響應面法優化普魯蘭多糖-卡拉膠軟膠囊囊皮配方

張錦中,肖美添,葉 靜,張 娜,黃雅燕

(華僑大學化工學院,福建廈門 361000)

軟膠囊又稱軟膠丸劑,其形狀有圓形、橢圓形、魚形和管形等,是一種將對軟膠囊皮無溶解作用的油性、懸濁液或乳濁液封裝于囊材內部腔室的制劑,在醫藥領域應用廣泛[1]。目前市面上常用的軟膠囊的主要囊材為明膠,明膠一般從豬、牛的骨骼或原皮中提取。但是素食主義者和一些具有特殊文化信仰的人群無法接受其材料來源。近年來報道出動物基明膠膠囊具有傳染“瘋牛病”的可能性,更加限制了其應用,因此開發一種性能優良、非動物源的新型囊材迫在眉睫[2]。植物軟膠囊是一種使用植物提取物或水溶性多糖為主要材料制備的新型膠囊[3],因其原料來源廣泛、安全且具有良好的理化性質,被認為是一類有著良好發展前景的新型囊材。

國內外針對植物軟膠囊的開發主要基于一些具有優越理化性質的植物膠或多糖來代替明膠。例如,通過物理、化學或生物手段等方法對淀粉進行改性而得到與明膠材料類似性質的淀粉衍生物代替明膠[4]。Jones等研究了以羥丙甲基纖維素和卡拉膠為主要原料制備的膠囊與明膠膠囊的差異[5]。然而目前研發的植物軟膠囊存在著機械強度較差或透油率較高等缺陷,這限制了植物源軟膠囊的實際使用。

普魯蘭多糖是一種由發酵所產生或從藻類植物中提取的胞外水溶性多糖,富有彈性且易溶于水[6]。其制備的凝膠具有結構致密、透油率極低的優點。卡拉膠(carrageenan)又名角叉菜膠,是從藻類細胞壁中提取的一種鏈狀多糖,其制備的凝膠具有較高的機械強度[7]。本文選用普魯蘭多糖與卡拉膠為膠液的主要成分,制備的復配膠粘度大、彈性好且對于水蒸汽和油狀物的隔絕性好,在軟膠囊殼的制備上有良好的應用前景。本實驗運用Box-Benhnken中心組合設計原理和響應面分析法探究了卡拉膠與普魯蘭多糖凝膠過程中各添加劑與復配比對凝膠性能的影響,得到了滲油率低、黏連性低、機械強度大的軟膠囊膠囊殼配方。為植物軟膠囊殼的工業化生產提供技術依據和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

普魯蘭多糖 山東福瑞達科技有限公司;卡拉膠 上海晶純生化科技股份有限公司;果糖 上海麥克林生化科技有限公司;檸檬酸鉀 天津市光復精細化工研究所。

SM-112型測厚儀 日本Teclock公司;UV-1800型紫外分光光度計 日本島津公司;DK-S11型電子恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司;DHG-9036A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;WDW-20電子萬能拉伸實驗機 上海瑞隅儀器設備有限公司;凝膠強度測定儀WD-1 泉州萬達實驗儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 普魯蘭多糖-卡拉膠軟膠囊囊皮的制備 將卡拉膠、普魯蘭多糖以不同配比混合均勻形成混合粉末,溶解于70 ℃下200 mL蒸餾水中,分別加入質量分數為3%、4%、5%、6%、7%的果糖作為增塑劑,在形成的溶液中分別加入質量分數為0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的檸檬酸鉀。在70 ℃下水浴、磁力攪拌3 h,令復配膠充分混合,之后將樣品減壓抽濾,在-0.8 MPa的真空度、70 ℃下抽氣1 h除去膠液中的氣泡,制得的膠液取40 mL均勻倒入培養皿中放入恒溫干燥箱中65 ℃干燥過夜,揭膜測定囊皮的斷裂伸長率、抗拉強度等機械性能;另將40 mL的膠液倒入100 mL燒杯中于25 ℃室溫靜置過夜,測定凝膠強度。

1.2.2 指標的測定

1.2.2.1 囊皮厚度的測定 囊皮厚度根據 GB/T 6672-2001[8],使用測厚儀分布均勻的選取膜上的13個點(含有1點過膜的中心點)測定厚度,以平均值作為膜的厚度值。

1.2.2.2 囊皮的透油率測定 將5 mL魚油加入10 mL試管中,用待測囊皮封住試管口并倒置與濾紙上,在干燥器中放置48 h,防止空氣中的水分影響實驗結果,稱量濾紙的重量變化[9]。

PO=ΔW·FT/S·T

式(1)

式中:PO為透油系數(g·mm/m·d)；ΔW為濾紙質量變化(g)；FT為囊皮厚度(mm)；S為透油面積(cm2)；T為放置時間(d)。

1.2.2.3 囊皮機械性能的測定 囊皮的機械性能根據 GB/T 1040.1-2006[10],使用電子萬能拉伸實驗機測定囊皮樣品的抗拉強度(TS)和斷裂延伸率(E),初始夾距設為40 mm,拉速度設定為1 mm/s。見計算公式(2)和式(3)。

TS=F/S

式(2)

E=(L1-L0)/L0×100

式(3)

式中:TS為抗拉強度(MPa);F為囊皮斷裂時的最大拉力(N);S為囊皮的橫截面面積(m2);E為斷裂延伸率(%);L0為囊皮樣品的長度(mm);L1為囊皮斷裂時的長度(mm)。

1.2.2.4 囊皮透光率的測定 囊皮的透光率使用紫外分光光度計測量,將囊皮樣品貼在石英比色皿的一側,在波長500 nm處測定樣品囊皮的透光率。以空石英比色皿作為空白對照。

1.2.2.5 凝膠強度測定方法 在100 mL燒杯中加入40 mL膠液,于25 ℃下靜置24 h過夜,使用凝膠強度測定儀WD-1測量凝膠強度,每個樣品重復測量三次取平均值。

1.2.3 單因素實驗設計 固定增塑劑果糖含量(文中所有含量均為w物/w水)為5%,檸檬酸鉀含量為0.2%,考察不同復配膠配比(25.5∶0.5、25.0∶1.0、24.5∶1.5、24.0∶2.0、23.5∶2.5)以卡拉膠含量(0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%)來表示對TS、E、PO、T、ST的影響。

固定卡拉膠含量0.50%,檸檬酸鉀含量為0.2%,考察不同增塑劑果糖含量(3%、4%、5%、6%、7%)對TS、E、PO、T、ST的影響。

固定卡拉膠含量0.50%,增塑劑果糖含量為5%,考察不同檸檬酸鉀含量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)對TS、E、PO、T、ST的影響。

1.2.4 響應面實驗設計 以囊皮的TS、E、ST作為指標通過單因素實驗,選取復配膠配比(以卡拉膠含量表示)、果糖含量、檸檬酸鉀含量作為影響因素。確定三因素三水平的最佳參數,進行響應面分析,實驗設計及編碼見表1。

表1 響應面實驗因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiments

1.3 數據處理

在單因素實驗結果基礎上,采用中心組合實驗BoxBehnken設計方案(表1)。分析各因素對凝膠質構特性的顯著性,得出數學模型,考量其可信程度,確定該軟膠囊囊皮配方。采用DX-8軟件進行分析,并作響應曲面圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 卡拉膠含量對囊皮性質的影響 卡拉膠含量對囊皮性質的影響見表2。在一定范圍內,隨著卡拉膠含量的增加,普魯蘭多糖含量的減少,抗拉強度和斷裂伸長率都呈現出先增大后減小的趨勢,抗拉強度的增加主要是由于隨著卡拉膠含量的增加聚合物中的氫鍵數量增加,交聯更加緊密從而引起抗拉強度的增加[11]。斷裂伸長率方面,在適當的范圍內由于卡拉膠的增加而引起的氫鍵數量增多會提高材料的斷裂伸長率。但是由于卡拉膠本身形成的聚合物顯示出較強的脆性,當卡拉膠的比例過大時,聚合物從塑性材料向脆性材料轉變,導致了斷裂伸長率的急劇下降[12];隨著卡拉膠含量的增加,普魯蘭多糖含量的減少,透油率均為0;透光率在卡拉膠含量為0.5%處最低，為74.7%，在卡拉膠含量為0.25處最高為80.3%,表明卡拉膠與普魯蘭多糖的相容性較好;凝膠強度呈現增大趨勢與抗拉強度增大的原因類似,主要是由于卡拉膠含量的增加,增加了氫鍵的數量從而提升了聚合物的致密性,引起凝膠強度的增加。

2.1.2 果糖添加量對囊皮特性的影響 果糖含量對囊皮性質的影響見表3。從表3中可以看出,在果糖含量低于4%時,抗拉強度與斷裂伸長率在儀器精密度內無法測量。這是由于在低果糖含量下形成的囊皮主要顯示脆性,斷裂伸長率和抗拉強度很低。在合適的果糖含量范圍內抗拉強度隨著增塑劑含量的增加而降低,這是因為果糖對聚合物的影響主要是由于果糖分子插入了聚合物的鏈中,減少了聚合物中的分子鍵,從而引起擴散系數的增加,增強了水分子的進入與結合。增塑劑果糖的添加可以增加膜中水分的含量,使膜具有一定的可塑性[13],因此導致了拉伸強度與凝膠強度的降低。斷裂伸長率在果糖含量低于5%時呈現快速增加趨勢,在果糖含量為5%、6%、7%時分別為82.08%、83.91%、80.91%,這是因為果糖在5%左右達到飽和點,繼續增加果糖含量對聚合物中分子鍵的影響不大。改變果糖的含量,透油率均為0;透光率在果糖添加量為6%處達到最高為79.9%,表明果糖添加量為6%時膠液的相容性達到最佳。

表3 不同果糖添加量對囊皮性質的影響Table 3 Effect of the addition of different fructose on the nature of the skin

2.1.3 檸檬酸鉀濃度對囊皮特性的影響 檸檬酸鉀濃度對囊皮性能的影響見表4,隨著檸檬酸鉀含量增加,囊皮的抗拉強度增加,斷裂伸長率降低,這是由于鉀離子的存在,起到促進卡拉膠聚集的作用。這種聚集是由鉀離子處于中間,兩個雙螺旋卡拉膠分子在兩邊堆集,若干雙螺旋卡拉膠分子通過鉀離子位于中間作為“鹽橋”并排堆集,形成一定的“有序區”,有序區通過螺旋分子的相互糾纏而形成凝膠,因此增大了抗拉強度[14],但是當檸檬酸鉀濃度過高時,卡拉膠分子形成的有序富集被打亂,造成了抗拉強度的降低;在檸檬酸鉀含量低于0.15%時,卡拉膠的陽離子效應很低形成的膠體凝膠特性較差因此斷裂伸長率較低。在檸檬酸鉀含量大于0.15%時斷裂伸長率的降低則是由于隨著聚集程度的加深,減少了囊皮結合水分子的空間與能力使聚合物含水量降低,從而引起囊皮的塑性降低。改變檸檬酸鉀的濃度,透油率均為0;透光率在檸檬酸鉀濃度為0.15%處達到最高為79.6%,表明檸檬酸鉀濃度為0.15%時膠液的相容性達到最佳。凝膠強度隨著檸檬酸鉀添加量的增加而先增加后減小。凝膠強度在檸檬酸鉀濃度為0.15%處達到最大,表明在該卡拉膠含量下0.15%的檸檬酸鉀為最佳陽離子濃度,陽離子效應達到最大。

表4 不同檸檬酸鉀濃度對囊皮性質的影響Table 4 Effects of different K ion concentration on the nature of cysts

根據所選指標進行分析,透油率在各條件下均為0,透光率隨著各影響因素的改變在65%～80%之間變化,在這個透光率區間,膠液的相容性雖有所變化,但變化不大。因此綜合考慮囊皮的抗拉強度,斷裂伸長率以及凝膠強度三個指標的變化趨勢,選用卡拉膠含量0.75%、1.0%、1.25%;果糖含量4%、5%、6%;檸檬酸鉀含量0.10%、0.15%、0.20%做響應面分析,以確定普魯蘭多糖卡拉膠軟膠囊囊皮的最佳制備工藝。

2.2 響應面法優化普魯蘭多糖卡拉膠軟膠囊囊皮制備工藝

2.2.1 Box-Benhken實驗設計及分析結果 根據Box-Benhken中心組合實驗設計原理,選用三個主要影響因素卡拉膠含量(復配膠配比)A,果糖含量B,檸檬酸鉀含量C),設計了三因素三水平的響應面分析實驗。

表5 Box-Benhken實驗設計及結果Table 5 Experimental design and results of Box-Benhken

2.2.2 TS回歸方程方差分析 以卡拉膠的含量、果糖含量,以及檸檬酸鉀含量作為響應變量,抗拉強度作為響應值,利用實驗設計軟件進行非線性回歸的二次多項式模型擬合,預測的模型如下:TS=24.69+3.51A-2.49B-0.84C-1.75AB-1.97AC+0.13BC+4.03A2-0.85B2-0.19C2。根據表6,對方差分析進行顯著性檢驗顯示,該模型回歸顯著(p<0.05),失擬項不顯著,計算結果表明該模型R2=0.9595,說明該模型與實際生產結果擬合性好,響應變量與響應值之間線性關系明顯。

表6 TS回歸方程方差分析表Table 6 TS regression equation variance analysis table

方差分析結果還表明,方程一次項中A、B,交互項AC,二次項A2對響應值的影響顯著。從這一結果中可以看出選取的影響因素對于考察的質量標準的影響不是線性關系。從對方差進行分析的結果中可以看出,FA=47.21,FB=23.70,FC=2.69,代表了各因素對TS影響程度的大小,卡拉膠含量即復配膠配比影響最大,鉀離子含量影響最小。

2.2.3 E回歸方程方差分析 以卡拉膠的含量(復配膠配比),果糖含量以及檸檬酸鉀含量作為響應變量,斷裂伸長率作為響應值,利用實驗設計軟件進行非線性回歸的二次多項式模型擬合,模型如下:E=45.84-11.03A+21.92B-1.82C-1.82AB-9.27AC+1.96BC+16.00A2+1.75B2-8.89C2。根據表7,對方差分析進行顯著性檢驗顯示,該模型回歸顯著(p<0.05),失擬項不顯著,計算結果表明該模型R2=0.9479,說明該模型與實際生產結果擬合性好,響應變量與響應值之間線性關系明顯。

表7 E回歸方程方差分析表Table 7 E regression equation variance analysis table

方差分析結果還表明,方程的一次項中A、B,二次項A2對響應值的影響顯著。從這一結果中可以看出選取的影響因素對于考察的質量標準的影響不是線性關系。從對方差進行分析的結果中可以看出,FA=13.52,FB=53.44,FC=0.37,代表了各因素對E影響程度的大小,果糖(增塑劑)含量影響最大,鉀離子含量影響最小。

2.2.4 ST回歸方程方差分析 以卡拉膠含量,果糖含量以及檸檬酸鉀含量作為響應變量,凝膠強度作為響應值,利用實驗設計軟件進行非線性回歸的二次多項式模型擬合,預測的模型如下:St=209.00+156.25A-21.63B+44.13C-79.00AB-5.50AC+3.25BC+104.88A2-32.87B2+5.62C2。根據表8,對方差分析進行顯著性檢驗顯示,該模型回歸顯著(p<0.05),失擬項不顯著,計算結果表明該模型R2=0.9347,說明該模型與實際生產結果擬合性好,響應變量與響應值之間線性關系明顯。

表8 ST回歸方程方差分析表Table 8 Variance analysis table of ST regression equation

方差分析結果還表明,方程的一次項中A,二次項A2對響應值的影響顯著。從這一結果中可以看出選取的影響因素對于考察的質量標準的影響不是線性關系。從對方差進行分析的結果中可以看出,FA=48.80,FB=0.93,FC=3.89,代表了各因素對ST影響程度的大小,卡拉膠含量即復配膠配比影響最大,果糖(增塑劑)含量影響最小。

2.2.5 響應曲面分析 根據回歸方程得到響應面分析圖,考察擬合之后的響應曲面形狀,分析所選定的三個變量對考察的三個響應值的影響。由響應曲面的形狀可以更直觀的看出卡拉膠含量(復配膠配比)、增塑劑含量以及檸檬酸鉀含量對TS、E、ST的影響[15]。透過觀察TS響應曲面圖可以發現:響應曲面的彎曲程度在卡拉膠配比軸上最為明顯,說明卡拉膠含量即復配膠配比對囊皮TS影響最大。同理可知,果糖(增塑劑)含量對囊皮E的影響最大;卡拉膠含量即復配膠配比對囊皮ST影響最大。卡拉膠含量與果糖含量是影響囊皮性質的主要影響因素。

圖1 不同影響因素對TS,E,ST的響應面圖Fig.1 Response surface of TS,E,and ST in different influencing factors

2.2.6 制備工藝條件的驗證 通過Design-Expert軟件探究各因素的最佳條件組合,使TS、E、凝膠強度都取最大值,通過軟件的優化分析得到了響應值的最佳組合條件:卡拉膠含量1.25%(復配膠配比23.5∶2.5),果糖含量4.7%,鉀離子含量0.11%,在這一組條件下抗拉強度為35.7458 MPa,斷裂伸長率為48.4286%,凝膠強度為467.285 g/cm2,為了驗證響應面優化法所得到的結果的準確性,采用軟件分析優化的結果進行實驗驗證,重復三次實際測得的TS、E、ST值分別為(34.6875±1.6253) MPa,(50.1346%±2.6834%),(463±13) g/cm2,結果與軟件分析所得基本吻合,證明所得數學模型具有良好的可靠性,對植物提取物軟膠囊殼配方有試劑預測價值[16-17]。

3 結論

本實驗對普魯蘭多糖-卡拉膠軟膠囊殼制備工藝進行了單因素實驗以及響應面分析,設計實驗進行了卡拉膠含量,果糖含量,鉀離子含量對TS、E、ST的擬合,得到了回歸模型,并通過實驗對模型得到的預測進行了驗證,證明了模型的可靠性。最終確定出的最佳制備工藝為卡拉膠含量1.25%(復配膠配比23.5∶2.5),果糖含量4.7%,鉀離子含量0.11%,在此條件下得到的抗拉強度為(34.6875±1.6253) MPa,斷裂伸長率為(50.1346%±2.6834%),凝膠強度為(463±13) g/cm2。在此條件下,囊皮的抗拉強度、斷裂伸長率、凝膠強度達到最大,表現出良好的機械性能,有效避免了后續制備軟膠囊殼的過程中出現的機械強度差,膠囊殼變脆,運輸途中易損壞等問題[18]。同時制得的囊皮透油率為0(在測量精度內)解決了軟膠囊普遍存在的漏油、黏連等問題。

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