响应面法优化钙软胶囊的制备工艺

张国文，张桂美，胡明明,2

(1.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330047；2.大马棕榈油技术研发(上海)有限公司)

钙是人体含量最高的矿物质，参与多种代谢过程，对维持人体骨健康及其他正常的生理活动具有重要意义，但无论采用膳食调查估计方法还是生化实测方法，我国城乡居民每日膳食中含钙量均偏低，只有400～500 mg[1]，仅为营养学推荐供给量指标的二分之一左右(约为800 mg·d-1)[2]，故适当补充钙剂在我国人民当前膳食情况下仍是十分需要的。软胶囊作为新剂型，具有生物利用度高、剂量准确、服用方便、便于携带等优点[3]，而钙软胶囊就是软胶囊中典型的品种之一。根据市售产品及文献[4-6]，钙软胶囊内容物多以碳酸钙、大豆油、蜂蜡和维生素D3为主要组成成分。棕榈油作为世界上消费量最大的食用油，生产效率高且富含维生素E(生育酚和生育三烯酚)，较豆油、菜籽油等植物油具有更好的氧化稳定性，价格也相对低廉[7]，但其尚未被应用于钙软胶囊生产。因此本研究采用棕榈油部分替代大豆油，利用单因素试验和响应面法优化钙软胶囊的内容物配比，以期在保质保量的前提下降低生产成本，提高产品的竞争力。

1 实验部分

1.1 实验仪器

AL-104型电子分析天平(上海梅特勒-托利多仪器有限公司)；电热恒温水浴锅(上海跃进医疗器械)；BPH-9082型精密恒温培养箱(上海一恒科学仪器有限公司)。

1.2 实验试剂

棕榈油(大马棕榈油技术研发(上海)有限公司)；大豆油、玉米油、葵花籽油(金龙鱼，南昌家乐福超市)；蜂蜡、碳酸钙粉(南昌同心紫巢公司)；维生素D3(纯度≥98.0%，阿拉丁试剂公司)；单硬脂酸铝、单硬脂酸甘油酯(上海源叶生物科技有限公司)。

5.66×10-3g·mL-1维生素D3油液配制：分别称取0.007 1 g维生素D3溶于不同种类的油性基质(1.25 mL)中，溶解并混匀，得到5.66×10-3g·mL-1维生素D3油溶液，备用。

1.3 实验方法

1.3.1 沉降体积比

内容物的物理稳定性是评价软胶囊的重要指标，而沉降体积比直接反映了内容物的稳定性[8]。将制好的内容物混悬液置于具塞试管中，记下初始高度H0，于精密恒温培养箱中25 ℃静置3天，观察是否有沉降，记下沉降面的最终高度H1，根据公式(1)计算沉降体积比F，以此考察混悬液的稳定性[9-11]。F值越接近1，说明内容物越稳定。

F(%)=H1/H0

(1)

1.3.2 流动性

室温下，将配好的混悬液垂直通过同一根10 mL移液管，下方接10 mL管子，当内容物料液从移液管中流出时开始计时，待所得料液体积为5 mL时停止计时。计算内容物每分钟的流量[12]。

以沉降体积比(60%)、流动性(40%)为考察指标，根据公式(2)计算综合评分[10]。

综合评分=流速÷最大流速×0.4×100+沉降体积比÷最大沉降体积比×0.6×100

(2)

式中，最大流速和最大沉降体积比分别指实验组中流速和沉降体积比的最大值。

1.3.3 单因素试验

1.3.3.1 基质选择

分散介质可使包合物均匀地分布在其中，保证制剂的含量准确和质量稳定[13]。将碳酸钙粉分别与大豆油、玉米油、葵花籽油、不同熔点的棕榈油(5 ℃、18 ℃和28 ℃)按1:0.6(w/w)的比例混合，加入一定体积的5.66×10-3g·mL-1维生素D3油液，充分搅拌至混合均匀，按1.3.1和1.3.2项比较六种分散介质对软胶囊混悬液物理性质的影响，并计算综合得分，从而筛选出分散介质。

1.3.3.2 棕榈油和大豆油用量比例选择

固定碳酸钙粉与内容物基质的用量比为1:0.6(w/w)，分别采用棕榈油用量百分比(0%，20%，40%，60%，80%和100%)和大豆油复配，再加入一定体积的5.66×10-3g·mL-1维生素D3油液，充分搅拌至混合均匀，比较混悬液的沉降体积比和流动性。计算综合得分，确定大豆油和5 ℃棕榈油间适宜的复配比。

1.3.3.3 固液比选择

固定大豆油和5 ℃棕榈油的复配比，分别称取碳酸钙粉和分散介质的不同用量比(1:0.4，1:0.5，1:0.6，1:0.7，1:0.8，1:0.9和1:10)，加入一定体积的维生素D3油溶液，充分搅拌至混合均匀，比较混悬液的沉降体积比和流动性。计算综合得分确定碳酸钙与分散剂的用量比。

1.3.3.4 助悬剂类型及用量选择

适宜的助悬剂是防止软胶囊内容物不均匀，保持其长时间稳定的关键[14-15]。分别固定大豆油和5 ℃棕榈油的复配比、碳酸钙粉和基质的用量比，以蜂蜡、单硬脂酸铝、单硬脂酸甘油酯作为助悬剂。李喜香[10]、汤建成[16]等研究表明蜂蜡的方式宜先与基质熔融、冷却，混合均匀后与其他物料混合才具有很好的助悬效果。李亚新等[17]对蜂蜡的热熔温度进行了筛选，最佳温度为75 ℃。根据参考文献和助悬剂的用量，实验中将蜂蜡与大豆油和5 ℃棕榈油在70 ℃水浴熔融。将一定体积的维生素D3油液，占基质不同用量百分数的助悬剂分别加入分散介质中，水浴加热熔融后自然冷却至30 ℃左右[18]，再加入碳酸钙粉，充分搅拌均匀，比较混悬液的沉降体积比和流动性。计算综合得分，筛选助悬剂类型并确定其用量。

1.3.4 数据处理

1.3.5 配方的响应面法优化

根据Box-Behnken试验设计原理[19]，在单因素试验基础上，选取熔点5 ℃棕榈油用量百分比(A)、固液比(B)和蜂蜡用量(C)三个因素，以综合评分为响应值，采用三因素三水平的响应面分析方法获得最优的配方参数，试验因素与水平设计如表1所示：

表1 试验因素水平及编码

2 实验结果

2.1 基质选择

以综合评分为纵坐标，分析大豆油、不同熔点的棕榈油(5 ℃，18 ℃，28 ℃)、玉米油和葵花籽油对软胶囊内容物品质的影响。如图1所示，以大豆油和5 ℃棕榈油作为基质，内容物的综合评分较高，评分均为97分左右，且两者间的差异不显著(P<0.05)，即大豆油和5 ℃棕榈油作为分散介质的效果优于另外四种油。因此，后续采用大豆油和5 ℃棕榈油复配进行基质筛选。

2.2 棕榈油和大豆油复配比选择

由图2可知，当5 ℃棕榈油质量百分比从0%逐渐增加至100%时，混悬液的综合评分呈先增后降趋势，且在60%时评分最高，说明在此条件下混悬液的流动性和沉降体积比均达到较好的水平。因此，选择40%大豆油和60% 5 ℃棕榈油复配作为内容物基质进行后续研究。

2.3 固液比选择

对于固体药物，油量多，触变值低，流动性好，但易泄露；油少稳定性好，但流动性差，压丸困难[20]。经实验可知，当固液比为1:0.4时，混悬液流动性不好，常出现断层现象而不能连续成线流下；表2表明，在碳酸钙粉用量一定的情况下，内容物的流速随着分散介质用量的增加而增加，但是沉降体积比值则在逐渐减小，稳定性在下降，不利于软胶囊产品质量。综合考虑两个指标和生产成本，选1:0.6进行后续实验。

表2 固液比对混悬液稳定性和流动性的影响

2.4 助悬剂类型及用量选择

适量的助悬剂可以提高药液的均匀性，防止药液成囊前沉降分层，保证各剂量的准确性[20]。从表3可看出，加入助悬剂对提高混悬液的稳定性有明显的效果。相同的助悬效果下，单硬脂酸甘油酯用量最少，但流动性最差，不利于灌装；蜂蜡略优于单硬脂酸铝，且后者熔点较高(155 ℃)，考虑生产中的耗能、安全等问题，选择蜂蜡作助悬剂。

图3表明，在一定范围内，随着蜂蜡用量的增加，以沉降体积比和流动性计算所得的综合评分也增加。当蜂蜡用量大于3%时，综合评分开始降低，这是因为蜂蜡作为助悬剂，用量增大，混悬液的沉降趋势平缓的同时粘度也相应地增大，导致流动性下降，兼顾软胶囊实际生产中对内容物的稳定性和流动性的要求，蜂蜡的用量为分散介质的2%～3%(w/w)。

表3 助悬剂类型及用量对混悬液性质的影响

2.5 响应面法优化维生素D钙软胶囊配方

采用Design-Expert 10.0.4软件进行数据处理，Box-Behnken的三因素三水平的取值和实验结果如表4所示，共17次实验，其中析因实验12次，中心组合实验重复5次。

通过对表4的数据进行回归分析，以综合评分为响应值(Y)，得到5 ℃棕榈油用量百分比(A)、固液比(B)、蜂蜡添加量(C)的二次多项回归方程为：

Y=95.57+0.17A+8.78B-0.41C-1.26AB-0.83AC+1.21BC-4.21A2-5.53B2-8.15C2

回归分析得到的相关回归系数及各因素对综合得分影响的回归模型如表5所示。

由表5可知，实验中模型的P<0.000 1，说明回归方程描述响应值与各因子之间的关系时，模型应变量与全体自变量之间的线性关系极显著，此试验方法是可靠的。决定系数R2=0.982 9，说明只有1.71%响应值的变化不能由该模型解释，与实际试验拟合良好，失拟项不显著，说明方程对实验的拟合程度较好，该模型可代替真实试验点对不同条件下综合评分结果进行预测和分析。由表中的显著性及F值可知，一次项B、二次项A2、B2和C2的影响极显著，交互项影响不显著，各因素影响内容物的主次顺序为B>C>A。

表4 Box-Behnken实验设计及结果

表5 回归方程的方差分析

图4～6反映了5 ℃棕榈油用量百分比、固液比和蜂蜡用量3个因素两两交互作用对混悬液综合评分的影响，响应面曲线越陡表明该因素对响应值的影响越大[21]，等高线的形状越接近椭圆则表明交互作用越强[22]。由图可知各因素的交互作用对综合评分都有一定的影响，固液比对应的曲线最陡，助悬剂用量次之，5 ℃棕榈油用量百分比相对平缓，说明固液比对综合评分的影响最大，与表5的分析结果相吻合。根据模拟得最佳参数：分散剂中5 ℃棕榈油用量为57.90%，碳酸钙粉末与分散剂之比为1.95:1，蜂蜡用量为3.04%，预测综合得分为99.12分。考虑到实际实验条件，将工艺参数修改为分散剂中5 ℃棕榈油用量为58%，碳酸钙粉末与分散剂的比为2:1，蜂蜡用量为基质的3%。

在上述最佳条件下进行3次重复性实验，所得平均综合评分为98.51，相对误差均小于0.77%，实际值接近于预测值，表明各因素对综合得分的影响可以通过回归方程得到较好的响应。

3 结论

研究采用5 ℃棕榈油部分代替大豆油作钙软胶囊内容物的基质，既提高了内容物的稳定性，增加油性基质的组成和种类，又在一定程度上降低了经济成本。钙软胶囊的内容物以沉降体积比和流动性为指标，通过单因素和响应面法优选最佳配方，结果显示，基质为58%熔点5 ℃棕榈油和42%大豆油，钙油质量比为2:1，蜂蜡用量为基质的3%，维生素D3用量控制在成人允许用量范围内，得到的内容物稳定性合格，流动性良好，符合生产灌装要求。