基于混料设计的婷柳提取液喷雾干燥工艺及其物理指纹图谱研究

刘华兰,石德志,龚小文,廖楠汐,朱喻波,郑超,杨正清,解雨欣,肖莲莲,赵勉,刘陶世,程建明

(南京中医药大学药学院,江苏省经典名方工程研究中心,江苏 南京 210023)

喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴,并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉产品的过程,相较于真空干燥、微波干燥、冷冻干燥,喷雾干燥不仅效率高,耗能少,并且喷雾干燥所得产品的含水量低、粉末均一性好,特别适合工业大生产,是中药复方提取液首选的干燥方式[1-2]。婷柳由茯苓、肉桂、葛根、山楂、芡实、薏苡仁、橘皮、冬瓜皮、荷叶、甘草10味药食同源类中药组成,诸药配伍,相得益彰,可祛湿化痰,化浊降脂,主用于治疗痰湿型肥胖,目前已经获得国家发明专利授权(专利号CN202210851237.5)。婷柳提取液是由肉桂提取挥发油后与其他药材温浸提取2次制得。

物理指纹图谱是综合评价粉体学性质及质量的方法,以堆积性、均一性、流动性、可压性和稳定性等为关键物理性质,用于评价同类型粉末不同批次间的物理性质对制剂成型性的影响[3-5]。在中药生产和制剂成型过程中,药物粉末成为口服固体制剂的直接原料,其质量会随着制药工序传递至最终的产品,进而影响其最终产品的疗效。根据粉末物理性质的变化,可预先对处方组成或工艺参数进行定量调节和预测,以确保产品质量均一稳定。本研究以婷柳喷干粉得率、吸湿性、流动性为评价指标,对所加入的辅料进行筛选,采用混料设计方法对筛选辅料配比进行优化。同时建立婷柳喷干粉的物理指纹图谱,评价不同批次婷柳喷干粉质量的一致性。

1 材料

1.1 仪器

B-290小型喷雾干燥机(上海利闻科学仪器有限公司);FA2004电子天平(万分之一天平,上海天平仪器有限公司);Ka-500PE超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);烘干法水分测定仪(上海精密科学仪器有限公司);电热恒温水浴锅(天津市泰斯特仪器有限公司);TGF-9140A型鼓风干燥箱(上海喆图科学仪器有限公司)。

1.2 试药

β-环糊精(国药集团化学试剂有限公司,批号:20220629)、阿拉伯胶(美仑生物,批号:S0901A)、羟丙基-β-环糊精(上海源叶生物科技有限公司,批号:Z13N11Y130870)、二氧化硅(上海麦克林生化科技股份有限公司,批号:C15256672)、麦芽糊精(上海源叶生物科技有限公司,批号J06A9R67345)、轻质氧化镁(国药集团化学试剂有限公司,批号:20181221)、氯化钠(西陇科学股份有限公司,批号:220606)。茯苓(批号:2022040201)、葛根(批号:2022040202)、山楂(批号:2022040201)、薏苡仁(批号:2022040201)、芡实(批号:2022040207)、橘皮(批号:2022040201)、荷叶(批号:2022040201)、甘草(批号:2022040205),以上8味药材均购自安徽亳州药材市场;肉桂(批号:A220523)、冬瓜皮(批号:A220427),以上2味药材购自南京上元堂医药有限公司;以上所用药材按《中国药典》2020版检测均为合格药材。

2 方法和结果

2.1 辅料种类的筛选

2.1.1 单一辅料的筛选 实验样品制备:肉桂单独提取挥发油,药渣再与其他9味药加水温浸2次,滤过,合并提取液,药液浓缩至1.25 g·mL-1。

喷雾干燥仪器设备条件:药液初始温度为70 ℃,进风温度为130 ℃,泵速30 Hz;雾化压力0.05 MPa;进料速度为7.5 mL·min-1。

分别称取6 g β-环糊精、阿拉伯胶、羟丙基-β-环糊精、二氧化硅、麦芽糊精、轻质氧化镁于100 mL婷柳提取浓缩液中,于70 ℃水浴中搅拌均匀,喷干,收集喷干粉,计算得率。取已恒重的蒸发皿,记录质量为(m1);精密量取25 mL浓缩液于蒸发皿中,水浴蒸干,于105 ℃鼓风干燥箱中烘干至恒定质量,记录质量(m2),固含量=(m2-m1)/25。根据公式计算喷干粉得率。结果如表1所示。

表1 单一辅料对婷柳喷雾干燥粉末得率的影响

结果表明,在单一辅料筛选中,轻质氧化镁、麦芽糊精、二氧化硅能够增加喷干粉得率。

2.1.2 混合辅料的筛选

2.1.2.1 吸湿性测定 取干燥玻璃称量瓶,实验前1 d置于底部盛有饱和氯化钠的干燥器内,精密称定质量(m1);取二元辅料婷柳喷干粉和三元辅料婷柳喷干粉,平铺于玻璃称量瓶中,厚度约1 mm,精密称定质量(m2),放回干燥器;分别于2、4、6、8、10、12、24 h后称定总质量(m3),计算时间段吸湿率,绘制吸湿曲线,见图1～2。吸湿率=(m3-m2)/(m2-m1)×100%。

图1 2种辅料混合喷干粉吸湿曲线

图2 3种辅料混合喷干粉吸湿曲线

2.1.2.2 休止角测定 采取固定漏斗法,将两相同漏斗串联固定于铁架台上,于底下放置一圆形培养皿,使其圆心对准漏斗口且相距3 cm;取适量喷干粉从漏斗上倒下至流出粉末形成圆锥体,用三角尺测量高(h)及半径(r),计算休止角,结果见表2。休止角=arctan(h/r)。

表2 混合辅料对婷柳喷雾干燥效果的影响

基于单一辅料筛选对喷干粉得率的影响,以辅料轻质氧化镁为基础,分别进行二元辅料以及三元辅料筛选。平行量取12份婷柳浓缩液各100 mL,按表2称取辅料于各浓缩液中,按“2.2.1”项下喷雾干燥工艺条件喷干,收集粉末,计算得率,结果见表2。

结果表明,三元辅料比二元辅料得粉率更高,并且,在总辅料量相同的前提下加入轻质氧化镁、麦芽糊精、羟丙基-β-环糊精3种辅料相较只加入轻质氧化镁及麦芽糊精所得喷干粉得率更高、流动性更好,故最终确定加入这3种辅料,并进行混料设计。

2.2 混料设计

采用Optimal (Custom)Design混料设计方法,以提取液固含量(干膏质量)与3种辅料的比例为考察因素,分别以喷干粉得率、24 h吸湿率、休止角为评价指标,利用Design Expert 13软件(Stat-Ease,Inc.),设定上下限,见表3,生成混料设计表;按照混料设计表称取辅料及量取婷柳浓缩液,喷雾干燥工艺参数同“2.2.1”项下喷干工艺参数,喷干,收集喷干粉,测定各指标,结果见表4。

表3 混料设计上下限

表4 混料设计结果

以得率为指标进行二次多项式回归,分析结果见表5、图3～4,建立回归方程:得率=42.075 45A+76.075 14B+65.579 41C+63.231 85D+211.505 82BC+159.576 93BD,R2=0.984 5。

图3 得率回归模型分析

表5 以得率为指标的混料回归模型显著性分析

以得率为指标拟合的回归方程模型P<0.000 1表示其模型具有显著性,同时残差图、预测值与真实值图中点都均匀分布在直线周围,无特异点,表明此次实验数据无较大误差。说明该试验结果与其数据模型拟合较好,此模型可用来预测试验结果。模型决定系数R2=0.984 5,校正决定系数R2=0.975 9,说明此模型可解释所选因素97.59%的试验数据变化。变异系数(RSD)反应模型的置信度,其值越小表示模型置信度越高,本试验RSD为1.37%,说明其置信度较高,该模型可较好反映真实试验值。由辅料配比对得率影响3D图(A=0.598)可发现高得率区更加靠近B与C,表明固定干膏量时B与C(轻质氧化镁与麦芽糊精)的增加更能提高得率;由干膏与辅料配比对得率影响3D图(D=0.099)可发现低得率区更加靠近A,表明增加干膏量(即减少辅料总量)会降低得率;以得粉率范围50%～70%,目标趋于65%,优选辅料配比,得一系列较优配比,取值范围:A=0.550;0.200

同法分别以吸湿率、休止角为指标进行二次多项式回归,建立准确可靠回归方程:吸湿率=17.815 8A+7.547 7B+9.697 73C-19.755 03D+64.051 16AD-35.688 48BD,R2=0.926 9;休止角=43.961 18A+33.073 64B-136.06C+54.893 32D+277.719 47AC-113.408 11BD;R2=0.945 8。分析辅料配比对粉末吸湿性及流动性影响,结果见图5～6。

图5 辅料配比对吸湿率的影响

图6 辅料配比对休止角的影响

结果表明,低吸湿性区更靠近B,高吸湿区靠近C与D,说明增加轻质氧化镁的量能降低粉末吸湿性,而麦芽糊精及羟丙基-β-环糊精会增加粉末吸湿性;低休止角区更靠近B,高休止角区更靠近D,增加麦芽糊精的量能增加粉末流动性,羟丙基-β-环糊精相较轻质氧化镁与麦芽糊精更易降低粉末流动性。以得粉率范围50%～75%,目标趋于70%,吸湿性范围12%～18%,目标趋于14%;休止角范围35°～47°,目标趋于38°为筛选条件,对吸湿率、休止角回归方程求最优解,最终优选配比结果A=0.550,B=0.300,C=0.100,D=0.050。

2.3 辅料配比验证

按优选配比结果称取婷柳浓缩液及辅料,平行3份,按“2.2.1”项下喷雾干燥工艺参数喷干,收集喷干粉,测定得粉率、吸湿率、休止角,结果见表6。按最终优选辅料配比配制溶液进行喷雾干燥,喷干粉得率较高,流动性较好,吸湿性有所降低;同时,实际喷干粉得率、吸湿性、休止角建立回归模型预测值相近,进一步证明所建立模型准确可靠。

表6 辅料配比验证结果

2.4 婷柳喷干粉物理指纹图谱

2.4.1 物理指纹图谱指标的确定 根据浸膏粉的物理特征,其粉体学性质可分为流动性、可压性、堆积性、稳定性、均一性等。其中流动性主要是通过豪斯纳比(IH)和休止角(α)来评估;可压性是指粉体被压缩成固体的能力,用颗粒间孔隙率(Ie)和卡尔指数(Ic)表征;松密度(Da)和振实密度(Dc)是评价粉末的质地疏松情况,表征堆积性;水分(HR)和吸湿性(H)能够表征粉体的润滑性以及制剂成型后的稳定性,表征稳定性;相对均齐指数(Iθ)表示粉体的粒径大小以及分布情况,用以表征均一性。

2.4.2 物理指纹图谱二级指标的测定 粉体物理指纹图谱指标的测定首选法定标准收载的方法,对10批婷柳喷干粉进行测定,结果如表7,测定方法如下。

表7 验证试验结果

2.4.2.1 松密度(Da) 取干燥、洁净的10 mL量筒,精密称取一定质量(M)喷干粉缓慢加入其中,读取体积Va,计算松密度,公式为松密度=M/Va。

2.4.2.2 振实密度(Dc) 将“2.3.3”项下盛有喷干粉的量筒以每次2 s的频率上下振动200次,读取体积Vc,计算振实密度,公式为振实密度=M/Vc。

2.4.2.3 豪斯纳比(IH) 豪斯纳比=振实密度/松密度。

2.4.2.4 颗粒间孔隙率(Ie) 颗粒间孔隙率(Ie)=(振实密度-松密度)/(振实密度×松密度)。

2.4.2.5 卡尔指数(Ic) 卡尔指数(Ic)=(振实密度-松密度)/振实密度。

2.4.2.6 水分(HR) 使用快速水分测定仪,将约2.00 g的待测粉末平铺于样品盘中,于105 ℃下加热10 min,根据仪器显示的终读数即得。

2.4.2.7 休止角(α) 按照“2.1.2.2”项下休止角测定。

2.4.2.8 吸湿性(H) 按照“2.1.2.1”项下吸湿性测定。

2.4.2.9 相对均齐指数(Iθ) 将粉末依次过3～9号筛,振荡5 min,分别记录每个筛网截留的粉末质量。取平均孔径分别为300、230、180、150、125、106、75 mm筛网截留的粉末,计算相对均齐度指数,公式为相对均齐度指数=Fm/[100+(dm-dm-1)×Fm-1+(dm+1-dm)×Fm+1+(dm-dm-2)×Fm-2+…+(dm+n-dm)×Fm+n]。

其中,Fm为中间粒径范围粉末的质量百分比,Fm-1为中间粒径范围下一层粉末的质量百分比,Fm+1为中间粒径范围上一层粉末的质量百分比,n为所确定的粒径范围个数,dm为中间粒径范围的粉末平均粒径,dm-1为中间粒径范围下一层的粉末平均粒径,dm+1为中间粒径范围上一层的粉末平均粒径。

2.4.3 物理指纹图谱指标的转化 由于各二级指标的量纲存在差异,因此需要对各指标的数值进行转换,各指标的转换公式[6-8]及结果见表8。

表8 各二级物理指标转化公式及转化结果

2.4.4 物理指纹图谱的构建 采用OriginPro 2023b作图软件将“2.4.3”项下转化得到的数值构建婷柳喷干粉物理指纹图谱,见图7。

图7 不同批次婷柳喷干粉物理指纹图谱及其对照图谱

2.4.5 物理指纹图谱相似度分析 采用SPSS 27.0软件中的皮尔逊相关系数法,将10批样品物理指纹图谱与对照指纹图谱进行相似度分析,实验结果见表9。

表9 10批婷柳喷干粉物理指纹图谱相似度评价结果

结果表明,P1～P10物理指纹图谱与其对照图谱的相似度分别为0.999、0.997、1.000、0.999、1.000、0.998、0.998、1.000、1.000、1.000,表明其物理属性一致性良好,性质稳定。

3 讨论

婷柳提取液中主要以黄酮类成分为主,还有一些有机酸和小分子糖,在喷雾干燥过程中极易发生热熔性粘壁,损耗极大,仅仅通过调节工艺参数很难有效改善这种情况,因此考虑加入辅料。轻质氧化镁[9]可以显著改善浸膏喷雾干燥过程中的粘壁现象,能够提高得粉率,故选择加入轻质氧化镁为主;同时发现单一辅料喷雾干燥所得粉体易黏结,不利于后续制剂成型,需添加其他辅料进一步改善粉体性质。

研究发现,二元辅料混合时加入麦芽糊精、二氧化硅、羟丙基-β-环糊精相较于只加入轻质氧化镁能提高得率,其中麦芽糊精提高最多,而且麦芽糊精能够改变粉末的吸湿性,二氧化硅能改变喷干粉的流动性,羟丙基-β-环糊精能够改善粉末的稳定性。在此基础上,研究三元辅料的加入,在总辅料量相同情况的前提下,加入轻质氧化镁、麦芽糊精、羟丙基-β-环糊精3种辅料相较只加入轻质氧化镁及麦芽糊精所得喷干粉得率更高、流动性更好,故最终确定加入3种辅料为轻质氧化镁、麦芽糊精及羟丙基-β-环糊精。

本研究采用混料设计方法,确定3种辅料与提取液配比。以得粉率为主要评价指标,对婷柳提取液的喷雾干燥进行研究,兼顾考虑了提高喷干粉得率、改善喷干粉性质,获得便于进行进一步制剂研究的喷干粉。同时构建了10批婷柳喷干粉的物理指纹图谱,选择5个一级指标、9个二级指标作为评价指标,可以较为全面地评价所选工艺的优劣。

干膏粉作为中药固体制剂的中间体,当前对其质量评价主要集中在多指标成分含量测定、化学指纹图谱等化学层面,比较缺乏物理层面的质量评价;只注重化学成分层面的研究,不利于后续成型工艺的开展。采用中药粉体物理指纹图谱对干膏粉物理形态进行评价,有利于后续成型工艺的稳定可控,同时为建立全面的质量评价体系提供了参考。同时,现代中药制剂生产过程中检测指标不够全面,易导致成品的一致性不佳,因此,建立全面的物理属性、化学属性评价体系运用于生产当中对于成品一致性的提高有积极意义。本研究将继续深入研究指标成分、化学指纹图谱方面的研究,以构建更全面、系统的中药干膏粉质量评价体系。