ملخص
غالبًا ما تتعرض المركبات المرتبطة بطول العمر والنشطة حيويًا من البوليفينول والقابلة للتأثر بالحرارة (Thermolabile) إلى إجهادات حرارية وتأكسدية وميكانيكية وإجهادات متعلقة بالرقم الهيدروجيني (pH) مدمجة أثناء التصنيع (مثل الخلط عالي القص، والمجانسة عالية الضغط، والتجفيف بالرذاذ)، مما قد يؤدي إلى تسريع التحلل الكيميائي وتقليل الفعالية المقدمة. لذلك، فإن معايير الاستقرار الكمية ذات الصلة بالعملية مطلوبة لتحديد مساحات التصميم القابلة للتصنيع وتوجيه استراتيجيات التركيب الواقية.[1–3]
تركز الأساليب في هذا التركيب الحالي على الأدلة الكمية المستخلصة من الدراسات التي أبلغت عن (i) التحولات الديناميكية الحرارية/الحرارية بواسطة DSC/TGA (الانصهار، وبداية التحلل، والتحولات الزجاجية، وسلوك فقدان الكتلة على مراحل) و (ii) حركية التحلل (نماذج الرتبة الأولى الكاذبة/الرتبة الأولى، وطاقات تنشيط أرينيوس Arrhenius، والاعتماد على pH، ومقاييس الوقت اللازم لتحلل جزء معين) لسلائف NAD+ (NR/NRH/NMN)، والستيلبينويدات (الأنظمة المرتبطة بمركب resveratrol)، والفلافونويدات (quercetin، fisetin، rutin/الإسترات)، والكركمينويدات.[4–11]
تظهر النتائج أن العديد من مركبات طول العمر التمثيلية لها نوافذ معالجة حرارية ضيقة في حالات فيزيائية محددة. يظهر nicotinamide riboside chloride (NRCl) بداية انصهار عند 120.7 ± 0.3 °C مع تحلل سريع بعد الانصهار (مثل تحلل بنسبة 98% عند 130 °C بواسطة qNMR)، بينما يتبع التحلل المائي حركية الرتبة الأولى الكاذبة مع طاقات تنشيط تتراوح بين 75.4–82.8 kJ·mol−1 اعتمادًا على pH.[4]
بالنسبة لمركب trans-resveratrol، تعتمد حركية التحلل بشدة على pH ودرجة الحرارة (على سبيل المثال، ينخفض عمر النصف من 329 يومًا عند pH 1.2 إلى 3.3 دقيقة عند pH 10)، ويمكن أن يكون استقراء الاختبار المتسارع غير خاضع لمعادلة أرينيوس Arrhenius في مصفوفات الأقراص.[7, 12]
يمكن لعمليات الوحدات عالية القص أن تحفز التسخين الموضعي والبيئات التأكسدية، كما يتضح من المجانسة عالية القص التي تزيد من درجة حرارة المخرج مع سرعة الدوران وتتزامن مع فقدان حمض الأسكوربيك بنسبة 42.6% عند 20,000 rpm، ومن خلال آليات المجانسة عالية الضغط التي تنطوي على قص الصمام، والتكهف، والاضطراب عند >100 MPa.[13, 14]
تؤكد الاستنتاجات على دمج بيانات التحول الديناميكي الحراري (DSC/TGA/Tg) مع النماذج الحركية (أرينيوس Arrhenius، وغير أرينيوس، وطرق التحويل المتساوي) لإنتاج خرائط الوقت-درجة الحرارة-القص وللاختيار العقلاني لاستراتيجيات التخفيف بما في ذلك التغليف، والتشتتات الصلبة غير المتبلورة، وأنظمة السيكلوديكسترين/الإسفنج النانوي، والتحكم في الأكسجين، وتقليل القص/درجة الحرارة إلى أدنى حد.[15–18]
الكلمات المفتاحية: المواد النشطة حيويًا القابلة للتأثر بالحرارة؛ حركية التحلل؛ أرينيوس Arrhenius؛ DSC؛ TGA؛ المجانسة عالية الضغط؛ التجفيف بالرذاذ؛ سلائف NAD+
1. المقدمة
يتم تركيب المركبات ذات الصلة بطول العمر بشكل متزايد كمغذيات طبية، وأغذية وظيفية، وأنظمة توصيل متقدمة، مما يحفز مسارات التصنيع التي تعرض المواد النشطة لإجهادات مشتركة بما في ذلك التسخين، والاتصال بالأكسجين، والنشاط المائي، وتغيرات pH، ومدخلات الطاقة الميكانيكية المكثفة.[3, 5, 14, 19]
بالنسبة لكيمياء سلائف NAD+، يعد الاستقرار في الحالة المائية والصلبة أمرًا مركزيًا لأن التفاعل يمكن أن يحدث عبر التحلل المائي للأنماط المرتبطة بالجليكوسيد أو الفوسفات، ولأن درجات حرارة المعالجة يمكن أن تتجاوز عتبات تحول الحالة الصلبة التي تسبق التحلل السريع.[4, 6]
بالنسبة للبوليفينولات والمواد النشطة النباتية ذات الصلة، تشمل قيود الاستقرار الأكسدة الذاتية، والإيبيمرية (epimerization)، والأكسدة الإنزيمية إلى الكينونات، والتي تعتبر حساسة لدرجة الحرارة، وpH، وأيونات المعادن، وتوافر الأكسجين أثناء المعالجة.[17]
النتيجة العملية هي أن تصميم التصنيع لا يمكن أن يعتمد فقط على درجة حرارة الكتلة الاسمية؛ بدلاً من ذلك، يجب أن يدمج (i) المؤشرات الديناميكية الحرارية مثل التحول الزجاجي، والانصهار، وبداية التحلل و (ii) النماذج الحركية التي تلتقط اعتماد التحلل على الوقت، ودرجة الحرارة، وpH، والأكسجين، ومدخلات الطاقة الميكانيكية (حيثما كانت قابلة للقياس).[4, 9, 10, 14, 15]
تجمع هذه الورقة الأدلة الكمية حول مركبات طول العمر التمثيلية والمواد النشطة حيويًا ذات الصلة التي توفر المصادر المضمنة لها تحولات ديناميكية حرارية و/أو معايير حركية صريحة، وتربط تلك البيانات بملفات الإجهاد لعمليات الوحدات عالية القص بما في ذلك الخلط عالي القص، والمجانسة عالية الضغط/الموائع الدقيقة، والطحن الميكانيكي الكيميائي، والتجفيف بالرذاذ.[1, 14, 15, 20]
2. الإطار الديناميكي الحراري
يتم تقييم الاستقرار الديناميكي الحراري في سياقات التصنيع عمليًا باستخدام الأحداث الحرارية القابلة للقياس (DSC/TGA) وواصفات الحالة (مثل غير المتبلورة مقابل البلورية؛ درجة حرارة التحول الزجاجي) التي تشير إلى متى ينتقل مركب أو تركيبة إلى حالات ذات حركية جزيئية أعلى وبالتالي معدلات تفاعل أعلى أو آليات مختلفة.[4, 9, 15]
2.1 طاقة جيبس الحرة واستقرار الطور
تقوم عدة مصادر مضمنة بحساب تغيرات طاقة جيبس الحرة لعمليات التحلل أو التدمير الحراري بشكل صريح، مما يوفر مقياسًا ديناميكيًا حراريًا للجدوى في ظل ظروف محددة.[8, 19]
بالنسبة لمركب NR borate، تم تقييم تلقائية التحلل عبر حساب طاقة جيبس الحرة، حيث تم الإبلاغ عن (ΔG) بقيمة 2.43 kcal·mol−1.[19]
بالنسبة لمركب rutin وإسترات الأحماض الدهنية لمركب rutin تحت ظروف الانحلال الحراري، كانت قيم (ΔG) موجبة (84–245 kJ·mol−1) إلى جانب (ΔH) موجبة (60–242 kJ·mol−1)، مما يشير إلى ملف انحلال حراري ماص للحرارة وغير تلقائي في التحليل المبلغ عنه.[8]
من حيث الصيغ الحركية، تطبق عدة مصادر أيضًا علاقات الحالة الانتقالية والطاقة الحرة، مثل استخدام لتفسير تنشيط التحلل المائي في نظام معقد spiroborate للكركمين.[21]
2.2 التحول الزجاجي، والانصهار، وبداية التحلل
يوفر DSC وTGA مؤشرات تكميلية لمخاطر العملية: يمكن لأحداث الانصهار أو التليين أن تزيد من الانتشار بشكل حاد وتمكن من التحويل الكيميائي السريع، كما يمكن لبداية فقدان الكتلة في TGA أن تشير إلى بداية التحلل غير القابل للانعكاس حتى في الحالة الصلبة الظاهرية.[4, 9, 15]
بالنسبة لمركب NRCl، يشير DSC إلى بداية انصهار عند 120.7 ± 0.3 °C وذروة انصهار عند 125.2 ± 0.2 °C، يليه حدث طارد للحرارة حاد وفوري يبلغ ذروته عند 130.8 ± 0.3 °C.[4]
بما يتوافق مع تسلسل أحداث DSC، يظهر القياس الكمي بواسطة qNMR تحللاً محدودًا عند 115 °C (2%) ولكن خسارة سريعة عند منطقة الانصهار وما فوقها (7% عند 120 °C؛ 55% عند 125 °C؛ 98% عند 130 °C؛ مع بقاء 0.45% فقط من NR عند 140 °C).[4]
بالنسبة لمركب NMN، أفاد أحد المصادر أن المركب يتحلل بدلاً من إظهار تحول انصهار واضح، حيث يبدأ التحلل عند 160 °C وينتهي عند 165 °C مع ذروة DSC ماصة للحرارة عند 162 °C وإنثالبي تحلل قدره 184 kJ·mol−1.[6]
بالنسبة لمركب quercetin، يشير تفسير DSC/TGA المشترك إلى أن ذروة DSC الماصة للحرارة الشديدة (الحد الأقصى عند 303 °C) غالبًا ما تُنسب خطأً إلى الانصهار، بينما يشير TGA إلى أن التحلل يبدأ عند 230 °C وتتداخل الذروة الماصة للحرارة مع فقدان الكتلة المستمر؛ "حرارة الاندماج" المبلغ عنها لذروة 303 °C هي 69–75 kJ·mol−1.[9]
بالنسبة لمركب fisetin، يظهر TGA فقدانًا طفيفًا في الكتلة (~5%) يُعزى إلى تبخر الماء من العينة البلورية وحدث فقدان كتلة رئيسي (~30.6%) عند 369.6 °C يُعزى إلى تحلل الجزيء.[15]
بالنسبة للكركمين تحت نيتروجين خامل، أفادت إحدى الدراسات أن الكركمين الخام يظهر عملية تحلل معقدة تبدأ حوالي 240 °C (فقدان كتلة بنسبة 5%) مع ذروة DTGA عند 347 °C وبقاء 37% من البقايا عند 600 °C (بمعدل 10 °C·min−1).[18]
2.3 استقرار المواد غير المتبلورة والبلورية
قد تحسن التركيبات غير المتبلورة (Amorphous) من الذوبانية والتوافر الحيوي ولكنها قد تغير السلوك الحراري والاستقرار عن طريق زيادة الحركية الجزيئية بالنسبة للأشكال البلورية، مما يجعل درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) معلمة استقرار حرجة.[15, 16]
تظهر التشتتات الصلبة غير المتبلورة (ASDs) لمركب fisetin المحضرة ميكانيكيًا كيميائيًا قيم Tg قابلة للقياس في عمليات المسح الحراري الثانية وتظهر تحولات تركيبية في Tg تتوافق مع الامتزاج: تظهر المواد الخام Eudragit® L100/EPO قيم Tg عند 147.1/55.4 °C، بينما تظهر fisetin ASDs قيم Tg مثل 144.2/71.8 °C و 145.9/76.7 °C اعتمادًا على البوليمر وتحميل الدواء.[15]
بالنسبة للإسفنج النانوي لمركب resveratrol و oxyresveratrol، يظهر DSC أن ذروة انصهار resveratrol الماصة للحرارة (266.49 °C) تختفي في تركيبات الإسفنج النانوي، وهو ما يعزوه المؤلفون إلى التغليف والتحول المحتمل لجزيئات الدواء إلى الحالة غير المتبلورة داخل مصفوفة الإسفنج النانوي.[16]
بالنسبة لمركب quercetin، يُقترح أن الرابطة الهيدروجينية تقيد التليين الشبيه بالانصهار وتسهل التحلل من خلال إضعاف الروابط، ويخلص تفسير DSC/TGA المشترك إلى أن quercetin لا ينصهر ببساطة ولكنه يخضع لتحلل متداخل واسترخاء/تليين هيكلي في نطاق 150–350 °C.[9]
3. نماذج ومعايير حركية التحلل
تستخدم المصادر المضمنة مجموعة من النماذج الحركية (الرتبة الأولى، الرتبة الأولى الكاذبة، الرتب الأعلى أو الأشكال السيجمودية) ومعالجات الاعتماد على درجة الحرارة (سلوك أرينيوس Arrhenius، وفي بعض الحالات، غير أرينيوس)، وغالبًا ما يكون ذلك مدفوعًا بالاعتماد على pH والتحلل المعقد متعدد المسارات.[4, 7, 22]
3.1 نماذج رتبة التفاعل
يعد نموذج الرتبة الأولى المتكامل أساسًا مستخدمًا على نطاق واسع لتحلل مرحلة المحلول، والذي يظهر في دراسات متعددة كأداة ملائمة أساسية لبيانات التركيز-الزمن تحت pH ودرجة حرارة محكمين.[4, 11, 12]
بالنسبة لمركب NRCl في المحاليل المائية المنظمة (buffered)، يوصف التحلل بأنه من الرتبة الأولى الكاذبة، ويتم تبرير هذا الشكل من خلال أنظمة المحاليل المنظمة التي تحافظ على تركيزات OH−/H3O+ بفائض كبير وثابت تقريبًا بالنسبة لتركيز NR.[4, 23]
بالنسبة لمركبي fisetin و quercetin في محلول الفوسفات المنظم، يتم تقديم النتائج المبلغ عنها كثوابت معدل تحلل من الرتبة الأولى k (h−1) والتي تزداد بقوة مع pH ودرجة الحرارة.[24]
بالنسبة لمركب quercetin عند 90 °C بالقرب من pH متعادل (6.5–7.5)، تم تطبيق نموذج سيجمودي (sigmoidal) ومقارنته بنموذج الرتبة الأولى، حيث أعطى النموذج السيجمودي قيم k أعلى بـ 2.3–2.5 مرة من ملاءمات الرتبة الأولى وتفسيرًا مختلفًا لعمر النصف عند pH 7.5.[22]
بالنسبة للمؤشرات في المستخلصات النباتية المجففة بالرذاذ، تم الإبلاغ عن رتب تفاعل ظاهرة مختلفة اعتمادًا على أنظمة السواغات، بما في ذلك نماذج الرتبة صفر والرتبة الثانية لمركب kaempferol (عبر ثنائيات السواغات) ونموذج الرتبة الثانية لمركب quercetin عبر السواغات.[20]
3.2 معالجات أرينيوس وإيرينج (Arrhenius and Eyring)
غالبًا ما يتم نمذجة الاعتماد على درجة الحرارة بواسطة تعبيرات من نوع أرينيوس، وتقوم مصادر متعددة بحساب طاقات التنشيط بشكل صريح لتمثيل تنبؤات مدة الصلاحية والتعرض الحراري للعملية.[4, 10, 12]
بالنسبة لتحلل NRCl في المحلول المائي، تم الإبلاغ عن طاقات تنشيط أرينيوس كالتالي: 75.4 (±2.9) kJ·mol−1 عند pH 2.0، و 76.9 (±1.1) kJ·mol−1 عند pH 5.0، و 82.8 (±4.4) kJ·mol−1 عند pH 7.4.[4]
بالنسبة لمركب trans-resveratrol عند pH 7.4، تم الإبلاغ عن تحليل أرينيوس كـ log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) مع طاقة تنشيط محسوبة قدرها 84.7 kJ·mol−1.[12]
بالنسبة للكركمين في خليط محلول منظم/ميثانول عند pH 8.0، يعطي تحليل أرينيوس بين 37–60 °C قيمة (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1.[10]
بالنسبة للكركمين في الأوساط المائية ذات الصلة بالجهاز الهضمي، تظهر مخططات أرينيوس خطية عالية على مدى 37–80 °C (قيم r2 المبلغ عنها 0.9967، 0.9994، 0.9886 للأوساط المختلفة)، مع طاقات تنشيط مبلغ عنها تبلغ 16.46، 12.32، و 9.75 kcal·mol−1 لـ pH 7.4، و pH 6.8، و 0.1 N HCl على التوالي.[11]
يظهر تحليل إيرينج Eyring أيضًا في دراسة التحلل المائي لإستر spiroborate للكركمين (CBS)، حيث تم الإبلاغ عن مخطط إيرينج يظهر علاقة خطية بارتباط قدره 0.9988.[21]
3.3 طرق التحويل المتساوي والخالية من النماذج
تطبق العديد من دراسات التحلل الحراري طرق التحويل المتساوي (مثل KAS، FWO، Friedman) لحساب طاقات التنشيط المعتمدة على التحويل وبالتالي تحديد التحلل متعدد الخطوات وتغيرات الآلية.[8, 18, 25]
بالنسبة لمركب rutin وإسترات الأحماض الدهنية لمركب rutin، تختلف طاقات التنشيط بشكل كبير مع درجة التحويل عبر 0.05 < (α) < 0.90، مع نطاقات مبلغ عنها من 65 إلى 246 kJ·mol−1؛ يفسر المؤلفون ذلك كدليل على أن التحلل الحراري يسير من خلال عملية غير بسيطة ذات مراحل متعددة.[8]
بالنسبة لمركبات resveratrol–β-cyclodextrin، تزداد طاقة التنشيط مع درجة التحول، مع زيادات مبلغ عنها من 110 إلى 130 kJ·mol−1 (طريقة OFW) ومن 120 إلى 170 kJ·mol−1 (طريقة Friedman)، وهو ما يُفسر على أنه يشير إلى تغير في آلية التفاعل مع تقدم التحلل.[25]
بالنسبة لأنظمة البوليمر المحملة بالكركمين تحت النيتروجين، تظهر طاقات التنشيط المستمدة من طرق متعددة (Kissinger، KAS، Friedman، وملاءمة النموذج) مقادير متسقة على نطاق واسع (مثل 71 ± 5 kJ·mol−1 بواسطة Kissinger؛ 77 ± 2 بواسطة KAS؛ 84 ± 3 بواسطة Friedman)، ويشير اختيار النموذج إلى نموذج حركي F1 مع طاقات في نطاق 73–91 kJ·mol−1.[18]
3.4 التحلل الميكانيكي الحراري والتأكسدي المزدوج
يمكن لعمليات التصنيع عالية القص أن تربط تبديد الطاقة الميكانيكية بالتسخين الموضعي وتعزيز نقل الأكسجين، مما يؤدي إلى تضخيم المسارات المدفوعة بالأكسدة في المواد النشطة حيويًا الحساسة للأكسجين.[13, 14, 17]
في المجانسة عالية القص لنظام المشروبات، تزداد درجة حرارة المخرج بشكل ملحوظ مع سرعة الدوران (على سبيل المثال، من 4.1 ± 0.7 °C عند 0 rpm إلى 41 ± 1.2 °C عند 20,000 rpm)، وعند أعلى سرعة ينخفض حمض الأسكوربيك بنسبة 42.6%، بما يتوافق مع تعزيز التحلل بفعل درجة الحرارة العالية والأكسدة.[13]
في المجانسة عالية الضغط (HPH)، تُعزى آلية المعالجة صراحةً إلى توزيع إجهاد القص عند فتحة الصمام، حيث تضطرب حركة الموائع، وإلى ظواهر إضافية مثل التكهف، والاضطراب، والتصادم، والاصطدام، والتي تخلق معًا إجهادًا ميكانيكيًا مكثفًا واحتمالية للإجهاد التأكسدي.[14]
كما تم إثبات الازدواج التأكسدي في تجارب الأكسدة الحرارية لمركب quercetin: عند 150 °C، يسير تحلل quercetin بشكل أسرع تحت الأكسجين منه تحت النيتروجين (ثوابت المعدل 0.868 h−1 مقابل 0.253 h−1) ويتسارع بشدة عند وجود الكوليسترول والأكسجين (ثابت المعدل 7.17 h−1)، بما يتوافق مع الازدواج الجذري المتسلسل بين تكوين هيدروبيروكسيد الكوليسترول وتحلل quercetin.[26]
بالنسبة لمركب NRH، يفرض الأكسجين ودرجة الحرارة تحكمًا قويًا: عند 25 °C في الماء منزوع الأيونات (DI water)، يبلغ معدل التحلل المبلغ عنه 1.27×10−7 s−1 تحت الهواء (عمر النصف 63 يومًا) مقارنة بـ 5.90×10−8 s−1 تحت N2 (عمر النصف 136 يومًا)، ويذكر المؤلفون أن NRH يمكن أن يتأكسد في وجود الأكسجين ويتحلل مائيًا بسرعة في الظروف الحمضية.[5]
4. مراجعة فئات المركبات
يركز التركيب المتمحور حول المركبات أدناه على المعايير الحركية والديناميكية الحرارية الكمية التي يمكن استخدامها مباشرة في نماذج التصنيع، بما في ذلك طاقات التنشيط، وثوابت المعدل، وأعمار النصف، وبدايات التحلل، والقيود المتعلقة بالتحول الزجاجي أو الانصهار.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 سلائف NAD+
يعد استقرار سلائف NAD+ مشروطًا بقوة بقابلية التحلل المائي وانخفاض التحمل لبعض التحولات الحرارية (خاصة لمركب NRCl في منطقة الانصهار) والأكسدة المدفوعة بالأكسجين (خاصة للأشكال المختزلة مثل NRH).[4, 5]
يظهر NRCl حركية تحلل من الرتبة الأولى الكاذبة في المحاليل المائية ويظهر طاقات تنشيط تختلف باختلاف pH (75.4–82.8 kJ·mol−1)، والتي تشفر كميًا كلاً من الحساسية الحرارية والاعتماد على pH لمسار التحلل المائي السائد.[4]
يُقترح أساس آلي يتمثل في التحلل المائي المحفز بالقاعدة حيث ينخفض NR بينما يتراكم nicotinamide (Nam) والسكر، وتُقدم أدلة توازن مولي تشير إلى أنه مقابل كل جزيء NR يتحلل، يتكون جزيء واحد من Nam وجزيء واحد من السكر.[4]
في سوائل الجهاز الهضمي المحاكية عند درجة الحرارة والتحريك الفسيولوجيين (USP II paddle عند 75 rpm و 37 °C)، يظهر NRCl خسارة قصيرة المدى محدودة نسبيًا (على سبيل المثال، ~97–99% متبقية بعد ساعتين في الوسط المعدي) ولكن انخفاضًا ملحوظًا على المدى الأطول في محاكاة لمدة 24 ساعة (79.18 ± 2.68% متبقية عند 24 ساعة، مع بقاء 90.51 ± 0.82% عند 8 ساعات).[4]
في الحالة الصلبة، يظهر NRCl نافذة درجة حرارة ضيقة بين بداية الانصهار والتحلل السريع: يبلغ DSC عن بداية انصهار عند 120.7 ± 0.3 °C وحدث طارد للحرارة لاحق عند ~130.8 °C، بينما يحدد qNMR ارتفاعًا حادًا في التحلل من 2% عند 115 °C إلى 98% عند 130 °C.[4]
أطر أحد المصادر هذه البيانات صراحةً بأنها توفر "حدًا أقصى لدرجة الحرارة صريحًا لمعالجة NRCl" والذي يمكن أن يؤثر على إنتاج المكملات عبر المراحل، مما يؤكد أهمية عتبات DSC/qNMR كقيود صارمة في العمليات المسخنة.[4]
يقدم NR borate استراتيجية استقرار مدفوعة بتفاعل NR: يوصف NR بأنه يحتوي على رابطة جليكوسيدية غير مستقرة بشكل خاص تربط حلقة بيريدينيوم غير متجانسة مشحونة إيجابياً بكربوهيدرات، مما يجعل من الصعب تصنيعه وتخزينه ونقله، ويوصف استقرار البورات بأنه يتمتع باستقرار عالٍ ضد التحلل الحراري والكيميائي.[19]
كميًا، تعتمد ذوبانية NR borate بشدة على pH (على سبيل المثال، 1972.7 ± 15.4 mg·mL−1 عند pH 1.5؛ 926.0 ± 34.4 mg·mL−1 عند pH 7.4)، وأفاد نموذج أرينيوس بمعدلات تحلل أعلى عند pH 7.4 منها عند pH 1.5 أو 5.0، بما يتوافق مع تأثير تركيز HO−.[19]
أبلغت نفس المراجعة عن طاقة جيبس حرة لتحلل NR borate بقيمة 2.43 kcal·mol−1 وأشارت إلى أن زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 °C تضاعف تقريبًا معدل التحلل تحت أي حالة pH، مما يعكس الحساسية لدرجة الحرارة الملحوظة لمركب NRCl.[4, 19]
يظهر NRH حساسية واضحة لـ pH والأكسجين: تم الإبلاغ عن تحلل كامل في أقل من يوم واحد عند pH 5، بينما تظهر العينات عند pH 9 تحللاً بنسبة ~42–45% بعد 60 يومًا، وعند 25 °C في الماء منزوع الأيونات تحت الهواء تم الإبلاغ عن تحلل بنسبة ~50% بعد 60 يومًا مقابل ~27% تحت N2.[5]
تُعزى هذه الحساسية للأكسجين آليًا إلى الأكسدة في وجود الأكسجين وإلى التحلل المائي المتسارع في الظروف الحمضية، بما يتوافق مع وصف NRH بأنه جزيء غير مستقر بسبب رابطة N-glycosidic وقدرته على التحلل والتميؤ والأكسدة.[5]
بالنسبة لمركب NMN، تشمل المؤشرات الديناميكية الحرارية للحالة الصلبة الكمية بداية تحلل مبلغ عنها عند 160 °C واكتمالها بحلول 165 °C (مع ذروة DSC ماصة للحرارة عند 162 °C وإنثالبي تحلل قدره 184 kJ·mol−1)، وبيانات استقرار متسارعة تبلغ عن معدل تحلل قدره 0.8% شهريًا عند 40 °C و 75% RH.[6]
في المحلول المائي، تم الإبلاغ عن تحلل NMN كتحلل ظاهري من الرتبة الأولى في درجة حرارة الغرفة مع معادلة حركية lg(Ct)=0.0057t+4.8172 وأوقات مبلغ عنها t0.9=95.58 h و t1/2=860.26 h، وتذكر الدراسة أن معدل التحلل يتأثر بشكل أساسي بارتفاع درجة الحرارة و pH.[27]
لدعم قيود التركيبة العملية، يوصي أحد المصادر التي تركز على المنتج بدمجه في درجة حرارة أقل من 45 °C لمنع التحلل الحراري لرابطة الفوسفوديستر، وأفاد عن تحلل أقل من 5% في الاختبارات المتسارعة عند 40 °C/75% RH على مدار 3 أشهر للأنظمة منخفضة المياه المركبة بشكل صحيح.[28]
يوصف مسار تحلل NMN الأساسي بأنه تحلل مائي لرابطة الفوسفوديستر مما ينتج عنه nicotinamide و ribose-5-phosphate، مع وصف الاعتماد على pH بأنه تحلل مائي محفز بالحمض أقل من pH 4.5 وانقسام بوساطة القاعدة فوق pH 7.5.[28]
4.2 الستيلبينويدات (Stilbenoids)
تشمل الستيلبينويدات مركب resveratrol والمركبات ذات الصلة التي تظهر تحللاً قويًا يعتمد على pH والأكسجين، ويمكن أن ينحرف استقرارها في التركيبات الحقيقية عن استقراء أرينيوس البسيط بسبب تأثيرات المصفوفة والمسارات المتعددة.[7, 12, 29]
في الأنظمة المائية، تم الإبلاغ عن استقرار trans-resveratrol في pH الحمضي، بينما يزداد التحلل بشكل كبير فوق pH 6.8، وينخفض عمر النصف من 329 يومًا عند pH 1.2 إلى 3.3 دقيقة عند pH 10.[12]
عند pH 7.4، تتبع حركية تحلل trans-resveratrol حركية الرتبة الأولى عبر درجات الحرارة المدروسة، وتم الإبلاغ عن طاقة التنشيط بـ 84.7 kJ·mol−1.[12]
يتم تقديم مبرر آلي مفاده أنه في pH الحمضي تكون مجموعات الهيدروكسيل محمية من الأكسدة الجذرية بواسطة H₃O⁺ المشحون إيجابياً، بينما في الظروف القلوية تزيد أيونات الفينات (phenate ions) من القابلية للأكسدة وتكوين جذور الفينوكسي، ويعزز الأكسجين في الوسط التفاعلات الجذرية المؤدية إلى التحلل.[12]
أبلغت تجارب استقرار حراري مستقلة في محلول مائي (19 mg·L−1) عن عدم وجود تغيرات طيفية معنوية بعد 30 دقيقة حتى 70 °C، بينما تؤدي درجات الحرارة الأكثر ارتفاعًا إلى انخفاض عام في الامتصاص عند 304 nm وانخفاض الامتصاص عبر 270–350 nm، مما يشير إلى تدمير مستحث حراريًا تحت ظروف مائية حرارية.[30]
يقترح التفسير الآلي لتلك التجارب المائية الحرارية انقسامًا تأكسديًا للرابطة المزدوجة وتكوين منتجات تحلل تحتوي على الفينول مثل الألدهيدات الهيدروكسيلية، والكحولات، والأحماض الهيدروكسيلية، وتم تفسير نطاقات FTIR بما يتوافق مع تكوين الألدهيد وحمض الكربوكسيل عند 100–120 °C.[30]
في مصفوفات الأقراص، تم الإبلاغ عن أن تحلل resveratrol يتبع حركية الرتبة الأولى أحادية الأسي مع قيم k تبلغ 0.07140، 0.1937، و 0.231 شهريًا عند 25، 30، و 40 °C على التوالي، ولكن العلاقة بين ln(k) و 1/T غير خطية وتصنف على أنها فائقة أرينيوس (super-Arrhenius)، حيث يقترح المؤلفون تفاعلات ثانية محتملة، أو مسارات تفاعل متعددة، أو تأثيرات المصفوفة عند درجات حرارة أعلى.[7]
يؤكد نفس العمل أن استقراء أرينيوس لا يسمح دائمًا بتحديد حركية التحلل لمركب resveratrol في المكملات وأن الاختبارات المتسارعة يمكن أن تؤدي إلى تقديرات غير صحيحة، بما في ذلك المبالغة في تقدير التحلل.[7]
بالنسبة للفينولات الشبيهة بالستيلبين في الأنظمة الجافة، تؤدي المعالجات الحرارية مثل التعقيم بالبخار عند 121 °C لمدة 20 دقيقة إلى خسائر قابلة للقياس (على سبيل المثال، انخفض pinosylvin بنسبة 20.98% حسب مساحة الذروة)، ويؤدي التجفيف بالفرن لمدة 24 ساعة عند 105 °C إلى انخفاضات بنسبة >50% في مساحة الذروة للعديد من الفينولات، بينما يشير TGA إلى درجات حرارة بداية التحلل فوق ~200 °C لأنظمة pinosylvin.[31]
4.3 الفلافونويدات (Flavonoids)
تظهر الفلافونويدات حساسية تحلل متعددة المسارات تتأثر بـ pH، ودرجة الحرارة، والأكسجين، وتفاعلات التركيبة مثل الارتباط بالبروتين، ويمكن أن ينطوي سلوكها الحراري في DSC/TGA على تحلل وتليين متداخلين بدلاً من الانصهار البسيط.[9, 22, 24]
في المحاليل المنظمة، تؤدي زيادة pH الوسط من 6.0 إلى 7.5 إلى زيادة ثوابت معدل تحلل fisetin و quercetin بمقدار 24 ضعفًا و 12 ضعفًا على التوالي (على سبيل المثال، k لمركب fisetin من 8.30×10−3 إلى 0.202 h−1؛ k لمركب quercetin من 2.81×10−2 إلى 0.375 h−1)، وتؤدي زيادة درجة الحرارة فوق 37 °C إلى زيادة k بشكل كبير (على سبيل المثال، k لمركب fisetin إلى 0.490 h−1 عند 65 °C؛ k لمركب quercetin إلى 1.42 h−1 عند 65 °C).[24]
يمكن للمكونات المصاحبة من البروتينات أن تخفف من التحلل: مع إضافة البروتين، تنخفض قيم k المقاسة، بما في ذلك انخفاض k لمركب fisetin من 3.58×10−2 إلى نطاقات تصل إلى 1.76×10−2 h−1 وانخفاض k لمركب quercetin من 7.99×10−2 إلى نطاقات تصل إلى 3.80×10−2 h−1.[24]
آليًا، يُعزى عدم الاستقرار الكيميائي للفلافونويد إلى مجموعات الهيدروكسيل وهيكل البيرون غير المستقر، ويُعزى الاستقرار بواسطة البروتينات بشكل أساسي إلى التفاعلات الكارهة للماء (مع تعطيل SDS للاستقرار)، مع تسليط الضوء على مساهمات الروابط الهيدروجينية باعتبارها تتطلب فحوصات كمية مستقبلية.[24]
بالنسبة لمركب quercetin عند 90 °C بالقرب من التعادل، تظهر حركية التحلل تأثيرات pH قوية: يزداد k حوالي خمسة أضعاف من pH 6.5 إلى 7.5، ويتم الكشف عن وسائط الأكسدة مثل quercetin quinone، مع المنتجات النهائية النموذجية بما في ذلك protocatechuic acid (PCA) و phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
يسند السرد الآلي أول خسارة قابلة للقياس عند 370 nm إلى تحويل quercetin إلى كينون ويقترح أن انقسام هيكل الكينون ينتج فينولات أبسط ذات امتصاص محدود، بينما تعمل نزع البروتون القلوي على تسريع الأكسدة التي تؤثر على الحلقة C والحلقة B وهيكل o-diphenol.[22]
في أنظمة درجات الحرارة العالية (150 °C)، يسير تحلل وأكسدة quercetin بسرعة، مع ثوابت معدل مبلغ عنها بلغت 0.253 h−1 في النيتروجين و 0.868 h−1 في الأكسجين وتسارع قوي (7.17 h−1) في الأكسجين بالإضافة إلى الكوليسترول؛ تجريبيًا، يزداد فقدان quercetin من 7.9% عند 10 دقائق (N₂) إلى 20.4% عند 10 دقائق (O₂)، بينما في وجود الكوليسترول + الأكسجين ينخفض quercetin إلى 10.9% متبقي بعد 10 دقائق.[26]
يشير التحليل الحراري كذلك إلى أن quercetin يظهر ذروة ماصة للحرارة صغيرة في نطاق 90–135 °C مرتبطة بفقدان بسيط في الكتلة (0.86 ± 0.33 wt.%)، ويبدأ التحلل عند 230 °C، وتتداخل ذروة DSC البارزة عند 303 °C مع التحلل؛ ويُزعم أن الرابطة الهيدروجينية تقيد السلوك الشبيه بالانصهار وتسهل التحلل عن طريق إضعاف الروابط الكيميائية.[9]
بالنسبة لمركب rutin (جليكوسيد quercetin) وإستراته الدهنية، يشير TGA إلى أن rutin مستقر حراريًا حتى 240 °C، بينما تظهر الإسترات درجات حرارة تحلل أولية أقل (217–220 °C) وفقدان كتلة أعلى في مرحلة رئيسية، وتختلف طاقات التنشيط مع درجة التحويل من 65 إلى 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 الكركمينويدات (Curcuminoids)
يعتمد تحلل الكركمين بشدة على pH وينطوي على مسارات تأكسدية تحت العديد من الظروف المائية، بينما يمكن للتحلل الحراري وتفاعلات التركيبة أن تغير بدايات التحلل والمعايير الحركية الظاهرية.[10, 18, 32]
في خلائط محلول منظم/ميثانول عند 37 °C، تم الإبلاغ عن أن تحلل الكركمين يتبع حركية الرتبة الأولى مع زيادة k_obs بشكل كبير مع زيادة pH (على سبيل المثال، 3.2×10−3 h−1 عند pH 7.0 مقابل 693×10−3 h−1 عند pH 12.0)، بينما عند pH 5.0 يكون الكركمين مستقرًا في التجارب المبلغ عنها.[10]
عند pH 8.0، يعطي تحليل أرينيوس (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1، ويشير الاستقراء إلى المحلول المنظم المائي إلى خسارة سريعة تحت ظروف الأكسدة (k_obs 280×10−3 h−1، t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
تعمل تركيبات المذيلات النانوية (Micellar nanoformulations) على إبطاء التحلل بشكل كبير: في المذيلات البوليمرية ومذيلات Triton X-100 عند pH 8.0 و 37 °C، انخفضت قيم k_obs المبلغ عنها إلى 0.9×10−3 و 0.6×10−3 h−1، مع أعمار نصف تبلغ 777 ± 87 h و 1100 ± 95 h، والتي ذُكر أنها أعلى بـ ~300–500 مرة من الكركمين الحر في المحلول المنظم المائي.[10]
آليًا، يجادل العمل المضمن بأن تحلل الكركمين لا يسير عبر انقسام السلسلة بالتحلل المائي ولكن عبر الأكسدة التي تنتج bicyclopentadione كمنتج نهائي، مع ارتباط تحلل 1 مول من الكركمين باستهلاك 1 مول من O₂ وبكون الخطوة الأولى هي نزع بروتون مجموعات الهيدروكسيل عند pH أعلى من 7.0.[10]
أبلغت دراسة استقرار منفصلة ذات صلة بالجهاز الهضمي عن حركية من الرتبة الأولى الظاهرية بخطية عالية (r² > 0.95) ووفرت طاقات تنشيط (بوحدة kcal·mol−1) تختلف باختلاف الوسط (أعلى عند pH 7.4 منها في 0.1 N HCl)، وأفادت بأنه بعد 12 ساعة عند 37 °C، بقي أكثر من 80% في 0.1 N HCl ولكن بقي 57% و 47% فقط في محاليل الفوسفات المنظمة ذات pH 6.8 و 7.4 على التوالي.[11]
عند درجات الحرارة العالية (180 °C)، تظهر تجارب التحميص قابلية شديدة للتأثر بالحرارة، حيث يتبقى 30% فقط من الكركمين الأولي بعد 5 دقائق، ويربط التفسير الآلي الانقسام التأكسدي بفرط حمض الفيروليك كجزيء وسيط وخطوة إزالة الكربوكسيل المتسارعة بالتعرض للهواء ودرجات الحرارة المرتفعة.[33]
تظهر دراسات التحلل الحراري للكركمين وأنظمة البوليمر المحتوية على الكركمين تحت النيتروجين سلوكًا معقدًا: يبدأ تحلل الكركمين الخام حوالي 240 °C، بينما يؤدي دمج الكركمين في خلائط PGA/PCL إلى إزاحة الحد الأقصى لتحلل PGA إلى درجات حرارة أقل (على سبيل المثال، من 372 °C للخليط النقي إلى 327 °C عند 5% كركمين)، مما يعني أن دمج الكركمين يمكن أن يقلل من الاستقرار الحراري للمصفوفة.[18]
تربط نفس الدراسة التي تركز على البوليمر هذه النتائج بأهمية التصنيع من خلال ذكر أن معالجة حالة الانصهار تتطلب ضمان الاستقرار الكيميائي لمصفوفة البوليمر والنشاط البيولوجي للأدوية المدمجة، وأن معالجة PGA أو خلائط PGA/PCL مع الكركمين يجب أن تتم في أدنى درجة حرارة ممكنة لمنع تحلل PGA.[18]
يتم أيضًا قياس ثبات الكركمين تحت استحلاب القص العالي في مستحلبات Pickering المحضرة باستخدام خلاط عالي القص عند 22,000 rpm لمدة دقيقتين: يظهر التخزين عند 20 °C في الظلام أنه في مزيج زيت-كركمين غير مغلف يتحلل حوالي نصف الكركمين بعد 6 أيام ويتبقى 20% فقط بعد 16 يومًا، بينما يحتفظ نظام مستحلب Pickering بنسبة ~50% بعد 16 يومًا ويمدد عمر النصف من 13 يومًا إلى 28 يومًا.[1]
تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية (6 W، 365 nm)، يظهر نفس النظام تحللًا بنسبة ~50% بعد 9 ساعات وبقاء 20% فقط بعد 24 ساعة لمزيج الزيت، بينما يحتفظ مستحلب Pickering بنسبة ~70% بعد 9 ساعات و ~45% بعد 24 ساعة ويمدد عمر النصف من ~13 ساعة إلى ~27 ساعة لفقدان 50%.[1]
4.5 جدول ملخص
يوحد الجدول أدناه المعايير الحركية والديناميكية الحرارية التمثيلية المبلغ عنها عبر فئات المركبات، مع التأكيد على القيم الأكثر قابلية للاستخدام مباشرة لنمذجة العملية.
5. عمليات وحدات التصنيع عالية القص
يعرض التصنيع عالي القص المركبات القابلة للتأثر بالحرارة لمجالات إجهاد ميكانيكي يمكن أن تزيد من درجة الحرارة، ونقل الأكسجين، والمساحة البينية، مما يؤثر على كل من حركية التفاعل والآليات السائدة، خاصة بالنسبة للمواد النشطة حيويًا الحساسة للأكسجين و pH.[13, 14, 17]
5.1 معالجة المصهور (Melt processing)
يتم تسليط الضوء على معالجة حالة الانصهار في أنظمة البوليمر والدواء كسيناريو يجب فيه الحفاظ على استقرار البوليمر ونشاط الدواء، ويُذكر صراحةً أن معالجة حالة الانصهار تعني ضرورة ضمان الاستقرار الكيميائي لمصفوفة البوليمر والنشاط البيولوجي للأدوية المدمجة.[18]
في نظام PGA/PCL–curcumin، يؤثر دمج الكركمين سلبًا على الاستقرار الحراري لـ PGA، ويوصي المؤلفون بالمعالجة في أدنى درجة حرارة ممكنة لمنع تحلل PGA، وربط توصيف الاستقرار الحراري بتصميم العملية.[18]
5.2 المجانسة عالية الضغط والموائع الدقيقة
تخضع المجانسة عالية الضغط السوائل لإجهاد ميكانيكي عالٍ عندما تتدفق عبر صمام ذو فجوة ضيقة؛ عند الفتحة، يتعرض السائل لعملية قص وتساهم ظواهر إضافية مثل التكهف، والاضطراب، والتصادم، والاصطدام في تأثيرات القص.[14]
تعمل HPH عند ضغوط مرتفعة تزيد عن 100 MPa ويمكن أن تولد ضغوطًا تصل إلى 400 MPa، وتوصف الضغوط المطبقة، وعدد الدورات/الممرات، ودرجة حرارة المخرج بأنها عوامل رئيسية تؤثر على قابلية الاستخلاص واستقرار المواد الكيميائية النباتية.[14]
كميًا، أبلغت مراجعة HPH عن تغيرات تركيبية تمثيلية مثل الانخفاضات التدريجية في L-ascorbic acid (1.7%، 4.6%، 10.7%) عند 100، 200، 300 MPa وانخفاضات البوليفينول (مثل 10.6%، 6.0%، 1.4%) في عصير التفاح عند 100، 200، 300 MPa، مما يوضح أن مستوى الضغط يمكن أن يرتبط بالخسائر في المركبات الحساسة للأكسدة اعتمادًا على المصفوفة ونشاط الإنزيم.[14]
على مستوى التركيبة، يمكن لتقنية الموائع الدقيقة (microfluidization) إنتاج مستحلبات مستقرة مع بقاء كمي للفينولات: بالنسبة لمستحلبات W/O/W، تم الإبلاغ عن ظروف الموائع الدقيقة المثلى عند 148 MPa وسبع دورات مما أنتج قطيرات بحجم 105.3 ± 3.2 nm و PDI 0.233 ± 0.020، وبعد 35 يومًا كان بقاء الفينولات 68.6% مع بقاء النشاط المضاد للأكسدة 89.5%.[2]
أبلغت دراسة تغليف منفصلة عن نهج مشترك بين القص العالي والموائع الدقيقة: تم تجانس مشتتات الجسيمات الشحمية عند 9500 rpm لمدة 10 دقائق ثم تم تمريرها خمس مرات عبر جهاز الموائع الدقيقة عند 25,000 psi قبل التجفيف بالرذاذ، مما يوضح أن التسلسلات الواقعية صناعيًا قد تجمع بين القص والتجفيف الحراري اللاحق.[3]
تؤكد مراجعات المجانسة فائقة الضغط (UHPH) على القص الشديد والاصطدامات داخل الصمام، مع ظروف مبلغ عنها مثل ضخ السوائل عند أكثر من 200 MPa (عادةً 300 MPa) ووقت مكوث أقل من 0.2 ثانية في الصمام عند Mach 3، ومع تفتيت نانوي للكائنات الدقيقة، والغرويات، والبوليمرات الحيوية إلى 100–500 nm.[34]
5.3 الخلط عالي القص
غالبًا ما يستخدم الخلط عالي القص كخطوة استحلاب مسبق أو تشتيت ويمكنه بحد ذاته توليد ارتفاعات كبيرة في درجة الحرارة وبيئات تأكسدية، مما يؤثر على التحلل حتى قبل العمليات اللاحقة.[13]
في نموذج مشروب، أدت المجانسة عالية القص لمدة 10 دقائق بسرعات دوران متزايدة إلى زيادة درجة حرارة المخرج (من 4.1 ± 0.7 °C عند 0 rpm إلى 41 ± 1.2 °C عند 20,000 rpm) وارتبطت بفقدان كبير لحمض الأسكوربيك (انخفاض بنسبة 42.6% عند 20,000 rpm).[13]
في نظام مستحلب Pickering للكركمين، استخدم الخلط عالي القص عند 22,000 rpm لمدة دقيقتين لتكوين المستحلبات، وبعد ذلك تم قياس تحسينات الاستقرار عبر التحلل الأبطأ وعمر النصف الممتد تحت كل من إجهاد التخزين والأشعة فوق البنفسجية، مما يربط الهيكلة البينية عالية القص بنتائج الاستقرار الكيميائي.[1]
5.4 الطحن الميكانيكي الكيميائي
يمكن للمعالجة الميكانيكية الكيميائية (مثل طحن الكرات) إنتاج تشتتات صلبة غير متبلورة وتغيير الاستقرار عن طريق تغيير شكل الحالة الصلبة، والخلط على المستوى الجزيئي، وتمكين التفاعلات القوية بين الجزيئات مثل الرابطة الهيدروجينية.[15]
بالنسبة لـ ASDs والاحتواء لمركب fisetin، تم إجراء الطحن في درجة حرارة الغرفة بتردد 30 Hz وزمن 20 دقيقة، وتم إجراء تحليل TG/DSC اللاحق تحت النيتروجين لقياس الاستقرار الحراري وسلوك Tg.[15]
5.5 التجفيف بالرذاذ (Spray drying)
يوصف التجفيف بالرذاذ بأنه أحد أكثر التقنيات استخدامًا لإنتاج مستخلصات نباتية مجففة، ويُذكر أن درجات الحرارة المرتفعة أثناء التجفيف بالرذاذ لها آثار ضارة محتملة على البوليفينولات القابلة للتأثر بالحرارة.[3, 20]
في إحدى دراسات تغليف البوليفينول، تم إجراء التجفيف بالرذاذ مع درجة حرارة هواء المداخل 150 ± 5 °C ودرجة حرارة المخرج 90 ± 5 °C، بينما ذكر المؤلفون أن كمية البوليفينولات انخفضت بسبب التعرض للأكسجين والحرارة أثناء التجفيف بالرذاذ، مما حفز التغليف للحفاظ على الخصائص الوظيفية.[3]
في دراسة ما قبل التركيب للمستخلص، تم تقييم ظروف عملية المجفف بالرذاذ (درجة حرارة المدخل، معدل تدفق التغذية، نسبة ثنائي أكسيد السيليكون الغروي) لتأثيراتها على الاستجابات، واستخدمت طرق أرينيوس لتحديد معايير حركية التحلل بما في ذلك رتبة التفاعل، ووقت الجزء المتحلل، وثابت المعدل.[20]
5.6 جدول ملخص
يلخص الجدول أدناه ملفات الإجهاد وتأثيرات كمية تمثيلية تم الإبلاغ عنها لعمليات الوحدات التي تفرض قصًا عاليًا و/أو تعرضًا حراريًا مكثفًا.
6. نماذج الاستقرار والعملية المتكاملة
توفر المصادر المضمنة لبنات بناء لإطار تنبؤي متكامل يتم فيه حساب نتائج الاستقرار من التاريخ الحراري لعملية الوحدة والبيئات المجهرية الفيزيائية والكيميائية (pH، الأكسجين، النشاط المائي) مع احترام عتبات التحول الديناميكي الحراري.[4, 14]
6.1 خرائط الوقت-درجة الحرارة-القص
يمكن لنهج التخطيط العملي استخدام الحركية (k, (E_a), عمر النصف) جنبًا إلى جنب مع ملفات الوقت-درجة الحرارة المقاسة أو المستنتجة لعملية الوحدة لحساب التحول المتوقع، مع استخدام عتبات تحول الحالة (Tg، بداية الانصهار، بداية التحلل) كحدود قد تغير الآليات أو تزيد من المعدلات.[4, 15]
على سبيل المثال، يمكن تمثيل نموذج مرحلة المحلول من الرتبة الأولى الكاذبة لمركب NRCl باستخدام طاقات تنشيط أرينيوس (75.4–82.8 kJ·mol−1) والملاحظة بأن زيادة 10 °C تضاعف تقريبًا k_obs، مما يسمح بالانتقال من تجارب المحاليل المنظمة المعتمدة إلى التعرضات الحرارية القصيرة في التصنيع.[4]
بالنسبة للكركمين، يمكن تمثيل الحساسية لدرجة الحرارة باستخدام (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 عند pH 8.0 والاعتماد القوي المبلغ عنه لـ k_obs على pH، مما يتيح معًا التنبؤ بالخسائر أثناء فترات المكوث المائي أو خطوات الاستحلاب المسخنة حيث يكون pH المحلي متعادلاً إلى قاعدي.[10]
بالنسبة لمركب trans-resveratrol، فإن انهيار عمر النصف المدفوع بـ pH (من مئات الأيام إلى دقائق مع زيادة pH) يعني أن نتائج الاستقرار أثناء المعالجة قد تهيمن عليها pH البيئة المجهرية بدلاً من درجة حرارة الكتلة، ويمكن استخدام نمذجة أرينيوس عند pH 7.4 للتعرضات لدرجات حرارة معتدلة مع (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 الجودة حسب التصميم (QbD) ومساحة التصميم
يدعم تفسير "الجودة حسب التصميم" الدراسات التي تقيم صراحةً كيف تغير معلمات العملية ومصفوفات التركيبة آليات التحلل، بما في ذلك النتائج التي تفيد بأن الاختبارات المتسارعة قد تفشل في التنبؤ بمدة الصلاحية عند حدوث سلوك غير أرينيوس أو تأثيرات المصفوفة.[7, 29]
بالنسبة لأقراص resveratrol، فإن الاستنتاج بأن نهج أرينيوس يمكن أن يبالغ في تقدير التحلل في الاختبارات المتسارعة يحفز تحديد مساحات التصميم باستخدام كل من الفهم الآلي والبيانات متعددة درجات الحرارة بدلاً من حالة متسارعة واحدة.[7, 29]
بالنسبة لأنظمة مؤشرات الفلافونويد المجففة بالرذاذ، تم الإبلاغ صراحةً عن أن السواغات تؤثر على الرتبة الحركية وقيم وقت الجزء المتحلل، مما يشير إلى أن تركيب السواغات هو جزء من مساحة تصميم الاستقرار وليس خلفية ثابتة.[20]
6.3 التكنولوجيا التحليلية للعمليات (PAT) والنوعية التحليلية
تتطلب مراقبة العملية الدقيقة نوعية تحليلية لأن منتجات التحلل يمكن أن تربك الفحوصات الطيفية الأبسط، خاصة بالنسبة للبوليفينولات.[12]
بالنسبة لمركب trans-resveratrol، تم تأكيد نوعية HPLC و UPLC بينما أدى التحليل الطيفي UV/VIS إلى تركيزات أعلى كاذبة من trans-resveratrol في ظروف لم يكن فيها مستقرًا (pH القلوي، الضوء، زيادة درجة الحرارة)، مما يؤكد الحاجة إلى طرق تشير إلى الاستقرار في تحليلات العملية.[12]
7. استراتيجيات التخفيف
تؤكد نهج التخفيف في المصادر المضمنة على تقييد التعرض للمحفزات المعروفة (الحرارة، الأكسجين، pH العالي، الأشعة فوق البنفسجية)، واستخدام هياكل تركيبية تقلل من الحركية الجزيئية، أو تحمي الواجهات، أو تضع المادة النشطة في بيئات مجهرية أقل تفاعلاً.[10, 13, 17]
7.1 التغليف والتشتتات
يمكن للتغليف في أنظمة المذيلات أو الجسيمات أن يثبت المركبات القابلة للتأثر بالحرارة بشكل كبير عن طريق الحد من التلامس مع الماء، والأكسجين، والأنواع المتفاعلة وعن طريق تغيير إمكانية وصول الأحماض والقواعد إلى المجموعات الوظيفية الرئيسية.[1, 10]
بالنسبة للكركمين، يقلل الإذابة المذيلية (micellar solubilization) k_obs إلى 0.6–0.9×10−3 h−1 ويمدد عمر النصف إلى 777–1100 h، ويُعزى هذا الاستقرار إلى منع نزع بروتون الهيدروكسيل داخل قلب مذيلة كاره للماء، والذي يوصف بأنه الخطوة الأولى من التحلل.[10]
توفر مستحلبات Pickering حاجزًا فيزيائيًا: يُذكر أن وجود حاجز فيزيائي كثيف عند الواجهة يعيق تحلل الكركمين، وكميًا يمدد النظام المكون للحاجز عمر نصف التخزين من 13 يومًا إلى 28 يومًا وعمر نصف الأشعة فوق البنفسجية من ~13 ساعة إلى ~27 ساعة.[1]
توفر الأنظمة الحاملة المشتقة من السيكلوديكسترين استراتيجية أخرى: تظهر مركبات resveratrol–β-cyclodextrin أحداثًا حرارية تشمل إطلاق الماء بالقرب من 50 °C وأحداث تحلل في درجات حرارة أعلى، وتقيس طاقات الربط الحرة (على سبيل المثال، −86 kJ·mol−1 بواسطة MM/PBSA) تفاعلات احتواء قوية.[25]
يقضي تغليف resveratrol في الإسفنج النانوي على ذروة انصهار DSC الماصة للحرارة ويوفر حماية ضوئية: يظهر resveratrol الحر تحللاً بنسبة 59.7% في غضون 15 دقيقة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية بينما يوفر الإسفنج النانوي لمركب resveratrol حماية مضاعفة تقريبًا، بما يتوافق مع منع التغليف للتعرض المباشر للأشعة فوق البنفسجية.[16]
يمكن هندسة التشتتات الصلبة غير المتبلورة عبر الطحن الميكانيكي الكيميائي، وتم تحديد الرابطة الهيدروجينية بين fisetin ومجموعات إستر Eudragit® بشكل صريح، مما يوفر أساسًا آليًا للامتزاج وتغير Tg الذي يمكن أن يثبت ضد التغيرات المعتمدة على التبلور في سلوك الذوبان.[15]
اختيار السواغات والحوامل
يمكن لاختيار السواغات أن يغير الآليات الحركية ونتائج الاستقرار، كما ورد في أنظمة المستخلصات النباتية المجففة بالرذاذ حيث تختلف رتبة التفاعل وأوقات الأجزاء المتحللة باختلاف خلائط السواغات، مما يشير إلى تحلل يعتمد على السواغ.[20]
يمكن للمكونات المصاحبة من البروتينات تثبيت الفلافونويدات عبر التفاعلات الكارهة للماء، مما يقلل قيم k لمركبي fisetin و quercetin، ويدعم تعطيل SDS لهذه التفاعلات التفسير القائل بأن الارتباط الكاره للماء هو آلية استقرار رئيسية.[24]
ضوابط هندسة العمليات
تُدعم ضوابط العملية التي تقلل من التعرض الحراري والتلامس مع الأكسجين مباشرة من خلال مجموعات بيانات متعددة.[5, 18]
بالنسبة لمركب NRCl، تشير أدلة DSC/qNMR إلى أن تجاوز منطقة بداية الانصهار (~120–130 °C) يمكن أن ينتج تحللاً سريعًا للغاية، مما يدعم الحدود العليا الصارمة لدرجة الحرارة ووقت المكوث في العمليات الصلبة المسخنة.[4]
بالنسبة لمركب NRH، فإن الفرق بين عمر النصف في الهواء و N₂ عند 25 °C يعني أن استخدام الخمول واستبعاد الأكسجين يمكن أن يكون جوهريًا، وأفاد المؤلفون أن العينات تحت غطاء من N₂ عند 4 °C لا تظهر أي تحلل قابل للكشف بعد 60 يومًا بينما تظهر العينات عند 4 °C في الهواء تحللاً بنسبة ~10%.[5]
بالنسبة للمجانسة عالية القص، فإن الملاحظة المباشرة بأن زيادة عدد الدورات في الدقيقة (rpm) تزيد من درجة حرارة المخرج وترتبط بخسارة أعلى لحمض الأسكوربيك الحساس للأكسدة تدعم التدابير الهندسية التي تحد من التسخين الناجم عن القص (مثل سترات التبريد، وأوقات الخلط الأقصر، والإضافة على مراحل).[13]
بالنسبة للتجفيف بالرذاذ، فإن التأكيد على أن التعرض للأكسجين والحرارة يقلل من البوليفينولات وأن درجات الحرارة المرتفعة قد تكون ضارة للفينولات القابلة للتأثر بالحرارة يدعم خيارات مثل خفض درجة حرارة المخرج عندما يكون ذلك ممكنًا واستخدام التغليف لتقليل الحساسية للأكسدة والحرارة.[3]
مضادات الأكسدة وإدارة الأكسجين
تُدعم استراتيجيات مضادات الأكسدة وإدارة الأكسجين آليًا عبر مجموعات بيانات البوليفينول.[12, 22]
بالنسبة لمركب quercetin عند 90 °C، تقلل مضادات الأكسدة مثل السيستين (cysteine) من k، حيث ينتج 200 μmol·L−1 من السيستين انخفاضًا في k بنسبة ~43% مقارنة بالمجموعة الضابطة، ويأخذ التفسير الآلي في الاعتبار استقرار quercetin quinone وتأثيرات إخماد الجذور.[22]
بالنسبة لمركب trans-resveratrol، تم الإبلاغ صراحةً عن أن الأكسجين يعزز التفاعلات الجذرية المؤدية إلى التحلل، مما يدعم أجواء المعالجة الخاملة أو حواجز الأكسجين حيثما كان ذلك ممكنًا للمعالجة المائية القلوية/المتعادلة.[12]
في الأنظمة الليبوزومية، تم الإبلاغ عن أن resveratrol يحد من أكسدة الستيغماستيرول عن طريق معادلة الجذور الحرة والاندماج في الطبقات المزدوجة من الدهون مما يزيد الصلابة، ويقلل النفاذية للأكسجين والعوامل المؤكسدة، وبالتالي يعزز الاستقرار الحراري والتأكسدي للنظام.[35]
مناقشة
عبر قاعدة الأدلة المركبة هنا، فإن النمط الكمي الأقوى هو أن البيئة الكيميائية المجهرية (pH، الأكسجين، وجود الماء) يمكن أن تهيمن على نتائج الاستقرار حتى في درجات الحرارة المعتدلة، وأن العديد من المواد النشطة حيويًا تظهر انقطاعات حادة في الاستقرار عند عتبات تحول حرارية محددة.[4, 5, 12]
بالنسبة لسلائف NAD⁺، تسلط مجموعة بيانات NRCl الضوء على نظام مزدوج: في المحلول المائي، يمكن نمذجة التحلل المائي من الرتبة الأولى الكاذبة بطاقات تنشيط أرينيوس وزيادة المعدل بمقدار الضعف تقريبًا لكل 10 °C، بينما في الحالة الصلبة تتوافق منطقة ضيقة حول 120–130 °C مع الانصهار يليه فورًا تحلل سريع.[4]
بالنسبة لمركب resveratrol، يبرز خطر عملية مهيمن من الحساسية لـ pH: ينهار عمر النصف من فترات طويلة عند pH الحمضي إلى دقائق عند pH المرتفع، بينما يعزز الأكسجين التفاعلات الجذرية، مما يشير إلى أن عمليات القص العالي التي تزيد من نقل الأكسجين والقلوية المحلية يمكن أن تكون ضارة بشكل غير متناسب حتى لو ظلت درجة حرارة الكتلة معتدلة.[12]
بالنسبة للفلافونويدات، تجتمع الأكسدة عبر وسائط الكينون وآليات نزع البروتون المعتمدة على pH (quercetin) مع الأكسدة في درجات الحرارة العالية والازدواج الجذري المتسلسل (مثل الأكسجين بالإضافة إلى الكوليسترول)، مما يشير إلى أن التركيبات المحتوية على الدهون والتعرض للأكسجين يمكن أن يضخم مسارات الفقد التأكسدي بقوة.[22, 26]
بالنسبة للكركمين، هناك توتر آلي بين الروايات المدفوعة بالتحلل المائي (في بعض أعمال محاكاة الجهاز الهضمي) والروايات المدفوعة بالأكسدة الذاتية (في الأعمال المركزة على المذيلات)، ولكن كلاهما يتقارب حول تأثير pH القوي والدور الوقائي للبيئات المجهرية الكارهة للماء والحد من الأكسجين.[11, 32]
على مستوى عمليات الوحدات، يمكن لعمليات القص العالي أن تعمل بشكل أساسي كمحفزات غير مباشرة عن طريق توليد الحرارة وزيادة القابلية للأكسدة؛ تم إثبات ذلك مباشرة في المجانسة عالية القص حيث تزيد سرعة الدوران من درجة حرارة المخرج وتتزامن مع الفقد التأكسدي لحمض الأسكوربيك.[13]
تقدم HPH/UHPH تعقيدًا إضافيًا لأن منطقة الصمام تفرض قصًا شديدًا، وتكهفًا، واضطرابًا، وقد تولد درجات حرارة محلية عالية، على الرغم من أن أوقات المكوث يمكن أن تكون قصيرة جدًا (على سبيل المثال، <0.2 ثانية في توصيف UHPH)، مما يعني أن النتائج الكيميائية قد تعتمد على ما إذا كان التحلل محكومًا بعمليات جذرية سريعة، أو خطوات محدودة بالانتشار، أو خطوات تنشيط حراري أبطأ.[14, 34]
أخيرًا، تسلط عدة مصادر الضوء على وجوب التحقق من نمذجة الاستقرار آليًا في المصفوفة ذات الصلة: تظهر بيانات أقراص resveratrol سلوكًا غير أرينيوس وتأثيرات مصفوفة تحد من استقراء أرينيوس العام من الاختبارات المتسارعة، وتظهر مؤشرات المستخلصات النباتية المجففة بالرذاذ رتبًا حركية وأوقات تحلل تعتمد على السواغ.[7, 20]
الاستنتاجات
توفر مؤشرات التحول الديناميكي الحراري الكمية (DSC/TGA) وحركية التحلل (k, t_(1/2), (E_a)، طاقات التنشيط المعتمدة على التحويل) أساسًا ذا صلة بالعملية لتصميم ظروف التصنيع التي تحافظ على فعالية مركبات طول العمر القابلة للتأثر بالحرارة والمواد النشطة حيويًا ذات الصلة.[4, 8, 9]
بالنسبة لسلائف NAD⁺، يظهر NRCl نافذة معالجة حرارية ضيقة بالقرب من الانصهار يليه تحلل سريع، بينما تظهر الحركية المائية سلوك الرتبة الأولى الكاذبة المعتمد على pH مع طاقات تنشيط تتراوح بين 75–83 kJ·mol−1 والتي يمكن أن تمثل نماذج التعرض الحراري.[4]
بالنسبة لمركب resveratrol، يعد pH والأكسجين المتغيرات المهيمنة، حيث ينهار عمر النصف من مئات الأيام عند pH الحمضي إلى دقائق عند pH المرتفع، ويمكن لمصفوفات التركيبة أن تنتج سلوكًا غير أرينيوس يعقد استقراء الاختبار المتسارع.[7, 12]
بالنسبة للفلافونويدات والكركمينويدات، تحفز مسارات الأكسدة (وسائط الكينون لمركب quercetin؛ الأكسدة الذاتية للكركمين) استراتيجيات التحكم في الأكسجين والتغليف الكاره للماء، والتي ثبت كميًا أنها تمدد عمر النصف بمقادير كبيرة في الأنظمة المذيلية وبشكل جوهري في مستحلبات Pickering المنتجة تحت خلط عالي القص.[1, 10, 22, 32]
بالنسبة لعمليات الوحدات عالية القص، تظهر الأدلة المتاحة أن القص يمكن أن يرفع درجة الحرارة ويعزز الأكسدة (الخلط عالي القص) وأن العمليات عالية الضغط القائمة على الصمامات تولد قصًا وتكهفًا شديدين مع اعتبار مستوى الضغط، وعدد الممرات، ودرجة حرارة المدخل كمتغيرات إجهاد رئيسية؛ تدعم هذه الرؤى تنفيذ تخطيط الوقت-درجة الحرارة-القص و PAT باستخدام تحليلات تشير إلى الاستقرار.[12–14]
تضارب المصالح
يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب في المصالح.[20]
