响应面法优化普鲁兰多糖-卡拉胶软胶囊囊皮配方

张锦中,肖美添,叶 静,张 娜,黄雅燕

(华侨大学化工学院,福建厦门 361000)

软胶囊又称软胶丸剂,其形状有圆形、椭圆形、鱼形和管形等,是一种将对软胶囊皮无溶解作用的油性、悬浊液或乳浊液封装于囊材内部腔室的制剂,在医药领域应用广泛[1]。目前市面上常用的软胶囊的主要囊材为明胶,明胶一般从猪、牛的骨骼或原皮中提取。但是素食主义者和一些具有特殊文化信仰的人群无法接受其材料来源。近年来报道出动物基明胶胶囊具有传染“疯牛病”的可能性,更加限制了其应用,因此开发一种性能优良、非动物源的新型囊材迫在眉睫[2]。植物软胶囊是一种使用植物提取物或水溶性多糖为主要材料制备的新型胶囊[3],因其原料来源广泛、安全且具有良好的理化性质,被认为是一类有着良好发展前景的新型囊材。

国内外针对植物软胶囊的开发主要基于一些具有优越理化性质的植物胶或多糖来代替明胶。例如,通过物理、化学或生物手段等方法对淀粉进行改性而得到与明胶材料类似性质的淀粉衍生物代替明胶[4]。Jones等研究了以羟丙甲基纤维素和卡拉胶为主要原料制备的胶囊与明胶胶囊的差异[5]。然而目前研发的植物软胶囊存在着机械强度较差或透油率较高等缺陷,这限制了植物源软胶囊的实际使用。

普鲁兰多糖是一种由发酵所产生或从藻类植物中提取的胞外水溶性多糖,富有弹性且易溶于水[6]。其制备的凝胶具有结构致密、透油率极低的优点。卡拉胶(carrageenan)又名角叉菜胶,是从藻类细胞壁中提取的一种链状多糖,其制备的凝胶具有较高的机械强度[7]。本文选用普鲁兰多糖与卡拉胶为胶液的主要成分,制备的复配胶粘度大、弹性好且对于水蒸汽和油状物的隔绝性好,在软胶囊壳的制备上有良好的应用前景。本实验运用Box-Benhnken中心组合设计原理和响应面分析法探究了卡拉胶与普鲁兰多糖凝胶过程中各添加剂与复配比对凝胶性能的影响,得到了渗油率低、黏连性低、机械强度大的软胶囊胶囊壳配方。为植物软胶囊壳的工业化生产提供技术依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

普鲁兰多糖 山东福瑞达科技有限公司;卡拉胶 上海晶纯生化科技股份有限公司;果糖 上海麦克林生化科技有限公司;柠檬酸钾 天津市光复精细化工研究所。

SM-112型测厚仪 日本Teclock公司;UV-1800型紫外分光光度计 日本岛津公司;DK-S11型电子恒温水浴锅 上海森信实验仪器有限公司;DHG-9036A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;WDW-20电子万能拉伸实验机 上海瑞隅仪器设备有限公司;凝胶强度测定仪WD-1 泉州万达实验仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 普鲁兰多糖-卡拉胶软胶囊囊皮的制备 将卡拉胶、普鲁兰多糖以不同配比混合均匀形成混合粉末,溶解于70 ℃下200 mL蒸馏水中,分别加入质量分数为3%、4%、5%、6%、7%的果糖作为增塑剂,在形成的溶液中分别加入质量分数为0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的柠檬酸钾。在70 ℃下水浴、磁力搅拌3 h,令复配胶充分混合,之后将样品减压抽滤,在-0.8 MPa的真空度、70 ℃下抽气1 h除去胶液中的气泡,制得的胶液取40 mL均匀倒入培养皿中放入恒温干燥箱中65 ℃干燥过夜,揭膜测定囊皮的断裂伸长率、抗拉强度等机械性能;另将40 mL的胶液倒入100 mL烧杯中于25 ℃室温静置过夜,测定凝胶强度。

1.2.2 指标的测定

1.2.2.1 囊皮厚度的测定 囊皮厚度根据 GB/T 6672-2001[8],使用测厚仪分布均匀的选取膜上的13个点(含有1点过膜的中心点)测定厚度,以平均值作为膜的厚度值。

1.2.2.2 囊皮的透油率测定 将5 mL鱼油加入10 mL试管中,用待测囊皮封住试管口并倒置与滤纸上,在干燥器中放置48 h,防止空气中的水分影响实验结果,称量滤纸的重量变化[9]。

PO=ΔW·FT/S·T

式(1)

式中:PO为透油系数(g·mm/m·d)；ΔW为滤纸质量变化(g)；FT为囊皮厚度(mm)；S为透油面积(cm2)；T为放置时间(d)。

1.2.2.3 囊皮机械性能的测定 囊皮的机械性能根据 GB/T 1040.1-2006[10],使用电子万能拉伸实验机测定囊皮样品的抗拉强度(TS)和断裂延伸率(E),初始夹距设为40 mm,拉速度设定为1 mm/s。见计算公式(2)和式(3)。

TS=F/S

式(2)

E=(L1-L0)/L0×100

式(3)

式中:TS为抗拉强度(MPa);F为囊皮断裂时的最大拉力(N);S为囊皮的横截面面积(m2);E为断裂延伸率(%);L0为囊皮样品的长度(mm);L1为囊皮断裂时的长度(mm)。

1.2.2.4 囊皮透光率的测定 囊皮的透光率使用紫外分光光度计测量,将囊皮样品贴在石英比色皿的一侧,在波长500 nm处测定样品囊皮的透光率。以空石英比色皿作为空白对照。

1.2.2.5 凝胶强度测定方法 在100 mL烧杯中加入40 mL胶液,于25 ℃下静置24 h过夜,使用凝胶强度测定仪WD-1测量凝胶强度,每个样品重复测量三次取平均值。

1.2.3 单因素实验设计 固定增塑剂果糖含量(文中所有含量均为w物/w水)为5%,柠檬酸钾含量为0.2%,考察不同复配胶配比(25.5∶0.5、25.0∶1.0、24.5∶1.5、24.0∶2.0、23.5∶2.5)以卡拉胶含量(0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%)来表示对TS、E、PO、T、ST的影响。

固定卡拉胶含量0.50%,柠檬酸钾含量为0.2%,考察不同增塑剂果糖含量(3%、4%、5%、6%、7%)对TS、E、PO、T、ST的影响。

固定卡拉胶含量0.50%,增塑剂果糖含量为5%,考察不同柠檬酸钾含量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)对TS、E、PO、T、ST的影响。

1.2.4 响应面实验设计 以囊皮的TS、E、ST作为指标通过单因素实验,选取复配胶配比(以卡拉胶含量表示)、果糖含量、柠檬酸钾含量作为影响因素。确定三因素三水平的最佳参数,进行响应面分析,实验设计及编码见表1。

表1 响应面实验因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiments

1.3 数据处理

在单因素实验结果基础上,采用中心组合实验BoxBehnken设计方案(表1)。分析各因素对凝胶质构特性的显著性,得出数学模型,考量其可信程度,确定该软胶囊囊皮配方。采用DX-8软件进行分析,并作响应曲面图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 卡拉胶含量对囊皮性质的影响 卡拉胶含量对囊皮性质的影响见表2。在一定范围内,随着卡拉胶含量的增加,普鲁兰多糖含量的减少,抗拉强度和断裂伸长率都呈现出先增大后减小的趋势,抗拉强度的增加主要是由于随着卡拉胶含量的增加聚合物中的氢键数量增加,交联更加紧密从而引起抗拉强度的增加[11]。断裂伸长率方面,在适当的范围内由于卡拉胶的增加而引起的氢键数量增多会提高材料的断裂伸长率。但是由于卡拉胶本身形成的聚合物显示出较强的脆性,当卡拉胶的比例过大时,聚合物从塑性材料向脆性材料转变,导致了断裂伸长率的急剧下降[12];随着卡拉胶含量的增加,普鲁兰多糖含量的减少,透油率均为0;透光率在卡拉胶含量为0.5%处最低，为74.7%，在卡拉胶含量为0.25处最高为80.3%,表明卡拉胶与普鲁兰多糖的相容性较好;凝胶强度呈现增大趋势与抗拉强度增大的原因类似,主要是由于卡拉胶含量的增加,增加了氢键的数量从而提升了聚合物的致密性,引起凝胶强度的增加。

2.1.2 果糖添加量对囊皮特性的影响 果糖含量对囊皮性质的影响见表3。从表3中可以看出,在果糖含量低于4%时,抗拉强度与断裂伸长率在仪器精密度内无法测量。这是由于在低果糖含量下形成的囊皮主要显示脆性,断裂伸长率和抗拉强度很低。在合适的果糖含量范围内抗拉强度随着增塑剂含量的增加而降低,这是因为果糖对聚合物的影响主要是由于果糖分子插入了聚合物的链中,减少了聚合物中的分子键,从而引起扩散系数的增加,增强了水分子的进入与结合。增塑剂果糖的添加可以增加膜中水分的含量,使膜具有一定的可塑性[13],因此导致了拉伸强度与凝胶强度的降低。断裂伸长率在果糖含量低于5%时呈现快速增加趋势,在果糖含量为5%、6%、7%时分别为82.08%、83.91%、80.91%,这是因为果糖在5%左右达到饱和点,继续增加果糖含量对聚合物中分子键的影响不大。改变果糖的含量,透油率均为0;透光率在果糖添加量为6%处达到最高为79.9%,表明果糖添加量为6%时胶液的相容性达到最佳。

表3 不同果糖添加量对囊皮性质的影响Table 3 Effect of the addition of different fructose on the nature of the skin

2.1.3 柠檬酸钾浓度对囊皮特性的影响 柠檬酸钾浓度对囊皮性能的影响见表4,随着柠檬酸钾含量增加,囊皮的抗拉强度增加,断裂伸长率降低,这是由于钾离子的存在,起到促进卡拉胶聚集的作用。这种聚集是由钾离子处于中间,两个双螺旋卡拉胶分子在两边堆集,若干双螺旋卡拉胶分子通过钾离子位于中间作为“盐桥”并排堆集,形成一定的“有序区”,有序区通过螺旋分子的相互纠缠而形成凝胶,因此增大了抗拉强度[14],但是当柠檬酸钾浓度过高时,卡拉胶分子形成的有序富集被打乱,造成了抗拉强度的降低;在柠檬酸钾含量低于0.15%时,卡拉胶的阳离子效应很低形成的胶体凝胶特性较差因此断裂伸长率较低。在柠檬酸钾含量大于0.15%时断裂伸长率的降低则是由于随着聚集程度的加深,减少了囊皮结合水分子的空间与能力使聚合物含水量降低,从而引起囊皮的塑性降低。改变柠檬酸钾的浓度,透油率均为0;透光率在柠檬酸钾浓度为0.15%处达到最高为79.6%,表明柠檬酸钾浓度为0.15%时胶液的相容性达到最佳。凝胶强度随着柠檬酸钾添加量的增加而先增加后减小。凝胶强度在柠檬酸钾浓度为0.15%处达到最大,表明在该卡拉胶含量下0.15%的柠檬酸钾为最佳阳离子浓度,阳离子效应达到最大。

表4 不同柠檬酸钾浓度对囊皮性质的影响Table 4 Effects of different K ion concentration on the nature of cysts

根据所选指标进行分析,透油率在各条件下均为0,透光率随着各影响因素的改变在65%～80%之间变化,在这个透光率区间,胶液的相容性虽有所变化,但变化不大。因此综合考虑囊皮的抗拉强度,断裂伸长率以及凝胶强度三个指标的变化趋势,选用卡拉胶含量0.75%、1.0%、1.25%;果糖含量4%、5%、6%;柠檬酸钾含量0.10%、0.15%、0.20%做响应面分析,以确定普鲁兰多糖卡拉胶软胶囊囊皮的最佳制备工艺。

2.2 响应面法优化普鲁兰多糖卡拉胶软胶囊囊皮制备工艺

2.2.1 Box-Benhken实验设计及分析结果 根据Box-Benhken中心组合实验设计原理,选用三个主要影响因素卡拉胶含量(复配胶配比)A,果糖含量B,柠檬酸钾含量C),设计了三因素三水平的响应面分析实验。

表5 Box-Benhken实验设计及结果Table 5 Experimental design and results of Box-Benhken

2.2.2 TS回归方程方差分析 以卡拉胶的含量、果糖含量,以及柠檬酸钾含量作为响应变量,抗拉强度作为响应值,利用实验设计软件进行非线性回归的二次多项式模型拟合,预测的模型如下:TS=24.69+3.51A-2.49B-0.84C-1.75AB-1.97AC+0.13BC+4.03A2-0.85B2-0.19C2。根据表6,对方差分析进行显著性检验显示,该模型回归显著(p<0.05),失拟项不显著,计算结果表明该模型R2=0.9595,说明该模型与实际生产结果拟合性好,响应变量与响应值之间线性关系明显。

表6 TS回归方程方差分析表Table 6 TS regression equation variance analysis table

方差分析结果还表明,方程一次项中A、B,交互项AC,二次项A2对响应值的影响显著。从这一结果中可以看出选取的影响因素对于考察的质量标准的影响不是线性关系。从对方差进行分析的结果中可以看出,FA=47.21,FB=23.70,FC=2.69,代表了各因素对TS影响程度的大小,卡拉胶含量即复配胶配比影响最大,钾离子含量影响最小。

2.2.3 E回归方程方差分析 以卡拉胶的含量(复配胶配比),果糖含量以及柠檬酸钾含量作为响应变量,断裂伸长率作为响应值,利用实验设计软件进行非线性回归的二次多项式模型拟合,模型如下:E=45.84-11.03A+21.92B-1.82C-1.82AB-9.27AC+1.96BC+16.00A2+1.75B2-8.89C2。根据表7,对方差分析进行显著性检验显示,该模型回归显著(p<0.05),失拟项不显著,计算结果表明该模型R2=0.9479,说明该模型与实际生产结果拟合性好,响应变量与响应值之间线性关系明显。

表7 E回归方程方差分析表Table 7 E regression equation variance analysis table

方差分析结果还表明,方程的一次项中A、B,二次项A2对响应值的影响显著。从这一结果中可以看出选取的影响因素对于考察的质量标准的影响不是线性关系。从对方差进行分析的结果中可以看出,FA=13.52,FB=53.44,FC=0.37,代表了各因素对E影响程度的大小,果糖(增塑剂)含量影响最大,钾离子含量影响最小。

2.2.4 ST回归方程方差分析 以卡拉胶含量,果糖含量以及柠檬酸钾含量作为响应变量,凝胶强度作为响应值,利用实验设计软件进行非线性回归的二次多项式模型拟合,预测的模型如下:St=209.00+156.25A-21.63B+44.13C-79.00AB-5.50AC+3.25BC+104.88A2-32.87B2+5.62C2。根据表8,对方差分析进行显著性检验显示,该模型回归显著(p<0.05),失拟项不显著,计算结果表明该模型R2=0.9347,说明该模型与实际生产结果拟合性好,响应变量与响应值之间线性关系明显。

表8 ST回归方程方差分析表Table 8 Variance analysis table of ST regression equation

方差分析结果还表明,方程的一次项中A,二次项A2对响应值的影响显著。从这一结果中可以看出选取的影响因素对于考察的质量标准的影响不是线性关系。从对方差进行分析的结果中可以看出,FA=48.80,FB=0.93,FC=3.89,代表了各因素对ST影响程度的大小,卡拉胶含量即复配胶配比影响最大,果糖(增塑剂)含量影响最小。

2.2.5 响应曲面分析 根据回归方程得到响应面分析图,考察拟合之后的响应曲面形状,分析所选定的三个变量对考察的三个响应值的影响。由响应曲面的形状可以更直观的看出卡拉胶含量(复配胶配比)、增塑剂含量以及柠檬酸钾含量对TS、E、ST的影响[15]。透过观察TS响应曲面图可以发现:响应曲面的弯曲程度在卡拉胶配比轴上最为明显,说明卡拉胶含量即复配胶配比对囊皮TS影响最大。同理可知,果糖(增塑剂)含量对囊皮E的影响最大;卡拉胶含量即复配胶配比对囊皮ST影响最大。卡拉胶含量与果糖含量是影响囊皮性质的主要影响因素。

图1 不同影响因素对TS,E,ST的响应面图Fig.1 Response surface of TS,E,and ST in different influencing factors

2.2.6 制备工艺条件的验证 通过Design-Expert软件探究各因素的最佳条件组合,使TS、E、凝胶强度都取最大值,通过软件的优化分析得到了响应值的最佳组合条件:卡拉胶含量1.25%(复配胶配比23.5∶2.5),果糖含量4.7%,钾离子含量0.11%,在这一组条件下抗拉强度为35.7458 MPa,断裂伸长率为48.4286%,凝胶强度为467.285 g/cm2,为了验证响应面优化法所得到的结果的准确性,采用软件分析优化的结果进行实验验证,重复三次实际测得的TS、E、ST值分别为(34.6875±1.6253) MPa,(50.1346%±2.6834%),(463±13) g/cm2,结果与软件分析所得基本吻合,证明所得数学模型具有良好的可靠性,对植物提取物软胶囊壳配方有试剂预测价值[16-17]。

3 结论

本实验对普鲁兰多糖-卡拉胶软胶囊壳制备工艺进行了单因素实验以及响应面分析,设计实验进行了卡拉胶含量,果糖含量,钾离子含量对TS、E、ST的拟合,得到了回归模型,并通过实验对模型得到的预测进行了验证,证明了模型的可靠性。最终确定出的最佳制备工艺为卡拉胶含量1.25%(复配胶配比23.5∶2.5),果糖含量4.7%,钾离子含量0.11%,在此条件下得到的抗拉强度为(34.6875±1.6253) MPa,断裂伸长率为(50.1346%±2.6834%),凝胶强度为(463±13) g/cm2。在此条件下,囊皮的抗拉强度、断裂伸长率、凝胶强度达到最大,表现出良好的机械性能,有效避免了后续制备软胶囊壳的过程中出现的机械强度差,胶囊壳变脆,运输途中易损坏等问题[18]。同时制得的囊皮透油率为0(在测量精度内)解决了软胶囊普遍存在的漏油、黏连等问题。

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