Box-Behnken设计-效应面法优化茴香油β-环糊精微球包合物的制备工艺研究

杨黎燕,余丽丽,姚 琳

(西安医学院药学院,陕西西安710021)

Box-Behnken设计-效应面法优化茴香油β-环糊精微球包合物的制备工艺研究

杨黎燕,余丽丽,姚 琳

(西安医学院药学院,陕西西安710021)

在单因素实验的基础上,采用Box-Behnken设计-效应面法(RSA)对影响茴香油β-CDP微球包合物的制备工艺的主要因素反应温度、β-CDP微球与茴香油投料比、水与β-CDP微球投料比进行了优化,并建立了相应的预测模型。经二次多项数学模型分析得到优化制备条件为:茴香油用量1 m L、β-CDP微球用量5.7 g、水用量50 m L、包合温度40℃、包合时间1 h,此条件下茴香油平均包合率为86.9%、微球包合物平均产率为93.9%。经验证,应用效应面法所得到的茴香油β-CDP微球包合物制备工艺是可行的。

茴香油;β-CDP微球包合物;Box-Behnken设计;效应面法

八角茴香油(Aniseed oil)为木兰科植物八角茴香新鲜枝叶或成熟果实经水蒸气蒸馏得到的挥发油,是八角茴香主要有效成分之一,为芳香调味药及健胃药,具有温阳散寒、理气止痛的功效[1]。但八角茴香油储存时不稳定,容易挥发损失,致使其进一步的开发受到限制。目前将挥发油作为芯材进行吸附包埋的研究报道较多,其中大部分以β-环糊精(β-CDP)和淀粉微球作为基质[2,3],但持香效果不够理想。β-CDP微球经高分子化后内部结构疏松、呈蜂窝状,具有交联三维网状结构,既保留了β-CDP原有的环内疏水、环外亲水的空腔构造,又增强了β-CDP空穴的疏水性,促进了包合作用的进行,可作为药物载体有效地应用于药物控制释放[4],用β-CDP微球吸附包载茴香油,理论上可以提高茴香油的包合率和稳定性。

作者在此采用饱和水溶液法制备茴香油β-CDP微球包合物,进而采用Box-Behnken设计-效应面法(RSA)对其制备条件进行优化。

1 实验

1.1 原料、试剂与仪器

茴香油(批号:20110130),江西吉安振兴香料油提炼厂;煤油,陕西和平化学玻璃有限公司。

β-CDP微球,自制;环氧氯丙烷,天津福晨化学试剂厂;Span80、盐酸,天津市化学试剂有限公司; Tween20,天津科密欧化学试剂有限公司;无水乙醇,天津大茂化学试剂厂;丙酮,天津医药化学有限公司。所用试剂均为分析纯,实验用水为蒸馏水。

85-2型磁力加热搅拌器,上海浦东物理光学仪器厂;DZF型真空干燥箱,北京科伟永兴仪器有限公司;挥发油提取器,津南玻璃仪器仪表厂;JJ-1型电动搅拌器,江苏金坛正基仪器有限公司;601型恒温水浴锅,江苏金坛医疗仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 空白β-CDP微球的制备

参照文献[5]合成β-CDP微球。

1.2.2 茴香油β-CDP微球包合物的制备

采用饱和水溶液法制备[6]。取一定量的β-CDP微球,加适量蒸馏水加热溶解,放凉至所需温度,加1 m L茴香油混合,密封,恒温电磁搅拌适当时间后取出,自然冷却后冰箱冷藏过夜(24 h),取出离心,置40℃真空干燥箱内减压干燥6 h,即得茴香油β-CDP微球包合物。

1.3 评价指标

将微球包合物置于500 m L的平底烧瓶中,加蒸馏水250 m L,连接挥发油测定器。按《中国药典》(一部)2010年版附录挥发油测定法(甲法)[1]测定挥发油的含量。按照公式(1)和(2)计算茴香油包合率(Y1)和茴香油β-CDP微球包合物产率(Y2)。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

选定β-CDP微球与茴香油的投料比(g∶m L,下同)、水与β-CDP微球投料比(m L∶g,下同)、反应温度、反应时间为主要影响因素,以综合得分(Y)为考核指标(选定包合率、产率权重系数分别为0.5,Y=0.5 ×Y1+0.5×Y2),进行单因素实验。

2.1.1 β-CDP微球与茴香油的投料比对包合效果的影响

在包合温度为30℃、水与β-CDP微球投料比为10∶1、包合时间为1 h的条件下,考察β-CDP微球与茴香油的投料比对包合效果的影响,结果见图1。

图1 β-CDP微球与茴香油的投料比对包合效果的影响Fig.1 Effect of the proportion ofβ-CDP microspheres and aniseed oil on inclusion

由图1可知,随β-CDP微球用量的增加,综合得分逐渐上升;当β-CDP微球与茴香油的投料比为5∶1时,综合得分最高;继续增加β-CDP微球用量,综合评分逐渐趋于平缓,并有下降的趋势。

2.1.2 水与β-CDP微球的投料比对包合效果的影响

在包合温度为30℃、β-CDP微球与茴香油的投料比为5∶1、包合时间为1 h的条件下,考察水与β-CDP微球的投料比对包合效果的影响,结果见图2。

由图2可知,随着水用量的增加,综合得分逐渐上升;当水与β-CDP微球的投料比超过10∶1后,综合得分反而有所回落。这可能是因为,随着水用量的增加,β-CDP微球分散得更好,和茴香油接触更充分,当水用量逐渐达到饱和后,β-CDP微球和茴香油浓度不再增加,包合效果下降。

图2 水与β-CDP微球的投料比对包合效果的影响Fig.2 Effect of the proportion of water andβ-CDP microspheres on inclusion

2.1.3 包合温度对包合效果的影响

包合温度直接影响着茴香油在水中的溶解度及包合过程的挥发程度,是影响包合效果的一个较为重要的因素。在β-CDP微球与茴香油的投料比为5∶1、水与β-CDP微球的投料比为10∶1、包合时间为1 h的条件下,考察包合温度对包合效果的影响,结果见图3。

图3 包合温度对包合效果的影响Fig.3 Effect of inclusion temperature on inclusion

由图3可知,随着包合温度的升高,综合得分先上升后下降;在包合温度为40℃时,综合得分最高。这可能是因为,随着包合温度的升高,挥发油中各种物质分子运动速度加快,与β-CDP微球接触机会增多,茴香油包合率、包合物产率增大,但包合温度过高时,茴香油的挥发性也随之增大,包合效果下降。

2.1.4 包合时间对包合效果的影响

在β-CDP微球与茴香油的投料比为5∶1、水与β-CDP微球的投料比为10∶1、包合温度为30℃的条件下,考察包合时间对包合效果的影响,结果见图4。

由图4可知,包合时间对综合得分的影响不是很显著,随着包合时间的延长,综合得分逐渐上升,后趋于平缓并有所回落。这可能是因为,随着包合时间的延长,β-CDP微球充分包合茴香油,当包合处于饱和状态后,再延长包合时间,反而不利于茴香油的包合。综合考虑能耗因素,包合时间选择1 h较好。

图4 包合时间对包合效果的影响Fig.4 Effect of inclusion time on inclusion

2.2 效应面法优化制备条件

以茴香油包合率(Y1)和微球包合物产率(Y2)为指标,采用综合评分法对其影响因素排序。设定Y1、Y2最高为10分,最低为1分,计算各组实验得分,将Y1和Y2得分相加得出经验得分Y0;运用SPSS软件得出回归方程式:Y'=0.158 Y1+0.262 Y2-29.423,将实测值代入回归方程中得到线性回归综合评分(Y')。以Y'作为响应值,选取β-CDP微球与茴香油的投料比(A)、水与β-CDP微球的投料比(B)、包合温度(C)3个对微球包合物制备影响显著的因素作为自变量,每个自变量的低、中、高水平以-1、0、1为编码,进行3因素3水平Box-Behnken设计,RSA实验因素与水平见表1,结果及分析见表2。

表1 效应面实验因素与水平Tab.1 Factors and levels of RSA experiment

利用Design-Expert7.0软件对表2数据进行回归分析,得出二次多元回归模型方程:Y'=9.12+1.83A+ 0.92B-0.65C-0.74AB+1.01AC+0.6BC-1.21A2-1.5B2-1.6C2,R2=0.9927。方差分析见表3。

由表3可知,模型为显著性。各显著性影响因素对综合评分的影响次序为:β-CDP微球与茴香油的投料比＞水与β-CDP微球的投料比＞包合温度。

当β-CDP微球与茴香油的投料比、水与β-CDP微球投料比、包合温度3因素之一取零水平时,考察其它两因素对综合得分的影响,得到综合评分的效应曲面图,见图5。

表2 效应面实验结果Tab.2 Results of RSA experiment

表3 方差分析Tab.3 Results of regression analysis

由图5可知,在实验范围内,综合评分随实验3因素的变化趋势都是先增大后减小。对回归方程的3个自变量分别取一阶偏导,并令偏导方程等于零,整理得:

图5 综合评分的效应曲面Fig.5 Response surface of composite score

由式(3)～(5)解得A=0.738,B=0.136,C= 0.055。由此得到优化的制备条件为:β-CDP微球与茴香油的投料比5.74∶1,水与β-CDP微球投料比10.2∶1,包合温度40.5℃,理论最佳综合评分为9.84。

为检测效应面法所得结果的可靠性并考虑到实际可操作性,调整优化制备条件为:茴香油用量1 m L、β-CDP微球用量5.7 g、水用量50 m L、包合温度40℃、包合时间1 h。进行3次验证实验,茴香油平均包合率为86.9%,微球包合物平均产率为93.9%,平均综合评分为9.70。

3 结论

在单因素实验的基础上,采用Box-Behnken设计-效应面法(RSA)对茴香油β-CDP微球包合物的制备工艺进行了优化,得到优化制备条件为:茴香油用量1 m L、β-CDP微球用量5.7 g、水用量50 m L、包合温度40℃、包合时间1 h,在此条件下茴香油平均包合率为86.9%、微球包合物平均产率为93.9%。经验证,应用效应面法所得到的茴香油β-CDP微球包合物制备工艺是可行的。

[1] 国家药典委员会.中国药典(一部)[M].北京:化学工业出版社, 2010:附录.

[2] 曾俊,杨宗发.β-环糊精及其衍生物在中药领域中的研究进展[J].现代医药卫生,2008,24(2):229-230.

[3] 张幸生.丁香油β-环糊精包合物的制备工艺研究[J].时珍国医国药,2005,16(12):1270-1271.

[4] Liu Y Y.Release of chlorambucil from poly(N-isopropylacrylamide)hydrogels with beta-cyclodextrin moieties[J].Macromolecular Bioscience,2004,4(8):729-733.

[5] 吴文娟,郑敦胜,蔡诗填,等.β-环糊精聚合物微球的合成及药物控释行为的研究[J].中药材,2007,30(3):329-333.

[6] Zhang W F,Chen X G,Li P W,et al.Preparation and characterization of carboxymethyl chitosan and beta-cyclodextrin microspheres by spray drying[J].Drying Technology,2008,26(1):108-115.

Application of Box-Behnken Design and Response Surface Methodology to Optimize Preparation Process of Aniseed Oil-β-CDP Microspheres Inclusion Compound

YANG Li-yan,YU Li-li,YAO Lin
(College of Pharmacy,Xi'an Medical University,Xi'an 710021,China)

On the basis of single factor experiment,a three-factor,three-level Box-Behnken design combining with response surface methodology(RSA)was employed to optimize three crucial preparation conditions for aniseed oil-β-cyclodextrin polymer microspheres inclusion compound.The mathematical regression model indicated that the optimum technological conditions were as follows:aniseed oil amount was 1 m L,water amount was 50 m L,β-CDP amount was 5.7 g,inclusion temperature was 40℃and inclusion time was 1 h.The average encapsulation rate of aniseed oil,the average yield of the inclusion compound under the optimized conditions were 86.9%and 93.9%,respectively.It was verified that the optimum preparation process for aniseed oil-β-CDP microspheres inclusion compound was feasible.

aniseed oil;β-cyclodextrin polymer microspheres inclusion compound;Box-Behnken design;response surface methodology

O 636.12

A

1672-5425(2013)03-0050-04

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.013

陕西省卫生厅科研资助项目(2012D14),陕西省教育厅科研计划资助项目(11JK0694)

2012-12-05

杨黎燕(1968-),女,陕西渭南人,硕士,副教授,研究方向:高分子材料制备及应用,E-mail:yangliyan923@163.com。