基于G1-熵權(quán)法和響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化黃芪丹香顆粒的成型工藝

陳笑宇，李冬冬，趙詩(shī)聰，吳香婷，朱日，劉英鏈，楊錦竹※，金向群※

（1.吉林大學(xué)藥學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.吉林省正和藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，吉林 通化 134001）

黃芪丹香顆粒是以黃芪、丹參和木香3味藥材為原料制成的中藥復(fù)方制劑，可以通過(guò)抑制胃酸分泌[1]，抑制脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)[2]，增加胃黏膜血流量，促進(jìn)胃黏膜上皮細(xì)胞增生和黏液分泌[3]，促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)[4]等多條途徑協(xié)同發(fā)揮抗?jié)兒臀葛つけＷo(hù)作用，用于胃黏膜損傷的修復(fù)與輔助治療。

課題組前期已對(duì)黃芪丹香顆粒的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并按照優(yōu)化的提取工藝得到干膏粉。由于提取率較高，每日服用量大，且胃黏膜損傷患者多為老年人，考慮到服用依從性，因此選擇制成顆粒劑。本實(shí)驗(yàn)以稀釋劑用量比例、潤(rùn)濕劑濃度和潤(rùn)濕劑用量作為考察因素，以成型率、吸濕率和休止角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用G1-熵權(quán)法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，最后應(yīng)用Box-Behnken響應(yīng)面法進(jìn)行3因素3水平設(shè)計(jì)，優(yōu)化黃芪丹香顆粒的成型工藝，為后續(xù)制劑的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 儀器與材料

1.1 儀器

HYL-1001型多功能粉體物理特性測(cè)試儀（丹東市浩宇科技有限公司），ZY029型藥物穩(wěn)定性檢查儀（天津藥典標(biāo)準(zhǔn)儀器廠），DHG-9207BS型電熱恒溫干燥箱（寧波揚(yáng)輝儀器有限公司），YP1201A型電子天平（上海蒲春計(jì)量?jī)x器有限公司）。

1.2 材料

干膏粉（實(shí)驗(yàn)室自制，由黃芪、丹參和木香3味藥材提取制得，藥材均購(gòu)自山東舜生堂中藥飲片有限公司，經(jīng)吉林大學(xué)藥學(xué)院金向群教授鑒定均為正品，符合2020版《中國(guó)藥典》一部各項(xiàng)下規(guī)定），山梨糖醇、微晶纖維素、糊精、乳糖和可溶性淀粉均為藥用級(jí)輔料，購(gòu)自安徽山河藥用輔料股份有限公司。所用水為雙蒸水，實(shí)驗(yàn)室自制；無(wú)水乙醇購(gòu)自吉林省金泰化玻有限公司；其余化學(xué)試劑均為分析純。

2 方法與結(jié)果

2.1 顆粒的制備

精密稱取干膏粉及相應(yīng)比例的輔料，混合均勻，加入相應(yīng)量的一定濃度乙醇溶液制軟材，過(guò)14目篩，放置烘箱中50℃鼓風(fēng)烘干，整粒，即得。

2.2 考察指標(biāo)

2.2.1 成型率 將干燥后顆粒的重量記做M1，并對(duì)其進(jìn)行整粒，收集通過(guò)14目但未通過(guò)60目篩的顆粒，稱定重量，記做M2，計(jì)算成型率。計(jì)算公式為：

2.2.2 吸濕率 將干燥至恒重的稱量瓶開(kāi)蓋置于藥物穩(wěn)定儀中（溫度：25℃，相對(duì)濕度：75%），預(yù)飽和24 h，精密稱定稱量瓶質(zhì)量（m1）。將適量所測(cè)樣品均勻平鋪于稱量瓶中，稱定質(zhì)量（m2）。將稱量瓶開(kāi)蓋放置上述條件的藥物穩(wěn)定儀中，48 h后再精密稱定質(zhì)量（m3），計(jì)算其吸濕率。計(jì)算公式為：

2.2.3 休止角 使用多功能粉體物理特性測(cè)試儀測(cè)定休止角，測(cè)定時(shí)開(kāi)啟振動(dòng)篩，使顆粒從加料口緩緩落到平臺(tái)，并呈對(duì)稱的圓錐體，停止后關(guān)閉振動(dòng)篩，用測(cè)角器在圓錐體的3個(gè)不同位置測(cè)定，取平均值，即為休止角。

2.3 稀釋劑種類的選擇

中藥提取物吸濕性較強(qiáng)，極易吸潮，吸潮后誘發(fā)黏性，使干膏粉結(jié)塊，流動(dòng)性變差、表面顏色加深，不僅會(huì)給后續(xù)的制粒生產(chǎn)帶來(lái)困難，也會(huì)降低藥品的質(zhì)量和療效[5]。本課題所得干膏粉為棕黃色粉末，易吸濕。因此，需要加入合適的稀釋劑來(lái)改善其吸濕性和流動(dòng)性。

選擇山梨糖醇、微晶纖維素、糊精、乳糖和可溶性淀粉等5種中藥顆粒劑常用輔料，將其與干膏粉分別按照1:1的比例等量混勻，置于藥物穩(wěn)定儀中（溫度：25℃，相對(duì)濕度：75%），參照“2.2.2”項(xiàng)下吸濕率的測(cè)定方法，在2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h稱定質(zhì)量（m3），計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的吸濕率。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，吸濕率為縱坐標(biāo)，繪制吸濕曲線圖，結(jié)果見(jiàn)圖1，并記錄72 h后各組混合物的外觀狀態(tài)。

圖1 不同稀釋劑與干膏粉等量混合的吸濕曲線圖Fig.1 The hygroscopic curves of different diluents mixed equally with dry extract powder

72 h后山梨糖醇組液化，微晶纖維素組完全結(jié)塊，其余各組均部分結(jié)塊，顏色加深。結(jié)合圖1可知，乳糖、糊精與干膏粉混合后表現(xiàn)出較好的抗?jié)裥?。由于乳糖部分人服用?huì)出現(xiàn)不耐受的癥狀[6]，而且價(jià)格較高，工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)極大提高成本而糊精使用廣泛，價(jià)格合理，易溶于熱水，屬于無(wú)糖輔料，適宜合并患有糖尿病的患者服用，因此選擇糊精作為本品的稀釋劑。

2.4 單因素考察

2.4.1 稀釋劑用量比例的考察 確定糊精作為本品的稀釋劑后，需要進(jìn)一步篩選糊精的用量比例，稀釋劑的用量主要改善顆粒劑的吸濕性。將糊精與干膏粉按照0.4:1、0.6:1、0.8:1、1:1、1.2:1比例混合均勻后，分別將其平鋪在已經(jīng)恒重的稱量瓶中，置于藥物穩(wěn)定儀中（溫度：25℃，相對(duì)濕度：75%），參照“2.2.2”項(xiàng)下吸濕率的測(cè)定方法，在2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h稱定質(zhì)量（m3），計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的吸濕率。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，吸濕率為縱坐標(biāo)，繪制吸濕曲線圖，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同比例稀釋劑與干膏粉混合后的吸濕曲線圖Fig.2 The hygroscopic curves of different proportions of diluents mixed with the dry extract powder

由圖2可知，糊精與干膏粉比例為0.4:1時(shí)，吸濕率較高，當(dāng)比例超過(guò)0.6:1時(shí)，吸濕性得到顯著改善，且隨著比例的加大，改善效果逐漸趨于平緩。糊精加入量過(guò)大，會(huì)加大服用量，也會(huì)使制粒時(shí)軟材黏性變低，影響成型率。在確保具有足夠的抗?jié)裥缘那疤嵯?，?yīng)盡量減少輔料的用量，因此選擇糊精比例在0.6:1～1:1之間作進(jìn)一步優(yōu)化。

2.4.2 潤(rùn)濕劑濃度的考察 本課題所得干膏粉黏性較大，因此選用一定濃度的乙醇溶液作為潤(rùn)濕劑。根據(jù)糊精與干膏粉用量比例的考察試驗(yàn)結(jié)果，選擇糊精與干膏粉按0.8:1的比例混合均勻，固定潤(rùn)濕劑的用量為20%，用不同濃度的乙醇溶液進(jìn)行濕法制粒，考察潤(rùn)濕劑濃度對(duì)制粒效果和成型工藝的影響。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 潤(rùn)濕劑濃度的考察Table 1 The investigation of the wetting agent concentration

由表1可知，各組間吸濕率差別不明顯，當(dāng)乙醇濃度過(guò)高時(shí)，軟材松散，制得的顆粒中細(xì)粉較多；乙醇濃度過(guò)低，難以過(guò)篩，導(dǎo)致成型率低。潤(rùn)濕劑濃度在87%～93%之間時(shí)制粒容易，顆粒成型率較高，且休止角都較低，因此選擇這一水平作進(jìn)一步優(yōu)化。

2.4.3 潤(rùn)濕劑用量比例的考察 根據(jù)上述試驗(yàn)考察結(jié)果，將糊精與干膏粉按0.8:1的比例混合均勻，以90%乙醇溶液作為潤(rùn)濕劑，用量（體積）分別為混合粉重量的16%、18%、20%，、22%、24%和26%，考察潤(rùn)濕劑不同用量對(duì)制粒效果和成型工藝的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 潤(rùn)濕劑用量的考察Table 2 The investigation of wetting agent dosage

由表2可知，潤(rùn)濕劑用量在混合粉重量的20%～24%之間時(shí)，制粒容易，成型率高，且吸濕率和休止角均較低。因此選擇潤(rùn)濕劑用量為20%～24%作進(jìn)一步優(yōu)化。

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦權(quán)

2.5.1 G1法主觀賦權(quán) G1法是在層次分析法（AHP）的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種主觀賦權(quán)方法，與AHP相比，其優(yōu)勢(shì)在于不需要構(gòu)建判斷矩陣，減少了計(jì)算量，也無(wú)需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[7]。計(jì)算步驟如下[8]：

①確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各指標(biāo)的重要程度進(jìn)行排序，記為Z1＞Z2＞…＞Zm，其中m為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

②確定相鄰指標(biāo)間的權(quán)重評(píng)價(jià)標(biāo)度

③按下列公式計(jì)算G1法主觀權(quán)重系數(shù)

本實(shí)驗(yàn)以成型率、吸濕率、休止角作為顆粒的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別設(shè)定為Z1、Z2、Z3，并規(guī)定3個(gè)指標(biāo)的優(yōu)先順序?yàn)槌尚吐剩疚鼭衤剩拘葜菇?，?quán)重評(píng)價(jià)標(biāo)度分別為r2=1.2，r3=1.4。

2.5.2 熵權(quán)法客觀賦權(quán) 熵權(quán)法是根據(jù)各指標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所提供信息量的大小來(lái)確定權(quán)重系數(shù)的方法。各指標(biāo)數(shù)據(jù)差異大，其熵值越小，提供的信息量越大，所占的權(quán)重也越高[9]。

計(jì)算步驟如下[8,10]：

①數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

對(duì)于高優(yōu)指標(biāo)（成型率）的標(biāo)準(zhǔn)化：

對(duì)于低優(yōu)指標(biāo)（吸濕率，休止角）的標(biāo)準(zhǔn)化：

式中Xij代表的是第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第j項(xiàng)數(shù)值，max{Xij}為Xij中的最大值，min{Xij}為Xij中的最小值。在標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程中，為了后面的計(jì)算，加入了平移步驟，即各數(shù)值均加0.000 01。

②計(jì)算各指標(biāo)的熵值Hi

K=1/lnn，n為各指標(biāo)中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

③計(jì)算熵權(quán)法客觀權(quán)重

2.5.3 組合權(quán)重系數(shù)的確定 由G1法得到的主觀權(quán)重系數(shù)為W1，由熵權(quán)法得到的客觀權(quán)重系數(shù)為W2，根據(jù)下列公式[11]計(jì)算組合權(quán)重系數(shù)Wj。

2.6 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.6.1 因素與水平的設(shè)定 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了稀釋劑用量比例，潤(rùn)濕劑濃度，潤(rùn)濕劑用量3個(gè)自變量的優(yōu)化水平，以顆粒成型率、吸濕率和休止角3個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)分為因變量，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化成型工藝。因素水平見(jiàn)表3。

表3 因素水平的設(shè)定Table 3 The settings of factor and level

2.6.2 Box-Behnken設(shè)計(jì)及結(jié)果 由G1法求得的主觀權(quán)重系數(shù)為W1。根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果，應(yīng)用熵權(quán)法計(jì)算得到的客觀權(quán)重系數(shù)為W2，根據(jù)組合權(quán)重的計(jì)算公式得到各指標(biāo)的最終權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)后得到綜合評(píng)分的計(jì)算公式，再計(jì)算各組試驗(yàn)的綜合評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Table 4 The weight coefficient of evaluation indexes

表5 Box-Behnken設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 The design and results of Box-Behnken

綜合評(píng)分（comprehensive score）=（0.497 7成型率/成型率最大值+0.276 9 吸濕率最小值/吸濕率+0.225 5 休止角最小值/休止角）100

2.6.3 模型擬合與響應(yīng)面分析 應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到回歸方程Y=96.54+1.50A+0.70B 0.061C 0.77AB+0.20AC 0.20BC 4.61A21.86B21.56C2,方差分析見(jiàn)表6，各因素3D響應(yīng)曲面圖見(jiàn)圖3。由表6可知，模型P＜0.01，極具顯著性，說(shuō)明回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。失擬項(xiàng)不具有顯著性（P＞0.05），且相關(guān)系數(shù)R2為0.981 2，表明模型與試驗(yàn)擬合度良好，可用于成型工藝的分析和預(yù)測(cè)。在回歸模型中，一次項(xiàng)A、B顯著，C不顯著，交互項(xiàng)AB顯著，其余不顯著，二次項(xiàng)均顯著。通過(guò)P值的大小，判斷各因素對(duì)成型工藝影響的大小順序?yàn)橄♂寗┯昧勘壤緷?rùn)濕劑濃度＞潤(rùn)濕劑用量；交互項(xiàng)AB顯著，說(shuō)明稀釋劑用量和潤(rùn)濕劑濃度的交互作用對(duì)綜合評(píng)分有顯著影響。由3D響應(yīng)曲面圖各因素的陡峭程度可知，稀釋劑用量比例和潤(rùn)濕劑濃度的影響較大，與方差分析結(jié)果一致。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 The results of variance Analysis

圖3各因素3D響應(yīng)曲面圖Fig.3 The 3D response surface diagrams of different factors

2.7 響應(yīng)面優(yōu)化與工藝驗(yàn)證

通過(guò)Design-export 8.0.6軟件優(yōu)化得到的最佳制劑工藝為：稀釋劑與干膏粉的比例為0.83:1，潤(rùn)濕劑濃度為90.48%，潤(rùn)濕劑用量為21.96%,此時(shí)綜合評(píng)分為96.70?？紤]到生產(chǎn)實(shí)際和可操作性，調(diào)整制劑工藝為稀釋劑與干膏粉的比例為0.8:1，以90.5%的乙醇溶液作為潤(rùn)濕劑，用量為混合粉重量的22.0%。按照調(diào)整后的制劑工藝進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算成型率、吸濕率、休止角和綜合評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The result of verification

由表7可知，3次平行試驗(yàn)各指標(biāo)結(jié)果均良好，且較為接近，RSD均＜2%。綜合評(píng)分的平均值為95.69，與預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明優(yōu)選的制劑工藝穩(wěn)定可行，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

2.8 臨界相對(duì)濕度的測(cè)定

取7個(gè)玻璃干燥器，配置下表中7種代表不同濕度的飽和鹽溶液，配制后將干燥器置于藥物穩(wěn)定儀（只開(kāi)啟溫度，溫度：25℃）中，得到相應(yīng)的恒溫恒濕環(huán)境。稱取按照最終制劑工藝制得的干燥顆粒約2 g，共6份，均勻平鋪于已經(jīng)恒重的稱量瓶中，精密稱定，分別放置相應(yīng)的干燥器中，一周后測(cè)定重量，計(jì)算吸濕率。結(jié)果見(jiàn)表8。以相對(duì)濕度作為橫坐標(biāo)，以每組的吸濕率作為縱坐標(biāo)繪制吸濕曲線，在曲線的第2個(gè)點(diǎn)和第6個(gè)點(diǎn)作切線，得到相應(yīng)的切線方程，倆條切線交點(diǎn)代表的濕度值即為本顆粒的臨界相對(duì)濕度。結(jié)果見(jiàn)圖4。倆條切線方程分別為y=0.114 6x 1.636 4、y=0.811 3x 49.196 3，計(jì)算求得本顆粒的臨界相對(duì)濕度為68.26%，建議生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中應(yīng)控制環(huán)境濕度在68%以下。

圖4 黃芪丹香顆粒吸濕曲線圖Fig.4 The hygroscopic curve of Huangqi Danxiang granules

表8 不同相對(duì)濕度條件下的吸濕率測(cè)定結(jié)果Table 8 Hygroscopicity measurement results under the different relative humidity conditions

3 討論

中藥顆粒是將中藥材的提取物與適宜輔料或與部分藥材細(xì)粉混勻，制成的干顆粒狀制劑，是傳統(tǒng)中藥飲片和湯劑的改良產(chǎn)品，既保持了湯劑吸收快、顯效迅速的特點(diǎn)，又解決了傳統(tǒng)中藥服用、攜帶不方便的問(wèn)題，劑量準(zhǔn)確、安全有效，是現(xiàn)代中藥的常用劑型之一[12,13]。中藥顆粒劑制備工藝的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有成型率、吸濕率、休止角和溶化性。本課題藥材采用水提工藝，所得干膏水溶性良好，在預(yù)實(shí)驗(yàn)中將糊精與干膏粉分別按照0.6:1、0.8:1、1:1的比例混合均勻后，根據(jù)2020版《中國(guó)藥典》顆粒劑項(xiàng)下溶化性檢查方法進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶化性均符合要求，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)不再選擇溶化性。成型率體現(xiàn)產(chǎn)率的高低，吸濕率是衡量中藥顆粒質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，休止角表征顆粒的流動(dòng)性對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)中的灌裝、分劑量具有重要意義，所以采用這3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)的綜合評(píng)分優(yōu)選成型工藝。

在用多個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)工藝時(shí)，指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)是必須考慮的一個(gè)重要問(wèn)題，直接關(guān)系到其對(duì)總體貢獻(xiàn)率的大小，因此權(quán)重系數(shù)的合理性也決定了優(yōu)選工藝的合理性。以往的研究多采用主觀賦權(quán)法，主觀性較強(qiáng)，常常忽略了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的信息[14]。本實(shí)驗(yàn)采用G1-熵權(quán)法賦予權(quán)重，既考慮了人為對(duì)指標(biāo)重要程度的判斷，又兼顧了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的客觀性，結(jié)合了主觀賦權(quán)法解釋性強(qiáng)和客觀賦權(quán)法精確度高的優(yōu)點(diǎn)[15]，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。