響應(yīng)面法優(yōu)化鈣軟膠囊的制備工藝

張國文，張桂美，胡明明,2

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.大馬棕櫚油技術(shù)研發(fā)(上海)有限公司)

鈣是人體含量最高的礦物質(zhì)，參與多種代謝過程，對維持人體骨健康及其他正常的生理活動具有重要意義，但無論采用膳食調(diào)查估計方法還是生化實測方法，我國城鄉(xiāng)居民每日膳食中含鈣量均偏低，只有400～500 mg[1]，僅為營養(yǎng)學(xué)推薦供給量指標的二分之一左右(約為800 mg·d-1)[2]，故適當(dāng)補充鈣劑在我國人民當(dāng)前膳食情況下仍是十分需要的。軟膠囊作為新劑型，具有生物利用度高、劑量準確、服用方便、便于攜帶等優(yōu)點[3]，而鈣軟膠囊就是軟膠囊中典型的品種之一。根據(jù)市售產(chǎn)品及文獻[4-6]，鈣軟膠囊內(nèi)容物多以碳酸鈣、大豆油、蜂蠟和維生素D3為主要組成成分。棕櫚油作為世界上消費量最大的食用油，生產(chǎn)效率高且富含維生素E(生育酚和生育三烯酚)，較豆油、菜籽油等植物油具有更好的氧化穩(wěn)定性，價格也相對低廉[7]，但其尚未被應(yīng)用于鈣軟膠囊生產(chǎn)。因此本研究采用棕櫚油部分替代大豆油，利用單因素試驗和響應(yīng)面法優(yōu)化鈣軟膠囊的內(nèi)容物配比，以期在保質(zhì)保量的前提下降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

AL-104型電子分析天平(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)；電熱恒溫水浴鍋(上海躍進醫(yī)療器械)；BPH-9082型精密恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 實驗試劑

棕櫚油(大馬棕櫚油技術(shù)研發(fā)(上海)有限公司)；大豆油、玉米油、葵花籽油(金龍魚，南昌家樂福超市)；蜂蠟、碳酸鈣粉(南昌同心紫巢公司)；維生素D3(純度≥98.0%，阿拉丁試劑公司)；單硬脂酸鋁、單硬脂酸甘油酯(上海源葉生物科技有限公司)。

5.66×10-3g·mL-1維生素D3油液配制：分別稱取0.007 1 g維生素D3溶于不同種類的油性基質(zhì)(1.25 mL)中，溶解并混勻，得到5.66×10-3g·mL-1維生素D3油溶液，備用。

1.3 實驗方法

1.3.1 沉降體積比

內(nèi)容物的物理穩(wěn)定性是評價軟膠囊的重要指標，而沉降體積比直接反映了內(nèi)容物的穩(wěn)定性[8]。將制好的內(nèi)容物混懸液置于具塞試管中，記下初始高度H0，于精密恒溫培養(yǎng)箱中25 ℃靜置3天，觀察是否有沉降，記下沉降面的最終高度H1，根據(jù)公式(1)計算沉降體積比F，以此考察混懸液的穩(wěn)定性[9-11]。F值越接近1，說明內(nèi)容物越穩(wěn)定。

F(%)=H1/H0

(1)

1.3.2 流動性

室溫下，將配好的混懸液垂直通過同一根10 mL移液管，下方接10 mL管子，當(dāng)內(nèi)容物料液從移液管中流出時開始計時，待所得料液體積為5 mL時停止計時。計算內(nèi)容物每分鐘的流量[12]。

以沉降體積比(60%)、流動性(40%)為考察指標，根據(jù)公式(2)計算綜合評分[10]。

綜合評分=流速÷最大流速×0.4×100+沉降體積比÷最大沉降體積比×0.6×100

(2)

式中，最大流速和最大沉降體積比分別指實驗組中流速和沉降體積比的最大值。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 基質(zhì)選擇

分散介質(zhì)可使包合物均勻地分布在其中，保證制劑的含量準確和質(zhì)量穩(wěn)定[13]。將碳酸鈣粉分別與大豆油、玉米油、葵花籽油、不同熔點的棕櫚油(5 ℃、18 ℃和28 ℃)按1:0.6(w/w)的比例混合，加入一定體積的5.66×10-3g·mL-1維生素D3油液，充分攪拌至混合均勻，按1.3.1和1.3.2項比較六種分散介質(zhì)對軟膠囊混懸液物理性質(zhì)的影響，并計算綜合得分，從而篩選出分散介質(zhì)。

1.3.3.2 棕櫚油和大豆油用量比例選擇

固定碳酸鈣粉與內(nèi)容物基質(zhì)的用量比為1:0.6(w/w)，分別采用棕櫚油用量百分比(0%，20%，40%，60%，80%和100%)和大豆油復(fù)配，再加入一定體積的5.66×10-3g·mL-1維生素D3油液，充分攪拌至混合均勻，比較混懸液的沉降體積比和流動性。計算綜合得分，確定大豆油和5 ℃棕櫚油間適宜的復(fù)配比。

1.3.3.3 固液比選擇

固定大豆油和5 ℃棕櫚油的復(fù)配比，分別稱取碳酸鈣粉和分散介質(zhì)的不同用量比(1:0.4，1:0.5，1:0.6，1:0.7，1:0.8，1:0.9和1:10)，加入一定體積的維生素D3油溶液，充分攪拌至混合均勻，比較混懸液的沉降體積比和流動性。計算綜合得分確定碳酸鈣與分散劑的用量比。

1.3.3.4 助懸劑類型及用量選擇

適宜的助懸劑是防止軟膠囊內(nèi)容物不均勻，保持其長時間穩(wěn)定的關(guān)鍵[14-15]。分別固定大豆油和5 ℃棕櫚油的復(fù)配比、碳酸鈣粉和基質(zhì)的用量比，以蜂蠟、單硬脂酸鋁、單硬脂酸甘油酯作為助懸劑。李喜香[10]、湯建成[16]等研究表明蜂蠟的方式宜先與基質(zhì)熔融、冷卻，混合均勻后與其他物料混合才具有很好的助懸效果。李亞新等[17]對蜂蠟的熱熔溫度進行了篩選，最佳溫度為75 ℃。根據(jù)參考文獻和助懸劑的用量，實驗中將蜂蠟與大豆油和5 ℃棕櫚油在70 ℃水浴熔融。將一定體積的維生素D3油液，占基質(zhì)不同用量百分數(shù)的助懸劑分別加入分散介質(zhì)中，水浴加熱熔融后自然冷卻至30 ℃左右[18]，再加入碳酸鈣粉，充分攪拌均勻，比較混懸液的沉降體積比和流動性。計算綜合得分，篩選助懸劑類型并確定其用量。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

1.3.5 配方的響應(yīng)面法優(yōu)化

根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理[19]，在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取熔點5 ℃棕櫚油用量百分比(A)、固液比(B)和蜂蠟用量(C)三個因素，以綜合評分為響應(yīng)值，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法獲得最優(yōu)的配方參數(shù)，試驗因素與水平設(shè)計如表1所示：

表1 試驗因素水平及編碼

2 實驗結(jié)果

2.1 基質(zhì)選擇

以綜合評分為縱坐標，分析大豆油、不同熔點的棕櫚油(5 ℃，18 ℃，28 ℃)、玉米油和葵花籽油對軟膠囊內(nèi)容物品質(zhì)的影響。如圖1所示，以大豆油和5 ℃棕櫚油作為基質(zhì)，內(nèi)容物的綜合評分較高，評分均為97分左右，且兩者間的差異不顯著(P<0.05)，即大豆油和5 ℃棕櫚油作為分散介質(zhì)的效果優(yōu)于另外四種油。因此，后續(xù)采用大豆油和5 ℃棕櫚油復(fù)配進行基質(zhì)篩選。

2.2 棕櫚油和大豆油復(fù)配比選擇

由圖2可知，當(dāng)5 ℃棕櫚油質(zhì)量百分比從0%逐漸增加至100%時，混懸液的綜合評分呈先增后降趨勢，且在60%時評分最高，說明在此條件下混懸液的流動性和沉降體積比均達到較好的水平。因此，選擇40%大豆油和60% 5 ℃棕櫚油復(fù)配作為內(nèi)容物基質(zhì)進行后續(xù)研究。

2.3 固液比選擇

對于固體藥物，油量多，觸變值低，流動性好，但易泄露；油少穩(wěn)定性好，但流動性差，壓丸困難[20]。經(jīng)實驗可知，當(dāng)固液比為1:0.4時，混懸液流動性不好，常出現(xiàn)斷層現(xiàn)象而不能連續(xù)成線流下；表2表明，在碳酸鈣粉用量一定的情況下，內(nèi)容物的流速隨著分散介質(zhì)用量的增加而增加，但是沉降體積比值則在逐漸減小，穩(wěn)定性在下降，不利于軟膠囊產(chǎn)品質(zhì)量。綜合考慮兩個指標和生產(chǎn)成本，選1:0.6進行后續(xù)實驗。

表2 固液比對混懸液穩(wěn)定性和流動性的影響

2.4 助懸劑類型及用量選擇

適量的助懸劑可以提高藥液的均勻性，防止藥液成囊前沉降分層，保證各劑量的準確性[20]。從表3可看出，加入助懸劑對提高混懸液的穩(wěn)定性有明顯的效果。相同的助懸效果下，單硬脂酸甘油酯用量最少，但流動性最差，不利于灌裝；蜂蠟略優(yōu)于單硬脂酸鋁，且后者熔點較高(155 ℃)，考慮生產(chǎn)中的耗能、安全等問題，選擇蜂蠟作助懸劑。

圖3表明，在一定范圍內(nèi)，隨著蜂蠟用量的增加，以沉降體積比和流動性計算所得的綜合評分也增加。當(dāng)蜂蠟用量大于3%時，綜合評分開始降低，這是因為蜂蠟作為助懸劑，用量增大，混懸液的沉降趨勢平緩的同時粘度也相應(yīng)地增大，導(dǎo)致流動性下降，兼顧軟膠囊實際生產(chǎn)中對內(nèi)容物的穩(wěn)定性和流動性的要求，蜂蠟的用量為分散介質(zhì)的2%～3%(w/w)。

表3 助懸劑類型及用量對混懸液性質(zhì)的影響

2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化維生素D鈣軟膠囊配方

采用Design-Expert 10.0.4軟件進行數(shù)據(jù)處理，Box-Behnken的三因素三水平的取值和實驗結(jié)果如表4所示，共17次實驗，其中析因?qū)嶒?2次，中心組合實驗重復(fù)5次。

通過對表4的數(shù)據(jù)進行回歸分析，以綜合評分為響應(yīng)值(Y)，得到5 ℃棕櫚油用量百分比(A)、固液比(B)、蜂蠟添加量(C)的二次多項回歸方程為：

Y=95.57+0.17A+8.78B-0.41C-1.26AB-0.83AC+1.21BC-4.21A2-5.53B2-8.15C2

回歸分析得到的相關(guān)回歸系數(shù)及各因素對綜合得分影響的回歸模型如表5所示。

由表5可知，實驗中模型的P<0.000 1，說明回歸方程描述響應(yīng)值與各因子之間的關(guān)系時，模型應(yīng)變量與全體自變量之間的線性關(guān)系極顯著，此試驗方法是可靠的。決定系數(shù)R2=0.982 9，說明只有1.71%響應(yīng)值的變化不能由該模型解釋，與實際試驗擬合良好，失擬項不顯著，說明方程對實驗的擬合程度較好，該模型可代替真實試驗點對不同條件下綜合評分結(jié)果進行預(yù)測和分析。由表中的顯著性及F值可知，一次項B、二次項A2、B2和C2的影響極顯著，交互項影響不顯著，各因素影響內(nèi)容物的主次順序為B>C>A。

表4 Box-Behnken實驗設(shè)計及結(jié)果

表5 回歸方程的方差分析

圖4～6反映了5 ℃棕櫚油用量百分比、固液比和蜂蠟用量3個因素兩兩交互作用對混懸液綜合評分的影響，響應(yīng)面曲線越陡表明該因素對響應(yīng)值的影響越大[21]，等高線的形狀越接近橢圓則表明交互作用越強[22]。由圖可知各因素的交互作用對綜合評分都有一定的影響，固液比對應(yīng)的曲線最陡，助懸劑用量次之，5 ℃棕櫚油用量百分比相對平緩，說明固液比對綜合評分的影響最大，與表5的分析結(jié)果相吻合。根據(jù)模擬得最佳參數(shù)：分散劑中5 ℃棕櫚油用量為57.90%，碳酸鈣粉末與分散劑之比為1.95:1，蜂蠟用量為3.04%，預(yù)測綜合得分為99.12分?？紤]到實際實驗條件，將工藝參數(shù)修改為分散劑中5 ℃棕櫚油用量為58%，碳酸鈣粉末與分散劑的比為2:1，蜂蠟用量為基質(zhì)的3%。

在上述最佳條件下進行3次重復(fù)性實驗，所得平均綜合評分為98.51，相對誤差均小于0.77%，實際值接近于預(yù)測值，表明各因素對綜合得分的影響可以通過回歸方程得到較好的響應(yīng)。

3 結(jié)論

研究采用5 ℃棕櫚油部分代替大豆油作鈣軟膠囊內(nèi)容物的基質(zhì)，既提高了內(nèi)容物的穩(wěn)定性，增加油性基質(zhì)的組成和種類，又在一定程度上降低了經(jīng)濟成本。鈣軟膠囊的內(nèi)容物以沉降體積比和流動性為指標，通過單因素和響應(yīng)面法優(yōu)選最佳配方，結(jié)果顯示，基質(zhì)為58%熔點5 ℃棕櫚油和42%大豆油，鈣油質(zhì)量比為2:1，蜂蠟用量為基質(zhì)的3%，維生素D3用量控制在成人允許用量范圍內(nèi)，得到的內(nèi)容物穩(wěn)定性合格，流動性良好，符合生產(chǎn)灌裝要求。