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乳糖研磨改性降低红景天提取物吸湿性的工艺与原理研究

来源:用户上传      作者: 张定堃 张芳 林俊芝 韩丽 伍振峰 杨迎光 杨明

  [摘要] 该文以强吸湿性的红景天提取物为研究对象,以乳糖为改性剂,考察研磨改性法对红景天提取物吸湿性的影响,并通过粒径分布、微观结构、红外光谱、表面性质等方面对改性物予以表征。结果表明,红景天提取物与乳糖UP2等比例研磨5 min制备的改性物的吸湿初速度、吸湿加速度及临界相对湿度均显著低于原提取物及物理混合物;研磨改性物的粒径小于物理混合物,微观结构也明显不同于物理混合物,其红外光谱及表面性质亦与乳糖UP2更为类似。研磨改性使得乳糖粒子附着于红景天提取物表面是吸湿性显著降低的重要原因。
  [关键词] 红景天提取物; 乳糖; 研磨改性; 吸湿性
  [收稿日期] 2013-12-29
  [基金项目] 国家自然科学基金面上项目(30973952,81274098)
  [通信作者] 韩丽,教授,硕士生导师,研究方向为中药新技术与新制剂研究,Tel: (028)61800127,E-mail: hanliyx@163.com
  [作者简介] 张定堃,博士研究生,Tel: (028)61800127,E-mail: 465790643@qq.com
  红景天提取物为景天科植物大花红景天Rhodiola crenulata (Hook.f.et Thoms.)H.Ohba的干燥根和根茎经70%乙醇提取,减压浓缩,喷雾干燥制得的红棕色粉末,气清香,味苦涩;功能益气活血、通脉平喘,常用于气虚血瘀、胸痹心痛、中风偏瘫、倦怠气喘等病症的治疗[1]。红景天提取物是多种红景天固体制剂制备的中间体,但该提取物具有很强的吸湿性,暴露在空气中能在短短几分钟内颜色变深、发黏、吸湿液化,对后续的生产制备环境提出了较为苛刻的要求,亦严重影响产品的包装储存。
  中药粗提物化学组成较为复杂,对于多糖含量较高的提取物,不但干燥成型困难,吸湿性也普遍较强。通过对药物粉体微观形态的研究与分析,课题组认为,“提取物表面性质是影响其吸湿性的第一环节,降低提取物与外界环境的接触面积能降低其吸湿性”。基于上述假说,利用研磨改性[2]的方法,以防潮辅料乳糖为改性剂,通过与提取物共同研磨,使部分乳糖粒子附着、粘连于提取物表面,以降低提取物与外界接触面积,降低其吸湿性。在实验过程中,课题组首先建立了红景天提取物的HPLC指纹图谱以定性控制其质量;以吸湿率为评价指标,对研磨改性的工艺条件进行了单因素考察筛选;并对改性前后提取物的微观状态进行了对比评价;以期验证该假说的可行性,为中药提取物防潮问题的解决提供新的思路与方法。
  1 材料
  LC-20AT高效液相色谱仪(日本岛津公司),Sartorius-BS110S 1/1万分析天平(德国赛多利斯公司),SYFM-8Ⅱ型振动式药物超微粉碎机(济南松岳公司),MS2000型激光粒度仪(美国马尔文公司),JSM-7500F SEM扫描电镜(日本电子公司),VERTEX70傅里叶红外光谱分析仪(德国布鲁克公司),OCA20视频光学接触角测定仪(德国Dataphysics公司),DZF-6050型真空干燥箱(上海新苗医疗器械制造有限公司),制粒筛,扁形称量瓶,干燥器,研钵。
  红景天提取物,实验室自制。将大花红景天药材干燥,粉碎成粗粉,加70%乙醇浸泡12 h,回流提取2次,每次1.5 h,滤过,合并滤液,70 ℃减压浓缩至相对密度1.15(70 ℃),喷雾干燥(进风口温度270 ℃、风机效率100%、泵液速度1.0 mL·min-1)制得。不同粒径的乳糖,取乳糖瓶装市售品(无水α-乳糖,纯度99%,试剂级,原粉末)300 g,共4份,分别投入超微振动磨中超微粉碎1,2,3,4 min,振动磨参数均为介质填充率80%,柱状不锈钢介质,振幅5.5 mm;制得4种乳糖微粉(UP1,UP2,UP3,UP4)。甲醇,NaCl,KNO3,K2CO3,KCl,NaBr,LiNO3(分析纯,成都科龙化工有限公司)。乙腈(色谱纯),甲酰胺(分析纯),纯水(自制)。
  2 方法与结果
  2.1 红景天提取物的指纹图谱定性鉴别
  精密称取红景天提取物0.2 g于25 mL量瓶中,加入70%甲醇适量,超声使溶解,放冷后定容,过0.45 μm微孔滤膜,即得供试品溶液。Welchrom C18色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);UV检测器,检测波长275 nm;柱温30 ℃;流速0.9 mL·min-1;流动相乙腈(A)-水(B),梯度洗脱(0~60 min,7%~35% A;60~70 min,35% A;70~72 min,35%~95% A;72~77 min,95%~7% A)。红景天提取物的指纹图谱见图1。
  2.2 吸湿速率的测定方法
  在恒温恒湿条件下(温度25 ℃,相对湿度75%)测定各组粉末的吸湿速率。实验前,将各组粉末放置于真空干燥箱中脱湿24 h(真空度-0.09 MPa,关闭温度,内置500 g干燥变色硅胶),平衡初始水分。在已恒重的扁称量瓶中放入厚约3 mm的已平衡水分的粉末,精密称定质量,将称量瓶放入装有氯化钠过饱和溶液的干燥器中,揭开称量瓶的盖子,在恒温恒湿条件下保存,定时(4,8,12,24,48,72,96 h)取出,精密称定质量,并照下式计算吸湿率。每组平行测定3份。吸湿率=(吸湿后质量-吸湿前质量)/吸湿前质量×100%。
  采用二项式模型对实验数据进行拟合,得到吸湿方程及相关系数R2,对吸湿方程进行求导处理,得到吸湿速率方程、吸湿加速度(α)及吸湿初速度(V0)[3]。
  2.3 原、辅料的粒径及吸湿率测定   取红景天提取物与不同粒径的乳糖,分别测定其粒径及96 h后的吸湿率。粒径分布测定方法[4]:马尔文粒径测定仪干法测定,样品测定时间12 s,背景时间8 s,普通模式,采样信号强度0.5~6;分散进样控制:空气压力200 kPa,进样速度50%;依上述条件建立测定标准操作测量程序SOP。实验结果见表1。
  从粒径角度看,红景天提取物的粒径远远大于乳糖原料及4种微粉;乳糖微粉化后,其粒径不断降低,当微粉化时间进行到3~4 min时,发现d0.1与d0.5略有增大,但d0.9仍在减小,说明此时乳糖微粉尽管整体粒径在减小,却已开始表现出团聚增大的趋势。从吸湿性角度看,红景天提取物的吸湿性极强,4 d后吸湿增重22%,提取物放置1 d内就已吸湿液化。乳糖市售品原料及其4种微粉在测定条件下几乎不吸湿,微粉化后其吸湿性并未发生明显变化;提示乳糖微粉可用于红景天提取物的防潮。
  2.4 研磨改性工艺对红景天提取物吸湿速率的影响考察
  2.4.1 乳糖类型的考察 控制空气湿度为50%。改性物的制备:按2∶1分别称取提取物与不同粒径的乳糖,将乳糖平铺于研钵底部,加入提取物,研磨5 min,研磨方向一致;此时,肉眼观察提取物与乳糖的研磨改性物颜色均一。物理混合物的制备:采用过筛混合的方式,将提取物与乳糖原料(市售品)按2∶1置于4号筛上,筛上物强制过筛,如此反复混合,以颜色均一为度。参照2.2项下方法测定吸湿率,结果见图2。提取物的吸湿性极强,与乳糖过筛混合后吸湿性明显降低。提取物与4种乳糖微粉研磨改性后,各改性物组的吸湿率均显著降低。其中,乳糖UP1,UP2与UP3研磨改性物吸湿规律几乎一致,明显低于提取物、物理混合物以及乳糖UP4研磨改性物。从吸湿曲线可看出,乳糖UP2研磨改性后的吸湿率最低,故选择乳糖UP2为改性剂。此外,随着乳糖微粉化时间的延长,UP2,UP3,UP4组的吸湿性依次增强,这可能是由于在该单因素实验条件下,乳糖粒径越小,研磨过程中产生的助磨作用越强,经历相同的研磨改性时间后,改性物最终的粒径越小,比表面积越大,暴露在空气中的提取物断面增多,吸湿性反而增强。
  2.4.2 提取物与乳糖比例的考察 控制空气湿度为50%。分别考察提取物与乳糖UP2的比例(4∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶4)对研磨改性后提取物吸湿性的影响。按上述比例先称取乳糖UP2平铺于研钵中,再加入提取物,研磨5 min,研磨方向一致,得到5种研磨改性物。参照2.2项下方法测定吸湿率,结果见图3。随着乳糖UP2用量的增加,研磨改性物的吸湿率不断降低,当两者比例达到1∶4时,改性物的吸湿率很小,小于2.5%;鉴于提取物后续还要进行制粒等成型工艺操作,乳糖用量太大会限制后续其他辅料的使用,综合考虑工艺及成本因素,将提取物与乳糖的比例设定为1∶1,在该条件下,一般不会增加制剂的服用量。
  2.4.3 研磨时间的考察 控制空气湿度为50%。分别考察研磨改性的时间(1,3,5,7,9 min)对提取物与乳糖UP2研磨改性物吸湿性的影响。按1∶1先称取乳糖UP2平铺于研钵中,再加入提取物,按上述时间分别研磨改性,研磨方向一致,得到5种研磨改性物。参照2.2项下方法测定吸湿率,结果见图4。研磨1,3 min时,改性物的吸湿性的数据标准差较大,这是由于研磨时间过短,提取物与乳糖UP2未完全研磨改性均匀,取样时样品不均匀造成的。当研磨改性时间大于或等于5 min时,改性物的外观均匀,颜色一致。研磨5,7 min组吸湿曲线基本一致,且标准差均较小;研磨9 min时,吸湿率反而增大,这可能与研磨时间过长,改性物的粒径降低,比表面积增大有关。因此,综合考虑吸湿率及研磨时间,选择5 min 为最优研磨时间。
  2.4.4 优选工艺验证 根据上述单因素实验结果,确定改性物的最优工艺为红景天提取物与乳糖UP2按1∶1研磨改性,研磨时间为5 min。按照提取物与乳糖UP2 1∶1,分别放大制备研磨改性物、物理混合物,对比红景天提取物、物理混合物以及研磨改性物的吸湿率,并按照二项式模型拟合计算吸湿方程。实验结果见表2,图5。与提取物比较,物理混合物与研磨改性物均能降低吸湿率,而研磨改性物又明显低于物理混合物。从二项式拟合结果可以看出,研磨改性物能显著降低提取物的吸湿初速度与吸湿加速度的绝对值。
  2.5 临界相对湿度对比
  称取3种粉末各7份,每份约2 g,平铺于已干燥的扁形称量瓶中,按2.2项下方法进行脱湿处理,达脱湿平衡。将装有上述粉末的扁形称量瓶分别置于7种湿度不同的干燥器中,在25 ℃条件下保存7 d,取出称量瓶,精密称定,计算吸湿率。以吸湿率为纵坐标,相对湿度为横坐标作图,并计算临界相对湿度,结果见图6。红景天提取物的临界相对湿度约为61%,物理混合物的临界相对湿度约为70%,研磨改性物的临界相对湿度约为73%。研磨改性后能提高提取物的临界相对湿度。
  2.6 红景天提取物、物理混合物及研磨改性物的粉体学性质对比
  以红景天提取物、乳糖UP2、物理混合物及研磨改性物为研究对象,分别测定其粒径分布、微观结构、红外光谱、接触角,研究四者在微观结构及表面特征上的差异,以期阐明研磨改性的原理。
  2.6.1 粒径分布测定 参照2.3项下方法进行,结果见表3,图7。d0.5,d0.9分别为中位粒径与众位粒径,d0.5与d0.9越小,表示粉末的粒径越小。红景天提取物的粒径最大,粒径跨度最广,其次为物理混合物、乳糖UP2和研磨混合物。红景天提取物粒度谱上的双峰现象是由喷雾干燥过程造成的,尽管雾化器能将浸膏分散能几十微米甚至更小的雾滴,但由于提取物易热熔性黏壁,会造成提取物互相粘连成团。乳糖UP2粒度谱中大于100 μm的一个小峰,可能是由于乳糖在超微粉碎过程中部分粒子因表面自由能增高而团聚造成。研磨混合物的粒径最小,可能是由乳糖UP2与提取物共同研磨过程中产生的助磨效应造成的。从粒度分布也可看出,研磨改性不同于普通的过筛混合。   2.6.2 微观形态测定[4] 分别取4种粉末各少许,固定于导电胶上,置于离子溅射装置中,使粉末表面镀金,扫描电镜观察外观形貌特征,结果见图8。红景天提取物粒径大小不等,大颗粒表面分布有球状凸起及诸多大大小小的孔隙;小粒子为球状或类球状,表面光滑。乳糖UP2中粒子棱角较为分明,性状较为规则,部分粒子表面光滑,也有部分粒子表面周围有许多小粒子附着。物理混合物为红景天提取物与乳糖原粉的过筛混合物,图中可清晰地区分出具有球状凸起的提取物及性状规则的乳糖粒子,亦能发现部分提取物表面有少量的细小粒子附着。改性物的粒子大小不等,能观察到许多极小(小于10 μm)的粒子,大粒子表面则全附着或部分附着有细小粒子,形成了不规则的类包覆结构,这可能是研磨过程中乳糖UP2的部分小粒子附着于红景天提取物表面形成的。这种结构的形成可能与提取物吸湿性降低密切相关。
  2.6.3 红外光谱鉴别[5] 取干燥的光谱纯KBr约60 mg,分别加入上述4种样品约1 mg,在玛瑙研钵中混合研磨至颜色一致,压片。用FTIR-650傅里叶红外光谱测定仪测定,比较4种样品红外谱图的差异,结果见图9。红景天提取物与乳糖UP2的特征吸收存在一定的差异,红景天提取物在1 697,1 614,1 515,1 450 cm-1存在特征吸收,而乳糖UP2在3 526,2 933,2 900 cm-1存在特征吸收,此外,乳糖UP2在1 296~1 036 cm-1存在一连串较强的吸收峰,而红景天提取物在这段波数内仅有1 238,1 037 cm-1处较强吸收,上述差别可用于研磨改性物、物理混合物特征吸收的对比。研磨改性物在3 526,2 933,2 900 cm-1有明显的吸收,而物理混合物不明显;物理混合物在1 697,1 614 cm-1处特征明显,非常类似于红景天提取物,研磨改性物在1 697 cm-1处强度很弱,1 614 cm-1处吸收强度也很弱;在1 500~1 000 cm-1物理混合物则与红景天提取物相似,乳糖UP2的一连串特征峰较弱,而研磨改性物的图谱与乳糖UP2更相似,能明显观察到乳糖UP2的一连串特征峰。由红外图谱可以看出,研磨改性物与物理混合物在结构上存在明显的差异,其表观特征更类似于乳糖UP2。
  2.6.4 接触角的测定[5]各组样品采用TR-D8压片机压制成直径为10 mm,压力为50 N的平片,采用OCA20视频光学接触角测定接触角。测定时,选择片剂的下表面做测试面,测试液为甲酰胺[6],每次测试液体积为50 μL,速率为0.3 μL·s-1。固定针尖下端与片子顶端的距离约为1.5 cm。每种粉体测5次,待水滴在片子表面形成较固定的接触角时,每次固定时间30 s,结果见表4。由于乳糖溶于水,故选择甲酰胺为测试液进行接触角测定。甲酰胺在乳糖表面完全铺展润湿,接触角为0°;甲酰胺在红景天提取物表面的接触角约为15°,研磨改性物表面接触角远小于提取物及物理混合物,更接近于乳糖表面,说明研磨改性物的表面性质与乳糖类似,表面有乳糖分布存在。
  3 结论与讨论
  3.1 红景天提取物吸湿性强的机制分析
  红景天吸湿性强与其复杂的化学组成、制备工艺及存在状态密切相关。红景天提取物由70%乙醇提取而成,大极性组分(单糖、多糖、糖苷类、酚类等)被大量提取。依据Elder假说,水溶性混合物的临界相对湿度等于各组分临界相对湿度的乘积,而与各组分的量无关,由于临界相对湿度小于1,所以混合物的临界相对湿度低于单一组分的临界相对湿度,数值更低[7]。通过HPLC指纹图谱可发现不低于30种组分,且极性均较大,故表现出很强的吸湿性。
  提取物中富含糖类、糖苷类等大极性组分,采用常规的常压或减压干燥,干燥时间很长。笔者认为,这与糖类成分在干燥过程中作用有关。多糖分子表面亲水性基团很多,在浓缩过程中链状分子随着水分的蒸发而相互靠近,互相缠结,亲水性基团间距缩短,与周围残留的水分子形成较强的分子间作用力,阻碍水分子的逃逸,难以干燥;而小分子单糖由于其他成分的存在,导致其结晶度低,玻璃化转变温度低,干燥过程受热易熔化,吸附空气中的水分,产生引湿性[7]。为了解决干燥难题,工业上多采用喷雾干燥的方式来解决该问题。喷雾干燥利用雾化器将浸膏雾化分散成几十微米甚至更小的雾滴,通过与热空气的热交换带走水分,旋风分离,收集干粉。因雾滴粒径小,比表面积大,热交换面积大,能快速干燥浸膏,得到无定形态浸膏粉[8]。无定形态是与结晶态相对而言的。影响药物结晶的因素很多,如结晶溶剂、浓度、结晶的条件与速度、是否存在表面活性剂或高分子物质[9]。红景天提取液成分种类多,含量低,又常常伴随有皂苷类表面活性物质或蛋白质、多糖等高分子物质的存在,这些因素的共同作用使得各类成分在干燥过程中互相分散、抑制其他成分,降低其他成分的结晶浓度,无法形成晶核,打断了药物内部结构中质点的规则排列,导致单一成分的结晶度降低,提取物最终呈现出低结晶态或无定形态。药物的结晶程度越低,玻璃化转变温度越低,药物越容易吸湿。若对粗提物进行纯化,如采用大孔吸附树脂除去大极性的糖类,能提高其他成分的结晶程度,降低吸湿性;提取物越纯化,成分类别越少,结晶度越高,吸湿性越低[7]。由此可知,提取物的不定型态可能是其吸湿性强的重要结构基础。
  此外,由于部分小分子单糖的玻璃化转变温度低,在喷雾干燥中容易热熔性黏壁[7],导致制备出的喷干粉互相粘连,大小不均,并不与雾化器分散的雾滴粒径相当,这也解释了提取物粒径分布图上出现双峰的原因。另外,前期实验发现,喷雾干燥与减压干燥制备的粉末在微观形貌上存在较大差异。喷雾干燥的粉末[8]多呈大小不等的球形或类球形,粒子间相互团聚,伴随较多孔隙,比表面积大;而减压干燥的粉末[5]多呈不规则的块状,表面光洁致密,几乎观察不到孔隙的存在,比表面积小;因而,喷雾干燥的粉末比减压干燥的粉末吸湿性更强。   3.2 研磨改性降低吸湿性的原理分析
  采用辅料混合方法降低提取物的吸湿性是最为常用的制剂学手段,国内学者在这方面亦做了大量研究,但多集中在辅料的种类与比例筛选[10]。对于辅料的粒径因素,混合的方式及参数等细节较为忽略。提取物的吸湿是由于提取物表面对空气中水分子的固-气吸附形成的,且基本属于多分子层吸附[11];提取物表面暴露得越多,吸湿性就越强。
  研磨改性并不等同于药物与改性剂的物理混合,研磨改性物的性质也不是药物与改性剂性质的简单加合而是呈现出许多新的特点。研磨改性的过程较为复杂,需要机械力的参与,也需要药物与改性剂具备一定的特点[2]。红景天提取物与乳糖的研磨改性过程是2个粒子群相互作用的过程,且2个粒子群在粒径分布上都是不均匀的,都包含有大大小小的粒子。d0.1, d0.5, d0.9分别表示粒子群中粒径排名10%,50%,90%的粒子的粒径数值,上述数值越小,则粒子群整体的粒径越小。在研磨改性过程中,乳糖的一些小粒子会吸附到红景天提取物的大粒子表面,降低提取物与外界的接触面积。乳糖的小粒子越多,向大颗粒表面的吸附过程就越容易实现,增加乳糖的用量,实际上就是增加小粒子的数量。机械力的作用也非常复杂,一方面能使乳糖小粒子在提取物上的附着更为紧密,同时也会使提取物破裂、变形,提取物甚至会因受力产生热能导致表面融化,促使一些粒径较大的乳糖与之粘连、嵌合,形成复杂的微观形态;另一方面,也会使提取物或已形成的复合粒子破碎,产生新的断面。由于机械力的存在,使得乳糖的粒径与研磨强度、研磨时间等因素存在复杂的交互效应,故在单因素实验条件下会观察到改性效果随乳糖粒径的降低呈现先增加后降低的现象。此外,由于提取物中存在少量小粒子,研磨改性过程也会产生部分小粒子,研磨改性物在粉末状态仍具有一定的吸湿性,可通过后续制粒、压片等环节来进一步降低比表面积,改善制剂的吸湿性。
  本文通过研磨改性的工艺及原理研究,初步证实了“降低提取物与外界环境的接触面积能降低其吸湿性”的理论假说,为中药提取物的防潮提供了新的思路与方法。
  [致谢] 四川大学邹文铨教授及四川厚德医药科技有限公司郭治平高级工程师提供了指导与帮助。
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  Study on process and principle of lactose grinding modification to decrease
  hygroscopic of Rhodiolae Crenulatae Radix et Rhizoma extract
  ZHANG Ding-kun, ZHANG Fang, LIN Jun-zhi, HAN Li, WU Zhen-feng ,YANG Ying-guang, YANG Ming
  (1.Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, College of Pharmacy, Chengdu 611137, China;
  2.The Affiliated Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610072, China;
  3.Key Laboratory of Modern Preparation of Traditional Chinese Medicine under Ministry of Education, Jiangxi University of
  Traditional Chinese Medicine, Nanchang 330004, China)
  [Abstract] In this paper, Rhodiolae Crenulatae Radix et Rhizoma extract,with high hygroscopic,was selected as research model,while lactose was selected as modifiers to study the effect of the grinding modification method on the hygroscopic. Subsequently, particle size distribution, scannin electron microscopy, infrared spectroscopy and surface properties were adopted for a phase analysis.The results showed that the modified extract, prepared by Rhodiolae Crenulatae Radix et Rhizoma extract grinding 5 min with the same amount of lactose UP2, which hygroscopic initial velocity, acceleration, and critical relative humidity moisture were less than that of Rhodiolae Crenulatae Radix et Rhizoma extract and the mixture dramatically.In addition, compared with the mixture, the size distribution of modified extract was much less, the microstructure was also difference, while the infrared spectroscopy and surface properties were similar with that of lactose. It is the main principle that lactose particle adhered to the surface of Rhodiolae Crenulatae Radix et Rhizoma extract after grinding mofication to decress the moisture obviously.
  [Key words] Rhodiolae Crenulatae Radix et Rhizoma extract; lactose; ground modification; hygroscopicity
  doi:10.4268/cjcmm20140811
  [责任编辑 马超一]
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