基于质量源于设计理念的麦门冬汤提取液喷雾干燥工艺研究

陈江平，梁志毅，施文婷，陈丹燕，莫秋怡，刘燎原

（广东一方制药有限公司/广东省中药配方颗粒企业重点实验室，广东佛山528244）

人用药品注册技术要求国际协调会（ICH）于2005 年在ICH Q8 指南中定义了制药质量源于设计（quality by design，QbD）：“一套系统的、从预先确定目标出发，基于充分的科学知识和质量风险管理的研发方法，强调对产品和工艺的理解以及工艺控制”[1-2]。QbD 理念已逐渐成为国际上药品质量管理的理念，强调构建关键质量属性（critical quality attributes，CQA）和关键工艺参数（critical process parameters，CPP）之间的数学模型，解释制药质量传递规律，并建立制剂生产工艺的设计空间，从而把控产品质量[3-7]。中药制剂常用的干燥方式有喷雾干燥、减压干燥、常压干燥、真空带式干燥等，其中，喷雾干燥相对其他干燥方式具有产品含水量低、流动性好、粉末均一性好、得粉率高等优点，已广泛应用于食品、化工、医药等领域，是中药提取液的首选干燥方式[4,8-10]。然而，在喷雾干燥过程中，浓缩液的相对密度、温度、成分，喷雾塔的进风温度、进料速度、雾化压力，以及喷雾干燥操作的环境湿度等众多因素均会对喷雾干燥效果产生重要影响，使得产品质量难以控制[4,10-11]。

麦门冬汤属国家中医药管理局2018年4月13日发布的《古代经典名方目录（第一批）》，该方始载于汉代“医圣”张仲景所著《金匮要略》：“大逆上气，咽喉不利，止逆下气者，麦门冬汤主之。麦门冬七升，半夏一升，人参二两，甘草二两，粳米三合，大枣十二枚，上六味，以水一斗二升，煮取六升，温服一升，日三夜一服”[12]，具有滋养肺胃、降逆下气的功能，主治肺阴不足证和胃阴不足证[13]。现代药理临床应用研究表明，麦门冬汤常用于治疗慢性支气管炎、支气管扩张症、肺结核、慢性肺纤维化、慢性咽喉炎、胃及十二指肠溃疡、慢性胃炎等[14-17]，疗效显著[18]。

目前，未见有关麦门冬汤制剂研究的报道。本研究以麦门冬汤提取浓缩液为模型，以QbD 理念为指导，采用Plackeet-Burmann 实验设计（PBD），从众多影响因素中筛选喷雾干燥关键工艺参数，并用中心点复合设计（central composite design，CCD）实验对关键工艺参数进行优化，建立麦门冬汤提取液喷雾干燥工艺的数学模型和设计空间，为其相关制剂的进一步开发提供依据。

1 仪器与试药

1.1 仪器

B-290喷雾干燥仪（瑞士Buchi公司）；SHC-Ⅰ磁力搅拌器[国力天（深圳）科技有限公司]；DH40EH除湿机（珠海格力电器股份有限公司）；ME203E/02 千分之一天平、ME204E/02 万分之一天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；DHG-9146A 电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；密度计（河北省河间市故仙粤兴玻璃仪表厂）。

1.2 试药

麦冬、人参、甘草、半夏、大枣、粳米的样品信息见表1，经广东一方制药有限公司魏梅主任药师鉴定，均符合2020 年版《中国药典》一部相关项下要求，样品存放于广东一方制药有限公司。

表1 样品信息表Table 1 Information of samples

2 方法与结果

2.1 麦门冬汤提取浓缩液的制备

参照《方剂学》（下册）的处方剂量[13]，以及原国家卫生部和中医药管理局颁发的《医疗机构中药煎药室管理规范》的煎煮要求[19]，称取麦门冬汤处方饮片共5 kg，加水煎煮2次，第1次煎煮加饮片量10 倍水，浸泡30 min，加热煎煮60 min，第2 次煎煮加饮片量8倍水，加热煎煮45 min，合并2次滤液，减压浓缩（65 ℃）至相对密度为1.12（65 ℃）的浓缩液样品，保存备用。

2.2 评价指标及计算[4]

喷雾干燥期望的最优结果是合格浸膏粉（由收集瓶收集的浸膏粉）得粉率越高越好，含水量越低越好，因此以合格浸膏粉得粉率和含水量2 个指标进行评价。

2.2.1 浸膏粉得粉率计算 每组试验取含固量为40 g的浓缩液，置于磁力搅拌器上，按各试验组要求调节所需工艺参数，喷雾干燥结束后，在相对湿度为40%以下的环境中收集浸膏粉，按公式“浸膏粉得粉率=收集瓶浸膏粉收得量/浓缩液含固量”计算浸膏粉得粉率（Y1）。

2.2.2 浸膏粉含水量测定 照水分测定法（2020年版《中国药典》四部通则0832）项下的第二法测定[20]浸膏粉含水量（Y2）。

2.3 数据处理

采用文献报道的“归一化法”，采用Hassan 法[21]分别对各指标进行数学转换求“归一值”，对于取值越大越好的指标，归一值计算公式为：di=(Yi-Ymin)/(Ymax-Ymin)；对于取值越小越好的指标，归一值计算公式为：di=(Ymax-Yi)/(Ymax-Ymin)；计算出各指标di值后，对各指标“归一值”进行处理，得总评“归一值”（OD），计算公式为[22]：OD=（d1×d2…dn）1/n。其中，n为指标个数。

2.4 Plackeet-Burmann实验筛选关键工艺参数

Plackeet-Burmann 实验设计可通过较少的试验从众多影响因素中快速、准确、高效地筛选出显著因素，避免在后期的优化试验中由于一些因素不显著而浪费资源[23-24]。经查阅文献[4,10,25]和前期预实验，采用Plackeet-Burmann 实验设计将药液相对密度（A）、进料速度（B）、进风温度（C）、药液温度（D）和雾化压力（E）5个工艺控制点作为CPPs，以浸膏粉得粉率（Y1）和含水量（Y2）作为CQAs，采用Minitab16.0软件设计实验，实验设计及结果见表2、表3。

对Plackeet-Burmann 实验结果进行方差分析，结果见表4。可见，药液相对密度（A）和进料速度（B）对OD 值的影响有统计学意义（P＜0.05），即药液相对密度（A）和进料速度（B）为麦门冬汤提取液喷雾干燥工艺的CPPs；而其他3 个因素对OD 值的影响无统计学意义，在平常的实验中这3 个因素有常用的参数范围：进风温度一般为155～195 ℃，药液温度一般为20～60 ℃，雾化压力一般为0.3～0.5 MPa。

2.5 中心点复合设计实验优化关键工艺参数

中心点复合设计实验是一种基于五水平的二阶试验设计法，可以评价指标和因素间的非线性关系，尤其是各因素之间的交互作用，实验次数少，实验效果理想[26]。基于Plackeet-Burmann 实验结果，采用中心点复合设计实验对药液相对密度（A）和进料速度（B）进行工艺优化。根据生产经验，固定其他3个因素的水平分别为进风温度185 ℃，药液温度25 ℃，雾化压力0.5 MPa。采用Design Expert 8.0 软件设计实验，实验设计及结果见表5、表6。

表2 Plackeet-Burmann实验设计因素水平表Table 2 The factors and levels of Plackeet-Burmann experimental design

表3 Plackeet-Burmann实验结果Table 3 Results of Plackeet-Burmann experiment

表4 Plackeet-Burmann实验的方差分析结果Table 4 Variance analysis results of Plackeet-Burmann experiment

根据表6 的数据，采用Design Expert 8.0 软件分别对2 个CQA（Y1，Y2）及相应CPP（A，B）分别进行拟合，Y1和Y2的回归方程见表7，相应的方差分析见表8。Y1和Y2与药液相对密度（A）、进料速度（B）的响应面图和等高线图如图1、图2。

由表8可知，Y1和Y2的P值分别为0.000 2、0.009 1，均小于0.05，表明模型均成立；模型决定系数分别为0.949 8、0.846 4，表明模型拟合程度较好；模型失拟项均大于0.05，表明无失拟因素存在；模型精密度均大于4，表明模型精密度较理想；响应值Y1和Y2的实际值与预测值之间有较好的拟合度，表明该模型可用来预测麦门冬汤提取液的浸膏粉得粉率和含水量的实际情况。

对于Y1而言，药液相对密度（A）的P值小于0.05，进料速度（B）的P值大于0.05，说明因素A 对浸膏粉得粉率Y1有显著影响，因素B 对Y1无显著影响；AB 的P值大于0.05，说明AB 的交互作用对Y1影响不显著。对于Y2而言，药液相对密度（A）和进料速度（B）的P值均小于0.05，说明因素A 和B 对浸膏粉含水量均有显著影响，AB 的P值大于0.05，说明AB的交互作用对Y2影响不显著。

由图1、图2可知，进料速度在一定范围时，药液相对密度越低，得粉率越高；药液相对密度在一定范围时，进料速度越低，含水量越低。

表5 中心点复合设计实验设计因素水平表Table 5 The factors and levels of central composite design experimental design

表6 中心点复合设计实验结果Table 6 Experimental results of central composite design（α=1.414）

表7 二次回归模型Table 7 Quadratic regression model

表8 方差分析及拟合优度分析Table 8 Analysis of variance and goodness of fi

图1 得粉率响应面图与等高线图Figure 1 The response surface and contour plot of powder yield

图2 含水量响应面图与等高线图Figure 2 The response surface and contour plot of moisture content

2.6 设计空间建立

在设定的参数空间内搜索同时满足2 个目标（得粉率＞60%，水分＜5%）的所有因素组合，即构成设计空间，但由于模型的预测值与真实值之间存在一定差异，所以设计空间的边界具有不确定性[27]。为了应对设计空间边界的不确定性，在定义设计空间时可加入置信水平α=0.05 的置信区间，将设计空间优化，结果用Overlay polt展示，如图3。

图3中亮黄色区域为加入95%置信区间后的设计空间，在此设计空间所有的点都符合工艺目标的期望值，浅黄色区域为原设计空间内不可靠的部分，在此空间的所有点有5%的概率无法满足工艺目标。因设计空间并不规则，不便对二者进行严格控制，为了便于操作，推荐的操作空间范围药液相对密度为1.04～1.05，进料速度为28%～32%。

2.7 验证实验

图3 加入95%置信区间的喷雾干燥工艺设计空间Figure 3 Spray drying process design space with 95%confidence interval

选取5个新的实验点进行验证实验，以检验所建模型的预测能力。实验点过程参数及结果见表9。对表9中浸膏粉得粉率和含水量的实测值与预测值进行独立样品t检验比较，结果见表10。可见，显著性均大于0.05，表明实测值与预测值差异无统计学意义，2个模型均具有较好的预测性。

表9 验证实验结果Table 9 The results of verification test

表10 预测值与实测值独立样品均值比较Table 10 Comparison of independent sample mean values between predicted and measured values

3 讨论

本研究基于QbD 理念，运用“设计空间”的方法优化麦门冬汤提取液喷雾干燥工艺，设计空间是能保证工艺品质的关键物料属性和工艺参数的范围组合，在设计空间范围内的工艺参数变化不影响药品质量，设计空间的意义在于增加工艺参数设置的灵活性，减少不必要的监管[28]。研究过程中采用PBD 和CCD 实验设计优选出了药液相对密度和进料速度2 个关键工艺参数（CPPs），得到了麦门冬汤提取液喷雾干燥工艺的设计空间，并进行了验证，验证结果表明工艺参数在该设计空间内能保证麦门冬汤提取液喷雾干燥过程和产品质量的稳定。相比固定工艺参数，设计空间的建立使得工艺操作变得更加灵活，特别是在加入95%置信区间后，设计空间的稳定性和可靠性得到提高，有效降低了产品质量的可变性。

QbD 理念是当前国际药品质控水平的先进理念，将其运用于中药制剂工艺的研发，有助于增加对产品特性的全面了解和对生产过程的可靠控制。运用科学的试验方法构建设计空间，可提升产品质量的稳定性和均一性，有利于提高中药制剂的整体质量水平。