玛咖（Lepidium meyenii Walp）是联合国粮农组织推荐的一种十字花科植物,具有较高的食用和药用价值[1,2,3]。研究表明玛咖不仅富含蛋白质、矿物质等营养成分,且在抗氧化、抗疲劳、增强精力、改善性功能及记忆力等方面具有良好功效,2011年被国家卫生部批准为新资源食品,深受消费者喜爱[4,5,6,7]。随着人们食品安全及营养健康意识的提高,玛咖产品在国内及日本、欧美等国外市场上迅速流行;但当前玛咖产品单一,只有玛咖干粉、玛咖片、玛咖酒、玛咖茶等产品[8,9,10,11],且现有玛咖片产品多为干法/湿法造粒压片工艺,产品成本或辅料含量较高,所以急需开发成本低且玛咖含量高的加工工艺[12,13]。黄秋葵是一种具有较高营养价值和良好药用保健功效的草本植物[14,15],富含蛋白质、纤维素、黄酮、果胶、生物碱等营养及功能活性成分[16,17],其中果胶含量达24.05%[18,19];而黄秋葵果胶具有保护肝脏、帮助消化、保鲜及治疗胃溃疡等作用[20,21,22],也是一种天然食品辅料,可作为粘合剂代替传统的压片辅料[23]。
片剂系指原料与适宜辅料混合均匀后压制而成的圆形或异形状的固体制剂,它是现代药物或功能营养食品制剂中应用最为广泛的剂型之一[24]。干法制粒压片法、湿法制粒压片法及粉末直接压片法是片剂压片主要的3种方法[25,26],其中粉末直接压片法无需制粒,具有节约能源、节省时间、降低成本、工艺简洁等优势,在有些国家的采用比例已高达60%[27,28],而我国的采用比例尚不足20%,湿法制粒仍然是我国采用主要方式[29,30]。本研究利用黄秋葵超微粉具有的良好黏性,无需添加硬脂酸镁、微晶纤维素等传统的赋形剂也能良好成型,且使产品含有丰富的果胶。采用全粉末直接压片工艺,利用响应面法优化玛咖压片产品制备工艺条件,探讨充填压力、充填深度、转台速度和原料粒度等工艺参数对产品片重差异、崩解时限、硬度及脆碎度的影响,以期获得低成本、含量高的玛咖咀嚼片产品,为进一步综合利用玛咖资源提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 材料 新鲜玛咖、黄秋葵清洗干净后均于60 ℃热风烘干,再经高速粉碎机、超微粉碎机粉碎,水分含量均控制在9%~11%。
1.1.2 仪器与设备 BS2000S型电子分析天平（北京赛多利斯天平有限公司）;GFSJ-8型粉碎机（江阴市瑰宝制药机械厂）;ZNC-300型超微粉碎机（北京兴时利和科技发展有限公司）;ZP9A型压片机（上海天凡药机制造厂）;YPD-300D型硬度仪（上海黄海药检仪器有限公司）;CJY-300C型脆碎度测定仪（上海黄海药检仪器有限公司）;ZB-1G型崩解仪（天津海益达科技有限公司）。
1.2 方法
1.2.1 制备工艺流程 原料→混合→搅拌均匀→压片→质量检验→包装→成品。
将92%玛咖超微粉（350目）、8%黄秋葵超微粉（350目）的原料混合均匀,放入压片机中直接压片（辅于强制加料）制备而成。
1.2.2 单因素试验 （1）充填压力对产品综合评定值的影响。将原料粉碎至300目,设置充填深度12 mm、转台速度30 r/min,分别将原料在压力10、15、20、25、30、35、40 kN下压片成型。研究充填压力对产品综合评定值的影响。
（2）充填深度对产品综合评定值的影响。将原料粉碎至300目,设置充填压力30 kN、转台速度30 r/min,分别将原料在充填深度4、6、8、10、12、14 mm下压片成型。研究充填深度对产品综合评定值的影响。
（3）转台速度对产品综合评定值的影响。将原料粉碎至300目,设置充填压力30 kN、充填深度12 mm,分别将原料在转台速度5、10、15、20、25、30、35 r/min下压片成型。研究转台速度对产品综合评定值的影响。
（4）原料粒度对产品综合评定值的影响。设置充填压力30 kN、充填深度12 mm、转台速度30 r/min,分别将原料粒度控制在100、150、200、250、300、350目下压片成型。研究原料粒度对产品综合评定值的影响。
1.2.3 响应面试验设计 在单因素试验基础上,以充填压力（X1）、充填深度（X2）、转台速度（X3）、原料粒度（X4）4个因素为自变量,崩解时限、片重差异、脆碎度及硬度的综合评定值为响应值,根据Box-Benhnken中心组合原理设计四因素三水平试验。因素水平编码见表1。
表1 试验因素水平及其编码表Tab. 1 Factors and levels |
| 编码 Code | 充填压力X1 Filling pressure/kN | 充填深度X2 Filling depth/mm | 转台速度X3 Turntable speed/(r·min-1) | 原料粒度X4 Raw material granularity/目 |
|---|---|---|---|---|
| -1 | 25 | 10 | 20 | 250 |
| 0 | 30 | 12 | 25 | 300 |
| +1 | 35 | 14 | 30 | 350 |
（3）硬度的测定。按文献[29, 32]的方法进行测定。
（4）脆碎度的测定。按文献[29, 32]的方法进行测定。
（5）综合评定值。采用多指标综合评分法对压片工艺参数进行优化,取片重差异（α1）、崩解时限（α2）、硬度（α3）及脆碎度（α4）的综合评定值为优化指标,即综合评定值为各指标评分值之和（Y=α1+α2+α3+α4）。硬度指标有利于产品的成型,则取其数值的0.1倍作为评定值;片重差异、崩解时限、脆碎度3个指标不利于产品的成型,则分别取其数值倒数的10倍、100倍、10倍作为评定值,综合评定值的大小直接反映了成型性,片重不足时计为0[33]。
1.3 数据处理
采用Designer-Expert V8.0.6.1和Microsoft Office Excel 2003软件对实验数据进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果与分析
2.1.1 充填压力对玛咖秋葵咀嚼片综合评定值的影响 由图1可知,随着充填压力的增大,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值呈先升高后下降的趋势,当充填压力10~30 kN时,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值增幅较大;当充填压力30~40 kN时,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值降幅较大。充填压力在25~ 35 kN时,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值较高。
2.1.2 充填深度对玛咖秋葵咀嚼片综合评定值的影响 由图2可知,随着充填深度的延长,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值呈上升趋势,充填深度为4~10 mm时,增幅趋势较大;当充填深度超过10 mm后,延长充填深度对提高综合评定值基本没有促进作用。充填深度在10~14 mm时,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值较高。
2.1.3 转台速度对玛咖秋葵咀嚼片综合评定值的影响 由图3可知,随着转台速度的加快,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值先增大后减小。转台速度在5~25 r/min时,综合评定值增幅较大,可能是转台速度的增快有利于产品的成型;但当转台速度达到25 r/min后,转台速度太快导致压片时片剂表面细粉被冲头和冲模黏附,致使产品表面不光、不平有凹痕,所以综合评定值减小。转台速度在20~30 r/min时,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值较高。
2.1.4 原料粒度对玛咖秋葵咀嚼片综合评定值的影响 由图4可知,随着原料粒度的减小（目数增大）,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值呈增大趋势,100~250目时,随着原料粒度的减小（目数增大）,综合评定值上升趋势明显,说明一定范围内原料粒度的减小有利于产品成型;当原料粒度在250目后,综合评定值变化趋势不明显。原料粒度在250~350目时,玛咖秋葵咀嚼片综合评定值较高。
2.2 响应面分析方案及回归模型
响应面分析试验方案及结果如表2所示。经多元回归分析及拟合后,得到各因素与综合值之间的多元二次回归方程如下。
Y=21.38+1.69X1-0.45X2-0.90X3+0.80X4-0.47X1X2+1.04X1X3-0.79X1X4+0.16X2X3+0.045X2X4+0.40X3X4-2.62X12-1.90X22-2.03X32+0.11X42
表2 响应曲面法试验方案及结果Tab. 2 Response surface design and results |
| 序号 No | 充填压力X1 Filling pressure/kN | 充填深度X2 Filling depth/mm | 转台速度X3 Turntable speed /(r·min-1) | 原料粒度X4 Raw material granularity/目 | 片重差异 Tablet weight variation/% | 硬度 Hardness /N | 崩解时限Disintegration time/min | 脆碎度 Friability /% | 综合评定值Y Synthesis evaluation value |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 95 | 45 | 0.3 | 15.06 |
| 2 | 1 | -1 | 0 | 0 | 2.6 | 85 | 48 | 0.2 | 19.43 |
| 3 | -1 | 1 | 0 | 0 | 3.1 | 72 | 48 | 0.4 | 15.01 |
| 4 | 1 | 1 | 0 | 0 | 3.1 | 72 | 48 | 0.2 | 17.51 |
| 5 | 0 | 0 | -1 | -1 | 2.6 | 102 | 44 | 0.3 | 19.65 |
| 6 | 0 | 0 | 1 | -1 | 2.6 | 88 | 45 | 0.4 | 17.37 |
| 7 | 0 | 0 | -1 | 1 | 2.2 | 105 | 46 | 0.3 | 20.55 |
| 8 | 0 | 0 | 1 | 1 | 2.3 | 101 | 48 | 0.3 | 19.86 |
| 9 | -1 | 0 | 0 | -1 | 3.2 | 86 | 38 | 0.6 | 16.02 |
| 10 | 1 | 0 | 0 | -1 | 2.8 | 92 | 40 | 0.2 | 20.27 |
| 11 | -1 | 0 | 0 | 1 | 1.8 | 88 | 41 | 0.5 | 18.79 |
| 12 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2.5 | 84 | 40 | 0.2 | 19.90 |
| 13 | 0 | -1 | -1 | 0 | 2.5 | 92 | 49 | 0.3 | 18.57 |
| 14 | 0 | 1 | -1 | 0 | 2.1 | 89 | 48 | 0.6 | 17.41 |
| 15 | 0 | -1 | 1 | 0 | 2.4 | 89 | 46 | 0.6 | 16.91 |
| 16 | 0 | 1 | 1 | 0 | 2.3 | 82 | 46 | 0.6 | 16.39 |
| 17 | -1 | 0 | -1 | 0 | 2.3 | 86 | 43 | 0.5 | 17.27 |
| 18 | 1 | 0 | -1 | 0 | 2.4 | 92 | 40 | 0.3 | 19.20 |
| 19 | -1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 81 | 40 | 0.5 | 12.60 |
| 20 | 1 | 0 | 1 | 0 | 2.1 | 85 | 48 | 0.3 | 18.68 |
| 21 | 0 | -1 | 0 | -1 | 2.1 | 89 | 43 | 0.3 | 19.32 |
| 22 | 0 | 1 | 0 | -1 | 2.2 | 90 | 43 | 0.4 | 18.37 |
| 23 | 0 | -1 | 0 | 1 | 1.8 | 82 | 42 | 0.2 | 21.14 |
| 24 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1.9 | 95 | 44 | 0.3 | 20.37 |
| 25 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.9 | 102 | 41 | 0.3 | 21.24 |
| 26 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.9 | 102 | 41 | 0.3 | 21.24 |
| 27 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.7 | 91 | 43 | 0.2 | 22.31 |
| 28 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.8 | 99 | 43 | 0.3 | 21.11 |
| 29 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.7 | 96 | 46 | 0.3 | 20.99 |
2.2.1 响应二次模型方差分析 方差分析结果如表3所示。回归模型的F值为125.8337、P值小于0.0001,说明模型极显著;失拟项P=0.5739> 0.05,说明模型拟合程度好,可用此模型对综合评定值进行分析和预测。一次项X1（充填压力）、X3（转台速度）、X4（原料粒度）均达极显著水平（P<0.01）,X2（充填深度）达显著水平（P<0.05）;二次项中X12、X22、X32均达极显著水平（P<0.01）,X42不显著;交互项中只有X1X3、X1X4达到极显著水平（P<0.01）,其他交互项均不显著。4个因素对综合值影响主次顺序：X1（充填压力）>X3（转台速度）>X4（原料粒度）>X2（充填深度）。
表3 回归模型方程方差分析Tab. 3 Variance analysis of regression model equation |
| 变异来源 Source | 平方和 Sum of squares | 自由度 Degrees of freedom | 均方 Mean square | F值 F value | P值 P value | 显著性 Significance |
|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | 34.1381 | 1 | 34.1381 | 125.8337 | < 0.0001 | ** |
| X2 | 2.4031 | 1 | 2.4031 | 8.8578 | 0.0100 | * |
| X3 | 9.7921 | 1 | 9.7921 | 36.0940 | < 0.0001 | ** |
| X4 | 7.6960 | 1 | 7.6960 | 28.3676 | 0.0001 | ** |
| X1X2 | 0.8742 | 1 | 0.8742 | 3.2224 | 0.0942 | |
| X1X3 | 4.3056 | 1 | 4.3056 | 15.8706 | 0.0014 | ** |
| X1X4 | 2.4649 | 1 | 2.4649 | 9.0857 | 0.0093 | ** |
| X2X3 | 0.1024 | 1 | 0.1024 | 0.3774 | 0.5488 | |
| X2X4 | 0.0081 | 1 | 0.0081 | 0.0299 | 0.8653 | |
| X3X4 | 0.6320 | 1 | 0.6320 | 2.3297 | 0.1492 | |
| X12 | 44.6477 | 1 | 44.6477 | 164.5722 | < 0.0001 | ** |
| X22 | 23.5355 | 1 | 23.5355 | 86.7522 | < 0.0001 | ** |
| X32 | 26.8246 | 1 | 26.8246 | 98.8760 | < 0.0001 | ** |
| X42 | 0.0787 | 1 | 0.0787 | 0.2902 | 0.5986 | |
| 模型Model | 139.4993 | 14 | 9.9642 | 125.8337 | < 0.0001 | ** |
| 残差Residual | 3.7981 | 14 | 0.2713 | ― | ― | |
| 失拟项Lack of fit | 2.6691 | 10 | 0.2669 | 0.9456 | 0.5739 | |
| 纯误差Pure error | 1.1291 | 4 | 0.2823 | ― | ― | |
| 总变异Cor total | 143.2974 | 28 | ― | ― | ― |
Note: “―” means no data. * and ** mean significant difference or extremely significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively. | |
注:“―”表示无数据。*、**分别表示在0.05、0.01水平差异显著或极显著。 |
2.2.2 模型交互项分析 充填压力和转台速度之间的交互作用响应曲面如图5所示。充填压力和转台速度对玛咖秋葵咀嚼片综合评定值的交互作用显著,在一定范围内,随着压片过程充填压力及转台速度的增大,玛咖秋葵咀嚼片产品的综合评定值不断增大,达到极值点后又不断减小;且充填压力对综合评定值的影响比转台速度更为显著。
充填压力和原料粒度之间的交互作用响应曲面如图6所示。充填压力和原料粒度对玛咖秋葵咀嚼片综合评定值的交互作用显著,且综合评定值随原料粒度的变化幅度明显小于充填压力,表明充填压力对综合评定值的影响比原料粒度更为显著,这与上述单因素试验及方差分析的结果一致。
2.2.3 工艺参数优化和模型验证 采用Designer-Expert.V8.0.6.1进行分析,得到玛咖秋葵咀嚼片的最佳工艺参数为充填压力30.83 kN、充填深度9.74 mm、转台速度24.57 r/min和原料粒度300目,在该条件下响应面模型综合指标值为22.41。考虑到实际操作可行性,将最佳工艺参数修正为：充填压力31 kN、充填深度10 mm、转台速度25 r/min和原料粒度300目。在优化条件下进行3次重复验证试验,得到综合评定值的均值为22.38,与理论预测值偏差0.13%（<5%）,差异不显著（P>0.1）,验证了该模型的可靠性。2.2.4 不同赋形剂对玛咖秋葵片产品质量的影响 由表4可知,在充填压力31 kN、充填深度10 mm、转台速度25 r/min、原料粒度300目的工艺参数下,以黄秋葵作为赋形剂与传统赋形剂（硬脂酸镁、微晶纤维素）制备的玛咖秋葵咀嚼片产品各项指标均在国家标准范围内,综合评定值无显著性差异;但采用黄秋葵作为赋形剂能使产品良好成型且含有丰富的果胶。
表4 不同赋形剂对玛咖秋葵片产品质量的影响Tab. 4 Effect of different excipient on the quality of maca-okra chewable tablet |
| 赋形剂 Excipient | 片重差异 Tablet weight variation/% | 硬度 Hardness/N | 崩解时限 Disintegration time/min | 脆碎度 Friability/% | 综合评定值Y Synthesis evaluation value |
|---|---|---|---|---|---|
| 传统赋形剂Traditional excipient （3%硬脂酸镁+5%微晶纤维素） | 1.8 | 112 | 41 | 0.3 | 22.53 |
| 黄秋葵okra (8%) | 1.7 | 93 | 45 | 0.2 | 22.40 |
3 讨论
当前已有关于玛咖片制备工艺的报道,王婧等[34]采用响应面优化出玛咖咀嚼片的最佳配方：玛咖粉53.58%、全脂奶粉23.00%、甜菊糖苷0.84%、淀粉20.58%;赵言林[35]采用三七粉、玛咖粉和葛根粉混合制成复方玛咖三七制剂,玛咖占25%~60%;王菊等[36]采用玛咖粉、苹果粉、硬脂酸镁、山梨糖醇等配伍制成玛咖苹果含片,玛咖占20%;朱恩灿等[37]利用玛咖、预胶化淀粉、酸味剂等湿法造粒压片成玛咖含片,玛咖占20%~30%;代鹏飞等[38]利用玛咖、破壁松花粉、破壁油菜花粉、水苏糖、蔗糖酯制成玛咖花粉压片糖果,玛咖30%~40%;田旭芳等[39]利用蜂王浆、玛咖、黄精、枸杞、覆盆子、肉桂及硬脂酸镁、食用淀粉等制成蜂王玛咖片,玛咖占15%~20%;这些玛咖片制备过程中加入的添加剂和辅料等成分较多,导致玛咖含量较低。Xu等[13]应用正交试验法优化出玛咖含片的最佳配方：玛咖粉80%、红景天粉12%、当归粉6%;陈龙飞等[12]采用响应面优化出玛咖全粉直接压片的最佳配方：硬脂酸镁0.85%、微晶纤维素12.34%,直压乳糖8.34%、玛咖粉含量78.47%;Deluca等[40]采用玛咖及鹿角配伍成能提高睾酮水平的产品;这些研究的配方产品玛咖含量较高,但其研究只集中在产品的配方上,对其加工工艺参数并未涉及。本研究利用黄秋葵超微粉具有的良好黏性,使其无需添加硬脂酸镁、微晶纤维素等传统的赋形剂也能良好成型,且使产品含有丰富的果胶;同时利用响应面法优化玛咖压片产品全粉末直接压片制备工艺条件,在配方的应用及加工工艺研究上均与已有研究不同。
对粉末直接压片技术应用的研究,一般可从原辅料性质、配方优化及压片工艺参数等3个方面入手[12]。在原辅料性质研究方面,陈盛君等[41]评价了粉末直接压片常用辅料的粉体学性质,有助于合理选择直接压片辅料,吴季超[42]从辅料创新、制作方法创新、质量控制和粉体学性质阐述了直接压片辅料的研究现状,李亚正[43]研究了喷雾干燥技术制备的直接压片用复合辅料性质及质量标准;在配方优化方面相关研究较多,主要是对咀嚼片、泡腾片、含片及药片等的配方进行优化,汤葆莎等[31]、王婧等[34]、刘想等[44]对麦麸膳食纤维咀嚼片、玛咖咀嚼片、薏苡仁多糖咀嚼片的配方进行了优化,赵肖通等[45]、杨晰等[46]对姬松茸多糖泡腾片、沙枣多糖泡腾片的配方进行了优化,严黄彭等[47]、张云毅等[48]对川明参含片及蜂王浆水果含片的配方进行了优化,陈仙等[49]对琥珀酸索利那新片的配方进行了优化;而在压片工艺参数上的研究较少,李然等[50]研究了压片压力、润湿剂用量、混合时间、颗粒水分含量4个工艺参数对片剂质量的影响,高志江[51]建立了制粒工艺参数与片剂质量的数学量化模型,明确了润湿剂用量、搅拌时问、颗粒水分和压片压力等工艺参数与片剂质量的影响关系。本文主要研究了充填压力、充填深度、转台速度、原料粒度等工艺参数对玛咖咀嚼片质量的影响,结果显示：充填压力对产品质量的影响最大,这与高志江[51]的研究结果一致,压片过程中充填压力愈大,则物料粒子间的结合力愈强,压力超过物料弹性限度后产生塑性变形,使物料粒子的接触面积增大,结合力增大进而使物料成型;转台速度对产品质量的影响次之,转台速度太快会导致压片时片剂表面细粉被冲头和冲模黏附,致使产品表面凹凸不平,转台速度太小则影响生产效率,生产成本增高;原料粒度对产品质量的影响也较大,粒度太大会使物料与冲头接触的比表面积增大,导致发生粘冲现象,粒度太小会使成型物料表面不光滑,外观差;而充填深度对产品质量的影响较小。
4 结论
玛咖咀嚼片产品直接压片的最佳工艺为充填压力31 kN、充填深度10 mm、转台速度25 r/min和原料粒度300目,采用该工艺可得到低成本、含量高的玛咖压片产品,为进一步综合利用玛咖资源提供科学理论依据。