确定性筛选设计优化一种复合钙制剂的工艺

确定性筛选设计优化一种复合钙制剂的工艺
李凯; 张美萍; 麻开香; 柴彩云; 王丽娟; 徐晓霞; 管勤浩; 李晓慧
【期刊名称】《《食品研究与开发》》
【年(卷),期】2019(040)020
【总页数】5页(P127-131)
【关键词】复合钙; 咀嚼片; 确定性筛选设计; 优化; 湿法制粒
【作者】李凯; 张美萍; 麻开香; 柴彩云; 王丽娟; 徐晓霞; 管勤浩; 李晓慧
【作者单位】北京振东光明药物研究院有限公司北京100089
【正文语种】中文
胎儿生长发育所需的营养素全部由母体供给，孕妇对各种营养素的需求量随之也要增加[1]。

维生素D3，又名胆钙化醇，是体内发挥生理作用的物质形态，具有提高肠道对钙离子的摄入，促进骨骼形成的作用[2-3]。

钙是人体内含量最多的矿物质
元素[2]，胎儿骨骼的形成过程中需要大量的钙元素供给[4-7]，因此母体的钙摄入就必须相应的增加；同时对维生素D3 的摄入有助于机体对钙的吸收[1]，促进骨
骼的形成。

孕妇为了补充分娩时丢失的血液和胎儿肝内贮铁，也要增加铁的摄入量。

叶酸的摄入不足会导致胎儿神经管畸形和巨幼红细胞性贫血等疾病[8-9]，因此孕
早期就应该补充适量的叶酸。

本试验研制的复合钙是针对孕妇这一特殊群体的。

该复合钙是以柠檬酸钙、乳酸亚铁、维生素D3、叶酸为主要原料制成的膳食营养补充剂，具有补充钙、铁、维生素D3 和叶酸的功效。

复合钙的制备流程：原辅料混合→制软材→制粒→干燥→整粒→总混→压片→包装。

湿法制粒[10-14]工艺是将原辅料加工成药物粉末，再加入粘合剂使得粉末聚集成
颗粒的方法，具有生产工艺成熟，颗粒质量较好，压缩性好等有点，应用最为广泛。

正交设计和响应面设计是常用的2 种试验设计方法，当考察因素较多时，二者的
试验次数很多。

而确定性筛选设计[15-19]（definitive screening design，DSD），在多数情况下只需要较少的试验次数就可以得到最优的水平。

本试验采
用确定性筛选设计，对复合钙的辅料用量及制备工艺进行筛选及优化，确定了最优辅料用量和工艺参数。

为复合钙的工业化生产提供了一定的指导作用。

1 材料与方法
1.1 材料与试剂
柠檬酸钙、乳酸亚铁、维生素D3、叶酸：北京振东光明药物研究院；赤藓糖醇：保龄宝生物股份有限公司；聚维酮K30、羧甲基纤维素钠、硬脂酸镁：安徽山河
药用辅料股份有限公司；香精：山东三和维信生物科技有限公司；阿斯巴甜：河北百优生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备
电子天平（YP1002N）：上海精密科学仪器公司；三维运动混合机（HS-15）：
江苏星星干燥设备有限公司；高效混合制粒机：浙江明天机械有限公司；摇摆制粒机（YK60）：江苏星星干燥设备有限公司；电热鼓风干燥箱（Labonce-9240A）：上海实验仪器厂有限公司；快速水分测定仪（HX/HS）：梅特勒-托利多有限公司；旋转式压片机（ZP10A）：北京国药龙立有限公司；脆碎度检查仪（FT-2000A）、硬度测定仪（YD-35）：天大天发科技有限公司；电磁感应铝箔封口机（GLF-2100）：广东联翔包装科技有限公司；原子吸收分光光度计（PinAAcle900T）：美国 Perkein Elemer 有限公司；高效液相色谱仪（2475）：Waters 科技有限公司。

1.3 方法
1.3.1 复合钙辅料用量及制粒工艺的初步筛选
分别以维生素D3 的加入方式（内加或者外加）、羧甲基纤维素钠（carboxymethyl cellulose sodium，CMCNa）用量、聚维酮K30（povidone，PVP）用量、加水量和干燥时间为考察因素，以合格颗粒（65 目<d<24 目）比例为评价指标，应用DSD 初步优化辅料用量及颗粒制备工艺。

按表1 的设计配方投料（总投料量1 000 g，其中赤藓糖醇用来补足配方量），采用湿法制粒机（切割速率300 r/min、搅拌速率150 r/min、制粒时间240 s）和摇摆制粒机进行制粒，所得的湿颗粒置于电热鼓风干燥箱中（干燥温度55 ℃、干燥时间60 min）。

干
颗粒用筛分机测定颗粒分布。

1.3.2 叶酸和维生素D3 的加入方式对其含量的影响
以制粒为工艺分界点，内加是在制粒之前添加叶酸和维生素D3，外加是在制粒之后添加叶酸和维生素D3。

根据1.3.1 给出的最佳辅料用量进行制粒，用四分法进
行取样，5 个点进行检测，并用药典中的叶酸片[20]和维生素D3[20]的检测方法
进行含量测定。

1.3.3 复合钙混合工艺的优化
按照表3 设计配方进行优化，（总投料量为1 000 g，其中PVP 的水溶液浓度为10%，CMC-Na 的添加量为2.0%），用湿法制粒机进行制粒，18 目筛网湿整，
所得颗粒放入电热鼓风干燥箱中进行干燥（干燥温度55 ℃）。

干颗粒加入维生素D3、叶酸和硬脂酸镁后进行总混，混匀后进行压片。

1.3.4 复合钙的外观、硬度、脆碎度、重量差异
根据《中国药典》2015 版四部，对复合钙的外观，硬度，脆碎度，崩解时限，重量差异进行检测。

1.3.5 复合钙综合评分
找食品加工专业人员10 名组成评议小组，按照表5的评分标准对所得的复合钙进行综合评分。

综合得分=外观得分×0.2+硬度得分×0.3+脆碎度×0.1+口感×0.4。

1.3.6 复合钙最优配方及工艺验证
根据DSD 筛选出的最优配方及工艺参数，放大10 倍量制备一批钙片，并对其钙、铁、铜、叶酸和维生素D3 进行检测。

并按照1.3.4 的方法对复合钙片的片重差异、脆碎度和硬度进行检测。

2 结果与分析
2.1 复合钙辅料用量及制粒工艺的初步筛选
对复合钙的CMC-Na、PVP 添加量、加水量、维生素D3 及干燥时间采用DSD
进行优化的试验结果见表1。

表1 复合钙辅料用量及制粒工艺的初步筛选Table 1 Preliminary screening of compound calcium supplementary material quantity and granulation technology编号 CMC-Na/%合格颗粒/%1 3.0 1.0 30.0 -I 90.0 65.3 2 1.0 3.0 27.0 -I 90.0 54.6 3 3.0 3.0 30.0 I 30.0 76.3 4 1.0 1.0 24.0 -I 90.0 60.8 5 2.0 2.0 27.0 I 60.0 79.1 6 2.0 1.0 24.0 -I 30.0 70.4 7 1.0 3.0 24.0 I 30.0 52.0 8 1.0 1.0 30.0 I 60.0 68.3 PVP 添加量/%加水量/g维生素D3干燥时间/min
续表1 复合钙辅料用量及制粒工艺的初步筛选Continue table 1 Preliminary screening of compound calcium supplementary material quantity and granulation technology注：I 表示外加，-I 表示内加。

编号 CMC-Na/%合格颗粒/%9 1.0 2.0 30.0 -I 30.0 68.4 10 3.0 3.0 24.0 -I 60.0 66.8 11 3.0 1.0 27.0 I 30.0 63.1 12 3.0 2.0 24.0 I 90.0 65.4 13 2.0 3.0 30.0 I 90.0 78.7 14 2.0 2.0 27.0 -I 60.0 79.1 PVP 添加量/%加水量/g维生素D3干燥时间/min
根据表1 的试验设计，对CMC-Na、PVP 添加量、加水量、维生素D3 的加入方式以及干燥时间进行了优化。

以合格颗粒（65 目<d<24 目）为评价指标，对上
述试验数据进行向前逐步多元回归，得：
构造的模型的P 值小于0.01，表明具有显著统计意义（P<0.05）。

式（1）是以合格颗粒比例为评价指标的回归模型。

模型中的自变量CMC-Na 添加量、PVP 加入量、加水量这3 个因素具有显著统计意义（P<0.05）。

表明，CMC-Na 的添加量、PVP 的加入量和加水量对合格颗粒的比例影响较大，而干燥时间和维生素D3 的加入方式对合格颗粒的影响不大。

根据DSD 给出的最优结果为CMC-Na 为2.0%，PVP 加入量为2%，加水量为27 g 时，合格颗粒的数量最多。

2.2 添加方式对叶酸和维生素D3的含量影响
在CMC-Na 为2.0%，PVP 加入量为2%，加水量为27 g 的基础上，对复合钙的维生素D3 和叶酸的添加方式进行考察，具体的结果见表2。

表2 添加方式对叶酸和维生素D3 的含量影响Table 2 Effects of addition ways on folic acid and vitamin D3 contents μg/g项目内加外加理论添加量叶酸82.85±5.14 102.46±1.85 100.00维生素D3 4.72±6.56 5.10±0.82 5.00
从表2 可以看出，加入方式的不同对叶酸和维生素D3 的含量有明显的变化，外加的添加方式更接近理论添加量。

且从叶酸和维生素D3 的检测含量的标准偏差来看，外加的比内加的要低。

这是由于内加的方式：维生素D3 是经过β-环糊精包合的，在湿法制粒的过程中可能由于高速搅拌，高速剪切力的作用，导致其包埋层破裂，使得其不稳定导致的含量偏低[21]；叶酸是水溶性的维生素，不适宜进行制粒操作。

在湿法制粒过程中粘合剂的加入导致其分布不匀，且使得叶酸随着粘合剂的加入粘在容器壁表面，进而导致其含量降低。

2.3 复合钙混合工艺的优化
对复合钙的混合工艺参数混合时间、混合转速、粘合剂的添加量及颗粒水分4 个因素在3 个水平下进行确定性筛选设计，具体结果见表3。

表3 复合钙混合工艺的优化Table 3 Optimization of mixing process of compound calcium编号颗粒水分/%混合时间/min混合转速/Hz粘合剂添加量/% RSD/%1 1.0 20.0 20.0 12.0 3.35 2 1.0 25.0 30.0 8.0 4.15 3 1.0 30.0 20.0 8.0 6.95 4 2.0 25.0 25.0 10.0 0.75 5 3.0 30.0 30.0 8.0 3.76 6 3.0 20.0 30.0 12.0
5.75 7 1.0 20.0 30.0 10.0 1.67 8 3.0 30.0 20.0 10.0 1.35 9 2.0 20.0 20.0 8.0
2.95 10
3.0 20.0 25.0 8.0 5.75 11 2.0 30.0 30.0 12.0 2.55 12 3.0 25.0 20.0 12.0 5.35 13 1.0 30.0 25.0 12.0
4.55
由于复合钙的配方中的维生素D3 含量仅为0.20%，故以维生素D3 含量的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）值为评价指标，以此来表征物料混合是否均匀，RSD 值越小，表明物料混合越均匀。

根据表3的试验设计，对颗粒
水分、混合时间、混合转速、粘合剂添加量进行了优化，其中粘合剂添加量表示聚维酮的水溶液浓度。

对上述试验数据进行向前逐步多元回归，得：
式（2）是以维生素D3 含量检测值的RSD 值为评价指标的回归模型，具有显著
统计意义（P＜0.05），模型中的自变量混合时间、混合转速、黏合剂的添加量这
3个因素具有显著统计意义（P＜0.05）。

式（2）表明，混合时间、混合转速、
粘合剂的添加量以及混合时间与混合转速的交互作用、混合转速的二阶效应和粘合剂添加量的二阶效应对维生素D3 的RSD 值影响较大，而颗粒水分对综合评分影
响不大。

根据DSD 给出的最优结果：混合时间25 min，混合转速25 Hz，粘合
剂添加量为10%时，复合钙中的维生素D3 的RSD 值最小为0.75%，表明物料混合均匀。

利用确定性筛选设计对复合钙的辅料用量及工艺参数进行了2 次筛选和优化，2
次筛选设计都不超过14 次试验就实现了对CMC-Na 用量等4 个考察因素和颗粒
水分等4 个考察因素的筛选和优化，得到了相应的回归方程。

DSD 利用
“Sparsity-of-Effects principle”[22]，有效地减少了试验次数也可以进行多元
回归。

且DSD 最少只需要2k+1 次试验，通过合理巧妙地安排试验方案，使一次项与二次项正交，各项之间的相关性相当小。

2.4 复合钙最优配方及工艺验证
根据DSD 给出的最佳辅料用量为：羧甲基纤维素钠2.00%，聚维酮K30 2.00%。

且在最佳的工艺条件下：粘合剂添加量为10%，切割速率300 r/min，搅拌速率150 r/min，制粒时间240 s，混合转速25 Hz，混合时间25 min，干燥温度
55 ℃；干燥时间60 min 并进行压片处理。

2.4.1 复合钙片质量检测
随机选取20 片并对其进行称重，理论片重为1.0 g，片重差异均在±5%内，即
0.95 g～1.05 g 之间，均符合药典标准；连续20 片测其硬度，表明硬度范围在150 N～180 N 之间；取复合钙片约6.50 g 测其脆碎度，结果表明脆碎度为
0.70%。

符合药典标准；片面光滑，无正常视力可见异物。

且口感较好，无砂砾感。

具体检测结果见表4。

表4 复合钙质量评价指标Table 4 Quality evaluation indicators of compound calcium考察项目指标评价得分外观完整；光泽度好；色泽均匀； 4.0～5.0完整；光泽度稍差；色泽不太均匀； 3.0～3.9不太完整，毛边严重；光泽度差；色
泽不均匀； 0～2.9硬度 15 kg～18 kg 4.0～5.0 10 kg～15 kg 3.0～3.9 6 kg～10 kg 0～2.9脆碎度＜1 % 4.0～5.0＞1 % 0～3.9
续表4 复合钙质量评价指标Continue table 4 Quality evaluation indicators of compound calcium考察项目指标评价得分口感铁味基本掩盖；口感细腻，无
颗粒感 4.0～5.0铁味较重；口感干涩，有颗粒感 3.0～3.9铁锈味重；口感不佳，颗粒感明显，0～2.9
按照1.3.5 的方法，并结合表4 对复合钙进行综合评分的打分，外观得分为5.00，
硬度得分为4.90，脆碎度得分为5.00，口感得分为5.00，综合评分为4.97。

表明模型优化后的配方用量及工艺参数有效，且制做出的复合钙质量较好，适合大众的口味。

2.4.2 复合钙片中的钙、铁、叶酸和维生素D3 含量检测
钙采用GB 5009.92-2016《食品安全国家标准食品中钙的测定》、铁采用GB 5009.90-2016《食品安全国家标准食品中铁的测定》中的原子吸收光谱法进行测定；叶酸和维生素D3 采用1.3.2 中的方法进行检测。

选取压片过程中的前、中、后3 个样的复合钙进行检测，结果见表5。

表5 复合钙中钙、铁、叶酸和维生素D3 的含量检测Table 5 Determination of calcium，iron，folic acid and vitamin D3 in compound calcium检测指标理论值/（μg/g）实际检测值/（μg/g）钙50 157.49 50 156.78±0.68铁3.59 3.60±0.25叶酸100.00 103.5±1.12维生素D3 5.00 4.92±0.86
从表6 中可以看出，钙、铁、叶酸和维生素D3 含量与理论值相差不大，且标准偏差均在5%以下，表明柠檬酸钙、乳酸亚铁、叶酸和维生素D3 含量分布均匀，混合工艺有效。

3 结论
本试验成功地将DSD 应用于复合钙的制备工艺并对其进行了筛选和优化，仅用了较少的试验次数就实现了多个因素的筛选和优化。

根据DSD 确定的辅料用量和制备工艺所得的复合钙片，质量符合药典标准，且钙、铁、叶酸和维生素D3 的含量均匀度较好。

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