响应面法优化中药复合防晒乳液的制备工艺

李梦雪,李玉姗,霍金海,王伟明

(黑龙江省中医药科学院·黑龙江 哈尔滨 150036)

随着生活水平的提高,天然来源的活性物质成为人们关注的焦点。以天然中药提取物作为防晒成分,具有安全、低毒等特点,逐渐成为天然护肤的首选[1]。经研究发现,降香和密蒙花提取物在UVB区和UVA区均具有较强紫外吸收,具有全波段防晒效果[2];刺五加叶提取物对·OH 具有清除能力,具有良好的抗氧化效果[3],可以在防晒乳液中作为抗氧化成分,对抗光老化现象。近年来,将计算机与实践相结合的响应面分析法,相比较传统的正交实验法数据更加准确,更具有实践意义。它通过合理的试验设计获得最优的方案,再以获得的试验数据,拟合成多元二次回归方程,得到影响因素与响应值之间的函数关系,最终分析二次回归方程确定最佳工艺参数,达到优化试验的目的[4-6]。

1 实验材料

1.1 实验药物和试剂 复合中药脂质体冻干粉:实验室自制。鲸蜡硬脂醇聚醚-20:山东优索化工科技有限公司;单硬脂酸甘油酯:天津市致远化学实际有限公司;肉豆蔻异丙酯:山东优索化工科技有限公司;鲸蜡醇:山东优索化工科技有限公司;乳木果油:山东优索化工科技有限公司;丙三醇:西陇科学有限公司;辛酸/癸酸三甘油酯:山东优索化工科技有限公司;生育酚:山东优索化工科技有限公司;乙二胺四乙酸二钠:天津市科密欧化学有限公司;丁二醇:绿萝化妆品原料;黄原胶:上海麦克林生化科技有限公司;气相二氧化硅:上海阿拉丁生化科技股份有限公司;二丙二醇:山东优索化工科技有公司;聚乙烯醇:山东优索化工科技有限公司。

1.2 实验仪器 ST16R型低温高速离心机:美国Thermofisher Scientific公司;BSA2245电子天平:北京赛多利斯科学仪器公司;SN-MS-H280D恒温磁力搅拌器:上海尚仪仪器设备有限公司;pH指示计:瑞士梅特勒公司;Dm L-RF 显微镜电子显微镜:德国徕卡公司;LHH-250SDP药物稳定试验箱:上海一恒科学仪器有限公司;Sorvall ST 17R冷冻高速离心机:美国热电Thermo公司; Lambda362-紫外分光光度计:美国PerkinElmer公司;医用3M膜:美国3M公司。

2 实验方法

2.1 脂质体乳液的制备工艺 以中药脂质体冻干粉作为主药成分,以单硬脂酸甘油酯、鲸蜡硬脂醇聚醚-20为乳化剂,以聚乙烯醇为助乳化剂;辅以辛酸/癸酸甘油三酯、乳木果油、肉豆蔻异丙酯、辛酸/癸酸三甘油酯构成油相;水相则是水、甘油、丙三醇等;用黄原胶增稠体系,己二醇与苯氧乙醇协同防腐,氮酮作为促渗剂,氢氧化钠调节pH。所用配方见表 1,其加工工艺流程见图 1。

2.2 评价方法

2.2.1 工艺制备评价方法[7-8]

耐寒、耐热性:乳剂样品1 g,置于透明离心管中,置于-20 ℃和60 ℃条件下静置24 h,观察是否发生油水分离现象。考察指标评分方法见表2。

离心乳层保留率:取乳剂样品适量,置于透明离心管中,4 500 r/min条件下离心30 min,计算离心乳层保留率;离心乳层保留率(%)=(总体积-析出相体积)/总体积×100%。

2.2.2 单因素实验 以分散均一性、耐寒耐热性以及离心乳层保留率的综合评分结果为评价指标。对油相添加量、乳化剂添加量、乳化温度和乳化时间进行单因素考察。

2.2.2.1 油相添加量的考察 采用2.1所述方法制备乳液,固定乳化剂添加量2%、乳化温度80 ℃、乳化时间15 min,选择16%、18%、20%、22%4 种不同的油相添加量对乳剂的分散均一性、耐寒耐热性以及离心乳层保留率进行综合评价。油相各组分的质量百分比见表3。

2.2.2.2 乳化剂添加量的考察 乳剂中乳化剂的用量常规控制在0.5%～10%,本实验选择单硬脂酸甘油酯及鲸蜡硬脂醇聚醚-20作为乳化剂,固定油相添加量16%、乳化温度75 ℃、乳化时间20 min,考察不同的乳化剂添加量0.5%、1%、2%、3%对乳剂的分散均一性、耐寒耐热性以及离心乳层保留率行综合评价,乳化剂的质量百分比见表4。

2.2.2.3 乳化温度的考察 综合考虑油水两相中所含的高熔点物质的熔点及乳化剂种类等因素,因此固定油相添加量20%、乳化剂添加量2%、乳化时间15 min,选择75、80、85、90 ℃不同的乳化温度对乳剂的分散均一性、耐寒耐热性以及离心乳层保留率进行综合评价。

2.2.2.4 乳化时间的考察 不同的乳化时间会对乳化效果造成一定影响,因此固定油相添加量18%、乳化剂添加量3%、乳化温度75 ℃、选择5、10、15、20 min不同的乳化时间对乳剂的分散均一性、耐寒耐热性以及离心乳层保留率进行综合评价。

2.2.3 采用响应面分析法优化中药防晒乳制备工艺 根据 Box-Benhnken 的中心组合实验设计原理[9-10]及单因素实验结果,选取油相添加量、乳化剂添加量、乳化温度作为防晒乳质量影响显著的3个因素,在单因素实验的基础上采用三因素三水平的响应面分析方法,以油相添加量(A)、乳化剂添加量(B)、乳化温度(C)为自变量,离心乳层保留率为响应值(Y),进行响应面分析试验。试验因素与水平设计见表5。

图1 防晒乳剂的制备工艺流程图

2.3 防晒乳液的质量评价[11]

外观评价:用玻璃棒取微量乳剂样品置于载玻片上,盖好盖玻片后压平,在显微镜下观察乳状外观形态。

黏稠度:吸取1 mL乳剂样品于1 mL玻璃吸管内,保持玻璃吸管处于垂直状态,记录乳剂从1 mL刻度线流至0.4 mL刻度线所需的时间,重复3 次取其平均值即为乳剂的黏稠度。

酸碱度:称取1 g样品,加入20 mL纯化水,加热至微沸,搅拌均匀后静置冷却,得到均匀乳状液;用水洗涤电极,用滤纸吸干后,将电极插入被测样品中,启动搅拌器,待酸度计读数稳定1 min后,停搅拌器,直接从仪器上读出pH值。测试两次,误差范围±0.1,取其平均读数值。测定完毕后,将电极用水冲洗干净,其中玻璃电极浸在水中备用。平行测定3 次。

高温稳定性:称取5 g防晒乳样品于玻璃试管中,将装有样品的试管置于恒温箱中,温度控制在(40±2)℃,保持 24 h。取出试管,直至恢复到室温后,上下晃动试管各5 次,观察试管中的样品性状是否均匀,有无沉淀物或分层现象。

低温稳定性:称取5 g防晒乳样品于玻璃试管中,将装有样品的试管置于冰箱中,温度控制在(-20±2)℃,保持 24 h。取出试管,直至恢复到室温后,上下晃动试管各5 次,观察试管中的样品性状是否均匀,有无沉淀物或分层现象。

常温储存试验:称取5 g防晒乳样品于玻璃试管中,将装有样品的试管在室温下放置2个月,上下晃动试管各5 次,观察试管中的样品性状是否均匀,有无沉淀物或分层现象。

离心实验:称取防晒乳样品1 g置于2 mL离心管中,3 500 r/min离心30 min,观察乳液是否有分层现象或药物沉淀。

保湿性能的测定:取3个玻璃皿,称取一定量的样品玻璃皿于上,置于干燥器内24 h后再称重,计算失水率,失水率越小,表明保湿效果越好。失水率%=(M1-M2)/M1×100%M1为放置前样品与玻璃皿的重量;M2为放置后样品与玻璃皿的重量

2.4 防晒乳液的防晒效果评价[12]采用胶带法对自制防晒乳进行UVB区紫外线防护效果评价,称取自制防晒乳剂8 mg,用玻璃棒均匀将称取的样品涂抹在胶带上,涂抹好的样品37 ℃下避光保存15 min,分别检测其在280～320 nm和320～400 nm波长下的紫外吸光度值A,并求出测定值的算术平均值。通过吸光度的大小并参考防晒效果综合表,判断防晒乳样品在UVB 紫外波段的防晒效果。见表6。

3 结果

3.1 单因素考察结果

3.1.1 油相添加量的考察结果 当油相添加量为20%时,分散均一性良好,无油水分离,耐寒耐热性好;离心乳层保留率为82.36%,由于油相添加量过高导致体验感降低,综合各项考察指标以及使用感受考虑,控制油相添加量为 20%。见表7。

3.1.2 乳化剂添加量的考察 由表7可知,当乳化剂添加量为2%和3%时,离心乳层保留率分别为86.37%和86.54%,证明乳化剂含量已经达到了临界胶束浓度;综合各项考察指标以及肤感,控制乳化剂添加量为3%。 见表8。

3.1.3 乳化温度的考察 由表8可知,乳化温度较低时,乳剂溶解不充分,有颗粒感和摩擦感。加热、冷冻或离心后出现分层和油水分离,均一性差。乳化温度越高,乳化越充分,肤感更细腻。但考虑到有效成分可能会在高温下失活,因此控制乳化温度在85 ℃左右。见表9。

3.1.4 乳化时间的考察 乳化时间时间较长会造成水分损失较大,导致油相增多,使得防晒乳黏稠度增高,油腻感加重。综合各项考察指标以及使用感受考虑,控制乳化时间为15 min。见表10。

表1 脂质体防晒乳液的配制

表2 考察指标评分方法表

表3 不同油相添加量时油相各组分的质量百分比

表4 不同乳化剂添加量时各乳化剂的质量百分比

表5 响应面分析因素和水平

表6 防晒效果综合评价表

表7 不同的油相添加量的单因素考察结果

表8 不同乳化剂添加量的单因素考察结果

表9 不同乳化温度单因素考察结果

表10 不同乳化时间单因素考察结果

3.2 响应面实验设计结果

3.2.1 中药防晒乳处方配制的响应面优化结果 见表11～表12;图2～图4。

图2 油相添加量与乳化剂添加量相互影响的响应面和等高线图

图3 油相添加量与乳化温度相互影响的响应面和等高线图

图4 乳化剂添加量与乳化温度相互影响的响应面和等高线图

表11 响应面分析方案及及实验结果

表12 二次响应面回归模型方差分析

利用Design-Expert8.0.6统计软件对数据进行回归拟合,得到以离心保留率作为响应指标的二次多项回归模型:

Y=+94.11+0.94A-0.90B-0.54C-1.62AB+0.35AC-0.31BC-0.11A2-2.57B2+0.54C2(Y:离心保留率 A:油相添加量 B:乳化剂添加量 C:乳化温度)

由表12可知,模型的F=63.62、P<0.001意味着回归模型显著,失拟值0.5931表明失拟项不显著,模型的拟合性较好。相关系数R2=0.9879,校正决定系数R2adj=0.9724,信噪比=24.567,数值大于4,说明该回归方程拟合度和可信度均很高,实验误差较小;精确度C.V.值=0.34,表明实验可靠性高,可用此模型对工艺进行预测分析。

结合图2、3、4和表12可知,A、B、C、AB、B2、C2项P<0.05,均为显著项;AC、BC、A2项P大于0.5,为不显著项。比较各因素的F值,可得出各因素对Y值的影响程度依序为A>B>C,即油相添加量>乳化剂添加量>乳化时间。

3.2.2 最优配方的验证试验 由Design-Expert8.0.6软件得到的最佳方案为油相添加量为18%,乳化剂添加量为2%,乳化温度为80 ℃。由表12可知,通过实验对比,结果与预测值较为接近,证实了该模型的适用性。见表13。

表13 响应面优化模型最佳方案结果

3.3 质量评价

3.3.1 外观评价 在显微镜下,所制得的乳液乳滴大小均一。见图5。

图5 防晒乳显微图片

3.1.2 酸碱度 使用电位计法测定防晒霜pH值平均值为(5.43±0.2),符合外用乳剂pH<8.3的要求。

3.1.3 高温稳定性 防晒乳在60 ℃ 稳定箱中经过热稳定性试验,外观保持良好,略有少量水分损失,轻微油腻感,色泽无变化。与常温状态相比并无明显差异无油水分离、渗水和颗粒化等现象,说明防晒乳的热稳定性能良好。

3.1.4 低温稳定性 防晒乳在-20 ℃冷冻层进行低温稳定性试验,初始会因温差而在乳液表面形成一层小水珠,不过随着恢复至室温小水珠会逐渐消失,其外观状态良好,色泽依旧保持良好。

3.1.5 常温储存试验 防晒乳产品外观无沉淀、分离、变色、渗水等现象,外观细腻、光泽度好。

3.1.6 保湿性的测定 实验结果显示失水率约为1.67%(n=3),表明保湿性性能良好。见表14。

表14 保湿性检测结果

3.4 防晒效果评价 自制防晒乳在UVB区和UVA区的平均吸光度分别为1.19和0.94;具有中等防护紫外光效果,可用于中等强度阳光照射的防护。见表15。

表15 体外仪器法防护结果

4 讨论

乳液是由油、水、表面活性剂等在适当比例下自发形成的热力学稳定体系,具有良好的稳定性和保湿性,同时还要兼具有清爽舒适的肤感,目前防晒产品多采用乳液体系。区别于传统的乳液,脂质体乳液可以解决活性成分光、热稳定性差,溶解性差等问题,通过脂质体包载技术提高其生物利用度,获得与人体皮肤细胞相似,且具有良好的生物相容性的脂质体乳液,是防晒乳液的发展趋势[13-14]。

本实验制成的防晒脂质体乳剂, 涂抹后,在皮肤表面留下一层脂质薄膜对皮肤具有保护作用。乳液以鲸蜡醇作为油相基质,乳木果油调节稠度和涂展性,同时可防止水分蒸发。选用单硬脂酸甘油酯(HLB=3.8)和鲸蜡硬脂醇聚醚-20(HLB=15.7)进行复配,以降低乳剂中油、水界面的张力,防止乳滴的聚集合并,减缓了乳剂分层的速度,具有良好的稳定作用[15]。选择黄原胶、丙三醇和去离子水为基本的水相基质,并添加二丙二醇、丁二醇为保湿剂,生育酚为抗氧化剂,气相二氧化硅、聚乙烯醇为润滑剂提高水相基质的润滑度。本试验以脂质体冻干粉作为主要成分,其添加量直接影响体系的稳定性,综合考虑产品功效和体系状态,确定最佳的脂质体冻干粉的添加量。

本研究在单因素实验的基础上采用三因素三水平的响应面实验分析法,根据回归分析确定影响因子,以防晒乳的离心乳层保留率为响应值作响应面和等高曲线图;最终确定油相添加量为18%、乳化剂添加量为2%、乳化温度为80 ℃为中药防晒乳的最佳工艺条件;得到中药防晒乳离心乳层保留率的理想最优值为94.49%,验证试验确定中药防晒乳离心乳层保留率的实际实验值为94.81%;实验提供响应面分析法确定了中药防晒乳的最佳制备工艺,结果表明该方法制备的中药防晒乳值平均值为(5.43±0.2)。保湿性能良好,耐热耐寒性强,稳定性强,无刺激性,稠度适宜,均匀细腻,易于涂抹,肤感舒适。同时具备中等紫外线防护效果,适用于中等强度的阳光照射下涂抹。