Περίληψη
Οι θερμοευαίσθητες ενώσεις που σχετίζονται με τη μακροζωία και τα πολυφαινολικά βιοενεργά συστατικά υφίστανται συχνά συνδυασμένες θερμικές, οξειδωτικές, μηχανικές καταπονήσεις και καταπονήσεις pH κατά τη διάρκεια της παραγωγής (π.χ. ανάμιξη υψηλής διάτμησης, ομογενοποίηση υψηλής πίεσης και ξήρανση με ψεκασμό), οι οποίες μπορούν να επιταχύνουν τη χημική αποικοδόμηση και να μειώσουν την παρεχόμενη δραστικότητα. Απαιτούνται επομένως ποσοτικές, σχετικές με τη διεργασία παράμετροι σταθερότητας για τον καθορισμό παραγωγικά εφικτών πεδίων σχεδιασμού και την καθοδήγηση προστατευτικών στρατηγικών μορφοποίησης.[1–3]
Οι μέθοδοι στην παρούσα σύνθεση επικεντρώνονται σε ποσοτικά στοιχεία που εξήχθησαν από μελέτες που αναφέρουν (i) θερμοδυναμικές/θερμικές μεταπτώσεις μέσω DSC/TGA (τήξη, έναρξη αποσύνθεσης, υαλώδεις μεταπτώσεις και συμπεριφορά σταδιακής απώλειας μάζας) και (ii) κινητική αποικοδόμησης (μοντέλα ψευδο-πρώτης τάξης/πρώτης τάξης, ενέργειες ενεργοποίησης Arrhenius, εξαρτήσεις από το pH και μετρήσεις χρόνου προς αποικοδομημένο κλάσμα) για πρόδρομες ενώσεις NAD+ (NR/NRH/NMN), στιλβενοειδή (συστήματα σχετιζόμενα με τη ρεσβερατρόλη), φλαβονοειδή (quercetin, fisetin, rutin/εστέρες) και κουρκουμινοειδή.[4–11]
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αρκετές αντιπροσωπευτικές ενώσεις μακροζωίας έχουν στενά παράθυρα θερμικής επεξεργασίας σε συγκεκριμένες φυσικές καταστάσεις. Το Nicotinamide riboside chloride (NRCl) παρουσιάζει έναρξη τήξης στους 120.7 ± 0.3 °C με ταχεία αποσύνθεση μετά την τήξη (π.χ. 98% αποικοδόμηση στους 130 °C μέσω qNMR), ενώ η υδατική αποικοδόμηση ακολουθεί κινητική ψευδο-πρώτης τάξης με ενέργειες ενεργοποίησης 75.4–82.8 kJ·mol−1 ανάλογα με το pH.[4]
Για την trans-resveratrol, η κινητική αποικοδόμησης εξαρτάται ισχυρά από το pH και τη θερμοκρασία (π.χ. ο χρόνος ημιζωής μειώνεται από 329 ημέρες σε pH 1.2 σε 3.3 λεπτά σε pH 10), και η παρέκταση δοκιμών επιταχυνόμενης γήρανσης μπορεί να είναι μη-Arrhenius σε μήτρες δισκίων.[7, 12]
Οι βασικές διεργασίες υψηλής διάτμησης μπορούν να προκαλέσουν τοπική θέρμανση και οξειδωτικά περιβάλλοντα, όπως καταδεικνύεται από την ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης που αυξάνει τη θερμοκρασία εξόδου με την ταχύτητα περιστροφής και συμπίπτει με απώλεια 42.6% ascorbic-acid στις 20,000 rpm, και από τους μηχανισμούς ομογενοποίησης υψηλής πίεσης που περιλαμβάνουν διάτμηση βαλβίδας, σπηλαίωση και τυρβώδη ροή σε >100 MPa.[13, 14]
Τα συμπεράσματα δίνουν έμφαση στην ενσωμάτωση δεδομένων θερμοδυναμικής μετάπτωσης (DSC/TGA/Tg) με κινητικά μοντέλα (Arrhenius, μη-Arrhenius και ισομετατρεπτικές μέθοδοι) για τη δημιουργία χαρτών χρόνου–θερμοκρασίας–διάτμησης και την ορθολογική επιλογή στρατηγικών μετριασμού, συμπεριλαμβανομένης της ενθυλάκωσης, των άμορφων στερεών διασπορών, των συστημάτων κυκλοδεξτρίνης/νανοσπόγγων, του ελέγχου οξυγόνου και της ελαχιστοποίησης διάτμησης/θερμοκρασίας.[15–18]
Λέξεις-κλειδιά: θερμοευαίσθητα βιοενεργά συστατικά, κινητική αποικοδόμησης, Arrhenius, DSC, TGA, ομογενοποίηση υψηλής πίεσης, ξήρανση με ψεκασμό, πρόδρομες ενώσεις NAD+
1. Εισαγωγή
Οι ενώσεις που σχετίζονται με τη μακροζωία μορφοποιούνται ολοένα και περισσότερο ως διατροφοδραστικά, λειτουργικά τρόφιμα και προηγμένα συστήματα χορήγησης, παρακινώντας διαδρομές παραγωγής που εκθέτουν τις δραστικές ουσίες σε συνδυασμένους στρεσογόνους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της θέρμανσης, της επαφής με το οξυγόνο, της ενεργότητας νερού, των διακυμάνσεων του pH και της έντονης εισροής μηχανικής ενέργειας.[3, 5, 14, 19]
Για τις χημικές δομές των προδρόμων NAD+, η σταθερότητα σε υδατική και στερεά κατάσταση είναι κεντρικής σημασίας, επειδή η αντιδραστικότητα μπορεί να προκύψει μέσω υδρόλυσης γλυκοζιτικών ή φωσφορικά συνδεδεμένων μοτίβων και επειδή οι θερμοκρασίες επεξεργασίας μπορούν να υπερβούν τα όρια μετάπτωσης της στερεάς κατάστασης που προηγούνται της ταχείας αποσύνθεσης.[4, 6]
Για τις πολυφαινόλες και τα συναφή βοτανικά βιοενεργά συστατικά, οι περιορισμοί σταθερότητας περιλαμβάνουν την αυτοξείδωση, την επιμερίωση και την ενζυματική οξείδωση σε κινόνες, οι οποίες είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία, το pH, τα μεταλλικά ιόντα και τη διαθεσιμότητα οξυγόνου κατά την επεξεργασία.[17]
Μια πρακτική συνέπεια είναι ότι ο σχεδιασμός της παραγωγής δεν μπορεί να βασίζεται αποκλειστικά στην ονομαστική θερμοκρασία μάζας· αντίθετα, πρέπει να ενσωματώνει (i) θερμοδυναμικούς δείκτες όπως η υαλώδης μετάπτωση, η τήξη και η έναρξη αποσύνθεσης και (ii) κινητικά μοντέλα που αποτυπώνουν την εξάρτηση της αποικοδόμησης από τον χρόνο, τη θερμοκρασία, το pH, το οξυγόνο και (όπου είναι μετρήσιμο) την εισροή μηχανικής ενέργειας.[4, 9, 10, 14, 15]
Αυτό το άρθρο συνθέτει ποσοτικά στοιχεία για αντιπροσωπευτικές ενώσεις μακροζωίας και συναφή βιοενεργά συστατικά για τα οποία οι συμπεριλαμβανόμενες πηγές παρέχουν σαφείς θερμοδυναμικές μεταπτώσεις ή/και κινητικές παραμέτρους, και συνδέει αυτά τα δεδομένα με τα προφίλ καταπόνησης των βασικών διεργασιών υψηλής διάτμησης, συμπεριλαμβανομένης της ανάμιξης υψηλής διάτμησης, της ομογενοποίησης υψηλής πίεσης/μικρορευστοποίησης, της μηχανοχημικής άλεσης και της ξήρανσης με ψεκασμό.[1, 14, 15, 20]
2. Θερμοδυναμικό πλαίσιο
Η θερμοδυναμική σταθερότητα σε περιβάλλοντα παραγωγής αξιολογείται επιχειρησιακά χρησιμοποιώντας μετρήσιμα θερμικά συμβάντα (DSC/TGA) και περιγραφείς κατάστασης (π.χ. άμορφη έναντι κρυσταλλικής, θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης) που υποδεικνύουν πότε μια ένωση ή ένα σκεύασμα μεταπίπτει σε καταστάσεις με υψηλότερη μοριακή κινητικότητα και επομένως υψηλότερους ρυθμούς αντίδρασης ή διαφορετικούς μηχανισμούς.[4, 9, 15]
2.1 Ελεύθερη ενέργεια Gibbs και σταθερότητα φάσης
Αρκετές από τις συμπεριλαμβανόμενες πηγές υπολογίζουν ρητά τις μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας Gibbs για τις διαδικασίες αποικοδόμησης ή θερμικής καταστροφής, παρέχοντας ένα θερμοδυναμικό μέτρο εφικτότητας υπό συγκεκριμένες συνθήκες.[8, 19]
Για το NR borate, ο αυθορμητισμός της αποικοδόμησης αξιολογήθηκε μέσω υπολογισμού της ελεύθερης ενέργειας Gibbs, με το (ΔG) να αναφέρεται ως 2.43 kcal·mol−1.[19]
Για τη rutin και τους εστέρες λιπαρών οξέων της rutin υπό πυρολυτικές συνθήκες, οι τιμές (ΔG) ήταν θετικές (84–245 kJ·mol−1) παράλληλα με θετικές τιμές (ΔH) (60–242 kJ·mol−1), υποδεικνύοντας ένα ενδόθερμο και μη αυθόρμητο πυρολυτικό προφίλ στην αναφερόμενη ανάλυση.[8]
Όσον αφορά τον κινητικό φορμαλισμό, αρκετές πηγές εφαρμόζουν επίσης σχέσεις μεταβατικής κατάστασης και ελεύθερης ενέργειας, όπως η χρήση για την ερμηνεία της ενεργοποίησης της υδρόλυσης σε ένα σύστημα συμπλόκου σπειροβοριούχου κουρκουμίνης.[21]
2.2 Υαλώδης μετάπτωση, τήξη και έναρξη αποσύνθεσης
Οι DSC και TGA παρέχουν συμπληρωματικούς δείκτες κινδύνου διεργασίας: τα συμβάντα τήξης ή μαλάκυνσης μπορούν να αυξήσουν απότομα τη διάχυση και να επιτρέψουν ταχεία χημική μετατροπή, ενώ η έναρξη απώλειας μάζας στην TGA μπορεί να υποδηλώνει την έναρξη μη αναστρέψιμης αποσύνθεσης ακόμη και στην προφανή στερεά κατάσταση.[4, 9, 15]
Για το NRCl, η DSC δείχνει έναρξη τήξης στους 120.7 ± 0.3 °C και κορυφή τήξης στους 125.2 ± 0.2 °C, ακολουθούμενη από ένα άμεσο απότομο εξώθερμο συμβάν με κορυφή στους 130.8 ± 0.3 °C.[4]
Σε συμφωνία με την αλληλουχία συμβάντων της DSC, ο ποσοτικός προσδιορισμός μέσω qNMR δείχνει περιορισμένη αποικοδόμηση στους 115 °C (2%) αλλά ταχεία απώλεια εντός και πάνω από την περιοχή τήξης (7% στους 120 °C, 55% στους 125 °C, 98% στους 130 °C, μόνο 0.45% NR εναπομένον στους 140 °C).[4]
Για το NMN, μια πηγή αναφέρει ότι η ένωση αποσυντίθεται αντί να παρουσιάζει σαφή μετάπτωση τήξης, με την αποσύνθεση να ξεκινά στους 160 °C και να ολοκληρώνεται στους 165 °C, και μια ενδόθερμη κορυφή DSC στους 162 °C με ενθαλπία αποσύνθεσης 184 kJ·mol−1.[6]
Για την quercetin, η συνδυασμένη ερμηνεία DSC/TGA δείχνει ότι μια έντονη ενδόθερμη κορυφή DSC (μέγιστο στους 303 °C) αποδίδεται συχνά εσφαλμένα στην τήξη, ενώ η TGA δείχνει ότι η αποσύνθεση ξεκινά στους 230 °C και η ενδόθερμη κορυφή συμπίπτει με συνεχή απώλεια μάζας· η αναφερόμενη "θερμότητα τήξης" για την κορυφή των 303 °C είναι 69–75 kJ·mol−1.[9]
Για τη fisetin, η TGA δείχνει μια μικρή απώλεια μάζας (~5%) που αποδίδεται στην εξάτμιση νερού από το κρυσταλλικό δείγμα και ένα σημαντικό συμβάν απώλειας μάζας (~30.6%) στους 369.6 °C που αποδίδεται στην αποσύνθεση του μορίου.[15]
Για την curcumin υπό αδρανές άζωτο, μία μελέτη αναφέρει ότι η ακατέργαστη κουρκουμίνη παρουσιάζει μια πολύπλοκη διαδικασία αποσύνθεσης που ξεκινά γύρω στους 240 °C (5% απώλεια μάζας) με μια κορυφή DTGA στους 347 °C και 37% εναπομένον υπόλειμμα στους 600 °C (σε ρυθμό 10 °C·min−1).[18]
2.3 Σταθερότητα άμορφης και κρυσταλλικής κατάστασης
Τα άμορφα σκευάσματα μπορούν να βελτιώσουν τη διαλυτότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα, αλλά μπορούν να μεταβάλουν τη θερμική συμπεριφορά και τη σταθερότητα αυξάνοντας τη μοριακή κινητικότητα σε σχέση με τις κρυσταλλικές μορφές, καθιστώντας τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) μια κρίσιμη παράμετρο σταθερότητας.[15, 16]
Οι μηχανοχημικά παρασκευασμένες άμορφες στερεές διασπορές (ASDs) fisetin δείχνουν μετρήσιμες τιμές Tg σε δεύτερες θερμικές σαρώσεις και επιδεικνύουν μετατοπίσεις στη Tg ανάλογα με τη σύνθεση, σύμφωνες με την αναμιξιμότητα: τα ακατέργαστα Eudragit® L100/EPO δείχνουν Tg 147.1/55.4 °C, ενώ οι ASDs fisetin δείχνουν τιμές Tg όπως 144.2/71.8 °C και 145.9/76.7 °C ανάλογα με το πολυμερές και το φορτίο φαρμάκου.[15]
Για τη resveratrol και τους νανοσπόγγους oxyresveratrol, η DSC δείχνει ότι η ενδόθερμη κορυφή τήξης της ρεσβερατρόλης (266.49 °C) εξαφανίζεται στα σκευάσματα νανοσπόγγων, γεγονός που οι συγγραφείς αποδίδουν στην ενθυλάκωση και την πιθανή αμορφοποίηση των μορίων του φαρμάκου εντός της μήτρας των νανοσπόγγων.[16]
Για την quercetin, προτείνεται ότι ο δεσμός υδρογόνου περιορίζει το μαλάκυνση τύπου τήξης και διευκολύνει την αποσύνθεση μέσω εξασθένησης των δεσμών, και η συνδυασμένη ερμηνεία DSC/TGA καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η quercetin δεν τήκεται απλώς, αλλά υφίσταται επικαλυπτόμενη αποσύνθεση και δομική χαλάρωση/μαλάκυνση στην περιοχή 150–350 °C.[9]
3. Μοντέλα και παράμετροι κινητικής αποικοδόμησης
Οι συμπεριλαμβανόμενες πηγές χρησιμοποιούν μια σειρά κινητικών μοντέλων (πρώτης τάξης, ψευδο-πρώτης τάξης, ανώτερης τάξης ή σιγμοειδείς μορφές) και προσεγγίσεις εξάρτησης από τη θερμοκρασία (συμπεριφορά Arrhenius και, σε ορισμένες περιπτώσεις, μη-Arrhenius), συχνά υποκινούμενες από την εξάρτηση από το pH και την πολύπλοκη αποικοδόμηση μέσω πολλαπλών οδών.[4, 7, 22]
3.1 Μοντέλα τάξης αντίδρασης
Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη βάση για την αποικοδόμηση σε υδατική φάση είναι το ολοκληρωμένο μοντέλο πρώτης τάξης που εμφανίζεται σε πολλαπλές συμπεριλαμβανόμενες μελέτες ως η κύρια προσαρμογή στα δεδομένα συγκέντρωσης-χρόνου υπό ελεγχόμενο pH και θερμοκρασία.[4, 11, 12]
Για το NRCl σε ρυθμισμένα υδατικά διαλύματα, η αποικοδόμηση περιγράφεται ως ψευδο-πρώτης τάξης, και αυτή η μορφή δικαιολογείται από τα ρυθμιστικά συστήματα που διατηρούν τις συγκεντρώσεις OH−/H3O+ σε μεγάλη περίσσεια και περίπου σταθερές σε σχέση με τη συγκέντρωση NR.[4, 23]
Για τη fisetin και την quercetin σε φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα, τα αναφερόμενα αποτελέσματα παρουσιάζονται ως σταθερές ρυθμού αποικοδόμησης πρώτης τάξης k (h−1) που αυξάνονται ισχυρά με το pH και τη θερμοκρασία.[24]
Για την quercetin στους 90 °C κοντά σε ουδέτερο pH (6.5–7.5), εφαρμόστηκε ένα σιγμοειδές μοντέλο και συγκρίθηκε με ένα μοντέλο πρώτης τάξης, με το σιγμοειδές μοντέλο να δίνει τιμές k 2.3–2.5 φορές υψηλότερες από τις προσαρμογές πρώτης τάξης και μια διαφορετική ερμηνεία του χρόνου ημιζωής σε pH 7.5.[22]
Για δείκτες φυτικών εκχυλισμάτων που έχουν υποστεί ξήρανση με ψεκασμό, αναφέρθηκαν διαφορετικές φαινομενικές τάξεις αντίδρασης ανάλογα με τα συστήματα εκδόχων, συμπεριλαμβανομένων μοντέλων μηδενικής και δεύτερης τάξης για την kaempferol (σε δυαδικά συστήματα εκδόχων) και ενός μοντέλου δεύτερης τάξης για την quercetin σε διάφορα έκδοχα.[20]
3.2 Προσεγγίσεις Arrhenius και Eyring
Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία μοντελοποιείται συχνά με εκφράσεις τύπου Arrhenius, και πολλαπλές πηγές υπολογίζουν ρητά τις ενέργειες ενεργοποίησης για την παραμετροποίηση των προβλέψεων του χρόνου ζωής και της θερμικής έκθεσης της διεργασίας.[4, 10, 12]
Για την αποικοδόμηση του NRCl σε υδατικό διάλυμα, οι ενέργειες ενεργοποίησης Arrhenius αναφέρονται ως 75.4 (±2.9) kJ·mol−1 σε pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol−1 σε pH 5.0 και 82.8 (±4.4) kJ·mol−1 σε pH 7.4.[4]
Για την trans-resveratrol σε pH 7.4, η ανάλυση Arrhenius αναφέρεται ως log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) με υπολογισμένη ενέργεια ενεργοποίησης 84.7 kJ·mol−1.[12]
Για την curcumin σε μείγμα ρυθμιστικού διαλύματος/μεθανόλης σε pH 8.0, η ανάλυση Arrhenius μεταξύ 37–60 °C δίνει (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1.[10]
Για την curcumin σε υδατικά μέσα σχετιζόμενα με το γαστρεντερικό σύστημα, τα διαγράμματα Arrhenius δείχνουν υψηλή γραμμικότητα στους 37–80 °C (τιμές r2 αναφέρονται ως 0.9967, 0.9994, 0.9886 για διαφορετικά μέσα), με ενέργειες ενεργοποίησης που αναφέρονται ως 16.46, 12.32 και 9.75 kcal·mol−1 για pH 7.4, pH 6.8 και 0.1 N HCl, αντίστοιχα.[11]
Η ανάλυση Eyring εμφανίζεται επίσης στη μελέτη υδρολυτικής αποσύνθεσης ενός εστέρα σπειροβοριούχου κουρκουμίνης (CBS), όπου αναφέρεται ότι ένα διάγραμμα Eyring δείχνει γραμμική σχέση με συσχέτιση 0.9988.[21]
3.3 Ισομετατρεπτικές μέθοδοι και μέθοδοι ελεύθερες μοντέλου
Αρκετές μελέτες θερμικής αποικοδόμησης εφαρμόζουν ισομετατρεπτικές μεθόδους (π.χ. KAS, FWO, Friedman) για τον υπολογισμό των ενεργειών ενεργοποίησης που εξαρτώνται από τη μετατροπή και, ως εκ τούτου, τον εντοπισμό αποσύνθεσης πολλαπλών σταδίων και αλλαγών μηχανισμού.[8, 18, 25]
Για τη rutin και τους εστέρες λιπαρών οξέων της rutin, οι ενέργειες ενεργοποίησης ποικίλλουν σημαντικά με τον βαθμό μετατροπής σε όλο το εύρος 0.05 < (α) < 0.90, με αναφερόμενα εύρη από 65 έως 246 kJ·mol−1· οι συγγραφείς το ερμηνεύουν αυτό ως ένδειξη ότι η θερμική αποικοδόμηση προχωρά μέσω μιας μη απλής διαδικασίας με πολλαπλά στάδια.[8]
Για τα εγκλείσματα resveratrol–β-cyclodextrin, η ενέργεια ενεργοποίησης αυξάνεται με τον βαθμό μετατροπής, με αναφερόμενες αυξήσεις από 110 έως 130 kJ·mol−1 (μέθοδος OFW) και από 120 έως 170 kJ·mol−1 (μέθοδος Friedman), γεγονός που ερμηνεύεται ως ένδειξη αλλαγής στον μηχανισμό αντίδρασης καθώς προχωρά η αποσύνθεση.[25]
Για συστήματα πολυμερών φορτωμένων με curcumin υπό άζωτο, οι ενέργειες ενεργοποίησης που προκύπτουν από πολλαπλές προσεγγίσεις (Kissinger, KAS, Friedman και προσαρμογή μοντέλου) δείχνουν ευρέως συνεπή μεγέθη (π.χ. 71 ± 5 kJ·mol−1 κατά Kissinger, 77 ± 2 κατά KAS, 84 ± 3 κατά Friedman), και η επιλογή μοντέλου υποδεικνύει ένα κινητικό μοντέλο F1 με ενέργειες στην περιοχή 73–91 kJ·mol−1.[18]
3.4 Συνδυασμένη θερμο-μηχανική και οξειδωτική αποικοδόμηση
Οι εργασίες παραγωγής υψηλής διάτμησης μπορούν να συνδυάσουν τη διασπορά μηχανικής ενέργειας με την τοπική θέρμανση και την ενισχυμένη μεταφορά οξυγόνου, ενισχύοντας έτσι τις οδούς που καθοδηγούνται από την οξείδωση σε βιοενεργά συστατικά ευαίσθητα στο οξυγόνο.[13, 14, 17]
Στην ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης ενός συστήματος αναψυκτικού, η θερμοκρασία εξόδου αυξάνεται σημαντικά με την ταχύτητα περιστροφής (π.χ. από 4.1 ± 0.7 °C στις 0 rpm σε 41 ± 1.2 °C στις 20,000 rpm), και στην υψηλότερη ταχύτητα το ασκορβικό οξύ μειώνεται κατά 42.6%, σε συμφωνία με την αποικοδόμηση που προωθείται από την υψηλή θερμοκρασία και την οξείδωση.[13]
Στην ομογενοποίηση υψηλής πίεσης (HPH), ο μηχανισμός επεξεργασίας αποδίδεται ρητά στην κατανομή της τάσης διάτμησης στο στόμιο της βαλβίδας, όπου διαταράσσεται η κίνηση του ρευστού, και σε πρόσθετα φαινόμενα όπως η σπηλαίωση, η τυρβώδης ροή, η σύγκρουση και η πρόσκρουση, τα οποία μαζί δημιουργούν έντονη μηχανική και δυνητικά οξειδωτική καταπόνηση.[14]
Η οξειδωτική σύζευξη καταδεικνύεται επίσης σε πειράματα θερμικής οξείδωσης για την quercetin: στους 150 °C, η αποικοδόμηση της quercetin προχωρά ταχύτερα υπό οξυγόνο παρά υπό άζωτο (σταθερές ρυθμού 0.868 h−1 έναντι 0.253 h−1) και επιταχύνεται έντονα όταν είναι παρόντα η χοληστερόλη και το οξυγόνο (σταθερά ρυθμού 7.17 h−1), σε συμφωνία με τη σύζευξη ριζικής αλυσίδας μεταξύ του σχηματισμού υδροϋπεροξειδίου της χοληστερόλης και της αποικοδόμησης της quercetin.[26]
Για το NRH, το οξυγόνο και η θερμοκρασία ασκούν ισχυρό έλεγχο: στους 25 °C σε απιονισμένο νερό, ο αναφερόμενος ρυθμός αποικοδόμησης είναι 1.27×10−7 s−1 υπό αέρα (χρόνος ημιζωής 63 ημέρες) σε σύγκριση με 5.90×10−8 s−1 υπό N2 (χρόνος ημιζωής 136 ημέρες), και οι συγγραφείς δηλώνουν ότι το NRH μπορεί να οξειδωθεί παρουσία οξυγόνου και υδρολύεται γρήγορα σε όξινες συνθήκες.[5]
4. Ανασκόπηση κατηγοριών ενώσεων
Η επικεντρωμένη στις ενώσεις σύνθεση παρακάτω δίνει έμφαση στις ποσοτικοποιημένες κινητικές και θερμοδυναμικές παραμέτρους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σε μοντέλα παραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των ενεργειών ενεργοποίησης, των σταθερών ρυθμού, των χρόνων ημιζωής, της έναρξης αποσύνθεσης και των περιορισμών που σχετίζονται με την υαλώδη μετάπτωση ή την τήξη.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Πρόδρομες ενώσεις NAD+
Η σταθερότητα των προδρόμων ενώσεων NAD+ εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ευαισθησία στην υδρόλυση και από τη χαμηλή ανοχή σε ορισμένες θερμικές μεταπτώσεις (ιδιαίτερα για το NRCl στην περιοχή τήξης) και στην οξείδωση που καθοδηγείται από το οξυγόνο (ιδιαίτερα για ανηγμένες μορφές όπως το NRH).[4, 5]
Το NRCl παρουσιάζει κινητική αποικοδόμησης ψευδο-πρώτης τάξης σε υδατικά διαλύματα και εμφανίζει ενέργειες ενεργοποίησης που ποικίλλουν ανάλογα με το pH (75.4–82.8 kJ·mol−1), γεγονός που κωδικοποιεί ποσοτικά τόσο τη θερμική ευαισθησία όσο και την εξάρτηση από το pH της κυρίαρχης οδού υδρόλυσης.[4]
Ως μηχανιστική βάση προτείνεται η καταλυόμενη από βάση υδρόλυση στην οποία το NR μειώνεται ενώ το νικοτιναμίδιο (Nam) και το σάκχαρο συσσωρεύονται, και παρουσιάζονται στοιχεία ισοζυγίου μάζας που υποδεικνύουν ότι για κάθε μόριο NR που αποικοδομείται, σχηματίζεται ένα μόριο Nam και ένα σάκχαρο.[4]
Σε προσομοιωμένα γαστρεντερικά υγρά σε φυσιολογική θερμοκρασία και ανάδευση (USP II πτερύγιο στις 75 rpm και 37 °C), το NRCl παρουσιάζει σχετικά περιορισμένη βραχυπρόθεσμη απώλεια (π.χ. ~97–99% εναπομένον μετά από 2 h σε γαστρικό μέσο), αλλά μια μετρήσιμη μακροπρόθεσμη μείωση σε μια προσομοίωση 24 h (79.18 ± 2.68% εναπομένον στις 24 h, με 90.51 ± 0.82% εναπομένον στις 8 h).[4]
Στη στερεά κατάσταση, το NRCl παρουσιάζει ένα στενό θερμοκρασιακό παράθυρο μεταξύ της έναρξης τήξης και της ταχείας αποσύνθεσης: η DSC αναφέρει έναρξη τήξης στους 120.7 ± 0.3 °C και ένα επακόλουθο εξώθερμο συμβάν στους ~130.8 °C, ενώ η qNMR ποσοτικοποιεί μια απότομη αύξηση της αποικοδόμησης από 2% στους 115 °C σε 98% στους 130 °C.[4]
Μία πηγή πλαισιώνει ρητά αυτά τα δεδομένα ως παροχή ενός "σαφούς ανώτατου ορίου θερμοκρασίας για την επεξεργασία του NRCl" που μπορεί να επηρεάσει την παραγωγή συμπληρωμάτων σε όλα τα στάδια, υπογραμμίζοντας τη σημασία των ορίων DSC/qNMR ως απόλυτων περιορισμών σε θερμαινόμενες διεργασίες.[4]
Το NR borate εισάγει μια στρατηγική σταθεροποίησης που υποκινείται από την αντιδραστικότητα του NR: το NR περιγράφεται ως έχοντα έναν ιδιαίτερα ασταθή γλυκοζιτικό δεσμό που ενώνει έναν θετικά φορτισμένο ετερόκυκλο πυριδινίου με έναν υδατάνθρακα, καθιστώντας το δύσκολο στη σύνθεση, την αποθήκευση και τη μεταφορά, και η σταθεροποίηση με βορικά περιγράφεται ως έχουσα υψηλή σταθερότητα έναντι θερμικής και χημικής αποικοδόμησης.[19]
Ποσοτικά, η διαλυτότητα του NR borate εξαρτάται ισχυρά από το pH (π.χ. 1972.7 ± 15.4 mg·mL−1 σε pH 1.5, 926.0 ± 34.4 mg·mL−1 σε pH 7.4), και το μοντέλο Arrhenius αναφέρεται ότι δείχνει υψηλότερους ρυθμούς αποικοδόμησης σε pH 7.4 από ό,τι σε pH 1.5 ή 5.0, σε συμφωνία με την επίδραση της συγκέντρωσης HO−.[19]
Η ίδια ανασκόπηση αναφέρει μια ελεύθερη ενέργεια Gibbs για την αποικοδόμηση του NR borate ίση με 2.43 kcal·mol−1 και σημειώνει ότι μια αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 °C περίπου διπλασιάζει τον ρυθμό αποικοδόμησης υπό οποιαδήποτε συνθήκη pH, απηχώντας τη θερμική ευαισθησία που παρατηρήθηκε για το NRCl.[4, 19]
Το NRH παρουσιάζει έντονη ευαισθησία στο pH και το οξυγόνο: αναφέρεται πλήρης αποικοδόμηση σε λιγότερο από μία ημέρα σε pH 5, ενώ σε pH 9 τα δείγματα δείχνουν ~42–45% αποικοδόμηση μετά από 60 ημέρες, και στους 25 °C σε απιονισμένο νερό υπό αέρα αναφέρεται ~50% αποικοδόμηση μετά από 60 ημέρες έναντι ~27% υπό N2.[5]
Αυτή η ευαισθησία στο οξυγόνο αποδίδεται μηχανιστικά στην οξείδωση παρουσία οξυγόνου και στην υδρόλυση που επιταχύνεται σε όξινες συνθήκες, σε συμφωνία με το γεγονός ότι το NRH περιγράφεται ως ένα ασταθές μόριο λόγω του N-γλυκοζιτικού δεσμού του και ικανό για αποικοδόμηση, υδρόλυση και οξείδωση.[5]
Για το NMN, οι ποσοτικοί θερμοδυναμικοί δείκτες στερεάς κατάστασης περιλαμβάνουν την αναφερόμενη αποσύνθεση που ξεκινά στους 160 °C και ολοκληρώνεται στους 165 °C (με ενδόθερμη κορυφή DSC στους 162 °C και ενθαλπία αποσύνθεσης 184 kJ·mol−1), και δεδομένα επιταχυνόμενης σταθερότητας που αναφέρουν ρυθμό αποσύνθεσης 0.8% ανά μήνα στους 40 °C και 75% RH.[6]
Σε υδατικό διάλυμα, η αποικοδόμηση του NMN αναφέρεται ως φαινομενική πρώτης τάξης σε θερμοκρασία δωματίου με κινητική εξίσωση lg(Ct)=0.0057t+4.8172 και αναφερόμενους χρόνους t0.9=95.58 h και t1/2=860.26 h, και η μελέτη δηλώνει ότι ο ρυθμός αποικοδόμησης επηρεάζεται κυρίως από την υψηλή θερμοκρασία και το pH.[27]
Για την υποστήριξη πρακτικών περιορισμών μορφοποίησης, μια πηγή που επικεντρώνεται στο προϊόν συνιστά την ενσωμάτωση κάτω από τους 45 °C για την πρόληψη της θερμικής αποικοδόμησης του φωσφοδιεστερικού δεσμού και αναφέρει λιγότερο από 5% αποικοδόμηση σε δοκιμές επιταχυνόμενης γήρανσης στους 40 °C/75% RH για 3 μήνες για σωστά μορφοποιημένα συστήματα χαμηλής περιεκτικότητας σε νερό.[28]
Η κύρια οδός αποικοδόμησης του NMN περιγράφεται ως υδρόλυση του φωσφοδιεστερικού δεσμού που αποδίδει νικοτιναμίδιο και ριβόζη-5-φωσφορική, με τις εξαρτήσεις από το pH να περιγράφονται ως καταλυόμενη από οξύ υδρόλυση κάτω από pH 4.5 και διάσπαση μέσω βάσης πάνω από pH 7.5.[28]
4.2 Στιλβενοειδή
Τα στιλβενοειδή περιλαμβάνουν τη ρεσβερατρόλη και συναφείς ενώσεις που παρουσιάζουν ισχυρή εξαρτώμενη από το pH και το οξυγόνο αποικοδόμηση, και η σταθερότητά τους σε πραγματικά σκευάσματα μπορεί να αποκλίνει από την απλή παρέκταση Arrhenius λόγω των επιδράσεων της μήτρας και των πολλαπλών οδών.[7, 12, 29]
Σε υδατικά συστήματα, αναφέρεται ότι η trans-resveratrol είναι σταθερή σε όξινο pH, ενώ η αποικοδόμηση αυξάνεται εκθετικά πάνω από το pH 6.8, και ο χρόνος ημιζωής μειώνεται από 329 ημέρες σε pH 1.2 σε 3.3 λεπτά σε pH 10.[12]
Σε pH 7.4, η κινητική της αποικοδόμησης της trans-resveratrol ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης στις θερμοκρασίες που ερευνήθηκαν, και η ενέργεια ενεργοποίησης αναφέρεται ως 84.7 kJ·mol−1.[12]
Δίνεται μια μηχανιστική αιτιολόγηση ότι σε όξινο pH οι υδροξυλομάδες προστατεύονται από τη ριζική οξείδωση από τα θετικά φορτισμένα H₃O⁺, ενώ σε αλκαλικές συνθήκες τα ιόντα φαινολικού αυξάνουν την ευαισθησία στην οξείδωση και τον σχηματισμό φαινοξυ-ριζών, και το οξυγόνο στο μέσο προωθεί τις ριζικές αντιδράσεις που οδηγούν σε αποικοδόμηση.[12]
Ανεξάρτητα πειράματα θερμικής σταθερότητας σε υδατικό διάλυμα (19 mg·L−1) αναφέρουν ότι δεν υπάρχουν σημαντικές φασματικές αλλαγές μετά από 30 λεπτά έως τους 70 °C, ενώ οι πιο αυξημένες θερμοκρασίες οδηγούν σε γενική μείωση της απορρόφησης στα 304 nm και μειωμένη απορρόφηση σε όλο το εύρος 270–350 nm, υποδεικνύοντας θερμικά επαγόμενη καταστροφή υπό υδροθερμικές συνθήκες.[30]
Η μηχανιστική ερμηνεία αυτών των υδροθερμικών πειραμάτων προτείνει οξειδωτική διάσπαση του διπλού δεσμού και σχηματισμό προϊόντων αποικοδόμησης που περιέχουν φαινόλη, όπως υδροξυ-αλδεΰδες, αλκοόλες και υδροξυ-οξέα, και οι ζώνες FTIR ερμηνεύονται ως σύμφωνες με τον σχηματισμό αλδεΰδης και καρβοξυλικού οξέος στους 100–120 °C.[30]
Σε μήτρες δισκίων, η αποικοδόμηση της ρεσβερατρόλης αναφέρεται ότι ακολουθεί μονοεκθετική κινητική πρώτης τάξης με τιμές k 0.07140, 0.1937 και 0.231 μήνες−1 στους 25, 30 και 40 °C, αντίστοιχα, αλλά η σχέση ln(k) έναντι 1/T είναι μη γραμμική και ταξινομείται ως super-Arrhenius, με τους συγγραφείς να προτείνουν πιθανές δευτερεύουσες αντιδράσεις, πολλαπλές οδούς αντίδρασης ή επιδράσεις της μήτρας σε υψηλότερες θερμοκρασίες.[7]
Η ίδια εργασία τονίζει ότι η παρέκταση Arrhenius δεν επιτρέπει πάντα τον προσδιορισμό της κινητικής αποικοδόμησης για τη ρεσβερατρόλη σε συμπληρώματα και ότι οι επιταχυνόμενες δοκιμές μπορούν να οδηγήσουν σε λανθασμένες εκτιμήσεις, συμπεριλαμβανομένης της υπερεκτίμησης της αποικοδόμησης.[7]
Για τα στιλβενικού τύπου φαινολικά σε ξηρά συστήματα, οι θερμικές επεξεργασίες όπως η αποστείρωση με ατμό στους 121 °C για 20 λεπτά προκαλούν μετρήσιμες απώλειες (π.χ. η pinosylvin μειώθηκε κατά 20.98% ως προς το εμβαδόν της κορυφής), και η ξήρανση σε φούρνο για 24 ώρες στους 105 °C προκαλεί μειώσεις >50% στο εμβαδόν της κορυφής για αρκετά φαινολικά, ενώ η TGA υποδεικνύει θερμοκρασίες έναρξης αποσύνθεσης πάνω από ~200 °C για συστήματα pinosylvin.[31]
4.3 Φλαβονοειδή
Τα φλαβονοειδή παρουσιάζουν ευαισθησία αποικοδόμησης μέσω πολλαπλών οδών που επηρεάζεται από το pH, τη θερμοκρασία, το οξυγόνο και τις αλληλεπιδράσεις του σκευάσματος, όπως η δέσμευση πρωτεϊνών, και η θερμική τους συμπεριφορά σε DSC/TGA μπορεί να περιλαμβάνει επικαλυπτόμενη αποσύνθεση και μαλάκυνση παρά απλή τήξη.[9, 22, 24]
Σε ρυθμισμένα διαλύματα, η αύξηση του pH του μέσου από 6.0 σε 7.5 αυξάνει τις σταθερές ρυθμού αποικοδόμησης της fisetin και της quercetin κατά 24 και 12 φορές, αντίστοιχα (π.χ. k της fisetin από 8.30×10−3 σε 0.202 h−1· k της quercetin από 2.81×10−2 σε 0.375 h−1), και η αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από τους 37 °C αυξάνει σημαντικά το k (π.χ. k της fisetin σε 0.490 h−1 στους 65 °C· k της quercetin σε 1.42 h−1 στους 65 °C).[24]
Τα πρωτεϊνικά συν-συστατικά μπορούν να μετριάσουν την αποικοδόμηση: με την προσθήκη πρωτεΐνης, οι μετρούμενες τιμές k μειώνονται, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης του k της fisetin από 3.58×10−2 σε εύρη έως 1.76×10−2 h−1 και του k της quercetin από 7.99×10−2 σε εύρη έως 3.80×10−2 h−1.[24]
Μηχανιστικά, η χημική αστάθεια των φλαβονοειδών αποδίδεται στις υδροξυλομάδες και σε μια ασταθή δομή πυρονίου, και η σταθεροποίηση από πρωτεΐνες αποδίδεται κυρίως σε υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις (με το SDS να διαταράσσει τη σταθεροποίηση), με τη συμβολή των δεσμών υδρογόνου να επισημαίνεται ως απαιτούσα μελλοντικές ποσοτικές δοκιμές.[24]
Για την quercetin στους 90 °C κοντά στην ουδετερότητα, η κινητική αποικοδόμησης δείχνει ισχυρές επιδράσεις του pH: το k αυξάνεται περίπου πέντε φορές από το pH 6.5 στο 7.5, και ανιχνεύονται ενδιάμεσα προϊόντα οξείδωσης όπως η κινόνη της quercetin, με τυπικά τελικά προϊόντα που περιλαμβάνουν το protocatechuic acid (PCA) και το phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
Η μηχανιστική περιγραφή αποδίδει την πρώτη μετρήσιμη απώλεια στα 370 nm στη μετατροπή της quercetin σε κινόνη και υποδηλώνει ότι η διάσπαση του σκελετού της κινόνης αποδίδει απλούστερα φαινολικά με περιορισμένη απορρόφηση, ενώ η αλκαλική αποπρωτονίωση επιταχύνει την οξείδωση επηρεάζοντας τη δομή της o-διφαινόλης του C-δακτυλίου και του B-δακτυλίου.[22]
Σε συστήματα υψηλής θερμοκρασίας (150 °C), η αποικοδόμηση και η οξείδωση της quercetin προχωρούν γρήγορα, με αναφερόμενες σταθερές ρυθμού 0.253 h−1 σε άζωτο και 0.868 h−1 σε οξυγόνο και μια ισχυρή επιτάχυνση (7.17 h−1) σε οξυγόνο συν χοληστερόλη· πειραματικά, η απώλεια της quercetin αυξάνεται από 7.9% στα 10 λεπτά (N₂) σε 20.4% στα 10 λεπτά (O₂), ενώ σε χοληστερόλη + οξυγόνο η quercetin μειώνεται στο 10.9% εναπομένον μετά από 10 λεπτά.[26]
Η θερμική ανάλυση δείχνει περαιτέρω ότι η quercetin παρουσιάζει μια μικρή ενδόθερμη κορυφή στην περιοχή 90–135 °C που σχετίζεται με μια μικρή απώλεια μάζας (0.86 ± 0.33 wt.%), η αποσύνθεση ξεκινά στους 230 °C και μια εξέχουσα ενδόθερμη κορυφή DSC στους 303 °C συμπίπτει με την αποσύνθεση· υποστηρίζεται ότι ο δεσμός υδρογόνου περιορίζει τη συμπεριφορά τύπου τήξης και διευκολύνει την αποσύνθεση εξασθενίζοντας τους χημικούς δεσμούς.[9]
Για τη rutin (έναν γλυκοζίτη της quercetin) και τους εστέρες λιπαρών οξέων της, η TGA δείχνει ότι η rutin είναι θερμικά σταθερή έως τους 240 °C, ενώ οι εστέρες παρουσιάζουν χαμηλότερες αρχικές θερμοκρασίες αποικοδόμησης (217–220 °C) και υψηλότερη απώλεια μάζας σε ένα κύριο στάδιο, και οι ενέργειες ενεργοποίησης ποικίλλουν ανάλογα με τον βαθμό μετατροπής από 65 έως 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Κουρκουμινοειδή
Η αποικοδόμηση της κουρκουμίνης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το pH και περιλαμβάνει οξειδωτικές οδούς υπό πολλές υδατικές συνθήκες, ενώ η θερμική αποσύνθεση και οι αλληλεπιδράσεις του σκευάσματος μπορούν να μετατοπίσουν την έναρξη αποικοδόμησης και τις φαινομενικές κινητικές παραμέτρους.[10, 18, 32]
Σε μείγματα ρυθμιστικού διαλύματος/μεθανόλης στους 37 °C, η αποικοδόμηση της κουρκουμίνης αναφέρεται ότι ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με το k_obs να αυξάνεται δραματικά καθώς αυξάνεται το pH (π.χ. 3.2×10−3 h−1 σε pH 7.0 έναντι 693×10−3 h−1 σε pH 12.0), ενώ σε pH 5.0 η κουρκουμίνη είναι σταθερή στα αναφερόμενα πειράματα.[10]
Σε pH 8.0, η ανάλυση Arrhenius δίνει (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, και η παρέκταση σε υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα υποδηλώνει ταχεία απώλεια υπό οξειδωτικές συνθήκες (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Τα μικκυλιακά νανοσκευάσματα επιβραδύνουν δραματικά την αποικοδόμηση: σε πολυμερή μικκύλια και μικκύλια Triton X-100 σε pH 8.0 και 37 °C, οι αναφερόμενες τιμές k_obs μειώνονται σε 0.9×10−3 και 0.6×10−3 h−1, με χρόνους ημιζωής 777 ± 87 h και 1100 ± 95 h, οι οποίοι δηλώνεται ότι είναι ~300–500 φορές υψηλότεροι από την ελεύθερη κουρκουμίνη σε υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα.[10]
Μηχανιστικά, η συμπεριλαμβανόμενη εργασία υποστηρίζει ότι η αποικοδόμηση της κουρκουμίνης δεν προχωρά μέσω υδρολυτικής διάσπασης της αλυσίδας αλλά μέσω οξείδωσης που αποδίδει μια δικυκλοπενταδιόνη ως τελικό προϊόν, με την αποικοδόμηση 1 mol κουρκουμίνης να σχετίζεται με την κατανάλωση 1 mol O₂ και με το πρώτο στάδιο να είναι η αποπρωτονίωση των υδροξυλομάδων σε pH πάνω από 7.0.[10]
Μια ξεχωριστή μελέτη σταθερότητας σχετική με το γαστρεντερικό σύστημα αναφέρει φαινομενική κινητική πρώτης τάξης με υψηλή γραμμικότητα (r² > 0.95) και παρέχει ενέργειες ενεργοποίησης (σε kcal·mol−1) που ποικίλλουν ανάλογα με το μέσο (υψηλότερη σε pH 7.4 από ό,τι σε 0.1 N HCl), και αναφέρει ότι μετά από 12 ώρες στους 37 °C, πάνω από 80% παρέμεινε σε 0.1 N HCl αλλά μόνο 57% και 47% παρέμεινε σε φωσφορικά ρυθμιστικά διαλύματα pH 6.8 και 7.4, αντίστοιχα.[11]
Σε υψηλές θερμοκρασίες (180 °C), πειράματα καβουρδίσματος δείχνουν ακραία θερμοευαισθησία, με μόνο το 30% της αρχικής κουρκουμίνης να απομένει μετά από 5 λεπτά, και η μηχανιστική ερμηνεία συνδέει την οξειδωτική διάσπαση με την ενδιάμεση παρουσία ferulic acid και ένα στάδιο αποκαρβοξυλίωσης που επιταχύνεται από την έκθεση στον αέρα και τις υψηλότερες θερμοκρασίες.[33]
Μελέτες θερμικής αποσύνθεσης της κουρκουμίνης και συστημάτων πολυμερών που περιέχουν κουρκουμίνη υπό άζωτο δείχνουν πολύπλοκη συμπεριφορά: η αποσύνθεση της ακατέργαστης κουρκουμίνης ξεκινά γύρω στους 240 °C, ενώ η ενσωμάτωση της κουρκουμίνης σε μείγματα PGA/PCL μετατοπίζει το μέγιστο της αποικοδόμησης του PGA σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. από 372 °C για το καθαρό μείγμα σε 327 °C με 5% κουρκουμίνη), υποδηλώνοντας ότι η ενσωμάτωση της κουρκουμίνης μπορεί να μειώσει τη θερμική σταθερότητα της μήτρας.[18]
Η ίδια μελέτη που επικεντρώνεται στα πολυμερή συνδέει αυτά τα αποτελέσματα με τη σημασία για την παραγωγή, δηλώνοντας ότι η επεξεργασία σε κατάσταση τήξης απαιτεί τη διασφάλιση τόσο της χημικής σταθερότητας της πολυμερούς μήτρας όσο και της βιολογικής δραστικότητας των ενσωματωμένων φαρμάκων και ότι η επεξεργασία μειγμάτων PGA ή PGA/PCL με κουρκουμίνη θα πρέπει να πραγματοποιείται στη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία για την πρόληψη της αποικοδόμησης του PGA.[18]
Η σταθεροποίηση της κουρκουμίνης υπό γαλακτωματοποίηση υψηλής διάτμησης ποσοτικοποιείται επίσης σε γαλακτώματα Pickering που παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας αναμικτήρα υψηλής διάτμησης στις 22,000 rpm για 2 λεπτά: η αποθήκευση στους 20 °C στο σκοτάδι δείχνει ότι σε ένα μη ενθυλακωμένο μείγμα κουρκουμίνης-ελαίου περίπου η μισή κουρκουμίνη αποικοδομείται μετά από 6 ημέρες και μόνο το 20% απομένει μετά από 16 ημέρες, ενώ ένα σύστημα γαλακτώματος Pickering διατηρεί ~50% μετά από 16 ημέρες και παρατείνει τον χρόνο ημιζωής από 13 ημέρες σε 28 ημέρες.[1]
Υπό έκθεση σε UV (6 W, 365 nm), το ίδιο σύστημα δείχνει ~50% αποικοδόμηση μετά από 9 ώρες και μόνο 20% εναπομένον μετά από 24 ώρες για το μείγμα ελαίου, ενώ το γαλάκτωμα Pickering διατηρεί ~70% μετά από 9 ώρες και ~45% μετά από 24 ώρες και παρατείνει τον χρόνο ημιζωής από ~13 h σε ~27 h για απώλεια 50%.[1]
4.5 Συνοπτικός πίνακας
Ο παρακάτω πίνακας ενοποιεί αντιπροσωπευτικές κινητικές και θερμοδυναμικές παραμέτρους που αναφέρονται σε διάφορες κατηγορίες ενώσεων, δίνοντας έμφαση στις τιμές που είναι πιο άμεσα χρησιμοποιήσιμες για τη μοντελοποίηση των διεργασιών.
5. Βασικές διεργασίες παραγωγής υψηλής διάτμησης
Η παραγωγή υψηλής διάτμησης εκθέτει τις θερμοευαίσθητες ενώσεις σε πεδία μηχανικής καταπόνησης που μπορούν να αυξήσουν τη θερμοκρασία, τη μεταφορά οξυγόνου και την επιφάνεια διεπαφής, επηρεάζοντας έτσι τόσο την κινητική της αντίδρασης όσο και τους κυρίαρχους μηχανισμούς, ιδιαίτερα για βιοενεργά συστατικά ευαίσθητα στο οξυγόνο και το pH.[13, 14, 17]
5.1 Επεξεργασία σε τήξη
Η επεξεργασία σε κατάσταση τήξης επισημαίνεται στα συστήματα πολυμερούς–φαρμάκου ως ένα σενάριο όπου πρέπει να διατηρηθούν τόσο η σταθερότητα του πολυμερούς όσο και η δραστικότητα του φαρμάκου, και δηλώνεται ρητά ότι η επεξεργασία σε κατάσταση τήξης συνεπάγεται ότι η χημική σταθερότητα της πολυμερούς μήτρας και η βιολογική δραστικότητα των ενσωματωμένων φαρμάκων πρέπει να είναι εγγυημένες.[18]
Στο σύστημα PGA/PCL–κουρκουμίνης, η ενσωμάτωση της κουρκουμίνης επηρεάζει αρνητικά τη θερμική σταθερότητα του PGA, και οι συγγραφείς συνιστούν την επεξεργασία στη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία για την πρόληψη της αποικοδόμησης του PGA, συνδέοντας τον χαρακτηρισμό της θερμικής σταθερότητας με τον σχεδιασμό της διεργασίας.[18]
5.2 Ομογενοποίηση υψηλής πίεσης και μικρορευστοποίηση
Η ομογενοποίηση υψηλής πίεσης υποβάλλει τα ρευστά σε υψηλή μηχανική καταπόνηση όταν ρέουν μέσω μιας βαλβίδας με στενό διάκενο· στο στόμιο, το ρευστό υποβάλλεται σε δράση διάτμησης και πρόσθετα φαινόμενα όπως η σπηλαίωση, η τυρβώδης ροή, η σύγκρουση και η πρόσκρουση συμβάλλουν στα αποτελέσματα διάτμησης.[14]
Η HPH λειτουργεί σε αυξημένες πιέσεις άνω των 100 MPa και μπορεί να δημιουργήσει πιέσεις έως και 400 MPa, και η εφαρμοζόμενη πίεση, ο αριθμός των κύκλων/περασμάτων και η θερμοκρασία εισόδου περιγράφονται ως βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εκχυλισιμότητα και τη σταθερότητα των φυτοχημικών.[14]
Ποσοτικά, η ανασκόπηση της HPH αναφέρει παραδείγματα μεταβολών στη σύνθεση, όπως σταδιακές μειώσεις στο L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) στα 100, 200, 300 MPa και μειώσεις πολυφαινολών (π.χ. 10.6%, 6.0%, 1.4%) σε χυμό μήλου στα 100, 200, 300 MPa, δείχνοντας ότι το επίπεδο πίεσης μπορεί να συσχετίζεται με απώλειες σε ενώσεις ευαίσθητες στην οξείδωση ανάλογα με τη μήτρα και την ενζυματική δραστηριότητα.[14]
Σε κλίμακα σκευάσματος, η μικρορευστοποίηση μπορεί να παράγει σταθερά γαλακτώματα με ποσοτικοποιημένη διατήρηση των φαινολικών: για γαλακτώματα W/O/W, οι βέλτιστες συνθήκες του μικρορευστοποιητή αναφέρθηκαν ως 148 MPa και επτά κύκλοι αποδίδοντας σταγονίδια 105.3 ± 3.2 nm και PDI 0.233 ± 0.020, και μετά από 35 ημέρες η διατήρηση των φαινολικών ήταν 68.6% με διατήρηση της αντιοξειδωτικής δράσης 89.5%.[2]
Μια ξεχωριστή μελέτη ενθυλάκωσης αναφέρει μια συνδυασμένη προσέγγιση υψηλής διάτμησης και μικρορευστοποίησης: οι λιποσωμικές διασπορές ομογενοποιήθηκαν στις 9500 rpm για 10 λεπτά και στη συνέχεια πέρασαν πέντε φορές από έναν μικρορευστοποιητή στα 25,000 psi πριν από την ξήρανση με ψεκασμό, αποδεικνύοντας ότι οι βιομηχανικά ρεαλιστικές αλληλουχίες μπορεί να συνδυάζουν τη διάτμηση και την επακόλουθη θερμική ξήρανση.[3]
Οι ανασκοπήσεις της ομογενοποίησης υπερ-υψηλής πίεσης (UHPH) δίνουν έμφαση στην ακραία διάτμηση και τις κρούσεις εντός της βαλβίδας, με αναφερόμενες συνθήκες όπως ρευστά που αντλούνται σε περισσότερα από 200 MPa (συνήθως 300 MPa) και χρόνο παραμονής λιγότερο από 0.2 s στη βαλβίδη σε ταχύτητα Mach 3, και με νανο-θρυμματισμό μικροοργανισμών, κολλοειδών και βιοπολυμερών στα 100–500 nm.[34]
5.3 Ανάμιξη υψηλής διάτμησης
Η ανάμιξη υψηλής διάτμησης χρησιμοποιείται συχνά ως στάδιο προ-γαλακτωματοποίησης ή διασποράς και μπορεί η ίδια να προκαλέσει σημαντικές αυξήσεις θερμοκρασίας και οξειδωτικά περιβάλλοντα, επηρεάζοντας έτσι την αποικοδόμηση ακόμη και πριν από τις επόμενες διεργασίες.[13]
Σε ένα μοντέλο αναψυκτικού, η ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης για 10 λεπτά σε αυξανόμενες ταχύτητες περιστροφής αύξησε τη θερμοκρασία εξόδου (από 4.1 ± 0.7 °C στις 0 rpm σε 41 ± 1.2 °C στις 20,000 rpm) και σχετίστηκε με σημαντική απώλεια ασκορβικού οξέος (42.6% μείωση στις 20,000 rpm).[13]
Σε ένα σύστημα γαλακτώματος Pickering κουρκουμίνης, η ανάμιξη υψηλής διάτμησης στις 22,000 rpm για 2 λεπτά χρησιμοποιήθηκε για τον σχηματισμό γαλακτωμάτων, μετά τα οποία οι βελτιώσεις της σταθερότητας ποσοτικοποιήθηκαν μέσω βραδύτερης αποικοδόμησης και παράτασης του χρόνου ημιζωής υπό καταπόνηση αποθήκευσης και UV, συνδέοντας τη διεπαφιακή δόμηση υψηλής διάτμησης με τα αποτελέσματα της χημικής σταθερότητας.[1]
5.4 Μηχανοχημική άλεση
Η μηχανοχημική επεξεργασία (π.χ. σφαιρόμυλος) μπορεί να παράγει άμορφες στερεές διασπορές και να μεταβάλει τη σταθερότητα αλλάζοντας τη μορφή της στερεάς κατάστασης, αναμιγνύοντας σε μοριακό επίπεδο και επιτρέποντας ισχυρές διαμοριακές αλληλεπιδράσεις όπως ο δεσμός υδρογόνου.[15]
Για τις ASDs fisetin και τα εγκλείσματα, η άλεση πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου με συχνότητα 30 Hz και χρόνο 20 λεπτά, και η επακόλουθη ανάλυση TG/DSC πραγματοποιήθηκε υπό άζωτο για την ποσοτικοποίηση της θερμικής σταθερότητας και της συμπεριφοράς Tg.[15]
5.5 Ξήρανση με ψεκασμό
Η ξήρανση με ψεκασμό περιγράφεται ως μία από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές για την παραγωγή αποξηραμένων φυτικών εκχυλισμάτων, και οι υψηλές θερμοκρασίες κατά την ξήρανση με ψεκασμό δηλώνεται ότι έχουν δυνητικά επιβλαβείς επιδράσεις στις θερμοευαίσθητες (πολυ)φαινόλες.[3, 20]
Σε μια μελέτη ενθυλάκωσης πολυφαινολών, η ξήρανση με ψεκασμό πραγματοποιήθηκε με θερμοκρασία αέρα εισόδου 150 ± 5 °C και θερμοκρασία εξόδου 90 ± 5 °C, ενώ οι συγγραφείς δηλώνουν ότι η ποσότητα των (πολυ)φαινολών μειώθηκε λόγω της έκθεσης στο οξυγόνο και τη θερμότητα κατά την ξήρανση με ψεκασμό, παρακινώντας την ενθυλάκωση για τη διατήρηση των λειτουργικών ιδιοδιοτήτων.[3]
Σε μια μελέτη προ-μορφοποίησης εκχυλίσματος, οι συνθήκες διεργασίας του ξηραντήρα ψεκασμού (θερμοκρασία εισόδου, ρυθμός ροής τροφοδοσίας, αναλογία κολλοειδούς διοξειδίου του πυριτίου) αξιολογήθηκαν για τις επιδράσεις τους στις αποκρίσεις, και χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι Arrhenius για τον προσδιορισμό των κινητικών παραμέτρων αποσύνθεσης, συμπεριλαμβανομένης της τάξης αντίδρασης, του χρόνου αποικοδομημένου κλάσματος και της σταθεράς ρυθμού.[20]
5.6 Συνοπτικός πίνακας
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τα προφίλ καταπόνησης και παραδείγματα ποσοτικών επιπτώσεων που αναφέρονται για τις βασικές διεργασίες που επιβάλλουν υψηλή διάτμηση ή/και έντονη θερμική έκθεση.
6. Ολοκληρωμένα μοντέλα σταθερότητας–διεργασίας
Οι συμπεριλαμβανόμενες πηγές παρέχουν τα δομικά στοιχεία για ένα ολοκληρωμένο προβλεπτικό πλαίσιο στο οποίο τα αποτελέσματα σταθερότητας υπολογίζονται από το θερμικό ιστορικό των βασικών διεργασιών και τα φυσικοχημικά μικροπεριβάλλοντα (pH, οξυγόνο, ενεργότητα νερού), σεβόμενα παράλληλα τα θερμοδυναμικά όρια μετάπτωσης.[4, 14]
6.1 Χαρτογράφηση χρόνου–θερμοκρασίας–διάτμησης
Μια πρακτική προσέγγιση χαρτογράφησης μπορεί να χρησιμοποιήσει την κινητική (k, (E_a), χρόνος ημιζωής) μαζί με μετρημένα ή συναγόμενα προφίλ χρόνου–θερμοκρασίας των βασικών διεργασιών για τον υπολογισμό της αναμενόμενης μετατροπής, ενώ χρησιμοποιεί τα όρια μετάπτωσης κατάστασης (Tg, έναρξη τήξης, έναρξη αποσύνθεσης) ως όρια που μπορεί να αλλάξουν τους μηχανισμούς ή να αυξήσουν τους ρυθμούς.[4, 15]
Για παράδειγμα, ένα μοντέλο υδατικής φάσης ψευδο-πρώτης τάξης για το NRCl μπορεί να παραμετροποιηθεί χρησιμοποιώντας ενέργειες ενεργοποίησης Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) και την παρατήρηση ότι μια αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 °C περίπου διπλασιάζει το k_obs, επιτρέποντας τη μεταφορά από επικυρωμένα πειράματα ρυθμιστικών διαλυμάτων σε σύντομες θερμικές μεταβολές κατά την παραγωγή.[4]
Για την κουρκουμίνη, η θερμική ευαισθησία μπορεί να παραμετροποιηθεί χρησιμοποιώντας (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 σε pH 8.0 και την αναφερόμενη ισχυρή εξάρτηση του k_obs από το pH, τα οποία μαζί επιτρέπουν την πρόβλεψη απωλειών κατά τη διάρκεια υδατικών αναμονών ή σταδίων θερμαινόμενης γαλακτωματοποίησης όπου το τοπικό pH είναι ουδέτερο-βασικό.[10]
Για την trans-resveratrol, η κατάρρευση του χρόνου ημιζωής που καθοδηγείται από το pH (από εκατοντάδες ημέρες σε λεπτά καθώς αυξάνεται το pH) υποδηλώνει ότι τα αποτελέσματα σταθερότητας κατά την επεξεργασία μπορεί να κυριαρχούνται από το pH του μικροπεριβάλλοντος παρά από τη θερμοκρασία μάζας, και η μοντελοποίηση Arrhenius σε pH 7.4 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκθέσεις σε μέτριες θερμοκρασίες με (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD και πεδίο σχεδιασμού
Η ερμηνεία της Ποιότητας βάσει σχεδιασμού (QbD) υποστηρίζεται από μελέτες που αξιολογούν ρητά πώς οι παράμετροι της διεργασίας και οι μήτρες του σκευάσματος μεταβάλλουν τους μηχανισμούς αποικοδόμησης, συμπεριλαμβανομένων των ευρημάτων ότι οι επιταχυνόμενες δοκιμές μπορεί να αποτύχουν να προβλέψουν τον χρόνο ζωής όταν εμφανίζεται συμπεριφορά μη-Arrhenius ή επιδράσεις της μήτρας.[7, 29]
Για τα δισκία ρεσβερατρόλης, το συμπέρασμα ότι οι προσεγγίσεις Arrhenius μπορούν να υπερεκτιμήσουν την αποικοδόμηση σε επιταχυνόμενες δοκιμές παρακινεί τον καθορισμό πεδίων σχεδιασμού χρησιμοποιώντας τόσο τη μηχανιστική κατανόηση όσο και δεδομένα πολλαπλών θερμοκρασιών παρά μία μόνο επιταχυνόμενη συνθήκη.[7, 29]
Για συστήματα δεικτών φλαβονοειδών που έχουν υποστεί ξήρανση με ψεκασμό, αναφέρεται ρητά ότι τα έκδοχα επηρεάζουν την κινητική τάξη και τις τιμές του χρόνου προς αποικοδομημένο κλάσμα, υποδεικνύοντας ότι η σύνθεση του σκευάσματος αποτελεί μέρος του πεδίου σχεδιασμού σταθερότητας και όχι ένα σταθερό υπόβαθρο.[20]
6.3 PAT και αναλυτική ειδικότητα
Η ακριβής παρακολούθηση της διεργασίας απαιτεί αναλυτική ειδικότητα επειδή τα προϊόντα αποικοδόμησης μπορούν να επηρεάσουν τις απλούστερες φασματοσκοπικές δοκιμές, ιδιαίτερα για τις πολυφαινόλες.[12]
Για την trans-resveratrol, αναφέρεται ότι η ειδικότητα των HPLC και UPLC επιβεβαιώθηκε, ενώ η φασματοσκοπία UV/VIS οδήγησε σε ψευδώς υψηλότερες συγκεντρώσεις trans-resveratrol υπό συνθήκες όπου δεν ήταν σταθερή (αλκαλικό pH, φως, αυξημένη θερμοκρασία), τονίζοντας την ανάγκη για μεθόδους που υποδεικνύουν τη σταθερότητα στα αναλυτικά συστήματα διεργασιών.[12]
7. Στρατηγικές μετριασμού
Οι προσεγγίσεις μετριασμού στις συμπεριλαμβανόμενες πηγές δίνουν έμφαση στον περιορισμό της έκθεσης σε γνωστούς επιταχυντές (θερμότητα, οξυγόνο, υψηλό pH, UV) και στη χρήση αρχιτεκτονικών μορφοποίησης που μειώνουν τη μοριακή κινητικότητα, θωρακίζουν τις διεπαφές ή τοποθετούν τη δραστική ουσία σε λιγότερο αντιδραστικά μικροπεριβάλλοντα.[10, 13, 17]
7.1 Ενθυλάκωση και διασπορές
Η ενθυλάκωση σε μικκυλιακά ή σωματιδιακά συστήματα μπορεί να σταθεροποιήσει σημαντικά τις θερμοευαίσθητες ενώσεις περιορίζοντας την επαφή με το νερό, το οξυγόνο και τα αντιδραστικά είδη και μεταβάλλοντας την οξεοβασική προσβασιμότητα βασικών λειτουργικών ομάδων.[1, 10]
Για την κουρκουμίνη, η μικκυλιακή διαλυτοποίηση μειώνει το k_obs σε 0.6–0.9×10−3 h−1 και παρατείνει τον χρόνο ημιζωής σε 777–1100 h, και αυτή η σταθεροποίηση αποδίδεται στην πρόληψη της αποπρωτονίωσης των υδροξυλομάδων εντός ενός υδρόφοβου πυρήνα μικκυλίων, η οποία περιγράφεται ως το πρώτο στάδιο της αποικοδόμησης.[10]
Τα γαλακτώματα Pickering παρέχουν ένα φυσικό φραγμό: η παρουσία ενός πυκνού φυσικού φραγμού στη διεπαφή αναφέρεται ότι εμποδίζει την αποικοδόμηση της κουρκουμίνης, και ποσοτικά το σύστημα που σχηματίζει τον φραγμό παρατείνει τον χρόνο ημιζωής αποθήκευσης από 13 ημέρες σε 28 ημέρες και τον χρόνο ημιζωής υπό UV από ~13 h σε ~27 h.[1]
Τα συστήματα φορέων που προέρχονται από κυκλοδεξτρίνη παρέχουν μια άλλη στρατηγική: τα εγκλείσματα resveratrol–β-cyclodextrin παρουσιάζουν θερμικά συμβάντα συμπεριλαμβανομένης της απελευθέρωσης νερού κοντά στους 50 °C και συμβάντα αποικοδόμησης σε υψηλότερες θερμοκρασίες, και οι ελεύθερες ενέργειες δέσμευσης (π.χ. −86 kJ·mol−1 μέσω MM/PBSA) ποσοτικοποιούν τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις εγκλεισμού.[25]
Η ενθυλάκωση της ρεσβερατρόλης σε νανοσπόγγους εξαλείφει την ενδόθερμη κορυφή τήξης της DSC και παρέχει φωτοπροστασία: η ελεύθερη ρεσβερατρόλη παρουσιάζει 59.7% αποικοδόμηση εντός 15 λεπτών υπό έκθεση σε UV, ενώ οι νανοσπόγγοι ρεσβερατρόλης παρέχουν περίπου διπλάσια προστασία, σε συμφωνία με την ενθυλάκωση που εμποδίζει την άμεση έκθεση σε UV.[16]
Οι άμορφες στερεές διασπορές μπορούν να σχεδιαστούν μέσω μηχανοχημικής άλεσης, και ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ της fisetin και των εστερικών ομάδων του Eudragit® προσδιορίζεται ρητά, παρέχοντας μια μηχανιστική βάση για την αναμιξιμότητα και τη μεταβλημένη Tg που μπορεί να σταθεροποιήσει έναντι αλλαγών στη συμπεριφορά διάλυσης που εξαρτώνται από την κρυστάλλωση.[15]
Επιλογή εκδόχων και φορέων
Η επιλογή εκδόχων μπορεί να μεταβάλει τους κινητικούς μηχανισμούς και τα αποτελέσματα σταθερότητας, όπως αναφέρεται σε συστήματα φυτικών εκχυλισμάτων που έχουν υποστεί ξήρανση με ψεκασμό, όπου η τάξη της αντίδρασης και οι χρόνοι του αποικοδομημένου κλάσματος διαφέρουν ανάλογα με τα μείγματα εκδόχων, υποδεικνύοντας κινητική αποικοδόμησης εξαρτώμενη από τα έκδοχα.[20]
Τα πρωτεϊνικά συν-συστατικά μπορούν να σταθεροποιήσουν τα φλαβονοειδή μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, μειώνοντας τις τιμές k για τη fisetin και την quercetin, και η διαταραχή αυτών των αλληλεπιδράσεων από το SDS υποστηρίζει την ερμηνεία ότι η υδρόφοβη δέσμευση είναι ένας βασικός μηχανισμός σταθεροποίησης.[24]
Έλεγχοι μηχανικής διεργασιών
Οι έλεγχοι διεργασιών που μειώνουν τη θερμική έκθεση και την επαφή με το οξυγόνο υποστηρίζονται άμεσα από πολλαπλά σύνολα δεδομένων.[5, 18]
Για το NRCl, τα στοιχεία DSC/qNMR υποδεικνύουν ότι η υπέρβαση της περιοχής έναρξης τήξης (~120–130 °C) μπορεί να προκαλέσει εξαιρετικά ταχεία αποικοδόμηση, υποστηρίζοντας αυστηρά ανώτατα όρια στη θερμοκρασία και τον χρόνο παραμονής σε θερμαινόμενες εργασίες στερεάς κατάστασης.[4]
Για το NRH, η διαφορά μεταξύ του χρόνου ημιζωής σε αέρα και N₂ στους 25 °C συνεπάγεται ότι η αδρανοποίηση και ο αποκλεισμός του οξυγόνου μπορούν να είναι ουσιαστικής σημασίας, και οι συγγραφείς αναφέρουν ότι τα δείγματα υπό κάλυψη N₂ στους 4 °C δεν παρουσιάζουν ανιχνεύσιμη αποικοδόμηση μετά από 60 ημέρες, ενώ τα δείγματα στους 4 °C στον αέρα παρουσιάζουν ~10% αποικοδόμηση.[5]
Για την ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης, η άμεση παρατήρηση ότι η αύξηση των rpm αυξάνει τη θερμοκρασία εξόδου και σχετίζεται με υψηλότερη απώλεια του ευαίσθητου στην οξείδωση ασκορβικού οξέος υποστηρίζει μηχανικά μέτρα που περιορίζουν τη θέρμανση λόγω διάτμησης (π.χ. χιτώνια ψύξης, μικρότεροι χρόνοι ανάμιξης, σταδιακή προσθήκη).[13]
Για την ξήρανση με ψεκασμό, ο ισχυρισμός ότι η έκθεση στο οξυγόνο και τη θερμότητα μειώνει τις (πολυ)φαινόλες και ότι οι υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να είναι επιβλαβείς για τις θερμοευαίσθητες φαινόλες υποστηρίζει επιλογές όπως η μείωση της θερμοκρασίας εξόδου όταν είναι εφικτό και η χρήση ενθυλάκωσης για τη μείωση της ευαισθησίας στην οξείδωση και τη θερμότητα.[3]
Αντιοξειδωτικά και διαχείριση οξυγόνου
Οι στρατηγικές αντιοξειδωτικών και διαχείρισης οξυγόνου υποστηρίζονται μηχανιστικά σε όλα τα σύνολα δεδομένων πολυφαινολών.[12, 22]
Για την quercetin στους 90 °C, τα αντιοξειδωτικά όπως η cysteine μειώνουν το k, με 200 μmol·L−1 cysteine να προκαλούν μείωση του k κατά ~43% σε σύγκριση με τον μάρτυρα, και η μηχανιστική ερμηνεία εξετάζει τη σταθεροποίηση της κινόνης της quercetin και τα αποτελέσματα εξουδετέρωσης ριζών.[22]
Για την trans-resveratrol, αναφέρεται ρητά ότι το οξυγόνο προωθεί τις ριζικές αντιδράσεις που οδηγούν σε αποικοδόμηση, υποστηρίζοντας αδρανείς ατμόσφαιρες επεξεργασίας ή φραγμούς οξυγόνου όπου είναι εφικτό για αλκαλική/ουδέτερη υδατική επεξεργασία.[12]
Σε λιποσωμικά συστήματα, αναφέρεται ότι η ρεσβερατρόλη περιορίζει την οξείδωση της stigmasterol εξουδετερώνοντας τις ελεύθερες ρίζες και ενσωματώνεται στις λιπιδικές διπλοστοιβάδες αυξάνοντας την ακαμψία, μειώνοντας τη διαπερατότητα στο οξυγόνο και τους οξειδωτικούς παράγοντες, ενισχύοντας έτσι τη θερμική και οξειδωτική σταθερότητα του συστήματος.[35]
Συζήτηση
Σε όλη τη βάση δεδομένων που συντίθεται εδώ, το ισχυρότερο ποσοτικό μοτίβο είναι ότι το χημικό μικροπεριβάλλον (pH, οξυγόνο, παρουσία νερού) μπορεί να κυριαρχήσει στα αποτελέσματα σταθερότητας ακόμη και σε μέτριες θερμοκρασίες, και ότι αρκετά βιοενεργά συστατικά παρουσιάζουν απότομες ασυνέχειες σταθερότητας σε συγκεκριμένα θερμικά όρια μετάπτωσης.[4, 5, 12]
Για τις πρόδρομες ενώσεις NAD⁺, το σύνολο δεδομένων του NRCl υπογραμμίζει ένα διπλό καθεστώς: σε υδατικό διάλυμα, η υδρόλυση ψευδο-πρώτης τάξης μπορεί να μοντελοποιηθεί με ενέργειες ενεργοποίησης Arrhenius και μια περίπου διπλάσια αύξηση του ρυθμού ανά 10 °C, ενώ στη στερεά κατάσταση μια στενή περιοχή γύρω στους 120–130 °C αντιστοιχεί στην τήξη ακολουθούμενη αμέσως από ταχεία αποσύνθεση.[4]
Για τη ρεσβερατρόλη, ένας κυρίαρχος κίνδυνος διεργασίας προκύπτει από την ευαισθησία στο pH: ο χρόνος ημιζωής καταρρέει από μεγάλες διάρκειες σε όξινο pH σε λεπτά σε υψηλό pH, ενώ το οξυγόνο προωθεί τις ριζικές αντιδράσεις, υποδεικνύοντας ότι οι εργασίες υψηλής διάτμησης που αυξάνουν τη μεταφορά οξυγόνου και την τοπική αλκαλικότητα θα μπορούσαν να είναι δυσανάλογα επιζήμιες ακόμη και αν η θερμοκρασία μάζας παραμένει μέτρια.[12]
Για τα φλαβονοειδή, η οξείδωση μέσω ενδιάμεσων κινονών και οι μηχανισμοί αποπρωτονίωσης που εξαρτώνται από το pH (quercetin) συνδυάζονται με την οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία και τη σύζευξη ριζικής αλυσίδας (π.χ. οξυγόνο συν χοληστερόλη), υποδηλώνοντας ότι τα σκευάσματα που περιέχουν λιπίδια και η έκθεση στο οξυγόνο μπορούν να ενισχύσουν ισχυρά τις οδούς οξειδωτικής απώλειας.[22, 26]
Για την κουρκουμίνη, υπάρχει μια μηχανιστική ένταση μεταξύ των περιγραφών που βασίζονται στην υδρόλυση (σε ορισμένες εργασίες γαστρεντερικών ρυθμιστικών διαλυμάτων) και των περιγραφών που βασίζονται στην αυτοξείδωση (σε εργασίες που επικεντρώνονται στα μικκύλια), αλλά και οι δύο συγκλίνουν σε μια ισχυρή επίδραση του pH και στον προστατευτικό ρόλο των υδρόφοβων μικροπεριβαλλόντων και του περιορισμού του οξυγόνου.[11, 32]
Στο επίπεδο των βασικών διεργασιών, οι διεργασίες υψηλής διάτμησης μπορούν να λειτουργήσουν κυρίως ως έμμεσοι επιταχυντές δημιουργώντας θερμότητα και αυξάνοντας την οξειδωτική ευαισθησία· αυτό καταδεικνύεται άμεσα στην ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης όπου η ταχύτητα περιστροφής αυξάνει τη θερμοκρασία εξόδου και συμπίπτει με την οξειδωτική απώλεια του ασκορβικού οξέος.[13]
Η HPH/UHPH εισάγουν πρόσθετη πολυπλοκότητα επειδή η περιοχή της βαλβίδας επιβάλλει ακραία διάτμηση, σπηλαίωση και τυρβώδη ροή, και μπορεί να δημιουργήσει υψηλές τοπικές θερμοκρασίες, αν και οι χρόνοι παραμονής μπορεί να είναι πολύ σύντομοι (π.χ. <0.2 s στις περιγραφές της UHPH), υποδηλώνοντας ότι τα χημικά αποτελέσματα μπορεί να εξαρτώνται από το αν η αποικοδόμηση ελέγχεται από ταχείες ριζικές διεργασίες, από στάδια περιοριζόμενα από τη διάχυση ή από βραδύτερα στάδια θερμικής ενεργοποίησης.[14, 34]
Τέλος, αρκετές πηγές υπογραμμίζουν ότι η μοντελοποίηση της σταθερότητας πρέπει να επικυρώνεται μηχανιστικά στη σχετική μήτρα: τα δεδομένα των δισκίων ρεσβερατρόλης δείχνουν συμπεριφορά μη-Arrhenius και επιδράσεις της μήτρας που περιορίζουν τη γενική παρέκταση Arrhenius από επιταχυνόμενες δοκιμές, και οι δείκτες φυτικών εκχυλισμάτων που έχουν υποστεί ξήρανση με ψεκασμό παρουσιάζουν κινητικές τάξεις και χρόνους αποικοδομημένου κλάσματος που εξαρτώνται από τα έκδοχα.[7, 20]
Συμπεράσματα
Οι ποσοτικοί δείκτες θερμοδυναμικής μετάπτωσης (DSC/TGA) και η κινητική αποικοδόμησης (k, t_(1/2), (E_a), ενέργειες ενεργοποίησης εξαρτώμενες από τη μετατροπή) παρέχουν μια σχετική με τη διεργασία βάση για τον σχεδιασμό συνθηκών παραγωγής που διατηρούν τη δραστικότητα των θερμοευαίσθητων ενώσεων μακροζωίας και των συναφών βιοενεργών συστατικών.[4, 8, 9]
Για τις πρόδρομες ενώσεις NAD⁺, το NRCl παρουσιάζει ένα στενό παράθυρο θερμικής επεξεργασίας κοντά στην τήξη, ακολουθούμενο από ταχεία αποσύνθεση, ενώ η υδατική κινητική δείχνει συμπεριφορά ψευδο-πρώτης τάξης εξαρτώμενη από το pH με ενέργειες ενεργοποίησης 75–83 kJ·mol−1 που μπορούν να παραμετροποιήσουν τα μοντέλα θερμικής έκθεσης.[4]
Για τη ρεσβερατρόλη, το pH και το οξυγόνο είναι οι κυρίαρχες μεταβλητές, με τον χρόνο ημιζωής να καταρρέει από εκατοντάδες ημέρες σε όξινο pH σε λεπτά σε υψηλό pH, και οι μήτρες των σκευασμάτων μπορούν να προκαλέσουν συμπεριφορά μη-Arrhenius που περιπλέκει την παρέκταση των επιταχυνόμενων δοκιμών.[7, 12]
Για τα φλαβονοειδή και τα κουρκουμινοειδή, οι οδοί οξείδωσης (ενδιάμεσες κινόνες για την quercetin, αυτοξείδωση για την κουρκουμίνη) παρακινούν στρατηγικές ελέγχου του οξυγόνου και υδρόφοβης ενθυλάκωσης, οι οποίες αποδεικνύεται ποσοτικά ότι παρατείνουν τον χρόνο ημιζωής κατά τάξεις μεγέθους σε μικκυλιακά συστήματα και ουσιαστικά σε γαλακτώματα Pickering που παράγονται υπό ανάμιξη υψηλής διάτμησης.[1, 10, 22, 32]
Για τις βασικές διεργασίες υψηλής διάτμησης, τα διαθέσιμα στοιχεία δείχνουν ότι η διάτμηση μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία και να προωθήσει την οξείδωση (ανάμιξη υψηλής διάτμησης) και ότι οι διεργασίες υψηλής πίεσης που βασίζονται σε βαλβίδες δημιουργούν ακραία διάτμηση και σπηλαίωση, με την πίεση, τον αριθμό περασμάτων και τη θερμοκρασία εισόδου ως βασικές μεταβλητές καταπόνησης· αυτές οι γνώσεις υποστηρίζουν την εφαρμογή της χαρτογράφησης χρόνου–θερμοκρασίας–διάτμησης και της PAT χρησιμοποιώντας αναλυτικές μεθόδους που υποδεικνύουν τη σταθερότητα.[12–14]
Σύγκρουση συμφερόντων
Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι δεν υπάρχει σύγκρουση συμφερόντων.[20]
