Περίληψη
Οι θερμοευαίσθητες ενώσεις που σχετίζονται με τη μακροζωία και τα πολυφαινολικά βιοδραστικά συστατικά υφίστανται συχνά συνδυασμένες θερμικές, οξειδωτικές, μηχανικές καταπονήσεις και καταπονήσεις λόγω pH κατά την παραγωγική διαδικασία (π.χ. ανάδευση υψηλής διάτμησης, ομογενοποίηση υψηλής πίεσης και ξήρανση με ψεκασμό), οι οποίες μπορούν να επιταχύνουν τη χημική αποικοδόμηση και να μειώσουν την παρεχόμενη δραστικότητα. Συνεπώς, απαιτούνται ποσοτικές, σχετικές με τη διεργασία παράμετροι σταθερότητας για τον καθορισμό παραγωγικά εφικτών χώρων 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 σταδιακή συμπεριφορά απώλειας μάζας) και (ii) κινητική αποικοδόμησης (μοντέλα ψευδο-πρώτης/πρώτης τάξης, ενέργειες ενεργοποίησης Arrhenius, εξαρτήσεις από το pH και μετρήσεις χρόνου έως την αποικοδόμηση συγκεκριμένου κλάσματος) για πρόδρομες ενώσεις NAD⁺ (NR/NRH/NMN), στιλβενοειδή (συστήματα σχετιζόμενα με resveratrol), φλαβονοειδή (quercetin, fisetin, rutin/εστέρες) και κουρκουμινοειδή.[4–11]
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αρκετές αντιπροσωπευτικές ενώσεις μακροζωίας παρουσιάζουν στενά παράθυρα θερμικής επεξεργασίας σε συγκεκριμένες φυσικές καταστάσεις. Το Nicotinamide riboside chloride (NRCl) εμφανίζει 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 το trans-resveratrol, η κινητική αποικοδόμησης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό 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 εξωπόληση επιταχυνόμενων δοκιμών μπορεί να είναι μη-Arrhenius σε μήτρες δισκίων.[7, 12]
Οι μοναδιαίες διεργασίες υψηλής διάτμησης μπορούν να προκαλέσουν τοπική θέρμανση και οξειδωτικό περιβάλλον, όπως αποδεικνύεται 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, καθώς και από τους μηχανισμούς ομογενοποίησης υψηλής πίεσης που περιλαμβάνουν διάτμηση βαλβίδας, σπηλαίωση και τύρβη σε πιέσεις >100 MPa.[13, 14]
Τα συμπεράσματα υπογραμμίζουν την ενσωμάτωση των δεδομένων θερμοδυναμικών μεταπτώσεων (DSC/TGA/Tg) με κινητικά μοντέλα (Arrhenius, μη-Arrhenius και ισομετατροπικές μεθόδους) για την παραγωγή χαρτών χρόνου–θερμοκρασίας–διάτμησης και για την ορθολογική επιλογή στρατηγικών μετριασμού, συμπεριλαμβανομένων της ενθυλάκωσης, των άμορφων στερεών διασπορών, των συστημάτων κυκλοδεξτρίνης/νανοσπόγγων, του ελέγχου οξυγόνου και της ελαχιστοποίησης της διάτμησης/θερμοκρασίας.[15–18]
Keywords: θερμοευαίσθητα βιοδραστικά 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 όλο και περισσότερο ως διατροφοδραστικά προϊόντα, λειτουργικά τρόφιμα και προηγμένα συστήματα χορήγησης, γεγονός που υπαγορεύει παραγωγικές οδούς που εκθέτουν τις δραστικές ουσίες σε συνδυασμένες καταπονήσεις, συμπεριλαμβανομένης της θέρμανσης, της επαφής με το οξυγόνο, της ενεργότητας του νερού, των διακυμάνσεων του pH και της έντονης εισροής μηχανικής ενέργειας.[3, 5, 14, 19]
Για τις χημικές δομές των πρόδρομων ενώσεων του NAD⁺, η σταθερότητα σε υδατική και στερεά κατάσταση είναι κεντρικής σημασίας, καθώς η αντιδραστικότητα μπορεί να προκύψει μέσω υδρόλυσης γλυκοζιτικών ή φωσφορικά συνδεδεμένων μοτίβων, και επειδή οι θερμοκρασίες επεξεργασίας μπορούν να υπερβούν τα όρια μετάβασης της στερεάς κατάστασης που προηγούνται της ταχείας αποσύνθεσης.[4, 6]
Για τις πολυφαινόλες και τις σχετικές βοτανικές δραστικές ουσίες, οι περιορισμοί σταθερότητας περιλαμβάνουν την αυτοξείδωση, την επιμερείωση και την ενζυμική 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 παραγωγικής διαδικασίας 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 μετρήσιμη) την εισροή μηχανικής ενέργειας.[4, 9, 10, 14, 15]
Αυτό το άρθρο συνθέτει ποσοτικά δεδομένα για αντιπροσωπευτικές ενώσεις μακροζωίας και σχετικές βιοδραστικές ουσίες για τις οποίες οι περιλαμβανόμενες πηγές παρέχουν σαφείς θερμοδυναμικές μεταπτώσεις ή/και κινητικές παραμέτρους, και συνδέει αυτά τα δεδομένα με τα προφίλ καταπόνησης των διεργασιών μονάδας 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 με τη χρήση μετρήσιμων θερμικών διεργασιών (DSC/TGA) και περιγραφέων κατάστασης (π.χ., άμορφο έναντι κρυσταλλικού· 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 φάσεων
Αρκετές από τις περιλαμβανόμενες πηγές υπολογίζουν ρητά τις μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας Gibbs για διεργασίες αποικοδόμησης ή θερμικής καταστροφής, παρέχοντας ένα θερμοδυναμικό μέτρο της εφικτότητας υπό συγκεκριμένες συνθήκες.[8, 19]
Για το NR borate, ο αυθορμητισμός της αποικοδόμησης αξιολογήθηκε μέσω υπολογισμού της ελεύθερης ενέργειας Gibbs, με την τιμή 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 προφίλ πυρόλυσης στην αναφερόμενη ανάλυση.[8]
Σε όρους κινητικού φορμαλισμού, αρκετές πηγές εφαρμόζουν επίσης σχέσεις μεταβατικής κατάστασης και ελεύθερης ενέργειας, όπως η χρήση για την ερμηνεία της ενεργοποίησης της υδρόλυσης σε ένα σύμπλοκο σύστημα curcumin spiroborate.[21]
2.2 Υαλώδης μετάπτωση, τήξη και έναρξη αποσύνθεσης
Οι μέθοδοι DSC και TGA παρέχουν συμπληρωματικούς δείκτες κινδύνου διεργασίας: τα φαινόμενα τήξης ή μαλάκυνσης μπορούν να αυξήσουν απότομα τη διάχυση και να επιτρέψουν ταχεία χημική μετατροπή, ενώ η έναρξη απώλειας μάζας κατά την TGA μπορεί να υποδείξει την έναρξη μη αναστρέψιμης αποσύνθεσης ακόμη και στη φαινομενικά στερεά κατάσταση.[4, 9, 15]
Για το NRCl, η DSC υποδεικνύει έναρξη τήξης στους 120.7 ± 0.3 °C και κορυφή τήξης στους 125.2 ± 0.2 °C, ακολουθούμενη από ένα άμεσο, απότομο εξώθερμο φαινόμενο με κορύφωση στους 130.8 ± 0.3 °C.[4]
Σε συμφωνία με την αλληλουχία φαινομένων της DSC, ο ποσοτικός προσδιορισμός qNMR δείχνει περιορισμένη αποικοδόμηση στους 115 °C (2%), αλλά ταχεία απώλεια εντός και άνω της περιοχής τήξης (7% στους 120 °C, 55% στους 125 °C, 98% στους 130 °C, με μόλις 0.45% NR να απομένει στους 140 °C).[4]
Για το NMN, μία πηγή αναφέρει ότι η ένωση αποσυντίθεται αντί να παρουσιάζει σαφή μετάπτωση τήξης, με την αποσύνθεση να ξεκινά στους 160 °C και να ολοκληρώνεται έως τους 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 υποδεικνύει ότι ένα έντονο ενδόθερμο φαινόμενο DSC (μέγιστο στους 303 °C) αποδίδεται συχνά λανθασμένα σε τήξη, ενώ η TGA δείχνει ότι η αποσύνθεση ξεκινά στους 230 °C και το ενδόθερμο φαινόμενο συμπίπτει με συνεχή απώλεια μάζας· η αναφερόμενη «θερμότητα σύντηξης» 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 φαινόμενο 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 curcumin παρουσιάζει μια πολύπλοκη διεργασία αποσύνθεσης που ξεκινά γύρω στους 240 °C (5% απώλεια μάζας) με μια κορυφή DTGA στους 347 °C και 37% υπολειμματική μάζα στους 600 °C (στους 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Άμορφη και κρυσταλλική σταθερότητα
Τα άμορφα σκευάσματα ενδέχεται να βελτιώνουν τη διαλυτότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα, αλλά μπορούν να μεταβάλουν τη θερμική συμπεριφορά και τη σταθερότητα αυξάνοντας τη μοριακή κινητικότητα σε σύγκριση με τις κρυσταλλικές μορφές, καθιστώντας τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) κρίσιμη παράμετρο σταθερότητας.[15, 16]
Οι μηχανοχημικά παρασκευασμένες άμορφες στερεές διασπορές (ASDs) της fisetin εμφανίζουν μετρήσιμες τιμές Tg σε δεύτερες σαρώσεις θέρμανσης και παρουσιάζουν μετατοπίσεις στη σύνθεση ως προς την Tg που είναι συμβατές με την αναμιξιμότητα: το ακατέργαστο Eudragit® L100/EPO εμφανίζει Tg 147.1/55.4 °C, ενώ οι ASDs της fisetin εμφανίζουν τιμές Tg όπως 144.2/71.8 °C και 145.9/76.7 °C ανάλογα με το πολυμερές και το φορτίο του φαρμάκου.[15]
Για τους νανοσπόγγους resveratrol και oxyresveratrol, η DSC δείχνει ότι το ενδόθερμο φαινόμενο τήξης της resveratrol (266.49 °C) εξαφανίζεται στα σκευάσματα νανοσπόγγων, γεγονός που οι συγγραφείς αποδίδουν σε εγκλεισμό και πιθανή αμορφοποίηση των μορίων του φαρμάκου εντός της μήτρας των νανοσπόγγων.[16]
Για την quercetin, προτείνεται ότι ο δεσμός υδρογόνου τόσο περιορίζει τη μαλάκυνση που προσομοιάζει με τήξη όσο και διευκολύνει την αποσύνθεση μέσω της 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 στο εύρος 150–350 °C.[9]
3. Μοντέλα και παράμετροι κινητικής αποικοδόμησης
Οι συμπεριληφθείσες πηγές χρησιμοποιούν ένα εύρος κινητικών μοντέλων (πρώτης τάξης, ψευδο-πρώτης τάξης, ανώτερης τάξης ή σιγμοειδούς μορφής) και προσεγγίσεων της εξάρτησης από τη θερμοκρασία (συμπεριφορά Arrhenius και, σε ορισμένες περιπτώσεις, μη-Arrhenius), οι οποίες συχνά υπαγορεύονται από την εξάρτηση από το pH και την πολύπλοκη αποικοδόμηση πολλαπλών οδών.[4, 7, 22]
3.1 Μοντέλα τάξης αντίδρασης
Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη βάση αναφοράς για την αποικοδόμηση σε φάση διαλύματος είναι το ολοκληρωμένο μοντέλο πρώτης τάξης, το οποίο εμφανίζεται σε πολλαπλές συμπεριληφθείσες 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 ψευδο-πρώτης τάξης δικαιολογείται από τα ρυθμιστικά συστήματα που διατηρούν τις συγκεντρώσεις OH⁻/H₃O⁺ σε μεγάλη περίσσεια και προσεγγιστικά 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 έντονα 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 αποδίδει τιμές k 2.3–2.5× υψηλότερες από τις προσαρμογές πρώτης τάξης και μια διαφορετική ερμηνεία του χρόνου ημιζωής στο pH 7.5.[22]
Για δείκτες φυτικών εκχυλισμάτων που έχουν υποστεί ξήρανση με ψεκασμό (spray-dried), 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 τη 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 αποδίδει 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 μεταξύ 37–80 °C (οι τιμές r² αναφέρονται ως 0.9967, 0.9994, 0.9886 για διαφορετικά μέσα), με ενέργειες ενεργοποίησης 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 διάσπασης ενός σπειροβορετικού εστέρα της curcumin (CBS), όπου αναφέρεται ότι ένα διάγραμμα Eyring εμφανίζει γραμμική σχέση με συντελεστή συσχέτισης 0.9988.[21]
3.3 Ισομετατρεπτικές και ελεύθερες μοντέλου μέθοδοι
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, για τον προσδιορισμό της αποσύνθεσης πολλαπλών σταδίων και των αλλαγών μηχανισμού.[8, 18, 25]
Για τη rutin και τους εστέρες λιπαρών οξέων της rutin, οι ενέργειες ενεργοποίησης ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με τον βαθμό μετατροπής στο 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 εξελίσσεται μέσω μιας μη απλής διαδικασίας με πολλαπλά στάδια.[8]
Για τα εγκλειστικά σύμπλοκα resveratrol–β-cyclodextrin, η ενέργεια ενεργοποίησης αυξάνεται με τον βαθμό μετασχηματισμού, 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 της αντίδρασης καθώς προχωρά η αποσύνθεση.[25]
Για πολυμερή συστήματα φορτωμένα με curcumin υπό άζωτο, οι ενέργειες ενεργοποίησης που προκύπτουν από πολλαπλές προσεγγίσεις (Kissinger, KAS, Friedman και προσαρμογή μοντέλου) παρουσιάζουν σε γενικές γραμμές 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 στο εύρος 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Συζευγμένη θερμομηχανική και οξειδωτική αποικοδόμηση
Οι παραγωγικές διεργασίες υψηλής διάτμησης μπορούν να συζεύξουν τη διασπορά μηχανικής ενέργειας με την τοπική θέρμανση και την ενισχυμένη μεταφορά οξυγόνου, ενισχύοντας έτσι τις οδούς που καθοδηγούνται από την οξείδωση σε ευαίσθητες στο οξυγόνο βιοδραστικές ενώσεις.[13, 14, 17]
Στην ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης ενός συστήματος ποτού, 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 ascorbic acid μειώνεται κατά 42.6%, γεγονός που συμφωνεί με την προώθηση της αποικοδόμησης από την υψηλή θερμοκρασία και την οξείδωση.[13]
Στην ομογενοποίηση υψηλής πίεσης (HPH), ο μηχανισμός επεξεργασίας αποδίδεται ρητά στην κατανομή της διατμητικής τάσης στο στόμιο της βαλβίδας, όπου η ροή του ρευστού διαταράσσεται, καθώς 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 από ό,τι υπό άζωτο (σταθερές ταχύτητας 0.868 h⁻¹ έναντι 0.253 h⁻¹) και επιταχύνεται έντονα όταν είναι παρόντα η cholesterol και το οξυγόνο (σταθερά ταχύτητας 7.17 h⁻¹), γεγονός που συμφωνεί με τη σύζευξη ριζικής αλυσίδας μεταξύ του σχηματισμού υδροϋπεροξειδίου της cholesterol και της αποικοδόμησης της quercetin.[26]
Για το NRH, το οξυγόνο και η θερμοκρασία ασκούν ισχυρό έλεγχο: στους 25 °C σε νερό DI, 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 αναφέρουν ότι το NRH μπορεί να οξειδωθεί παρουσία οξυγόνου και υδρολύεται γρήγορα σε όξινες συνθήκες.[5]
4. Ανασκόπηση κατηγοριών ενώσεων
Η εστιασμένη στις ενώσεις σύνθεση που ακολουθεί δίνει έμφαση στις ποσοτικοποιημένες κινητικές και θερμοδυναμικές παραμέτρους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σε μοντέλα παραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των ενεργειών ενεργοποίησης, των σταθερών ταχύτητας, των ημιζωών, των θερμοκρασιών 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 πρόδρομων ενώσεων NAD⁺ εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ευαισθησία τους 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 εμφανίζει κινητική αποικοδόμησης ψευδο-πρώτης τάξης σε υδατικά διαλύματα και παρουσιάζει 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]
Προτείνεται μια μηχανιστική βάση ως βασικά καταλυόμενη υδρόλυση, κατά την οποία το NR μειώνεται ενώ το nicotinamide (Nam) και το σάκχαρο συσσωρεύονται, και παρουσιάζονται στοιχεία μοριακού ισοζυγίου που υποδεικνύουν ότι για κάθε μόριο NR που αποικοδομείται, σχηματίζεται ένα μόριο Nam και ένα μόριο σακχάρου.[4]
Σε προσομοιωμένα γαστρεντερικά υγρά σε φυσιολογική θερμοκρασία και ανάδευση (USP II paddle στις 75 rpm και στους 37 °C), το NRCl εμφανίζει σχετικά περιορισμένη βραχυπρόθεσμη απώλεια (π.χ. ~97–99% παραμένουσα ποσότητα μετά από 2 h σε γαστρικό μέσο), αλλά μια μετρήσιμη μακροπρόθεσμη μείωση σε προσομοίωση 24 h (79.18 ± 2.68% παραμένουσα ποσότητα στις 24 h, με 90.51 ± 0.82% να παραμένει στις 8 h).[4]
Στη στερεά κατάσταση, το NRCl εμφανίζει 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]
Μια πηγή πλαισιώνει ρητά αυτά τα δεδομένα ως παροχή ενός «ρητού ανώτατου ορίου θερμοκρασίας για την επεξεργασία του NRCl» που μπορεί να επηρεάσει την παραγωγή συμπληρωμάτων σε διάφορα στάδια, υπογραμμίζοντας τη σημασία των ορίων DSC/qNMR ως αυστηρών περιορισμών σε θερμαινόμενες διεργασίες.[4]
Το NR borate εισάγει μια στρατηγική σταθεροποίησης που υποκινείται από τη δραστικότητα του NR: το NR περιγράφεται ως έχον έναν ιδιαίτερα ασταθή γλυκοζιτικό δεσμό που συνδέει έναν θετικά φορτισμένο ετεροκύκλο πυριδινίου με έναν υδατάνθρακα, καθιστώντας το δύσκολο στη σύνθεση, την αποθήκευση και τη μεταφορά, και η σταθεροποίηση με βορίδιο περιγράφεται ως παρουσιάζουσα υψηλή σταθερότητα έναντι της θερμικής και χημικής αποικοδόμησης.[19]
Ποσοτικά, η διαλυτότητα του NR borate εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό 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 κατά 10 °C σχεδόν διπλασιάζει τον ρυθμό αποικοδόμησης υπό οποιεσδήποτε συνθήκες pH, απηχώντας τη θερμική ευαισθησία που παρατηρείται για το NRCl.[4, 19]
Το NRH εμφανίζει 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 DI water 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 την περιγραφή του NRH ως ασταθούς μορίου λόγω του N-γλυκοζιτικού δεσμού του, το οποίο είναι επιρρεπές σε αποικοδόμηση, υδρόλυση και οξείδωση.[5]
Για το NMN, οι ποσοτικοί θερμοδυναμικοί δείκτες στερεάς κατάστασης περιλαμβάνουν αναφερόμενη έναρξη αποσύνθεσης στους 160 °C και ολοκλήρωση έως τους 165 °C (με ενδόθερμη κορυφή DSC στους 162 °C και ενθαλπία αποσύνθεσης 184 kJ·mol⁻¹), καθώς 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 φαινομενικά 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 των πρακτικών περιορισμών της μορφοποίησης, μια πηγή εστιασμένη 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 επιταχυνόμενες δοκιμές στους 40 °C/75% RH για διάστημα 3 μηνών για κατάλληλα σχεδιασμένα συστήματα χαμηλής περιεκτικότητας σε νερό.[28]
Η κύρια οδός αποικοδόμησης του NMN περιγράφεται ως υδρόλυση του φωσφοδιεστερικού δεσμού, αποδίδοντας nicotinamide και ribose-5-phosphate, με τις εξαρτήσεις από το pH να περιγράφονται ως οξινικά καταλυόμενη υδρόλυση κάτω από pH 4.5 και διάσπαση με τη μεσολάβηση βάσης πάνω από pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoids
Τα Stilbenoids περιλαμβάνουν τη resveratrol και συναφείς ενώσεις που εμφανίζουν έντονη εξαρτώμενη από το pH και το οξυγόνο αποδόμηση, και η σταθερότητά τους σε πραγματικά σκευάσματα μπορεί να αποκλίνει από την απλή παρέκταση Arrhenius λόγω επιδράσεων μήτρας (matrix effects) και πολλαπλών οδών αντίδρασης.[7, 12, 29]
Σε υδατικά συστήματα, η trans-resveratrol αναφέρεται ότι είναι σταθερή σε όξινο pH, ενώ η αποδόμηση αυξάνεται εκθετικά πάνω από το pH 6.8, και ο χρόνος ημιζωής μειώνεται από 329 days σε pH 1.2 σε 3.3 minutes σε pH 10.[12]
Σε pH 7.4, η κινητική της αποδόμησης της trans-resveratrol ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης σε όλο το εύρος των θερμοκρασιών που μελετήθηκαν, και η ενέργεια ενεργοποίησης αναφέρεται ως 84.7 kJ·mol−1.[12]
Παρέχεται μια μηχανιστική εξήγηση ότι σε όξινο pH οι υδροξυλομάδες προστατεύονται από τη ριζική οξείδωση από το θετικά φορτισμένο H₃O⁺, ενώ σε αλκαλικές συνθήκες τα φαινολικά ιόντα αυξάνουν την ευαισθησία στην οξείδωση και στον σχηματισμό φαινοξυ-ριζών, και το οξυγόνο στο μέσο προάγει τις αντιδράσεις ελεύθερων ριζών που οδηγούν σε αποδόμηση.[12]
Ανεξάρτητα πειράματα θερμικής σταθερότητας σε υδατικό διάλυμα (19 mg·L−1) δεν αναφέρουν σημαντικές φασματικές μεταβολές μετά από 30 min έως τους 70 °C, ενώ οι υψηλότερες θερμοκρασίες οδηγούν σε γενική μείωση της απορρόφησης στα 304 nm και μειωμένη απορρόφηση στο εύρος 270–350 nm, υποδεικνύοντας θερμικά προκαλούμενη καταστροφή υπό υδροθερμικές συνθήκες.[30]
Η μηχανιστική ερμηνεία αυτών των υδροθερμικών πειραμάτων προτείνει την οξειδωτική διάσπαση του διπλού δεσμού και τον σχηματισμό προϊόντων αποδόμησης που περιέχουν φαινόλες, όπως υδροξυαλδεΰδες, αλκοόλες και υδροξυοξέα, και οι ζώνες FTIR ερμηνεύονται ως συμβατές με τον σχηματισμό αλδεϋδών και καρβοξυλικών οξέων στους 100–120 °C.[30]
Σε μήτρες δισκίων, η αποδόμηση της resveratrol αναφέρεται ότι ακολουθεί μονοεκθετική κινητική πρώτης τάξης με τιμές k 0.07140, 0.1937 και 0.231 months−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 μήτρας σε υψηλότερες θερμοκρασίες.[7]
Η ίδια εργασία τονίζει ότι η παρέκταση Arrhenius δεν επιτρέπει πάντα τον προσδιορισμό της κινητικής αποδόμησης για τη resveratrol σε συμπληρώματα και ότι οι δοκιμές επιταχυνόμενης γήρανσης μπορούν να οδηγήσουν σε εσφαλμένες εκτιμήσεις, συμπεριλαμβανομένης της υπερεκτίμησης της αποδόμησης.[7]
Για φαινολικές ενώσεις τύπου stilbene σε ξηρά συστήματα, θερμικές επεξεργασίες όπως η αποστείρωση με ατμό στους 121 °C για 20 min προκαλούν μετρήσιμες απώλειες (π.χ. η pinosylvin μειώθηκε κατά 20.98% ως προς το εμβαδόν κορυφής), και η ξήρανση σε κλίβανο επί 24 h στους 105 °C προκαλεί μειώσεις >50% στο εμβαδόν κορυφής για αρκετές φαινολικές ενώσεις, ενώ η TGA δείχνει θερμοκρασίες έναρξης αποσύνθεσης πάνω από ~200 °C για συστήματα pinosylvin.[31]
4.3 Φλαβονοειδή
Τα φλαβονοειδή εμφανίζουν ευαισθησία αποικοδόμησης πολλαπλών οδών, η οποία επηρεάζεται από το pH, τη θερμοκρασία, το οξυγόνο και τις αλληλεπιδράσεις της σύνθεσης, όπως η πρωτεϊνική σύνδεση, ενώ η θερμική τους συμπεριφορά σε DSC/TGA μπορεί να περιλαμβάνει αλληλεπικαλυπτόμενη αποσύνθεση και αποσκλήρυνση αντί για απλή τήξη.[9, 22, 24]
Σε ρυθμιστικά διαλύματα, η αύξηση του pH του μέσου από 6.0 σε 7.5 αυξάνει τις σταθερές ταχύτητας αποικοδόμησης της fisetin και της quercetin κατά 24 φορές 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 και 1.76×10−2 h−1 και του k της quercetin από 7.99×10−2 σε εύρη έως και 3.80×10−2 h−1.[24]
Μηχανιστικά, η χημική αστάθεια των φλαβονοειδών αποδίδεται στις υδροξυλομάδες και σε μια ασταθή δομή πυρονίου, ενώ η σταθεροποίηση από πρωτεΐνες αποδίδεται κυρίως σε υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις (με το SDS να διακόπτει τη σταθεροποίηση), με τη συμβολή των δεσμών υδρογόνου να επισημαίνεται ότι απαιτεί μελλοντικές ποσοτικές αναλύσεις.[24]
Για την quercetin στους 90 °C πλησίον της ουδετερότητας, η κινητική αποικοδόμησης εμφανίζει ισχυρές επιδράσεις του pH: το k αυξάνεται περίπου πέντε φορές από pH 6.5 σε 7.5 και ανιχνεύονται ενδιάμεσα οξείδωσης όπως η quercetin quinone, με τα τυπικά τελικά προϊόντα να περιλαμβάνουν protocatechuic acid (PCA) και phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
Η μηχανιστική προσέγγιση αποδίδει την πρώτη μετρήσιμη απώλεια στα 370 nm στη μετατροπή της quercetin σε quinone και υποδηλώνει ότι η διάσπαση του σκελετού της quinone αποδίδει απλούστερες φαινολικές ενώσεις με περιορισμένη απορρόφηση, ενώ η αλκαλική αποπρωτονίωση επιταχύνει την οξείδωση, επηρεάζοντας τη δομή o-diphenol του C-ring και του B-ring.[22]
Σε συστήματα υψηλής θερμοκρασίας (150 °C), η αποικοδόμηση και η οξείδωση της quercetin προχωρούν ταχέως, με αναφερόμενες σταθερές ταχύτητας 0.253 h−1 σε άζωτο και 0.868 h−1 σε οξυγόνο και ισχυρή επιτάχυνση (7.17 h−1) σε οξυγόνο συν cholesterol• πειραματικά, η απώλεια της quercetin αυξάνεται από 7.9% στα 10 min (N₂) σε 20.4% στα 10 min (O₂), ενώ σε cholesterol + οξυγόνο η εναπομένουσα quercetin μειώνεται σε 10.9% εναπομένουσας ποσότητας μετά από 10 min.[26]
Η θερμική ανάλυση υποδεικνύει επιπλέον ότι η quercetin εμφανίζει μια μικρή ενδόθερμη κορυφή στο εύρος 90–135 °C η οποία σχετίζεται με μικρή απώλεια μάζας (0.86 ± 0.33 wt.%), η αποσύνθεση ξεκινά στους 230 °C και μια εξέχουσα ενδόθερμη κορυφή DSC στους 303 °C αλληλεπικαλύπτεται με την αποσύνθεση• υποστηρίζεται ότι οι δεσμοί υδρογόνου τόσο περιορίζουν τη συμπεριφορά τύπου τήξης όσο και διευκολύνουν την αποσύνθεση αποδυναμώνοντας τους χημικούς δεσμούς.[9]
Για τη rutin (ένα γλυκοσίδιο της quercetin) και τους εστέρες λιπαρών οξέων της, η TGA υποδεικνύει ότι η rutin είναι θερμικά σταθερή έως τους 240 °C, ενώ οι εστέρες εμφανίζουν 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 Curcuminoids
Η αποικοδόμηση της curcumin είναι έντονα εξαρτώμενη από το pH και περιλαμβάνει οξειδωτικές οδούς υπό πολλές υδατικές συνθήκες, ενώ η θερμική διάσπαση και οι αλληλεπιδράσεις της φόρμουλας μπορούν να μετατοπίσουν την έναρξη της αποικοδόμησης και τις φαινομενικές κινητικές παραμέτρους.[10, 18, 32]
Σε μείγματα ρυθμιστικού διαλύματος/μεθανόλης στους 37 °C, αναφέρεται ότι η αποικοδόμηση της curcumin 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 curcumin είναι σταθερή στα αναφερόμενα πειράματα.[10]
Σε pH 8.0, η ανάλυση Arrhenius αποδίδει (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, και η προεκβολή σε υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα υποδεικνύει ταχεία απώλεια υπό οξειδωτικές συνθήκες (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Οι μικκυλιακές νανοφόρμουλες επιβραδύνουν δραματικά την αποικοδόμηση: σε πολυμερή μικκύλια και μικκύλια Triton X-100 σε pH 8.0 και στους 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 curcumin σε υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα.[10]
Μηχανιστικά, η συμπεριληφθείσα εργασία υποστηρίζει ότι η αποικοδόμηση της curcumin δεν προχωρά μέσω υδρολυτικής σχάσης της αλυσίδας αλλά μέσω οξείδωσης που αποδίδει μια bicyclopentadione ως τελικό προϊόν, με την αποικοδόμηση 1 mol curcumin να σχετίζεται με την κατανάλωση 1 mol O₂ και με το πρώτο βήμα να είναι η αποπρωτονίωση των υδροξυλομάδων σε pH άνω του 7.0.[10]
Μια ξεχωριστή μελέτη σταθερότητας σχετική με το GI 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 (υψηλότερες σε pH 7.4 από ό,τι σε 0.1 N HCl), και αναφέρει ότι μετά από 12 h στους 37 °C, πάνω από 80% παρέμεινε σε 0.1 N HCl αλλά μόνο 57% και 47% παρέμεινε σε ρυθμιστικά διαλύματα φωσφορικών pH 6.8 και 7.4, αντίστοιχα.[11]
Σε υψηλές θερμοκρασίες (180 °C), τα πειράματα ψησίματος δείχνουν ακραία θερμοαστάθεια, με μόνο το 30% της αρχικής curcumin να παραμένει μετά από 5 minutes, και η μηχανιστική ερμηνεία συνδέει την οξειδωτική διάσπαση με τον ενδιάμεσο σχηματισμό ferulic acid και ένα στάδιο αποκαρβοξυλίωσης που επιταχύνεται από την έκθεση στον αέρα και τις υψηλότερες θερμοκρασίες.[33]
Οι μελέτες θερμικής διάσπασης της curcumin και των συστημάτων πολυμερών που περιέχουν curcumin υπό άζωτο δείχνουν πολύπλοκη συμπεριφορά: η διάσπαση της ακατέργαστης curcumin ξεκινά γύρω στους 240 °C, ενώ η ενσωμάτωση της curcumin σε μείγματα PGA/PCL μετατοπίζει το μέγιστο αποικοδόμησης του PGA σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. από 372 °C για το καθαρό μείγμα σε 327 °C με 5% curcumin), υποδηλώνοντας ότι η ενσωμάτωση της curcumin μπορεί να μειώσει τη θερμική σταθερότητα της μήτρας.[18]
Η ίδια μελέτη που εστιάζει στα πολυμερή συνδέει αυτά τα αποτελέσματα με τη συνάφεια με την παραγωγή, δηλώνοντας ότι η επεξεργασία σε κατάσταση τήξης απαιτεί τη διασφάλιση τόσο της χημικής σταθερότητας της πολυμερούς μήτρας όσο και της βιολογικής δραστηριότητας των ενσωματωμένων φαρμάκων, και ότι η επεξεργασία μειγμάτων PGA ή PGA/PCL με curcumin θα πρέπει να διεξάγεται στη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία για την αποτροπή της αποικοδόμησης του PGA.[18]
Η σταθεροποίηση της curcumin υπό γαλακτωματοποίηση υψηλής διάτμησης ποσοτικοποιείται επίσης σε γαλακτώματα Pickering που παρασκευάζονται με χρήση αναδευτήρα υψηλής διάτμησης στις 22,000 rpm για 2 min: η αποθήκευση στους 20 °C στο σκοτάδι δείχνει ότι σε ένα μη ενθυλακωμένο μείγμα curcumin-ελαίου περίπου η μισή curcumin αποικοδομείται μετά από 6 days και μόνο το 20% παραμένει μετά από 16 days, ενώ ένα σύστημα γαλακτώματος Pickering διατηρεί ~50% μετά από 16 days και παρατείνει τον χρόνο ημιζωής από 13 days σε 28 days.[1]
Υπό έκθεση σε UV (6 W, 365 nm), το ίδιο σύστημα παρουσιάζει ~50% αποικοδόμηση μετά από 9 h και μόνο 20% να παραμένει μετά από 24 h για το μείγμα ελαίου, ενώ το γαλάκτωμα Pickering διατηρεί ~70% μετά από 9 h και ~45% μετά από 24 h και παρατείνει τον χρόνο ημιζωής από ~13 h σε ~27 h για απώλεια 50%.[1]
4.5 Συνοπτικός πίνακας
Ο παρακάτω πίνακας συγκεντρώνει αντιπροσωπευτικές κινητικές και θερμοδυναμικές παραμέτρους που έχουν αναφερθεί για διάφορες κατηγορίες ενώσεων, δίνοντας έμφαση στις τιμές που είναι άμεσα αξιοποιήσιμες για τη μοντελοποίηση διεργασιών.
| Ένωση ή σύστημα | Συνθήκη | Κινητική ή θερμοδυναμική παράμετρος | Σημειώσεις για μοντέλα επεξεργασίας |
|---|---|---|---|
| NRCl | Υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα (pH 2.0, 5.0, 7.4), μοντέλο Arrhenius | (E_a)=75.4±2.9 (pH 2.0), 76.9±1.1 (pH 5.0), 82.8±4.4 kJ·mol−1 (pH 7.4)[4] | Υποστηρίζει τη μοντελοποίηση θερμικής επιτάχυνσης και τον εξαρτώμενο από το pH χώρο σχεδιασμού[4] |
| NRCl | DSC και qNMR (ξηρή θέρμανση) | DSC melt onset 120.7 ± 0.3 °C; decomposition exotherm peak 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradation 55% at 125 °C and 98% at 130 °C[4] | Υποδεικνύει στενό παράθυρο ασφάλειας για θερμαινόμενες διεργασίες στερεάς κατάστασης κοντά στην τήξη[4] |
| NRH | DI water στους 25 °C, αέρας έναντι N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (αέρας; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Ο έλεγχος του οξυγόνου μπορεί σχεδόν να διπλασιάσει τον χρόνο ημιζωής υπό τις δοκιμασμένες συνθήκες[5] |
| NMN | Υδατικό διάλυμα, θερμοκρασία δωματίου | Apparent first-order: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Επιτρέπει την εκτίμηση της απώλειας δραστικότητας κατά τα στάδια αναμονής σε υδατικό μέσο[27] |
| trans-Resveratrol | Εξάρτηση από το pH | Half-life 329 d σε pH 1.2 vs 3.3 min σε pH 10[12] | Απαιτείται αυστηρός έλεγχος του pH κατά την υδατική επεξεργασία και τις δοκιμές διάλυσης[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4 Arrhenius | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Χρησιμοποιείται για μοντελοποίηση σε μέτριες θερμοκρασίες· απαιτείται προσοχή σε περιπτώσεις μη Arrhenius συμπεριφοράς σε μήτρες[7, 12] |
| Resveratrol tablets | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Αποκλίνει από τη συμπεριφορά Arrhenius (super-Arrhenius), περιορίζοντας την προεκβολή των δεδομένων από δοκιμές επιταχυνόμενης σταθερότητας[7] |
| Fisetin, quercetin | Φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα | pH αύξηση 6.0→7.5 αυξάνει το k 24× (fisetin) και 12× (quercetin)[24] | Υπογραμμίζει την ευαισθησία στο pH κατά τις υδατικές μοναδιαίες διεργασίες[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Χρήσιμο για την πρόβλεψη της ευαισθησίας στη θερμοκρασία σε ουδέτερα-βασικά μέσα[10] |
| Curcumin in micelles | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h και 1100±95 h (μικκύλια) vs 2.5 h (ελεύθερο υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα)[10] | Καταδεικνύει το μέγεθος της σταθεροποίησης που βασίζεται στη μορφοποίηση για τα στάδια αναμονής/επεξεργασίας[10] |
5. Μοναδιαίες διεργασίες παραγωγής υψηλής διάτμησης
Η παραγωγή υψηλής διάτμησης εκθέτει θερμοευαίσθητες ενώσεις σε πεδία μηχανικής καταπόνησης που μπορούν να αυξήσουν τη θερμοκρασία, τη μεταφορά οξυγόνου και τη διεπιφανειακή επιφάνεια, επηρεάζοντας έτσι τόσο την κινητική των αντιδράσεων όσο και τους επικρατούντες μηχανισμούς, ιδιαίτερα για βιοδραστικές ενώσεις ευαίσθητες στο οξυγόνο και το pH.[13, 14, 17]
5.1 Επεξεργασία τήγματος
Η επεξεργασία σε κατάσταση τήγματος επισημαίνεται στα συστήματα πολυμερούς–φαρμάκου ως ένα σενάριο όπου πρέπει να διατηρηθούν τόσο η σταθερότητα του πολυμερούς όσο και η δραστικότητα του φαρμάκου, και αναφέρεται ρητά ότι η επεξεργασία σε κατάσταση τήγματος προϋποθέτει ότι πρέπει να διασφαλίζεται η χημική σταθερότητα της πολυμερικής μήτρας και η βιολογική δραστικότητα των ενσωματωμένων φαρμάκων.[18]
Στο σύστημα PGA/PCL–curcumin, η ενσωμάτωση της curcumin επηρεάζει δυσμενώς 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 υγρά σε υψηλή μηχανική καταπόνηση καθώς ρέουν μέσω μιας βαλβίδας στενού διάκενου· στο στόμιο, το υγρό υποβάλλεται σε δράση διάτμησης, ενώ πρόσθετα φαινόμενα όπως η σπηλαίωση, η τυρβώδης ροή, η σύγκρουση και η πρόσκρουση συμβάλλουν στα φαινόμενα διάτμησης.[14]
Η HPH λειτουργεί σε αυξημένες πιέσεις άνω των 100 MPa και μπορεί να παράγει πιέσεις έως και 400 MPa, ενώ 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 συστατικών.[14]
Ποσοτικά, η ανασκόπηση της HPH αναφέρει ενδεικτικές μεταβολές στη σύσταση, 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, καταδεικνύοντας ότι το επίπεδο πίεσης μπορεί να συσχετίζεται με απώλειες σε ενώσεις ευαίσθητες στην οξείδωση, ανάλογα με τη μήτρα και την ενζυμική δραστηριότητα.[14]
Σε κλίμακα μορφοποίησης, η μικρορευστοποίηση μπορεί να παράγει σταθερά γαλακτώματα με ποσοτικοποιημένη συγκράτηση φαινολικών ενώσεων: για γαλακτώματα W/O/W, οι βέλτιστες συνθήκες μικρορευστοποιητή αναφέρθηκαν ως 148 MPa και επτά κύκλοι, αποδίδοντας σταγονίδια 105.3 ± 3.2 nm και PDI 0.233 ± 0.020, ενώ μετά από 35 ημέρες η συγκράτηση των φαινολικών ενώσεων ήταν 68.6% με διατήρηση της αντιοξειδωτικής δράσης 89.5%.[2]
Μια ξεχωριστή μελέτη ενθυλάκωσης αναφέρει μια συνδυασμένη προσέγγιση υψηλής διάτμησης και μικρορευστοποίησης: λιποσωμικά διασπορές ομογενοποιήθηκαν στις 9500 rpm για 10 min και στη συνέχεια πέρασαν πέντε φορές από έναν μικρορευστοποιητή στα 25,000 psi πριν από την ξήρανση με ψεκασμό, αποδεικνύοντας ότι οι βιομηχανικά ρεαλιστικές ακολουθίες μπορούν να συνδυάζουν τη διάτμηση και τη μεταγενέστερη θερμική ξήρανση.[3]
Οι ανασκοπήσεις της ομογενοποίησης εξαιρετικά υψηλής πίεσης (UHPH) δίνουν έμφαση στην ακραία διάτμηση και τις προσκρούσεις εντός της βαλβίδας, με αναφερόμενες συνθήκες όπως άντληση υγρών σε πίεση άνω των 200 MPa (τυπικά 300 MPa) και χρόνο παραμονής μικρότερο από 0.2 s στη βαλβίδα σε ταχύτητα Mach 3, καθώς και νανοκατακερματισμό μικροοργανισμών, κολλοειδών και βιοπολυμερών στα 100–500 nm.[34]
5.3 Ανάδευση υψηλής διάτμησης
Η ανάδευση υψηλής διάτμησης χρησιμοποιείται συχνά ως στάδιο προ-γαλακτωματοποίησης ή διασποράς και μπορεί να προκαλέσει η ίδια σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας και οξειδωτικά περιβάλλοντα, επηρεάζοντας έτσι την αποικοδόμηση ακόμη και πριν από τις μεταγενέστερες διεργασίες.[13]
Σε ένα μοντέλο ροφήματος, η ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης για 10 min 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 συσχετίστηκε με σημαντική απώλεια L-ascorbic acid (μείωση 42.6% στις 20,000 rpm).[13]
Σε ένα σύστημα γαλακτώματος Pickering με curcumin, χρησιμοποιήθηκε ανάδευση υψηλής διάτμησης στις 22,000 rpm για 2 min για τον σχηματισμό γαλακτωμάτων, μετά τον οποίο οι βελτιώσεις στη σταθερότητα ποσοτικοποιήθηκαν μέσω βραδύτερης αποικοδόμησης και παρατεταμένου χρόνου ημιζωής τόσο υπό συνθήκες αποθήκευσης όσο και υπό καταπόνηση UV, συνδέοντας τη διεπιφανειακή δόμηση υψηλής διάτμησης με τα αποτελέσματα της χημικής σταθερότητας.[1]
5.4 Μηχανοχημική άλεση
Η μηχανοχημική επεξεργασία (π.χ. άλεση με σφαιρίδια) μπορεί να παράγει άμορφες στερεές διασπορές και να μεταβάλει τη σταθερότητα αλλάζοντας τη μορφή της στερεάς κατάστασης, επιτυγχάνοντας ανάμιξη σε μοριακό επίπεδο και επιτρέποντας ισχυρές διαμοριακές αλληλεπιδράσεις, όπως ο δεσμός υδρογόνου.[15]
Για τις ASDs και τα εγκλείσματα fisetin, η άλεση πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου με συχνότητα 30 Hz και χρόνο 20 min, και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανάλυση TG/DSC 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 ξηρών φυτικών εκχυλισμάτων, και οι υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της ξήρανσης με ψεκασμό αναφέρεται ότι έχουν δυνητικά επιβλαβείς επιπτώσεις 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 αναφέρουν ότι η ποσότητα των (πολυ)φαινολών μειώθηκε λόγω της έκθεσης σε οξυγόνο και θερμότητα κατά τη διάρκεια της ξήρανσης με ψεκασμό, παρέχοντας κίνητρο για ενθυλάκωση με σκοπό τη διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων.[3]
Σε μια μελέτη προ-μορφοποίησης εκχυλίσματος, οι συνθήκες της διεργασίας ξήρανσης με ψεκασμό (θερμοκρασία εισόδου, ρυθμός ροής τροφοδοσίας, αναλογία colloidal silicon dioxide) αξιολογήθηκαν ως προς τις επιδράσεις τους στις αποκρίσεις, και χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι Arrhenius για τον προσδιορισμό των κινητικών παραμέτρων αποσύνθεσης, συμπεριλαμβανομένης της τάξης αντίδρασης, του χρόνου αποσυντεθειμένου κλάσματος και της σταθεράς ταχύτητας.[20]
5.6 Συνοπτικός πίνακας
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τα προφίλ καταπόνησης και ενδεικτικές ποσοτικές επιπτώσεις που αναφέρονται για μοναδιαίες διεργασίες που επιβάλλουν υψηλή διάτμηση ή/και έντονη θερμική έκθεση.
| Unit operation | Stress descriptors reported | Quantitative examples in included sources | Implications for thermolabile actives |
|---|---|---|---|
| Ανάδευση υψηλής διάτμησης | Ταχύτητα περιστροφής· αύξηση θερμοκρασίας με την ταχύτητα[13] | Η θερμοκρασία εξόδου αυξάνεται σε 41 ± 1.2 °C στις 20,000 rpm (10 min)[13]· το L-ascorbic acid μειώθηκε κατά 42.6% στις 20,000 rpm[13] | Η θέρμανση που προκαλείται από τη διάτμηση μπορεί να συν-οδηγήσει σε οξείδωση και θερμική αποικοδόμηση ακόμη και χωρίς εξωτερική θέρμανση[13] |
| Ομογενοποίηση υψηλής πίεσης | Πίεση >100 MPa· διάτμηση βαλβίδας· σπηλαίωση/τυρβώδης ροή[14] | Αναφέρθηκαν μειώσεις πολυφαινολών υπό 100–300 MPa σε χυμούς (π.χ. 10.6% στα 100 MPa σε χυμό μήλου)[14] | Απαιτεί έλεγχο της θερμοκρασίας εισόδου, των περασμάτων, του οξυγόνου και της ενζυμικής δραστηριότητας για τον περιορισμό της απώλειας που οφείλεται στην οξείδωση[14] |
| Μικρορευστοποίηση | Πίεση και αριθμός κύκλων[2] | 148 MPa και επτά κύκλοι αποδίδουν σταγονίδια ~105 nm· συγκράτηση φαινολικών ενώσεων 68.6% μετά από 35 d αποθήκευσης[2] | Επιτρέπει συστήματα ενθυλάκωσης μικρών σταγονιδίων που μπορούν να διατηρήσουν τις φαινολικές ενώσεις κατά την αποθήκευση και πιθανώς κατά τις μεταγενέστερες διεργασίες[2] |
| UHPH | >200 MPa (τυπικά 300 MPa)· ακραία διάτμηση/προσκρούσεις· <0.2 s χρόνος παραμονής στη βαλβίδα· τοπική θερμοκρασία βαλβίδας συχνά >75 °C[34] | Αναφέρεται νανοκατακερματισμός στα 100–500 nm[34] | Ο εξαιρετικά σύντομος χρόνος παραμονής μπορεί να περιορίσει τη θερμική αποικοδόμηση μικρών μορίων παρά την τοπική θέρμανση, αλλά οι επιδράσεις της διάτμησης/οξείδωσης πρέπει να επικυρώνονται ανά ένωση[34] |
| Μηχανοχημική άλεση | Συχνότητα και χρόνος· αμορφοποίηση και σχηματισμός αλληλεπιδράσεων[15] | 30 Hz για 20 min παρήγαγαν ASDs fisetin με μετρήσιμες τιμές Tg και ενδείξεις δεσμών υδρογόνου[15] | Μπορεί να δημιουργήσει άμορφες καταστάσεις που μεταβάλλουν τη σταθερότητα· η Tg γίνεται βασική παράμετρος ελέγχου για την αποθήκευση/επεξεργασία[15] |
| Ξήρανση με ψεκασμό | Θερμοκρασίες εισόδου/εξόδου· έκθεση σε οξυγόνο/θερμότητα[3] | Είσοδος 150 ± 5 °C και έξοδος 90 ± 5 °C χρησιμοποιήθηκαν για σκόνες ενθυλακωμένου εκχυλίσματος[3] | Η θερμική και οξειδωτική έκθεση μπορεί να μειώσει τις (πολυ)φαινόλες· η προστατευτική ενθυλάκωση μπορεί να βελτιώσει τη συγκράτηση και τη βιοπροσβασιμότητα[3] |
6. Ολοκληρωμένα μοντέλα σταθερότητας–διεργασιών
Οι συμπεριλαμβανόμενες πηγές παρέχουν τα δομικά στοιχεία για ένα ολοκληρωμένο προβλεπτικό πλαίσιο, στο οποίο τα αποτελέσματα σταθερότητας υπολογίζονται από τα θερμικά ιστορικά των μοναδιαίων διεργασιών και τα φυσικοχημικά μικροπεριβάλλοντα (pH, οξυγόνο, ενεργότητα νερού), τηρώντας παράλληλα τα θερμοδυναμικά όρια μετάβασης.[4, 14]
6.1 Χαρτογράφηση χρόνου–θερμοκρασίας–διάτμησης
Μια πρακτική προσέγγιση χαρτογράφησης μπορεί να χρησιμοποιήσει την κινητική (k, (E_a), χρόνο ημιζωής) σε συνδυασμό με μετρημένα ή συναγόμενα προφίλ χρόνου–θερμοκρασίας των μοναδιαίων διεργασιών για τον υπολογισμό της αναμενόμενης μετατροπής, χρησιμοποιώντας παράλληλα τα όρια μετάβασης κατάστασης (Tg, έναρξη τήξης, έναρξη αποσύνθεσης) ως όρια που ενδέχεται να μεταβάλουν τους μηχανισμούς ή να αυξήσουν τους ρυθμούς.[4, 15]
Για παράδειγμα, ένα μοντέλο ψευδο-πρώτης τάξης σε φάση διαλύματος για το NRCl μπορεί να παραμετροποιηθεί χρησιμοποιώντας τις ενέργειες ενεργοποίησης Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) και την παρατήρηση ότι μια αύξηση κατά 10 °C σχεδόν διπλασιάζει την k_obs, επιτρέποντας τη μεταφορά από επικυρωμένα πειράματα σε ρυθμιστικά διαλύματα σε σύντομες θερμικές αποκλίσεις κατά την παραγωγική διαδικασία.[4]
Για την curcumin, η θερμοκρασιακή ευαισθησία μπορεί να παραμετροποιηθεί χρησιμοποιώντας την τιμή (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 σε pH 8.0 και την αναφερόμενη ισχυρή εξάρτηση της k_obs από το pH, στοιχεία που επιτρέπουν από κοινού την πρόβλεψη των απωλειών κατά τη διάρκεια παραμονής σε υδατικά μέσα ή θερμαινόμενων σταδίων γαλακτωματοποίησης όπου το τοπικό pH είναι ουδέτερο-βασικό.[10]
Για το trans-resveratrol, η καθοδηγούμενη από το pH κατάρρευση του χρόνου ημιζωής (από εκατοντάδες ημέρες σε λεπτά καθώς αυξάνεται το pH) υποδηλώνει ότι τα αποτελέσματα σταθερότητας κατά την επεξεργασία ενδέχεται να καθορίζονται κυρίως από το pH του μικροπεριβάλλοντος παρά από τη συνολική θερμοκρασία του όγκου, ενώ η μοντελοποίηση Arrhenius σε pH 7.4 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκθέσεις σε ήπιες θερμοκρασίες με (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD και χώρος σχεδιασμού
Η ερμηνεία βάσει Quality-by-Design υποστηρίζεται από μελέτες που αξιολογούν ρητά πώς οι παράμετροι της διεργασίας και οι μήτρες της σύνθεσης μεταβάλλουν τους μηχανισμούς αποικοδόμησης, συμπεριλαμβανομένων των ευρημάτων ότι οι δοκιμές επιταχυνόμενης σταθερότητας ενδέχεται να αποτύχουν να προβλέψουν τον χρόνο ζωής όταν εμφανίζεται μη Arrhenius συμπεριφορά ή επιδράσεις της μήτρας.[7, 29]
Για τα δισκία resveratrol, το συμπέρασμα ότι οι προσεγγίσεις Arrhenius μπορούν να υπερεκτιμήσουν την αποικοδόμηση στις δοκιμές επιταχυνόμενης σταθερότητας υπαγορεύει τον καθορισμό των χώρων σχεδιασμού με τη χρήση τόσο της μηχανιστικής κατανόησης όσο και δεδομένων πολλαπλών θερμοκρασιών, αντί για μία μόνο συνθήκη επιταχυνόμενης σταθερότητας.[7, 29]
Για τα συστήματα δεικτών flavonoid που έχουν υποστεί ξήρανση με ψεκασμό, αναφέρεται ρητά ότι τα έκδοχα επηρεάζουν την κινητική τάξη και τις τιμές του χρόνου έως την αποικοδόμηση κλάσματος (time-to-fraction-decomposed), υποδεικνύοντας ότι η σύνθεση του σκευάσματος αποτελεί μέρος του χώρου σχεδιασμού σταθερότητας και όχι ένα σταθερό υπόβαθρο.[20]
6.3 PAT και αναλυτική ειδικότητα
Η ακριβής παρακολούθηση της διεργασίας απαιτεί αναλυτική ειδικότητα, καθώς τα προϊόντα αποικοδόμησης μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα σε απλούστερες φασματοσκοπικές αναλύσεις, ιδιαίτερα για τις polyphenols.[12]
Για το trans-resveratrol, η ειδικότητα των HPLC και UPLC αναφέρεται ως επιβεβαιωμένη, ενώ η φασματοσκοπία UV/VIS οδήγησε σε ψευδώς υψηλότερες συγκεντρώσεις trans-resveratrol υπό συνθήκες όπου δεν ήταν σταθερό (αλκαλικό pH, φως, αυξημένη θερμοκρασία), υπογραμμίζοντας την ανάγκη για μεθόδους προσδιορισμού σταθερότητας (stability-indicating methods) 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 διεπιφάνειες ή τοποθετούν το δραστικό συστατικό σε λιγότερο δραστικά μικροπεριβάλλοντα.[10, 13, 17]
7.1 Εγκλεισμός και διασπορές
Ο εγκλεισμός σε μικκυλιακά ή σωματιδιακά συστήματα μπορεί να σταθεροποιήσει σημαντικά θερμοευαίσθητες ενώσεις περιορίζοντας την επαφή με το νερό, το οξυγόνο και τα δραστικά είδη και μεταβάλλοντας την οξεοβασική προσβασιμότητα βασικών λειτουργικών ομάδων.[1, 10]
Για το curcumin, 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 υδροξυλίων εντός ενός υδρόφοβου μικκυλιακού πυρήνα, η οποία περιγράφεται ως το πρώτο βήμα της αποδόμησης.[10]
Τα γαλακτώματα Pickering παρέχουν ένα φυσικό φράγμα: η παρουσία ενός πυκνού φυσικού φράγματος στη διεπιφάνεια αναφέρεται ότι εμποδίζει την αποδόμηση του curcumin, και ποσοτικά το σύστημα σχηματισμού φράγματος παρατείνει τον χρόνο ημιζωής αποθήκευσης από 13 days σε 28 days 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 κλαθρικά σύμπλοκα resveratrol–β-cyclodextrin εμφανίζουν θερμικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένης της απελευθέρωσης νερού κοντά στους 50 °C και φαινομένων αποδόμησης σε υψηλότερες θερμοκρασίες, και οι ελεύθερες ενέργειες δέσμευσης (π.χ. −86 kJ·mol−1 μέσω MM/PBSA) ποσοτικοποιούν τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις εγκλεισμού.[25]
Ο εγκλεισμός του resveratrol σε νανοσπόγγους εξαλείφει το ενδόθερμο τήξης DSC και παρέχει φωτοπροστασία: το ελεύθερο resveratrol εμφανίζει αποδόμηση 59.7% εντός 15 min υπό έκθεση σε UV, ενώ οι νανοσπόγγοι resveratrol παρέχουν περίπου διπλάσια προστασία, σε συμφωνία με τον εγκλεισμό που αποτρέπει την απευθείας έκθεση σε UV.[16]
Οι άμορφες στερεές διασπορές μπορούν να σχεδιαστούν μέσω μηχανοχημικής άλεσης, και ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ του fisetin και των εστερικών ομάδων του Eudragit® προσδιορίζεται ρητά, παρέχοντας μια μηχανιστική βάση για την αναμιξιμότητα και την τροποποιημένη Tg που μπορεί να σταθεροποιήσει έναντι αλλαγών στη συμπεριφορά διάλυσης που εξαρτώνται από την κρυστάλλωση.[15]
7.2 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 αντίδρασης και οι χρόνοι αποδομημένου κλάσματος διαφέρουν ανάλογα με τα μείγματα εκδόχων, υποδεικνύοντας κινητική αποδόμησης εξαρτώμενη από τα έκδοχα.[20]
Τα πρωτεϊνικά συν-συστατικά μπορούν να σταθεροποιήσουν τα φλαβονοειδή μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, μειώνοντας τις τιμές k για το fisetin και το quercetin, και η διάσπαση αυτών των αλληλεπιδράσεων από SDS υποστηρίζει την ερμηνεία ότι η υδρόφοβη σύνδεση αποτελεί βασικό μηχανισμό σταθεροποίησης.[24]
7.3 Μηχανικοί έλεγχοι 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 αποδόμηση, υποστηρίζοντας αυστηρά ανώτατα όρια στη θερμοκρασία και στον χρόνο παραμονής σε θερμαινόμενες διεργασίες στερεάς κατάστασης.[4]
Για το NRH, η διαφορά μεταξύ του χρόνου ημιζωής στον αέρα και στο N2 στους 25 °C υποδηλώνει ότι η αδρανοποίηση και ο αποκλεισμός του οξυγόνου μπορεί να είναι καθοριστικής σημασίας, και οι συγγραφείς αναφέρουν ότι τα δείγματα υπό στρώμα N2 στους 4 °C δεν εμφανίζουν ανιχνεύσιμη αποδόμηση μετά από 60 days, ενώ τα δείγματα στους 4 °C στον αέρα εμφανίζουν αποδόμηση ~10%.[5]
Για την ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης, η άμεση παρατήρηση ότι η αύξηση των rpm αυξάνει τη θερμοκρασία εξόδου και σχετίζεται με μεγαλύτερη απώλεια του ευαίσθητου στην οξείδωση ascorbic acid υποστηρίζει μηχανικά μέτρα που περιορίζουν τη θέρμανση λόγω διάτμησης (π.χ. μανδύες ψύξης, μικρότεροι χρόνοι ανάμειξης, 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 φαινολικές ενώσεις υποστηρίζει επιλογές όπως η μείωση της θερμοκρασίας εξόδου όταν είναι εφικτό και η χρήση εγκλεισμού για τη μείωση της ευαισθησίας στην οξείδωση και τη θερμότητα.[3]
7.4 Αντιοξειδωτικά και διαχείριση οξυγόνου
Οι στρατηγικές αντιοξειδωτικών και διαχείρισης οξυγόνου υποστηρίζονται μηχανιστικά σε όλα τα σύνολα δεδομένων πολυφαινολών.[12, 22]
Για το quercetin στους 90 °C, αντιοξειδωτικά όπως η cysteine μειώνουν το k, με 200 µmol·L−1 cysteine να επιφέρει μείωση του k κατά ~43% σε σύγκριση με τον μάρτυρα, και η μηχανιστική ερμηνεία εξετάζει τη σταθεροποίηση του quercetin quinone και τα φαινόμενα εξουδετέρωσης ελεύθερων ριζών.[22]
Για το trans-resveratrol, αναφέρεται ρητά ότι το οξυγόνο προάγει αντιδράσεις ριζών που οδηγούν σε αποδόμηση, υποστηρίζοντας αδρανείς ατμόσφαιρες επεξεργασίας ή φράγματα οξυγόνου όπου είναι εφικτό για αλκαλική/ουδέτερη υδατική επεξεργασία.[12]
Σε λιποσωμικά συστήματα, αναφέρεται ότι το resveratrol περιορίζει την οξείδωση του stigmasterol εξουδετερώνοντας τις ελεύθεες ρίζες και ενσωματώνεται στις λιπιδικές διπλοστιβάδες αυξάνοντας τη δυσκαμψία, μειώνοντας τη διαπερατότητα στο οξυγόνο και στους οξειδωτικούς παράγοντες, ενισχύοντας έτσι τη θερμική και οξειδωτική σταθερότητα του συστήματος.[35]
8. Συζήτηση
Σε όλη τη βάση τεκμηρίωσης 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 ήπιες θερμοκρασίες, και ότι διάφορα βιοδραστικά εμφανίζουν απότομες ασυνέχειες σταθερότητας σε συγκεκριμένα όρια θερμικής μετάπτωσης.[4, 5, 12]
Για τους προδρόμους NAD+, το σύνολο δεδομένων NRCl αναδεικνύει 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 σε τήξη που ακολουθείται αμέσως από ταχεία αποσύνθεση.[4]
Για τη resveratrol, 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 προάγει αντιδράσεις ελεύθερων ριζών, υποδεικνύοντας ότι οι διεργασίες υψηλής διάτμησης που αυξάνουν τη μεταφορά οξυγόνου και την τοπική αλκαλικότητα θα μπορούσαν να είναι δυσανάλογα επιζήμιες ακόμη και αν η συνολική θερμοκρασία της μάζας παραμένει ήπια.[12]
Για τα φλαβονοειδή, η οξείδωση μέσω ενδιάμεσων κινόνων και οι εξαρτώμενοι από το pH μηχανισμοί αποπρωτονίωσης (quercetin) συνδυάζονται με την οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία και τη σύζευξη αλυσίδας ριζών (π.χ. οξυγόνο συν cholesterol), υποδηλώνοντας ότι τα σκευάσματα που περιέχουν λιπίδια και η έκθεση σε οξυγόνο μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά τις οδούς οξειδωτικής απώλειας.[22, 26]
Για την curcumin, υπάρχει μια μηχανιστική ένταση μεταξύ των θεωριών που βασίζονται στην υδρόλυση (σε ορισμένες εργασίες με ρυθμιστικά διαλύματα GI) και εκείνων που βασίζονται στην αυτοξείδωση (σε εργασίες εστιασμένες σε μικκύλλια), 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, παράγοντας θερμότητα και αυξάνοντας την οξειδωτική ευαισθησία· αυτό αποδεικνύεται άμεσα στην ομογενοποίηση υψηλής διάτμησης, όπου η ταχύτητα περιστροφής αυξάνει τη θερμοκρασία εξόδου και συμπίπτει με την οξειδωτική απώλεια του ascorbic acid.[13]
Οι HPH/UHPH εισάγουν πρόσθετη πολυπλοκότητα επειδή η περιοχή της βαλβίδας επιβάλλει ακραία διάτμηση, σπηλαίωση και τύρβη, και μπορεί να δημιουργήσει υψηλές τοπικές θερμοκρασίες, αν και οι χρόνοι παραμονής μπορεί να είναι πολύ σύντομοι (π.χ. <0.2 s στις περιγραφές UHPH), υποδηλώνοντας ότι τα χημικά αποτελέσματα ενδέχεται να εξαρτώνται από το εάν η αποικοδόμηση ελέγχεται από ταχείες διεργασίες ριζών, βήματα περιορισμένης διάχυσης ή βραδύτερα βήματα θερμικής ενεργοποίησης.[14, 34]
Τέλος, διάφορες πηγές επισημαίνουν ότι η μοντελοποίηση σταθερότητας πρέπει να επικυρώνεται μηχανιστικά στη σχετική μήτρα: τα δεδομένα δισκίων resveratrol εμφανίζουν συμπεριφορά μη-Arrhenius και φαινόμενα μήτρας που περιορίζουν τη γενική παρέκταση Arrhenius από επιταχυνόμενες δοκιμές, και οι δείκτες φυτικών εκχυλισμάτων ξηρανθέντων με ψεκασμό εμφανίζουν κινητικές τάξεις εξαρτώμενες από τα έκδοχα και χρόνους αποσυντεθειμένου κλάσματος.[7, 20]
9. Συμπεράσματα
Οι ποσοτικοί θερμοδυναμικοί δείκτες μετάβασης (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 θερμοευαίσθητων ενώσεων μακροζωίας και σχετικών βιοδραστικών συστατικών.[4, 8, 9]
Για τους προδρόμους NAD+, το NRCl εμφανίζει ένα στενό παράθυρο θερμικής επεξεργασίας πλησίον της τήξης, ακολουθούμενο από ταχεία αποσύνθεση, ενώ η υδατική κινητική εμφανίζει συμπεριφορά ψευδο-πρώτης τάξης εξαρτώμενη από το pH, με ενέργειες ενεργοποίησης 75–83 kJ·mol−1 που μπορούν να παραμετροποιήσουν μοντέλα θερμικής έκθεσης.[4]
Για τη resveratrol, το pH και το οξυγόνο αποτελούν κυρίαρχες μεταβλητές, με τον χρόνο ημιζωής να καταρρέει από εκατοντάδες ημέρες σε όξινο pH σε λεπτά σε υψηλό pH, ενώ οι μήτρες μορφοποίησης μπορούν να προκαλέσουν συμπεριφορά μη-Arrhenius που περιπλέκει την παρέκταση των επιταχυνόμενων δοκιμών.[7, 12]
Για τα φλαβονοειδή και τα κουρκουμινοειδή, οι οδοί οξείδωσης (ενδιάμεσα κινόνης για την quercetin, αυτοξείδωση για την curcumin) καθιστούν αναγκαίο τον έλεγχο του οξυγόνου και τις στρατηγικές υδρόφοβης ενθυλάκωσης, οι οποίες αποδεικνύεται ποσοτικά ότι παρατείνουν τον χρόνο ημιζωής κατά τάξεις μεγέθους σε μικκυλιακά συστήματα και σημαντικά σε γαλακτώματα Pickering που παράγονται υπό ανάδευση υψηλής διάτμησης.[1, 10, 22, 32]
Για τις μοναδιαίες διεργασίες υψηλής διάτμησης, τα διαθέσιμα στοιχεία δείχνουν ότι η διάτμηση μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία και να προωθήσει την οξείδωση (ανάδευση υψηλής διάτμησης) και ότι οι διεργασίες υψηλής πίεσης που βασίζονται σε βαλβίδες παράγουν ακραία διάτμηση και σπηλαίωση, με την πίεση, τον αριθμό περασμάτων και τη θερμοκρασία εισόδου ως βασικές μεταβλητές καταπόνησης· αυτές οι γνώσεις υποστηρίζουν την εφαρμογή χαρτογράφησης χρόνου–θερμοκρασίας–διάτμησης και PAT με τη χρήση αναλυτικών μεθόδων ενδεικτικών της σταθερότητας.[12–14]
Σύγκρουση συμφερόντων
Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι δεν υπάρχει σύγκρουση συμφερόντων.[20]
