魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊工藝優化及其特性分析

龍曉燕,李光英,郭小林

(西南科技大學生命科學與工程學院,四川綿陽 621010)

硬膠囊是指藥物(或加有輔料)充填于空心硬質膠囊的固體制劑。由于硬膠囊具有掩蓋藥物的不良臭味、延緩或定位釋放藥物等特點,已廣泛用于藥品、保健品和功能食品中[1]。根據硬膠囊的溶解和釋放特性,可分為普通硬膠囊,緩控釋硬膠囊和腸溶硬膠囊[2]。目前市場上膠囊產品主要以明膠為主要成囊材料的普通膠囊[3]以及一些以植物多糖為主的普通膠囊,如卡拉膠,海藻多糖和黃原膠等已經被用來研究制備藥物制劑膠囊的替代品[4-6]以及再生纖維素制備的硬膠囊[7]。

由于控緩釋制劑具有給藥次數少、血藥濃度平穩、技術含量高、開發周期短的優點[8],越來越被醫藥行業和制藥工業看重?，F有口服控緩釋制劑大多為片劑,利用新的囊壁材料來制備控緩釋膠囊也是熱門研究方向之一,但是目前用新的囊壁材料來制備控緩釋膠囊的研究,多集中在多糖、纖維素及其改性或共混材料方面,且是用來制備腸溶或結腸定位釋藥膠囊。如:纖維素硫酸鈉和殼聚糖共混形成聚電解質來制備結腸定位釋藥硬膠囊[9]以及植物多糖制備的腸溶膠囊,如褐藻膠植物腸溶硬膠囊[10]。而蛋白和植物多糖材料之間共混膠囊殼成囊性的研究報道較少,尤其是胃滯留膠囊的研究鮮見報道。

魔芋精粉的主要成分是葡甘聚糖(KGM),葡甘聚糖具有膠體、增稠、成膜等特性,在很多行業中有廣泛的應用。魔芋葡甘聚糖的吸水性強,在水中的粘度大、溶脹度高,體積溶液可達80～100倍[11];KGM經β-甘露酶可控降解,若能可控降解葡甘聚糖其分子量,則可使魔芋葡甘聚糖的水溶性增加[12-13],擴大了其應用范圍。本研究利用降解改性后的魔芋葡甘聚糖具有溶解性好的特點,制備改性魔芋葡甘聚糖復合明膠的新型膠囊材料,以膠囊殼成囊性為指標,探究改性魔芋葡甘聚糖復合明膠的最佳指標工藝,為改性魔芋葡甘聚糖復合明膠膠囊產品的開發和應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉(葡甘露聚糖含量86%) 綿陽都樂魔芋制品有限公司,;β-甘露酶(3200 U/g) 四川禾本生物有限公司;5-氨基水楊酸(98%) 鄭州阿爾法化工有限公司;明膠 CP級,國藥集團化學試劑有限公司;甘油、氫氧化鈉等 分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

AR124CN電子天平 奧豪斯上海有限公司;FE20 pH計 梅特勒;C-MAG HS4加熱恒溫磁力攪拌器 IKA;DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器 金壇市醫療儀器廠;U-3900H分光光度計 日本日立公司;HH-S4數顯恒溫水浴鍋 金壇市醫療儀器廠;KQ5200 B超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DH-9030(A)電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司;HZQ-F160全溫空氣恒溫搖床 哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司;膠囊模具 上海紅星膠丸有限公司;KXX10-12A箱式電阻爐 中國上海科析試驗儀器廠;ZB-1C智能崩解儀 天津大學精密儀器廠;EVO 18 鎢燈絲掃描電鏡 德國卡爾蔡司公司;SBC-12濺射儀 北京中科科儀股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼的制備 取0.03%(w/v)的β-甘露酶水溶液80 mL于燒杯中,100 r/min磁力攪拌下,加入10 g魔芋精粉,室溫攪拌10 min后,再重復加入10 g魔芋精粉3次,每次間隔10 min,最后一次加入10 g魔芋精粉后,室溫攪拌10 min,立即將燒杯轉移至80 ℃恒溫水浴鍋中,加熱20 min滅活β-甘露酶活性,得改性魔芋葡甘聚糖水溶液。冷卻該水溶液至室溫。調節溶液至一定pH,取一定量的改性魔芋葡甘聚糖水溶液于70 ℃水浴的錐形瓶中,在50 r/min攪拌速度下,依次加入一定量甘油和明膠,繼續攪拌,直至溶液中明膠完全溶解,得到膠液,冷卻膠液至一定溫度,將膠囊模具浸入膠液中,待膠液浸沒膠囊模具5～7 s后,將蘸膠后的膠囊模具立即放入-20 ℃冰箱內,冷凍3～5 min,取出,拔殼,切割后放入干燥箱中干燥,成品置于干燥器中備用。

1.2.2 單因素實驗 以魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性為評價指標,考察魔芋葡甘聚糖與明膠的比、甘油濃度、pH和蘸膠溫度四個因素對成囊性的影響。

1.2.2.1 魔芋葡甘聚糖與明膠的比例對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性的影響 取5份上述魔芋葡甘聚糖降解液20 mL,冷卻該水溶液至室溫,調節pH至10,在50 r/min攪拌下,置于70 ℃恒溫水浴鍋中的50 mL錐形瓶中,加入5%甘油后,分別加入魔芋葡甘聚糖/明膠比例為0.5、1、1.5、2和3(w/w)的明膠,繼續攪拌,直至膠液澄清,冷卻膠液至27 ℃,其余操作同1.2.1。

1.2.2.2 甘油濃度對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼膠囊殼成囊性的影響 取5份上述魔芋葡甘聚糖降解液20 mL,冷卻該水溶液至室溫,調節pH至10,在50 r/min攪拌下,置于70 ℃恒溫水浴鍋中的50 mL錐形瓶中,分別加入3%、4%、5%、6%和7%的甘油后,加入魔芋葡甘聚糖:明膠比為1的明膠,繼續攪拌,直至膠液澄清,冷卻膠液至27 ℃,其余操作同1.2.1。

1.2.2.3 pH對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼膠囊殼成囊性的影響 取5份上述魔芋葡甘聚糖降解液20 mL,冷卻該水溶液至室溫,分別調節pH至8、9、10、11和12,在50 r/min攪拌下,置于70 ℃恒溫水浴鍋中的50 mL錐形瓶中,依次加入5%的甘油和魔芋葡甘聚糖:明膠比為1的明膠,繼續攪拌,直至膠液澄清,冷卻膠液至27 ℃,其余操作同1.2.1。

1.2.2.4 蘸膠溫度對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼膠囊殼成囊性的影響 取5份上述魔芋葡甘聚糖降解液20 mL,冷卻該水溶液至室溫,調節pH至10,在50 r/min攪拌下,置于70 ℃恒溫水浴鍋中的50 mL錐形瓶中,依次加入5%的甘油和魔芋葡甘聚糖:明膠比為1的明膠,繼續攪拌,直至膠液澄清,直至膠液澄清,冷卻膠液至26、27、28、29 和30 ℃,其余同1.2.1項下所述。

1.2.3 響應面試驗 在單因素實驗的基礎上,根據Box-Behnken實驗設計原理[14],選取對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊膠囊殼成囊性影響顯著的因素∶魔芋葡甘聚糖∶明膠比、甘油濃度和pH,運用Design Expert軟件進行3因素3水平的響應設計,設計水平見表1。

表1 Box-Benhken設計因素水平Table 1 Factors and Levels of Box-Behnken Design

1.2.4 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊膠囊殼成囊性測試 由藥學專業人員根據中國藥典[15]和中國醫藥包裝協會標準[16]中對膠囊的要求,確定了六項鑒定指標分別為膠囊壁厚均勻、拔殼難易程度、色澤、插劈、氣泡、痘頭薄頭綜合為膠囊殼成囊性,進行膠囊殼的評定,每項各2分,分數分為1～12,分數越高,表明膠囊成囊性越好[10]。

1.2.5 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼的理化指標測定

1.2.5.1 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊釋放性能測試 用模式藥物5-氨基水楊酸來測試魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊釋放性能[17]。將20 mg 5-氨基水楊酸分別放入準備好的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊中,輕輕按壓將膠囊體和膠囊密封好后,將密封好的膠囊置于pH1.5的 450 mL人工胃液中后,于恒溫搖床中振搖,搖床的溫度為37 ℃,轉速為100 r/min;分別在不同的時間點處取適量體積的樣液,同時及時補充相同體積的溶出介質,取出的溶出介質用小于0.45 μm微孔濾膜快速過濾。

因為引種時間較短，水楊桃究竟能否完全適應周至（北方）地區的氣候（如早霜早雪、晚霜凍害、冬季極端低溫、夏季極端高溫、春旱伏旱等），除了抗澇性（這一點是確定的）外，其抗鹽堿、抗潰瘍病、耐瘠薄、抗重茬等能力究竟如何，嫁接部位（高接還是低接）、是否需要中間砧等問題還需要進一步觀察、試驗。若有興趣，果農可少量引種試驗，穩妥發展，目前尚不建議大量采購水楊桃嫁接苗建園。

1.2.5.2 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼其它理化指標測定 脆碎度測定:取制備好的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼50粒,按中國藥典2015版[19]明膠空心膠囊項下脆碎度方法測定;

干燥失重測定:取制備好的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼1 g,按中國藥典2015版[19]明膠空心膠囊項下干燥失重方法測定;

熾灼殘渣測定:取制備好的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼1 g,按中國藥典2015版[19]明膠空心膠囊項下熾灼殘渣方法測定;

崩解時限測定:取制備好的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼6粒,按中國藥典2015版[19]明膠空心膠囊項下崩解時限方法測定;

1.2.5.3 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊掃描電鏡分析 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊鍍金120 s 后進行掃描電鏡分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 魔芋葡甘聚糖與明膠的比例對成囊性的影響 從壁厚比較均勻、拔殼比較容易、色澤均勻、無插劈等方面對5組膠囊殼分別進行打分,結果如圖1所示,當比例為0.5時,成囊性為7.90分,隨著魔芋葡甘聚糖與明膠比例的增加而緩慢上升。在比例為1時,成囊性為10.17分,之后隨著魔芋葡甘聚糖與明膠的比的增加而緩慢下降。明膠與魔芋葡甘聚糖的混合,在一定的濃度范圍內時,粘性增加,而有利于成殼,明膠濃度過大時,粘度過大,難蘸膠,難成殼;魔芋葡甘聚糖濃度低,會使蘸膠后難拔殼,魔芋葡甘聚糖濃度過大時,膠液粘度低、壁過厚,成囊效果不好。差異顯著性分析結果表面,魔芋葡甘聚糖與明膠的比例為1時的成囊性顯著(p<0.05)大于魔芋葡甘聚糖與明膠的比例為0.5的成囊性;比例為1和2時差異不顯著,所以選取魔芋葡甘聚糖與明膠的比例0.5和2進行Box-Behnken實驗的低水平和高水平實驗。

圖1 魔芋葡甘聚與明膠比例對成囊效果的影響Fig.1 Effect of ratio of KGMand gelatin on the wall forming

2.1.2 甘油濃度對成囊性的影響 對5組膠囊殼分別進行打分,實驗結果如圖2。甘油濃度是影響膠囊殼壁厚、拔殼濃度的最重要的因素,因為甘油是一種親水性的增塑劑,低濃度增塑劑的加入改善了高聚物分子鏈間及分子內形成的氫鍵作用,軟化膠囊殼的剛性結構。然而甘油的濃度較高,能夠增大分子之間的距離,擴大了分子之間的間隙,導致膠囊殼的致密性下降,從而使制得膠囊殼的彈性降低[20],當甘油濃度3%～5%時,隨著甘油濃度的增加,膠囊殼成囊性增加,甘油濃度為5%時,膠囊殼成囊性最大,為10.1分;當甘油濃度5%～7%時,膠囊殼成囊性緩慢降低。差異顯著性分析結果表明,當甘油濃度為5%時,成囊性顯著(p<0.05)高于甘油濃度為4%的成囊性。再增加甘油濃度,成囊性趨于平穩降低。故選取提取選取甘油濃度為4%和6%進行Box-Behnken實驗的低水平和高水平實驗。

圖2 甘油濃度對膠囊殼成囊性的影響Fig.2 Effect of glycerin concentration on the wall forming

圖3 pH對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性的影響Fig.3 Effect of pH on the wall forming

2.1.4 蘸膠溫度對成囊性的影響 由圖4可以看出,蘸膠溫度為27 ℃時,魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性最佳。對5組膠囊殼分別進行打分,實驗結果見圖4,蘸膠溫度是影響膠囊殼壁厚度、拔殼程度的重要影響因素。在溶膠后,膠液溫度可達到25 ℃ 左右,而膠液溫度過高,流動性強,難蘸膠導致膠囊殼壁過薄、難拔殼易破;膠液溫度過低,流動性差,粘度過大,蘸取的膠液不能成型,導致膠囊殼壁過厚,當膠液溫度在27 ℃左右蘸取膠液時,壁厚度最佳拔殼程度最佳、膠囊殼膠囊殼成囊性最佳,而在27 ℃左右范圍外,蘸膠效果極差,所以在制備過程中,必須將溫度控制好,否則蘸膠失敗。蘸膠溫度在27 ℃時,才能蘸膠,所以不對其進行響應面優化分析。

圖4 蘸膠溫度對的影響Fig.4 Effect of dipping temperature on the wall forming

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 模型的建立 如表2所示,共計17次實驗,其中12次析因實驗,5次零點重復實驗,用來估計實驗誤差。利用Design Expert 8.0.6統計軟件對表2實驗數據進行回歸擬合,得到魔芋葡甘聚糖與明膠比值、甘油濃度和pH 3個因素的二次多項回歸模型為:

表2 Box-Behnken實驗設計及結果Table 2 The results and design of Box-Behnken

魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性=10.59-0.05A-0.21B+0.17C-0.15AB+0.29AC-0.17BC-0.96A2-0.96B2-1.10C2

表3 回歸方程模型方差分析Table 3 ANOVA of the regression model

2.2.2 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊的響應面分析與優化 響應面分析的圖形是特定的響應值對應自變量構成的一個三維空間圖,可以直觀地反映出各自變量對響應值的影響[22]。根據回歸模型,選取有顯著性交互影響(AC)的響應面,即當甘油濃度為5%時,魔芋葡甘聚糖與明膠比(A)和pH(C)對魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性的影響,見圖5。由圖5可知,當固定pH在9～10范圍的一個值,魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼成囊性在魔芋葡甘聚糖與明膠比(A)的0.50～2.00范圍內,先增加后降低;從圖5的等高線圖可以看出,沿pH(C)因素比沿魔芋葡甘聚糖與明膠比(A)因素的等高線更密,反應出pH對膠囊殼影響效果比魔芋葡甘聚糖與明膠比大。

圖5 魔芋葡甘聚糖/明膠比和pH響應曲面立體圖和等高線圖Fig.5 Surface and contour plot showing the effect of the ratio of KGM and gelatin and pH

2.2.3 模型的優化及驗證實驗 軟件分析得到制備魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊共最佳工藝條件為:魔芋葡甘聚糖/明膠比1.25,甘油濃度4.88%,pH10.09。在此條件下,魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼的理論成囊性為10.61。為驗證響應面法所得結果的可靠性,同時考慮到可操作性,采用魔芋葡甘聚糖/明膠比1.25,甘油濃度4.88%,pH10.1的工藝進行魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊的制備,實測成囊性為(10.66±0.05)分,與預測值10.61分相比,其相對誤差為0.47%,因此,基于Box-Behnken 法所得的優化制備魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊工藝參數可靠,具有實用價值。

2.3 最優條件制備出的膠囊在人工胃液中的藥物釋放性

為了測試最優條件制備出來的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊的藥物釋放性能,我們選擇5-氨基水楊酸作為模式藥物,觀察其在人工胃液中的釋放性能。從圖6可知,5-氨基水楊酸魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊在人工胃液中,4～5 min時開始釋放,0～17 min段,藥物釋放速率緩慢,17 min內累積釋放(10%±2.39%);在17～40 min 段,藥物釋放速率顯著增加,40 min內累積釋放(80%±3.44%)。40 min后,藥物又開始緩慢釋放,60 min內累積釋放達(95.5%±5.3%)。一般來講,藥物從聚合物殼中釋放有兩種機制:空洞機制和分配機制[14]。當5-氨基水楊酸魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊浸入到人工胃液后,水分子進入魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼,開始溶解膠囊殼,5-氨基水楊酸以空洞機制低速率釋放,17 min內,5-氨基水楊酸累積釋放(10%±2.39%),隨著時間的增加(17～40 min),魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊殼降解明顯,5-氨基水楊酸釋放速率加快,空洞機制和分配機制都產生作用。

圖6 5-氨基水楊酸魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊在人工胃液中釋放性Fig.6 5-ASA release from KGM/gelationcapsule in the simulated gastric fluid

2.4 膠囊的其它理化指標

按最優條件制備出魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊,進行脆碎度、干燥失重、熾灼殘渣、崩解時限等指標的測定。制備出的膠囊脆碎度為0;干燥失重為(13.5%±0.0);熾灼殘渣為(0.7%±0.0);崩解時限為(106.2±5.3) min。有望開發為胃滯留膠囊制劑。

2.5 膠囊的形貌分析

通過圖7可以看出,最優條件制備出的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊表面略顯凹凸不平,表面無空洞出現,說明水分子不容易滲透入膠囊殼中,也可以為該膠囊用作胃滯留制劑提供形貌學基礎。

圖7 魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊掃描電鏡分析Fig.7 SEM image of KGM/gelation capsule

3 結論

魔芋葡甘聚糖/明膠的最佳工藝條件為:當魔芋葡甘聚糖/明膠為1.25,甘油濃度為4.88%,pH為10.1時,魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊的成囊性最高,為(10.66±0.05)分。其中,甘油濃度、pH和魔芋葡甘聚糖與明膠的比與pH的交互的影響是影響魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊成囊性的主要因素。掃描電鏡分析顯示:最優條件制備的芋葡甘聚糖/明膠膠囊質地致密;對最優條件制備出的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊,在模擬胃液中60 min累積釋放度為(95.5%±5.3%);崩解時限為(106.2±5.3) min,遠高于中國藥典2015版對普通明膠空心膠囊對崩解時限的要求。通過本優化工藝制備的魔芋葡甘聚糖/明膠膠囊成囊性好,在人工胃液中的崩解時限長,可望成為一種新的胃滯留制劑。