確定性篩選設(shè)計(jì)優(yōu)化一種復(fù)合鈣制劑的工藝

李凱，張美萍，麻開香，柴彩云，王麗娟，徐曉霞，管勤浩，李曉慧

（北京振東光明藥物研究院有限公司，北京100089）

胎兒生長發(fā)育所需的營養(yǎng)素全部由母體供給，孕婦對(duì)各種營養(yǎng)素的需求量隨之也要增加[1]。維生素D3，又名膽鈣化醇，是體內(nèi)發(fā)揮生理作用的物質(zhì)形態(tài)，具有提高腸道對(duì)鈣離子的攝入，促進(jìn)骨骼形成的作用[2-3]。鈣是人體內(nèi)含量最多的礦物質(zhì)元素[2]，胎兒骨骼的形成過程中需要大量的鈣元素供給[4-7]，因此母體的鈣攝入就必須相應(yīng)的增加；同時(shí)對(duì)維生素D3的攝入有助于機(jī)體對(duì)鈣的吸收[1]，促進(jìn)骨骼的形成。孕婦為了補(bǔ)充分娩時(shí)丟失的血液和胎兒肝內(nèi)貯鐵，也要增加鐵的攝入量。葉酸的攝入不足會(huì)導(dǎo)致胎兒神經(jīng)管畸形和巨幼紅細(xì)胞性貧血等疾病[8-9]，因此孕早期就應(yīng)該補(bǔ)充適量的葉酸。本試驗(yàn)研制的復(fù)合鈣是針對(duì)孕婦這一特殊群體的。該復(fù)合鈣是以檸檬酸鈣、乳酸亞鐵、維生素D3、葉酸為主要原料制成的膳食營養(yǎng)補(bǔ)充劑，具有補(bǔ)充鈣、鐵、維生素D3和葉酸的功效。

復(fù)合鈣的制備流程：原輔料混合→制軟材→制?！稍铩！偦臁鷫浩b。濕法制粒[10-14]工藝是將原輔料加工成藥物粉末，再加入粘合劑使得粉末聚集成顆粒的方法，具有生產(chǎn)工藝成熟，顆粒質(zhì)量較好，壓縮性好等有點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

正交設(shè)計(jì)和響應(yīng)面設(shè)計(jì)是常用的2 種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，當(dāng)考察因素較多時(shí)，二者的試驗(yàn)次數(shù)很多。而確定性篩選設(shè)計(jì)[15-19]（definitive screening design，DSD），在多數(shù)情況下只需要較少的試驗(yàn)次數(shù)就可以得到最優(yōu)的水平。本試驗(yàn)采用確定性篩選設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)合鈣的輔料用量及制備工藝進(jìn)行篩選及優(yōu)化，確定了最優(yōu)輔料用量和工藝參數(shù)。為復(fù)合鈣的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

檸檬酸鈣、乳酸亞鐵、維生素D3、葉酸：北京振東光明藥物研究院；赤蘚糖醇：保齡寶生物股份有限公司；聚維酮K30、羧甲基纖維素鈉、硬脂酸鎂：安徽山河藥用輔料股份有限公司；香精：山東三和維信生物科技有限公司；阿斯巴甜：河北百優(yōu)生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平（YP1002N）：上海精密科學(xué)儀器公司；三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)（HS-15）：江蘇星星干燥設(shè)備有限公司；高效混合制粒機(jī)：浙江明天機(jī)械有限公司；搖擺制粒機(jī)（YK60）：江蘇星星干燥設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（Labonce-9240A）：上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；快速水分測(cè)定儀（HX/HS）：梅特勒-托利多有限公司；旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)（ZP10A）：北京國藥龍立有限公司；脆碎度檢查儀（FT-2000A）、硬度測(cè)定儀（YD-35）：天大天發(fā)科技有限公司；電磁感應(yīng)鋁箔封口機(jī)（GLF-2100）：廣東聯(lián)翔包裝科技有限公司；原子吸收分光光度計(jì)（PinAAcle900T）：美國 Perkein Elemer 有限公司；高效液相色譜儀（2475）：Waters 科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合鈣輔料用量及制粒工藝的初步篩選

分別以維生素D3的加入方式（內(nèi)加或者外加）、羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose sodium，CMCNa）用量、聚維酮 K30（povidone，PVP）用量、加水量和干燥時(shí)間為考察因素，以合格顆粒（65 目

1.3.2 葉酸和維生素D3的加入方式對(duì)其含量的影響

以制粒為工藝分界點(diǎn)，內(nèi)加是在制粒之前添加葉酸和維生素D3，外加是在制粒之后添加葉酸和維生素D3。根據(jù)1.3.1 給出的最佳輔料用量進(jìn)行制粒，用四分法進(jìn)行取樣，5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并用藥典中的葉酸片[20]和維生素D3[20]的檢測(cè)方法進(jìn)行含量測(cè)定。

1.3.3 復(fù)合鈣混合工藝的優(yōu)化

按照表3 設(shè)計(jì)配方進(jìn)行優(yōu)化，（總投料量為1 000 g，其中PVP 的水溶液濃度為10%，CMC-Na 的添加量為2.0%），用濕法制粒機(jī)進(jìn)行制粒，18 目篩網(wǎng)濕整，所得顆粒放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥（干燥溫度55 ℃）。干顆粒加入維生素D3、葉酸和硬脂酸鎂后進(jìn)行總混，混勻后進(jìn)行壓片。

1.3.4 復(fù)合鈣的外觀、硬度、脆碎度、重量差異

根據(jù)《中國藥典》2015 版四部，對(duì)復(fù)合鈣的外觀，硬度，脆碎度，崩解時(shí)限，重量差異進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.5 復(fù)合鈣綜合評(píng)分

找食品加工專業(yè)人員10 名組成評(píng)議小組，按照表5的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所得的復(fù)合鈣進(jìn)行綜合評(píng)分。綜合得分=外觀得分×0.2+硬度得分×0.3+脆碎度×0.1+口感×0.4。

1.3.6 復(fù)合鈣最優(yōu)配方及工藝驗(yàn)證

根據(jù)DSD 篩選出的最優(yōu)配方及工藝參數(shù)，放大10 倍量制備一批鈣片，并對(duì)其鈣、鐵、銅、葉酸和維生素D3進(jìn)行檢測(cè)。并按照1.3.4 的方法對(duì)復(fù)合鈣片的片重差異、脆碎度和硬度進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合鈣輔料用量及制粒工藝的初步篩選

對(duì)復(fù)合鈣的CMC-Na、PVP 添加量、加水量、維生素D3及干燥時(shí)間采用DSD 進(jìn)行優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 復(fù)合鈣輔料用量及制粒工藝的初步篩選Table 1 Preliminary screening of compound calcium supplementary material quantity and granulation technology

續(xù)表1 復(fù)合鈣輔料用量及制粒工藝的初步篩選Continue table 1 Preliminary screening of compound calcium supplementary material quantity and granulation technology

根據(jù)表1 的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)CMC-Na、PVP 添加量、加水量、維生素D3的加入方式以及干燥時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。以合格顆粒（65 目

構(gòu)造的模型的P 值小于0.01，表明具有顯著統(tǒng)計(jì)意義（P<0.05）。式（1）是以合格顆粒比例為評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸模型。模型中的自變量CMC-Na 添加量、PVP 加入量、加水量這3 個(gè)因素具有顯著統(tǒng)計(jì)意義（P<0.05）。表明，CMC-Na 的添加量、PVP 的加入量和加水量對(duì)合格顆粒的比例影響較大，而干燥時(shí)間和維生素D3的加入方式對(duì)合格顆粒的影響不大。根據(jù)DSD 給出的最優(yōu)結(jié)果為CMC-Na 為2.0%，PVP 加入量為2%，加水量為27 g 時(shí)，合格顆粒的數(shù)量最多。

2.2 添加方式對(duì)葉酸和維生素D3的含量影響

在CMC-Na 為2.0%，PVP 加入量為2%，加水量為27 g 的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合鈣的維生素D3和葉酸的添加方式進(jìn)行考察，具體的結(jié)果見表2。

表2 添加方式對(duì)葉酸和維生素D3 的含量影響Table 2 Effects of addition ways on folic acid and vitamin D3 contents μg/g

從表2 可以看出，加入方式的不同對(duì)葉酸和維生素D3的含量有明顯的變化，外加的添加方式更接近理論添加量。且從葉酸和維生素D3的檢測(cè)含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差來看，外加的比內(nèi)加的要低。這是由于內(nèi)加的方式：維生素D3是經(jīng)過β-環(huán)糊精包合的，在濕法制粒的過程中可能由于高速攪拌，高速剪切力的作用，導(dǎo)致其包埋層破裂，使得其不穩(wěn)定導(dǎo)致的含量偏低[21]；葉酸是水溶性的維生素，不適宜進(jìn)行制粒操作。在濕法制粒過程中粘合劑的加入導(dǎo)致其分布不勻，且使得葉酸隨著粘合劑的加入粘在容器壁表面，進(jìn)而導(dǎo)致其含量降低。

2.3 復(fù)合鈣混合工藝的優(yōu)化

對(duì)復(fù)合鈣的混合工藝參數(shù)混合時(shí)間、混合轉(zhuǎn)速、粘合劑的添加量及顆粒水分4 個(gè)因素在3 個(gè)水平下進(jìn)行確定性篩選設(shè)計(jì)，具體結(jié)果見表3。

表3 復(fù)合鈣混合工藝的優(yōu)化Table 3 Optimization of mixing process of compound calcium

由于復(fù)合鈣的配方中的維生素D3含量僅為0.20%，故以維生素D3含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此來表征物料混合是否均勻，RSD 值越小，表明物料混合越均勻。根據(jù)表3的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)顆粒水分、混合時(shí)間、混合轉(zhuǎn)速、粘合劑添加量進(jìn)行了優(yōu)化，其中粘合劑添加量表示聚維酮的水溶液濃度。對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行向前逐步多元回歸，得：

式（2）是以維生素D3含量檢測(cè)值的RSD 值為評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸模型，具有顯著統(tǒng)計(jì)意義（P＜0.05），模型中的自變量混合時(shí)間、混合轉(zhuǎn)速、黏合劑的添加量這3個(gè)因素具有顯著統(tǒng)計(jì)意義（P＜0.05）。式（2）表明，混合時(shí)間、混合轉(zhuǎn)速、粘合劑的添加量以及混合時(shí)間與混合轉(zhuǎn)速的交互作用、混合轉(zhuǎn)速的二階效應(yīng)和粘合劑添加量的二階效應(yīng)對(duì)維生素D3的RSD 值影響較大，而顆粒水分對(duì)綜合評(píng)分影響不大。根據(jù)DSD 給出的最優(yōu)結(jié)果：混合時(shí)間25 min，混合轉(zhuǎn)速25 Hz，粘合劑添加量為10%時(shí)，復(fù)合鈣中的維生素D3的RSD 值最小為0.75%，表明物料混合均勻。

利用確定性篩選設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合鈣的輔料用量及工藝參數(shù)進(jìn)行了2 次篩選和優(yōu)化，2 次篩選設(shè)計(jì)都不超過14 次試驗(yàn)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)CMC-Na 用量等4 個(gè)考察因素和顆粒水分等4 個(gè)考察因素的篩選和優(yōu)化，得到了相應(yīng)的回歸方程。DSD 利用“Sparsity-of-Effects principle”[22]，有效地減少了試驗(yàn)次數(shù)也可以進(jìn)行多元回歸。且DSD 最少只需要2k+1 次試驗(yàn)，通過合理巧妙地安排試驗(yàn)方案，使一次項(xiàng)與二次項(xiàng)正交，各項(xiàng)之間的相關(guān)性相當(dāng)小。

2.4 復(fù)合鈣最優(yōu)配方及工藝驗(yàn)證

根據(jù)DSD 給出的最佳輔料用量為：羧甲基纖維素鈉2.00%，聚維酮K30 2.00%。且在最佳的工藝條件下：粘合劑添加量為10%，切割速率300 r/min，攪拌速率150 r/min，制粒時(shí)間240 s，混合轉(zhuǎn)速25 Hz，混合時(shí)間25 min，干燥溫度55 ℃；干燥時(shí)間60 min 并進(jìn)行壓片處理。

2.4.1 復(fù)合鈣片質(zhì)量檢測(cè)

隨機(jī)選取20 片并對(duì)其進(jìn)行稱重，理論片重為1.0 g，片重差異均在±5%內(nèi)，即0.95 g～1.05 g 之間，均符合藥典標(biāo)準(zhǔn)；連續(xù)20 片測(cè)其硬度，表明硬度范圍在150 N～180 N 之間；取復(fù)合鈣片約6.50 g 測(cè)其脆碎度，結(jié)果表明脆碎度為0.70%。符合藥典標(biāo)準(zhǔn)；片面光滑，無正常視力可見異物。且口感較好，無砂礫感。具體檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合鈣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4 Quality evaluation indicators of compound calcium

續(xù)表4 復(fù)合鈣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)Continue table 4 Quality evaluation indicators of compound calcium

按照1.3.5 的方法，并結(jié)合表4 對(duì)復(fù)合鈣進(jìn)行綜合評(píng)分的打分，外觀得分為5.00，硬度得分為4.90，脆碎度得分為5.00，口感得分為5.00，綜合評(píng)分為4.97。表明模型優(yōu)化后的配方用量及工藝參數(shù)有效，且制做出的復(fù)合鈣質(zhì)量較好，適合大眾的口味。

2.4.2 復(fù)合鈣片中的鈣、鐵、葉酸和維生素D3含量檢測(cè)

鈣采用GB 5009.92-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鈣的測(cè)定》、鐵采用GB 5009.90-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鐵的測(cè)定》中的原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定；葉酸和維生素D3采用1.3.2 中的方法進(jìn)行檢測(cè)。選取壓片過程中的前、中、后3 個(gè)樣的復(fù)合鈣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表5。

表5 復(fù)合鈣中鈣、鐵、葉酸和維生素D3 的含量檢測(cè)Table 5 Determination of calcium，iron，folic acid and vitamin D3 in compound calcium

從表6 中可以看出，鈣、鐵、葉酸和維生素D3含量與理論值相差不大，且標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以下，表明檸檬酸鈣、乳酸亞鐵、葉酸和維生素D3含量分布均勻，混合工藝有效。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)成功地將DSD 應(yīng)用于復(fù)合鈣的制備工藝并對(duì)其進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，僅用了較少的試驗(yàn)次數(shù)就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)因素的篩選和優(yōu)化。根據(jù)DSD 確定的輔料用量和制備工藝所得的復(fù)合鈣片，質(zhì)量符合藥典標(biāo)準(zhǔn)，且鈣、鐵、葉酸和維生素D3的含量均勻度較好。