基于G1-熵權法和響應面設計優化黃芪丹香顆粒的成型工藝

陳笑宇，李冬冬，趙詩聰，吳香婷，朱日，劉英鏈，楊錦竹※，金向群※

（1.吉林大學藥學院，吉林 長春 130021；2.吉林省正和藥業集團股份有限公司，吉林 通化 134001）

黃芪丹香顆粒是以黃芪、丹參和木香3味藥材為原料制成的中藥復方制劑，可以通過抑制胃酸分泌[1]，抑制脂質過氧化反應[2]，增加胃黏膜血流量，促進胃黏膜上皮細胞增生和黏液分泌[3]，促進胃腸蠕動[4]等多條途徑協同發揮抗潰瘍和胃黏膜保護作用，用于胃黏膜損傷的修復與輔助治療。

課題組前期已對黃芪丹香顆粒的提取工藝進行了優化，并按照優化的提取工藝得到干膏粉。由于提取率較高，每日服用量大，且胃黏膜損傷患者多為老年人，考慮到服用依從性，因此選擇制成顆粒劑。本實驗以稀釋劑用量比例、潤濕劑濃度和潤濕劑用量作為考察因素，以成型率、吸濕率和休止角作為評價指標，采用G1-熵權法對各評價指標賦權，最后應用Box-Behnken響應面法進行3因素3水平設計，優化黃芪丹香顆粒的成型工藝，為后續制劑的進一步研究提供依據。

1 儀器與材料

1.1 儀器

HYL-1001型多功能粉體物理特性測試儀（丹東市浩宇科技有限公司），ZY029型藥物穩定性檢查儀（天津藥典標準儀器廠），DHG-9207BS型電熱恒溫干燥箱（寧波揚輝儀器有限公司），YP1201A型電子天平（上海蒲春計量儀器有限公司）。

1.2 材料

干膏粉（實驗室自制，由黃芪、丹參和木香3味藥材提取制得，藥材均購自山東舜生堂中藥飲片有限公司，經吉林大學藥學院金向群教授鑒定均為正品，符合2020版《中國藥典》一部各項下規定），山梨糖醇、微晶纖維素、糊精、乳糖和可溶性淀粉均為藥用級輔料，購自安徽山河藥用輔料股份有限公司。所用水為雙蒸水，實驗室自制；無水乙醇購自吉林省金泰化玻有限公司；其余化學試劑均為分析純。

2 方法與結果

2.1 顆粒的制備

精密稱取干膏粉及相應比例的輔料，混合均勻，加入相應量的一定濃度乙醇溶液制軟材，過14目篩，放置烘箱中50℃鼓風烘干，整粒，即得。

2.2 考察指標

2.2.1 成型率 將干燥后顆粒的重量記做M1，并對其進行整粒，收集通過14目但未通過60目篩的顆粒，稱定重量，記做M2，計算成型率。計算公式為：

2.2.2 吸濕率 將干燥至恒重的稱量瓶開蓋置于藥物穩定儀中（溫度：25℃，相對濕度：75%），預飽和24 h，精密稱定稱量瓶質量（m1）。將適量所測樣品均勻平鋪于稱量瓶中，稱定質量（m2）。將稱量瓶開蓋放置上述條件的藥物穩定儀中，48 h后再精密稱定質量（m3），計算其吸濕率。計算公式為：

2.2.3 休止角 使用多功能粉體物理特性測試儀測定休止角，測定時開啟振動篩，使顆粒從加料口緩緩落到平臺，并呈對稱的圓錐體，停止后關閉振動篩，用測角器在圓錐體的3個不同位置測定，取平均值，即為休止角。

2.3 稀釋劑種類的選擇

中藥提取物吸濕性較強，極易吸潮，吸潮后誘發黏性，使干膏粉結塊，流動性變差、表面顏色加深，不僅會給后續的制粒生產帶來困難，也會降低藥品的質量和療效[5]。本課題所得干膏粉為棕黃色粉末，易吸濕。因此，需要加入合適的稀釋劑來改善其吸濕性和流動性。

選擇山梨糖醇、微晶纖維素、糊精、乳糖和可溶性淀粉等5種中藥顆粒劑常用輔料，將其與干膏粉分別按照1:1的比例等量混勻，置于藥物穩定儀中（溫度：25℃，相對濕度：75%），參照“2.2.2”項下吸濕率的測定方法，在2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h稱定質量（m3），計算各時間點的吸濕率。以時間為橫坐標，吸濕率為縱坐標，繪制吸濕曲線圖，結果見圖1，并記錄72 h后各組混合物的外觀狀態。

圖1 不同稀釋劑與干膏粉等量混合的吸濕曲線圖Fig.1 The hygroscopic curves of different diluents mixed equally with dry extract powder

72 h后山梨糖醇組液化，微晶纖維素組完全結塊，其余各組均部分結塊，顏色加深。結合圖1可知，乳糖、糊精與干膏粉混合后表現出較好的抗濕性。由于乳糖部分人服用會出現不耐受的癥狀[6]，而且價格較高，工業化生產會極大提高成本而糊精使用廣泛，價格合理，易溶于熱水，屬于無糖輔料，適宜合并患有糖尿病的患者服用，因此選擇糊精作為本品的稀釋劑。

2.4 單因素考察

2.4.1 稀釋劑用量比例的考察 確定糊精作為本品的稀釋劑后，需要進一步篩選糊精的用量比例，稀釋劑的用量主要改善顆粒劑的吸濕性。將糊精與干膏粉按照0.4:1、0.6:1、0.8:1、1:1、1.2:1比例混合均勻后，分別將其平鋪在已經恒重的稱量瓶中，置于藥物穩定儀中（溫度：25℃，相對濕度：75%），參照“2.2.2”項下吸濕率的測定方法，在2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h稱定質量（m3），計算各時間點的吸濕率。以時間為橫坐標，吸濕率為縱坐標，繪制吸濕曲線圖，結果見圖2。

圖2 不同比例稀釋劑與干膏粉混合后的吸濕曲線圖Fig.2 The hygroscopic curves of different proportions of diluents mixed with the dry extract powder

由圖2可知，糊精與干膏粉比例為0.4:1時，吸濕率較高，當比例超過0.6:1時，吸濕性得到顯著改善，且隨著比例的加大，改善效果逐漸趨于平緩。糊精加入量過大，會加大服用量，也會使制粒時軟材黏性變低，影響成型率。在確保具有足夠的抗濕性的前提下，應盡量減少輔料的用量，因此選擇糊精比例在0.6:1～1:1之間作進一步優化。

2.4.2 潤濕劑濃度的考察 本課題所得干膏粉黏性較大，因此選用一定濃度的乙醇溶液作為潤濕劑。根據糊精與干膏粉用量比例的考察試驗結果，選擇糊精與干膏粉按0.8:1的比例混合均勻，固定潤濕劑的用量為20%，用不同濃度的乙醇溶液進行濕法制粒，考察潤濕劑濃度對制粒效果和成型工藝的影響。結果見表1。

表1 潤濕劑濃度的考察Table 1 The investigation of the wetting agent concentration

由表1可知，各組間吸濕率差別不明顯，當乙醇濃度過高時，軟材松散，制得的顆粒中細粉較多；乙醇濃度過低，難以過篩，導致成型率低。潤濕劑濃度在87%～93%之間時制粒容易，顆粒成型率較高，且休止角都較低，因此選擇這一水平作進一步優化。

2.4.3 潤濕劑用量比例的考察 根據上述試驗考察結果，將糊精與干膏粉按0.8:1的比例混合均勻，以90%乙醇溶液作為潤濕劑，用量（體積）分別為混合粉重量的16%、18%、20%，、22%、24%和26%，考察潤濕劑不同用量對制粒效果和成型工藝的影響，結果見表2。

表2 潤濕劑用量的考察Table 2 The investigation of wetting agent dosage

由表2可知，潤濕劑用量在混合粉重量的20%～24%之間時，制粒容易，成型率高，且吸濕率和休止角均較低。因此選擇潤濕劑用量為20%～24%作進一步優化。

2.5 評價指標的賦權

2.5.1 G1法主觀賦權 G1法是在層次分析法（AHP）的基礎上改進的一種主觀賦權方法，與AHP相比，其優勢在于不需要構建判斷矩陣，減少了計算量，也無需進行一致性檢驗[7]。計算步驟如下[8]：

①確定評價指標，并對各指標的重要程度進行排序，記為Z1＞Z2＞…＞Zm，其中m為評價指標個數。

②確定相鄰指標間的權重評價標度

③按下列公式計算G1法主觀權重系數

本實驗以成型率、吸濕率、休止角作為顆粒的評價指標，分別設定為Z1、Z2、Z3，并規定3個指標的優先順序為成型率＞吸濕率＞休止角，權重評價標度分別為r2=1.2，r3=1.4。

2.5.2 熵權法客觀賦權 熵權法是根據各指標實驗數據所提供信息量的大小來確定權重系數的方法。各指標數據差異大，其熵值越小，提供的信息量越大，所占的權重也越高[9]。

計算步驟如下[8,10]：

①數據的標準化處理

對于高優指標（成型率）的標準化：

對于低優指標（吸濕率，休止角）的標準化：

式中Xij代表的是第i個評價指標的第j項數值，max{Xij}為Xij中的最大值，min{Xij}為Xij中的最小值。在標準化的過程中，為了后面的計算，加入了平移步驟，即各數值均加0.000 01。

②計算各指標的熵值Hi

K=1/lnn，n為各指標中的數據個數

③計算熵權法客觀權重

2.5.3 組合權重系數的確定 由G1法得到的主觀權重系數為W1，由熵權法得到的客觀權重系數為W2，根據下列公式[11]計算組合權重系數Wj。

2.6 Box-Behnken試驗設計與結果分析

2.6.1 因素與水平的設定 在單因素實驗的基礎上，確定了稀釋劑用量比例，潤濕劑濃度，潤濕劑用量3個自變量的優化水平，以顆粒成型率、吸濕率和休止角3個指標的綜合評分為因變量，采用Box-Behnken試驗設計優化成型工藝。因素水平見表3。

表3 因素水平的設定Table 3 The settings of factor and level

2.6.2 Box-Behnken設計及結果 由G1法求得的主觀權重系數為W1。根據響應面試驗設計的結果，應用熵權法計算得到的客觀權重系數為W2，根據組合權重的計算公式得到各指標的最終權重系數，結果見表4。確定各指標權重系數后得到綜合評分的計算公式，再計算各組試驗的綜合評分，結果見表5。

表4 評價指標權重系數Table 4 The weight coefficient of evaluation indexes

表5 Box-Behnken設計與結果Table 5 The design and results of Box-Behnken

綜合評分（comprehensive score）=（0.497 7成型率/成型率最大值+0.276 9 吸濕率最小值/吸濕率+0.225 5 休止角最小值/休止角）100

2.6.3 模型擬合與響應面分析 應用Design-Expert 8.0.6軟件對實驗結果進行分析，得到回歸方程Y=96.54+1.50A+0.70B 0.061C 0.77AB+0.20AC 0.20BC 4.61A21.86B21.56C2,方差分析見表6，各因素3D響應曲面圖見圖3。由表6可知，模型P＜0.01，極具顯著性，說明回歸模型具有統計學意義。失擬項不具有顯著性（P＞0.05），且相關系數R2為0.981 2，表明模型與試驗擬合度良好，可用于成型工藝的分析和預測。在回歸模型中，一次項A、B顯著，C不顯著，交互項AB顯著，其余不顯著，二次項均顯著。通過P值的大小，判斷各因素對成型工藝影響的大小順序為稀釋劑用量比例＞潤濕劑濃度＞潤濕劑用量；交互項AB顯著，說明稀釋劑用量和潤濕劑濃度的交互作用對綜合評分有顯著影響。由3D響應曲面圖各因素的陡峭程度可知，稀釋劑用量比例和潤濕劑濃度的影響較大，與方差分析結果一致。

表6 方差分析結果Table 6 The results of variance Analysis

圖3各因素3D響應曲面圖Fig.3 The 3D response surface diagrams of different factors

2.7 響應面優化與工藝驗證

通過Design-export 8.0.6軟件優化得到的最佳制劑工藝為：稀釋劑與干膏粉的比例為0.83:1，潤濕劑濃度為90.48%，潤濕劑用量為21.96%,此時綜合評分為96.70?？紤]到生產實際和可操作性，調整制劑工藝為稀釋劑與干膏粉的比例為0.8:1，以90.5%的乙醇溶液作為潤濕劑，用量為混合粉重量的22.0%。按照調整后的制劑工藝進行3次平行驗證試驗，計算成型率、吸濕率、休止角和綜合評分，結果見表7。

表7 驗證試驗結果Table 7 The result of verification

由表7可知，3次平行試驗各指標結果均良好，且較為接近，RSD均＜2%。綜合評分的平均值為95.69，與預測值接近，說明優選的制劑工藝穩定可行，適用于工業化生產。

2.8 臨界相對濕度的測定

取7個玻璃干燥器，配置下表中7種代表不同濕度的飽和鹽溶液，配制后將干燥器置于藥物穩定儀（只開啟溫度，溫度：25℃）中，得到相應的恒溫恒濕環境。稱取按照最終制劑工藝制得的干燥顆粒約2 g，共6份，均勻平鋪于已經恒重的稱量瓶中，精密稱定，分別放置相應的干燥器中，一周后測定重量，計算吸濕率。結果見表8。以相對濕度作為橫坐標，以每組的吸濕率作為縱坐標繪制吸濕曲線，在曲線的第2個點和第6個點作切線，得到相應的切線方程，倆條切線交點代表的濕度值即為本顆粒的臨界相對濕度。結果見圖4。倆條切線方程分別為y=0.114 6x 1.636 4、y=0.811 3x 49.196 3，計算求得本顆粒的臨界相對濕度為68.26%，建議生產、存儲、運輸等過程中應控制環境濕度在68%以下。

圖4 黃芪丹香顆粒吸濕曲線圖Fig.4 The hygroscopic curve of Huangqi Danxiang granules

表8 不同相對濕度條件下的吸濕率測定結果Table 8 Hygroscopicity measurement results under the different relative humidity conditions

3 討論

中藥顆粒是將中藥材的提取物與適宜輔料或與部分藥材細粉混勻，制成的干顆粒狀制劑，是傳統中藥飲片和湯劑的改良產品，既保持了湯劑吸收快、顯效迅速的特點，又解決了傳統中藥服用、攜帶不方便的問題，劑量準確、安全有效，是現代中藥的常用劑型之一[12,13]。中藥顆粒劑制備工藝的主要評價指標有成型率、吸濕率、休止角和溶化性。本課題藥材采用水提工藝，所得干膏水溶性良好，在預實驗中將糊精與干膏粉分別按照0.6:1、0.8:1、1:1的比例混合均勻后，根據2020版《中國藥典》顆粒劑項下溶化性檢查方法進行檢查，結果發現溶化性均符合要求，因此評價指標不再選擇溶化性。成型率體現產率的高低，吸濕率是衡量中藥顆粒質量的關鍵指標，休止角表征顆粒的流動性對工業化生產中的灌裝、分劑量具有重要意義，所以采用這3個指標評價的綜合評分優選成型工藝。

在用多個指標評價工藝時，指標的權重系數是必須考慮的一個重要問題，直接關系到其對總體貢獻率的大小，因此權重系數的合理性也決定了優選工藝的合理性。以往的研究多采用主觀賦權法，主觀性較強，常常忽略了實驗數據中的信息[14]。本實驗采用G1-熵權法賦予權重，既考慮了人為對指標重要程度的判斷，又兼顧了實驗數據信息的客觀性，結合了主觀賦權法解釋性強和客觀賦權法精確度高的優點[15]，保證實驗結果的科學性和可靠性。