均匀试验设计在复方碳酸钙泡腾颗粒剂处方筛选中的应用
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张学农 陶亮 王新玲 刘发 王国荃
摘 要 以钙离子浓度为指标，通过单因素考察和均匀设计法筛选出泡腾剂
最佳处方组成，结果表明，均匀设计是进行多因素多水平条件优化的理想实
验设计方法。
关键词 碳酸钙 均匀设计 处方筛选
中图分类号：R 943
文章编号：1004-4337（2000）02-0116-03
目前的补钙剂中，以碳酸钙的效能价格比最高，故已被国内外生产厂家及药物开发者们作补钙剂的首选原料[1]。USP中以碳酸钙为原料制剂有片剂和混悬剂，市售补钙制剂中以片剂应用最为广泛，中国药典95年版已将碳酸钙列为补钙原料收载[2]，但是碳酸钙为难溶性无机化合物，呈弱碱性，口服后在胃酸作用下缓慢溶解后吸收，对胃酸缺乏者或老年人对钙的吸收利用较为不利。为拓宽碳酸钙的进一步应用，我们利用酸碱反应原理，在处方中加入定量柠檬酸，一方面可形成溶解性较大的柠檬酸钙络合物，达到促进钙元素吸收和提高生物利用度的目的，同时泡腾反应生成二氧化碳降可低水溶液的pH，减小了胃酸的消耗。酸碱用量是影响制剂的质量的关键。为此，应该均匀设计原则确定了处方中泡腾成分的剂量。
1 发泡剂的筛选
1.1 单因素的筛选处方
1.1.1 柠檬酸的用量 称取处方量的碳酸钙，分别置于10只内径、高度均相同的50ml的具塞量筒中，分别以碳酸钙：柠檬酸（重量比）为1：0.25、1：0.50、1：0.75、1：1.0、1：1.25、1：1.50、1：1.75、1：1.20、1：2.55、1：2.50的比例加入柠檬酸，用大肚吸管沿管壁匀速加入50ml蒸馏水，迅速记录发泡高度，泡沫持续时间。同时，吸取10ml溶液用0.8μm的微孔滤膜过
滤，吸取5ml，依照中国药典有关钙测定方法[2]，加入少量钙紫红素，用0.05mol/L乙二胺四乙酸二钠滴定，记录消耗量，结果见表1。
表1 柠檬酸与碳酸钙的组成比
编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
碳酸钙（g） |
/ |
/ |
/ |
/ |
0.75 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
柠檬酸（g） |
0.19 |
0.38 |
0.58 |
0.75 |
0.94 |
1.13 |
1.31 |
1.50 |
1.69 |
1.88 |
h(mm) |
0.0 |
3.2 |
4.4 |
5.1 |
10.11 |
12.12 |
13 |
13.3 |
14.0 |
14.3 |
VEDTA(ml) |
3.17 |
5.72 |
8.36 |
10.98 |
12.68 |
13.60 |
14.45 |
13.98 |
13.98 |
13.60 |
pH |
6.47±0.12 |
6.25±0.21 |
6.03±0.16 |
5.68±0.23 |
5.52±0.15 |
4.33±0.21 |
4.22±0.06 |
4.01±0.10 |
3.78±0.21 |
3.47±0.13 |
外观 |
浑 |
/ |
/ |
/ |
浊 |
澄 |
清 |
完全澄清 |
/ |
/ |
发泡时间(min) |
40 |
40 |
50 |
50 |
66 |
70 |
75 |
75 |
80 |
88 |
由表1可以看出，比例量由1：2.0～1：2.5的碳酸钙（轻质）已完全溶解，
溶液呈澄明状，钙溶解量>95%，溶液的pH为3.47～4.01。其中以1：2.0的比例
溶解最好。随着柠檬酸比例的增加，持续产气时间延长，钙溶解性相反略有
下降，可能与二氧化碳的逸出有关。
由发泡度高还可看出，柠檬酸与碳酸钙的酸碱反应缓慢而持久，产生的泡
沫最少，且发泡持续时间长，单独用碳酸钙作起泡剂作用较弱。
1.1.2 B物质用量
以每包含钙0.75g计，柠檬酸固定最大量即1：2.5分别加入不同比例的B（重
量比），按照上述方法操作，观察溶解性、发泡高度及pH，结果见表2。
表2 B物质加入量
编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
碳酸钙（g） |
/ |
/ |
/ |
/ |
0.75 |
/ |
/ |
柠檬酸（g） |
/ |
/ |
/ |
/ |
1.88 |
/ |
/ |
B物质（g） |
0 |
0.08 |
0.16 |
0.22 |
0.30 |
0.38 |
0.45 |
h(mm) |
14±2.2 |
20±1.8 |
28±3.5 |
33±5.0 |
41±5.5 |
55±6.5 |
60±3.4 |
VEDTA(ml) |
14.05±0.05 |
13.68±0.06 |
13.31±0.10 |
12.87±0.03 |
11.75±0.07 |
11.00±0.02 |
9.01±0.04 |
pH |
5.77±0.08 |
5.62±0.04 |
5.47±0.12 |
5.29±0.11 |
4.83±0.15 |
4.52±0.21 |
3.70±0.06 |
外观 |
/ |
/ |
/ |
完全澄清 |
/ |
/ |
/ |
发泡时间(min) |
90 |
3.5 |
3.0 |
2.5 |
2.0 |
1.5 |
1.4 |
可以看出，加入B物质后，发泡强度显著性增加，发泡持续时间明显地缩
短，钙的溶解性好(P<0.01)。以1号样相比较，加入少量的B即可使发泡强度显
著增强，产生剧烈的泡腾反应，使钙的溶出速率大大提高。试验同时显示，
随着B物质量的增加对碳酸钙溶解度的影响，可使钙溶解总量下降，故需进一
步筛选碳酸钙、B物质和柠檬酸的适当组成比例。
1.2 发泡剂的处方优化
1.2.1 因素与水平设计 单因素考察结合反复的预试验，确定影响发泡高度
与碳酸钙溶解性的因素及剂量范围如下：
X1：B物质用量（g） 0～0.45g
X2：柠檬酸的用量（g） 0.75～1.88
由于每包中碳酸钙的用量是固定不变的，故将上述两因素的取量分为7个
水平，依U7（76）均匀设计表及对应的使用表按排试验，见表3。每处方均加
入50ml，观察发泡高度、pH和乙二胺四乙酸二钠液的消耗体积，结果见表3、
4。
表3 因素与水平
因素
|
水平 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
X1 |
0 |
0.08 |
0.16 |
0.22 |
0.30 |
0.38 |
0.45 |
X2 |
0.75 |
0.93 |
1.12 |
1.31 |
1.50 |
1.69 |
1.88 |
表4 均匀设计试验安排表（n=5）
No. |
X1 |
X2 |
h |
V |
pH |
1 |
0 |
1.12 |
12±1.2 |
14.18 |
4.49 |
2 |
0.08 |
1.69 |
52.3±5.3 |
14.88 |
4.04 |
3 |
0.16 |
0.93 |
26.0±2.1 |
12.58 |
5.70 |
4 |
0.22 |
1.50 |
46.7±5.8 |
14.12 |
4.54 |
5 |
0.30 |
0.75 |
20.0±3.0 |
9.05 |
6.16 |
6 |
0.38 |
1.31 |
54.0±4.0 |
13.4 |
5.52 |
7 |
0.45 |
1.88 |
59.3±3.51 |
14.86 |
4.29 |
1.2.2 数据处理 以发泡高度h及VEDTA为指标，对两因素分别用均匀设计和统
计优化软件进行处理，其逐步回归方程为：
h=-10.00+141.47X1-187.22X12+17.2156X22
复相关系数为0.977 S=6.821 F=20.776 查表：F0.05（3，3）=10.485
F>F0.05（3，3）,故检验通过，其优化条件为X1=0.38 X2=1.88。
同样，
VEDTA=4.964-19.076X1+13.39X2+10.755X1X2-4.469X22
复相关系数为0.996 S=0.33 F=56.774
查表：F0.05（4，2）=20 F>F0.05（4，2）,故检验通过，其优化条件为X1=0 X2=1.50。
综合双指标回归方程，最佳的处方应是在保证最大的碳酸钙溶解性，尽可能获得良好的发泡性和适宜的pH。从溶解性可以看出，其结果与单因素考
察结果一致，即在柠檬酸为1.5g，不加B物质时碳酸钙在水中的溶解度最大。若从发泡性考虑，柠檬酸和B均在最大量时发泡性强。综合二指标得出较好的组方为：
处方一 X1=0.38 X2=1.5
处方二 X1=0.38 X2=1.87
从试验结果可知，钙的溶解性取决于柠檬酸的用量，发泡高度取决于两者的比例量随着B量的增加，会较多的消耗柠檬酸的量，导致碳酸钙溶解性的
下降，故其用量应控制在既能产生较好的泡腾，又不影响钙的溶解。同样，柠檬酸的用量也应考虑溶解和pH两方面，使碳酸钙能较大溶解。同时，又要
兼顾溶液中pH不能太低，以符合不同年龄的补钙者的饮用需要和制剂要求。
故用量也应选择在适宜的范围之中。
为选择最佳处方在综合上述均匀设计试验的基础上，除固定碳酸钙的用量之外，适宜地减少B与柠檬酸用量，进行第二轮均匀设计，选用U5（54）及其使用表进行处方设计，见表5、6。
表3 因素与水平
因素
|
水平 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
X1 |
0.08 |
0.16 |
0.22 |
0.30 |
0.38 |
X2 |
0.75 |
0.93 |
1.12 |
1.31 |
1.50 |
表4 均匀设计试验安排表
编号 |
X1 |
X2 |
h |
V |
pH |
1 |
0.08 |
0.93 |
18 |
13.02 |
4.82 |
2 |
0.16 |
1.31 |
31 |
13.30 |
4.64 |
3 |
0.22 |
0.75 |
34 |
10.67 |
5.82 |
4 |
0.30 |
1.12 |
47 |
12.96 |
5.34 |
5 |
0.38 |
1.50 |
58 |
14.32 |
5.08 |
以VEDTA为指标，用均匀设计与统计优化程序进行逐步回归，方程为：
VEDTA=8.298+4.014X2
复相关系数为0.896 S=0.698 F=11.70
查表：F0.1（3，1）=7.864 F>F0.1（3，1），P<0.1，检验通过，其优化
条件为X2=1.50。
即在两种成分的取值范围中，对碳酸钙的溶解起主要作用的柠檬酸与B的用量无关（影响无显著性）。且在X2=1.50时，碳酸钙的溶解性最好。
以h为指标，逐步回归得：
h=2.830+143.8X1+11.40X2-19.02X1X2
复相关系数为1 S=0.431 F=1964.92
查表：F0.05（3，1）=216.152 F>F0.05（3,1)，故检验通过，其优化条件为X1=0.38 X2=1.50。
用双指标考察可以看出，在X1=0.38，X2=1.50时，既能保证有良好的发泡性，又具有碳酸钙的最佳溶解性，pH为5.08，大多数人均可接受。
显然，通过二轮均匀试验的处方优化后，筛选出的发泡剂处方组成与第一轮均匀设计的优化处方一相同。为进一步证实其可靠性，按处方量称取相同量的碳酸钙，分别加入上述两种比例的B和柠檬酸，形成两种含复合泡腾
剂的泡腾颗粒剂，每组重复5次，结果见表7。
用PEMS统计软件对两处方作 t 检验，结果见表8。
表7两种处方比较
指标 |
/ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
h |
处方一 |
53 |
57 |
56 |
58 |
60 |
处方二 |
58 |
54 |
57 |
59 |
60 |
VEDTA |
处方一 |
13.90 |
14.12 |
14.20 |
14.00 |
14.25 |
处方二 |
14.15 |
14.04 |
13.95 |
14.30 |
14.12 |
pH |
处方一 |
4.98 |
5.22 |
5.14 |
5.00 |
5.12 |
处方二 |
4.18 |
4.02 |
4.20 |
4.25 |
4.30 |
表8方差分析表
/ |
组别 |
样本含量 |
均数 |
标准差 |
方差 |
P |
h |
组一 |
5 |
56.8 |
2.59 |
2.59 |
0.6195 |
组二 |
5 |
57.6 |
2.30 |
2.30 |
/ |
VEDTA |
组一 |
5 |
14.11 |
0.13 |
0.02 |
0.9638 |
组二 |
5 |
14.10 |
0.13 |
0.02 |
/ |
pH |
组一 |
5 |
5.07 |
0.10 |
0.01 |
0.0000 |
组二 |
5 |
4.21 |
0.07 |
0.00 |
/ |
注：组一、组二分别为处方一、二的值。
两处方中发泡高度h与VEDTA均无显著性差异（P>0.05),但是形成溶液的pH两组间具有显著性差异（P<0.05）。
通过二轮的均匀设计筛选，确定最佳发泡剂处方组成为：
碳酸钙 0.75g
B物质 0.38g
柠檬酸 1.50g
验证试验：在上处方中，按1：1加入适宜稀释剂、蔗糖粉和粘合剂等辅料，加润湿剂制粒后测pH、溶解性和发泡性。结果与试验相一致，溶解性和发泡性均好，溶液酸甜，口感好，无碳酸钙和柠檬酸钙的涩咸味，表明颗粒剂处方筛选符合要求。
2 讨论
本试验泡腾剂处方组成为三因素的多个不同水平的组合，而且是以游离钙浓度和pH为综合指标，涉及范围广，影响因素多。本试验的难点是在尽可能获得高的钙离子同时又要兼顾人体的生理适应性，故指标的选择也十分重要。
在新药开发研究中，处方组成比、制备工艺考察、分析测定条件的选择等均受多种因素的影响，均涉及到条件的优化筛选，试验工作量将会很大。善于使用均匀设计、正交设计等科学试验设计方法可大大减少试验次数和工作量，为我们节省大量的资金和人力，更为重要的是为新药开发节省了宝贵的时间。
作者单位：张学农、陶亮、王新玲、刘发、王国荃（新疆医科大学药学院药剂室 乌鲁木齐830054)
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