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乳化劑乳化性能及其關鍵質量屬性研究進展

來源:凡默穀 瀏覽 94 次 發布時間:2022-06-10

作者 秦雲,塗家生,孫春萌


(中國藥科大學 國家藥品監督管理局藥物製劑及輔料研究與評價重點實驗室)


摘要


乳化劑是一類在藥品中應用廣泛的表麵活性劑,大多是蛋白質、磷脂、多糖、兩親性合成物質,或這些物質的複合物組成。本文通過對國內外的文獻進行檢索與整理,綜述了乳化劑種類、特點及應用,對卵磷脂、蛋白質、多糖、吐溫和司盤等幾種不同類別乳化劑的基本理化性質、乳化特性等分別進行闡述,並對乳化劑的關鍵物料屬性或功能性相關指標的研究進行了介紹,同時對乳化劑未來的研究熱點和發展方向進行展望。



1、引言


乳液是一種液體以分散( 分散相) 的形式分散在另一種不相容液體中( 連續相) 的分散體係,主要成分包括水相、油相和乳化劑[1]。由於乳液屬於熱力學不穩定的非均相分散體係,因此為了製備符合要求的穩定的乳液,首先必須提供足夠的能量使分散相分散成微小的乳滴,其次是提供使乳液穩定的必要條件。考慮到乳液具有生物利用度高、刺激性小、藥物吸收和藥效發揮快、靶向性等特點,現已將乳液開發並應用於注射、外用、口服等給藥途徑。


在乳液研究的早期,人們已認識到乳化劑種類對乳液類型和穩定性的顯著影響。乳化劑通過吸附在油相/水相界麵,降低界麵張力和保護液滴不聚集來促進乳化和增強物理穩定性[2]。油包水( water in oil,W/O) 乳液的形成通常要求乳化劑具有良好的油溶性,並優先分配到油相,通過自身的兩親性來維持油水界麵的穩定。陳正昌[3]使用水溶性乳化劑( 聚乙二醇) 和油溶性乳化劑( 聚氧乙烯氫化蓖麻油) 探究了乳化劑種類對乳液穩定性的影響,結果表明油溶性乳化劑的穩定效果更好。


乳化劑的選擇一直是研究人員關注的熱點,針對乳液的配方也有著廣泛研究,主要有3 個理論基礎: Bancroft 規則、Griffin 量表、Shinoda 相轉變溫度( phase transition temperature, PIT) 。根據Bancroft 規則,水溶性表麵活性劑傾向於使水成為連續相,從而可用於穩定水包油( oil in water,O/W) 乳液,而油溶性表麵活性劑傾向於使水成為分散相,從而可用於穩定W/O 乳液; 非離子表麵活性劑由親水性和親脂性基團結合的分子組成,這些基團的平衡表示為親水親油平衡( hydrophilic lipophilic balance, HLB) 值,由此,Griffin[4]提出了一種計算非離子表麵活性劑HLB 值的方法,表征了在不同HLB值乳化劑作用下形成O/W 和W/O 乳液的趨勢。然而,HLB量表沒有考慮溫度和油的性質對乳化穩定性的影響; 這些影響被自然地納入了Shinoda 的PIT 概念,該概念將宏觀乳液穩定性與油-水-聚氧乙烯( polyoxyethylene, POE) 非離子表麵活性劑混合物的相態行為聯係起來[5]。Ren 等[6]研究利用親水性聚氧丙烯( polyoxypropylene, POP) 二胺和疏水性長鏈脂肪酸之間的靜電作用合成了與POE 類似的POP 乳化劑,通過研究POP 單元數、乳化劑濃度以及烴鏈不飽和度對相轉變穩定性及乳液液滴大小、形態的影響,證明了POP 乳化劑是通過PIT 法形成納米乳液的有效乳化劑。


乳化劑通常在空間位阻和靜電相互作用條件下穩定乳滴,但由於乳液環境中的溫度、pH 值等的改變,造成界麵失衡,進而導致乳液中不穩定現象的產生。常見的不穩定現象包括重力分離、絮凝、破裂與合並( 聚結) 、Ostwald 熟化、酸敗等[7-14]。乳液中幾種不穩定現象在變化過程中也可進行轉化[15],因此,如何通過添加合適的乳化劑以保持乳液在製備和存儲過程中的穩定性是藥物研發過程中一直關注的問題。


Li 等[8]研究建立了數學模型來預測乳液的沉降過程,證明了液滴大小是乳液沉降的關鍵因素,液滴直徑越大,聚結概率越大; 同時該模型也說明了油水比、不同乳化劑濃度、攪拌時間和轉速對乳化液滴的大小及乳液穩定性有顯著影響。Kelley 等[9]研究表明將離子乳化劑吸附到蛋白質包裹的油滴表麵,通過增加它們之間的靜電排斥力可以提高絮凝穩定性; 非離子乳化劑吸附到蛋白質塗層液滴表麵,通過增加它們之間的空間位阻來提高它們的絮凝穩定性[10]。George等[11]將親脂性非離子表麵活性劑( 如Span 80) 摻入β-乳球蛋白( β-lactoglobin) ,通過取代油滴表麵的一些蛋白質來促進聚結,在這種情況下,Span 80 分子頭部小的親水性基團將不足以保護液滴免於聚結,相反地會促進乳滴聚結,破壞乳液的穩定性。Yan 等[14]研究表明Ostwald 熟化作用可能是p-CMS /St 細乳液失穩的主要原因,通過調整乳化劑用量、乳化劑與助穩定劑的比例可有效提高細微乳的穩定性。


隨著乳液在製藥領域中的不斷發展,乳液的穩定性逐漸成為學者們首要考慮和關注的最重要性質之一,本文旨在對乳化劑的分類及乳化性能進行闡述,並對其穩定乳液的機理、應用及研究現狀進行歸納和總結,以期為後續乳液的研究提供理論支持。


內容由凡默穀小編查閱文獻選取,排版與編輯為原創。如轉載,請尊重勞動成果,注明來源於凡默穀公眾號。


2、乳化劑的分類、特點及應用


藥物製劑中,乳化劑的應用頗多。但對於乳化劑的選擇,應根據乳液的使用目的、藥物的性質、處方組成、乳液的類型、乳化方法等綜合考慮。主要的分類方式有: 根據乳化劑中是否含有親水基可分為離子表麵活性劑( 陰離子表麵活性劑: 如油酸鹽,陽離子表麵活性劑: 如脂肪胺鹽) 和非離子表麵活性劑; 根據來源可分為天然表麵活性劑( 如卵磷脂、蛋白質、多糖) 和合成表麵活性劑( 如吐溫和司盤) ; 根據HLB值的大小可分為親油表麵活性劑( HLB<10,如司盤) 和親水表麵活性劑( HLB>10, 如吐溫) 。


2.1、卵磷脂


卵磷脂( lecithin) 是一類從動物源( 如蛋黃、奶酪乳清、魚等) 或植物源( 如大豆、油菜籽等) 中通過提取獲得的磷酸鹽混合物[16]。卵磷脂是由疏水性的脂肪酸酯基和親水性的磷酸基組成的兩親性分子[17]。磷脂( phospholipid, PL) 是卵磷脂的主要成分,由sn-1 和sn-2 位用脂肪酸酯化、sn-3 位用磷酸酯化的甘油骨架組成。在sn-3 位上,磷酸酯基團與特定官能團酯化,賦予PL 親水特性; 磷脂的親油性使其能以薄膜狀包裹在油滴表麵,磷脂的親水性使其能與水分子相互吸引,大大降低了水油之間的界麵張力,從而形成均勻穩定的乳液[18]。此外,根據酯化到sn-3 位的官能團,PL包括磷脂酰膽堿( phosphatidylcholines, PC) 、磷脂酰肌醇( phosphatidylinositol, PI) 、磷脂酰乙醇胺( phosphatidylethanolamine,PE) 、磷脂酸( phosphatidylic acid, PA) 。PL 的化學結構及其物理化學性質,強烈影響油和水中的分配係數[16]。


卵磷脂的乳化性能與乳液pH 值、鹽濃度和溫度有關。對於卵磷脂的乳化能力評估可以采用多種試驗[17]: ①粒徑分布( particle size distribution, PSD) : 基於光散射和激光衍射原理,對稀釋乳液中液滴大小及分布進行評估; ②濁度測量: 通過光學濁度掃描或貝克曼掃描,記錄乳粒遷移和乳粒尺寸變化; ③顯微鏡觀察; 利用共聚焦掃描光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等多種顯微鏡法,可以觀察乳粒的粒徑、形狀和結構。應用知識結合分析方法來表征組成、乳液粒徑和乳液穩定性將有助於理解各種磷脂的功能性。


卵磷脂的HLB 值介於4( 標準化卵磷脂) 和7( 富含PC餾分的卵磷脂) 之間,這意味著它可以分散在油相和水相中。卵磷脂中的PL 可以在水或油中自締合形成直接膠束或反膠束; 當PL 分子的疏水基團( 脂肪酸) 與水分子的接觸降至最低,並通過範德華和疏水/親水相互作用以雙層囊泡的形式排列可形成脂質體; PL 分子還可以通過將脂肪酸尾部伸入油滴、親水性頭部朝向水,進而降低界麵處表麵張力,形成穩定的O/W 乳液[19]。


雖然卵磷脂已經被人們熟知很長時間了,但是其作為一種特殊的表麵活性劑在藥物研發體係中仍然有著新的潛力。Wunsch 等[20]研究了將卵磷脂包裹在油酸膽固醇酯納米顆粒表麵來模擬天然脂蛋白,形成一種用於跨越血腦屏障( blood-brain barrier, BBB) 的新型藥物載體。


2.2、蛋白質


蛋白質是由多種親水性和疏水性氨基酸以“脫水縮合”的方式組成兩親性化合物,在油水界麵排列時,疏水性基團朝向油相移動,而親水性基團朝向水相移動,其獨特的界麵性質可以降低油水界麵張力,因此,它們能夠在油水界麵形成強烈吸附,有利於乳液的形成[21]。在油水界麵上的吸附量和所采用的構象在很大程度上取決於蛋白質氨基酸的組成,因為吸附是通過其結構中存在的疏水基團進行的[22]。蛋白類乳化劑( 如乳清分離蛋白、酪蛋白酸鈉、β-乳球蛋白、大豆分離蛋白等) 作為乳化劑具有良好的特性,但其對環境應力( 如pH 值、離子強度和溫度) 高度敏感,由於液滴之間的靜電斥力不再足以克服各種吸引性相互作用,因此它們在接近被吸附蛋白質等電點的pH 值和離子強度超過特定水平時會破壞乳液的穩定性[23]。盛布雷[24]選取牛血清白蛋白( bovine serum albumin, BSA) 和阿拉伯膠( gum arabic, GA) 分別作為內層乳化劑和外層乳化劑,製備得一種β-胡蘿卜素雙層乳液BSA/GA-e,並驗證了其具有良好的穩定性和小腸靶向緩釋作用。為了克服蛋白質作為乳化劑在其等電點附近易導致乳液等不穩定這一缺點,Guzey 等[25]提出加入額外的多糖塗層,即由蛋白質和多糖的不同界麵層組成的一類多層乳液,通過與蛋白質層的靜電相互作用來穩定O/W 乳液,從而提高蛋白質作為乳化劑的O/W 乳液對環境應力的物理穩定性。Zhang 等[26]研究了多糖( 陰離子海藻酸鹽和陽離子殼聚糖) 塗層對類胡蘿卜素乳狀液體外消化理化性質和生物利用度的影響,發現多糖塗層可略微抑製類胡蘿卜素的降解。


2.3、多糖類


許多從植物中提取的天然多糖( 如殼聚糖、果膠多糖等) 表現出親水界麵性質,並傾向於穩定脂質層以形成O/W 乳液[27]。


殼聚糖是一種天然來源的陽離子堿性多糖,具有良好的


生物相容性和生物降解性,受到研究者的廣泛關注[28]。Ostwald熟化現象的發生主要取決於液滴電荷和界麵層厚度,Kontogiogos[29]研究表明,殼聚糖等多糖作為乳化劑可增強O/W 乳液中液滴界麵厚度並提供空間效應,以穩定乳液並保護親脂性成分免受氧化。然後殼聚糖自身豐富的氨基和氫鍵使其具有較強的親水性,限製了其作為乳化劑的應用。因此,許多化學修飾被用於改善其缺點並擴展其功能。如殼聚糖通過美拉得反應與多肽類物質( 酪蛋白磷酸肽) 接枝,可提高殼聚糖的兩親性,進而用於製備穩定性良好的乳液[30]。


2.4、吐溫、司盤類


小分子表麵活性劑,如吐溫( Tweens) 、司盤( Spans) 等是常用的非離子乳化劑,因其主要通過空間位阻來穩定乳液,對pH、離子強度不敏感,降低表麵張力能力強且可形成小粒徑的乳液等特性而廣泛應用於藥品領域。通過調整不同類型乳液中小分子表麵活性劑作為乳化劑的質量分數,可獲得較為穩定的乳液。


Peng 等[31]以不同質量分數的Tween 80 作為乳化劑,利用超聲乳化技術製備獲得粒徑、電位、pH 穩定性、熱穩定性等物理特性均較好的大豆分離蛋白乳液。Kumar 等[32]采用重量百分比為0.5%的Tween 80 和正庚烷高能法製備了納米乳粒在91.05~ 40.16 nm 之間的動力學穩定的O/W 乳液,並通過評估表明了非離子表麵活性劑( 如Tween 80) 比離子表麵活性劑( cetyltrimethylammonium bromide, CTAB 和Sodium dodecyl sulfate,SDS) 更適於形成穩定的O/W 乳液。


2.5、其他


乳化劑的選擇是影響乳液最終乳滴尺寸、乳液分散性、穩定性的重要因素之一,製藥工業中最常用的乳化劑是合成乳化劑( 如吐溫和司盤類) 和天然乳化劑( 如磷脂、蛋白質、多糖、皂苷等) ,它們的分子量影響乳化過程中兩親分子的吸附動力學。與酪蛋白或β-乳球蛋白相比,吐溫、司盤或卵磷脂等小分子在類似均質條件下更適合產生更小的粒徑,這可能是因為它們在界麵上的吸附速度更快[33]。然而,隨著製藥領域的發展,研究人員逐漸對使用“環境友好”的天然兩親性乳化劑產生了極大的興趣,這些天然乳化劑通常被認為更加環保、更加安全[34]。


葡萄糖衍生物由於其獨特的親水性,可將其與疏水基團連接,合成新型生物可降解乳化劑。更重要的是,它產生水作為唯一的副產品,使其成為製備糖基非離子乳化劑的合適策略,具有相當低的環境影響。Zhang 等[35]以分子共軛的方法,設計並合成了以腙健( -NHN = CH-) 為特征的新型兩親性葡萄糖腙作為糖基非離子乳化劑,並對其乳化性能、聚集行為、生物降解性進行了綜合分析,通過動態光散射( dynamic light scattering, DLS) 分析了解了烷基側鏈長度與乳液穩定性的關係: 隨著烷基鏈長度的增加,乳液層先增大後減小,呈現倒V 型分布。


皂苷是一類主要存在於植物體內的非離子生物基表麵活性劑,其極性糖鏈附著於非極性三萜或甾體單元分子,使其具有高表麵活性的兩親性結構[36]。Schreiner 等[37]研究了3 種不同來源( 蒺藜、胡盧巴和刺五加) 富含皂苷的提取物作為天然乳化劑的乳化性能,通過評估皂苷提取物在水、乙醇、乙酸乙酯和正己烷等不同極性的溶劑中的溶解性,了解其兩親性特征; 通過傅裏葉變換紅外光譜( fourier transform infrared spectroscopy,FTIR) 對可溶性部分進行了表征,指出富含甾體皂苷和富含三萜皂苷的提取物的相似性; 並通過構建偽三相圖,對乳化劑進行了分類: Ⅰ相對應O/W 雙相係統; Ⅱ相對應W/O 雙相係統; Ⅲ相對應三相係統; Ⅳ相對應均質單相體係,即在油、水和乳化劑之間形成的乳液。


3、乳化劑的功能性相關指標研究


不同乳化劑具有不同理化性質,能夠對乳液性能產生重要影響的理化性質可稱為乳化劑的關鍵物料屬性( critical material attributes, CMA) 或功能性相關指標( functionality-related characteristics, FRCs) ,它們是決定乳液液滴大小及分布、分散性、穩定性等的最重要因素。因此,對乳化劑進行表征可以對不同類型乳液的製備有指導性意義。


3.1、溶解性


乳化劑的溶解性對於乳化過程至關重要,因為它促進了乳化劑向油-水界麵的遷移和擴散。pH 值是蛋白質類和磷脂類乳化劑溶解度的決定因素,唐世濤[38]在研究蛋白粉溶解性及乳化穩定性過程中發現,低密度脂蛋白( low-density lipoprotein, LDL) 中的蛋白質和磷脂並非直接溶解在連續相中去吸附到油水界麵的,而是以完整LDL 球形粒子的結構分散到連續相,而其顆粒隻有在中性pH 值條件下才以膠束形式溶解,在酸性條件下幾乎不溶; Liu 等[39]也對pH 值影響蛋白質乳化性能進行了說明,溶液pH 值會影響蛋白質的疏水性和表麵電荷,進而影響蛋白質-溶劑( 親水性)和蛋白質-蛋白質( 疏水性) 相互作用和靜電排斥之間的平衡。由於油水界麵兩相的特殊性,極易受環境pH 值和離子強度的影響,因此對乳化劑在溶液中溶解性的研究是十分必要的。


3.2、HLB 值


HLB 值是將表麵活性劑分為水包油乳化劑或油包水乳化劑的標準參數之一。非離子表麵活性劑由親水性和親脂性基團結合的分子組成,這些基團的平衡可表示為HLB 值,HLB 值對乳液的形成及穩定性有顯著影響。通常認為HLB 值3~ 8 傾向於穩定W/O 乳液,HLB 值在9 ~ 12 之間的表麵活性劑易於形成O/W 乳液[40]。Wu 等[41]建立了定量結構-性質關係( quantitative structure-property relationship, QSPR) 模型來預測非離子表麵活性劑的HLB 值,為評估乳化劑性能提供了重要參考。Hong 等[42]采用Span /Tween 混合型非離子表麵活性劑,研究了HLB 值對O/W 乳液穩定性和流變性能的影響,選擇了HLB 值範圍8 ~ 13 的混合乳化劑,通過觀察O/W 乳液中液滴的粒徑分布、形態、流變性能和Zeta 電位,最終在HLB = 10.8 /10.7 的乳液中觀察到高度均勻的最小液滴尺寸。


3.3、表麵潤濕性能


接觸角( θ) 是測量和評估表麵活性劑潤濕性能的重要手段之一。接觸角小於90°表示高潤濕性,而接觸角較大( θ>90°) 表示低潤濕性[35]。Li 等[43]將待測樣品用去離子水配製成1.0 g·L -1 水溶液,采用接觸角測量儀測定,表征了幾種磺酸鹽類陰離子表麵活性劑的接觸角,結果說明液體表麵張力越低,接觸角越小,其潤濕性能就越好。


3.4、界麵張力


界麵張力可以描述為每單位長度作用在液體界麵上的收縮力,也可表示為界麵能。乳化劑一旦吸附在油水界麵上,就能顯著降低界麵張力。乳化劑分子在油水界麵的排列逐漸從無序狀態轉變為有序狀態,形成的界麵膜對乳液的穩定起著重要作用[44]。Wang 等[45]通過耗散粒子動力學( dissipative particle dynamics,DPD) 模擬表征了不同HLB 值乳化劑分子形成的界麵膜的結構和性質,研究表明采用非離子表麵活性劑Tween 80 和Span 20 製備的O/W 乳液界麵膜厚度隨HLB 值從9 到15 的變化而增加,當HLB 值為13 時,界麵張力最小,乳液最穩定,而HLB 值對乳液穩定性的影響本質上受界麵膜厚度、界麵張力和乳化劑分子結構的綜合影響。


3.5、臨界膠束濃度


臨界膠束濃度( Critical-Micelle-Concentration, CMC) 是指形成膠束的表麵活性劑分子的最低濃度,多數情況下CMC 與分子結構的疏水性相關[46]。影響乳化劑CMC 的主要因素是其分子結構中親水與疏水基團的性質,疏水性的增加會使得CMC 降低[47]。電導率法[48]是測量離子乳化劑CMC 的一種常用方法。隨著離子液體水溶液濃度的增加,電導率曲線都會出現一拐點,拐點處的離子液體濃度稱為CMC。張永賀等[49]采用表麵張力法測定高分子乳化劑十一烯酸/馬來酸酐-十二醇聚合物( undecylenic acid /maleic anhydride-dodecanol polymer,UMA-DA) 和水的臨界膠束濃度,依次測定含乳化劑的乳液的表麵張力,繪製表麵張力~ 濃度對數曲線,其拐點處即為CMC 值,結果顯示UMADA的表麵張力要遠低於純水,表明UMA-DA 降低水的表麵張力的效果非常明顯,可用作乳化劑。


從質量源於設計( quality by design, QbD) 出發,糖心视频在线播放官网可以通過測試溶解度、HLB 值、表麵張力、潤濕性、臨界膠束濃度等這些方法來判斷乳化劑的乳化性能,結合乳液製備技術,對乳液的處方進行優化,並對其理化特性( 如粒徑尺寸及分布、Zeta 電位、包封率等) 及貯藏穩定性相關的乳液穩定性指數( emulsion stability index, ESI) [35]進行評估,以期獲得目標乳液產品。


4、總結及展望


乳化劑的應用已有很長的曆史,目前糖心视频在线播放官网使用到的乳化劑包括天然表麵活性劑和人工合成表麵活性劑兩種。前者來自動植物體,為較複雜的高分子有機物,易於乳化穩定且無刺激、無毒副作用,如卵磷脂、殼聚糖等。後者通常為固體顆粒乳化劑,如吐溫、司盤等,這類乳化劑在分散相液滴表麵形成一層薄膜阻止液滴之間的聚集而製得穩定的油/水分散相。非離子乳化劑因其不易受酸、堿、鹽、電解質的影響,更有利於乳液的貯藏穩定性,也將更為受到研發者的關注。隨著製藥工業的蓬勃發展,日益高漲的市場需求,以及人們對於藥品質量的要求在不斷提高,可以預見,未來乳化劑將不斷朝著安全、無毒、溫和、易降解的研究方向日益深入,天然產品由於自身容易被細胞降解,並整合到身體組織中,或在沒有炎症反應的情況下被清除的特點,越來越受到消費者的關注。


當前市場環境下,乳液已成為許多商業產品的重要組成部分,其應用領域主要包括藥品、食品、化妝品等。乳化劑作為乳液配方中最重要的穩定劑之一,還決定了乳液形成的難易程度和最終產品的功能屬性,因此,選擇合適的乳化劑對於未來乳液型產品的研發和生產依然是重要決策之一。


參考文獻


詳見《藥學研究》2022 Vol.41,No.4