桑葉提取物壓片糖果粉體造粒工藝優(yōu)化

樊鵬帥，楊宗玲，王俊，馬喜山，劉義鳳， 吳逸民，周志橋，曹續(xù)東，夏凱*

1(中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司，北京，100015)2(功能主食創(chuàng)制與慢病營(yíng)養(yǎng)干預(yù)北京市 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100015)3(寧波御坊堂生物科技有限公司，寧波，315012)

桑葉提取物的主要有效成分是生物堿1-脫氧野尻霉素(1-deoxynojirimycin，1-DNJ)。1-DNJ最早由日本學(xué)者INOUE從鏈霉素中發(fā)現(xiàn)[1]。作為抗生素，1976年被YAGI首次從桑葉中提取分離出來(lái)[2]，其具有很強(qiáng)的α-葡萄糖苷酶活性抑制作用[3-7]，對(duì)延緩碳水化合物吸收具有顯著作用。糖尿病為世界四大慢性病之一，在全球范圍內(nèi)約有4.63億的患者[8]。因此，以桑葉提取物為原材料，1-DNJ為主要有效成分，研發(fā)一種天然無(wú)毒副作用，可有效控制血糖上升的功能性食品受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

片劑常用的制備工藝有干法制粒、濕法制粒和直接壓片型等[9-11]。桑葉提取物壓片糖果作為咀嚼片的一種，其制備工藝主要為濕法造粒工藝，流程分為原料前處理、添加輔料、造粒、添加潤(rùn)滑劑和壓片成型等幾個(gè)部分[12]。對(duì)于粉末直接壓片工藝來(lái)說(shuō)，物料的流動(dòng)性、充填性和可壓性等粉體學(xué)性質(zhì)直接影響生產(chǎn)過(guò)程中物料的混合和傳遞等環(huán)節(jié)，影響制劑的裝量差異、含量均勻度等質(zhì)量指標(biāo)[13-14]。在工業(yè)生產(chǎn)中，粉體流動(dòng)性直接決定了片劑能否順利生產(chǎn)。然而桑葉提取物粉的流動(dòng)性和可壓性欠佳，除了改進(jìn)設(shè)備的進(jìn)料裝置外，常通過(guò)選擇流動(dòng)性、填充性或可壓性良好的輔料或者造粒來(lái)改善粉體流動(dòng)性[15]。粉體流動(dòng)性與粉體粒子的形狀、大小、表面狀態(tài)、密度、孔隙率等有關(guān)[16]。一般來(lái)說(shuō)，粉體粒度增大，粉體顆粒之間的分子引力、靜電引力作用逐漸降低，粉體顆粒的流動(dòng)性也會(huì)因此增大[17]。使用粉體造粒工藝可以有效增加粉體的平均粒徑，改善粉體顆粒的粒徑分布[18]，從而提高粉體的流動(dòng)性，使后續(xù)壓片糖果的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程更加順利。除此之外，造粒還影響著衡量片劑質(zhì)量的均勻度、片重差異、崩解時(shí)限和關(guān)鍵藥物成分的溶出度等，所以造粒工藝是一個(gè)十分關(guān)鍵的控制點(diǎn)。

基于上述背景，本研究以粉體粒徑和粉體流動(dòng)性指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在高速造粒機(jī)噴槍壓力、制粒刀轉(zhuǎn)速及蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法對(duì)桑葉提取物壓片糖果的造粒工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

異麥芽酮糖醇，德國(guó)beneo公司，批號(hào)L121190500；微晶纖維素，湖州菱湖新旺化學(xué)有限公司；桑葉提取物，西安東馳生物科技有限公司；可可粉，北京綠晶貿(mào)易有限公司；硬脂酸鎂，河南千至商貿(mào)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

PL203電子精密天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；S3500激光粒度分析儀，美國(guó)麥奇克有限公司；BT—1001智能粉體特性測(cè)試儀，丹東百特儀器有限公司；粉體混合機(jī)、2-10-15高速混合制粒機(jī)，常州市佳發(fā)制粒干燥設(shè)備有限公司；WBF-1多功能流化床實(shí)驗(yàn)機(jī)，重慶英格制藥機(jī)械有限公司；MA150快速水分測(cè)定儀，德國(guó)Sartorius公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原材料混合

將異麥芽酮糖醇、微晶纖維素、桑葉提取物以及可可粉按照比例加至粉體混合機(jī)中混合30 min。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

設(shè)置多功能流化床干燥參數(shù)，壓縮空氣氣壓0.15 MPa，流化床壓力-4或-5 kPa，進(jìn)風(fēng)溫度50 ℃(即物料溫度38～40 ℃)，風(fēng)機(jī)頻率38 Hz。粉體首先進(jìn)入高速混合制粒機(jī)機(jī)倉(cāng)，黏合劑純水在蠕動(dòng)泵的控制下被位于混料倉(cāng)體頂端的噴槍霧化。此時(shí)，制粒刀將粉體進(jìn)行剪切制粒，在高速混合槳的作用下粉體被均勻混合，造粒后的粉體進(jìn)入流化床干燥，干燥至水分小于5%后過(guò)篩，進(jìn)行粉體質(zhì)量測(cè)定。

在確保高速混合制粒機(jī)正常造粒的情況下，采用單因素實(shí)驗(yàn)分別考察不同高速制粒機(jī)造粒噴槍壓力(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa)、制粒刀轉(zhuǎn)速(2 000、2 200、2 400、2 600、2 800、3 000 r/min)、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速(2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0 r/min)對(duì)于粉體的粒徑和流動(dòng)性指標(biāo)的影響。

1.3.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇造粒機(jī)噴槍壓力、制粒刀轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速這3種造粒工藝條件為考察因素，采用Box-Benhnken的中心組合設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。選以粉體特性指標(biāo)和粉體平均粒徑為響應(yīng)值，采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，建立響應(yīng)面回歸模型并確定最優(yōu)化粉體造粒工藝。

1.3.4 粉體粒徑的測(cè)定

利用激光粒度分析儀測(cè)定粉體平均粒徑，每個(gè)樣品重復(fù)檢測(cè)3次，結(jié)果取平均值。

1.3.5 粉體特性的測(cè)定

通過(guò)振動(dòng)篩將物料沿著漏斗緩緩注入不銹鋼底座上，當(dāng)物料落滿底座且是對(duì)稱的圓錐體時(shí)，關(guān)閉振動(dòng)篩并且停止加料，休止角即為底座水平面與顆粒堆積形成的圓錐體錐線之間所形成的夾角。

按照智能粉體特性測(cè)定儀使用說(shuō)明依次測(cè)量每個(gè)樣品的崩潰角、差角、平板角、振實(shí)密度、松裝密度等參數(shù)，重復(fù)測(cè)量3次，結(jié)果取平均值，根據(jù)流動(dòng)性指數(shù)評(píng)分表進(jìn)行評(píng)分并計(jì)算出流動(dòng)性指數(shù)。

2 結(jié)果和分析

2.1 造粒工藝對(duì)粉體特性和平均粒徑的影響單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 噴槍壓力對(duì)粉體特性和粒徑的影響

在高速制粒刀轉(zhuǎn)速為2 600 r/min、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為2.6 r/min的造粒工藝條件下，造粒機(jī)不同噴槍壓力對(duì)壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的影響見(jiàn)圖1。在噴槍壓力從0.1 MPa增加至0.6 MPa的過(guò)程中，粉體的平均粒徑呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的趨勢(shì)；在噴槍壓力從0.4 MPa增大到0.6 MPa的過(guò)程中，粉體平均粒徑無(wú)顯著差異。而隨著噴槍壓力的增大，流動(dòng)性指數(shù)呈現(xiàn)先顯著增大，在壓力為0.4 MPa時(shí)達(dá)到最大值77.5后，略有下降。因此，噴槍壓力以0.4 MPa為宜。

圖1 噴槍壓力對(duì)壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù)和 平均粒徑的影響Fig.1 Effect of spray gun pressure on the fluidity index and average particle size of tableting candy powder

2.1.2 制粒刀轉(zhuǎn)速對(duì)粉體特性和粒徑的影響

在高速制粒機(jī)噴槍壓力為0.4 MPa，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為2.6 r/min的造粒工藝條件下，不同制粒刀轉(zhuǎn)速對(duì)壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的影響見(jiàn)圖2。在制粒刀轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min增速到3 000 r/min的過(guò)程中，壓片糖果粉體的平均粒徑逐漸增大，其中在2 000～2 400 r/min內(nèi)，增速顯著。同時(shí)，粉體的流動(dòng)性指數(shù)則呈現(xiàn)先增后趨于平穩(wěn)2個(gè)階段。在制粒刀轉(zhuǎn)速為2 600 r/min時(shí)，粉體流動(dòng)性最好，隨后在制粒刀轉(zhuǎn)速增大到3 000 r/min的過(guò)程中，粉體的流動(dòng)性變化不明顯。因此制粒刀轉(zhuǎn)速以2 600 r/min為宜。

圖2 制粒刀轉(zhuǎn)速對(duì)壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù) 和平均粒徑的影響Fig.2 Effect of granulating knife speed on the fluidity index and average particle size of tableting candy powder

2.1.3 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)粉體特性和粒徑的影響

在高速制粒機(jī)噴槍壓力為0.4 MPa，制粒刀轉(zhuǎn)速為2 400 r/min的造粒工藝條件下，不同蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的影響如圖3。蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速?gòu)?.0 r/min增加至3.0 r/min時(shí)，壓片糖果粉體的平均粒徑逐漸增大，粉體的流動(dòng)性指數(shù)隨著蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)先增后降低的趨勢(shì)。當(dāng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速達(dá)到2.6 r/min的時(shí)候，粉體流動(dòng)性指數(shù)最高，因此蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速以2.6 r/min為宜。

圖3 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù) 和平均粒徑的影響Fig.3 Effect of rotating speed of the peristaltic pump on the fluidity index and average particle size of tableting candy powder

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化粉體造粒工藝

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選擇噴槍壓力、制粒刀轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為考察因素，以壓片糖果粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)方案共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中12個(gè)為分析因子(1～12)，5個(gè)為中心實(shí)驗(yàn)點(diǎn)(13～17)，具體因素編碼及水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素編碼及水平表Table 1 Factors and levels response surface experiment

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiment

2.2.2 響應(yīng)面回歸模型建立與顯著性分析

對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，分別得到響應(yīng)值為流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的二次項(xiàng)回歸模型，具體如下：

D=122.20+8.62A+1.98B+0.41C+1.54AB+1.25AC+0.26BC-4.12A2-8.91B2-5.81C2

P=73.7+7.69A+1.94B+0.75C-0.13AB+0.05AC-0.50BC-3.16A2-1.41B2-3.04C2

式中：D，平均粒徑；P，流動(dòng)性指數(shù)；A，噴槍壓力；B，制粒刀轉(zhuǎn)速；C，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速。

表3 以平均粒徑為相應(yīng)指標(biāo)的回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model with average particle size as the corresponding index

表4 以粉體流動(dòng)性指數(shù)為相應(yīng)指標(biāo)的回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model with powder fluidity index as the corresponding index

模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，一次項(xiàng)A、B和二次項(xiàng)A2、B2和C2均對(duì)壓片糖果粉體的平均粒徑和流動(dòng)性指數(shù)的影響極顯著(P<0.01)，一次項(xiàng)系數(shù)C對(duì)平均粒徑有顯著性差異(P<0.05)，但是對(duì)粉體流動(dòng)性的影響沒(méi)有顯著性差異(P>0.05)，交互項(xiàng)AB對(duì)粉體的平均粒徑的影響有極顯著性差異(P<0.01)，同時(shí)對(duì)于粉體流動(dòng)性的影響有顯著性的差異(P>0.05)。而其余交互項(xiàng)AC和BC對(duì)于粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑?jīng)]有顯著性差異(P>0.05)。

考察各因素對(duì)于粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的影響主次順序均為：A>B>C，即噴槍壓力>制粒刀轉(zhuǎn)速>蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速。

2.2.3 造粒工藝響應(yīng)面分析與優(yōu)化

利用Design Expert 8.0軟件，根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和回歸模型繪制出3種造粒工藝條件對(duì)壓片糖果粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的響應(yīng)曲面圖(圖4)，由此進(jìn)行可視化分析。從圖中可直觀看出，噴槍壓力對(duì)壓片糖果粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的影響顯著高于制粒刀轉(zhuǎn)速(圖4-a,4-b)和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速(圖4-c,4-d)，而制粒刀轉(zhuǎn)速的影響顯著高于蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速(圖4-e,4-f)；不同蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速條件下，壓片糖果粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑隨噴槍壓力的增大均呈現(xiàn)先顯著升高而后緩慢下降，表明蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速和噴槍壓力的交互作用不顯著(圖4-c,4-d)，類似結(jié)果也表現(xiàn)在制粒刀轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的交互作用上(圖4-e,4-f)；不同制粒刀轉(zhuǎn)速條件下，壓片糖果粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑隨噴槍壓力的增大盡管也呈現(xiàn)了相似的變化趨勢(shì)，但是高制粒刀轉(zhuǎn)速條件下所產(chǎn)生的響應(yīng)值變化幅度顯著高于低制粒刀轉(zhuǎn)速條件，表明制粒刀轉(zhuǎn)速和噴槍壓力的交互作用顯著，該可視化直觀分析結(jié)果與回歸模型方差分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

經(jīng)Design Expert 8.0 軟件統(tǒng)計(jì)分析得出粉體粒徑達(dá)到極大值的最優(yōu)化工藝參數(shù)為：噴槍壓力0.50 MPa，制粒刀轉(zhuǎn)速2 639.6 r/min，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為2.63 r/min。粉體流動(dòng)性指數(shù)達(dá)到極大值的最優(yōu)化工藝參數(shù)為：噴槍壓力0.50 MPa，制粒刀轉(zhuǎn)速2 655.0 r/min，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為2.63 r/min。根據(jù)兩響應(yīng)值下得到的最優(yōu)化造粒工藝參數(shù)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的可操作性，確定壓片糖果的造粒工藝條件為噴槍壓力0.5 MPa，制粒刀轉(zhuǎn)速2 600 r/min，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速2.6 r/min。該條件下粉體的流動(dòng)性指數(shù)理論預(yù)測(cè)值為78.6，粉體平均粒徑理論預(yù)測(cè)值為127.11 μm。

2.2.4 最優(yōu)化造粒工藝驗(yàn)證

最優(yōu)化條件下造粒后的樣品圖和流化床干燥整粒過(guò)篩后的最終產(chǎn)品見(jiàn)圖5。

按照響應(yīng)面法確定的最優(yōu)化造粒工藝條件生產(chǎn)壓片糖果粉體，并與理論預(yù)測(cè)值比較，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，最優(yōu)化造粒工藝條件下粉體流動(dòng)性指數(shù)和粉體平均粒徑分別為77.8、125.13 μm，與理論預(yù)測(cè)值的相對(duì)偏差僅為1.02%和1.49%，表明采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的壓片糖果粉體的造粒工藝條件可靠，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

a-噴槍壓力和制粒刀轉(zhuǎn)速對(duì)流動(dòng)性指數(shù)；b-噴槍壓力和制粒刀轉(zhuǎn)速對(duì)平均粒徑；c-噴槍壓力和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)流動(dòng)性指數(shù)； d-噴槍壓力和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)平均粒徑；e-制粒刀轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)流動(dòng)性指數(shù)；f-制粒刀轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)平均粒徑圖4 造粒工藝對(duì)壓片糖果粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plots of granulation process on particle size and fluidity index of tableting candy powder

a-造粒后的樣品圖；b-最終產(chǎn)品圖5 最優(yōu)條件下造粒后的樣品圖及流化床 干燥整粒過(guò)篩后的最終產(chǎn)品Fig.5 Sample diagram of pelletizing under optimized condition and the final product of fluidized bed drying and sieving

表5 最優(yōu)化造粒工藝粉體流動(dòng)性指數(shù)及平均粒徑Table 5 The powder fluidity index and average particle size of the optimized granulation process

3 討論與結(jié)論

經(jīng)過(guò)濕法造粒后，含有功能性成分桑葉提取物的壓片糖果具備質(zhì)量穩(wěn)定、劑量精準(zhǔn)和便于服用的特點(diǎn)。由于粉體有效成分桑葉提取物本身的特點(diǎn)和性質(zhì)，采用濕法造粒改善粉體的流動(dòng)性，使其在工業(yè)生產(chǎn)中能夠更加經(jīng)濟(jì)便捷。采用高速制粒機(jī)進(jìn)行造粒后，使用流化床干燥成型顆粒的過(guò)程影響因素繁雜。鑒于此，本研究通過(guò)分析高速制粒機(jī)在粉體造粒過(guò)程中的相關(guān)影響因素進(jìn)行工藝優(yōu)化，以期改善粉體流動(dòng)性，便于生產(chǎn)。

在高速制粒過(guò)程中，噴槍壓力作為霧化黏合劑的關(guān)鍵因素，其大小決定著黏合劑霧化程度[19]，這就意味著噴槍壓力影響了粉體與黏合劑的結(jié)合程度。制粒刀轉(zhuǎn)速作為將粉體均勻制粒的關(guān)鍵因素，轉(zhuǎn)速的高低影響著粉體中顆粒間的相互碰撞、黏結(jié)并形成附聚體的效果。而蠕動(dòng)泵作為將黏合劑泵入制粒機(jī)艙內(nèi)的媒介，影響著黏合劑與粉體的結(jié)合速率和結(jié)合程度。采用單因素和響應(yīng)面分析法研究了噴槍壓力、制粒刀轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速三者的交互作用以及對(duì)于粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑大小的影響，并在此基礎(chǔ)上建立響應(yīng)值分別為粉體流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑大小的響應(yīng)面回歸方程，確定了最優(yōu)化造粒工藝參數(shù)組合。

以桑葉提取物為主要有效成分的壓片糖果具有抑制消化酶活性的作用，但是其原料存在流動(dòng)性差，不利于直壓的問(wèn)題，采用造粒工藝能夠很好的改善粉體流動(dòng)性。因此，本研究通過(guò)對(duì)壓片糖果粉體的造粒工藝優(yōu)化，得出以下結(jié)論：(1)噴槍壓力、制粒刀轉(zhuǎn)速、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑均有影響，其影響程度排序?yàn)椋簢姌寜毫?制粒刀轉(zhuǎn)速>蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速；(2)采用響應(yīng)面分析法建立的以噴槍壓力、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速和制粒刀轉(zhuǎn)速為考察因素，粉體的流動(dòng)性指數(shù)和平均粒徑為響應(yīng)值的二次項(xiàng)回歸模型，該模型能很好的對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化得到的粉體造粒工藝條件可靠，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值；(3)確定壓片糖果的最優(yōu)造粒工藝條件為噴槍壓力0.5 MPa，制粒刀轉(zhuǎn)速2 600 r/min，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速2.6 r/min，該條件下粉體流動(dòng)性指數(shù)為77.8，平均粒徑大小為127.11 μm，粉體具有良好的流動(dòng)性。