施鴻謀,林福娣,蘇一帆,范超春,趙 巖,張 娜
(華僑大學化工學院,福建廈門 361021)
軟膠囊是膠囊劑的一種包裝方式,其形狀各式各樣,通過軟質囊材將液體藥物或液體藥物經加工處理后密封其中而成,在保健食品和藥品中廣泛應用。迄今為止,軟膠囊品種多達3600余種,在目前軟膠囊市場中應用最廣泛的是明膠軟膠囊,明膠因本身具有獨特的理化性質和相對較高的營養價值而深受廣大群眾的青睞[1-2]。但是明膠分子獨特的結構特征使其在應用中存在一些不足,如作為動物源制劑,可能存在病毒傳播的風險或不易被素食主義者和一些特殊文化者接受;儲存性較差,容易失去水分而發生硬化、吸收空氣中水分而發生軟化、遇到含醛物質容易發生交聯固化反應;不能用于親水性或吸濕性藥物等[3-7]。因此,開發質量可控的植物軟膠囊勢在必行。植物軟膠囊不僅能滿足特殊人群的需求、順應天然與安全的潮流,并且具有適應性廣、耐高溫、穩定性高、不易黏連、無交聯風險、保質期長等優點,被認定為是一類有著良好發展前景的新型軟膠囊囊材。
羥丙基甲基纖維素(Hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)制成的囊材與明膠囊材相比,其對藥物崩解、溶出影響更小,用藥順應性更高。于是,HPMC被認為是能替代明膠的植物軟膠囊新型囊材[8-10]。HPMC植物膠囊Vcaps是由美國輝瑞公司開發的非明膠膠囊,隨后Licaps充液膠囊、Quali-V等HPMC植物膠囊相繼誕生。盡管HPMC膠囊具有與明膠膠囊相似的溶解性、崩解性和生物利用性,同時具備一些明膠膠囊不具備的優點,但目前應用仍然不是很廣泛,主要原因之一是產品價格高。與明膠相比,HPMC原料成本較高,此外,其緩慢的凝膠速度導致軟膠囊生產周期長和崩解時間偏長。Bilbao-Sinz等[11]將納米級的MCC(Microcrystalline cellulose)和MCC-脂質加入到HPMC中,以改善HPMC的機械性能和防水性能。Ugurlu等[12]發現pectin/HPMC對大腸定位給藥載體的溶解、崩解和藥物釋放性質具有很好的作用。Byun等[13]研究了全植物軟膠囊shellac-HPMC 的成膜性質和抗水性質問題。Levina等[14]研究表明,不同輔料下,HPMC膠囊的釋放性能有所差異。HPMC具有替代明膠的潛力,其更能符合人們膳食要求和市場需要,在軟膠囊領域將擁有強大的發展前景。
本實驗采用Design Expert 10軟件,選擇BoxBehnken中心組合程序,采用響應曲面法,通過改變添加劑類型和配比來探究羥丙基甲基纖維素和普魯蘭多糖在凝膠過程中對凝膠特性的影響及對成膜性的機械性能的影響,以期更好地指導生產和應用于市場。
羥丙基甲基纖維素、甘油、檸檬酸鉀、普魯蘭多糖 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司;κ-卡拉膠 食品級,綠新福建食品有限公司。
UV-8000掃描型紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;DHG-9036A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;DR-6000A型電子萬能拉伸實驗機 揚州德瑞儀器設備有限公司;MS7-H550-Pro型磁力攪拌器 大龍興創實驗儀器(北京)有限公司;HWCL-5型集熱式恒溫磁力攪拌浴 鄭州長城科工貿有限公司;WD-1型凝膠強度測定儀 泉州萬達實驗儀器設備有限公司。
1.2.1 羥丙基甲基纖維素復合膜的制備 工藝路線:復合膜基礎物料→加蒸餾水混勻→控溫攪拌→添加增塑劑、凝膠劑、促凝劑→充分攪拌→靜膠除泡→鋪膜→干燥→揭膜→保存備用。
操作要點:稱取一定量的成膜劑:羥丙基甲基纖維素與一定量的成膜劑普魯蘭多糖充分混勻,將混合好的物料置于80 ℃的蒸餾水中充分攪拌溶解,而后分別加入一定量的κ-卡拉膠(凝膠劑)、一定量的甘油(增塑劑)和檸檬酸鉀(促凝劑),在80 ℃集熱式恒溫磁力攪拌浴攪拌4 h,關停攪拌但不停止加熱,80 ℃保膠靜置2 h,然后在0.1 MPa的真空度下脫氣除泡直至膠液中無氣泡。將膠液傾倒于四周涂有脫模油的玻璃板槽內(規格:10 cm×10 cm×0.05 cm),采用流延法直至膠液將玻璃板槽完全覆蓋鋪勻,置于35 ℃烘箱中干燥4 h,然后揭膜并將其保存在干燥器中備用,其中干燥器的濕度控制在65%左右。
1.2.2 羥丙基甲基纖維素復合膜單因素實驗 固定普魯蘭多糖含量(文中所提及的含量均為質量濃度)8.00%,κ-卡拉膠含量2.00%,甘油含量7.00%,檸檬酸鉀含量0.15%,探索不同羥丙基甲基纖維素含量(6.00%、7.00%、8.00%、9.00%、10.00%)對膠液的凝膠強度以及對膜的機械強度和透光率的影響。
固定羥丙基甲基纖維素含量8.00%,κ-卡拉膠含量2.00%,甘油含量7.00%,檸檬酸鉀含量為0.15%,探索不同普魯蘭多糖含量(6.00%、7.00%、8.00%、9.00%、10.00%)對膠液的凝膠強度以及對膜的機械強度和透光率的影響。
固定普魯蘭多糖含量8.00%,羥丙基甲基纖維素含量8.00%,κ-卡拉膠含量2.00%,檸檬酸鉀含量為0.15%,探索不同甘油含量(5.00%、6.00%、7.00%、8.00%、9.00%)對膠液的凝膠強度以及對膜的機械強度和透光率的影響。
固定普魯蘭多糖含量8.00%,羥丙基甲基纖維素含量8.00%,甘油含量7.00%,檸檬酸鉀含量0.15%,探索不同κ-卡拉膠含量(1.50%、1.75%、2.00%、2.25%、2.50%)對膠液的凝膠強度以及對膜的機械強度和透光率的影響。
1.2.3 響應面實驗設計 以羥丙基甲基纖維素復合膜的斷裂伸長率、抗拉強度、透光率和凝膠強度四個指標作為單因素的變化指標,通過單因素實驗,選取羥丙基甲基纖維素含量、普魯蘭多糖含量、甘油含量和κ-卡拉膠含量作為影響因素。確定四因素三水平的最佳參數,進行響應面分析,制定響應曲面實驗自變量因素編碼及水平表(表1),復合膜其他配料中:檸檬酸鉀0.15%。

表1 響應曲面法試驗因素編碼表Table 1 Coding table of experimental factors for response surface method
1.2.4 羥丙基甲基纖維素復合膜的性能表征及測定
1.2.4.1 斷裂伸長率和抗拉強度的測定 依據國標GB/T 1040.1-2018[15],使用電子萬能拉伸實驗機對復合膜的斷裂伸長率和抗拉強度進行測量,其中將初始夾距設置成40 mm,將拉伸速度設置成10 mm/s,并將膜裁剪成長×寬為80 mm×10 mm的方條,根據國標中的公式計算斷裂伸長率式(1)和抗拉強度式(2)。

式(1)
抗拉強度TS(MPa)=F/S
式(2)
式中:E為斷裂伸長率,%;L為復合膜的長度,mm;L1為復合膜被拉斷時的長度,mm;TS為抗拉強度,MPa;F為復合膜斷裂時所承受的最大拉力,N;S為復合膜的橫截面面積,m2。
1.2.4.2 透光率的測定 使掃描型紫外分光光度計對復合膜的透光率進行測定,將復合膜裁剪成30 mm×30 mm的正方形,并放入薄膜樣品架中,在波長600 nm下測定樣品的透光率,用透光率的大小來表示復合膜的透明程度,以空薄膜樣品架作為空白對照。
1.2.4.3 凝膠強度的測定 依據國標GB 28304-2012,分別在三個50 mL燒杯中倒入40 mL膠液,在溫度25 ℃,濕度65%的室內,靜置24 h,使用凝膠強度測定儀對凝膠強度進行測定,分別對三個燒杯中的凝膠進行測定并取平均值。根據國標中的公式計算凝膠強度式(3)。
凝膠強度P(g/cm2)=G×f
式(3)
式中:P為膠液的凝膠強度,g/cm2;G為所測膠液的凝膠強度值,g/cm2;f為國標中查得的溫度校正系數。
本文所有實驗數據皆是重復操作三次取平均值所得。使用Design Expert 10軟件基于單因素測試的結果,選擇BoxBehnken中心組合程序。根據不同因素對復合膜性能特征的顯著性差異進行分析,通過數學模型來確定復合膜的可信度,并以此來確定復合膜的最優配方工藝。
2.1.1 羥丙基甲基纖維素對復合膜的性質的影響 研究羥丙基甲基纖維素含量對復合膜性質的影響,實驗結果如表2所示,當羥丙基甲基纖維素含量控制在6.00%~10.00%時,其斷裂伸長率、透光率隨著羥丙基甲基纖維素含量的增加而降低,而抗拉強度則不斷增加,凝膠強度則先升高再降低,當含量為8.00%時,凝膠強度達到最大值,為670.00 g/cm2。這主要是由于其濃度的增加,分子間摩擦力、相互作用及阻滯力增加,流動性減小,使得其斷裂伸長率和透光率一直降低,而其分子間摩擦,相互作用和延遲增加,使得其抗拉強度呈現出增長的趨勢[19-20]。

表2 羥丙基甲基纖維素含量對復合薄膜性質的影響Table 2 Effect of hydroxypropyl methyl cellulose contents on properties of composite films
2.1.2 普魯蘭多糖對復合膜的性質的影響 研究普魯蘭多糖含量對復合膜性質的影響,實驗結果如表3所示,當普魯蘭多糖含量控制在6.00%~10.00%時,其斷裂伸長率、透光率和凝膠強度都隨著普魯蘭多糖含量的增加均呈現先增后減的趨勢,而抗拉強度則呈現出下降的趨勢。這主要是由于普魯蘭多糖是此復合膜中的主要成分之一,隨著其含量的增加,單位體積內所含的普魯蘭多糖的分子量逐漸增加,其使復合膜的致密性以及連續性也逐漸提高,但是隨著普魯蘭多糖含量的增加,膠液的黏度也在增加,這也使得膜的厚度增加[18],同時導致復合膜的抗拉強度、透光率以及凝膠強度出現下降的趨勢。

表3 普魯蘭多糖含量對復合薄膜性質的影響Table 3 Effect of pullulan contents on properties of composite films
2.1.3 甘油對復合膜的性質的影響 研究甘油含量對復合薄膜的性質的影響,實驗結果示于表4,當甘油含量控制在5.00%~9.00%時,斷裂伸長率和拉伸強度隨著甘油含量的升高而減小,而透光率和凝膠強度則表現出先升高后降低的趨勢,這主要是由于甘油作為小分子親水性增塑劑,每個小分子還有三個羥基,容易插入羥丙基甲基纖維素和普魯蘭多糖共同形成的分子鏈中,使得單位體積的羥基數目增多,從而結合水分子的數目也增多,其進一步削弱了分子間的相互作用,有效延展了膜的結構并賦予其柔韌性[19]。甘油含量的增加會使得復合膜中水分子的含量增加,這也讓復合膜具有一定的可塑性。

表4 甘油含量對復合膜性質的影響Table 4 Effect of glycerol contents on the properties of composite films

表5 κ-卡拉膠含量對復合薄膜性能的影響Table 5 Effect of different κ-carrageenan content on the properties of composite films

表6 Box-Benhken中心組合程序設計及結果Table 6 Box-Benhken center combination program design and results
2.1.4 κ-卡拉膠對復合膜的性質的影響 研究κ-卡拉膠含量對復合膜性質的影響,實驗結果示于表5,當κ-卡拉膠含量控制在1.50%~2.50%時,隨著其含量的增加,斷裂伸長率和凝膠強度都呈現出先增加后減少的趨勢,而抗拉強度和透光率則呈現出持續增長的趨勢。斷裂伸長率和凝膠強度之所以先呈現出增加的趨勢,主要是因為隨著卡拉膠含量的增加,使得分子結構中氫鍵數量的增加而所致;而斷裂伸長率和凝膠強度出現降低的趨勢,主要是卡拉膠本身自聚導致復合膜的脆性得到增強,因此當卡拉膠含量超過2.25%時,該聚合物從塑性開始向脆性發生轉變,進而使得其出現降低的趨勢[20-21]。而抗拉強度出現增長的趨勢主要是由于κ-卡拉膠含量的增加而使得聚合物中氫鍵增多所致[22]。
由于此復合膜將應用于軟膠囊,而考慮軟膠囊膜的主要性能除了斷裂伸長率和抗拉強度二者應該越大越好,凝膠強度也作為其中的一項重要指標,凝膠強度越大,復合膜的韌性則越好。基于單因素實驗結果,透光率隨著各影響因素的改變在25%~50%之間變化,在這個透光率區間,膠液的相容性雖有變化,但整體的變化不大。因此綜合復合膜的斷裂伸長率、抗拉強度和凝膠強度這三個指標的變化趨勢,選用羥丙基甲基纖維素含量6.00%、8.00%、10.00%;普魯蘭多糖含量6.00%、8.00%、10.00%;甘油含量5.00%、7.00%、9.00%;κ-卡拉膠含量2.00%、2.25%、2.50%做響應面分析,以此確定羥丙基甲基纖維素復合膜的最佳制備工藝。
2.2.1 試驗設計及結果 根據Box-Benhken中心組合實驗設計原理將斷裂伸長率(Y1),抗拉強度(Y2),凝膠強度(Y3)和透光率(Y4)作為響應值,選取A羥丙基甲基纖維素,B普魯蘭多糖,C甘油含量,D κ-卡拉膠作為配方變量,依據Box-Benhken中心組合程序,設計四因素三水平的響應曲面分析試驗。
2.2.2 斷裂伸長率回歸方程方差分析 根據表1所確定的四個因素為響應值的變量,斷裂伸長率為響應值,利用Design Expert 10軟件進行響應曲面的模型擬合,其中軟件模擬的模型如下:斷裂伸長率Y1=23.97-8.75A+8.09B+2.45C+6.40D-5.92AB+2.77AC-1.66AD-1.00BC+5.92BD-1.25CD+6.53A2+5.21B2+2.25C2-1.89D2。
通過對復合膜的斷裂伸長率的數模型的方差分析對方程的有效性進行檢驗,結果示于表7、表8。由表7可知,該模型的回歸性顯著(P<0.0001),并且失擬項的P值為0.2168>0.05,說明了失擬項不顯著,即該二次多元回歸方程與實際情況的吻合度較好,實驗過程的誤差小,因此可以利用該二次多元回歸方程對實驗結果進行預測。

表7 斷裂伸長率回歸方程方差分析表Table 7 Analysis of variance of regression equation of elongation at break

表8 斷裂伸長率R2綜合分析Table 8 Comprehensive analysis of elongation at break R2
從表7還可以看出,方程的一次項中A、B、C、D,交互項AB和BD,二次項A2和B2對響應值的影響顯著(P<0.05)。根據方差分析可以得出如下結果:FA=80.13、FB=68.51、FC=6.28、FD=42.87,這四個結果代表了各因素對斷裂伸長率影響程度的大小,結果表明:羥丙基甲基纖維素含量影響最大,甘油含量影響最小。
由表8可知,校正R2為0.9566,R2為0.9060,說明該數學模型與實際實驗結果的擬合較好,預測R2為0.7573與R2的差異小于0.2,說明該模型的預測性較好。信噪比為17.533?4,證明數學模型是可靠的。因此,可以使用數學模型來分析預期響應值的變化規律[23]。
2.2.3 抗拉強度回歸方程方差分析 根據表1所確定的四個因素為響應值的變量,抗拉強度為響應值,利用Design Expert 10軟件進行響應曲面的模型擬合,其中軟件模擬的模型如下:抗拉強度Y2=3.39-0.047A-0.20B+0.67C-1.35D-0.26AB+0.16AC+0.18AD+0.069BC-0.13BD-0.12CD-0.36A2-0.26B2+0.15C2+0.69D2。
為了對方程的有效性進行檢驗,通過對復合膜的抗拉強度的數模型進行方差分析,結果示于表9、表10。由表9可知,該模型的回歸性顯著(P<0.0001),并且失擬項的P值為0.6041>0.05,說明了失擬項不顯著,這也說明了該二次多元回歸方程與實際情況的吻合度較好,實驗過程的誤差小,因此可以利用該二次多元回歸方程來替代實驗實際點以對實驗結果進行預測。

表9 抗拉強度回歸方程方差分析表Table 9 Analysis of variance of tensile strength regression equation
從表9還可以看出,方程的一次項中C和D,二次項D2對響應值的影響顯著(P<0.05)。根據方差分析可以得出如下結果:FA=0.19、FB=3.25、FC=37.36、FD=152.60,這四個結果代表了各因素對抗拉強度影響程度的大小,結果表明:κ-卡拉膠含量影響最大,羥丙基甲基纖維素含量影響最小。
由表10可知,校正R2為0.9517,R2為0.8953,說明該數學模型與實際實驗結果的擬合較好,預測R2為0.7504與R2的差異小于0.2,說明該模型的預測性較好。信噪比為14.962?4,證明數學模型是可靠的。因此,可以使用數學模型來分析預期響應值的變化規律。

表10 抗拉強度R2綜合分析Table 10 Comprehensive analysis of tensile strength R2
2.2.4 凝膠強度回歸方程方差分析 根據表1所確定的四個因素為響應值的變量,凝膠強度為響應值,利用Design Expert 10軟件進行響應曲面的模型擬合,其中軟件模擬的模型如下:
凝膠強度Y3=739.20-29.71A-39.63B+134.58C+44.08D-9.12AB+36.75AC-26.00AD+26.75BC-64.25BD-12.50CD+3.90A2-15.85B2-5.04C2+25.71D2。
為了對方程的有效性進行檢驗,通過對復合膜的斷裂伸長率的數模型進行方差分析,結果示于表11、表12。由表11可知,該模型的回歸性顯著(P<0.0001),并且失擬項的P值為0.7063>0.05,說明了失擬項不顯著,這也說明了該二次多元回歸方程與實際情況的吻合度較好,實驗過程的誤差小,因此可以利用該二次多元回歸方程來替代實驗實際點以對實驗結果進行預測。

表11 凝膠強度回歸方程方差分析表Table 11 Analysis of variance of gel strength regression equation
從表11還可以看出,方程的一次項中A、B、C、D,交互項BD對響應值的影響顯著(P<0.05)。根據方差分析可以得出如下結果:FA=7.98、FB=14.20、FC=163.86、FD=17.58,這四個結果代表了各因素對凝膠強度影響程度的大小,結果表明:甘油含量影響最大,羥丙基甲基纖維素含量影響最小。
由表12可知,校正R2為0.9506,R2為0.8929,說明該數學模型與實際實驗結果的擬合較好,預測R2為0.7530與R2的差異小于0.2,說明該模型的預測性較好。信噪比為15.055?4,證明數學模型是可靠的。因此,可以使用數學模型來分析預期響應值的變化規律。

表12 凝膠強度R2綜合分析Table 12 Comprehensive analysis of gel strength R2
2.2.5 透光率回歸方程方差分析 根據表1所確定的四個因素為響應值的變量,透光率為響應值,利用Design Expert 10軟件進行響應曲面的模型擬合,其中軟件模擬的模型如下:透光率Y4=51.62-4.69A+1.83B-0.96C-6.62D+4.69AB+2.94AC-1.60AD-2.82BC+0.84BD+6.58CD-3.01A2-1.38B2-10.70C2-6.23D2。
為了對方程的有效性進行檢驗,通過對復合膜的斷裂伸長率的數模型進行方差分析,結果示于表13、表14。該模型的回歸性顯著(P<0.0001),并且失擬項的P值為0.0693>0.05,說明了失擬項不顯著,這也說明了該二次多元回歸方程與實際情況的吻合度較好,實驗過程的誤差小,因此可以利用該二次多元回歸方程來替代實驗實際點以對實驗結果進行預測。

表13 透光率回歸方程方差分析表Table 13 Analysis of variance of transmittance regression equation

表14 透光率R2綜合分析Table 14 Comprehensive analysis of light transmittance at break R2
從表13還可以看出,方程的一次項中A、B、D,交互項AB和CD,二次項A2、C2和D2對響應值的影響顯著(P<0.05)。根據方差分析可以得出如下結果:FA=35.17、FB=5.35、FC=1.49、FD=70.17,這四個結果代表了各因素對透光率影響程度的大小,結果表明:κ-卡拉膠含量影響最大,甘油含量影響最小。
由表14可知,校正R2為0.9546,R2為0.9015,說明該數學模型與實際實驗結果的擬合較好,預測R2為0.7405與R2的差異小于0.2,說明該模型的預測性較好。信噪比為15.841?4,證明數學模型是可靠的。因此,可以使用數學模型來分析預期響應值的變化規律。
2.2.6 響應曲面法分析 根據四個因素羥丙基甲基纖維素、普魯蘭多糖、κ-卡拉膠和甘油對不同響應值所形成的三維立體曲面圖,直觀的反映出四個因素對響應值的不同影響。而響應曲面圖則通過其坡度的陡峭情況直觀的反應各個影響因素的變化,響應曲面越陡峭,就表明了該因素對其影響越大[24]。圖1可以看出普魯蘭多糖含量對斷裂伸長率的影響最大,羥丙基甲基纖維素含量對其影響最小;圖2可以看出κ-卡拉膠含量對抗拉強度的影響最大,甘油含量對其影響最小;圖3可以看出κ-卡拉膠含量對凝膠強度的影響最大,普魯蘭多糖含量對其影響最小;圖4可以看出普魯蘭多糖含量對透光率的影響最大,甘油的含量對其影響最小。綜上所述,復合膜性質的影響因素主要為κ-卡拉膠含量和普魯蘭多糖含量。

圖1 不同影響因素對斷裂伸長率影響的響應面圖Fig.1 Response surface of different influencing factors on elongation at break

圖2 不同影響因素對抗拉強度影響的響應面圖Fig.2 Response surface of different influencing factors on the tensile strength

圖3 不同影響因素對凝膠強度影響的響應面圖Fig.3 Response surface of different influencing factors on gel strength

圖4 不同影響因素對透光率影響的響應面圖Fig.4 Response surface of different influencing factors on light transmittance
2.2.7 制備工藝條件的驗證 通過Design-Expert軟件探索各因素的最佳組合條件,使斷裂伸長率、抗拉強度、凝膠強度和透光率都取最大值,通過軟件優化得到了最佳組合條件:普魯蘭多糖含量9.533%,羥丙基甲基纖維素含量6.00%,κ-卡拉膠含量2.315%,甘油含量7.903%,在這一組條件下斷裂伸長率為58.061%,凝膠強度為784.168 g/cm2,抗拉強度為2.522 MPa,透光率為45.496%。為了驗證響應面優化法所得結果的準確性,對軟件分析優化所得結果進行驗證,重復三次實驗測得斷裂伸長率為56.35%±1.48%,抗拉強度為(2.68±0.39) MPa,凝膠強度為(785.48±10.32) g/cm2,透光率為46.73%±3.87%,驗證實驗的結果與軟件分析所得結果基本吻合,證明數學模型具有良好的可靠性。
本研究分別以羥丙基甲基纖維素復合膜的斷裂伸長率、抗拉強度、凝膠強度和透光率作為量化指標,建立了以羥丙基甲基纖維素含量、普魯蘭多糖含量、κ-卡拉膠含量和甘油含量4個因素為變量的二次多元回歸方程,經過優化所得到的復合膜的最佳配比條件為:普魯蘭多糖含量9.533%,羥丙基甲基纖維素含量6.00%,κ-卡拉膠含量2.315%,甘油含量7.903%。在此條件下,經過實驗測試,所得到的斷裂伸長率為56.35%±1.48%,抗拉強度為(2.68±0.39) MPa,凝膠強度為(785.48±10.32) g/cm2,透光率為46.73%±3.87%。在這些條件下,該羥丙基甲基纖維素復合膜的各項性能指標達到最佳,有望為植物軟膠囊的應用提供新思路。