基于G1-熵权法和响应面设计优化黄芪丹香颗粒的成型工艺

陈笑宇，李冬冬，赵诗聪，吴香婷，朱日，刘英链，杨锦竹※，金向群※

（1.吉林大学药学院，吉林 长春 130021；2.吉林省正和药业集团股份有限公司，吉林 通化 134001）

黄芪丹香颗粒是以黄芪、丹参和木香3味药材为原料制成的中药复方制剂，可以通过抑制胃酸分泌[1]，抑制脂质过氧化反应[2]，增加胃黏膜血流量，促进胃黏膜上皮细胞增生和黏液分泌[3]，促进胃肠蠕动[4]等多条途径协同发挥抗溃疡和胃黏膜保护作用，用于胃黏膜损伤的修复与辅助治疗。

课题组前期已对黄芪丹香颗粒的提取工艺进行了优化，并按照优化的提取工艺得到干膏粉。由于提取率较高，每日服用量大，且胃黏膜损伤患者多为老年人，考虑到服用依从性，因此选择制成颗粒剂。本实验以稀释剂用量比例、润湿剂浓度和润湿剂用量作为考察因素，以成型率、吸湿率和休止角作为评价指标，采用G1-熵权法对各评价指标赋权，最后应用Box-Behnken响应面法进行3因素3水平设计，优化黄芪丹香颗粒的成型工艺，为后续制剂的进一步研究提供依据。

1 仪器与材料

1.1 仪器

HYL-1001型多功能粉体物理特性测试仪（丹东市浩宇科技有限公司），ZY029型药物稳定性检查仪（天津药典标准仪器厂），DHG-9207BS型电热恒温干燥箱（宁波扬辉仪器有限公司），YP1201A型电子天平（上海蒲春计量仪器有限公司）。

1.2 材料

干膏粉（实验室自制，由黄芪、丹参和木香3味药材提取制得，药材均购自山东舜生堂中药饮片有限公司，经吉林大学药学院金向群教授鉴定均为正品，符合2020版《中国药典》一部各项下规定），山梨糖醇、微晶纤维素、糊精、乳糖和可溶性淀粉均为药用级辅料，购自安徽山河药用辅料股份有限公司。所用水为双蒸水，实验室自制；无水乙醇购自吉林省金泰化玻有限公司；其余化学试剂均为分析纯。

2 方法与结果

2.1 颗粒的制备

精密称取干膏粉及相应比例的辅料，混合均匀，加入相应量的一定浓度乙醇溶液制软材，过14目筛，放置烘箱中50℃鼓风烘干，整粒，即得。

2.2 考察指标

2.2.1 成型率 将干燥后颗粒的重量记做M1，并对其进行整粒，收集通过14目但未通过60目筛的颗粒，称定重量，记做M2，计算成型率。计算公式为：

2.2.2 吸湿率 将干燥至恒重的称量瓶开盖置于药物稳定仪中（温度：25℃，相对湿度：75%），预饱和24 h，精密称定称量瓶质量（m1）。将适量所测样品均匀平铺于称量瓶中，称定质量（m2）。将称量瓶开盖放置上述条件的药物稳定仪中，48 h后再精密称定质量（m3），计算其吸湿率。计算公式为：

2.2.3 休止角 使用多功能粉体物理特性测试仪测定休止角，测定时开启振动筛，使颗粒从加料口缓缓落到平台，并呈对称的圆锥体，停止后关闭振动筛，用测角器在圆锥体的3个不同位置测定，取平均值，即为休止角。

2.3 稀释剂种类的选择

中药提取物吸湿性较强，极易吸潮，吸潮后诱发黏性，使干膏粉结块，流动性变差、表面颜色加深，不仅会给后续的制粒生产带来困难，也会降低药品的质量和疗效[5]。本课题所得干膏粉为棕黄色粉末，易吸湿。因此，需要加入合适的稀释剂来改善其吸湿性和流动性。

选择山梨糖醇、微晶纤维素、糊精、乳糖和可溶性淀粉等5种中药颗粒剂常用辅料，将其与干膏粉分别按照1:1的比例等量混匀，置于药物稳定仪中（温度：25℃，相对湿度：75%），参照“2.2.2”项下吸湿率的测定方法，在2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h称定质量（m3），计算各时间点的吸湿率。以时间为横坐标，吸湿率为纵坐标，绘制吸湿曲线图，结果见图1，并记录72 h后各组混合物的外观状态。

图1 不同稀释剂与干膏粉等量混合的吸湿曲线图Fig.1 The hygroscopic curves of different diluents mixed equally with dry extract powder

72 h后山梨糖醇组液化，微晶纤维素组完全结块，其余各组均部分结块，颜色加深。结合图1可知，乳糖、糊精与干膏粉混合后表现出较好的抗湿性。由于乳糖部分人服用会出现不耐受的症状[6]，而且价格较高，工业化生产会极大提高成本而糊精使用广泛，价格合理，易溶于热水，属于无糖辅料，适宜合并患有糖尿病的患者服用，因此选择糊精作为本品的稀释剂。

2.4 单因素考察

2.4.1 稀释剂用量比例的考察 确定糊精作为本品的稀释剂后，需要进一步筛选糊精的用量比例，稀释剂的用量主要改善颗粒剂的吸湿性。将糊精与干膏粉按照0.4:1、0.6:1、0.8:1、1:1、1.2:1比例混合均匀后，分别将其平铺在已经恒重的称量瓶中，置于药物稳定仪中（温度：25℃，相对湿度：75%），参照“2.2.2”项下吸湿率的测定方法，在2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h称定质量（m3），计算各时间点的吸湿率。以时间为横坐标，吸湿率为纵坐标，绘制吸湿曲线图，结果见图2。

图2 不同比例稀释剂与干膏粉混合后的吸湿曲线图Fig.2 The hygroscopic curves of different proportions of diluents mixed with the dry extract powder

由图2可知，糊精与干膏粉比例为0.4:1时，吸湿率较高，当比例超过0.6:1时，吸湿性得到显著改善，且随着比例的加大，改善效果逐渐趋于平缓。糊精加入量过大，会加大服用量，也会使制粒时软材黏性变低，影响成型率。在确保具有足够的抗湿性的前提下，应尽量减少辅料的用量，因此选择糊精比例在0.6:1～1:1之间作进一步优化。

2.4.2 润湿剂浓度的考察 本课题所得干膏粉黏性较大，因此选用一定浓度的乙醇溶液作为润湿剂。根据糊精与干膏粉用量比例的考察试验结果，选择糊精与干膏粉按0.8:1的比例混合均匀，固定润湿剂的用量为20%，用不同浓度的乙醇溶液进行湿法制粒，考察润湿剂浓度对制粒效果和成型工艺的影响。结果见表1。

表1 润湿剂浓度的考察Table 1 The investigation of the wetting agent concentration

由表1可知，各组间吸湿率差别不明显，当乙醇浓度过高时，软材松散，制得的颗粒中细粉较多；乙醇浓度过低，难以过筛，导致成型率低。润湿剂浓度在87%～93%之间时制粒容易，颗粒成型率较高，且休止角都较低，因此选择这一水平作进一步优化。

2.4.3 润湿剂用量比例的考察 根据上述试验考察结果，将糊精与干膏粉按0.8:1的比例混合均匀，以90%乙醇溶液作为润湿剂，用量（体积）分别为混合粉重量的16%、18%、20%，、22%、24%和26%，考察润湿剂不同用量对制粒效果和成型工艺的影响，结果见表2。

表2 润湿剂用量的考察Table 2 The investigation of wetting agent dosage

由表2可知，润湿剂用量在混合粉重量的20%～24%之间时，制粒容易，成型率高，且吸湿率和休止角均较低。因此选择润湿剂用量为20%～24%作进一步优化。

2.5 评价指标的赋权

2.5.1 G1法主观赋权 G1法是在层次分析法（AHP）的基础上改进的一种主观赋权方法，与AHP相比，其优势在于不需要构建判断矩阵，减少了计算量，也无需进行一致性检验[7]。计算步骤如下[8]：

①确定评价指标，并对各指标的重要程度进行排序，记为Z1＞Z2＞…＞Zm，其中m为评价指标个数。

②确定相邻指标间的权重评价标度

③按下列公式计算G1法主观权重系数

本实验以成型率、吸湿率、休止角作为颗粒的评价指标，分别设定为Z1、Z2、Z3，并规定3个指标的优先顺序为成型率＞吸湿率＞休止角，权重评价标度分别为r2=1.2，r3=1.4。

2.5.2 熵权法客观赋权 熵权法是根据各指标实验数据所提供信息量的大小来确定权重系数的方法。各指标数据差异大，其熵值越小，提供的信息量越大，所占的权重也越高[9]。

计算步骤如下[8,10]：

①数据的标准化处理

对于高优指标（成型率）的标准化：

对于低优指标（吸湿率，休止角）的标准化：

式中Xij代表的是第i个评价指标的第j项数值，max{Xij}为Xij中的最大值，min{Xij}为Xij中的最小值。在标准化的过程中，为了后面的计算，加入了平移步骤，即各数值均加0.000 01。

②计算各指标的熵值Hi

K=1/lnn，n为各指标中的数据个数

③计算熵权法客观权重

2.5.3 组合权重系数的确定 由G1法得到的主观权重系数为W1，由熵权法得到的客观权重系数为W2，根据下列公式[11]计算组合权重系数Wj。

2.6 Box-Behnken试验设计与结果分析

2.6.1 因素与水平的设定 在单因素实验的基础上，确定了稀释剂用量比例，润湿剂浓度，润湿剂用量3个自变量的优化水平，以颗粒成型率、吸湿率和休止角3个指标的综合评分为因变量，采用Box-Behnken试验设计优化成型工艺。因素水平见表3。

表3 因素水平的设定Table 3 The settings of factor and level

2.6.2 Box-Behnken设计及结果 由G1法求得的主观权重系数为W1。根据响应面试验设计的结果，应用熵权法计算得到的客观权重系数为W2，根据组合权重的计算公式得到各指标的最终权重系数，结果见表4。确定各指标权重系数后得到综合评分的计算公式，再计算各组试验的综合评分，结果见表5。

表4 评价指标权重系数Table 4 The weight coefficient of evaluation indexes

表5 Box-Behnken设计与结果Table 5 The design and results of Box-Behnken

综合评分（comprehensive score）=（0.497 7成型率/成型率最大值+0.276 9 吸湿率最小值/吸湿率+0.225 5 休止角最小值/休止角）100

2.6.3 模型拟合与响应面分析 应用Design-Expert 8.0.6软件对实验结果进行分析，得到回归方程Y=96.54+1.50A+0.70B 0.061C 0.77AB+0.20AC 0.20BC 4.61A21.86B21.56C2,方差分析见表6，各因素3D响应曲面图见图3。由表6可知，模型P＜0.01，极具显著性，说明回归模型具有统计学意义。失拟项不具有显著性（P＞0.05），且相关系数R2为0.981 2，表明模型与试验拟合度良好，可用于成型工艺的分析和预测。在回归模型中，一次项A、B显著，C不显著，交互项AB显著，其余不显著，二次项均显著。通过P值的大小，判断各因素对成型工艺影响的大小顺序为稀释剂用量比例＞润湿剂浓度＞润湿剂用量；交互项AB显著，说明稀释剂用量和润湿剂浓度的交互作用对综合评分有显著影响。由3D响应曲面图各因素的陡峭程度可知，稀释剂用量比例和润湿剂浓度的影响较大，与方差分析结果一致。

表6 方差分析结果Table 6 The results of variance Analysis

图3各因素3D响应曲面图Fig.3 The 3D response surface diagrams of different factors

2.7 响应面优化与工艺验证

通过Design-export 8.0.6软件优化得到的最佳制剂工艺为：稀释剂与干膏粉的比例为0.83:1，润湿剂浓度为90.48%，润湿剂用量为21.96%,此时综合评分为96.70。考虑到生产实际和可操作性，调整制剂工艺为稀释剂与干膏粉的比例为0.8:1，以90.5%的乙醇溶液作为润湿剂，用量为混合粉重量的22.0%。按照调整后的制剂工艺进行3次平行验证试验，计算成型率、吸湿率、休止角和综合评分，结果见表7。

表7 验证试验结果Table 7 The result of verification

由表7可知，3次平行试验各指标结果均良好，且较为接近，RSD均＜2%。综合评分的平均值为95.69，与预测值接近，说明优选的制剂工艺稳定可行，适用于工业化生产。

2.8 临界相对湿度的测定

取7个玻璃干燥器，配置下表中7种代表不同湿度的饱和盐溶液，配制后将干燥器置于药物稳定仪（只开启温度，温度：25℃）中，得到相应的恒温恒湿环境。称取按照最终制剂工艺制得的干燥颗粒约2 g，共6份，均匀平铺于已经恒重的称量瓶中，精密称定，分别放置相应的干燥器中，一周后测定重量，计算吸湿率。结果见表8。以相对湿度作为横坐标，以每组的吸湿率作为纵坐标绘制吸湿曲线，在曲线的第2个点和第6个点作切线，得到相应的切线方程，俩条切线交点代表的湿度值即为本颗粒的临界相对湿度。结果见图4。俩条切线方程分别为y=0.114 6x 1.636 4、y=0.811 3x 49.196 3，计算求得本颗粒的临界相对湿度为68.26%，建议生产、存储、运输等过程中应控制环境湿度在68%以下。

图4 黄芪丹香颗粒吸湿曲线图Fig.4 The hygroscopic curve of Huangqi Danxiang granules

表8 不同相对湿度条件下的吸湿率测定结果Table 8 Hygroscopicity measurement results under the different relative humidity conditions

3 讨论

中药颗粒是将中药材的提取物与适宜辅料或与部分药材细粉混匀，制成的干颗粒状制剂，是传统中药饮片和汤剂的改良产品，既保持了汤剂吸收快、显效迅速的特点，又解决了传统中药服用、携带不方便的问题，剂量准确、安全有效，是现代中药的常用剂型之一[12,13]。中药颗粒剂制备工艺的主要评价指标有成型率、吸湿率、休止角和溶化性。本课题药材采用水提工艺，所得干膏水溶性良好，在预实验中将糊精与干膏粉分别按照0.6:1、0.8:1、1:1的比例混合均匀后，根据2020版《中国药典》颗粒剂项下溶化性检查方法进行检查，结果发现溶化性均符合要求，因此评价指标不再选择溶化性。成型率体现产率的高低，吸湿率是衡量中药颗粒质量的关键指标，休止角表征颗粒的流动性对工业化生产中的灌装、分剂量具有重要意义，所以采用这3个指标评价的综合评分优选成型工艺。

在用多个指标评价工艺时，指标的权重系数是必须考虑的一个重要问题，直接关系到其对总体贡献率的大小，因此权重系数的合理性也决定了优选工艺的合理性。以往的研究多采用主观赋权法，主观性较强，常常忽略了实验数据中的信息[14]。本实验采用G1-熵权法赋予权重，既考虑了人为对指标重要程度的判断，又兼顾了实验数据信息的客观性，结合了主观赋权法解释性强和客观赋权法精确度高的优点[15]，保证实验结果的科学性和可靠性。