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Preparation of safflower yellow pellets by central composite design-response surface methodology

星点设计效应面法优化红花黄色素缓释微丸的制备工艺



全 文 :第 14卷第 1期
2016年 1月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 14 No􀆰 1
Jan􀆰 2016
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2016􀆰 01􀆰 008
收稿日期:2014-09-12
作者简介:吕大庆(1990—),男,河北邯郸人,研究方向:中药活性成分提取、活性研究及新药开发;张丹丹 (联系人),副教授, E⁃mail:
312685423@ qq.com
星点设计效应面法优化红花黄色素缓释微丸的制备工艺
吕大庆,张丹丹
(青岛科技大学 化工学院,山东 青岛 266042)
摘  要:以乙基纤维素为原料,制备红花黄色素缓释微丸,提高药物的稳定性。 采用液中干燥法,以包封率、载药量
为指标,通过星点设计效应面法选择出制备红花黄色素微丸的最优工艺:搅拌速率 600 r / min,液体石蜡用量 27
mL,乙基纤维素用量 0􀆰 36 g。 在此条件下所得微丸圆整度良好,体外释放平稳。 此工艺简单易行,效应面优化法建
立的数学模型预测结果可靠。
关键词:红花黄色素缓释微丸;液中干燥法;星点设计效应面法
中图分类号:R944􀆰 2+ 7        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2016)01-0044-05
Preparation of safflower yellow pellets by central composite
design⁃response surface methodology
LYU Daqing,ZHANG Dandan
(College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China)
Abstract:To prepare sustained release pellets of safflower yellow with ethylcellulose(EC) as materials and
improve the stability of the drug. Single factor experiment and central composite design⁃response surface
method were used to optimize the preparation technology by liquid drying method with encapsulation
efficiency and drug loading as criteria. The optimal preparation conditions of safflower yellow pellets were as
follows:stirring speed of 600 r / min,the amount of liquid paraffin 27 mL,ethyl cellulose amount of 0􀆰 36 g.
The obtained pellets exhibited good roundness and released stable in vitro. The preparation process was
simple and the model established by response surface methodology delivened predictive accuracy.
Keywords:safflower yellow pellets; liquid drying method; central composite design⁃response surface method
    红花黄色素(saffor yellow,SY)是红花的主要活
性成分,提取自红花的干燥管状花[1],属于含有多
种水溶性成分的混合物,其中羟基红花黄色素 A 是
红花黄色素中含量较高的成分,也是红花中具有生
理活性的重要成分之一[2]。 《中国药典》(2010 版)
中将羟基红花黄色素 A 作为红花的质量评价指标。
魏郁晖等[3]研究发现红花黄色素具有抗心脑血管
疾病、抗炎作用、抗肿瘤、抗血小板活化因子、抗氧
化等多种作用,具有极高的药用价值[3]。
目前,临床上使用的红花黄色素主要为注射
剂[4]。 但羟基红花黄色素 A 在体内代谢很快[5-6],
须频繁给药以保持有效药物浓度,且羟基红花黄色
素 A的稳定性较差。
微丸是指直径不超过 2􀆰 5 mm 的小型球状口服
剂型,它具有均匀、流动性好、释药稳定等特点[7]。
因此,可以通过制备缓释微丸以控制释药速度,提
高药物制剂稳定性,提高药物安全,减少服药次数,
提高生物利用度,增加临床适用[8]。
本文中,笔者采用液中干燥法制备缓释微丸,
考察乙基纤维素用量、司盘 80 用量、液体石蜡用量
以及搅拌速率等因素的影响,运用星点设计 效应面
法优化微丸的制备工艺过程。 液中干燥法的关键
在于控制内相在外相中的均匀分散和丙酮的挥发
速度[9],以期控制微丸的成型。
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
红花,青岛百草厅药房;羟基红花黄色素 A 标
准品,北京应天意标准样品有限公司;乙基纤维素,
天津科密欧化工股份有限公司;丙酮,烟台三合化
学试剂有限公司;液体石蜡、滑石粉(12 μm)、司盘
80、正己烷,天津博迪化工股份有限公司。
IT 09A型磁力搅拌器,金坛市金城国胜实验
仪器厂;UV 3000型紫外 可见分光光度计,尤尼柯
上海仪器有限公司;FA1004N 型电子天平,余姚市
金诺天平有限公司;分析天平,上海精密仪器有限
公司;旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂;SHB Ⅲ
型循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有限公
司;电子恒温水浴锅,天津泰斯特仪器有限公司;数
显鼓风干燥箱,上海博迅实业有限公司医疗设备厂。
1􀆰 2  实验方法
1􀆰 2􀆰 1  标准曲线的建立
准确称取羟基红花黄色素 A对照品 1􀆰 76 mg于
10 mL 容量瓶中,加蒸馏水溶解,并稀释至刻度备
用。 分别量取羟基红花黄色素 A 对照品溶液 0􀆰 5、
0􀆰 8、1􀆰 0、1􀆰 3、1􀆰 6 和 2􀆰 0 mL 于 5 mL 容量瓶中,加
蒸馏水稀释至刻度,摇匀。 以蒸馏水为空白,按照
分光光度法在 403 nm 处测定吸光度。 以吸光度为
横坐标,羟基红花黄色素 A 浓度为纵坐标,绘制标
准曲线。 得羟基红花黄色素 A 浓度和吸光度回收
方程 Y= 0􀆰 083X-0􀆰 003 8,相关系数 R = 0􀆰 999 7,在
线性范围 0􀆰 017 6~0􀆰 070 4 mg / mL内。
1􀆰 2􀆰 2  红花黄色素的提取及纯化
红花黄色素的提取采用温浸法,通过考察提取
溶剂、提取温度、提取时间以及料液比等因素的影
响,并进一步对整个提取工艺进行优化,最终确定
提取方法:溶剂蒸馏水,温度 66 ℃,料液比1 ∶ 34
g / mL,提取时间 1􀆰 5 h,提取 2 次。 合并滤液,浓缩、
干燥得到粗提品。 将提取物溶解后过 AB 8 大孔
吸附树脂纯化,得精提物,计算纯度为 57􀆰 63%。
1􀆰 2􀆰 3  红花黄色素缓释微丸的制备
取适量乙基纤维素溶于 10 mL 丙酮中,并加入
0􀆰 05 g 滑石粉和 0􀆰 1 g 药粉,置于冰浴中搅拌 20
min(内相)。 另取一烧杯,加入司盘 80 和液体石
蜡,搅拌均匀(外相)。 将丙酮混悬液加入液体石蜡
中,不断搅拌,冰浴 3 h 后,迅速升温至 57 ℃,保温
30 min。 过滤得到微丸,用 30 mL 正己烷分 3 次洗
涤微丸后,自然干燥即得[10]。
1􀆰 2􀆰 4  包封率和载药量的测定
称取一定量微丸,加 10 mL 水研磨、过滤、取滤
液稀释后,按照吸光光度法在 403 nm处测量其吸光
值(A403),进而计算红花黄色素的含量。 载药量=微
囊中药物质量 /微囊总质量×100%;包封率=微囊中
药物质量 /投药质量×100%。
1􀆰 2􀆰 5  释放度测定
取本品,按《中国药典》(2010 版)“释放度测定
第一法”(附录 XD),采用溶出度测定法第一法装置
(附录 XC),分别在 1 000 mL、pH 2􀆰 0的模拟胃液和
pH 7􀆰 4模拟肠液以及前 2 h 为模拟胃液、后期为模
拟肠液的释放介质中进行释放研究,转速为 100
r / min,37 ℃,1、2、4、6、8、10、12和 14 h取样 10 mL,
0􀆰 45 μm水膜滤过,取滤液即为供试品溶液,按照含
量测定方法计算药物的累积释放百分率。
1􀆰 2􀆰 6  稳定性试验
准确称取一定量的红花黄色素微丸和红花黄色素
药品,于常温条件下放置,每 10 d检测各自剩余药量。
1􀆰 2􀆰 7  单因素试验
采用液中干燥法,考察乙基纤维素用量、司盘
80用量、液体石蜡用量、搅拌转速对红花黄色素微
丸的包封率及载药量的影响。
1􀆰 2􀆰 8  星点试验设计
在单因素基础上,选择搅拌速率(X1)、液体石
蜡用量(X2)和乙基纤维素用量(X3)进行三因素五
水平的星点试验,并通过 Statistica 6􀆰 0 软件进行优
化,确定最佳提取条件。
2  结果与讨论
2􀆰 1  单因素试验结果
2􀆰 1􀆰 1  乙基纤维素用量的影响
司盘 80加入量 0􀆰 2 g、液体石蜡 30 mL、搅拌速率
500 r / min不变,考察乙基纤维素用量对红花黄色素
缓释微丸包封率和载药量的影响,结果如图 1所示。
由图 1 可以看出:微丸的载药量及包封率随着
乙基纤维素量增加先升高后降低。 可能原因是当
乙基纤维素量较少时,所形成的微丸粒径较小,微
粒所能包载的药量也少;而当乙基纤维素的量过多
54  第 1期 吕大庆等:星点设计效应面法优化红花黄色素缓释微丸的制备工艺
图 1  乙基纤维素量的影响
Fig􀆰 1  Effects of amount of ethyl cellulose on encap⁃
sulation efficiency and drug loading
时,所得微丸粒径较大,且部分原料黏连严重,成型
差,从而造成包封率和载药量降低。
2􀆰 1􀆰 2  司盘 80用量的影响
司盘 80主要是作为乳化剂加入,通过降低表面
张力使内相尽可能地在外相中均匀分散,这样所制得
微丸粒径较小、较均匀,另外司盘 80也有一定的增塑
作用。 乙基纤维素 0􀆰 3 g、液体石蜡 30 mL、搅拌速率
500 r / min不变,考察司盘 80用量对红花黄色素微丸
的包封率与载药量的影响,结果如图 2所示。
图 2  司盘 80用量的影响
Fig􀆰 2  Effects of amount of span 80 on encapsulation
efficiency and drug loading
由图 2可以看出:随着司盘 80的加入量增加到
0􀆰 2 g以后,微丸的包封率和载药量基本保持不变。
因此,最终选择司盘 80用量为 0􀆰 2 g。
2􀆰 1􀆰 3  液体石蜡用量的影响
乙基纤维素 0􀆰 3 g,司盘 80 0􀆰 2 g,搅拌速率 500
r / min不变,考察液体石蜡用量对微丸包封率和载
药量的影响,结果如图 3所示。 由图 3可以看出:随
着液体石蜡用量的增加,微丸的包封率和载药量先
增加后减少。 液体石蜡在系统中属于外相,当液体
石蜡的量较少时,不利于内相的分散,使微丸黏连
在一块。 当液体石蜡的量过高时,药物内相挥发较
慢,微丸的固化也慢,部分药物容易损失掉。
图 3  液体石蜡用量的影响
Fig􀆰 3  Effects of amount of liquid paraffin on encap⁃
sulation efficiency and drug loading
2􀆰 1􀆰 4  搅拌速率的影响
乙基纤维素 0􀆰 3 g、司盘 80 0􀆰 2 g、液体石蜡 30
mL不变,考察转速对微丸包封率和载药量的影响,
结果如图 4所示。
图 4  搅拌速率的影响
Fig􀆰 4  Effects of stirring speed on encapsulation
efficiency and drug loading
由图 4可以看出:随着搅拌速率的增加,微丸的
包封率和载药量先升高后降低。 原因在于搅拌速
率较低时,内相无法分散开来,如 200 r / min 时无法
制得微丸,随着搅拌速率的加快,内相乳滴变小,乳
滴中内相溶剂也更易挥发,微丸固化快,球内药物
损失较少。 搅拌速率过快时,内相的乳滴之间碰撞
剧烈,不利于微丸的形成和药物的包封。 最终选择
搅拌速率范围 400~800 r / min。
2􀆰 2  效应面法试验设计优化因素及分析
在单因素试验的基础上,对搅拌速率(X1)、液
体石蜡用量(X2)和乙基纤维素用量(X3)进行三因
素五水平的星点试验,用 Statistica 6􀆰 0 软件对试验
数据进行统计分析,星点设计因素水平设计及结果
见表 1。 由于试验结果的分析评价采用的是包封率
和载药量 2个指标,因此在试验中需引入一个综合
指标 OD ( overall desirability ) [10]。 OD = ( d1 d2 …
dn) 1 / n,n为指标数。 使所有指标综合为一个值,用
64 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
来反映总体效应结果。 对取值越小越好的因素和
取值越大越好的因素采用梁颖等[11]方法分别进行
数学转换求“归一值” dmin和 dmax,dmin = ( ymax -yi ) /
(ymax-ymin),dmax = (yi -ymin) / (ymax -ymin)。 ymax为包
封率的最大值及载药量的最大值,ymin为包封率的最
小值及载药量的最小值,以载药量 ( Y1 )、包封率
(Y2)因变量,分别对各因素(自变量)用二项式拟合
和线性拟合进行处理,经比较得二项式拟合所得的
r值相对于线性拟合有了较大幅度的提高,因此,选
择二项式拟合模型处理数据。
表 1  星点设计试验设计及结果
Table 1  Results and designs of experiment designed
by central composite design
试验号 X1 X2 X3
载药量
Y1
包封率
Y2
OD
1 485 18􀆰 5 0􀆰 185 8􀆰 75 37􀆰 27 0􀆰 292 1
2 715 18􀆰 5 0􀆰 185 10􀆰 91 39􀆰 55 0􀆰 487 4
3 485 41􀆰 5 0􀆰 185 8􀆰 30 30􀆰 07 0􀆰 166 3
4 715 41􀆰 5 0􀆰 185 12􀆰 42 28􀆰 46 0􀆰 314 2
5 485 18􀆰 5 0􀆰 415 7􀆰 95 43􀆰 41 0􀆰 241 9
6 715 18􀆰 5 0􀆰 415 9􀆰 72 44􀆰 83 0􀆰 464 5
7 485 41􀆰 5 0􀆰 415 12􀆰 35 41􀆰 95 0􀆰 618 9
8 715 41􀆰 5 0􀆰 415 8􀆰 46 32􀆰 54 0􀆰 210 6
9 400 30􀆰 0 0􀆰 300 8􀆰 89 31􀆰 63 0􀆰 229 3
10 800 30􀆰 0 0􀆰 300 7􀆰 21 24􀆰 73 0
11 600 10􀆰 0 0􀆰 300 9􀆰 64 42􀆰 15 0􀆰 427 0
12 600 50􀆰 0 0􀆰 300 8􀆰 39 28􀆰 08 0􀆰 141 3
13 600 30􀆰 0 0􀆰 100 9􀆰 25 23􀆰 93 0
14 600 30􀆰 0 0􀆰 500 12􀆰 26 46􀆰 31 0􀆰 689 5
15 600 30􀆰 0 0􀆰 300 15􀆰 07 51􀆰 28 0􀆰 942 7
16 600 30􀆰 0 0􀆰 300 15􀆰 69 51􀆰 71 0􀆰 970 1
17 600 30􀆰 0 0􀆰 300 15􀆰 86 51􀆰 30 0􀆰 980 6
18 600 30􀆰 0 0􀆰 300 14􀆰 93 51􀆰 64 0􀆰 941 1
19 600 30􀆰 0 0􀆰 300 15􀆰 65 51􀆰 83 0􀆰 990 4
20 600 30􀆰 0 0􀆰 300 15􀆰 17 51􀆰 76 0􀆰 956 1
    二项式回归方程:Y = b0 + b1 X1 + b2 X2 + b3 X3 +
b4X21+b5X22+b6X23+b7X1X2+b8X1X3+b9X2X3。
用 statistica 6􀆰 0统计分析软件进行多元回归分
析,对于二项式方程,根据统计软件对各系数进行
的 t检验结果,删除 P>0􀆰 01 的项后,再进行二项式
方程拟合,达到模型简化的目的,结果见表 2。
表 2  二次多项式非线性估计结果
Table 2  Results of binomial model fitting
模型 R P
Y1 = -62􀆰 802 5+0􀆰 211 3X1 +0􀆰 924 9X2 +
66􀆰 838 4X3-0􀆰 000 2X21-0􀆰 015 3X22-
107􀆰 764 2X23
0􀆰 912 5 <0􀆰 01
Y2 = -204􀆰 431 6+0􀆰 615 3X1+1􀆰 739 8X2+
251􀆰 821 3X3-0􀆰 000 4X21-0􀆰 037 1X22-
351􀆰 325 7X23
0􀆰 960 4 <0􀆰 01
  注:P<0􀆰 05,具有统计学意义;其中 Y1、Y2分别代表载药量和包
封率。
2􀆰 3  效应面分析结果
根据表 1 中的综合指标 OD 值计算结果,分别
利用 statistica 6􀆰 0 软件绘制各因素对 OD 的二维等
高线图,见图 5~7。
图 5  X1 和 X2 的二维等高线
Fig􀆰 5  The contour plot of X1 and X2
图 6  X1 和 X3 的二维等高线
Fig􀆰 6  The contour plot of X1 and X3
图 7  X2 和 X3 的二维等高线
Fig􀆰 7  The contour plot of X2 and X3
从二维等高线图可以看出工艺条件的最佳范围:
X1为 570~630 r / min;X2为 25~30 mL;X3为0􀆰 31~0􀆰 42
g。 对回归方程进行分析得出最佳提取工艺:转速 600
r / min,液体石蜡 27 mL,乙基纤维素 0􀆰 36 g。
74  第 1期 吕大庆等:星点设计效应面法优化红花黄色素缓释微丸的制备工艺
2􀆰 4  处方优选工艺的验证
根据效应面法所得最佳工艺重复 3 次,所得结
果与预测值比较见表 3。
通过验证试验可知:红花黄色素微丸的载药量
为 16􀆰 28%、包封率 52􀆰 97% 和预测值 16􀆰 14%、
52􀆰 63%基本吻合,说明效应面法的提取工艺是比较
可靠稳定的。
表 3  试验验证结果
Table 3  Verification form of the experimental results


实际值 / % 平均值 / % 预测值 / %
载药量 包封率 载药量 包封率 载药量 包封率
1 16􀆰 23 53􀆰 04
2 16􀆰 35 52􀆰 95
3 16􀆰 27 52􀆰 92
16􀆰 28 52􀆰 97 16􀆰 14 52􀆰 63
图 8  稳定性试验结果
Fig􀆰 8  Results of stability experiment
2􀆰 5  稳定性试验
图 8为红花黄色素微丸的稳定性研究结果。 由
图 8可以看出:经过为期 60 d 的放置之后,微丸中
的药物保存良好;而药物样品中则只剩 40%。 所以
相比于药物样品,微丸中的药物稳定性得到了很大
的提高。
2􀆰 6  微丸的体外释放
红花黄色素微丸在溶出介质中的溶出曲线如
图 9所示。 由图 9 可以看出:微丸在模拟胃液中的
释放速度最快,6 h 接近释放完毕,在模拟肠液中释
放较缓慢。 在替换介质中,微丸前 2 h 在模拟胃液
中释放超过 40%,释放速度相对较快,可以较快达
到起效浓度,进入模拟肠液后相对于释放速度减
慢,具有良好的缓释性能。
3  结论
通过单因素和效应面优化法优化了红花黄色
素微丸的制备工艺,主要考察了搅拌速率、液体石
图 9  红花黄色素微丸体外释放曲线
Fig􀆰 9  Release curves of safflower yellow capsules
蜡量和乙基纤维素量的影响。 得出最佳制备条件
为转速 600 r / min,液体石蜡 27 mL,乙基纤维素
0􀆰 36 g。 在此最佳条件下,验证试验的包封率和载
药量与预测值基本吻合,说明本方法具有较好的预
测性。 所制得微丸粒径均匀圆整度好,配方简单,
工艺流程简便易行,作为一种口服缓释制剂,前景
广阔。
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(责任编辑  周晓薇)
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