韓星星，孟治平，陳軒宇，鄧小敏，梁銀妹，馬欣艾，謝建君，付廷明*

基于水動力學尺寸調(diào)控中藥多組分噴干粉的表面組成：以多糖和蛋白二元體系為例

韓星星1, 2，孟治平1, 2，陳軒宇1, 2，鄧小敏1, 2，梁銀妹1, 2，馬欣艾1, 2，謝建君1, 2，付廷明1, 2*

1. 南京中醫(yī)藥大學藥學院，江蘇 南京 210023 2. 江蘇省植物藥深加工工程研究中心，江蘇 南京 210023

探討水動力學尺寸（水合粒徑）與中藥多組分噴干粉表面成分分布的關系，以實現(xiàn)表面組分徑向有序分布的調(diào)控。選取具有特定相對分子質(zhì)量的溶菌酶與葡聚糖代替中藥提取液中含量豐富的蛋白和多糖2種高分子物質(zhì)，制備不同含量混合物溶液。采用激光光散射法測定其溶液狀態(tài)下的水合粒徑；噴霧干燥后采用X射線光電子能譜測定噴干粉表面元素，并將兩者進行相關性分析。繼而調(diào)節(jié)溶液環(huán)境，觀察水合粒徑與表面元素變化情況。最后測定粉體穩(wěn)定性、吸濕性及含水量等性質(zhì)。溶液環(huán)境導致物質(zhì)粒徑發(fā)生變化，其中溶菌酶的水動力學尺寸隨溶液離子強度或pH值的增加而增加，葡聚糖的水動力學尺寸隨溶液離子強度或pH值的增加而減小。X射線光電子能譜分析表明混合物噴干粉表面均存在蛋白表面富集現(xiàn)象，其中高離子強度或高pH值下噴干粉的蛋白表面富集程度更高，這與高離子強度或高pH值時溶菌酶水合粒徑尺寸增加的趨勢是一致的。顆粒性能測試實驗表明對于以水為溶劑的葡聚糖-溶菌酶二元噴干粉，溶菌酶的加入使得混合物的吸濕性降低、穩(wěn)定性提高，另外提高溶液離子強度或者pH值則使噴干粉穩(wěn)定性進一步提高。水動力學尺寸是影響蛋白富集于噴干粉表面的主要因素，且由于低吸濕性蛋白在噴干粉表面的富集，導致混合物吸濕性降低，有效提高其物理穩(wěn)定性。

水動力學尺寸；噴霧干燥；表面組分；粉體性質(zhì)；多糖；蛋白；溶菌酶；葡聚糖；X射線光電子能譜

噴霧干燥是將溶液、懸浮液或乳液霧化，再通過高溫氣體介質(zhì)蒸發(fā)溶劑，使其一步轉(zhuǎn)化為干粉的過程[1]。與其他干燥方式相比，噴霧干燥時間短，適用于熱敏性物質(zhì)，所得粉末均一性好[2-3]，對原料液的要求范圍寬[4]，已成為中藥制藥行業(yè)中不可或缺的單元操作，是提取液常用的固液分離與制粒手段[5]。但經(jīng)噴霧干燥制得的中藥提取物粉末常常伴有吸濕性強、流動性差、黏結性大等缺點[6-9]，將給噴霧干燥過程本身以及后續(xù)的包裝、混合、制粒等工序帶來較大困難[10-11]。中藥提取液組分復雜，除了含有多種脂溶性以及水溶性小分子活性組分外，還含有多糖、蛋白、果膠以及鞣質(zhì)等大分子伴生物質(zhì)[12]。前研究已經(jīng)表明，上述4種高分子物質(zhì)中，多糖的吸濕性最強而蛋白的吸濕性最差，因此通過控制噴干工藝與條件實現(xiàn)蛋白類成分在噴干粉表面的富集，預期能達到改善吸濕性、流動性以及防止結塊等目的。遺憾的是，目前中藥提取液各組分在噴霧干燥過程中的遷移規(guī)律尚不清楚，也無法實現(xiàn)對物質(zhì)噴干過程的調(diào)控。

隨著噴霧干燥技術的應用越來越廣泛，其研究也不再僅僅停留于料液及工藝參數(shù)這種只關注起點和終點參數(shù)的階段[13-15]，更多實驗嘗試探究物質(zhì)在噴霧干燥過程中的粒子變化情況以及顆粒組成各向異性的競爭因素等微觀方面。Mezhericher等[16]認為噴霧干燥過程主要分為3個步驟：（1）液滴初始加熱階段；（2）液滴蒸發(fā)階段，溫度恒定，液滴直徑收縮，質(zhì)量降低；（3）液滴尺寸減小，溫度上升，外徑不變，形成固體外殼。Boel等[17]認為噴霧干燥時首先是溶劑的蒸發(fā)，溶劑分子從中心向表面遷移，隨后表面溶質(zhì)濃度增加導致溶質(zhì)從表面向內(nèi)部遷移，外殼形成，干燥速率降低，液滴內(nèi)外壓差對最終顆粒形態(tài)有決定性影響。根據(jù)粒子形成過程的研究，控制噴干粉表面組成異質(zhì)性的影響因素成為另一個令人感興趣的熱點。Chen等[18]選取模型藥物及模型聚合物進行噴霧干燥，結果表明物質(zhì)的表面張力會影響粒子表面富集或消耗，此外，組分的擴散速率和相互作用強度也有一定的影響。Momin等[19]通過控制噴干條件制備表面富含疏水性藥物的顆粒，在降低其吸濕性的同時也提高了霧化效率。Wilson等[20]以肌紅蛋白、蔗糖等為模型，探究含糖制劑對噴霧干燥蛋白質(zhì)制劑表面組成及其基質(zhì)異質(zhì)性的影響?？梢姡羰悄軌蛎鞔_影響噴干粉組分表面分布的重要因素，便在一定程度上掌握了調(diào)控噴干粉表面組分有序排列的方法，更有利于制備出滿足不同要求的成品制劑。有文獻指出Peclet數(shù)（對流速度與擴散速度之比）決定噴干顆粒表面組分的排列次序[21]。即當擴散速度較大時，物質(zhì)從液滴表面遷移至內(nèi)部，形成實心粒子，當對流速度較大時，物質(zhì)趨向于表面分布。

本實驗基于前期研究成果提出水動力學尺寸是影響噴干粉表面組分有序分布重要因素的科學假說。即當水動力學尺寸大時，對流速度較大而擴散速度較小，物質(zhì)容易在表面富集，反之亦然。為驗證該假說，本研究分別選取溶菌酶（hen egg-white lysozyme，HEWL）與不同相對分子質(zhì)量（w）的葡聚糖作為模型蛋白和模型多糖。將多糖與蛋白按不同比例混合形成溶液，測定其水合粒徑。一定條件下進行噴霧干燥，觀察粒子表面元素組成，分析兩者相關性。繼而通過調(diào)整溶液環(huán)境影響水動力學尺寸，觀察噴干粉表面成分組成的變化情況，最后對噴干粉進行物理性質(zhì)的表征和分析。

1 儀器與材料

1.1 儀器

FT4型多功能粉末流動性測試儀，英國Freeman Technology公司；B-290型噴霧干燥儀，瑞士Buchi公司；ZS90型Malvern納米粒徑測定儀，英國馬爾文儀器有限公司；MS-105型十萬分之一電子天平，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；250xi型X射線光電子能譜，Thermo Escalab公司；EPED-E2-20TS型實驗室級超純水器，南京易普易達科技發(fā)展有限公司。

1.2 試劑

葡聚糖T5（w為5000，批號為FY32B327）、T10（w為10 000，批號為FY32B359）、T70（w為70 000，批號為FY32B335），以上均購自南通飛宇生物科技有限公司；溶菌酶（蛋清）（批號為A21J11G116334），購自上海源葉生物科技有限公司；氯化鈉（NaCl，批次20200402）、乙酸鉀（CH3COOK，批次20200312）、硫酸鉀（K2SO4，批次20200508）、溴化鈉（NaBr，批次20200402）、無水碳酸鉀（K2CO3，批次20200508）、氯化鎂（MgCl2，批次20200509）、氯化鉀（KCl，批次20200512）、檸檬酸（批次20140515）、檸檬酸鈉（批次20151222），以上試劑均為AR級，購自國藥集團化學試劑有限公司。

2 方法與結果

2.1 多糖與蛋白二元混合溶液的噴霧干燥

2.1.1 多糖與蛋白混合溶液的制備 溶菌酶的w為14 000，為更好地觀察不同w葡聚糖對粒子表面組成的影響，選取3種不同w的葡聚糖T5、T10、T70與溶菌酶分別制成混合溶液，溶菌酶和葡聚糖的質(zhì)量比分別為1∶9、1∶4、1∶1、4∶1。多糖與蛋白混合溶液質(zhì)量總質(zhì)量分數(shù)為2%。

2.1.2 水動力學尺寸的測定 采用激光光散射法分別對蛋白與多糖溶液以及混合物溶液的水動力學粒徑進行測定，觀察其在溶液中的粒徑分布，以便后續(xù)分析粒徑與表面元素分布的相關性。

溶菌酶在水溶液中的粒徑主要集中在2個部分，小部分在10 nm以下，大部分位于200～300 nm。T5在水溶液中的粒徑也主要集中在2個部分，一部分在10 nm以下，另一部分集中在300 nm，且這2部分的比例相差不大。當溶菌酶和T5發(fā)生混合時，混合溶液的粒徑同樣集中在2個部分，一部分在10 nm以下，另一部分集中在200～300 nm，結果表明，當溶菌酶比例越高時，其200～300 nm的粒徑分布比例越大（圖1-A）。

跟T5的結果類似，T10在水溶液中的粒徑也集中在2個部分，一部分在10 nm以下，另一部分集中在200～300 nm，且這2部分的比例也基本相當。

圖1 溶菌酶與葡聚糖T5 (A)、T10 (B)、T70 (C) 按不同比例混合后的粒徑分布

當溶菌酶與T10質(zhì)量比為1∶9時，混合物中10 nm以下的粒徑分布比例變小，且大粒徑分布比例變多，基本位于400～500 nm。當溶菌酶與T10質(zhì)量比為1∶4時，混合物中小粒徑分為3個部分，主要集中在2～20 nm，大粒徑集中在200～300 nm（圖1-B）。

T70在水溶液中的粒徑主要集中在10～30 nm。從混合物粒徑分布來看，當T70比例占大部分時，其粒徑分布趨勢基本與T70類似，當溶菌酶比例增加時，混合物粒徑會出現(xiàn)200～400 nm的分布，且隨著溶菌酶比例的增加，大粒徑分布比例也隨之增加（圖1-C）。

2.1.3 噴干粉制備 使用前搭建好噴霧干燥儀，打開風機和空氣泵，設定溫度后開始加熱。當實時溫度達到設定值后，再將“2.1.1”項下制備的溶液放入進料區(qū)開始噴干。具體工藝參數(shù)：入口溫度160 ℃，出口溫度78～85 ℃，進料速度3 mL/min，霧化氣流量為500 L/h。樣品放置于干燥器中保存，備用。

2.1.4 X射線光電子能譜分析（XPS） X射線光電子能譜技術是一種先進的表面分析技術，其原理是以X射線輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價電子受激發(fā)射出來，測定其光電子的能量，從而換取樣品信息。該方法靈敏度高，對樣品破壞非常小，分析深度約為5 nm。為了表征蛋白質(zhì)在粒子表面富集情況，采用該技術進行分析，以0.05 eV為步長，采集O1s、N1s、C1s光譜，并選取N元素為區(qū)分元素，以N元素在粒子表面的含量來間接反映蛋白質(zhì)在表面富集程度。

由于N元素僅存在于溶菌酶而不存在于葡聚糖中，因此將所測的表面N含量與理論值相比較，可以得知成分在噴干粉表面的組成與分布。其中理論值為假設均勻分布的情況下，N元素應該所占的元素比例。

根據(jù)表1結果所示，純?nèi)芫竾姼煞鄣腘元素含量實測值為18.06%，較其理論值20.76%偏低，可能與溶菌酶純度有關。溶菌酶與T5按照質(zhì)量比1∶9、1∶4、1∶1、4∶1混合后噴干粒子表面N元素含量實測值分別為7.57%、9.07%、12.38%、16.01%，其對應的理論值分別為2.02%、4.05%、10.22%、16.51%。溶菌酶與T5按照質(zhì)量比1∶9混合的噴干粉其表面N含量比理論值高出5.51%，按照1∶4混合的噴干粉其表面N含量比理論值高出5.02%，按照1∶1混合的噴干粉其表面N含量比理論值高出2.16%，而按照1∶1混合的噴干粉其表面N含量比理論值低0.5%。根據(jù)上述結果，表明混合物噴干粉中的蛋白有一定的表面富集現(xiàn)象。并且從N元素含量變化率來看，蛋白占比越少，其表面富集程度越明顯。而對于高蛋白含量的噴干粒子而言，表面N含量測量值與理論值相差不大，可能與其本身蛋白濃度占比較大有關。用大w葡聚糖T10和T70重復上述實驗，實驗結果相似。

表1 噴干粉的表面N元素含量結果

由于蛋白與葡聚糖按照質(zhì)量比1∶9混合后的噴干粉存在明顯的蛋白表面富集現(xiàn)象，故將溶菌酶與T5、T10、T70按質(zhì)量比1∶9混合后的噴干粉表面情況進行比較，以觀察不同w葡聚糖對表面蛋白含量的影響。結果顯示，其中溶菌酶與T10混合噴干粉表面蛋白富集程度最大，但各組間差別不大。在1∶4比例下重復上述實驗，得出相似結論?？傊梢陨蠈嶒灲Y果可得出2個結論。其一，對于蛋白與葡聚糖不同混合比例而言，蛋白所占比例越小，其噴干粉表面蛋白富集程度越明顯。其二，對于不同w葡聚糖而言，其對于表面蛋白含量分布無明顯影響。盡管T70的w為70 000，遠大于溶菌酶的w，但是由于其在溶液中并未出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，導致其水合粒徑尺寸小于溶菌酶，因此在兩者混合噴干粉的表面仍然是溶菌酶富集。

2.2 不同溶液環(huán)境下的噴霧干燥

溶液環(huán)境比如pH值、離子強度等也是影響溶液水合粒徑以及噴干粒子表面成分分布的重要因素。為便于研究，選取溶菌酶及T70為研究對象，設置3種類型的溶液環(huán)境，分別測定蛋白（溶菌酶）和葡聚糖（T70）在該溶液環(huán)境下的粒徑分布，再各自選取有代表性的條件制備噴干液進行噴干，采用XPS測定表面元素分布。

2.2.1 不同pH值緩沖鹽溶液 先分別制備0.1 mol/L檸檬酸和檸檬酸鈉溶液，再通過兩者制備不同pH值的緩沖鹽體系（表2）。測定蛋白及葡聚糖在各自溶液環(huán)境下的粒徑。結果見圖2。

2.2.2 不同濃度的NaCl溶液 分別制備0.1、0.2、0.3、0.4 mol/L NaCl溶液。測定蛋白及葡聚糖在各自溶液環(huán)境下的粒徑。結果見圖2。

2.2.3 不同價態(tài)鹽離子溶液 分別制備0.1、0.2 mol/L NaCl、MgCl2、AlCl3溶液。測定蛋白及葡聚糖在各自溶液環(huán)境下的粒徑。結果見圖2。

表2 檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖鹽的組成

上述實驗考察了以水為溶劑時，蛋白與葡聚糖混合物中的水合粒徑分布。為了進一步說明水合粒徑與噴干粉表面元素分布的相關性，將嘗試改變?nèi)芤涵h(huán)境，觀察粒徑變化，并比較噴干粉表面元素變化情況。根據(jù)上述實驗結果，可以發(fā)現(xiàn)溶菌酶和T70的實驗數(shù)據(jù)較為理想，因此為方便比較分析，后續(xù)實驗將選取溶菌酶及T70為研究目標，并分別考察其在不同溶液環(huán)境下的水合粒徑變化情況。

A-不同pH值緩沖鹽溶液下的溶菌酶粒徑變化 B-不同pH值緩沖鹽溶液下的T70粒徑變化 C-不同濃度鹽溶液下的溶菌酶粒徑變化 D-不同濃度鹽溶液下的T70粒徑變化 E-不同離子強度下的溶菌酶粒徑變化 F-不同離子強度下的T70粒徑變化

對于溶菌酶而言，0.1、0.2 mol/L NaCl溶液下的粒徑分布基本相同，主要分為3個部分，一部分集中在5 nm，另一小部分集中在100～200 nm，剩余部分集中在200～600 nm。0.4、0.8 mol/L溶液的粒徑分布類似，全部集中在1000 nm左右。說明NaCl濃度越高，蛋白可能更易出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，其水合粒徑更偏向于大尺寸分布（圖2-A）。0.1 mol/L MgCl2溶液下的粒徑部分集中在2部分，小部分在10 nm以下，剩余大部分在500 nm，而0.2 mol/L MgCl2溶液下的粒徑明顯偏大，集中在800 nm和5000 nm。0.1 mol/L AlCl3溶液下的粒徑和0.1 mol/L MgCl2溶液下的粒徑分布相似，而0.2 mol/L AlCl3溶液下的粒徑集中在100 nm及600 nm（圖2-C）。總之，Na+的添加使得小粒徑分布的比例增多，而Mg2+和Al3+的增加使得粒徑更偏向于大尺寸方向分布，說明溶菌酶溶液的水合粒徑尺寸隨離子強度的增加而增加。

對于T70而言，0.1、0.2 mol/L NaCl溶液的粒徑分布類似，主要分為3個部分，一部分集中在10～20 nm，另一小部分在40～60 nm，剩余部分集中在400 nm。0.4 mol/L NaCl溶液和0.2 mol/L NaCl溶液類似，只是大粒徑集中在800 nm。而0.8 mol/L NaCl溶液粒徑分布集中在20、200、4000 nm（圖2-B）。NaCl濃度越高，粒徑更集中于小尺寸分布。MgCl2溶液下的粒徑另一部分集中于200～500 nm。AlCl3溶液下的粒徑剩余小部分集中于100 nm，幾乎不可見大粒徑分布，而0.2 mol/L AlCl3溶液下存在部分粒徑集中于400～1000 nm（圖2-D）。綜上，葡聚糖T70溶液的水合粒徑尺寸隨著離子強度的增加而減小。

對于溶菌酶而言，pH 2及pH 3溶液中出現(xiàn)3種粒徑分布，一部分在1 nm左右，另一部分在4～6 nm，剩余部分在200～400 nm。pH 4出現(xiàn)2種粒徑分布，一部分在10 nm，剩余部分集中在300 nm。其余pH值溶液中無小粒徑出現(xiàn)，大粒徑集中在600～2000 nm?？梢?，pH值的變化對溶菌酶溶液水合粒徑的影響較大，隨著pH值的增加，溶菌酶傾向于聚集存在（圖2-E）。對于T70而言，pH 2溶液中粒徑主要集中在兩部分，分別是10～30 nm、100～300 nm。pH 3和pH 4溶液中的粒徑分布類似，主要集中在10 nm以下、20～30 nm、600 nm左右。pH 5溶液的粒徑集中在20 nm及400 nm，pH 6溶液的粒徑集中在10 nm以下、30、500 nm左右。pH 8.5溶液中的粒徑大部分集中在20 nm，小部分集中在2000 nm左右，pH值增大會導致大粒徑的出現(xiàn)（圖2-F）。但總體而言，pH值的變化對多糖溶液的水合粒徑影響較對溶菌酶的影響要小。

2.2.4 噴干粉制備 根據(jù)粒徑測定結果選取幾種具有代表性的溶液環(huán)境進行制備。將溶菌酶與T70按照質(zhì)量比1∶9混合制備噴干粉，噴干條件同“2.1.3”項下條件。同時制備純物質(zhì)的噴干粉進行對比。

2.2.5 X射線光電子能譜分析（XPS） 同“2.1.4”項下，以0.05 eV為步長，采集O1s、N1s、C1s光譜，并選取N元素為區(qū)分元素，以N元素在粒子表面的含量來間接反映蛋白質(zhì)在表面富集程度。

根據(jù)表3結果所示，當以0.1 mol/L NaCl溶液為噴干溶劑時，純?nèi)芫副砻鍺含量的實際值為15.26%，比理論值15.72%低0.46%，而混合物表面N含量的實際值為4.21%，比理論值1.54%高出2.67%。對于0.4 mol/L NaCl溶液而言，純?nèi)芫讣盎旌衔锉砻鍺含量的實際值分別為16.48%、8.38%，分別比理論值9.09%、0.90%高出7.39%、7.48%。結果表明，0.1、0.4 mol/L NaCl溶液條件下，混合物（溶菌酶與T70質(zhì)量比為1∶9）表面存在一定的蛋白富集現(xiàn)象。

當以純水為噴干溶劑時，純?nèi)芫副砻鍺含量實際值為18.06%，比理論值20.76%低2.7%，而混合物表面N含量實際值為8.26%，比理論值2.02%高出6.24%。以上結果相比可知，高濃度NaCl溶液下的混合物噴干粉表面N含量富集程度較高，純水其次，而低濃度NaCl溶液下的混合物噴干粉表面N含量富集程度最低。

當使用pH 3緩沖鹽溶液為噴干溶劑時，純?nèi)芫副砻鍺含量的實際值為12.53%，比理論值9.52%高出3.01%，而混合物表面N含量的實際值為12.05%，比理論值0.94%高出11.11%。對于pH 6溶液而言，純?nèi)芫讣盎旌衔锉砻鍺含量的實際值分別為13.75%、11.87%，分別比理論值8.22%、0.81%高出5.53%、11.06%。無論是pH 3的溶液還是pH 6的溶液，純?nèi)芫负突旌衔飮姼煞鄣谋砻鍺含量的實際值均比理論值高，表明蛋白在其表面有一定的富集現(xiàn)象。

表3 不同溶液條件下的噴干粉表面N元素含量及其變化率

結合水溶液下的混合物（溶菌酶與T70質(zhì)量比為1∶9）表面N含量的結果可以發(fā)現(xiàn)，除了水溶液下和0.1 mol/L NaCl溶液下的純?nèi)芫副砻娌淮嬖诘鞍赘患F(xiàn)象，混合物均存在蛋白表面富集現(xiàn)象。另一方面，高濃度NaCl溶液下的噴干粉其蛋白表面富集程度更高。較之于pH 3溶液下的噴干粉，pH 6溶液下的噴干粉蛋白表面富集程度也明顯更高，這與在高離子強度、高pH值時溶菌酶水合粒徑尺寸的增加趨勢是一致的。

2.3 FT4粉體流變儀測定粉體性質(zhì)

FT4粉體流變儀可以測量粉末的流動性質(zhì)、剪切性質(zhì)和包含壓縮性、透氣性和密度在內(nèi)的粉體整體特性。由于其能意識到粉末在不同加工處理過程和實際應用中所處的不同環(huán)境，因此，在測量時能模擬這些環(huán)境，并表征粉末針對不同的特定環(huán)境的反應。

2.3.1 穩(wěn)定性和可變流速 穩(wěn)定性程序旨在評估粉末是否會因流動而發(fā)生變化。測定時，葉片以固定速率穿過粉末，通過測量葉片所受阻力來評價樣品穩(wěn)定性。經(jīng)過7個相同條件的測試后，若粉末穩(wěn)定性好，則每次測量的結果應是相似的?？勺兞魉俪绦蛑荚谠u估粉體流動性。粉末初始經(jīng)受100 mm/s的標準流速，測定其流動能量，再降低流速并測定其能量變化，共測定4次。通常來說，黏性粉末比非黏性粉末對流速變化更為敏感。結果見表4。

穩(wěn)定指數(shù)（SI）＝第7次測試能量/第1次測試能量

流速指數(shù)（FRI）＝第4次測試能量/第1次測試能量

從穩(wěn)定性來看，SI≈1表明穩(wěn)定性較好。以水為溶劑的噴干粉溶菌酶、溶菌酶-T70 1∶9和溶菌酶-T70 1∶1的SI值分別為1.33、1.01、1.23，表明其穩(wěn)定性較好。另外結合圖3-A，T10、T70每次測定的總能量值波動較大，穩(wěn)定性較差。而溶菌酶-T5 1∶9和溶菌酶-T10 1∶9的SI＞1，表明可能存在一定的團聚及吸附作用。從可變流速測試來看（圖4），F(xiàn)RI＞3表明有一定黏性，即溶菌酶-T5 1∶9、溶菌酶-T10 1∶9、溶菌酶-T70 1∶4、溶菌酶-T70 1∶1存在一定的黏性。

表4 穩(wěn)定性和可變流速測試結果

對于0.1 mol/L NaCl溶液條件來說，其T70及混合物穩(wěn)定性較好，溶菌酶穩(wěn)定性略差，且溶菌酶及混合物有一定的黏性。對于0.4 mol/L NaCl溶液條件來說，其溶菌酶、T70及混合物穩(wěn)定性均較好，溶菌酶及混合物同樣有一定的黏性。

對于pH 3的溶液條件來說，溶菌酶、T70、混合物穩(wěn)定性均較好，但是溶菌酶及混合物存在一定的黏性。對于pH 6的溶液條件來說，溶菌酶、T70、混合物穩(wěn)定性也均好，但混合物存在一定的黏性。

2.3.2 充氣性 由于顆粒之間充滿空氣，因此其整體性質(zhì)在一定程度上會受到空氣的影響。充氣性程序旨在評估粉末流動特性是否會由于粉末變得充氣而改變。第1次測定時無空氣供應，第2次開始引入空氣，并逐次增加測試速度，最大空氣速度為10 mm/s。

A-純水溶劑下的溶菌酶與葡聚糖按1∶9混合的噴干粉 B-純水溶劑下的溶菌酶與T70按不同比例混合的噴干粉 C-0.1 mol?L?1 NaCl溶液下的噴干粉 D-0.4 mol?L?1 NaCl溶液下的噴干粉 E-pH 3溶液下的噴干粉 F-pH 6溶液下的噴干粉

A-純水溶劑下的溶菌酶與葡聚糖按1∶9混合的噴干粉 B-純水溶劑下的溶菌酶與T70按不同比例混合的噴干粉 C-0.1 mol?L?1NaCl溶液下的噴干粉 D-0.4 mol?L?1NaCl溶液下的噴干粉 E-pH 3溶液下的噴干粉 F-pH 6溶液下的噴干粉

A-spray dry powder of HEWL and dextran in water solvent mixed at 1 : 9 B-spray dry powder mixed with HEWL and T70 in different proportions in water solvent C-spray dry powder under 0.1 mol?L?1NaCl solution D-spray dry powder under 0.4 mol?L?1NaCl solution E-spray dry powder under pH 3 solution F-spray dry powder under pH 6 solution

圖4 溶菌酶與葡聚糖二元噴干粉的可變流速測試曲線

Fig. 4 Test curve of variable flow rate of binary spray dry powder composed of HEWL and dextran

一般而言，充氣能比（AR）值越接近于1，表明粉末黏性較高，即黏性粉末更不易于通氣。

AR＝風速為0時的能量/風速為時的能量

AR測定結果見表5和圖5。AR＜2表明粉末具有一定黏性，即T5、溶菌酶-T5 1∶9有一定黏性。其余粉體的AR在2～20，屬于正常范圍。0.1 mol/L NaCl溶液條件下，溶菌酶和混合物具有一定黏性，當在0.4 mol/L NaCl條件下時，僅有溶菌酶具有一定黏性?？赡苡捎诰彌_鹽本身黏性較大，在該溶液條件下制備出來的噴干粉除了溶菌酶（pH 6條件下）外均有一定黏性。

表5 二元噴干粉充氣性測試AR值

A-純水溶劑下的溶菌酶與不同Mw葡聚糖按1∶9混合的噴干粉 B-純水溶劑下的溶菌酶與T70按不同比例混合的噴干粉 C-0.1 mol?L?1 NaCl溶液下的噴干粉 D-0.4 mol?L?1 NaCl溶液下的噴干粉 E-pH 3溶液下的噴干粉 F-pH 6溶液下的噴干粉

2.3.3 透氣性 透氣性程序旨在衡量流體（這里指空氣）穿過材料的容易程度。一般而言，透氣性的好壞將影響粉末的填裝與分裝。

低氣體壓降意味著粉末容易溢出，透氣性好。以水為溶劑時，所有噴干粉的透氣性均在正常范圍。0.1 mol/L NaCl溶液條件下，純?nèi)芫竿笟庑韵啾榷月圆睢?.4 mol/L NaCl溶液條件下，所有噴干粉透氣性均在正常范圍。pH 3溶液條件下，T70透氣性較好，溶菌酶透氣性在正常范圍，混合物透氣性略差。pH 6溶液條件下，所有噴干粉透氣性均在正常范圍。結果見圖6。

2.4 吸濕性與含水量

2.4.1 吸濕曲線

（1）稱量瓶的恒定質(zhì)量：將清洗干凈的稱量瓶（瓶蓋取下，置于稱量瓶旁）置于105 ℃烘箱，干燥數(shù)小時，蓋好瓶蓋取出，置于干燥箱中，室溫放置30 min，精密稱量。再在上述條件下干燥1 h，同樣條件下精密稱量。2次稱量結果差值在0.3 mg以下，即可。

（2）供試品的恒定質(zhì)量：稱取供試品適量精密稱定，平鋪于已恒定質(zhì)量的稱量瓶中，平行3份。將裝有供試品的稱量瓶（瓶蓋取下，置于稱量瓶旁）放置于105 ℃烘箱，干燥至恒定質(zhì)量。

（3）吸濕曲線的制定：將已恒定質(zhì)量的裝有供試品的稱量瓶打開瓶蓋，置于裝有飽和鹽溶液（相對濕度75%）的干燥器中，于25 ℃下保存，分別于2、4、8、12、24、48 h等時間段取出，精密稱定，計算吸濕百分率。以吸濕率對時間作圖得到吸濕曲線，并確定吸濕平衡時間。

A-純水溶劑下的溶菌酶與不同Mw葡聚糖按1∶9混合的噴干粉 B-純水溶劑下的溶菌酶與T70按不同比例混合的噴干粉 C-0.1 mol?L?1 NaCl溶液下的噴干粉 D-0.4 mol?L?1 NaCl溶液下的噴干粉 E-pH 3溶液下的噴干粉 F-pH 6溶液下的噴干粉

2.4.2 臨界相對濕度（CRH）

（1）供試品恒定質(zhì)量：精密稱取供試品適量，平行3份，恒定質(zhì)量步驟同“2.4.1”項下操作。

（2）CRH的測定：將已恒定質(zhì)量的供試品置于盛有不同飽和鹽溶液的干燥器中，于25 ℃下吸濕至平衡時間，取出稱量瓶精密稱定，計算吸濕率。以吸濕率對相對濕度作圖，在兩拐點作切線，切線交點即為CRH。不同飽和鹽溶液分別為CH3COOK、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl、K2SO4，其對應的CRH分別是22.5%、32.8%、43.2%、57.6%、75.3%、84.3%、97.3%。結果見表6。

2.4.3 含水量 采用烘干法進行水分測定。稱取供試品適量精密稱定，平鋪于已恒定質(zhì)量的稱量瓶中，平行3份。將裝有供試品的稱量瓶（瓶蓋取下，置于稱量瓶旁）放置于105 ℃烘箱，干燥5 h，蓋好瓶蓋取出置干燥器中，室溫放置30 min后精密稱定，再干燥1 h，室溫放置30 min后精密稱定，至連續(xù)2次稱定質(zhì)量的差異不超過5 mg為止。根據(jù)減失的質(zhì)量計算供試品中含水量。結果見表6。

考慮到若是引入了鹽類物質(zhì)會干擾關于溶菌酶及葡聚糖的實驗分析，因此，吸濕性與含水量將針對以水為溶劑的蛋白多糖二元體系進行研究分析。從吸濕平衡時間的吸濕率來看，溶菌酶的吸濕率最低，T5、T10、T70吸濕率較高，混合物吸濕率居中。

二元噴干粉的吸濕率順序為T70＞溶菌酶-T70 1∶9＞溶菌酶-T70 1∶4＞溶菌酶-T70 1∶1＞溶菌酶，T70吸濕率最高，隨著溶菌酶的加入，混合物吸濕率逐漸降低。物質(zhì)CRH越低說明其吸濕性越強，根據(jù)Elder假說，水溶性藥物混合物的CRH約等于各成分CRH的乘積，而與各成分的量無關，即CRHAB＝CRHA×CRHB。

由上式可知，混合物的CRH應該比其中任何一種物質(zhì)的CRH值低，即更易于吸濕。由表6結果可知，CRH值：T10＜T5＜溶菌酶-T5 1∶9＜ T70＜溶菌酶-T10 1∶9＜溶菌酶-T70 1∶9＜溶菌酶-T70 1∶4＜溶菌酶-T70 1∶1＜溶菌酶。與Elder假說相悖的是，雖然葡聚糖的CRH值低，但是溶菌酶與葡聚糖混合物的CRH值比純葡聚糖高，說明吸濕性比純葡聚糖略弱，這可能與低吸濕性的蛋白在噴干粉表面存在富集有關。所有噴干粉的含水量在6%～10%，相差不大，并且含水量與吸濕性無線性相關（圖7）。

表6 各物質(zhì)的CRH值及含水量

圖7 溶菌酶與不同Mw葡聚糖按1∶9混合的噴干粉吸濕曲線(A) 與溶菌酶與T70按不同比例混合的噴干粉吸濕曲線(B)

3 討論

本實驗最初選取多種蛋白和葡聚糖進行實驗是為了考察蛋白種類和葡聚糖w對整個實驗有無明確影響。根據(jù)以水為溶劑的噴干粉的研究結果，表明蛋白和葡聚糖種類無特大差異，則選取了溶菌酶和T5、T10、T70進行后續(xù)研究。

首先以水為溶劑，對蛋白及葡聚糖混合物進行噴干，采用XPS技術進行表面元素分析，同時觀測粒徑，分析兩者相關性。通過結果可知，蛋白在混合物噴干粉表面有明顯富集現(xiàn)象，且隨著蛋白所占比例越低，該富集現(xiàn)象越明顯。蛋白傾向于表面富集的原因可能與蛋白水動力學尺寸較大有關。由于尺寸較大，導致噴霧干燥過程中其擴散速度小于對流速度，因此趨向于表面富集。

調(diào)節(jié)溶液環(huán)境，比如改變離子強度以及pH值等，觀測蛋白及葡聚糖的粒徑變化，同時采用XPS分析表面元素。并且結合第一部分進行粒徑與表面元素相關性的分析。實驗結果表明，溶液環(huán)境的改變會導致物質(zhì)水動力學尺寸發(fā)生變化，由此也引發(fā)了噴干粉表面蛋白含量的變化。當溶液中蛋白的水動力學尺寸較大時，其在噴干粉表面富集程度也越明顯。

將所得噴干粉進行FT4測定，分析比較各樣品粉體學性質(zhì)。對于以水為溶劑的噴干粉，T10、T70穩(wěn)定性較差。除了溶菌酶-T70 1∶9，其余混合物噴干粉均有一定黏性。同時，除了T5、溶菌酶-T5 1∶9充氣性略差，其余粉體充氣性在正常范圍。此外，所有粉體透氣性均在正常范圍。對于不同濃度的NaCl溶液，NaCl濃度高時提高了噴干粉的穩(wěn)定性，但增加了溶菌酶及混合物的黏性，黏性大也導致充氣性變差。除了0.1 mol/L NaCl溶液下的純?nèi)芫竿笟庑月圆?，其余在正常范圍。對于不同pH值的緩沖鹽溶液，所有噴干粉的穩(wěn)定性均較好，但充氣性一般，可能與鹽本身存在一定黏性有關。除混合物在pH 3條件下透氣性略差外，其余透氣性在正常范圍。

測定噴干樣品的吸濕曲線以及臨界相對濕度，嘗試建立吸濕性與表面元素分布的相關性。為了免去鹽對于混合物噴干粉的影響，接下來的測定只針對以水為溶劑的噴干粉。根據(jù)Elder假說，混合物CRH應該比任一物質(zhì)的CRH更低，更易于吸濕。但實驗結果表明，蛋白與葡聚糖混合物的CRH比純葡聚糖高，比純蛋白低，表明混合物吸濕性比純葡聚糖低。這可能與低吸濕性蛋白在噴干粉表面富集有關。

綜上所述，可以得出以下結論：（1）調(diào)節(jié)溶液環(huán)境可以改變物質(zhì)的水動力學尺寸；（2）當?shù)鞍椎乃畡恿W尺寸較大時，相應的噴干粉表面蛋白富集程度越高；（3）當?shù)鞍自诨旌衔飮姼煞郾砻娉霈F(xiàn)富集現(xiàn)象時，混合物的吸濕性會有所改善。考慮到中藥成分的復雜性及多樣性，本研究是一次嘗試，目的是從簡單的二元體系著手，期望摸索出不同成分混合后其噴干粉表面元素變化的規(guī)律，為更進一步研究實際中藥體系的噴干行為打下基礎，后期仍需要進行大量的實驗加以驗證。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Controlling surface composition of multi-component spray-dried powder of traditional Chinese medicine based on hydrodynamic size: Taking binary system of polysaccharide and protein as an example

HAN Xing-xing1, 2, MENG Zhi-ping1, 2, CHEN Xuan-yu1, 2, DENG Xiao-min1, 2, LIANG Yin-mei1, 2, MA Xin-ai1, 2, XIE Jian-jun1, 2, FU Ting-ming1, 2

1. School of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China 2. Jiangsu Provincial Botanical Medicine Refinement Engineering Research Center, Nanjing 210023, China

To explore the relationship between the hydrodynamic size (hydrated particle size) and the surface composition distribution of the multi-component spray-dried powder of traditional Chinese medicine, in order to realize the regulation of the radial orderly distribution of the surface components.The lysozyme and dextran with specific molecular weight was selected to replace the two high molecular substances of protein and polysaccharide which were rich in Chinese medicine extract to prepare different mixtures. The laser light scattering method was used to determine the hydrated particle size in the solution state. After spray drying, X-ray photoelectron spectroscopy was used to determine the surface elements of the sprayed powder, and the correlation between them was analyzed. Then the solution environment was adjusted to observe the changes in hydrated particle size and surface elements. Finally, the properties of powder stability, hygroscopicity, and water content were measured.Different solution environments could cause changes in the particle size of the materials, in which the hydrodynamic size of lysozyme increased with the increase of ionic strength or pH value in the solution, while the hydrodynamic size of dextran decreased with the increase of ionic strength or pH value in the solution. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed that there was protein enrichment on the surface of the powder, and the protein enrichment degree was higher at high ionic strength or high pH value, which was consistent with the increasing trend of lysozyme hydrated particle size at high ionic strength or high pH value. The particle performance test showed that for the dextran-lysozyme binary spray-dried powder with water as the solvent, the addition of lysozyme decreased the hygroscopicity and improved the stability of the mixture. Furthermore, the stability of the spray-dried powder was further improved by increasing the ionic strength or pH of the solution.The hydrodynamic size is the main factor affecting the concentration of protein on the surface of the sprayed powder. Due to the enrichment of low-hygroscopic protein on the surface of the spray-dried powder, the hygroscopicity of the mixture is reduced and the physical stability is improved.

hydrodynamic size; spray drying; surface component; powder properties; polysaccharide; protein; lysozyme; dextran; X-ray photoelectron spectroscopy

R283.6

A

0253 - 2670(2021)04 - 0962 - 14

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.04.008

2020-09-15

國家自然科學基金面上項目（81873013）

韓星星（1997—），女，碩士研究生，研究方向為中藥藥劑學。Tel: 18851002868 E-mail: hxx0307@163.com

付廷明，男，碩士生導師，副教授，研究方向為藥物顆粒與吸入給藥技術。E-mail: futm@njucm.edu.cn

[責任編輯 鄭禮勝]