recommended operation ranges for the critical dropping process parameters of Ginkgo biloba dropping pills were as follows： dropping distance of 5.5-6.7 cm， and dropping speed of 59-60 drops per minute， providing a reference for industrial production of Ginkgo biloba dropping pills.

[Key words] Ginkgo biloba dropping pills；dropping process；critical process parameters；design space

銀杏葉具有活血化瘀、平喘斂肺、清心明智等功效，其制劑在臨床上常用于治療冠心病、心絞痛、腦梗死、老年癡呆等疾病[1]。銀杏葉滴丸是《中國(guó)藥典》2015年版一部[2]里的收載品種，其制法為：取銀杏葉提取物，加聚乙二醇，加熱熔化，混勻，滴入甲基硅油冷卻劑中，制成丸。從工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況分析，滴制工藝對(duì)滴丸的質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大。滴制工藝參數(shù)較多，如滴速、滴頭與冷凝液液面距離、冷凝液溫度等。但是，目前針對(duì)銀杏葉滴丸滴制工藝的研究很少，滴制工藝參數(shù)與滴丸質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)系并不明確。

近年來(lái)，質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（quality by design，QbD）理念在國(guó)際制藥領(lǐng)域產(chǎn)品和工藝開發(fā)中得到大力推行[3]。QbD強(qiáng)調(diào)理解藥品生產(chǎn)過(guò)程，即明確工藝參數(shù)如何影響工藝指標(biāo)。實(shí)施QbD的關(guān)鍵之一是獲取設(shè)計(jì)空間（Design space）。設(shè)計(jì)空間指能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量的輸入變量（例如原料屬性和工藝參數(shù)等）的范圍。獲取設(shè)計(jì)空間的主要步驟為：確定評(píng)價(jià)工藝的關(guān)鍵指標(biāo)；辨識(shí)影響這些指標(biāo)的關(guān)鍵工藝參數(shù)；采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，建立工藝評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)與關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型；計(jì)算設(shè)計(jì)空間并驗(yàn)證。設(shè)計(jì)空間法已廣泛應(yīng)用在化學(xué)藥和生物藥的工藝研究中[4-5]，也應(yīng)用在中成藥的分離、純化等工藝研究中[6-7]。

本研究運(yùn)用設(shè)計(jì)空間法優(yōu)化銀杏葉滴丸的滴制工藝，計(jì)算獲得基于概率的設(shè)計(jì)空間并驗(yàn)證，為提升銀杏葉滴丸生產(chǎn)技術(shù)水平提供方法。

1 材料

數(shù)控超級(jí)恒溫槽（ZCY-15B，寧波天恒儀器廠）；數(shù)顯測(cè)速電動(dòng)攪拌器（JJ-1A，常州潤(rùn)華電器有限公司）；多功能滴丸試驗(yàn)機(jī)（DWJ-2000S，煙臺(tái)康達(dá)爾藥業(yè)有限公司和煙臺(tái)百藥泰中藥科技發(fā)展有限公司聯(lián)合制造）；電子天平（XS105型，Mettler Toledo公司）；智能溶出試驗(yàn)儀（ZRS-8GD，天津市天大天發(fā)科技有限公司）。

銀杏葉提取物（批號(hào)20161002，江蘇貝斯康藥業(yè)有限公司）；聚乙二醇4000（批號(hào)FS160927276，遼寧奧克醫(yī)藥輔料有限公司）；二甲基硅油（350Cst，批號(hào) 20160901，江西阿爾法高科藥業(yè)有限公司），石油醚（批號(hào) 20161021，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

2 方法

2.1 銀杏葉滴丸的制備 銀杏葉滴丸制備參照《中國(guó)藥典》2015年版：先將玻璃夾套反應(yīng)器與數(shù)控超級(jí)恒溫槽相連，開啟數(shù)控超級(jí)恒溫槽，設(shè)置溫度為80 ℃，待溫度穩(wěn)定后，開啟循環(huán)泵，然后將聚乙二醇4000加入玻璃夾套反應(yīng)器中，待其成為熔融狀態(tài)后，用電動(dòng)攪拌器攪拌，攪拌速度400 r·min^-1，再加入銀杏葉提取物，繼續(xù)攪拌20 min，最后將混合藥液轉(zhuǎn)移至多功能滴丸試驗(yàn)機(jī)的滴罐中。多功能滴丸試驗(yàn)機(jī)的示意圖見圖1，冷卻柱高度1.68 m，滴頭口內(nèi)徑2.0 mm，外徑5.5 mm。試驗(yàn)時(shí)，待滴丸機(jī)上的工藝參數(shù)達(dá)到設(shè)定值并且平衡后，打開滴制速度手柄使混合藥液滴入二甲基硅油中，每次試驗(yàn)加入約50 g的混合藥液，得到大約800顆滴丸。滴制完畢后，收集滴丸機(jī)出粒板上的滴丸，然后在通風(fēng)櫥中用沸程30～60 ℃的石油醚洗滌滴丸并風(fēng)干，再用6目不銹鋼分樣篩篩選滴丸并將篩好的滴丸裝好備用。滴制時(shí)若滴速達(dá)不到設(shè)定的滴速，則采用氮?dú)怃撈砍錃饧訅?，在整個(gè)滴制過(guò)程中需要調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁縼?lái)維持滴速恒定。試驗(yàn)中也觀察到滴速不能無(wú)限增加：氮?dú)饧訅喝绻^(guò)大，藥液呈線狀下落，無(wú)法制成滴丸。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和其他滴丸的研究論文[8-10]，選擇冷凝液頂部溫度（X₁）、冷凝液底部溫度（X₂）、滴距（X₃）和滴速（X₄）作為銀杏葉滴丸滴制工藝的潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)，以成品率、溶散時(shí)限和產(chǎn)能作為滴制工藝潛在關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的定量關(guān)系。試驗(yàn)中各因素及水平見表1，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

2.3 分析方法 成品率的測(cè)定采用取樣稱重法。參照《中國(guó)藥典》2015年版四部里的其他通則中的藥材和飲片取樣法[11]：做出的滴丸顆數(shù)在100～1 000顆的，按總數(shù)的5%進(jìn)行取樣，若滴丸顆數(shù)超過(guò)1 000顆，則取樣顆數(shù)為50+（滴丸總顆數(shù)-1 000）×1%，取樣方法按四分法進(jìn)行。將取樣所得滴丸逐個(gè)稱量，本研究所用滴丸機(jī)的標(biāo)示丸重為60 mg，根據(jù)《中國(guó)藥典》2015年版四部中的制劑通則滴丸質(zhì)量差異評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]，滴丸質(zhì)量在52.8～67.2 mg均為合格滴丸。滴丸的成品率（Y₁）的計(jì)算公式如下。

式中m為制得的滴丸質(zhì)量，M為加入滴丸機(jī)的混合藥液質(zhì)量，N為滴丸取樣顆數(shù)，n為取樣滴丸中合格滴丸的顆數(shù)。

本研究中產(chǎn)能的定義為每分鐘內(nèi)合格滴丸的產(chǎn)出顆數(shù)。產(chǎn)能的測(cè)定方法為：按表2設(shè)的滴制工藝條件滴制滴丸并記錄每批滴丸的滴制過(guò)程所消耗的時(shí)間，取樣估計(jì)每批制備好的滴丸中合格滴丸的顆數(shù)。產(chǎn)能（Y₂）按如下公式計(jì)算。

式中m樣為取樣滴丸的總質(zhì)量，t為滴制過(guò)程耗時(shí)。

2.4 數(shù)據(jù)處理 建立關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)和關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系時(shí)采用下式計(jì)算。

其中a₀為常數(shù)項(xiàng)，a_i，a_ii，a_ij為回歸系數(shù)。采用逐步回歸法簡(jiǎn)化方程，模型移入和移出特定項(xiàng)的P設(shè)定為0.05。相關(guān)回歸計(jì)算由Design Expert V8.0.6.1（美國(guó)Stat-Ease公司）完成。使用MODDEPro11.01（美國(guó)MKS Umetrics公司）計(jì)算設(shè)計(jì)空間，計(jì)算條件：分辨率設(shè)為64，試驗(yàn)失敗概率最大值設(shè)為5%，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的模擬次數(shù)為5萬(wàn)次。模擬時(shí)試驗(yàn)失敗概率小于或等于設(shè)定的試驗(yàn)失敗概率最大值的工藝參數(shù)組合為設(shè)計(jì)空間。

3 結(jié)果與討論

3.1 關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo) 《中國(guó)藥典》2015年版四部[11]中規(guī)定滴丸劑需要檢查其丸重和溶散時(shí)限。參照《中國(guó)藥典》2015年版四部中的崩解時(shí)限檢查法[11]測(cè)定了本研究所制備滴丸的溶散時(shí)限，發(fā)現(xiàn)都小于20 min，均符合規(guī)定，故在本研究中不作為關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)中產(chǎn)出的滴丸的丸形總體上都比較良好，故不以其為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。成品率包含對(duì)丸重的檢測(cè)并能考察滴制工藝產(chǎn)出合格滴丸的能力，表2中成品率變化在2.2%～101.4%，說(shuō)明受工藝參數(shù)變化的影響很大，所以本研究將成品率作為關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)能是企業(yè)所擁有的加工能力的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，它反映的是企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，表2中產(chǎn)能變化很明顯，在1～56顆/min，所以本研究也將產(chǎn)能作為滴制工藝的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

3.2 關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定及其影響規(guī)律 以公式（3）建立統(tǒng)計(jì)模型，模型結(jié)果為：Y₁=57.87+18.48X₃-15.04X²₃+38.33X²₄（R²=0.823，R²adj=0.800，模型P<0.000 1，失擬檢驗(yàn)P=0.255），Y₂=22.08+7.92X₃+15.00X₄-5.78X²₃+12.84X²₄（R²=0.902，R²adj=0.885，模型P<0.000 1，失擬檢驗(yàn)P=0.298）。各模型的決定系數(shù)R²均大于0.80，說(shuō)明所建立的統(tǒng)計(jì)模型能解釋大部分?jǐn)?shù)據(jù)變異。模型中沒(méi)有X₁項(xiàng)和X₂項(xiàng)，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)冷凝液頂部溫度和冷凝液底部溫度對(duì)工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)顯著影響。模型中有X₃和X₄項(xiàng)，說(shuō)明滴距和滴速對(duì)成品率和產(chǎn)能的影響顯著，可以認(rèn)為是滴制工藝的關(guān)鍵參數(shù)。

成品率的等值線圖見圖2。成品率隨著滴速的增加存在先減少后增加的趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)增加滴距可以提高成品率。原因可能是滴距小、滴速快時(shí)，滴丸在冷凝液中易粘連聚并，使滴丸質(zhì)量偏大而降低成品率；當(dāng)?shù)尉啻?、冷凝柱頂部溫度高時(shí)，藥液滴入冷凝液后，液滴容易斷裂而產(chǎn)生質(zhì)量偏小的滴丸，最終降低成品率。產(chǎn)能的等值線圖見圖3。在一定范圍內(nèi)，增加滴距有利于產(chǎn)能的提高。產(chǎn)能總體上隨著滴速的增加而增大。

3.3 設(shè)計(jì)空間及驗(yàn)證 在實(shí)際生產(chǎn)中，滴丸成品率和產(chǎn)能都很重要，所以希望成品率≥80%，產(chǎn)能≥40顆/min。計(jì)算所得設(shè)計(jì)空間見圖4。從圖4可以看出設(shè)計(jì)空間的形狀不規(guī)則，設(shè)計(jì)空間的范圍處于滴距5.10～7.00 cm，滴速58～60 滴/min。為了便于操作，推薦的工藝條件操作范圍是：滴距5.5～6.7 cm，滴速59～60滴/min。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)空間的可靠性，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)外取點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證條件及結(jié)果見表3。在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的工藝條件V3，V4下生產(chǎn)滴丸，均可以使得滴丸的成品率超過(guò)80%，產(chǎn)能大于40顆/min，成品率最大能達(dá)到90%以上，產(chǎn)能最大能超過(guò)50顆/min。在設(shè)計(jì)空間外的工藝條件V1，V2下做出的滴丸成品率雖然都高于80%，但是產(chǎn)能均低于40顆/min，在設(shè)計(jì)空間外的工藝條件V5下生產(chǎn)滴丸，成品率和產(chǎn)能均不能達(dá)到要求。成品率和產(chǎn)能的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值較為接近，說(shuō)明所建統(tǒng)計(jì)模型適用，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)操作能保證滴丸的成品率和產(chǎn)能滿足要求。

4 結(jié)論

本文采用設(shè)計(jì)空間法優(yōu)化銀杏葉滴丸滴制工藝。先通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)研究和文獻(xiàn)調(diào)研確定潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)和潛在關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)，再使用二階多項(xiàng)式模型描述關(guān)鍵工藝參數(shù)與關(guān)鍵工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)間的定量關(guān)系，最后計(jì)算獲得基于概率的設(shè)計(jì)空間并驗(yàn)證。本研究發(fā)現(xiàn)成品率隨著滴速的增加存在先減少后增加的趨勢(shì)，產(chǎn)能總體隨著滴速的增加而增大。在一定范圍內(nèi)增加滴距可以提高成品率和產(chǎn)能。銀杏葉滴丸滴制工藝的推薦操作空間為滴距5.5～6.7 cm，滴速59～60滴/min，在該操作空間內(nèi)，成品率大于80%、產(chǎn)能大于40顆/min的概率均可達(dá)到0.95以上，并且驗(yàn)證結(jié)果和預(yù)測(cè)值符合良好，這表明在該工藝參數(shù)設(shè)計(jì)空間內(nèi)操作能保證銀杏葉滴丸高效優(yōu)良地產(chǎn)出。上述研究結(jié)果，增加了對(duì)銀杏葉滴丸滴制工藝的理解，為銀杏葉滴丸的工業(yè)生產(chǎn)提供了參考。

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[責(zé)任編輯 孔晶晶]