肠道作为人体重要的消化和吸收器官,是食物消化与营养吸收的重要场所。随着人们对健康管理重视程度的日益提高以及对药品、食品活性成分的深入了解,肠道靶向递送成为当前医药与功能食品领域的研究热点。传统肠溶滴丸主要以明胶作为囊材,可能存在动物源性、易受温度影响等缺陷[1],而以天然植物胶为基础的植物肠溶滴丸能很好地解决上述问题,且具有优异的生物降解性与生物相容性[2],在开发与设计肠道靶向递送系统中具有显著优势。
海藻酸钠作为大分子多糖,具有良好的增稠和持水能力[3],对胃部酸性环境具有耐受性,而在肠道碱性环境下能够发生溶胀并释放内部物质,这种pH响应特性使其成为制备肠溶滴丸的理想材料[4]。例如,王江等[5]采用海藻酸钠与鬼臼毒素制备凝胶珠,在pH为7.4的环境中溶胀,实现了肠道靶向释放的效果。Postolovic等[6]以κ-卡拉胶、海藻酸钠等制备负载姜黄素的微珠,可在小肠段达到81.93%的释放率。李嘉颖[7]用海藻酸钠和κ-卡拉胶复配制得凝胶珠,在模拟肠液中溶胀度高达25倍以上。上述研究多聚焦于溶胀率与释放率等方面,忽视了对肠溶滴丸机械性能和稳定性等关键性能的系统研究以及它们相互间的正交关系。实际上,机械性能和稳定性对于肠溶滴丸在实际生产、储存、运输及使用过程中的质量保障与效果起着至关重要的作用。
植物滴丸配方通常主要由成膜剂和凝胶剂组成。其中,成膜剂是在植物软胶囊中能够形成连续薄膜的聚合物。普鲁兰多糖是一种具有良好成膜性和生物相容性的天然高分子聚合物,是制备植物胶囊的理想成膜剂。特别地,当在普鲁兰多糖系统中额外添加甘油等增塑剂时,可进一步改善其脆性和易碎性[8]。凝胶剂可通过氢键作用促使多糖分子形成空间网状节点,以提升滴丸的稳定性。κ-卡拉胶作为常用凝胶剂,其独特的结构允许分子间产生静电相互作用和氢键作用,使κ-卡拉胶在聚合物体系中表现出较高的拉伸强度,从而提高复合薄膜的抗拉性能[9]。此外,结冷胶是鞘单胞菌好氧发酵产生的胞外杂多糖,因其凝胶浓度低、耐酸性强的特点也常用作凝胶剂,由其制备的囊皮具有较好的韧性。
然而,现有植物滴丸多由单一凝胶剂制得,其机械性能不足,无法从断裂伸长率和抗拉强度等物理参数上达到与明胶同等的性能。因此,Cui等[10]在卡拉胶和魔芋胶的基础上,加入结冷胶进行复配,制备成的复合凝胶能同时改善机械性能和热稳定性。有研究表明,卡拉胶和结冷胶可以产生显著的协同效应,表现出较高的断裂伸长率[11],将2种凝胶剂进行复配是改善滴丸机械性能的有效方法。需要指出的是,上述关于植物滴丸的研究主要集中于机械性能的调控,缺少肠溶相关特性的研究,无法为植物肠溶滴丸多样化特性的协同调控提供完善的理论指导。而以普鲁兰多糖和海藻酸钠作为成膜剂,对卡拉胶和结冷胶2 种凝胶剂进行复配,有望制备出具有肠溶特性且机械性能良好的植物滴丸。
鉴于此,本研究以机械性能和稳定性为核心指标,优化肠溶植物滴丸囊皮配方,选取普鲁兰多糖、海藻酸钠、卡拉胶、结冷胶、甘油和氯化钾(KCl)作为主要成分,深入探究卡拉胶、结冷胶复合凝胶剂配方对滴丸薄膜机械性能的影响,并考察其溶胀性能。通过Box-Behnken中心组合设计原理与响应面分析法,系统剖析成分配比对薄膜性能指标的作用规律,确定制备肠溶植物滴丸囊皮的最优配方;采用高精度同心滴丸技术制备肠溶植物滴丸,使其崩解时限符合《中华人民共和国药典》(2020年版)的要求,并对滴丸的外观形态及抗压力值进行测定,为肠溶植物滴丸在医药、食品等领域的广泛应用提供理论依据和实践指导。
1 材料与方法
1.1 实验材料
食品级κ-卡拉胶购于绿新(福建)食品有限公司,食品级海藻酸钠购于麦克林生化科技有限公司,普鲁兰多糖由江苏力凡胶囊有限公司提供,食品级结冷胶购于河北创之源生物科技有限公司,甘油、CaCl2、KCl购于国药集团化学试剂有限公司。本研究所用试剂均为分析纯,所有溶液均用蒸馏水配制。
1.2 仪器与设备
HWCL-1集热式恒温磁力搅拌器,郑州长城科工贸有限公司;DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏股份有限公司;BSA224S电子分析天平,赛多利斯科学仪器有限公司;Q/312测厚规,东莞市钜工五金贸易有限公司;DWJJ-S胶丸机,烟台博鑫制药机械有限公司;WZ-03万能拉伸实验仪,广州鸿顺有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 滴丸囊皮胶液的制备
在500 mL烧杯中加入200 mL去离子水,置于水浴锅中加热至60 ℃,加入一定质量的甘油,搅拌混合均匀;于60 ℃边搅拌边缓慢加入凝胶剂(结冷胶和κ-卡拉胶),1.5 h后缓慢加入成膜剂(普鲁兰多糖和海藻酸钠)、促凝剂(KCl),搅拌至完全溶解。将所得胶液置于60 ℃恒温下静置消泡5 h,以获得肠溶植物滴丸胶液。
1.3.2 滴丸囊皮薄膜的制备
为便于测定滴丸囊皮性能,将滴丸囊皮胶液制成薄膜样品。从已制备好的胶液中取25 mL倒在平整的亚克力板(10 cm×10 cm)上,静置30 min后将其完全浸入质量分数5%的CaCl2溶液中2 min,取出后用去离子水洗去膜上残留CaCl2溶液,于50 ℃鼓风干燥箱中干燥7 h。剥离干燥后的薄膜,用密封袋装好置于常温干燥器中储存。
1.3.3 囊皮薄膜机械性能测试
参照GB/T 1040.1—2018[12]拉伸性能测定法测定薄膜的机械性能。将制得的薄膜裁剪成80 mm×10 mm的长条,使用测厚规测量薄膜样品的厚度并记录。在每片薄膜上选择8个不同的点作为测量点,测定后取平均值。利用万能拉伸试验仪对薄膜机械性能进行测定,设备拉伸速度设为20 mm/s。断裂伸长率(R)和抗拉强度(T)的计算公式如下:
R= $\frac{L-{L}_{0}}{{L}_{0}}$ ×100%,
T= $\frac{F}{{S}_{1}}$ 。
式中:L0为薄膜拉伸前的初始长度,单位mm;L为拉伸断裂后的最终长度,单位mm;F为复配薄膜断裂时能够承受的最大拉力,单位N;S1为复配薄膜的横截面积,单位m2。
1.3.4 囊皮配方优化单因素实验
在单因素实验中,保持囊皮配方中普鲁兰多糖质量分数为2.5%,κ-卡拉胶、结冷胶总质量分数为1.2%,mκ-卡拉胶∶m结冷胶=1∶3,海藻酸钠、KCl、甘油的质量分数分别为0.9%、0.15%、1.5%。设置不同质量分数的普鲁兰多糖(1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%)、海藻酸钠(0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%)、甘油(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)、KCl(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)以及不同的mκ-卡拉胶∶m结冷胶(0∶4、1∶3、2∶2、3∶1、4∶0),以上述 5种因素作为控制变量进行实验,考察肠溶植物滴丸配方各成分含量对抗拉强度及断裂伸长率的影响。
1.3.5 Box-Behnken响应面优化囊皮配方
在单因素实验的基础上,利用Design-Expert软件对3个因素进行Box-Behnken响应面设计和数据分析。实验因素水平如表1 所示。
表1 Box-Behnken 设计因素与水平Tab.1 Box-Behnken design factors and levels |
| 因素 | 水平 | ||
|---|---|---|---|
| -1 | 0 | 1 | |
| 普鲁兰多糖质量分数(A)/% | 2.0 | 2.5 | 3.0 |
| 海藻酸钠质量分数(B)/% | 0.7 | 0.9 | 1.1 |
| mκ-卡拉胶∶m结冷胶(C) | 1∶3 | 2∶2 | 3∶1 |
1.3.6 肠溶植物滴丸的制备
滴丸制备:采用高精度同心滴丸技术,取1.3.1胶液置于滴丸机胶液槽中,以棕榈油为内容物,置于滴丸机料液槽中。滴丸机参数设置为料液槽温度45 ℃,胶液槽温度60 ℃,滴头滴制温度50 ℃,胶液滴速70 mg/s,料液滴速20 mg/s。
钙化:将滴制出的滴丸置于10 ℃的石蜡油中固化成型,取出后置于质量分数5%的CaCl2溶液中钙化。钙化2 min后用1 000 mL去离子水浸泡3 min,重复浸泡3次。在25 ℃、相对湿度45% 的空气中干燥。
1.3.7 肠溶植物滴丸性能测定
1) 外观形态
采用测厚规对所制滴丸的直径进行测定,选取50个滴丸样品,计算其直径平均值。厚度根据GB/T 6672—2001[13]方法,在囊皮上随机选取8个点,采用测厚规测定厚度,取平均值。分别用光学显微镜和偏光显微镜观察滴丸的圆形度和表面纹理。
将用光学显微镜拍摄的滴丸图像转换为灰度图,应用高斯模糊来减少图像噪声干扰,使用Canny边缘检测算法提取胶囊的边缘后,采用轮廓检测算法识别出胶囊的外部轮廓与面积。通过计算该轮廓的面积与周长,得到滴丸的圆形度,圆形度计算公式为
e= $\frac{4\pi {S}_{2}}{{C}_{1}}$ 。
式中:e为圆形度,无量纲;S2为圆形面积,单位mm2;C1为圆形周长,单位mm。
2) 抗压力值
将干燥后的30颗滴丸放置在凝胶强度仪的测试传感器正下方,探针向下移动至压破滴丸,设备自动记录下降过程中出现的最大压力值,即为滴丸的抗压力值。
3)崩解时限
参照《中华人民共和国药典》(2020年版)崩解时限检查法测定肠溶植物滴丸的崩解时限。取6粒滴丸置于崩解仪的吊篮中,启动崩解仪进行检查,先后在pH为1.2的盐酸溶液(模拟胃液)和pH为6.8的磷酸盐缓冲液(模拟小肠液)中分别检查2 h和3 h,各滴丸均未出现裂缝、崩解或软化现象,而后移至pH为7.5的磷酸盐缓冲液(模拟结肠液)中检查,并记录崩解时间。
4)溶胀率
溶胀率测定参考《中华人民共和国药典》(2020年版)以及王江等[5]对溶胀率的测试方法,并稍作修改。具体步骤如下:取6粒干燥的肠溶植物滴丸在模拟胃液(pH为1.2)中检查2 h后,转移至模拟肠液(pH为6.8)中检查3 h,最后转移至模拟结肠液(pH为7.5)中检查1 h。定时取出滴丸,用滤纸除去附着在表面的水分,称重,按公式计算其在模拟胃液、模拟肠液和模拟结肠液中的溶胀率。
另取6粒干燥的肠溶植物滴丸分别置于模拟胃液(pH为1.2)和模拟肠液(pH为6.8)中,每隔30 min取出滴丸,用滤纸除去附着在表面的水分,称重,计算其溶胀率。
溶胀率=(m1-m0)/m0×100%。
式中:m1为溶胀后肠溶植物滴丸的质量(g);m0为未溶胀肠溶植物滴丸的质量(g)。
1.4 数据统计与分析
所有实验均重复3次,采用SPSS 17.0软件对数据进行分析,结果以平均值±标准差进行表示。采用单因素方差分析(ANOVA)对实验数据进行检验,使用置信区间为95%的最小显著差异来比较均值。结果中的柱状图上方不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 肠溶植物滴丸囊皮配方单因素实验优化
2.1.1 普鲁兰多糖含量对滴丸囊皮薄膜机械性能的影响
薄膜抗拉强度和断裂伸长率能够有效表征滴丸囊皮的机械性能,对囊皮配方优化及综合性能提升至关重要,为此,以上述2个指标作为单因素实验的判断依据。如图1所示,抗拉强度和断裂伸长率都随着普鲁兰多糖质量分数的增加呈现先增大后减小的趋势。当普鲁兰多糖质量分数为2.5%时,薄膜的抗拉强度达到最大值,这是因为普鲁兰多糖的羟基基团与海藻酸钠的羧酸根基团通过氢键相互作用,增强了二者的结合力[14];而当普鲁兰多糖质量分数超过2.5%时,因持水性强使薄膜含水量增加[15],结构致密性与刚性降低,导致薄膜的抗拉强度下降[16-17]。对薄膜的断裂伸长率而言,当普鲁兰多糖质量分数为3.0%时,断裂伸长率达到最大值35.87%,适量的普鲁兰多糖可提高薄膜的延展性与塑性,但含量过高会使膜结构紧密,限制分子链移动,导致薄膜的断裂伸长率下降[18]。因此,普鲁兰多糖质量分数在2.0%~3.0%之间能让薄膜具有良好的力学性能。
2.1.2 海藻酸钠含量对滴丸囊皮薄膜机械性能的影响
海藻酸钠含量对薄膜机械性能的影响如图2所示,薄膜的断裂伸长率和抗拉强度随海藻酸钠质量分数的增加先上升后下降。当海藻酸钠质量分数为0.9%时,断裂伸长率达到最大值34.44%,抗拉强度也达到最大值10.33 MPa。这是因为海藻酸钠分子链上的羧基和羟基容易形成分子间和分子内氢键,这些氢键共同作用使得海藻酸钠在薄膜中的分子链能够紧密缠结并形成稳定的网络结构,从而显著提高薄膜的内聚力和机械强度[19]。然而,当海藻酸钠质量分数大于0.9%时,由于海藻酸钠水溶液具有较高的黏度,使成膜溶液中的气泡难以排出,薄膜内残留气泡,从而降低了薄膜的机械性能[20]。所以,当海藻酸钠质量分数在0.7%~1.1%时,薄膜的机械性能表现较优。
2.1.3 甘油含量对滴丸囊皮薄膜机械性能的影响
甘油含量对薄膜机械性能的影响如图3所示。可以看出,随着甘油质量分数的上升,薄膜抗拉强度显著下降。原因在于甘油分子能够嵌入多糖分子链之间,破坏分子间氢键,致使聚合物链更易发生滑移,交联程度降低,最终导致薄膜的抗拉强度降低[21]。与机械性能相反,断裂伸长率先随着甘油质量分数的增加而逐渐上升,之后趋于平稳。当甘油质量分数为2.5%时,断裂伸长率达到最大值42.37%。这是因为甘油插入多糖分子链间提升了链的移动性,使膜结构得到有效延展与松弛,膜的塑性得以增加[21];但当甘油含量过高时,甘油自身氢键的键合作用加剧,引发相分离现象,导致增塑效果下降,进而对材料力学性能产生不良影响[22]。综合考量抗拉强度和断裂伸长率,保持甘油质量分数在2.5%左右,能够使薄膜的延展性和抗拉强度实现较好平衡。
2.1.4 KCl含量对滴丸囊皮薄膜机械性能的影响
对于断裂伸长率而言,随着钾离子含量的增加,κ-卡拉胶的阳离子效应逐渐增加,促进其凝胶结构形成与强化,这种凝胶结构在一定程度上能够允许材料在受力时发生较大程度的形变而不至于断裂,从而使断裂伸长率增大;当KCl质量分数大于0.20%时,κ-卡拉胶过度聚集,占据原本可供水分子存在的空间,并且改变聚合物与水分子的相互作用,使含水量降低,而水分子在一些聚合物体系中能够起到增塑作用,其含量减少会导致薄膜塑性降低,在受力时难以发生较大的塑性变形,表现为断裂伸长率不再增加甚至下降[24]。因此,KCl质量分数在0.20%时为宜。
2.1.5 mκ-卡拉胶∶m结冷胶对滴丸囊皮薄膜机械性能的影响
mκ-卡拉胶∶m结冷胶对薄膜机械性能的影响如图5所示。随着mκ-卡拉胶∶m结冷胶的增加,抗拉强度逐渐上升,断裂伸长率逐渐下降。对于抗拉强度而言,κ-卡拉胶溶解时其大分子双螺旋结构先解旋,分子链空间网状结构分散后又重新交联聚集形成更紧密的网络结构,由此形成的网状结构可以作为凝胶骨架,为整个薄膜提供结构支撑,有助于提升薄膜强度。虽然κ-卡拉胶含量增加使得分子间相互作用增强,但分子链之间较强的相互作用限制了链段的滑移和伸展,导致材料在受力时难以发生较大形变,所以断裂伸长率会相应下降[25]。因此,综合考虑mκ-卡拉胶∶m结冷胶对抗拉强度和断裂伸长率的影响,比例控制在1∶3~3∶1可以平衡薄膜的韧性和强度,是较为理想的配比。
通过综合考量5个单因素对薄膜抗拉强度和断裂伸长率的影响规律,可确定肠溶植物滴丸配方中甘油质量分数为2.5%,KCl质量分数为0.20%。在此基础上,通过响应面法进一步探究配方中多糖含量的最佳配比,以便更精准地优化滴丸囊皮配方,获得综合性能更优的产品。
2.2 响应面法优化肠溶植物滴丸囊皮配方
2.2.1 Box-Behnken实验设计及结果
综合分析单因素实验结果,选取普鲁兰多糖质量分数、海藻酸钠质量分数以及mκ-卡拉胶∶m结冷胶3个因素作为变量,以抗拉强度和断裂伸长率作为响应值,依据Box-Behnken实验设计原理,设计三因素二水平的响应面分析实验,对肠溶植物滴丸配方进行优化。Box-Behnken实验设计及结果见表2。
表2 Box-Behnken实验设计及结果Tab.2 Box-Behnken experimental design and results |
| 组别 | 普鲁兰多糖 质量分数(A)/% | 海藻酸钠 质量分数(B)/% | mκ-卡拉胶∶m结冷胶(C) | 断裂伸长率/% | 抗拉强度/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 0 | 37.83 | 10.77 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 38.21 | 11.83 |
| 3 | -1 | 1 | 0 | 41.35 | 11.06 |
| 4 | 1 | -1 | 0 | 37.15 | 10.32 |
| 5 | 1 | 0 | -1 | 43.46 | 10.60 |
| 6 | -1 | -1 | 0 | 39.83 | 5.87 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 35.19 | 10.02 |
| 8 | 0 | -1 | 1 | 50.37 | 9.01 |
| 9 | 0 | 0 | 0 | 37.69 | 9.62 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 36.28 | 9.84 |
| 11 | 0 | -1 | -1 | 30.87 | 7.14 |
| 12 | 1 | 0 | 1 | 49.22 | 11.40 |
| 13 | 0 | 0 | 0 | 35.27 | 11.64 |
| 14 | 0 | 1 | -1 | 44.04 | 13.58 |
| 15 | -1 | 0 | 1 | 50.69 | 5.89 |
| 16 | -1 | 0 | -1 | 46.73 | 10.84 |
| 17 | 0 | 0 | 0 | 39.27 | 10.50 |
2.2.2 断裂伸长率回归方程方差分析
利用响应面软件对表2中断裂伸长率进行多元非线性回归拟合优化,得到断裂伸长率的模型二次回归方程为R=37.27-1.32A+0.07B+2.55C-0.12AB+0.45AC-7.09BC+4.64A2-2.77B2+5.62C2。
断裂伸长率的模型二次回归方程方差分析结果如表3所示。可以看出,模型的F值为32.99,P<0.000 1,说明模型具有极显著性。模型的失拟误差0.759 7>0.05,表明该方程的实验拟合情况好,实验误差小,模型选择合适。通过各因素的P值和F值可以得知,各因素对断裂伸长率的影响顺序由大到小依次为mκ-卡拉胶∶m结冷胶、普鲁兰多糖质量分数、海藻酸钠质量分数。
表3 断裂伸长率的二次回归方程模型方差分析结果Tab.3 Analysis of variance results of quadratic regression equation model of elongation at break |
| 因素 | 平方和 | 自由度 | 均方差 | F值 | P值 | 显著性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 模型 | 524.11 | 9 | 58.23 | 32.99 | <0.000 1 | ** |
| A | 13.96 | 1 | 13.96 | 7.91 | 0.026 1 | * |
| B | 0.039 | 1 | 0.039 | 0.022 | 0.886 1 | |
| C | 51.85 | 1 | 51.85 | 29.38 | 0.001 0 | ** |
| AB | 0.053 | 1 | 0.053 | 0.030 | 0.867 0 | |
| AC | 0.81 | 1 | 0.81 | 0.46 | 0.519 9 | |
| BC | 200.98 | 1 | 200.98 | 113.87 | <0.000 1 | ** |
| A2 | 90.66 | 1 | 90.66 | 51.37 | 0.000 2 | ** |
| B2 | 32.34 | 1 | 32.34 | 18.32 | 0.003 7 | ** |
| C2 | 133.02 | 1 | 133.02 | 75.37 | <0.000 1 | ** |
| 残差 | 12.35 | 7 | 1.76 | |||
| 失拟误差 | 2.86 | 3 | 0.95 | 0.40 | 0.759 7 | |
| 纯误差 | 9.49 | 4 | 2.37 | |||
| 总误差 | 536.46 | 16 |
注:*为差异显著(P<0.05);**为差异极显著(P<0.01)。 |
2.2.3 抗拉强度回归方程方差分析
利用响应面软件对表2中的抗拉强度进行多元非线性回归拟合优化,得到抗拉强度的模型二次回归方程为T=10.47+1.31A+1.77B-0.73C-0.92AB+1.44AC-1.36BC-0.48A2-0.22B2-0.31C2。
抗拉强度的模型二次回归方程方差分析结果如表4所示。可知,抗拉强度的模型F值为14.57,P值为0.000 9<0.01,说明模型具有极显著性。失拟误差0.744 1>0.05,表明该方程的实验拟合情况好,实验误差小,模型选择合适。通过各因素的P值和F值可以得知,各因素对抗拉强度影响的顺序由大到小依次为海藻酸钠质量分数、普鲁兰多糖质量分数、mκ-卡拉胶∶m结冷胶。
表4 抗拉强度的二次回归方程模型方差分析结果Tab.4 Analysis of variance results of quadratic regression equation model of tensile strength |
| 因素 | 平方和 | 自由度 | 均方差 | F值 | P值 | 显著性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 模型 | 63.82 | 9 | 7.09 | 14.57 | 0.000 9 | ** |
| A | 13.72 | 1 | 13.72 | 28.20 | 0.001 1 | ** |
| B | 25.05 | 1 | 25.05 | 51.46 | 0.000 2 | ** |
| C | 4.25 | 1 | 4.25 | 8.74 | 0.021 2 | * |
| AB | 3.39 | 1 | 3.39 | 6.97 | 0.033 4 | * |
| AC | 8.28 | 1 | 8.28 | 17.01 | 0.004 4 | ** |
| BC | 7.38 | 1 | 7.38 | 15.17 | 0.005 9 | ** |
| A2 | 0.97 | 1 | 0.97 | 1.98 | 0.201 9 | |
| B2 | 0.21 | 1 | 0.21 | 0.43 | 0.531 9 | |
| C2 | 0.41 | 1 | 0.41 | 0.84 | 0.388 9 | |
| 残差 | 3.41 | 7 | 0.49 | |||
| 失拟误差 | 0.83 | 3 | 0.28 | 0.43 | 0.744 1 | |
| 纯误差 | 2.58 | 4 | 0.64 | |||
| 总误差 | 67.23 | 16 |
注:*为差异显著(P<0.05);**为差异极显著(P<0.01)。 |
2.2.4 响应曲面结果与分析
根据上述回归方程绘制响应曲面图,进一步分析3个影响因素对响应值的影响规律。其中,响应曲面的坡度与响应值的灵敏程度有关,曲面坡度越陡峭,说明响应值对影响因素数值变化越敏感,曲面坡度平缓则表明影响因素变化对响应值影响不大。响应曲面在底部的投影即为二维等高线图,其形状可以反映因素之间的交互作用程度,越接近规则的圆形,交互作用越不显著,椭圆形越扁平,交互作用越显著。此外,等高线密集程度也能表明各因素之间的交互作用,等高线越密集说明交互作用越显著。
2.2.5 制备工艺验证
响应面分析确定肠溶植物滴丸中普鲁兰多糖、海藻酸钠、κ-卡拉胶、结冷胶、KCl、甘油的质量分数分别为2.875%、0.702%、0.899%、0.301%、0.20%、2.5%。在此条件下所得薄膜性能指标的预测值为抗拉强度11.60 MPa,断裂伸长率51.63%。
为验证响应面法得到的最优配方,依据上述用量配比取整进行验证实验,平行3次取平均值,得到抗拉强度和断裂伸长率的平均值分别为10.98±0.42 MPa和55.31%±0.65%,实验值与预测值基本吻合,说明该配方为最优配方。
2.3 肠溶植物滴丸制备及评价
2.3.1 肠溶植物滴丸的外观形态
圆形度反映了所制滴丸的外观规则程度,是滴丸的重要性能之一,圆形度为1时,图形即为圆形,圆形度越小,图形越不规律,与圆形的差距越大。市面产品的圆形度为0.864±0.013,所制滴丸的圆形度为0.889±0.005,说明制得的滴丸形状更规则、均匀。
2.3.2 肠溶植物滴丸的抗压力值
滴丸抗压力值反映了其在外力作用下的抗破裂能力,是衡量滴丸在储运过程中稳定性的重要指标。对响应面最优配方制得的滴丸进行抗压力值测试,滴丸的抗压力值为13.23±0.66 N。目前,国内外药典中对肠溶植物滴丸的抗压力值并无明确统一标准,但相比于Zheng等[26]制备的滴丸硬度6.427±0.012 N、脆性5.221±0.015 N,本配方制得的滴丸在外力作用下具有更好的抗破裂能力。
2.3.3 肠溶植物滴丸在结肠中的崩解时限
本研究所制备的肠溶植物滴丸是递送营养补充剂(益生菌、脂溶性维生素、膳食纤维)和治疗结肠疾病的药物,需要使其免受胃酸破坏,并在结肠中定向释放。验证肠溶植物滴丸能够在结肠靶向释放的关键是检测其在结肠中的崩解时限。《中华人民共和国药典》(2020年版)规定,结肠肠溶胶囊在模拟胃液(pH为1.2)中不加挡板检查2 h不得有裂缝或崩解现象,在模拟肠液(pH 为6.8)中不加挡板检查3 h不得有裂缝或崩解现象,在模拟结肠液(pH为7.5)中加入挡板检查1 h应全部崩解。本配方制备的滴丸产品崩解时限结果如表6所示,滴丸在模拟胃液中2 h和模拟小肠液中3 h均未出现崩解或软化现象,而在模拟结肠液中11±3 min内完全崩解,符合《中华人民共和国药典》(2020年版)的要求。相较于市面产品Bifina晶球益生菌需要90 min才能完全崩解,本配方在结肠靶向递送中具有明显优势。
表6 滴丸的崩解时限测定Tab.6 Determination of the disintegration time of dropping pills |
| 滴丸类型 | 模拟胃液崩解情况 | 模拟小肠液崩解情况 | 模拟结肠液崩解时限/min |
|---|---|---|---|
| 最优配方 | 无裂缝、崩解或软化现象 | 无裂缝、崩解或软化现象 | 11±3 |
| 市面产品 | 无裂缝、崩解或软化现象 | 无裂缝、崩解或软化现象 | 90±7 |
2.3.4 肠溶植物滴丸的溶胀性能
滴丸分别在模拟胃液(pH为1.2)中检查2 h和模拟小肠液(pH为6.8)中检查3 h的溶胀性能如图9所示。可以看出,滴丸在模拟小肠液中的溶胀率显著高于其在模拟胃液中的溶胀率。滴丸在模拟胃液中检查30 min时的溶胀率为57.33%±5.65%,且随着时间的增长,溶胀率平缓下降,而其在模拟小肠液中检查30 min时的溶胀率已高达221.47%±7.38%。这是因为在低pH环境中,酸性溶液中的氢离子可能与海藻酸钠中的羧酸根离子和卡拉胶中的硫酸根离子形成氢键,从而增加分子间的相互作用,导致滴丸的结构更加紧密,溶胀率相对较低;同时,随着作用时间的延长,在胃的高酸性环境中长时间停留可能导致海藻酸盐水解成分子量较低的海藻酸,进而导致溶胀率平缓下降[27]。而在模拟小肠液中,卡拉胶和海藻酸钠均以阴离子的形式存在,它们之间的相互排斥作用会导致分子链间距增大,同时水分子与糖类阴离子通过氢键结合,进一步促进了囊皮溶胀,导致滴丸溶胀率上升[6]。
在人体的消化系统中,滴丸制剂在口服后会依次通过胃、小肠,最终抵达结肠。进一步探究滴丸在模拟胃肠道消化过程中的溶胀率变化,结果如表7所示。滴丸在模拟胃液中检查2 h的溶胀率为38.32%±4.63%,随后转移至模拟小肠液中检查3 h的溶胀率显著上升至294.92%±7.33%,但滴丸外形未出现侵蚀和变形,表明滴丸可在胃、小肠中维持结构稳定。最后,滴丸转移至模拟结肠液中检查30 min,滴丸出现破裂。这是由于在结肠液中海藻酸钠携带的羧基去质子化带负电荷,使得分子链间产生强烈静电斥力,进而分子链伸展破坏囊皮结构,导致囊皮软化和破裂[28]。综上,本研究制得的滴丸具有良好的结肠溶解特性,有助于药物在结肠区域定向释放,实现靶向治疗。
表7 滴丸在模拟胃肠道消化过程中的溶胀率Tab.7 Dissolution rates of dropping pills in simulated gastrointestinal tract digestion process |
| 指标 | 模拟胃液检查2 h | 模拟小肠液检查3 h | 模拟结肠液检查30 min |
|---|---|---|---|
| 溶胀率/% | 38.32±4.63 | 294.92±7.33 | 破裂 |
3 结论
本研究采用单因素实验及响应面分析对肠溶植物滴丸的制备工艺进行优化,由单因素实验初步确定各成分的最佳范围为:普鲁兰多糖质量分数2.0%~3.0%,海藻酸钠质量分数0.7%~1.1%,甘油质量分数2.5%,KCl质量分数0.20%,mκ-卡拉胶∶m结冷胶介于1∶3~3∶1。利用响应面分析进行普鲁兰多糖质量分数、海藻酸钠质量分数、mκ-卡拉胶∶m结冷胶对抗拉强度、断裂伸长率的拟合,得到回归模型,并对模型预测值进行验证,证实模型可靠,确定肠溶植物滴丸的最佳配比为:普鲁兰多糖质量分数2.875%,海藻酸钠质量分数0.702%,mκ-卡拉胶∶m结冷胶=3∶1(κ-卡拉胶质量分数0.899%,结冷胶质量分数0.301%),甘油质量分数2.5%,KCl质量分数0.20%。所制备薄膜的抗拉强度为10.98±0.42 MPa,断裂伸长率为55.31%±0.65%。由最佳配比制得的肠溶植物滴丸尺寸适宜,圆形度较高;先后在模拟胃液和模拟小肠液中检查2 h和3 h,滴丸均未出现裂缝、崩解或软化现象,且在模拟结肠液中11±3 min内完全崩解,能够实现结肠靶向释放;滴丸在模拟胃液和模拟肠液中的溶胀率分别为38.32%±4.63%和294.92%±7.33%,外形未出现侵蚀和变形,溶胀性能良好;滴丸的抗压力值为13.23±0.66 N,具备良好的抗破裂能力。综上,所制备滴丸表现出良好的机械性能,能有效避免肠溶植物滴丸出现吸湿、机械强度差、运输途中损坏等问题,并能在结肠快速释放,研究结果为肠溶植物滴丸的制备提供了理论基础和技术支撑。