基于危害及可操作性分析的設(shè)計(jì)空間法優(yōu)化紅參醇提工藝

趙芳+龔行楚+瞿海斌

[摘要]基于質(zhì)量源于設(shè)計(jì)理念，采用危害及可操作性分析法與設(shè)計(jì)空間法對紅參醇提工藝進(jìn)行優(yōu)化。首先采用危害及可操作性分析法結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對醇提工藝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定乙醇濃度、醇料比和提取時(shí)間為關(guān)鍵工藝參數(shù)，然后采用BoxBehnken設(shè)計(jì)法建立關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)間的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)算設(shè)計(jì)空間，最終選取的操作空間為：醇濃度903%～907%，醇料比25～31 mL·g-1，每次提取時(shí)間124～130 min。結(jié)果表明，該研究方法能降低紅參醇提工藝各參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)水平，為提高工藝控制水平提供了新思路。

[關(guān)鍵詞]紅參；提取；質(zhì)量源于設(shè)計(jì)；危害及可操作性分析；設(shè)計(jì)空間

[Abstract]Quality by design principle was used as a guideline in this study to optimize ethanol reflux extraction of red ginseng Firstly， hazard and operability analysis（HAZOP） was used as a risk assessment tool to evaluate the hazard degree of process parametersEthanol concentration， the ratio of alcohol and herbal material （A/M ratio）， and extraction time were identified as the critical process parameters（CPPs） according to HAZOP methodSecondly， BoxBehnken experimental design was applied to establish theregression models between CPPs and the process indices Finally， the design space was calculated The recommended operation space of parametersis as follows：alcohol concentration of 903%907%， A/M ratio of 2531 mL·g-1 and extraction time of 124130 min The study shows that the design space approach combined with the risk assessment using HAZOP has the potential to reduce the risk of red ginseng extraction process， which might ultimately improve the process control

[Key words]red ginseng； extraction； quality by design； hazard and operability analysis； design space

近年來，在美國FDA倡導(dǎo)下，質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（quality by design，QbD）理念在國際制藥領(lǐng)域產(chǎn)品和工藝的開發(fā)和優(yōu)化中得到大力推行[1]。QbD理念基于質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)，強(qiáng)調(diào)理解藥品及其生產(chǎn)過程，重視生產(chǎn)過程控制，建立能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)過程輸入（如物料性質(zhì)）和過程參數(shù)組合的范圍，即設(shè)計(jì)空間。俞翔等較早將QbD理念應(yīng)用于中藥生產(chǎn)過程質(zhì)量控制[2]，有助于理解中藥生產(chǎn)工藝，提高質(zhì)量控制水平。隨后多位研究者報(bào)道了利用風(fēng)險(xiǎn)分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)等手段在中藥提取[35]、醇沉[67]、水沉[8]、色譜[9]、脫色[10]等工藝環(huán)節(jié)建立設(shè)計(jì)空間的案例。

危害及可操作性分析（hazard and operability analysis，HAZOP）是常用的風(fēng)險(xiǎn)分析方法[11]。HAZOP法假設(shè)生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)事件是由設(shè)計(jì)或操作產(chǎn)生了偏差而導(dǎo)致的，已在石油、化工、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[12]。將HAZOP應(yīng)用于辨識(shí)中藥生產(chǎn)過程中的潛在危害參數(shù)（potential hazardous parameter，PHP），有助于提升中藥生產(chǎn)過程的質(zhì)控水平。

參麥注射液是在中醫(yī)古方“生脈散”基礎(chǔ)上研制的中藥制劑，在臨床上主要用于心力衰竭、心律不齊等心血管疾病的治療，另外也常用作抗腫瘤藥的輔助用藥，由紅參和麥冬2味藥材經(jīng)醇提水沉工藝制得[1314]。本研究以紅參乙醇回流提取為例，采用HAZOP法對工藝參數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，辨識(shí)高風(fēng)險(xiǎn)的PHP，將可控性強(qiáng)的PHP作為關(guān)鍵工藝參數(shù)（critical process parameters，CPP）。在此基礎(chǔ)上采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立CPP與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的定量模型，構(gòu)建提取工藝設(shè)計(jì)空間并進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到降低工藝風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1材料

分析天平（AB204N，XS105，梅特勒托利多上海有限公司）、電子天平（SE6001，奧豪斯儀器有限公司）、超純水機(jī)（MilliQ，美國Millipore公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG9123A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、高效液相色譜儀（Agilent 1100型，Agilent科技有限公司，配四元梯度泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱、紫外檢測器、ELSD檢測器、ChemStation工作站）、恒溫槽（THD1008W，寧波天恒儀器廠）、紫外可見分光光度計(jì)（Cary60，Agilent公司）。

紅參（產(chǎn)地吉林，批號(hào)20141014，大理藥業(yè)股份有限公司提供）。果糖對照品[批號(hào)B1625030，阿拉丁試劑（上海）有限公司]，蔗糖對照品[批號(hào)WXBB0906V，西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司]，麥芽糖對照品[批號(hào)SLBL5443V，西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司]。人參皂苷Rg1對照品（批號(hào)140729），人參皂苷Re對照品（批號(hào)140721），人參皂苷Rb1對照品（批號(hào)140723），人參皂苷Rc對照品（批號(hào)160507），人參皂苷Rb2對照品（批號(hào)160323），人參皂苷Rd對照品（批號(hào)140719），均購自上海融禾醫(yī)藥科技有限公司；人參皂苷Rf對照品由吉林大學(xué)陳燕萍教授提供。無水乙醇購自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，去離子水由水純化系統(tǒng)（MilliQ，Milford公司）制備，色譜純乙腈購自Merck公司。

2方法

21HAZOP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的要求，對紅參的乙醇回流提取所使用的工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。HAZOP法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的步驟包括[15]： ①組成由研究人員、車間技術(shù)人員和操作人員形成的評(píng)價(jià)小組，確定分析對象；②整理出工藝所涉及的所有參數(shù)，分析存在的危害及程度，辨識(shí)出PHP，當(dāng)易控時(shí)將其作為CPP；③選擇引導(dǎo)詞（guidewords），如多余、過大、過小、部分、其他等，對相應(yīng)參數(shù)的偏差進(jìn)行描述；④按關(guān)鍵詞逐一分析每個(gè)操作步驟可能產(chǎn)生的偏差，確認(rèn)實(shí)際生產(chǎn)中所存在的可能產(chǎn)生偏的的參數(shù)；⑤參照現(xiàn)有的生產(chǎn)過程，分析可能造成的結(jié)果，包括設(shè)備損壞、質(zhì)量波動(dòng)、經(jīng)濟(jì)損失等。

22樣品制備

準(zhǔn)確稱取30 g紅參飲片，置于玻璃夾套提取罐中，加入一定量乙醇，加熱回流提取一定時(shí)間，濾過，收集濾液。相同條件下，1份飲片共回流提取6次，所用單次提取時(shí)間及溶劑均相同，合并濾液，密封后常溫放置。

23試驗(yàn)設(shè)計(jì)

231工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定選擇單位藥材中的總糖提出量，總固體提出量，以及人參皂苷Rg1，Re，Rf，Rb1，Rc，Rb2，Rd等7種皂苷的提出量，共計(jì)9個(gè)質(zhì)量參數(shù)為工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)。

232BoxBehnken設(shè)計(jì)采用BoxBehnken設(shè)計(jì)方法研究紅參乙醇回流提取PHP和工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的定量關(guān)系。工藝參數(shù)水平范圍見表1，工藝設(shè)計(jì)見表2。

24分析方法

總固體含量的測定采用干燥失重法[16]，計(jì)算公式如下。

趙芳等：基于危害及可操作性分析的設(shè)計(jì)空間法優(yōu)化紅參醇提工藝總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)=恒重后固體質(zhì)量1樣品質(zhì)量（1）

7個(gè)人參皂苷濃度的測定采用高效液相色譜與紫外檢測器聯(lián)用法（HPLCUV）[17]。分析條件：色譜柱為Agilent Zorbax SB C18柱（46 mm×250 mm，5 μm）；以005%磷酸水為流動(dòng)相A，以005%磷酸乙腈為流動(dòng)相B，梯度洗脫（0 min，18%B；0～26 min，18%～20%B；26～35 min，20%～30%B；35～50 min，30%～32%B；50～57 min，32%～33%B；57～65 min，33%～40%B）；流速15 mL·min-1；檢測波長203 nm；柱溫35 ℃；進(jìn)樣量10 μL。

紅參醇提液中含有的糖類主要為果糖、蔗糖及麥芽糖[1819]，本研究以果糖濃度、蔗糖濃度及麥芽糖濃度之和來表征提取液中總糖濃度。糖類濃度的測定采用高效液相色譜與蒸發(fā)光散射檢測器聯(lián)用法（HPLCELSD）[19]，分析條件：色譜柱為Grace Prevail Carbonhydrate ES （46 mm×250 mm，5 μm）；流動(dòng)相為乙腈水（70∶30）；流速1 mL·min-1；柱溫30 ℃；進(jìn)樣量10 μL。ELSD檢測器條件為：氮?dú)饬髁?0 L·min-1；漂移管溫度100 ℃；增益20；碰撞器關(guān)。

25數(shù)據(jù)處理

單位藥材的總固體提出量、總糖提出量及7個(gè)人參皂苷的提出量的計(jì)算如下。

總固體提出量=提取液固含量×提取液總質(zhì)量1藥材用量（2）

總糖提出量=提取液總糖濃度×提取液總體積1藥材用量（3）

人參皂苷提出量=提取液中人參皂苷濃度×提取液總體積1藥材用量（4）

為描述紅參醇提關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，采用多元線性回歸法建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的基本形式如下。

Y=a0+∑3i=1aiXi+∑3i=1aiiX2i+∑2i=1∑3j=i+1aijXiXj（5）

其中，a0為常數(shù)，ai，aii與aij表示各項(xiàng)回歸系數(shù)，Y表示紅參醇提工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)，Xi為關(guān)鍵工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上采用MODDE軟件提供的Monte Carlo方法計(jì)算獲得設(shè)計(jì)空間。參數(shù)設(shè)置：分辨率為64，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算模擬次數(shù)為3萬次，每個(gè)工藝指標(biāo)以2%作為失敗概率的最大值，小于等于該概率的工藝參數(shù)組合屬于設(shè)計(jì)空間之內(nèi)。

所有計(jì)算由Microsoft Office Excel 2013 （Microsoft，USA）和MODDE Pro 1101（MKS Umetrics，Sweden）軟件完成。

3結(jié)果

31HAZOP風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

利用魚刺圖分析可以找到影響提取過程的工藝參數(shù)和設(shè)備監(jiān)測參數(shù)，見圖1。這些參數(shù)主要涉及5個(gè)方面：藥材、環(huán)境因素、設(shè)備、溶劑和提取工藝操作條件HAZOP風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果見表3。

表3所列的中、高風(fēng)險(xiǎn)的潛在危害參數(shù)如控制不當(dāng)，單位紅參飲片對應(yīng)的溶劑量、溶劑醇含量、提取時(shí)間等參數(shù)可能出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致不同批次的提取液某些化學(xué)組分的提出量產(chǎn)生差異。綜上所述，HAZOP分析結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)情況，本研究將溶劑醇含量、單次提取時(shí)間、醇料比設(shè)定為需要進(jìn)一步通過工藝設(shè)計(jì)來優(yōu)化的CPP。

32關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)之間回歸模型的建立

根據(jù)優(yōu)化要求，需要建立CPP的設(shè)計(jì)空間，在此基礎(chǔ)上給出操作空間。本研究采用BoxBehnken法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，結(jié)果見表4。1 g紅參藥材能提出970～3155 mg的總固體；糖類提出量為573～1983 mg·g-1生藥。提出物中，總糖質(zhì)量約占總固體質(zhì)量的50%～70%，7個(gè)人參皂苷的總質(zhì)量約占總固體質(zhì)量的5%～8%。其中，人參皂苷Rb1提出量最高，為2039～5137 mg·g-1生藥，人參皂苷Rg1和人參皂苷Rc次之，人參皂苷Rd的提出量最少。

采用MODDE軟件建立多元線性回歸模型，經(jīng)模型及系數(shù)顯著性分析，得到模型的回歸系數(shù)、R2以及調(diào)整R2見表5。

大部分模型的調(diào)整R2大于08，提取量較少的Rc和Rd，其調(diào)整R2接近08，說明模型能解釋大部分變異。對所有指標(biāo)，X1的系數(shù)均P<0001，說明乙醇濃度對醇提工藝影響顯著。對大部分指標(biāo)，X2的系數(shù)均P<0001，說明提取時(shí)間對醇提工藝的影響也較為顯著。X3僅對總固體提出量與總糖提出量影響顯著，相應(yīng)系數(shù)均P<01。

在工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，從所有人參皂苷提出量的回歸模型可以看出，X1和X12系數(shù)均為負(fù)值，X2系數(shù)均為正值，說明隨著醇濃度的降低和單次提取時(shí)間的延長，人參皂苷提出量均變大；X3在人參皂苷提出量模型中無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這說明在固定醇濃度和提取時(shí)間時(shí)，人參皂苷提出量不受醇料比變化而變化。從總固體和總糖提出量的回歸模型可以看出，X1系數(shù)為負(fù)值，X2與X3的系數(shù)為正值，說明隨著醇濃度的降低、提取時(shí)間的延長及醇料比的變大，總固體和總糖的提出量變大。

以上規(guī)律為紅參醇提工藝參數(shù)優(yōu)化提供了思路：在精準(zhǔn)控制醇濃度、采取較長的提取時(shí)間的情況下，使用較低的醇料比有利于在提取工藝中獲得更多的人參皂苷，同時(shí)可以盡可能減少糖類的提出。

33設(shè)計(jì)空間的計(jì)算和驗(yàn)證

331工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)范圍設(shè)置人參皂苷Rg1，Re，Rf，Rb1，Rc，Rb2，Rd等作為參麥注射液的有效成分，具有抗氧化，抗衰老，抗腫瘤等生物活性[13]，

所以希望在生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)中保證其有盡可能大的轉(zhuǎn)移率。果糖、蔗糖及麥芽糖在制劑時(shí)會(huì)部分轉(zhuǎn)化生成5羥甲基糠醛，可能對人體橫紋肌和內(nèi)臟有損害[20]，所以將這幾種糖類作為需要限制的成分。在工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，為進(jìn)一步提升工藝品質(zhì)，設(shè)定以下提取工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：對單位藥材的人參皂苷提出量不設(shè)上限，對總糖提出量設(shè)置上限，對總固體提出量設(shè)置上下限，見表6。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，采用32項(xiàng)所得回歸模型，用MODDE軟件計(jì)算得到設(shè)計(jì)空間。

332設(shè)計(jì)空間根據(jù)表6計(jì)算得到的不同醇料比下的概率設(shè)計(jì)空間見圖2。圖片中數(shù)字為工藝參數(shù)落在相應(yīng)區(qū)域時(shí)，工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)未能達(dá)標(biāo)的概率。

a醇料比=25 mL·g-1；b醇料比=28 mL·g-1 ；c醇料比=31 mL·g-1；顏色由綠至紅的漸變表示相應(yīng)工藝條件下，響應(yīng)值不符合要求的概率（失敗概率）由1%逐漸增大。

在工藝指標(biāo)達(dá)標(biāo)概率均≥98%的設(shè)計(jì)空間范圍內(nèi)選擇最合適的操作空間。結(jié)合32項(xiàng)中提出的關(guān)鍵工藝參數(shù)對紅參醇提工藝指標(biāo)的影響規(guī)律，最終選擇的操作空間為：乙醇濃度903%～907%，醇料比25～31 mL·g-1，每次提取時(shí)間124～130 min。

333設(shè)計(jì)空間的驗(yàn)證為驗(yàn)證設(shè)計(jì)空間的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)、外取點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。具體驗(yàn)證點(diǎn)及驗(yàn)證結(jié)果見表7。從驗(yàn)證結(jié)果可知，預(yù)測值和實(shí)測值接近，說明所建模型有較好的預(yù)測性能；設(shè)計(jì)空間內(nèi)驗(yàn)證點(diǎn)所得提取液指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，而設(shè)計(jì)空間外驗(yàn)證點(diǎn)所得提取液中總固體提出量及個(gè)別人參皂苷提出量未達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)，說明在設(shè)計(jì)空間內(nèi)操作能保證較好的工藝品質(zhì)。

4討論

本研究以QbD理念為指導(dǎo)原則，以參麥注射液生產(chǎn)過程中紅參的乙醇提取工藝優(yōu)化為例展開研究。首先通過HAZOP法分析紅參醇提工藝中涉及的各個(gè)工藝參數(shù)，確定乙醇濃度、醇料比及提取時(shí)間為關(guān)鍵工藝參數(shù)；接著選取總糖提出量、總固體提出量、7個(gè)在參麥注射液中含量較高的人參皂苷提出量為工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)。然后采用BoxBehnken設(shè)計(jì)法建立關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)間的數(shù)學(xué)模型，最后計(jì)算獲得設(shè)計(jì)空間。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參麥注射液生產(chǎn)過程中紅參醇提工藝的推薦操作空間為903%～907%乙醇，醇料比在25～31 mL·g-1，每次提取時(shí)間124～130 min?？傮w來看，選擇較低的醇料比和醇濃度，以及較長的提取時(shí)間，有利于獲得人參皂苷含量較高而糖類含量較低的紅參提取液。

HAZOP法相比其他基于理論分析和文獻(xiàn)調(diào)研的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對中藥的生產(chǎn)過程優(yōu)化有更好的適用性和實(shí)用性。通過理論分析與科學(xué)設(shè)計(jì)，基于HAZOP法建立的設(shè)計(jì)空間能夠?qū)⑷斯そ?jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為過程知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范。在研究過程中，HAZOP法有助于提高設(shè)計(jì)水平，避免無效的設(shè)計(jì)因子，使得后續(xù)設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)的契合度更高，從而有效地節(jié)約研究成本。

此外，從本研究對參麥注射液生產(chǎn)過程中紅參醇提工藝的HAZOP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果來看，篩選出的中、高風(fēng)險(xiǎn)危害參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)中重點(diǎn)控制的工藝參數(shù)較為一致，說明我國藥品標(biāo)準(zhǔn)對參麥注射液中紅參提取工藝的規(guī)定是較為科學(xué)的。在工業(yè)生產(chǎn)中，企業(yè)需要提高對各潛在高危害工藝參數(shù)的控制水平，如保證乙醇配制工序和計(jì)量工具的精度、提取罐設(shè)備等良好運(yùn)行等，進(jìn)而提高提取工藝質(zhì)控水平。

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