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化工原料常见问题

PVP K30作为模板剂在多孔乳糖生产中的新应用

频道:化工原料常见问题 日期: 浏览:141

摘要:为了改善不溶性活性成分的溶出行为,有必要制备多孔乳糖。本研究首次采用聚乙烯吡咯烷酮K30(PVPK30)作为不同用量的模板剂制备多孔乳糖。然后,对其物理性质进行了深刻的特征。最后,采用多孔乳糖作为保健功能性食品/药物载体,探讨了多孔乳糖对姜黄素溶出行为的影响。结果表明:(ⅰ)以PVPK30为模板剂成功制备了多孔乳糖;(ii)PVPK30显著提高了喷雾干燥中乳糖的得率;(ⅲ)多孔乳糖粉体性能的改善,更有利于保健功能性食品或药品制备的下游操作工艺;(iv)多孔乳糖显著改善了姜黄素的溶出行为。因此,所得结果有利于促进多孔材料的发展。  

关键词:乳糖;PVPK30;模板剂;多孔;溶出行为  

前言  

天然药物和保健功能食品,一般源于天然植物,多年来稳步发展,临床实践历史悠久[1,2]。中国最常见、最经典的保健功能食品也是来自天然植物[3],如姜、党参等。如今,天然药物和保健功能食品因其在预防疾病方面的重要作用而越来越受到人们的认可[4-6]。此外,老龄化社会的发生和人们当前的健康需求,进一步带动了天然药物和保健功能食品市场的完善,促进了天然药物和保健功能食品产业的发展[7,8]。  

乳糖是最常用的食品和/或制药辅料,具有成本效益,良好的物理/化学稳定性,水溶性,风味轻,甜度低、热值低、血糖指数低等特点[9,10]。然而,使用乳糖作为健康功能性食品/药物装载载体的主要缺点是它的孔隙率和装载量差,因为它的比表面积[11]较低,因此溶解行为[12]相对较差。而溶出行为是影响保健功能食品和药物疗效的重要性质[13,14]。因此,需要制备多孔乳糖,以增加负载能力,改善不溶性活性成分的溶解行为[15,16]。  

在过去的几十年里,多孔材料被广泛应用于许多领域,其独特的性能包括高表面体积比[17,18]。目前,共喷雾干燥辅助模板剂是生产多孔材料最常用的方法[11,19,20]。喷雾干燥是食品和制药颗粒工程中利用糖制备无毒微粒的典型技术。事实上,多孔乳糖的制备过程包括喷雾干燥和乙醇洗涤两个步骤。喷雾干燥主要是制备含模板剂的复合颗粒,而乙醇洗涤主要是去除模板剂[19]。  

制作过程中有两个关键点:(1)乳糖和模板剂均溶于水;(ii)乳糖不溶于乙醇,而模板剂可溶于乙醇。目前最常用的模板剂主要有蔗糖、柠檬酸、d-麦芽糖一水、d-果糖、d-葡萄糖无水等[11,19-22],但很少有人关注可溶于水和乙醇的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。此外,PVP可以防止喷雾干燥过程中的粘壁现象,从而提高收率。  

综上所述,本研究旨在(i)研究PVPK30作为模板剂的可能性,(ii)开发多孔乳糖,(iii)探索多孔乳糖对生姜中提取的不溶性活性成分姜黄素溶解行为的影响。  

正文  

1.材料和方法  

1.1.材料  

PVPK30(Ashland,USA),乳糖(MEGGLE辅料科技集团,Wasserburgaminn,德国),姜黄素(西安昊轩生物科技有限公司,中国西安)。  

1.2.多孔乳糖和无孔乳糖的制备  

以PVPK30作为模板剂,通过改变水溶液中加入的PVPK30的比例(1%,2%和3%),其中乳糖溶液浓度恒定在10%(w/w)进行样品的制备。所有溶液在25°C的室温下磁力搅拌至少30分钟,得到无任何可见颗粒的澄清透明的溶液,然后将透明溶液进行喷雾干燥,收集新鲜的喷雾干燥粉末。收集到的部分喷干粉与适量乙醇混合,并在室温25℃下磁力搅拌24h,以去除模板剂PVPK30,然后通过离心力从含有PVPK30的乙醇中分离出多孔乳糖,并在真空室中于45℃干燥6h。无孔乳糖是在不使用PVPK30的情况下进行加工,其处理过程和多孔乳糖相同。并根据公式计算粉末得率:  

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其中m1(g)为新鲜喷雾干粉的实际质量,m0(g)为乳糖-0的生乳糖质量,乳糖-P1、乳糖-P2、乳糖-P3的生乳糖和PVPK30质量。  

1.3.材料的物理特性  

1.3.1.表面形态  

在20kV加速电压下,在扫描电子显微镜(SEM)(QuantaFEG250,PhilipsLtd.,Eindhoven,Netherlands)下检测材料的形貌。样品溅射镀金钯(LeicaEMACE600,LeicaBiosystems,维也纳,奥地利),并在不同的放大倍率下观察。  

1.3.2.表面积,孔隙体积和孔径  

样品的表面积(SA)、孔隙体积(PV)和孔径(PD)采用表面积和孔隙体积分析仪(TriStar3000,MicromeriticsInstrumentCorp.,Norcross,GA,USA)进行表征。在液氮温度为N2(77K)时,记录样品的氮吸附等温线,然后分别采用Brunauer-Emmet-Teller(BET)方程和Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法计算SA。采用BJH法计算PV和PD。  

1.3.3.粒径(d0.5)、粒径分布(Span)、均匀度(Un)  

d(0.5)、跨度和Un值由激光衍射测定(Malvern2000,MalvernInstrumentsLtd.,Malvern,UK;干燥方法)。每个样品测试三次。  

1.3.4.卡尔指数(CI)和豪斯纳比率(HR)  

堆积密度(ρb)和振实密度(ρt)由粉末特性测试仪(BT-1000,Bettersize仪器有限公司,中国上海)测定。量筒正好为100ml,每种材料的敲击时间为6min。CI和HR计算公式如下:  

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1.3.5.x射线衍射(XRD)  

采用x射线衍射仪(D8Advance,A25,BrukerLtd.,Berlin,Germany)对材料的XRD结构模式进行了表征。用30mA、40kVCuKα1辐射x射线衍射仪检测和分析乳糖、乳糖-0、乳糖-P1、乳糖-P2、和乳糖-P3的晶体形态,扫描速率为1step/s,步长为0.02°,扫描范围为3~80°。  

1.3.6.傅里叶红外光谱(FTIR)  

FTIR光谱(PerkinElmer,Liantrisant,UK)用于研究乳糖成分。用溴化钾(KBr)按1:10的比例混合制备样品,然后用液压机在7吨的压力下进行压缩。样品在空白KBr磁盘上扫描,范围为4000~400cm-1,分辨率为1.0cm-1。  

1.3.7.热重(TG)和差热重(DTG)分析  

样品的热动力学研究使用ExstarTG/DTA6300TG分析仪(SIINano,日本)进行。为此,在预平衡的陶瓷锅中取约8mg样品,在200mL/min的氮气流量下,以10℃/min的加热速率从30℃加热到800℃。  

1.4.药物载药量及体外溶出行为  

1.4.1.载药量  

将100.0mg姜黄素溶于30.0mL乙醇中,得到药液,再与5.0000g多孔乳糖用磁力搅拌器搅拌4h。离心后,用惰性氮气预干燥姜黄素乳糖,并在60°C下烘干至恒定重量。  

1.4.2.体外溶解行为  

将100.0mg姜黄素乳糖放入胶囊中,考察其溶出行为。用智能溶出度分析仪(ZRS-8G,天大天发制药检测仪器有限公司,天津,中国)对其溶出行为进行了表征。采用转篮法。以5%Tween80水溶液(900mL)为溶出介质。温度为37±0.5℃。转速为每分钟100转。取样品(2.5mL),在5、10、15、30、45、60和90分钟立即用新鲜溶解介质替换。样品通过0.45mm过滤器过滤,并使用UV-vis光谱仪(UV-2600,岛津株式公司,京都,日本)在424.5nm处进行分析。  

2.结果与讨论  

2.1.材料的屈服率和表面形貌  

样品的基本粉体性质见表1。与未添加PVPK30(乳糖-0)的无孔乳糖相比,添加1%PVPK30(乳糖-P1)、2%PVPK30(乳糖-P2)和3%PVPK30(乳糖-P3)的多孔乳糖的产率分别提高了23.6%、24.0%和29.1%。这表明PVPK30可以有效地防止喷雾干燥过程中的粘壁现象。这可能是由于PVPK30形成一个薄外套在乳糖。  

表1本工作所研究的材料的表征  

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原料:乳糖;P,聚乙烯吡咯烷酮(PVPK30);乳糖-0,不含PVPK30;乳糖-p1,拥有1%PVPK30;乳糖-p2,用2%PVPK30处理;用3%PVPK30处理的乳糖-p3;ρb,体积密度;振实密度ρt;CI,卡尔指数;豪斯纳比率HR;AR,休止角;D(0.5),中值粒径;跨度、粒度分布;SA-BET,BET表征的表面积;SA-BJH,BJH表征的表面积;PV,BJH。孔径在17.000nm~3000.000nm之间的吸附累积量;PD、BJH吸附平均孔径。  

颗粒的表面形貌如图1所示,可以明显看出,以PVPK30为模板剂,通过喷雾干燥成功制备了多孔乳糖。与生乳糖相比(图1a),多孔乳糖的表面形貌(图1c-e)发生了显著变化。首先,多孔乳糖呈球状。第二,多孔乳糖呈现多孔蓬松的结构。第三,随着PVPK30添加量的增加,出现了孔隙结构(图1d,e)。这些变化往往有利于改善保健功能食品和药物的溶出行为,在第3.3节详细讨论了这一点。由于乳糖-0在喷雾干燥过程中没有使用PVPK30制备,因此颗粒不能呈现完整的球形结构,而是呈片状半球形。可能是由于溶剂效应对结构的影响,在乳糖-0中观察到一些非均相孔。  

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图1材料的扫描电子显微照片。(a),乳糖(原料)(5000x);(b),乳糖-0(不含PVPK30处理)(5000X);(c),乳糖-P1(用1%PVPK30处理)(5000X);(d),乳糖-P2(用2%PVPK30处理)(5000X);(e),乳糖-P3(用3%PVPK30处理)(6000X)  

2.2.材料的物理特性  

2.2.1.粉体属性  

材料的粉体性能如表1所示。本研究成功制备了多孔乳糖。此外,较高的孔隙率和比表面积使粒径分布更均匀,流动性更好,结构更蓬松,这些都有利于保健功能食品/药物制备的下游操作过程[23,24]。  

首先,通过SA-BET、SA-BJH、PV和PD的数值定量确定,以PVPK30为模板剂辅助共喷雾干燥,再以乙醇洗涤PVPK30制备多孔乳糖。与生乳糖相比,(i)乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的SA-BET分别提高了41.9%、40.0%和82.8%;(ii)同样,乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的SA-BJH分别增加了68.3%、69.4%和134.2%;(iii)乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的PV分别提高了21.6倍、11.9倍和13.0倍;(iv)乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的PD分别提高了12.4倍、6.6倍和5.0倍。与生乳糖-0相比,乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的SA-BET和SA-BJH没有增加;而(i)乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的PV分别增加了5.7倍、2.8倍和3.2倍;(ii)乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3的PD分别增加了10.6倍、5.5倍和4.1倍。  

其次,有趣的是,多孔乳糖的粒径比生乳糖和乳糖-0更小,同时粒径分布更均匀。跨度和均匀度值越小,物料的粒径分布越均匀。通常,粒径越小,粒径分布越不均匀[25,26]。然而,与生乳糖相比,乳糖p1的d(0.5)、跨度和均匀度值同时降低了28.7%、17.7%和23.4%,乳糖P2分别降低了18.1%、21.6%和29.1,乳糖P3分别降低了36.2%、24.1%和33.7%。与乳糖-0相比,多孔乳糖的这些值下降更明显。这可能与以下几个方面有关:(1)物料的粒度主要由加工方法决定;(ii)有报告称,喷雾干燥的材料由多孔的、球形的固体颗粒团组成,由于水蒸发后液体颗粒的球形性质,这些固体颗粒大小相当均匀。同时,喷雾干燥物料的粒径分布受雾化过程和干燥室类型控制[27,28],(3)PVPK30的加入降低了溶液[29]的表面张力,使得喷雾干燥过程中颗粒更小、更均匀。  

第三,有趣的是,与生乳糖和乳糖-0相比,多孔乳糖具有更好的流动性。AR、CI和HR常被用作表征和描述材料流动性的指标[29,30]。一般情况下,数值越小,[25]材料的流动性越好。与生乳糖相比,多孔乳糖的AR、CI和HR分别降低了25.6-29.4%、31.2-39%和21.7-25.7%。将它们与乳糖-0进行比较,也发现了类似的结果。多孔乳糖具有较好的流动性,这可能是由于其呈球状,且粒径分布均匀所致。相对球状的外形和均匀的粒径有利于改善流动性,降低AR、CI和HR值[31-33]。小颗粒往往导致流动性差,而多孔乳糖则相反  

的现象。这说明在一定的粒径范围内,物料的粒径形状和粒径分布对流动性的影响大于粒径。  

第四,多孔乳糖的ρb和ρt含量较低,表明其疏松,具有较好的填充能力和保健功能食品/药物装载能力。这是由于高孔隙率和表面积。此外,这也有利于保健功能食品/药物制备的下游操作过程,因为有报道称(i)高孔隙率可以加强颗粒表面之间的机械间在压力下锁定,从而产生强致密性;(2)高比表面积可以为颗粒提供较强的粘附位点,从而减少粉末混合物内部的偏析[3,34,35]。  

2.2.2.XRD  

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图2材料的代表性x射线衍射图。原料:乳糖;乳糖-0,不含PVPK30;乳酸-P1,用1%PVPK30处理;乳糖-P2,用2%PVPK30处理;用3%PVPK30处理的乳糖-P3。  

首先,在喷雾干燥过程中,乳糖-0和多孔乳糖都发生了晶体形态的变化。有报道称,喷雾干燥过程本身会导致非晶态的形成,并通过物理状态的重新排列改变得到的颗粒的结晶度[19,25,36,37]。一般情况下,α-乳糖一水化合物的比衍射角(2θ)分别为12.5°、16.4°和20.0°。无水β-乳糖分别为10.5°和20.9°。α-和β-乳糖混合时,α:β摩尔比5:3时为19.1°,β-乳糖混合时为20.0°,α:β摩尔比4:1时为19.5°[38]。因此,由图2可知,原料乳糖为α-乳糖一水。当12.5度峰消失时,所有喷雾干燥样品的10.5度峰取代了它,这表明所有喷雾干燥乳糖的晶体相发生了变化,并且两者都表现出无水β-乳糖结构。  

其次,多孔乳糖的晶体形态也与乳糖-0不同。具体体现在峰角为2θ=19.96时消失。材料的晶体形态主要受晶体习性的影响,结晶介质中存在少量的晶体改良剂可以改变晶体习性。一些亲水聚合物,如PVP和羟丙基纤维素,通常用于这种目的[25,32]。因此,我们推测在本研究中,亲水聚合物PVPK30在喷雾干燥过程中作为晶体改性剂,使得多孔乳糖和乳糖-0具有不同的晶体类型。  

第三,众所周知,乳糖以两种异构体形式存在,α-乳糖和β乳糖,可以是结晶或无定形[28]。然而,与晶体相比,非晶态材料一般不稳定,有形成晶体材料的倾向。  

综上所述,喷雾干燥后的乳糖(乳糖-0,乳糖-P1,乳糖-P2,乳糖-P3)以晶体结构为主,并改变了晶体形态,如图2所示。  

2.2.3.FTIR  

对比材料的红外光谱图如图3所示。与XRD的结果相似,FTIR结果证实(i)乳糖-p1、乳糖-p2和乳糖-P3的红外谱图相似,(ii)生乳糖、乳糖-0和多孔乳糖的红外谱图不同。由图3可以看出,在3500~2800cm-1和1750~500cm-1左右,生乳糖、乳糖-0和多孔乳糖之间存在不同的特征峰。原乳糖在3520cm-1处有一个明显的吸收峰,这是由水分子的自由O-H振动引起的,这是纯α-一水乳糖的特征带。此外,在920cm-1、900cm-1和875cm-1处的三个峰似乎合并在一起,在892cm-1处形成一个宽峰。在这些特征峰位置的峰值区域的高值表明原料乳糖是无定形乳糖。这一观察结果了解到(i)喷雾干燥乳糖改变了晶体形态,(ii)多孔乳糖与乳糖-0表现出不同的晶体形态。在FT-IR图中加入相同条件下测得的PVPK30的红外光谱图。PVPK30在1278cm-1附近有明显的吸收峰,属于O-H平面内弯曲振动。而其他所有的乳糖样品都没有显示出吸收峰。同样有趣的是,所有样品在1654cm-1附近都有一个峰,这分别代表了乳糖(1650cm-1)[39]结晶水中羟基的弯曲振动,以及PVPK30[40]烯烃键中C=C的拉伸振动,除了乳糖-0。这是因为乳糖-0在喷雾干燥过程后失去了结晶水。  

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图3材料的FTIR。原料:乳糖;乳糖-0,不含PVPK30;乳糖-P1,用1%PVPK30处理;乳糖-P2,用2%PVPK30处理;乳糖-P3,用3%PVPK30处理。  

2.2.4.TG和DTG  

用热重分析(TGA)研究了材料的热稳定性。从图4中可以看出,在0-500℃温度范围内,生乳糖呈现出三步减重的规律。在100-150°C范围内出现了第一次明显的失重,对应于晶格中结合水的损失;210°C~240°C出现缓慢的减重阶段;在255℃之前失重速度较快,310℃时达到质量平衡,对应于α-乳糖一水结晶水。而多孔乳糖和乳糖-0在相同温度范围内呈现两步失重模式。在225-245℃范围内,首先出现了轻微的体重下降;265℃出现快速失重,300℃达到质量平衡,对应β-乳糖的熔点。此外,多孔乳糖整体的重量损失小于乳糖-0,这可能是由于多孔乳糖中存在晶体的形式。结晶态比非晶态具有更好的热稳定性。也就是说,多孔乳糖具有良好的热稳定性。  

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图4材料的(a)TG和(b)DTG分析。原料:乳糖;乳糖-0,不用PVPK30处理;乳糖-P1,用1%PVPK30处理;乳糖-P2,用2%PVPK30处理;用3%PVPK30处理的乳糖-P3。  

2.3.体外溶出行为  

图5评价了含姜黄素乳糖胶囊的体外溶出行为。含有姜黄素的乳糖-0与生乳糖具有相似的溶出行为。两者都表现出非常缓慢的溶解速度。此外,含有姜黄素的原始乳糖和乳糖-0胶囊在60min时的累积溶出率分别为15%和19%。90min时,含姜黄素的生乳糖和乳糖-0胶囊的累积溶出率仍然分别只有23%和26%。  

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图5姜黄素粉的体外溶出行为。原料:乳糖;乳糖-0,不含PVPK30;乳糖-P1,用1%PVPK30处理;乳糖-P2,拥有2%PVPK30;用3%PVPK3处理的乳糖-P3。  

与生乳糖和乳糖-0相比,含有姜黄素的多孔乳糖胶囊的溶出行为明显改善。在5~15min的溶出速度都非常快。含姜黄素的乳糖-P1和乳糖-P3胶囊在45min时几乎达到溶出平衡,含有姜黄素的乳糖-p2胶囊在60min时也达到了溶出平衡。含有姜黄素的乳糖-P1、乳糖-P2和乳糖-P3胶囊在90min时的累积溶出率分别为86%、98%和93%。  

根据前6个点计算相似因子(f2)(表2),比较不同乳糖对姜黄素溶出行为的影响。当f2<50为不等判据时,50≤f2≤100表示溶解行为[41]等效。f2还表明(i)姜黄素负载的生乳糖和乳糖-0的溶出行为是等效的;(ii)装载姜黄素的多孔乳糖和生乳糖/乳糖-0的溶出行为为当量;(iii)与装载姜黄素的乳糖-P2和乳糖-P1/-P3的溶出行为相当;(iv)乳糖-P1和-P3之间的f2略小于50,说明在一定程度上,对加载姜黄素的乳糖-P1和-P3的溶出行为是不等同的。  

表2本研究对含有姜黄素乳糖胶囊的f2进行了研究  

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一般情况下,固体在溶剂中的溶解速率与SA[42]呈正相关,由Noyes-Whitney方程表示:  

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其中C和Cs分别代表在给定时间t时溶解物质的浓度和溶解物质的溶解度浓度。D、Sw、V、h分别为物质的扩散系数、暴露固体表面积、溶液体积、扩散层厚度[43]。  

因此,与原乳糖和乳糖-0相比,含有姜黄素的多孔乳糖胶囊具有更高的SA、PV和PD,其溶出速度明显加快是合理的,这一点在3.2.1节中有详细讨论。  

然而,有趣的是,含有姜黄素的生乳糖和乳糖-0胶囊的溶出行为也观察到相反的结果。也就是说,尽管乳糖-0的SA和PV是含有姜黄素生乳糖的3倍,但乳糖-0和生乳糖具有相似的溶出行为。这可能与PD小和乳糖-0粒径分布不均匀有关。事实上,生乳糖的PD与乳糖-0相似。同时,较高的SA和PV是由于粒径分布不均匀而形成的空心或多孔结构,其中包含了最小粒径的颗粒。  

此外,还比较了含姜黄素的多孔乳糖胶囊的溶出行为。总体而言,含有姜黄素的多孔乳糖胶囊的溶解行为随着PVPK30的使用水平和表面积的增加而改善。虽然乳糖-P1在多孔乳糖中具有最大的PV和PD,但含有姜黄素的乳糖-P1胶囊的溶解行为是三者中最低的。随着PVPK30使用水平的增加,乳糖的多孔结构图增加,也出现了一些乳糖的空心结构,如图1中的红色箭头。由于空心结构不被认为是孔隙结构,所以在PV和PD中不计算;但它们在SA中可以被计数,并有助于改善溶出行为。  

3.结论  

众所周知,乳糖是保健功能食品和医药行业中最常见的赋形剂,为了增加不溶性活性成分的承载能力,改善其溶出行为,需要制备多孔乳糖。模板剂辅助共喷雾干燥是目前最流行的多孔材料生产方法。  

本研究首次将PVPK30作为不同用量的模板剂制备多孔乳糖。然后,对其表面形貌、比表面积、孔体积、孔径、粉体性质、x射线衍射、傅里叶变换红外光谱仪、热重和差热重进行了表征。最后,将多孔乳糖作为保健功能食品载体,探讨其对姜黄素溶出行为的影响。结果表明:(ⅰ)以PVPK30为模板剂成功制备了多孔乳糖;(ii)PVPK30显著提高了喷雾干燥过程中乳糖的产量;(ⅲ)多孔乳糖改进后的粉体支撑剂更有利于保健功能食品/药物制备的下游操作流程;(ⅳ)多孔乳糖改善了姜黄素的溶出行为。  

所得结果可为多孔材料的发展提供新的视角、理论支持和指导。因此,本研究对促进保健功能食品的开发具有重要意义。  


关键词: