一种羟丙基甲基纤维素复合膜的制备

施鸿谋,林福娣,苏一帆,范超春,赵 岩,张 娜

(华侨大学化工学院,福建厦门 361021)

软胶囊是胶囊剂的一种包装方式,其形状各式各样,通过软质囊材将液体药物或液体药物经加工处理后密封其中而成,在保健食品和药品中广泛应用。迄今为止,软胶囊品种多达3600余种,在目前软胶囊市场中应用最广泛的是明胶软胶囊,明胶因本身具有独特的理化性质和相对较高的营养价值而深受广大群众的青睐[1-2]。但是明胶分子独特的结构特征使其在应用中存在一些不足,如作为动物源制剂,可能存在病毒传播的风险或不易被素食主义者和一些特殊文化者接受;储存性较差,容易失去水分而发生硬化、吸收空气中水分而发生软化、遇到含醛物质容易发生交联固化反应;不能用于亲水性或吸湿性药物等[3-7]。因此,开发质量可控的植物软胶囊势在必行。植物软胶囊不仅能满足特殊人群的需求、顺应天然与安全的潮流,并且具有适应性广、耐高温、稳定性高、不易黏连、无交联风险、保质期长等优点,被认定为是一类有着良好发展前景的新型软胶囊囊材。

羟丙基甲基纤维素(Hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)制成的囊材与明胶囊材相比,其对药物崩解、溶出影响更小,用药顺应性更高。于是,HPMC被认为是能替代明胶的植物软胶囊新型囊材[8-10]。HPMC植物胶囊Vcaps是由美国辉瑞公司开发的非明胶胶囊,随后Licaps充液胶囊、Quali-V等HPMC植物胶囊相继诞生。尽管HPMC胶囊具有与明胶胶囊相似的溶解性、崩解性和生物利用性,同时具备一些明胶胶囊不具备的优点,但目前应用仍然不是很广泛,主要原因之一是产品价格高。与明胶相比,HPMC原料成本较高,此外,其缓慢的凝胶速度导致软胶囊生产周期长和崩解时间偏长。Bilbao-Sinz等[11]将纳米级的MCC(Microcrystalline cellulose)和MCC-脂质加入到HPMC中,以改善HPMC的机械性能和防水性能。Ugurlu等[12]发现pectin/HPMC对大肠定位给药载体的溶解、崩解和药物释放性质具有很好的作用。Byun等[13]研究了全植物软胶囊shellac-HPMC 的成膜性质和抗水性质问题。Levina等[14]研究表明,不同辅料下,HPMC胶囊的释放性能有所差异。HPMC具有替代明胶的潜力,其更能符合人们膳食要求和市场需要,在软胶囊领域将拥有强大的发展前景。

本实验采用Design Expert 10软件,选择BoxBehnken中心组合程序,采用响应曲面法,通过改变添加剂类型和配比来探究羟丙基甲基纤维素和普鲁兰多糖在凝胶过程中对凝胶特性的影响及对成膜性的机械性能的影响,以期更好地指导生产和应用于市场。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

羟丙基甲基纤维素、甘油、柠檬酸钾、普鲁兰多糖 均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;κ-卡拉胶 食品级,绿新福建食品有限公司。

UV-8000扫描型紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;DHG-9036A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;DR-6000A型电子万能拉伸实验机 扬州德瑞仪器设备有限公司;MS7-H550-Pro型磁力搅拌器 大龙兴创实验仪器(北京)有限公司;HWCL-5型集热式恒温磁力搅拌浴 郑州长城科工贸有限公司;WD-1型凝胶强度测定仪 泉州万达实验仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 羟丙基甲基纤维素复合膜的制备 工艺路线:复合膜基础物料→加蒸馏水混匀→控温搅拌→添加增塑剂、凝胶剂、促凝剂→充分搅拌→静胶除泡→铺膜→干燥→揭膜→保存备用。

操作要点:称取一定量的成膜剂:羟丙基甲基纤维素与一定量的成膜剂普鲁兰多糖充分混匀,将混合好的物料置于80 ℃的蒸馏水中充分搅拌溶解,而后分别加入一定量的κ-卡拉胶(凝胶剂)、一定量的甘油(增塑剂)和柠檬酸钾(促凝剂),在80 ℃集热式恒温磁力搅拌浴搅拌4 h,关停搅拌但不停止加热,80 ℃保胶静置2 h,然后在0.1 MPa的真空度下脱气除泡直至胶液中无气泡。将胶液倾倒于四周涂有脱模油的玻璃板槽内(规格:10 cm×10 cm×0.05 cm),采用流延法直至胶液将玻璃板槽完全覆盖铺匀,置于35 ℃烘箱中干燥4 h,然后揭膜并将其保存在干燥器中备用,其中干燥器的湿度控制在65%左右。

1.2.2 羟丙基甲基纤维素复合膜单因素实验 固定普鲁兰多糖含量(文中所提及的含量均为质量浓度)8.00%,κ-卡拉胶含量2.00%,甘油含量7.00%,柠檬酸钾含量0.15%,探索不同羟丙基甲基纤维素含量(6.00%、7.00%、8.00%、9.00%、10.00%)对胶液的凝胶强度以及对膜的机械强度和透光率的影响。

固定羟丙基甲基纤维素含量8.00%,κ-卡拉胶含量2.00%,甘油含量7.00%,柠檬酸钾含量为0.15%,探索不同普鲁兰多糖含量(6.00%、7.00%、8.00%、9.00%、10.00%)对胶液的凝胶强度以及对膜的机械强度和透光率的影响。

固定普鲁兰多糖含量8.00%,羟丙基甲基纤维素含量8.00%,κ-卡拉胶含量2.00%,柠檬酸钾含量为0.15%,探索不同甘油含量(5.00%、6.00%、7.00%、8.00%、9.00%)对胶液的凝胶强度以及对膜的机械强度和透光率的影响。

固定普鲁兰多糖含量8.00%,羟丙基甲基纤维素含量8.00%,甘油含量7.00%,柠檬酸钾含量0.15%,探索不同κ-卡拉胶含量(1.50%、1.75%、2.00%、2.25%、2.50%)对胶液的凝胶强度以及对膜的机械强度和透光率的影响。

1.2.3 响应面实验设计 以羟丙基甲基纤维素复合膜的断裂伸长率、抗拉强度、透光率和凝胶强度四个指标作为单因素的变化指标,通过单因素实验,选取羟丙基甲基纤维素含量、普鲁兰多糖含量、甘油含量和κ-卡拉胶含量作为影响因素。确定四因素三水平的最佳参数,进行响应面分析,制定响应曲面实验自变量因素编码及水平表(表1),复合膜其他配料中:柠檬酸钾0.15%。

表1 响应曲面法试验因素编码表Table 1 Coding table of experimental factors for response surface method

1.2.4 羟丙基甲基纤维素复合膜的性能表征及测定

1.2.4.1 断裂伸长率和抗拉强度的测定 依据国标GB/T 1040.1-2018[15],使用电子万能拉伸实验机对复合膜的断裂伸长率和抗拉强度进行测量,其中将初始夹距设置成40 mm,将拉伸速度设置成10 mm/s,并将膜裁剪成长×宽为80 mm×10 mm的方条,根据国标中的公式计算断裂伸长率式(1)和抗拉强度式(2)。

式(1)

抗拉强度TS(MPa)=F/S

式(2)

式中:E为断裂伸长率,%;L为复合膜的长度,mm;L1为复合膜被拉断时的长度,mm;TS为抗拉强度,MPa;F为复合膜断裂时所承受的最大拉力,N;S为复合膜的横截面面积,m2。

1.2.4.2 透光率的测定 使扫描型紫外分光光度计对复合膜的透光率进行测定,将复合膜裁剪成30 mm×30 mm的正方形,并放入薄膜样品架中,在波长600 nm下测定样品的透光率,用透光率的大小来表示复合膜的透明程度,以空薄膜样品架作为空白对照。

1.2.4.3 凝胶强度的测定 依据国标GB 28304-2012,分别在三个50 mL烧杯中倒入40 mL胶液,在温度25 ℃,湿度65%的室内,静置24 h,使用凝胶强度测定仪对凝胶强度进行测定,分别对三个烧杯中的凝胶进行测定并取平均值。根据国标中的公式计算凝胶强度式(3)。

凝胶强度P(g/cm2)=G×f

式(3)

式中:P为胶液的凝胶强度,g/cm2;G为所测胶液的凝胶强度值,g/cm2;f为国标中查得的温度校正系数。

1.3 数据处理

本文所有实验数据皆是重复操作三次取平均值所得。使用Design Expert 10软件基于单因素测试的结果,选择BoxBehnken中心组合程序。根据不同因素对复合膜性能特征的显著性差异进行分析,通过数学模型来确定复合膜的可信度,并以此来确定复合膜的最优配方工艺。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 羟丙基甲基纤维素对复合膜的性质的影响 研究羟丙基甲基纤维素含量对复合膜性质的影响,实验结果如表2所示,当羟丙基甲基纤维素含量控制在6.00%～10.00%时,其断裂伸长率、透光率随着羟丙基甲基纤维素含量的增加而降低,而抗拉强度则不断增加,凝胶强度则先升高再降低,当含量为8.00%时,凝胶强度达到最大值,为670.00 g/cm2。这主要是由于其浓度的增加,分子间摩擦力、相互作用及阻滞力增加,流动性减小,使得其断裂伸长率和透光率一直降低,而其分子间摩擦,相互作用和延迟增加,使得其抗拉强度呈现出增长的趋势[19-20]。

表2 羟丙基甲基纤维素含量对复合薄膜性质的影响Table 2 Effect of hydroxypropyl methyl cellulose contents on properties of composite films

2.1.2 普鲁兰多糖对复合膜的性质的影响 研究普鲁兰多糖含量对复合膜性质的影响,实验结果如表3所示,当普鲁兰多糖含量控制在6.00%～10.00%时,其断裂伸长率、透光率和凝胶强度都随着普鲁兰多糖含量的增加均呈现先增后减的趋势,而抗拉强度则呈现出下降的趋势。这主要是由于普鲁兰多糖是此复合膜中的主要成分之一,随着其含量的增加,单位体积内所含的普鲁兰多糖的分子量逐渐增加,其使复合膜的致密性以及连续性也逐渐提高,但是随着普鲁兰多糖含量的增加,胶液的黏度也在增加,这也使得膜的厚度增加[18],同时导致复合膜的抗拉强度、透光率以及凝胶强度出现下降的趋势。

表3 普鲁兰多糖含量对复合薄膜性质的影响Table 3 Effect of pullulan contents on properties of composite films

2.1.3 甘油对复合膜的性质的影响 研究甘油含量对复合薄膜的性质的影响,实验结果示于表4,当甘油含量控制在5.00%～9.00%时,断裂伸长率和拉伸强度随着甘油含量的升高而减小,而透光率和凝胶强度则表现出先升高后降低的趋势,这主要是由于甘油作为小分子亲水性增塑剂,每个小分子还有三个羟基,容易插入羟丙基甲基纤维素和普鲁兰多糖共同形成的分子链中,使得单位体积的羟基数目增多,从而结合水分子的数目也增多,其进一步削弱了分子间的相互作用,有效延展了膜的结构并赋予其柔韧性[19]。甘油含量的增加会使得复合膜中水分子的含量增加,这也让复合膜具有一定的可塑性。

表4 甘油含量对复合膜性质的影响Table 4 Effect of glycerol contents on the properties of composite films

表5 κ-卡拉胶含量对复合薄膜性能的影响Table 5 Effect of different κ-carrageenan content on the properties of composite films

表6 Box-Benhken中心组合程序设计及结果Table 6 Box-Benhken center combination program design and results

2.1.4 κ-卡拉胶对复合膜的性质的影响 研究κ-卡拉胶含量对复合膜性质的影响,实验结果示于表5,当κ-卡拉胶含量控制在1.50%～2.50%时,随着其含量的增加,断裂伸长率和凝胶强度都呈现出先增加后减少的趋势,而抗拉强度和透光率则呈现出持续增长的趋势。断裂伸长率和凝胶强度之所以先呈现出增加的趋势,主要是因为随着卡拉胶含量的增加,使得分子结构中氢键数量的增加而所致;而断裂伸长率和凝胶强度出现降低的趋势,主要是卡拉胶本身自聚导致复合膜的脆性得到增强,因此当卡拉胶含量超过2.25%时,该聚合物从塑性开始向脆性发生转变,进而使得其出现降低的趋势[20-21]。而抗拉强度出现增长的趋势主要是由于κ-卡拉胶含量的增加而使得聚合物中氢键增多所致[22]。

由于此复合膜将应用于软胶囊,而考虑软胶囊膜的主要性能除了断裂伸长率和抗拉强度二者应该越大越好,凝胶强度也作为其中的一项重要指标,凝胶强度越大,复合膜的韧性则越好。基于单因素实验结果,透光率随着各影响因素的改变在25%～50%之间变化,在这个透光率区间,胶液的相容性虽有变化,但整体的变化不大。因此综合复合膜的断裂伸长率、抗拉强度和凝胶强度这三个指标的变化趋势,选用羟丙基甲基纤维素含量6.00%、8.00%、10.00%;普鲁兰多糖含量6.00%、8.00%、10.00%;甘油含量5.00%、7.00%、9.00%;κ-卡拉胶含量2.00%、2.25%、2.50%做响应面分析,以此确定羟丙基甲基纤维素复合膜的最佳制备工艺。

2.2 响应曲面法优化羟丙基甲基纤维素复合膜的工艺配方

2.2.1 试验设计及结果 根据Box-Benhken中心组合实验设计原理将断裂伸长率(Y1),抗拉强度(Y2),凝胶强度(Y3)和透光率(Y4)作为响应值,选取A羟丙基甲基纤维素,B普鲁兰多糖,C甘油含量,D κ-卡拉胶作为配方变量,依据Box-Benhken中心组合程序,设计四因素三水平的响应曲面分析试验。

2.2.2 断裂伸长率回归方程方差分析 根据表1所确定的四个因素为响应值的变量,断裂伸长率为响应值,利用Design Expert 10软件进行响应曲面的模型拟合,其中软件模拟的模型如下:断裂伸长率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。

通过对复合膜的断裂伸长率的数模型的方差分析对方程的有效性进行检验,结果示于表7、表8。由表7可知,该模型的回归性显著(P<0.0001),并且失拟项的P值为0.2168>0.05,说明了失拟项不显著,即该二次多元回归方程与实际情况的吻合度较好,实验过程的误差小,因此可以利用该二次多元回归方程对实验结果进行预测。

表7 断裂伸长率回归方程方差分析表Table 7 Analysis of variance of regression equation of elongation at break

表8 断裂伸长率R2综合分析Table 8 Comprehensive analysis of elongation at break R2

从表7还可以看出,方程的一次项中A、B、C、D,交互项AB和BD,二次项A2和B2对响应值的影响显著(P<0.05)。根据方差分析可以得出如下结果:FA=80.13、FB=68.51、FC=6.28、FD=42.87,这四个结果代表了各因素对断裂伸长率影响程度的大小,结果表明:羟丙基甲基纤维素含量影响最大,甘油含量影响最小。

由表8可知,校正R2为0.9566,R2为0.9060,说明该数学模型与实际实验结果的拟合较好,预测R2为0.7573与R2的差异小于0.2,说明该模型的预测性较好。信噪比为17.533≫4,证明数学模型是可靠的。因此,可以使用数学模型来分析预期响应值的变化规律[23]。

2.2.3 抗拉强度回归方程方差分析 根据表1所确定的四个因素为响应值的变量,抗拉强度为响应值,利用Design Expert 10软件进行响应曲面的模型拟合,其中软件模拟的模型如下:抗拉强度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。

为了对方程的有效性进行检验,通过对复合膜的抗拉强度的数模型进行方差分析,结果示于表9、表10。由表9可知,该模型的回归性显著(P<0.0001),并且失拟项的P值为0.6041>0.05,说明了失拟项不显著,这也说明了该二次多元回归方程与实际情况的吻合度较好,实验过程的误差小,因此可以利用该二次多元回归方程来替代实验实际点以对实验结果进行预测。

表9 抗拉强度回归方程方差分析表Table 9 Analysis of variance of tensile strength regression equation

从表9还可以看出,方程的一次项中C和D,二次项D2对响应值的影响显著(P<0.05)。根据方差分析可以得出如下结果:FA=0.19、FB=3.25、FC=37.36、FD=152.60,这四个结果代表了各因素对抗拉强度影响程度的大小,结果表明:κ-卡拉胶含量影响最大,羟丙基甲基纤维素含量影响最小。

由表10可知,校正R2为0.9517,R2为0.8953,说明该数学模型与实际实验结果的拟合较好,预测R2为0.7504与R2的差异小于0.2,说明该模型的预测性较好。信噪比为14.962≫4,证明数学模型是可靠的。因此,可以使用数学模型来分析预期响应值的变化规律。

表10 抗拉强度R2综合分析Table 10 Comprehensive analysis of tensile strength R2

2.2.4 凝胶强度回归方程方差分析 根据表1所确定的四个因素为响应值的变量,凝胶强度为响应值,利用Design Expert 10软件进行响应曲面的模型拟合,其中软件模拟的模型如下:

凝胶强度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。

为了对方程的有效性进行检验,通过对复合膜的断裂伸长率的数模型进行方差分析,结果示于表11、表12。由表11可知,该模型的回归性显著(P<0.0001),并且失拟项的P值为0.7063>0.05,说明了失拟项不显著,这也说明了该二次多元回归方程与实际情况的吻合度较好,实验过程的误差小,因此可以利用该二次多元回归方程来替代实验实际点以对实验结果进行预测。

表11 凝胶强度回归方程方差分析表Table 11 Analysis of variance of gel strength regression equation

从表11还可以看出,方程的一次项中A、B、C、D,交互项BD对响应值的影响显著(P<0.05)。根据方差分析可以得出如下结果:FA=7.98、FB=14.20、FC=163.86、FD=17.58,这四个结果代表了各因素对凝胶强度影响程度的大小,结果表明:甘油含量影响最大,羟丙基甲基纤维素含量影响最小。

由表12可知,校正R2为0.9506,R2为0.8929,说明该数学模型与实际实验结果的拟合较好,预测R2为0.7530与R2的差异小于0.2,说明该模型的预测性较好。信噪比为15.055≫4,证明数学模型是可靠的。因此,可以使用数学模型来分析预期响应值的变化规律。

表12 凝胶强度R2综合分析Table 12 Comprehensive analysis of gel strength R2

2.2.5 透光率回归方程方差分析 根据表1所确定的四个因素为响应值的变量,透光率为响应值,利用Design Expert 10软件进行响应曲面的模型拟合,其中软件模拟的模型如下: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。

为了对方程的有效性进行检验,通过对复合膜的断裂伸长率的数模型进行方差分析,结果示于表13、表14。该模型的回归性显著(P<0.0001),并且失拟项的P值为0.0693>0.05,说明了失拟项不显著,这也说明了该二次多元回归方程与实际情况的吻合度较好,实验过程的误差小,因此可以利用该二次多元回归方程来替代实验实际点以对实验结果进行预测。

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

表14 透光率R2综合分析Table 14 Comprehensive analysis of light transmittance at break R2

从表13还可以看出,方程的一次项中A、B、D,交互项AB和CD,二次项A2、C2和D2对响应值的影响显著(P<0.05)。根据方差分析可以得出如下结果:FA=35.17、FB=5.35、FC=1.49、FD=70.17,这四个结果代表了各因素对透光率影响程度的大小,结果表明:κ-卡拉胶含量影响最大,甘油含量影响最小。

由表14可知,校正R2为0.9546,R2为0.9015,说明该数学模型与实际实验结果的拟合较好,预测R2为0.7405与R2的差异小于0.2,说明该模型的预测性较好。信噪比为15.841≫4,证明数学模型是可靠的。因此,可以使用数学模型来分析预期响应值的变化规律。

2.2.6 响应曲面法分析 根据四个因素羟丙基甲基纤维素、普鲁兰多糖、κ-卡拉胶和甘油对不同响应值所形成的三维立体曲面图,直观的反映出四个因素对响应值的不同影响。而响应曲面图则通过其坡度的陡峭情况直观的反应各个影响因素的变化,响应曲面越陡峭,就表明了该因素对其影响越大[24]。图1可以看出普鲁兰多糖含量对断裂伸长率的影响最大,羟丙基甲基纤维素含量对其影响最小;图2可以看出κ-卡拉胶含量对抗拉强度的影响最大,甘油含量对其影响最小;图3可以看出κ-卡拉胶含量对凝胶强度的影响最大,普鲁兰多糖含量对其影响最小;图4可以看出普鲁兰多糖含量对透光率的影响最大,甘油的含量对其影响最小。综上所述,复合膜性质的影响因素主要为κ-卡拉胶含量和普鲁兰多糖含量。

图1 不同影响因素对断裂伸长率影响的响应面图Fig.1 Response surface of different influencing factors on elongation at break

图2 不同影响因素对抗拉强度影响的响应面图Fig.2 Response surface of different influencing factors on the tensile strength

图3 不同影响因素对凝胶强度影响的响应面图Fig.3 Response surface of different influencing factors on gel strength

图4 不同影响因素对透光率影响的响应面图Fig.4 Response surface of different influencing factors on light transmittance

2.2.7 制备工艺条件的验证 通过Design-Expert软件探索各因素的最佳组合条件,使断裂伸长率、抗拉强度、凝胶强度和透光率都取最大值,通过软件优化得到了最佳组合条件:普鲁兰多糖含量9.533%,羟丙基甲基纤维素含量6.00%,κ-卡拉胶含量2.315%,甘油含量7.903%,在这一组条件下断裂伸长率为58.061%,凝胶强度为784.168 g/cm2,抗拉强度为2.522 MPa,透光率为45.496%。为了验证响应面优化法所得结果的准确性,对软件分析优化所得结果进行验证,重复三次实验测得断裂伸长率为56.35%±1.48%,抗拉强度为(2.68±0.39) MPa,凝胶强度为(785.48±10.32) g/cm2,透光率为46.73%±3.87%,验证实验的结果与软件分析所得结果基本吻合,证明数学模型具有良好的可靠性。

3 结论

本研究分别以羟丙基甲基纤维素复合膜的断裂伸长率、抗拉强度、凝胶强度和透光率作为量化指标,建立了以羟丙基甲基纤维素含量、普鲁兰多糖含量、κ-卡拉胶含量和甘油含量4个因素为变量的二次多元回归方程,经过优化所得到的复合膜的最佳配比条件为:普鲁兰多糖含量9.533%,羟丙基甲基纤维素含量6.00%,κ-卡拉胶含量2.315%,甘油含量7.903%。在此条件下,经过实验测试,所得到的断裂伸长率为56.35%±1.48%,抗拉强度为(2.68±0.39) MPa,凝胶强度为(785.48±10.32) g/cm2,透光率为46.73%±3.87%。在这些条件下,该羟丙基甲基纤维素复合膜的各项性能指标达到最佳,有望为植物软胶囊的应用提供新思路。