3種中藥顆粒劑的吸濕性及數(shù)學(xué)模型擬合*

韓鵬軍 ，薛志峰 ，張麗娜 ，閆宏麗 ，張 兵 ，祁東利 ，劉志東

（1.天津中醫(yī)藥大學(xué)，現(xiàn)代中藥發(fā)現(xiàn)與制劑技術(shù)教育部工程中心，天津 300193；2.天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津市現(xiàn)代中藥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，天津 300193）

中藥顆粒劑是指原料藥物與適宜的輔料混合制成具有一定粒度的干燥顆粒狀制劑，是現(xiàn)代中藥制劑的主要形式之一[1]。中藥成分復(fù)雜，蛋白質(zhì)，多糖等親水性的成分較多，極易吸濕，吸濕后導(dǎo)致顆粒劑變軟、外觀顏色變深、結(jié)塊、流動(dòng)性降低、潮解、甚至霉變，不僅給制劑生產(chǎn)和貯存帶來困難，更影響制劑的質(zhì)量和療效[2]。采用數(shù)學(xué)模型擬合中藥制劑的吸濕性（包括吸濕等溫線和吸濕動(dòng)力學(xué)曲線），有利于客觀表征其吸濕特征，總結(jié)吸濕規(guī)律，為中藥制劑的吸濕性預(yù)測(cè)和防潮研究提供理論基礎(chǔ)。目前，吸濕性擬合多用于中藥材和中藥提取物粉末，關(guān)于中藥顆粒的吸濕性擬合研究的報(bào)道較少。

干法制粒是把藥物和輔料混合均勻,壓縮成大的片狀或條帶狀后,粉碎成所需大小顆粒的方法[3]。干法制粒技術(shù)應(yīng)用越來越多，尤其適用于不能通過濕法制粒、一步沸騰制粒等方法達(dá)到制粒目的的制劑原料。研究干法制粒制備的中藥顆粒劑的吸濕性和數(shù)學(xué)模型擬合，總結(jié)吸濕特征，對(duì)干法制粒中藥顆粒劑的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)冗^程中的防潮具有重要意義。

本文采用干法制粒技術(shù)制備的升麻葛根湯顆粒、達(dá)原飲顆粒及桃核承氣湯顆粒3種顆粒劑，以這3種顆粒為模型藥物，考察表面形態(tài)和粒徑分布，測(cè)定其吸濕等溫線及吸濕動(dòng)力學(xué)曲線，并用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)吸濕等溫線及吸濕動(dòng)力學(xué)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，期望找到能夠準(zhǔn)確描述干法制粒技術(shù)制備的中藥顆粒劑吸濕性的模型，為研究其吸濕行為和探索高效的防潮策略提供理論指導(dǎo)。

1 儀器和材料

YP5001N電子天平（上海菁海儀器有限公司）；FA124萬分之一電子天平（天津市億諾科學(xué)儀器有限公司）；N-10000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（EYELA）；DHG78-1鼓風(fēng)干燥箱（湖北省黃山市醫(yī)療機(jī)械廠）；Buchi B-290噴霧干燥儀（瑞士步琦有限公司）；GL2-25型干法制粒機(jī)（張家港市開創(chuàng)機(jī)械制造有限公司）；GSP-9080MBE隔水式恒溫箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；玻璃干燥器；扁形稱量瓶（天津市奧淇洛商貿(mào)有限公司）；TM3000掃描電鏡（日本株式會(huì)社日立那珂有限公司）;LiCl,CH3COOK,MgCl2,K2CO3,NaBr,KI,NaCl,KCl,BaCl2,K2SO4均為分析純（天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司），糊精（安徽山河藥用輔料股份有限公司），純水（自制，Milli-Q）。

2 方法與結(jié)果

2.1 3種中藥顆粒劑的制備 升麻葛根湯，達(dá)原飲及桃核承氣湯[4]，按組成分別取復(fù)方各藥材，加10倍量水煎煮1 h，提取2次，濾液合并置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，以-0.092MPa，60℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至流浸膏，然后轉(zhuǎn)移至噴霧干燥機(jī)中，設(shè)定入口溫度為145℃，出口溫度為94℃，噴霧干燥，得到以上復(fù)方的噴霧干燥粉。取復(fù)方干燥粉，加輔料糊精按1∶1比例進(jìn)行混合，采用干法制粒，條件為軋輥壓力2.5 MPa，壓片頻率20 Hz，送料頻率15 Hz，得到上述3種顆粒。

2.2 中藥顆粒劑的表征

2.2.1 含水量測(cè)定 按照《中國藥典》2015版水分測(cè)定第二法烘干法，取供試品2 g，平鋪于干燥至恒重的扁形稱量瓶中，精密稱定，開啟瓶蓋在100～105℃干燥5 h，將瓶蓋蓋好，移置干燥器中，放冷30 min，精密稱定，再在上述溫度干燥1 h，放冷，稱重，至連續(xù)兩次稱重的差異不超過5 mg為止。根據(jù)減失的重量，計(jì)算供試品中含水量（%），結(jié)果見表1。

2.2.2 粒徑測(cè)定采用篩分法，稱取以上3種顆粒樣品各 60 g，求得 10-24，24-40，40-60，60-80 目各粒度范圍內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，粒徑結(jié)果見表1。

表1 3種中藥顆粒劑的含水量及粒徑大小

2.2.3 電鏡掃描 分別將升麻葛根湯顆粒，達(dá)原飲顆粒和桃核承氣湯顆粒用導(dǎo)電雙面膠背向粘在樣品臺(tái)上，采用離子濺射器噴金，利用TM3000掃描電鏡在15KV加速電壓下觀察并拍照，結(jié)果見圖1。

從圖1可知，干法制粒制備的3種中藥顆粒劑粒形相差不大，均呈不規(guī)則的塊狀，顆粒表面致密，顆粒表面空隙不明顯。

2.3 吸濕等溫線數(shù)據(jù)化處理及結(jié)果

2.3.1 吸濕等溫線的繪制 采用靜態(tài)稱量法分別測(cè)定上述三種顆粒劑在25℃和10個(gè)飽和鹽溶液（LiCl,CH3COOK,MgCl2,K2CO3,NaBr,KI,NaCl,KCl,BaCl2,K2SO4）下的平衡吸濕含水率[5]，利用不同飽和鹽溶液在恒定溫度下維持恒定的相對(duì)濕度,不同飽和鹽溶液在25℃下的相對(duì)濕度見表2。精密稱取樣品2.0 g，平攤于干燥至恒定質(zhì)量的稱量瓶中（粒層厚度約1 mm），開蓋置于底部裝有五氧化二磷的干燥器中12 h以上脫濕平衡。將底部盛有恒濕溶液的玻璃干燥器在恒溫箱內(nèi)放置48 h，使其達(dá)到平衡。將上述裝有顆粒的稱量瓶精密稱定質(zhì)量后置于恒溫箱中的干燥器內(nèi)，于25℃下保存7 d，取出稱量瓶，精密稱定，連續(xù)兩次稱量值小于0.001 g即為恒重，計(jì)算平衡吸濕率（EMC）。每個(gè)顆粒做3份，取平均值。以水分活度（Aw）代替相對(duì)濕度，Aw=RH/100，分別以Aw為橫坐標(biāo)，25℃下的平衡吸濕率（EMC）為縱坐標(biāo)，繪制吸濕等溫線，見圖2。

平衡吸濕率＝（吸濕后顆粒質(zhì)量－吸濕前顆粒質(zhì)量）/吸濕前顆粒質(zhì)量

圖1 3種顆粒劑電鏡掃描觀察結(jié)果

表2 不同飽和鹽溶液在25℃下的相對(duì)濕度

圖2 3種中藥顆粒劑的吸濕等溫線

結(jié)果顯示在不同的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，中藥顆粒劑平衡含水量變化速率不一致。按照文獻(xiàn)[6]中臨界相對(duì)濕度方法，即吸濕曲線上的低、高相對(duì)濕度處分別作切線，兩切線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為臨界相對(duì)濕度（CRH），計(jì)算本研究中的3個(gè)顆粒劑的臨界相對(duì)濕度（CRH）。經(jīng)計(jì)算，升麻葛根湯顆粒，達(dá)原飲顆粒和桃核承氣湯顆粒的CRH分別為80.67%，81.08%，79.18%。平衡含水量在小于臨界相對(duì)濕度時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增加，增幅不大；當(dāng)相對(duì)濕度大于CRH時(shí)，增幅顯著增大。按國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）規(guī)定的分類方法[7-8]，3種中藥顆粒劑的吸濕等溫線均屬于第Ⅲ種類型。III型吸附等溫線通常與較弱的固體-吸附質(zhì)（Adsorbent-Adsorbate）相互作用以及較強(qiáng)的吸附質(zhì)-吸附質(zhì)（Adsorbate－Adsorbate）相互作用有關(guān)，即顆粒與吸附質(zhì)之間的作用力小于吸附質(zhì)之間的作用力，在此情形，協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致在均勻的單一吸附層尚未完成之前形成了多層吸附，故引起吸附容量隨著吸附的進(jìn)行而迅速提高，吸附質(zhì)-吸附質(zhì)之間的相互作用對(duì)吸附過程起很重要的影響[9]。符合這一類型等溫線的原料一般含有較多糖類成分，其特征為:同一溫度下的平衡含水率在低相對(duì)濕度區(qū)間時(shí)上升緩慢，而在中間和高相對(duì)濕度區(qū)間急劇上升[10]。

2.3.2 吸濕等溫線數(shù)學(xué)模型的擬合及結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)選擇GAB,BET,Smith,Oswin,Peleg和Halsey共6個(gè)模型[11]來擬合吸濕等溫線數(shù)據(jù)。

式中M為平衡含水率，m0為單分子層含水量，C,k,a,b為各模型參數(shù)。采用Origin 9.0分析軟件對(duì)以上6種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行非線性擬合，通過決定系數(shù)（R2），均根誤差（RMSE）和平均相對(duì)預(yù)測(cè)誤差（E）來評(píng)價(jià)擬合效果，結(jié)果見表4。以R2更接近1，RMSE和E越小的模型認(rèn)為擬合度越高。有學(xué)者認(rèn)為，若模型的相對(duì)預(yù)測(cè)誤差值小于10%，則該模型具有良好的適用性[12]，結(jié)果顯示Peleg模型擬合度最高，其次是GAB模型。但是Peleg模型是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的純數(shù)學(xué)模型，不能對(duì)物料的吸濕特性進(jìn)行深入解釋[13]，因此，上述各模型中，GAB模型最適合于上述3種中藥顆粒的表面吸濕行為研究。

表3 吸濕等溫線擬合數(shù)學(xué)模型

2.3 吸濕動(dòng)力學(xué)曲線的繪制及擬合

2.3.1 吸濕動(dòng)力學(xué)曲線的繪制[14]精密稱取上述顆粒各2.0 g，平攤于干燥至恒定質(zhì)量的稱量瓶中（粒層厚度約1mm），開蓋置于底部裝有五氧化二磷的干燥器中12 h以上脫濕平衡，備用。將底部盛有過飽和氯化鈉溶液的干燥器在25℃于恒溫箱內(nèi)放置48 h，使其內(nèi)部相對(duì)濕度為75.29%。將裝有藥物的稱量瓶精密稱定質(zhì)量后置于恒溫箱內(nèi)的干燥器中，分 別 于 0、0.5、1、2、4、8、12、24、36、48、72、96、120、144、168 h后精確稱量稱量瓶與藥物的質(zhì)量，兩次稱量值小于0.001 g即為恒重，計(jì)算吸濕率。每個(gè)顆粒做3份。以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，吸濕率平均值為縱坐標(biāo)繪制出吸濕動(dòng)力學(xué)曲線。見圖3。

2.3.2 吸濕動(dòng)力學(xué)曲線的擬合 選擇文獻(xiàn)報(bào)道的6種數(shù)學(xué)模型[15]，見表5，采用Origin 9.0軟件對(duì)3種中藥顆粒劑吸濕動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行非線性擬合。以決定系數(shù)（R2）和均根誤差（RMSE）為指標(biāo)評(píng)價(jià)擬合效果。擬合結(jié)果見表6。

對(duì)3種中藥顆粒劑吸濕動(dòng)力學(xué)曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)曲線與雙指數(shù)模型的擬合效果非常好，其相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，各樣品吸濕動(dòng)力學(xué)擬合的雙指數(shù)模型見表7。

表4 3種中藥顆粒劑不同吸濕模型擬合結(jié)果（n=3）

圖3 3種中藥顆粒劑的吸濕動(dòng)力學(xué)曲線

表5 吸濕動(dòng)力學(xué)曲線擬合模型

表6 3種中藥顆粒劑吸濕動(dòng)力學(xué)曲線的不同數(shù)學(xué)模型擬合效果（n=3）

表7 3種中藥顆粒劑吸濕動(dòng)力學(xué)曲線擬合的雙指數(shù)模型

3 討論

數(shù)學(xué)模型多被用于中藥提取物或制劑的吸濕性預(yù)測(cè)和防潮技術(shù)研究開發(fā)。GAB模型是中藥提取物的吸濕等溫線擬合的常用模型，該模型的水分活度適用范圍在0.05～0.90之間[16]。研究顯示，GAB模型對(duì)大黃、黃芪、菊花、當(dāng)歸藥材的水提噴霧干燥浸膏粉[5]，葛根提取物[17]，五味子水提噴霧干燥粉[18]，烏藥50%丙酮冷浸冷凍干燥提取物粉末[19]的吸濕等溫線擬合度非常高，而對(duì)金銀花藥材[20]，黃芩飲片[21]，黃芪水提真空干燥粉碎粉末[22]，人參水提真空干燥粉碎粉末[23]的吸濕等溫線擬合度卻很低。出現(xiàn)上述情況的原因，第一，可能與中藥材、提取物或制劑的物質(zhì)組成有關(guān)，藥材和飲片中纖維素含量高，纖維素是植物細(xì)胞膜的主要組成物質(zhì)，其對(duì)植物細(xì)胞內(nèi)吸濕性物質(zhì)的包裹束縛影響和改變了物質(zhì)的吸濕行為，造成GAB模型對(duì)中藥藥材和飲片的吸濕等溫線的低擬合度；第二，有文獻(xiàn)報(bào)道中藥提取物中小分子寡糖的含量與吸濕性直接相關(guān)[5]，不同寡糖含量的中藥提取物吸濕性不同，吸濕性物質(zhì)含量高低也會(huì)引起GAB模型的擬合出現(xiàn)波動(dòng)；最后，顆?；蚍勰┎煌闹苽涔に嚂?huì)引起表面的形態(tài)差異，也可能會(huì)引起GAB模型擬合度降低。上述文獻(xiàn)中提到同是黃芪水提物，噴霧干燥粉末的吸濕等溫線GAB擬合度很高，而真空干燥粉碎的粉末吸濕等溫線GAB擬合度就很低。本文采用水提取流浸膏，噴霧干燥制粉末，加糊精以干法制備升麻葛根湯顆粒、達(dá)原飲顆粒和桃核承氣湯顆粒，以這3種中藥顆粒為模型藥物，測(cè)試其在25℃時(shí)的吸濕等溫線，結(jié)果表明干法制備的顆粒表面致密（見掃描電鏡結(jié)果），粒徑分布較為集中（見粒徑分析結(jié)果），吸濕等溫線的最佳擬合模型為GAB模型。吸濕性擬合多用于中藥材和中藥提取物粉末，本文將吸濕性擬合拓展應(yīng)用于中藥顆粒劑，研究發(fā)現(xiàn)GAB模型適合干法制備的3種中藥顆粒劑的吸濕性擬合，為顆粒在運(yùn)輸、裝袋密封等處理過程的吸濕性預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。

中藥吸濕過程一般分3步完成：1）表面吸附階段，空氣中的水分子在中藥提取物或制劑表面吸附凝聚成液滴，形成飽和溶液。2）溶解階段，液滴進(jìn)一步溶解飽和溶液層。3）擴(kuò)散階段，水分子擴(kuò)散到內(nèi)部進(jìn)一步吸濕[24]。有學(xué)者假定在一定溫度下，一定中藥浸膏粉的表面吸濕和水分向內(nèi)擴(kuò)散的2個(gè)過程均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，建立了基于物質(zhì)質(zhì)量守恒定律和費(fèi)克擴(kuò)散第一定律的雙指數(shù)吸濕過程動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)該模型能夠較好的擬合中藥提取物或制劑的吸濕動(dòng)力學(xué)過程，模型特征參數(shù)是吸濕速率常數(shù)k1和擴(kuò)散速率常數(shù)k2[25-26]。中藥提取物或制劑因組成、制備工藝等原因，吸濕動(dòng)力學(xué)過程不同，表面水分吸附、溶解和擴(kuò)散行為不同，因此吸濕速率常數(shù)k1和擴(kuò)散速率常數(shù)k2的大小會(huì)有差異。林婷婷等[22]采用噴霧干燥法制備了黃芪、當(dāng)歸、板藍(lán)根藥材的水提噴霧干燥浸膏粉，應(yīng)用雙指數(shù)模型對(duì)其吸濕動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)k1＞k2，說明顆粒表面水分吸附和溶解較快，水分?jǐn)U散是顆粒吸濕動(dòng)力學(xué)過程的限速步驟；嚴(yán)云良等[27]采用雙指數(shù)模型擬合了感冒靈顆粒和板藍(lán)根顆粒的吸濕動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)這2個(gè)顆粒的模型參數(shù)k1=k2，雙指數(shù)模型演變?yōu)閱沃笖?shù)一級(jí)過程，可能是因?yàn)檫@兩顆粒中強(qiáng)親水性雜質(zhì)較少，或添加的輔料抗吸濕性較強(qiáng)，顆粒劑的吸濕主要停留在表面的水分吸附和溶解階段；湯成成等[15,28]采用雙指數(shù)模型擬合了黃芪和柴胡水提真空干燥粉碎粉末的吸濕動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)雙指數(shù)模型參數(shù)k1＜k2，說明顆粒的水分?jǐn)U散較快，水分吸附和溶解是顆粒吸濕動(dòng)力學(xué)過程的限速步驟。本實(shí)驗(yàn)采用干法制備升麻葛根湯顆粒、達(dá)原飲顆粒和桃核承氣湯顆粒3種中藥顆粒劑，發(fā)現(xiàn)雙指數(shù)模型能夠很好的模擬上述顆粒劑的吸濕動(dòng)力學(xué)過程，模型參數(shù)k1＜k2，說明本研究以糊精為輔料干法制備的顆粒，其表面水分吸附和溶解較難以發(fā)生，這可能與輔料糊精在顆粒表面分布增多[29]、干法制粒的顆粒質(zhì)地致密空隙少[30-31]有關(guān)。