響應曲面法在乳化體系優化中的應用研究*

王春柳 ，穆 珺，劉 洋 ，張 紅 ，馬虎強 ，李 曄 △

（1．陜西省中醫藥研究院，陜西 西安 710003； 2．陜西中醫藥大學，陜西 咸陽 712046）

近年，乳劑尤其是添加有中藥成分的乳劑，具有溫和、舒緩、安全的特點，可在不引入有機溶劑的同時提高載藥量，在外用護膚、醫療中具有廣闊的應用前景[1－3]。目前，研究的乳劑中藥成分主要有鴉膽子油[4]、白藜蘆醇[5]、礬冰[6]、沙棘油[7]等。功能齊備、穩定、安全的乳劑，處方組成較復雜，且各成分相互影響。響應曲面設計法（response suface methodology，RSM）可將復雜、未知的函數關系在小區域內用簡單的一次或二次多項式模型來擬合，計算較簡便。相比于正交試驗，響應曲面試驗設計可對各因素的連續水平范圍進行分析，優化出整個區域的最優組合，且預測結果準確[8]，更加適合于制劑、化妝品處方設計。本研究中采用響應曲面法優化含有青蒿提取物的乳液體系，為后期的進一步研究奠定基礎。現報道如下。

1 儀器與試藥

1．1 儀器

L－14型臺式離心機（SIGMA公司）；Sartorius PB－10型pH計，BP61型電子分析天平，均購于德國賽多利斯公司；HH－S型數顯恒溫水浴鍋（江蘇金壇金城國勝實驗儀器廠）；F12－ED流變儀(Malvern公司)；U－2910型紫外可見分光光度計（株式會社日立制作所）；Gemini 2型旋轉流變儀（英國馬爾文儀器有限公司）。

1．2 試藥

辛酸癸酸甘油三酯（GTCC，日化級，山東優索化工科技有限公司，批號為120411)；單硬脂酸甘油酯(上海恒信化學試劑有限公司，批號為20130107)；角鯊烷（春意堂生物科技有限公司，批號為20160905）；鯨蠟硬脂醇聚氧乙烯醚20（平平加O，山東優索化工科技有限公司，批號為16040605）；卡波姆940（住友，山東優索化工科技有限公司，批號為16040605）；青蒿提取物（陜西信瑞生物科技有限公司，批號為RX－170217）；肉豆蔻酸異丙酯（IPM，批號為 F20100420），甘油（分析純，批號為 20161011），丙二醇（分析純，批號為 20150120），三乙醇胺（分析純，批號為20140617），均購自國藥集團化學試劑有限公司；海藻糖（南寧中諾生物工程有限責任公司，批號為20170111）；透明質酸鈉（阿拉丁試劑上海晶純生化科技股份有限公司，批號為20170111）；試驗用水為娃哈哈純凈水。

2 方法與結果

2．1 初步處方篩選

查閱文獻[1－2]，初步確定處方組成為 GTCC、肉豆蔻酸異丙酯、天然角鯊烷、單硬脂酸甘油酯、鯨蠟硬脂醇聚氧乙烯醚20、甘油、丙二醇、去離子水、海藻糖、卡波姆940、透明質酸鈉、三乙醇胺。

2．2 處方優化

2．2．1 因素水平設計

處方由油相、乳化劑、保濕劑、增稠劑、pH調節劑等組成。在油相已確定的情況下，乳化劑、保濕劑、增稠劑對于處方的影響較大。根據前期試驗結果，固定處方中油相比例，乳化劑中單硬脂酸甘油酯與鯨蠟硬脂醇聚氧乙烯醚20用量比為1∶1，保濕劑中甘油與丙二醇用量比為2∶1，透明質酸鈉用量為0．2%，三乙醇胺適量，青蒿提取物用量為0．2%。采用響應曲面試驗設計[9－11]，以單硬脂酸甘油酯（A）、甘油（B）、卡波姆 940（C）用量作為考察因素，試驗水平見表1。

表1 響應曲面法試驗設計因素水平表(%)

2．2．2 試驗安排

采用Design Expert 8．0軟件進行試驗設計，試驗安排見表2。

2．2．3 乳劑制備

分別稱取處方量的甘油、丙二醇于燒杯中，加入處方量的卡波姆940，攪拌均勻，再加入適量去離子水充分溶脹，過夜，得A相；稱取處方量透明質酸鈉，加入適量去離子水進行溶脹后加入A相，將青蒿提取物以適量去離子水溶解后加入，得混合A相。稱取處方量GTCC、肉豆蔻酸異丙酯、天然角鯊烷、單硬脂酸甘油酯、鯨蠟硬脂醇聚氧乙烯醚－20于燒杯中，在80℃水浴下溶解混合，得B相。在80℃水浴下，將混合A相緩慢沿同方向攪拌，加入B相中，總乳化時間為50～60 min，攪拌速度先快后慢，乳化結束后加處方量三乙醇胺調節pH，乳化結束后快速冷卻，陰涼密封，保存。

2．2．4 處方評價

感官評價：根據樣品均勻性、清爽感、粘起感、鋪展性、滲透性、滋潤性進行評價。評分方法見表3。可見，運用綜合評分法分析，對感官評價各指標賦權重，得到歸一化綜合評分。其中清爽度、鋪展性、滲透性、滋潤性、均勻性及粘起感權重分別為 0．2，0．2，0．2，0．2，0．1，0．1，結果見表2。

初步穩定性：乳劑為熱力學不穩定微粒分散體系，容易出現分層、破乳聚合等現象，乳劑經長時間放置，老化使之產生分層現象，產生分層現象的快慢是衡量乳劑穩定性的重要指標。采用加速離心法檢查乳劑穩定性，使之較快地產生分層，利用紫外－可見分光光度法測定離心前后的吸光度，得出各處方的穩定性常數（Ke），置離心機中(轉速為 4 000 r／min，離心 10 min)，相當于乳劑放置1年。取各個處方乳劑2 g，置離心機中（轉速為 4 000 r／min，離心 30 min）；取離心管底部樣品 10 μL，用去離子水稀釋500倍，在最大吸收波長下照紫外－可見分光光度法得到各個處方的吸光度（A）值，與未離心之前的吸光度（A0）值比較，計算得 Ke，Ke＝ ｜A－ A0｜／A0×100%。Ke值越小，表明乳劑在離心過程中油滴上浮的越少，處方穩定性越好。全波長掃描得最大吸收波長為505 nm。離心后，處方9分層明顯，其余處方無明顯分層現象，測得 Ke值及歸一化分值見表2。

黏度：采用Gemini 2型旋轉流變儀測定各處方樣品黏度。在梯度剪切模式下，樣品黏度隨剪切速率增大而減小，說明乳液為一種假塑性流體。一般認為乳液涂抹時的剪切速率接近于1 s－1，故本試驗中測定了各處方剪切速率為1 s－1時的黏度，并進行歸一化評分。結果見表 2。

2．2．5 數據分析

根據經驗擬訂各指標權重為感官評價 ∶穩定性∶黏度（4∶3∶3），采用加權平均法綜合各處方分數，錄入Design Expert 8．0軟件進行分析。結果見表2。

表2 響應曲面法試驗設計安排、處方評價及加權評分結果

表3 感官評分標準

利用Design Expert 8．0軟件對數據進行多項式回歸擬合，得模型方程為 Y＝79．707 90－31．210 12 A－1．286 58B ＋41．457 16C ＋3．436 73AB ＋19．344 11AC －1．301 19 BC。方差分析結果見表 4。

表4 響應曲面法試驗方差分析結果

采用 Design Expert 8．0軟件分析得 F ＝5．20，P ＝0．011 3 ＜ 0．05，認為模型建立顯著，殘差不明顯。可知，單硬脂酸甘油酯及卡波姆940兩個因素均有顯著影響；而交互項顯著性較差，說明三者的交互作用不大。各因素的效應關系為卡波姆940＞單硬脂酸甘油酯，三維響應面圖見圖 1。其中，a，b，c分別為 Y＝ (A，B)，Y＝ (A，C)，Y＝ (B，C)的響應面和等高線圖。由圖1可知，當單硬脂酸甘油酯和甘油都固定時，響應值隨卡波姆940用量的變化幅度較大，響應值隨甘油的變化幅度較小，故卡波姆940對響應值的影響更顯著。經Design Expert 8．0軟件預測，最優處方為單硬脂酸甘油酯為1．5%，甘油為 4．5%，卡波姆 940為 0．3%。

2．3 處方驗證

按照最優處方，平行制備3份25 g處方量乳劑，進行感官、穩定性、黏度測定，結果見表5。所制備的3批乳劑均符合上述處方要求。

3 討論

3．1 乳化處理

選擇前期分別采用單因素法考察了70，80，90℃3個乳化溫度，40，60，80 min 3個乳化時間，中速、高速

圖1 乳化體示優化影響因素三維響應面圖

表5 處方驗證結果

兩種攪拌速率，最終確定出在80℃下中速攪拌60 min所得到的乳劑清爽度、粘起感、穩定性均較好。因此，在進行處方優化時采用上述工藝。

3．2 響應曲面法的優勢

功能乳液體系通常的組成成分較多，如果將每種成分變量直接作為因素進行試驗設計，則會導致試驗次數大大增加，不符合實際應用需求。經典的正交設計中因素水平不能連續，故不能很好地適用于類似乳液處方配比等因素呈現連續變化的試驗。響應曲面法能克服上述2種缺點，在連續曲面中優化預測出最優點，但其缺點是試驗次數多，不能適用于因素多的情況[12－13]。首先，固定乳化體系的油相、乳化劑、保濕劑、增稠劑內部比例，分別以乳化劑、保濕劑、增稠劑中的代表性組分作為考察因素，以響應曲面法設計試驗，預測出最優處方，驗證結果較好。

3．3 穩定性考察

穩定性是乳劑質量評價的重要指標之一，Ke是乳劑穩定性的代表性參數，可在乳液體系處方評價時采用[14]，操作簡單、方便，且結果準確、客觀。其中，制備方法、乳化劑種類及用量、水相與油相的用量等均對乳劑的穩定性有一定影響[15－16]。