响应曲面法在乳化体系优化中的应用研究*

王春柳 ，穆 珺，刘 洋 ，张 红 ，马虎强 ，李 晔 △

（1．陕西省中医药研究院，陕西 西安 710003； 2．陕西中医药大学，陕西 咸阳 712046）

近年，乳剂尤其是添加有中药成分的乳剂，具有温和、舒缓、安全的特点，可在不引入有机溶剂的同时提高载药量，在外用护肤、医疗中具有广阔的应用前景[1－3]。目前，研究的乳剂中药成分主要有鸦胆子油[4]、白藜芦醇[5]、矾冰[6]、沙棘油[7]等。功能齐备、稳定、安全的乳剂，处方组成较复杂，且各成分相互影响。响应曲面设计法（response suface methodology，RSM）可将复杂、未知的函数关系在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合，计算较简便。相比于正交试验，响应曲面试验设计可对各因素的连续水平范围进行分析，优化出整个区域的最优组合，且预测结果准确[8]，更加适合于制剂、化妆品处方设计。本研究中采用响应曲面法优化含有青蒿提取物的乳液体系，为后期的进一步研究奠定基础。现报道如下。

1 仪器与试药

1．1 仪器

L－14型台式离心机（SIGMA公司）；Sartorius PB－10型pH计，BP61型电子分析天平，均购于德国赛多利斯公司；HH－S型数显恒温水浴锅（江苏金坛金城国胜实验仪器厂）；F12－ED流变仪(Malvern公司)；U－2910型紫外可见分光光度计（株式会社日立制作所）；Gemini 2型旋转流变仪（英国马尔文仪器有限公司）。

1．2 试药

辛酸癸酸甘油三酯（GTCC，日化级，山东优索化工科技有限公司，批号为120411)；单硬脂酸甘油酯(上海恒信化学试剂有限公司，批号为20130107)；角鲨烷（春意堂生物科技有限公司，批号为20160905）；鲸蜡硬脂醇聚氧乙烯醚20（平平加O，山东优索化工科技有限公司，批号为16040605）；卡波姆940（住友，山东优索化工科技有限公司，批号为16040605）；青蒿提取物（陕西信瑞生物科技有限公司，批号为RX－170217）；肉豆蔻酸异丙酯（IPM，批号为 F20100420），甘油（分析纯，批号为 20161011），丙二醇（分析纯，批号为 20150120），三乙醇胺（分析纯，批号为20140617），均购自国药集团化学试剂有限公司；海藻糖（南宁中诺生物工程有限责任公司，批号为20170111）；透明质酸钠（阿拉丁试剂上海晶纯生化科技股份有限公司，批号为20170111）；试验用水为娃哈哈纯净水。

2 方法与结果

2．1 初步处方筛选

查阅文献[1－2]，初步确定处方组成为 GTCC、肉豆蔻酸异丙酯、天然角鲨烷、单硬脂酸甘油酯、鲸蜡硬脂醇聚氧乙烯醚20、甘油、丙二醇、去离子水、海藻糖、卡波姆940、透明质酸钠、三乙醇胺。

2．2 处方优化

2．2．1 因素水平设计

处方由油相、乳化剂、保湿剂、增稠剂、pH调节剂等组成。在油相已确定的情况下，乳化剂、保湿剂、增稠剂对于处方的影响较大。根据前期试验结果，固定处方中油相比例，乳化剂中单硬脂酸甘油酯与鲸蜡硬脂醇聚氧乙烯醚20用量比为1∶1，保湿剂中甘油与丙二醇用量比为2∶1，透明质酸钠用量为0．2%，三乙醇胺适量，青蒿提取物用量为0．2%。采用响应曲面试验设计[9－11]，以单硬脂酸甘油酯（A）、甘油（B）、卡波姆 940（C）用量作为考察因素，试验水平见表1。

表1 响应曲面法试验设计因素水平表(%)

2．2．2 试验安排

采用Design Expert 8．0软件进行试验设计，试验安排见表2。

2．2．3 乳剂制备

分别称取处方量的甘油、丙二醇于烧杯中，加入处方量的卡波姆940，搅拌均匀，再加入适量去离子水充分溶胀，过夜，得A相；称取处方量透明质酸钠，加入适量去离子水进行溶胀后加入A相，将青蒿提取物以适量去离子水溶解后加入，得混合A相。称取处方量GTCC、肉豆蔻酸异丙酯、天然角鲨烷、单硬脂酸甘油酯、鲸蜡硬脂醇聚氧乙烯醚－20于烧杯中，在80℃水浴下溶解混合，得B相。在80℃水浴下，将混合A相缓慢沿同方向搅拌，加入B相中，总乳化时间为50～60 min，搅拌速度先快后慢，乳化结束后加处方量三乙醇胺调节pH，乳化结束后快速冷却，阴凉密封，保存。

2．2．4 处方评价

感官评价：根据样品均匀性、清爽感、粘起感、铺展性、渗透性、滋润性进行评价。评分方法见表3。可见，运用综合评分法分析，对感官评价各指标赋权重，得到归一化综合评分。其中清爽度、铺展性、渗透性、滋润性、均匀性及粘起感权重分别为 0．2，0．2，0．2，0．2，0．1，0．1，结果见表2。

初步稳定性：乳剂为热力学不稳定微粒分散体系，容易出现分层、破乳聚合等现象，乳剂经长时间放置，老化使之产生分层现象，产生分层现象的快慢是衡量乳剂稳定性的重要指标。采用加速离心法检查乳剂稳定性，使之较快地产生分层，利用紫外－可见分光光度法测定离心前后的吸光度，得出各处方的稳定性常数（Ke），置离心机中(转速为 4 000 r／min，离心 10 min)，相当于乳剂放置1年。取各个处方乳剂2 g，置离心机中（转速为 4 000 r／min，离心 30 min）；取离心管底部样品 10 μL，用去离子水稀释500倍，在最大吸收波长下照紫外－可见分光光度法得到各个处方的吸光度（A）值，与未离心之前的吸光度（A0）值比较，计算得 Ke，Ke＝ ｜A－ A0｜／A0×100%。Ke值越小，表明乳剂在离心过程中油滴上浮的越少，处方稳定性越好。全波长扫描得最大吸收波长为505 nm。离心后，处方9分层明显，其余处方无明显分层现象，测得 Ke值及归一化分值见表2。

黏度：采用Gemini 2型旋转流变仪测定各处方样品黏度。在梯度剪切模式下，样品黏度随剪切速率增大而减小，说明乳液为一种假塑性流体。一般认为乳液涂抹时的剪切速率接近于1 s－1，故本试验中测定了各处方剪切速率为1 s－1时的黏度，并进行归一化评分。结果见表 2。

2．2．5 数据分析

根据经验拟订各指标权重为感官评价 ∶稳定性∶黏度（4∶3∶3），采用加权平均法综合各处方分数，录入Design Expert 8．0软件进行分析。结果见表2。

表2 响应曲面法试验设计安排、处方评价及加权评分结果

表3 感官评分标准

利用Design Expert 8．0软件对数据进行多项式回归拟合，得模型方程为 Y＝79．707 90－31．210 12 A－1．286 58B ＋41．457 16C ＋3．436 73AB ＋19．344 11AC －1．301 19 BC。方差分析结果见表 4。

表4 响应曲面法试验方差分析结果

采用 Design Expert 8．0软件分析得 F ＝5．20，P ＝0．011 3 ＜ 0．05，认为模型建立显著，残差不明显。可知，单硬脂酸甘油酯及卡波姆940两个因素均有显著影响；而交互项显著性较差，说明三者的交互作用不大。各因素的效应关系为卡波姆940＞单硬脂酸甘油酯，三维响应面图见图 1。其中，a，b，c分别为 Y＝ (A，B)，Y＝ (A，C)，Y＝ (B，C)的响应面和等高线图。由图1可知，当单硬脂酸甘油酯和甘油都固定时，响应值随卡波姆940用量的变化幅度较大，响应值随甘油的变化幅度较小，故卡波姆940对响应值的影响更显著。经Design Expert 8．0软件预测，最优处方为单硬脂酸甘油酯为1．5%，甘油为 4．5%，卡波姆 940为 0．3%。

2．3 处方验证

按照最优处方，平行制备3份25 g处方量乳剂，进行感官、稳定性、黏度测定，结果见表5。所制备的3批乳剂均符合上述处方要求。

3 讨论

3．1 乳化处理

选择前期分别采用单因素法考察了70，80，90℃3个乳化温度，40，60，80 min 3个乳化时间，中速、高速

图1 乳化体示优化影响因素三维响应面图

表5 处方验证结果

两种搅拌速率，最终确定出在80℃下中速搅拌60 min所得到的乳剂清爽度、粘起感、稳定性均较好。因此，在进行处方优化时采用上述工艺。

3．2 响应曲面法的优势

功能乳液体系通常的组成成分较多，如果将每种成分变量直接作为因素进行试验设计，则会导致试验次数大大增加，不符合实际应用需求。经典的正交设计中因素水平不能连续，故不能很好地适用于类似乳液处方配比等因素呈现连续变化的试验。响应曲面法能克服上述2种缺点，在连续曲面中优化预测出最优点，但其缺点是试验次数多，不能适用于因素多的情况[12－13]。首先，固定乳化体系的油相、乳化剂、保湿剂、增稠剂内部比例，分别以乳化剂、保湿剂、增稠剂中的代表性组分作为考察因素，以响应曲面法设计试验，预测出最优处方，验证结果较好。

3．3 稳定性考察

稳定性是乳剂质量评价的重要指标之一，Ke是乳剂稳定性的代表性参数，可在乳液体系处方评价时采用[14]，操作简单、方便，且结果准确、客观。其中，制备方法、乳化剂种类及用量、水相与油相的用量等均对乳剂的稳定性有一定影响[15－16]。