響應面法優化鈣軟膠囊的制備工藝

張國文，張桂美，胡明明,2

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.大馬棕櫚油技術研發(上海)有限公司)

鈣是人體含量最高的礦物質，參與多種代謝過程，對維持人體骨健康及其他正常的生理活動具有重要意義，但無論采用膳食調查估計方法還是生化實測方法，我國城鄉居民每日膳食中含鈣量均偏低，只有400～500 mg[1]，僅為營養學推薦供給量指標的二分之一左右(約為800 mg·d-1)[2]，故適當補充鈣劑在我國人民當前膳食情況下仍是十分需要的。軟膠囊作為新劑型，具有生物利用度高、劑量準確、服用方便、便于攜帶等優點[3]，而鈣軟膠囊就是軟膠囊中典型的品種之一。根據市售產品及文獻[4-6]，鈣軟膠囊內容物多以碳酸鈣、大豆油、蜂蠟和維生素D3為主要組成成分。棕櫚油作為世界上消費量最大的食用油，生產效率高且富含維生素E(生育酚和生育三烯酚)，較豆油、菜籽油等植物油具有更好的氧化穩定性，價格也相對低廉[7]，但其尚未被應用于鈣軟膠囊生產。因此本研究采用棕櫚油部分替代大豆油，利用單因素試驗和響應面法優化鈣軟膠囊的內容物配比，以期在保質保量的前提下降低生產成本，提高產品的競爭力。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

AL-104型電子分析天平(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)；電熱恒溫水浴鍋(上海躍進醫療器械)；BPH-9082型精密恒溫培養箱(上海一恒科學儀器有限公司)。

1.2 實驗試劑

棕櫚油(大馬棕櫚油技術研發(上海)有限公司)；大豆油、玉米油、葵花籽油(金龍魚，南昌家樂福超市)；蜂蠟、碳酸鈣粉(南昌同心紫巢公司)；維生素D3(純度≥98.0%，阿拉丁試劑公司)；單硬脂酸鋁、單硬脂酸甘油酯(上海源葉生物科技有限公司)。

5.66×10-3g·mL-1維生素D3油液配制：分別稱取0.007 1 g維生素D3溶于不同種類的油性基質(1.25 mL)中，溶解并混勻，得到5.66×10-3g·mL-1維生素D3油溶液，備用。

1.3 實驗方法

1.3.1 沉降體積比

內容物的物理穩定性是評價軟膠囊的重要指標，而沉降體積比直接反映了內容物的穩定性[8]。將制好的內容物混懸液置于具塞試管中，記下初始高度H0，于精密恒溫培養箱中25 ℃靜置3天，觀察是否有沉降，記下沉降面的最終高度H1，根據公式(1)計算沉降體積比F，以此考察混懸液的穩定性[9-11]。F值越接近1，說明內容物越穩定。

F(%)=H1/H0

(1)

1.3.2 流動性

室溫下，將配好的混懸液垂直通過同一根10 mL移液管，下方接10 mL管子，當內容物料液從移液管中流出時開始計時，待所得料液體積為5 mL時停止計時。計算內容物每分鐘的流量[12]。

以沉降體積比(60%)、流動性(40%)為考察指標，根據公式(2)計算綜合評分[10]。

綜合評分=流速÷最大流速×0.4×100+沉降體積比÷最大沉降體積比×0.6×100

(2)

式中，最大流速和最大沉降體積比分別指實驗組中流速和沉降體積比的最大值。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 基質選擇

分散介質可使包合物均勻地分布在其中，保證制劑的含量準確和質量穩定[13]。將碳酸鈣粉分別與大豆油、玉米油、葵花籽油、不同熔點的棕櫚油(5 ℃、18 ℃和28 ℃)按1:0.6(w/w)的比例混合，加入一定體積的5.66×10-3g·mL-1維生素D3油液，充分攪拌至混合均勻，按1.3.1和1.3.2項比較六種分散介質對軟膠囊混懸液物理性質的影響，并計算綜合得分，從而篩選出分散介質。

1.3.3.2 棕櫚油和大豆油用量比例選擇

固定碳酸鈣粉與內容物基質的用量比為1:0.6(w/w)，分別采用棕櫚油用量百分比(0%，20%，40%，60%，80%和100%)和大豆油復配，再加入一定體積的5.66×10-3g·mL-1維生素D3油液，充分攪拌至混合均勻，比較混懸液的沉降體積比和流動性。計算綜合得分，確定大豆油和5 ℃棕櫚油間適宜的復配比。

1.3.3.3 固液比選擇

固定大豆油和5 ℃棕櫚油的復配比，分別稱取碳酸鈣粉和分散介質的不同用量比(1:0.4，1:0.5，1:0.6，1:0.7，1:0.8，1:0.9和1:10)，加入一定體積的維生素D3油溶液，充分攪拌至混合均勻，比較混懸液的沉降體積比和流動性。計算綜合得分確定碳酸鈣與分散劑的用量比。

1.3.3.4 助懸劑類型及用量選擇

適宜的助懸劑是防止軟膠囊內容物不均勻，保持其長時間穩定的關鍵[14-15]。分別固定大豆油和5 ℃棕櫚油的復配比、碳酸鈣粉和基質的用量比，以蜂蠟、單硬脂酸鋁、單硬脂酸甘油酯作為助懸劑。李喜香[10]、湯建成[16]等研究表明蜂蠟的方式宜先與基質熔融、冷卻，混合均勻后與其他物料混合才具有很好的助懸效果。李亞新等[17]對蜂蠟的熱熔溫度進行了篩選，最佳溫度為75 ℃。根據參考文獻和助懸劑的用量，實驗中將蜂蠟與大豆油和5 ℃棕櫚油在70 ℃水浴熔融。將一定體積的維生素D3油液，占基質不同用量百分數的助懸劑分別加入分散介質中，水浴加熱熔融后自然冷卻至30 ℃左右[18]，再加入碳酸鈣粉，充分攪拌均勻，比較混懸液的沉降體積比和流動性。計算綜合得分，篩選助懸劑類型并確定其用量。

1.3.4 數據處理

1.3.5 配方的響應面法優化

根據Box-Behnken試驗設計原理[19]，在單因素試驗基礎上，選取熔點5 ℃棕櫚油用量百分比(A)、固液比(B)和蜂蠟用量(C)三個因素，以綜合評分為響應值，采用三因素三水平的響應面分析方法獲得最優的配方參數，試驗因素與水平設計如表1所示：

表1 試驗因素水平及編碼

2 實驗結果

2.1 基質選擇

以綜合評分為縱坐標，分析大豆油、不同熔點的棕櫚油(5 ℃，18 ℃，28 ℃)、玉米油和葵花籽油對軟膠囊內容物品質的影響。如圖1所示，以大豆油和5 ℃棕櫚油作為基質，內容物的綜合評分較高，評分均為97分左右，且兩者間的差異不顯著(P<0.05)，即大豆油和5 ℃棕櫚油作為分散介質的效果優于另外四種油。因此，后續采用大豆油和5 ℃棕櫚油復配進行基質篩選。

2.2 棕櫚油和大豆油復配比選擇

由圖2可知，當5 ℃棕櫚油質量百分比從0%逐漸增加至100%時，混懸液的綜合評分呈先增后降趨勢，且在60%時評分最高，說明在此條件下混懸液的流動性和沉降體積比均達到較好的水平。因此，選擇40%大豆油和60% 5 ℃棕櫚油復配作為內容物基質進行后續研究。

2.3 固液比選擇

對于固體藥物，油量多，觸變值低，流動性好，但易泄露；油少穩定性好，但流動性差，壓丸困難[20]。經實驗可知，當固液比為1:0.4時，混懸液流動性不好，常出現斷層現象而不能連續成線流下；表2表明，在碳酸鈣粉用量一定的情況下，內容物的流速隨著分散介質用量的增加而增加，但是沉降體積比值則在逐漸減小，穩定性在下降，不利于軟膠囊產品質量。綜合考慮兩個指標和生產成本，選1:0.6進行后續實驗。

表2 固液比對混懸液穩定性和流動性的影響

2.4 助懸劑類型及用量選擇

適量的助懸劑可以提高藥液的均勻性，防止藥液成囊前沉降分層，保證各劑量的準確性[20]。從表3可看出，加入助懸劑對提高混懸液的穩定性有明顯的效果。相同的助懸效果下，單硬脂酸甘油酯用量最少，但流動性最差，不利于灌裝；蜂蠟略優于單硬脂酸鋁，且后者熔點較高(155 ℃)，考慮生產中的耗能、安全等問題，選擇蜂蠟作助懸劑。

圖3表明，在一定范圍內，隨著蜂蠟用量的增加，以沉降體積比和流動性計算所得的綜合評分也增加。當蜂蠟用量大于3%時，綜合評分開始降低，這是因為蜂蠟作為助懸劑，用量增大，混懸液的沉降趨勢平緩的同時粘度也相應地增大，導致流動性下降，兼顧軟膠囊實際生產中對內容物的穩定性和流動性的要求，蜂蠟的用量為分散介質的2%～3%(w/w)。

表3 助懸劑類型及用量對混懸液性質的影響

2.5 響應面法優化維生素D鈣軟膠囊配方

采用Design-Expert 10.0.4軟件進行數據處理，Box-Behnken的三因素三水平的取值和實驗結果如表4所示，共17次實驗，其中析因實驗12次，中心組合實驗重復5次。

通過對表4的數據進行回歸分析，以綜合評分為響應值(Y)，得到5 ℃棕櫚油用量百分比(A)、固液比(B)、蜂蠟添加量(C)的二次多項回歸方程為：

Y=95.57+0.17A+8.78B-0.41C-1.26AB-0.83AC+1.21BC-4.21A2-5.53B2-8.15C2

回歸分析得到的相關回歸系數及各因素對綜合得分影響的回歸模型如表5所示。

由表5可知，實驗中模型的P<0.000 1，說明回歸方程描述響應值與各因子之間的關系時，模型應變量與全體自變量之間的線性關系極顯著，此試驗方法是可靠的。決定系數R2=0.982 9，說明只有1.71%響應值的變化不能由該模型解釋，與實際試驗擬合良好，失擬項不顯著，說明方程對實驗的擬合程度較好，該模型可代替真實試驗點對不同條件下綜合評分結果進行預測和分析。由表中的顯著性及F值可知，一次項B、二次項A2、B2和C2的影響極顯著，交互項影響不顯著，各因素影響內容物的主次順序為B>C>A。

表4 Box-Behnken實驗設計及結果

表5 回歸方程的方差分析

圖4～6反映了5 ℃棕櫚油用量百分比、固液比和蜂蠟用量3個因素兩兩交互作用對混懸液綜合評分的影響，響應面曲線越陡表明該因素對響應值的影響越大[21]，等高線的形狀越接近橢圓則表明交互作用越強[22]。由圖可知各因素的交互作用對綜合評分都有一定的影響，固液比對應的曲線最陡，助懸劑用量次之，5 ℃棕櫚油用量百分比相對平緩，說明固液比對綜合評分的影響最大，與表5的分析結果相吻合。根據模擬得最佳參數：分散劑中5 ℃棕櫚油用量為57.90%，碳酸鈣粉末與分散劑之比為1.95:1，蜂蠟用量為3.04%，預測綜合得分為99.12分?？紤]到實際實驗條件，將工藝參數修改為分散劑中5 ℃棕櫚油用量為58%，碳酸鈣粉末與分散劑的比為2:1，蜂蠟用量為基質的3%。

在上述最佳條件下進行3次重復性實驗，所得平均綜合評分為98.51，相對誤差均小于0.77%，實際值接近于預測值，表明各因素對綜合得分的影響可以通過回歸方程得到較好的響應。

3 結論

研究采用5 ℃棕櫚油部分代替大豆油作鈣軟膠囊內容物的基質，既提高了內容物的穩定性，增加油性基質的組成和種類，又在一定程度上降低了經濟成本。鈣軟膠囊的內容物以沉降體積比和流動性為指標，通過單因素和響應面法優選最佳配方，結果顯示，基質為58%熔點5 ℃棕櫚油和42%大豆油，鈣油質量比為2:1，蜂蠟用量為基質的3%，維生素D3用量控制在成人允許用量范圍內，得到的內容物穩定性合格，流動性良好，符合生產灌裝要求。