基于质量源于设计理念和信息熵赋值法优化陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺

施文婷 刘远俊 张兰兰 林荣楷 刘权震 黄森 刘燎原

陈皮配方颗粒是由陈皮饮片经水提、分离、浓缩、干燥、制粒而成,具有药效好、免煎煮、服用方便等优势,临床应用广泛。质量源于设计(quality by design,QbD)是一种系统性研究方法,是通过试验设计来评价关键质量属性和关键工艺参数间的关系模型。在多响应变量下,通过构建设计空间来确定最佳工艺参数范围,从而建立稳定可靠的生产工艺,最终保障产品质量[1-3]。中药制剂工艺包括饮片炮制、提取、浓缩、干燥、制剂成型等环节,各工艺单元对中间体及制剂成品均会产生影响。基于质量源于设计理念对全过程进行风险防控,可以明确工艺参数与质量指标的关系,进一步确定关键工艺的评价指标。识别关键质量属性和关键工艺参数是建立中药制剂设计空间的前提,在保证中间体和成品质量的稳定传递中发挥重要作用[4]。

本试验基于质量源于设计理念对陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺展开研究,结合信息熵赋值法以得粉率、芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素和橘皮素含量作为关键质量属性,通过Plackett-Burman试验设计筛选关键工艺参数,中心点复合设计优化关键工艺参数,建立陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺的数学模型和设计空间,并进行工艺验证,为该制剂的生产及过程质量控制提供参考依据。

1 仪器与试药

1.1 实验仪器

Waters H-Class型超高效液相色谱仪(美国Waters公司);XP26型百万分之一天平、ME204E型万分之一天平(瑞士METTLER TOLEDO公司);Milli-Q Direct型超纯水系统(德国Merck公司);B-290型喷雾干燥仪(瑞士BUCHI有限公司);KQ-500DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);JJ2000B型百分之一天平(常熟市双杰测试仪器厂);TC-15型套式恒温器(海宁市新华医疗器械厂);YRE-501型旋转蒸发仪(巩义市予华仪器有限责任公司);DLSB-5/20型低温冷却液循环水泵(郑州长城科工贸有限公司);DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏试验设备有限公司)。

1.2 试药

橙皮苷(批号:110721-202019,纯度95.3%)对照品购自中国食品药品检定研究院;芸香柚皮苷(批号:wkq19041908,纯度≥98%)、川陈皮素(批号:wkq20031701,纯度≥98%)对照品购自四川省维克奇生物科技有限公司;橘皮素(批号:151021,纯度≥98%)对照品购自成都普菲德生物技术有限公司;甲醇、乙腈为色谱纯(德国Merck公司),冰醋酸为色谱纯(天津市科密欧化学试剂有限公司),水为超纯水,其余试剂均为分析纯。

陈皮药材(批号:YL2103011)经广东一方制药有限公司孙冬梅主任中药师鉴定为芸香科植物橘CitrusreticulataBlanco的干燥成熟果皮。

2 方法与结果

2.1 陈皮清膏的制备

依据《中药配方颗粒质量控制与标准制定技术要求》的相关规定[5],确定陈皮清膏的制备方法为:取陈皮饮片适量,加水煎煮两次,第一次加9倍量的水,浸泡30分钟,加热煎煮30分钟,用350目筛趁热过滤;第二次加6倍量的水,加热煎煮25分钟,用350目筛趁热过滤,合并两次滤液,减压浓缩至相对密度为1.12(70℃)的清膏样品,保存备用。

2.2 浸膏粉得粉率计算

每组试验取一定含固量的陈皮清膏,置于磁力搅拌器上,按各试验组要求设定所需工艺参数,在相对湿度为40%以下的环境中收集浸膏粉,计算每组试验得粉率,计算公式为:浸膏粉得粉率(%)=浸膏粉量/清膏含固量×100%。

2.3 指标成分含量测定

2.3.1 色谱条件[6]色谱柱:Acclaim RSLC 120 C18(100 mm×2.1 mm,2.2 μm);流动相:乙腈(A)-0.5%冰醋酸溶液(B)梯度洗脱(0～15分钟,13%→20% A;15～25分钟,20%→34% A;25～44分钟,34%→42% A;44～45分钟,42%→13% A;45～50分钟,13% A);流速:0.40 mL/min;柱温:25℃;检测波长:283 nm;进样量:1.0 μL。

2.3.2 对照品溶液的制备 精密称取芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素和橘皮素对照品适量,置5 mL量瓶中,加甲醇至刻度,摇匀,制成质量浓度分别为61.3520、300.1625、150.9600、100.2860 μg/mL的混合对照品溶液。

2.3.3 供试品溶液的制备 取陈皮浸膏粉约0.2 g,精密称定,置具塞锥形瓶中,精密加入甲醇50 mL,称定重量,超声处理(功率300 W,频率40 kHz)30分钟,放冷,再称定重量,用甲醇补足减失的重量,摇匀,滤过,取续滤液,即得。

2.4 方法学考察

2.4.1 专属性试验 分别精密吸取空白溶剂、混合对照品溶液及供试品溶液,照“2.3.1”项下色谱条件进样测定,如图1所示,供试品溶液色谱在与对照品溶液色谱相应的保留时间处有相同的色谱峰,且空白溶剂无干扰,表明该方法专属性良好。

注:峰1:芸香柚皮苷;峰2:橙皮苷;峰3:川陈皮素;峰4:橘皮素;A:空白溶剂;B:混合对照品溶液;C:供试品溶液。

2.4.2 线性关系考察 分别精密吸取“2.3.2”项下混合对照品溶液,加甲醇稀释制成系列浓度的混合对照品溶液,按“2.3.1”项下色谱条件进样测定,记录色谱图。以对照品质量浓度(μg/mL)为横坐标(X),以峰面积为纵坐标(Y),绘制标准曲线,进行线性回归,得到各待测组分的回归方程及线性范围见表1。结果表明各成分在相应的浓度范围内与峰面积的线性关系良好。

表1 线性关系考察结果(n=7)

2.4.3 精密度试验 精密吸取“2.3.2”项下混合对照品溶液,按“2.3.1”项下色谱条件连续进样6次,计算芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素、橘皮素色谱峰峰面积的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)均小于3%,表明仪器精密度良好。

2.4.4 重复性试验 取同一份陈皮浸膏粉,按“2.3.3”项下方法平行制备6份供试品溶液,按“2.3.1”项下色谱条件进样测定。计算芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素和橘皮素含量的RSD均小于3%,表明该方法重复性良好。

2.4.5 稳定性试验 精密吸取“2.3.3”项下供试品溶液,按“2.3.1”项下色谱条件分别在0、2、4、6、8、12、24小时进样测定,计算芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素和橘皮素色谱峰峰面积的RSD均小于3%,表明供试品溶液在24小时内稳定性良好。

2.4.6 加样回收率试验 取已知含量的陈皮浸膏粉适量,精密称取9份,每份约0.1 g,置具塞锥形瓶中,分为3组,每组分别按高、中、低浓度精密加入混合对照品溶液。按“2.3.3”项下方法制备供试品溶液,按“2.3.1”项下色谱条件进样测定,记录峰面积,计算加样回收率及RSD,见表2。结果表明芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素、橘皮素的平均加样回收率分别为99.80%、98.05%、98.93%、96.64%,RSD分别为2.82%、1.70%、2.89%、2.26%,均小于3%。表明该方法准确度良好。

表2 加样回收率试验结果(n=9)

2.5 数据处理

(1)数据标准化[7]:针对定量指标数据,考虑到数量级不同,因此要对指标进行无量纲化处理。本研究采用Hassan法分别对各指标进行数学转换求“归一值”,计算公式为:

Yij=(xij-min{xij})/(max{xij}-min{xij})

(2)对标准化数据进行归一化:即计算第j项指标下第i项评价项目指标值所占的比重(fij),计算公式为:

(3)计算各指标的信息熵:根据信息论中信息熵(Ej)的定义,计算公式为:

当fij=0,考虑到lnfij无意义,因此,对fij的计算进行修正,将其定义为

(4)计算各指标的熵权系数:根据Ej的计算公式,计算出各个指标的Ej为E1,E2,…,Em。通过Ej计算各指标的权重:

2.6 陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺优化

2.6.1 关键质量属性和关键工艺参数的确定 2020年版《中国药典》采用橙皮苷作为陈皮的含量测定成分[8];已出台的陈皮配方颗粒国家标准亦采用橙皮苷作为含量测定成分,同时特征图谱中以芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素、橘皮素作为其特征峰[6]。现代药理研究表明,芸香柚皮苷具有抗炎、抗氧化的作用[9];橙皮苷具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫力、保护心血管系统等作用[10];川陈皮素具有抗肿瘤、抗炎、改善记忆、抗氧化、影响血管平滑肌等多种生物活性[11];橘皮素具有抗肿瘤的作用[12]。浸膏粉的得粉率直接影响生产产量,因此将得粉率和芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素、橘皮素的含量作为陈皮喷雾干燥工艺的关键质量属性。采用鱼骨图进行关键工艺参数的初步筛选,结果见图2。影响综合评分的因素类别主要有设备、药液、环境、工艺参数4大类,上述因素可再细化分类为9个影响因素。根据前期研究经验及文献分析[13-15],可确定药液相对密度、药液温度、进料速度、进风温度和雾化压力为影响喷雾干燥工艺的关键因素。

图2 陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺参数筛选鱼骨图

2.6.2 Plackett-Burman试验筛选关键工艺参数 Plackett-Burman试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,为进一步工艺优化研究提供支持[13]。采用Plackett-Burman试验设计将药液相对密度(A)、药液温度(B)、进料速度(C)、进风温度(D)和雾化压力(E)5个工艺控制点作为关键工艺参数,以得粉率(Y1)和芸香柚皮苷(Y2)、橙皮苷(Y3)、川陈皮素(Y4)、橘皮素(Y5)的含量作为关键质量属性,采用Minitab 16.0软件设计试验。由信息熵赋值法计算得到得粉率(Y1)、芸香柚皮苷(Y2)、橙皮苷(Y3)、川陈皮素(Y4)、橘皮素(Y5)的权重分别是0.148、0.151、0.075、0.379、0.241,按综合评分(OD)=0.148×Y1+0.151×Y2+0.075×Y3+0.379×Y4+0.241×Y5,计算各组试验的综合评分,试验设计及结果见表3、表4。

表3 Plackett-Burman试验设计因素水平表

表4 Plackett-Burman试验结果

对Plackett-Burman试验结果进行方差分析,结果见表5,可知药液相对密度(A)和进料速度(C)对OD值有显著影响(P<0.05),其它三个因素对OD值无显著影响,即药液相对密度(A)和进料速度(C)为陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺的关键工艺参数。

表5 Plackett-Burman试验的方差分析结果

2.6.3 中心点复合设计试验优化关键工艺参数 中心点复合设计是一类用于拟合响应曲面的设计方法,与传统设计方法相比,该设计可以明显减少试验次数,提高试验预测精准度,降低试验的成本[16]。基于Plackett-Burman试验结果,采用中心点复合设计试验对药液相对密度(A)和进料速度(C)进行工艺优化。根据生产经验,固定其它3个因素的水平分别为进风温度170℃,药液温度50℃,雾化压力0.5 Mpa。采用Design Expert 8.0软件设计试验,由信息熵赋值法计算得到得粉率(Y1)、芸香柚皮苷(Y2)、橙皮苷(Y3)、川陈皮素(Y4)、橘皮素(Y5)的权重分别是0.217、0.267、0.185、0.161、0.170,按综合评分(OD)=0.217×Y1+0.267×Y2+0.185×Y3+0.161 ×Y4+0.170×Y5,计算各组试验的综合评分,试验设计及结果见表6、表7。

表6 中心点复合设计试验设计因素水平表

表7 中心点复合设计试验结果

根据表7的数据,采用Design Expert 8.0软件分别对5个关键质量属性(Y1～Y5)及相应关键工艺参数(A、C)分别进行拟合,OD的回归方程为:OD=0.61-0.17A-0.069C+0.04AC-0.00246A2-0.05C2,相应的方差分析见表8。OD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3。

表8 方差分析及拟合优度分析

图3 药液相对密度和进料速度对OD值响应面图与等高线图

由表8可知,OD模型的P值为0.0002,小于0.05,模型成立;模型决定系数为0.9502,模型拟合程度较好;模型失拟项P值为0.1201>0.05,无失拟因素存在;模型精密度为15.382>4,模型精密度较理想;说明响应值OD的实际值与预测值之间有较好的拟合度,该模型可用来预测陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺的实际情况。药液相对密度(A)、进料速度(C)的P值均<0.05,说明药液相对密度和进料速度对陈皮配方颗粒浸膏粉的OD值均有显著影响;AC的P值>0.05,说明AC的交互作用对OD值影响不显著;C2的P值<0.05,表明进料速度对OD值的影响十分显著。由图3可知,进料速度在一定范围内,药液相对密度越低,OD值越高;药液相对密度在一定范围内,进料速度越低,OD值越低。

2.7 设计空间建立

在设定的参数空间内搜索满足OD值大于0.7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。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4。图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;暗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18%～32%。

图4 加入95%置信区间的喷雾干燥工艺设计空间

2.8 验证试验

选取6个试验点进行验证试验,用来检验所建模型的预测能力。试验点过程参数及结果见表9。1号、2号和3号为95%置信区间内的点(图4亮黄色区域),4号、5号和6号为95%置信区间外的点(图4暗黄色区域)。对表9中OD值的实测值与预测值进行独立样品t检验比较,显著性均大于0.05,实测值与预测值无显著差异,说明设计空间具有较好的预测性。

表9 验证实验结果

3 结论

长期以来,中药制剂质量依靠终端检验而非过程控制,忽略了对原料质量属性和生产工艺过程的理解,无法预测生产过程中可能发生的问题,多数情况下仅依靠经验判断,难以保证产品质量稳定可控。与传统的质量源于检验(quality by testing,QbT)理念相比,质量源于设计将质量控制重心移至原料控制和制药过程控制,制订有针对性的策略,使产品质量始终介于可接受范围内,适用于中药生产,有利于药品质量的风险管理和持续改进[4]。

本研究将质量源于设计理念应用于陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺优化实验中,采用Plackett-Burman试验设计和中心点复合设计试验设计优选出药液相对密度和进料速度两个关键工艺参数,建立喷雾干燥工艺的设计空间,并进行验证,验证结果表明工艺参数在该设计空间内能保证陈皮配方颗粒喷雾干燥过程和产品质量的稳定。同时采用信息熵赋值法计算各关键质量属性的权重,使综合评分结果更科学、合理,避免了主观因素对试验结果造成误差。将质量源于设计理念运用于中药制剂工艺的研发,同时采用科学的试验方法构建设计空间,可提升中药配方颗粒质量的稳定性,有利于提高中药配方颗粒的整体质量水平。