基于質量源于設計理念和信息熵賦值法優化陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝

施文婷 劉遠俊 張蘭蘭 林榮楷 劉權震 黃森 劉燎原

陳皮配方顆粒是由陳皮飲片經水提、分離、濃縮、干燥、制粒而成,具有藥效好、免煎煮、服用方便等優勢,臨床應用廣泛。質量源于設計(quality by design,QbD)是一種系統性研究方法,是通過試驗設計來評價關鍵質量屬性和關鍵工藝參數間的關系模型。在多響應變量下,通過構建設計空間來確定最佳工藝參數范圍,從而建立穩定可靠的生產工藝,最終保障產品質量[1-3]。中藥制劑工藝包括飲片炮制、提取、濃縮、干燥、制劑成型等環節,各工藝單元對中間體及制劑成品均會產生影響。基于質量源于設計理念對全過程進行風險防控,可以明確工藝參數與質量指標的關系,進一步確定關鍵工藝的評價指標。識別關鍵質量屬性和關鍵工藝參數是建立中藥制劑設計空間的前提,在保證中間體和成品質量的穩定傳遞中發揮重要作用[4]。

本試驗基于質量源于設計理念對陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝展開研究,結合信息熵賦值法以得粉率、蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素和橘皮素含量作為關鍵質量屬性,通過Plackett-Burman試驗設計篩選關鍵工藝參數,中心點復合設計優化關鍵工藝參數,建立陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝的數學模型和設計空間,并進行工藝驗證,為該制劑的生產及過程質量控制提供參考依據。

1 儀器與試藥

1.1 實驗儀器

Waters H-Class型超高效液相色譜儀(美國Waters公司);XP26型百萬分之一天平、ME204E型萬分之一天平(瑞士METTLER TOLEDO公司);Milli-Q Direct型超純水系統(德國Merck公司);B-290型噴霧干燥儀(瑞士BUCHI有限公司);KQ-500DE型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);JJ2000B型百分之一天平(常熟市雙杰測試儀器廠);TC-15型套式恒溫器(海寧市新華醫療器械廠);YRE-501型旋轉蒸發儀(鞏義市予華儀器有限責任公司);DLSB-5/20型低溫冷卻液循環水泵(鄭州長城科工貿有限公司);DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏試驗設備有限公司)。

1.2 試藥

橙皮苷(批號:110721-202019,純度95.3%)對照品購自中國食品藥品檢定研究院;蕓香柚皮苷(批號:wkq19041908,純度≥98%)、川陳皮素(批號:wkq20031701,純度≥98%)對照品購自四川省維克奇生物科技有限公司;橘皮素(批號:151021,純度≥98%)對照品購自成都普菲德生物技術有限公司;甲醇、乙腈為色譜純(德國Merck公司),冰醋酸為色譜純(天津市科密歐化學試劑有限公司),水為超純水,其余試劑均為分析純。

陳皮藥材(批號:YL2103011)經廣東一方制藥有限公司孫冬梅主任中藥師鑒定為蕓香科植物橘CitrusreticulataBlanco的干燥成熟果皮。

2 方法與結果

2.1 陳皮清膏的制備

依據《中藥配方顆粒質量控制與標準制定技術要求》的相關規定[5],確定陳皮清膏的制備方法為:取陳皮飲片適量,加水煎煮兩次,第一次加9倍量的水,浸泡30分鐘,加熱煎煮30分鐘,用350目篩趁熱過濾;第二次加6倍量的水,加熱煎煮25分鐘,用350目篩趁熱過濾,合并兩次濾液,減壓濃縮至相對密度為1.12(70℃)的清膏樣品,保存備用。

2.2 浸膏粉得粉率計算

每組試驗取一定含固量的陳皮清膏,置于磁力攪拌器上,按各試驗組要求設定所需工藝參數,在相對濕度為40%以下的環境中收集浸膏粉,計算每組試驗得粉率,計算公式為:浸膏粉得粉率(%)=浸膏粉量/清膏含固量×100%。

2.3 指標成分含量測定

2.3.1 色譜條件[6]色譜柱:Acclaim RSLC 120 C18(100 mm×2.1 mm,2.2 μm);流動相:乙腈(A)-0.5%冰醋酸溶液(B)梯度洗脫(0～15分鐘,13%→20% A;15～25分鐘,20%→34% A;25～44分鐘,34%→42% A;44～45分鐘,42%→13% A;45～50分鐘,13% A);流速:0.40 mL/min;柱溫:25℃;檢測波長:283 nm;進樣量:1.0 μL。

2.3.2 對照品溶液的制備 精密稱取蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素和橘皮素對照品適量,置5 mL量瓶中,加甲醇至刻度,搖勻,制成質量濃度分別為61.3520、300.1625、150.9600、100.2860 μg/mL的混合對照品溶液。

2.3.3 供試品溶液的制備 取陳皮浸膏粉約0.2 g,精密稱定,置具塞錐形瓶中,精密加入甲醇50 mL,稱定重量,超聲處理(功率300 W,頻率40 kHz)30分鐘,放冷,再稱定重量,用甲醇補足減失的重量,搖勻,濾過,取續濾液,即得。

2.4 方法學考察

2.4.1 專屬性試驗 分別精密吸取空白溶劑、混合對照品溶液及供試品溶液,照“2.3.1”項下色譜條件進樣測定,如圖1所示,供試品溶液色譜在與對照品溶液色譜相應的保留時間處有相同的色譜峰,且空白溶劑無干擾,表明該方法專屬性良好。

注:峰1:蕓香柚皮苷;峰2:橙皮苷;峰3:川陳皮素;峰4:橘皮素;A:空白溶劑;B:混合對照品溶液;C:供試品溶液。

2.4.2 線性關系考察 分別精密吸取“2.3.2”項下混合對照品溶液,加甲醇稀釋制成系列濃度的混合對照品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件進樣測定,記錄色譜圖。以對照品質量濃度(μg/mL)為橫坐標(X),以峰面積為縱坐標(Y),繪制標準曲線,進行線性回歸,得到各待測組分的回歸方程及線性范圍見表1。結果表明各成分在相應的濃度范圍內與峰面積的線性關系良好。

表1 線性關系考察結果(n=7)

2.4.3 精密度試驗 精密吸取“2.3.2”項下混合對照品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件連續進樣6次,計算蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素、橘皮素色譜峰峰面積的相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)均小于3%,表明儀器精密度良好。

2.4.4 重復性試驗 取同一份陳皮浸膏粉,按“2.3.3”項下方法平行制備6份供試品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件進樣測定。計算蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素和橘皮素含量的RSD均小于3%,表明該方法重復性良好。

2.4.5 穩定性試驗 精密吸取“2.3.3”項下供試品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件分別在0、2、4、6、8、12、24小時進樣測定,計算蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素和橘皮素色譜峰峰面積的RSD均小于3%,表明供試品溶液在24小時內穩定性良好。

2.4.6 加樣回收率試驗 取已知含量的陳皮浸膏粉適量,精密稱取9份,每份約0.1 g,置具塞錐形瓶中,分為3組,每組分別按高、中、低濃度精密加入混合對照品溶液。按“2.3.3”項下方法制備供試品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件進樣測定,記錄峰面積,計算加樣回收率及RSD,見表2。結果表明蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素、橘皮素的平均加樣回收率分別為99.80%、98.05%、98.93%、96.64%,RSD分別為2.82%、1.70%、2.89%、2.26%,均小于3%。表明該方法準確度良好。

表2 加樣回收率試驗結果(n=9)

2.5 數據處理

(1)數據標準化[7]:針對定量指標數據,考慮到數量級不同,因此要對指標進行無量綱化處理。本研究采用Hassan法分別對各指標進行數學轉換求“歸一值”,計算公式為:

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

(2)對標準化數據進行歸一化:即計算第j項指標下第i項評價項目指標值所占的比重(fij),計算公式為:

(3)計算各指標的信息熵:根據信息論中信息熵(Ej)的定義,計算公式為:

當fij=0,考慮到lnfij無意義,因此,對fij的計算進行修正,將其定義為

(4)計算各指標的熵權系數:根據Ej的計算公式,計算出各個指標的Ej為E1,E2,…,Em。通過Ej計算各指標的權重:

2.6 陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝優化

2.6.1 關鍵質量屬性和關鍵工藝參數的確定 2020年版《中國藥典》采用橙皮苷作為陳皮的含量測定成分[8];已出臺的陳皮配方顆粒國家標準亦采用橙皮苷作為含量測定成分,同時特征圖譜中以蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素、橘皮素作為其特征峰[6]。現代藥理研究表明,蕓香柚皮苷具有抗炎、抗氧化的作用[9];橙皮苷具有抗病毒、抗腫瘤、調節免疫力、保護心血管系統等作用[10];川陳皮素具有抗腫瘤、抗炎、改善記憶、抗氧化、影響血管平滑肌等多種生物活性[11];橘皮素具有抗腫瘤的作用[12]。浸膏粉的得粉率直接影響生產產量,因此將得粉率和蕓香柚皮苷、橙皮苷、川陳皮素、橘皮素的含量作為陳皮噴霧干燥工藝的關鍵質量屬性。采用魚骨圖進行關鍵工藝參數的初步篩選,結果見圖2。影響綜合評分的因素類別主要有設備、藥液、環境、工藝參數4大類,上述因素可再細化分類為9個影響因素。根據前期研究經驗及文獻分析[13-15],可確定藥液相對密度、藥液溫度、進料速度、進風溫度和霧化壓力為影響噴霧干燥工藝的關鍵因素。

圖2 陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝參數篩選魚骨圖

2.6.2 Plackett-Burman試驗篩選關鍵工藝參數 Plackett-Burman試驗設計可通過較少的試驗從眾多影響因素中快速、準確、高效地篩選出顯著因素,為進一步工藝優化研究提供支持[13]。采用Plackett-Burman試驗設計將藥液相對密度(A)、藥液溫度(B)、進料速度(C)、進風溫度(D)和霧化壓力(E)5個工藝控制點作為關鍵工藝參數,以得粉率(Y1)和蕓香柚皮苷(Y2)、橙皮苷(Y3)、川陳皮素(Y4)、橘皮素(Y5)的含量作為關鍵質量屬性,采用Minitab 16.0軟件設計試驗。由信息熵賦值法計算得到得粉率(Y1)、蕓香柚皮苷(Y2)、橙皮苷(Y3)、川陳皮素(Y4)、橘皮素(Y5)的權重分別是0.148、0.151、0.075、0.379、0.241,按綜合評分(OD)=0.148×Y1+0.151×Y2+0.075×Y3+0.379×Y4+0.241×Y5,計算各組試驗的綜合評分,試驗設計及結果見表3、表4。

表3 Plackett-Burman試驗設計因素水平表

表4 Plackett-Burman試驗結果

對Plackett-Burman試驗結果進行方差分析,結果見表5,可知藥液相對密度(A)和進料速度(C)對OD值有顯著影響(P<0.05),其它三個因素對OD值無顯著影響,即藥液相對密度(A)和進料速度(C)為陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝的關鍵工藝參數。

表5 Plackett-Burman試驗的方差分析結果

2.6.3 中心點復合設計試驗優化關鍵工藝參數 中心點復合設計是一類用于擬合響應曲面的設計方法,與傳統設計方法相比,該設計可以明顯減少試驗次數,提高試驗預測精準度,降低試驗的成本[16]。基于Plackett-Burman試驗結果,采用中心點復合設計試驗對藥液相對密度(A)和進料速度(C)進行工藝優化。根據生產經驗,固定其它3個因素的水平分別為進風溫度170℃,藥液溫度50℃,霧化壓力0.5 Mpa。采用Design Expert 8.0軟件設計試驗,由信息熵賦值法計算得到得粉率(Y1)、蕓香柚皮苷(Y2)、橙皮苷(Y3)、川陳皮素(Y4)、橘皮素(Y5)的權重分別是0.217、0.267、0.185、0.161、0.170,按綜合評分(OD)=0.217×Y1+0.267×Y2+0.185×Y3+0.161 ×Y4+0.170×Y5,計算各組試驗的綜合評分,試驗設計及結果見表6、表7。

表6 中心點復合設計試驗設計因素水平表

表7 中心點復合設計試驗結果

根據表7的數據,采用Design Expert 8.0軟件分別對5個關鍵質量屬性(Y1～Y5)及相應關鍵工藝參數(A、C)分別進行擬合,OD的回歸方程為:OD=0.61-0.17A-0.069C+0.04AC-0.00246A2-0.05C2,相應的方差分析見表8。OD與藥液相對密度(A)、進料速度(B)的響應面圖和等高線圖如圖3。

表8 方差分析及擬合優度分析

圖3 藥液相對密度和進料速度對OD值響應面圖與等高線圖

由表8可知,OD模型的P值為0.0002,小于0.05,模型成立;模型決定系數為0.9502,模型擬合程度較好;模型失擬項P值為0.1201>0.05,無失擬因素存在;模型精密度為15.382>4,模型精密度較理想;說明響應值OD的實際值與預測值之間有較好的擬合度,該模型可用來預測陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝的實際情況。藥液相對密度(A)、進料速度(C)的P值均<0.05,說明藥液相對密度和進料速度對陳皮配方顆粒浸膏粉的OD值均有顯著影響;AC的P值>0.05,說明AC的交互作用對OD值影響不顯著;C2的P值<0.05,表明進料速度對OD值的影響十分顯著。由圖3可知,進料速度在一定范圍內,藥液相對密度越低,OD值越高;藥液相對密度在一定范圍內,進料速度越低,OD值越低。

2.7 設計空間建立

在設定的參數空間內搜索滿足OD值大于0.7的所有因素組合,即構成設計空間,但由于模型的預測值與真實值之間存在一定差異,所以設計空間的邊界具有不確定性。為了應對設計空間邊界的不確定性,在定義設計空間時可加入置信水平α=0.05的置信區間,將設計空間優化,結果用Overlay polt展示,如圖4。圖中亮黃色區域為加入95%置信區間后的設計空間,在此設計空間所有的點都符合工藝目標的期望值;暗黃色區域為原設計空間內不可靠的部分,在此空間的所有點有5%的概率無法滿足工藝目標。因設計空間并不規則,不便對二者進行嚴格控制,為了便于操作,推薦的操作空間范圍藥液相對密度為1.04～1.05,進料速度為18%～32%。

圖4 加入95%置信區間的噴霧干燥工藝設計空間

2.8 驗證試驗

選取6個試驗點進行驗證試驗,用來檢驗所建模型的預測能力。試驗點過程參數及結果見表9。1號、2號和3號為95%置信區間內的點(圖4亮黃色區域),4號、5號和6號為95%置信區間外的點(圖4暗黃色區域)。對表9中OD值的實測值與預測值進行獨立樣品t檢驗比較,顯著性均大于0.05,實測值與預測值無顯著差異,說明設計空間具有較好的預測性。

表9 驗證實驗結果

3 結論

長期以來,中藥制劑質量依靠終端檢驗而非過程控制,忽略了對原料質量屬性和生產工藝過程的理解,無法預測生產過程中可能發生的問題,多數情況下僅依靠經驗判斷,難以保證產品質量穩定可控。與傳統的質量源于檢驗(quality by testing,QbT)理念相比,質量源于設計將質量控制重心移至原料控制和制藥過程控制,制訂有針對性的策略,使產品質量始終介于可接受范圍內,適用于中藥生產,有利于藥品質量的風險管理和持續改進[4]。

本研究將質量源于設計理念應用于陳皮配方顆粒噴霧干燥工藝優化實驗中,采用Plackett-Burman試驗設計和中心點復合設計試驗設計優選出藥液相對密度和進料速度兩個關鍵工藝參數,建立噴霧干燥工藝的設計空間,并進行驗證,驗證結果表明工藝參數在該設計空間內能保證陳皮配方顆粒噴霧干燥過程和產品質量的穩定。同時采用信息熵賦值法計算各關鍵質量屬性的權重,使綜合評分結果更科學、合理,避免了主觀因素對試驗結果造成誤差。將質量源于設計理念運用于中藥制劑工藝的研發,同時采用科學的試驗方法構建設計空間,可提升中藥配方顆粒質量的穩定性,有利于提高中藥配方顆粒的整體質量水平。