Resumen
Los compuestos termolábiles asociados a la longevidad y los bioactivos polifenólicos experimentan con frecuencia estrés térmico, oxidativo, de pH y mecánico combinado durante la fabricación (p. ej., mezclado de alto cizallamiento, homogeneización a alta presión y secado por atomización), lo que puede acelerar la degradación química y reducir la potencia suministrada. Por lo tanto, se requieren parámetros cuantitativos de estabilidad relevantes para el proceso con el fin de definir espacios de diseño viables para la fabricación y guiar las estrategias de formulación protectora.[1–3]
Los métodos de la presente síntesis se centran en la evidencia cuantitativa extraída de estudios que reportan (i) transiciones termodinámicas/térmicas por DSC/TGA (fusión, inicio de la descomposición, transiciones vítreas y comportamiento de pérdida de masa por etapas) y (ii) cinética de degradación (modelos de pseudo-primer orden/primer orden, energías de activación de Arrhenius, dependencias del pH y medidas del tiempo de descomposición fraccional) para precursores de NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (sistemas relacionados con resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) y curcuminoids.[4–11]
Los resultados muestran que varios compuestos de longevidad representativos presentan ventanas de procesamiento térmico estrechas en estados físicos específicos. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) exhibe un inicio de fusión a 120.7 ± 0.3 °C con una rápida descomposición post-fusión (p. ej., 98% de degradación a 130 °C por qNMR), mientras que la degradación acuosa sigue una cinética de pseudo-primer orden con energías de activación de 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ según el pH.[4]
Para trans-resveratrol, la cinética de degradación es fuertemente dependiente del pH y de la temperatura (p. ej., el tiempo de vida media disminuye de 329 días a pH 1.2 a 3.3 minutos a pH 10), y la extrapolación de los ensayos acelerados puede no seguir el comportamiento de Arrhenius en matrices de comprimidos.[7, 12]
Las operaciones unitarias de alto cizallamiento pueden inducir calentamiento local y entornos oxidativos, como se demuestra en la homogeneización de alto cizallamiento, que incrementa la temperatura de salida con la velocidad de rotación y coincide con una pérdida del 42.6% de ascorbic-acid a 20,000 rpm, y en los mecanismos de homogeneización a alta presión, que involucran cizallamiento de válvula, cavitación y turbulencia a >100 MPa.[13, 14]
Las conclusiones destacan la integración de los datos de transición termodinámica (DSC/TGA/Tg) con modelos cinéticos (métodos de Arrhenius, no Arrhenius e isoconversionales) para generar mapas de tiempo-temperatura-cizallamiento y seleccionar racionalmente estrategias de mitigación que incluyan encapsulación, dispersiones sólidas amorfas, sistemas de ciclodextrina/nanoesponjas, control de oxígeno y minimización de cizallamiento/temperatura.[15–18]
Palabras clave: bioactivos termolábiles; cinética de degradación; Arrhenius; DSC; TGA; homogeneización a alta presión; secado por atomización; precursores de NAD⁺
1. Introducción
Los compuestos relacionados con la longevidad se formulan cada vez más como nutracéuticos, alimentos funcionales y sistemas de liberación avanzada, lo que impulsa rutas de fabricación que exponen a los principios activos a factores de estrés combinados, que incluyen calentamiento, contacto con el oxígeno, actividad de agua, variaciones de pH y un aporte de energía mecánica intensa.[3, 5, 14, 19]
Para las sustancias químicas precursoras de NAD⁺, la estabilidad en solución acuosa y en estado sólido es fundamental, ya que la reactividad puede ocurrir mediante la hidrólisis de motivos glucosídicos o unidos por fosfato, y porque las temperaturas de procesamiento pueden superar los umbrales de transición de estado sólido que preceden a una descomposición rápida.[4, 6]
Para los polifenoles y activos botánicos relacionados, los condicionantes de estabilidad incluyen la autoxidación, la epimerización y la oxidación enzimática a quinonas, las cuales son sensibles a la temperatura, el pH, los iones metálicos y la disponibilidad de oxígeno durante el procesamiento.[17]
Una implicación práctica es que el diseño del proceso de fabricación no puede basarse únicamente en la temperatura nominal del producto a granel; en su lugar, debe integrar (i) indicadores termodinámicos como la transición vítrea, la fusión y el inicio de la descomposición, y (ii) modelos cinéticos que capturen la dependencia de la degradación respecto al tiempo, la temperatura, el pH, el oxígeno y (donde sea medible) el aporte de energía mecánica.[4, 9, 10, 14, 15]
Este artículo sintetiza evidencia cuantitativa sobre compuestos representativos para la longevidad y bioactivos relacionados para los cuales las fuentes incluidas proporcionan transiciones termodinámicas y/o parámetros cinéticos explícitos, y vincula dichos datos con los perfiles de estrés de operaciones unitarias de alto cizallamiento, incluyendo el mezclado de alto cizallamiento, la homogeneización a alta presión/microfluidización, la molienda mecanoquímica y el secado por atomización.[1, 14, 15, 20]
2. Marco termodinámico
La estabilidad termodinámica en contextos de fabricación se evalúa operativamente mediante eventos térmicos medibles (DSC/TGA) y descriptores de estado (p. ej., amorfo frente a cristalino; temperatura de transición vítrea) que indican cuándo un compuesto o formulación transiciona hacia estados con mayor movilidad molecular y, por tanto, mayores velocidades de reacción o mecanismos diferentes.[4, 9, 15]
2.1 Energía libre de Gibbs y estabilidad de fase
Diversas fuentes incluidas calculan explícitamente los cambios de energía libre de Gibbs para procesos de degradación o destrucción térmica, proporcionando una medida termodinámica de la viabilidad bajo condiciones específicas.[8, 19]
Para el borato de NR, la espontaneidad de la degradación se evaluó mediante un cálculo de energía libre de Gibbs, con un ΔG reportado de 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]
Para la rutina y los ésteres de ácidos grasos de rutina bajo condiciones pirolíticas, los valores de ΔG fueron positivos (84–245 kJ·mol⁻¹) junto con valores de ΔH también positivos (60–242 kJ·mol⁻¹), lo que indica un perfil de pirólisis endotérmico y no espontáneo en el análisis reportado.[8]
En términos de formalismo cinético, diversas fuentes también aplican relaciones de estado de transición y energía libre, como el uso de para interpretar la activación de la hidrólisis en un sistema complejo de curcumin spiroborate.[21]
2.2 Transición vítrea, fusión e inicio de la descomposición
DSC y TGA proporcionan marcadores complementarios del riesgo del proceso: los eventos de fusión o ablandamiento pueden aumentar drásticamente la difusión y permitir una rápida conversión química, y el inicio de la pérdida de masa por TGA puede indicar el comienzo de una descomposición irreversible incluso en el estado sólido aparente.[4, 9, 15]
Para el NRCl, la DSC indica un inicio de la fusión a 120.7 ± 0.3 °C y un pico de fusión a 125.2 ± 0.2 °C, seguido de un evento exotérmico agudo e inmediato que alcanza su máximo a 130.8 ± 0.3 °C.[4]
En consonancia con la secuencia de eventos de la DSC, la cuantificación por qNMR muestra una degradación limitada a 115 °C (2%), pero una pérdida rápida en la región de fusión y por encima de ella (7% a 120 °C; 55% a 125 °C; 98% a 130 °C; quedando solo un 0.45% de NR a 140 °C).[4]
Para el NMN, una fuente reporta que el compuesto se descompone en lugar de exhibir una transición de fusión clara, comenzando la descomposición a 160 °C y completándose a 165 °C, con un pico endotérmico de DSC a 162 °C con una entalpía de descomposición de 184 kJ·mol⁻¹.[6]
Para quercetin, la interpretación combinada de DSC/TGA indica que una intensa endotermia de DSC (máximo a 303 °C) se atribuye erróneamente con frecuencia a la fusión, mientras que la TGA indica que la descomposición comienza a 230 °C y la endotermia se solapa con una pérdida de masa continua; el "calor de fusión" reportado para el pico de 303 °C es de 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
Para fisetin, la TGA muestra una pérdida de masa menor (~5%) atribuida a la evaporación de agua de la muestra cristalina y un evento de pérdida de masa mayor (~30.6%) a 369.6 °C atribuido a la descomposición de la molécula.[15]
Para curcumin bajo nitrógeno inerte, un estudio reporta que el curcumin crudo exhibe un proceso de descomposición complejo que comienza alrededor de los 240 °C (5% de pérdida de masa) con un pico de DTGA a 347 °C y un 37% de residuo remanente a 600 °C (a 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Estabilidad amorfa y cristalina
Las formulaciones amorfas pueden mejorar la solubilidad y la biodisponibilidad, pero pueden alterar el comportamiento térmico y la estabilidad al aumentar la movilidad molecular en comparación con las formas cristalinas, lo que convierte a la temperatura de transición vítrea (Tg) en un parámetro crítico de estabilidad.[15, 16]
Las dispersiones sólidas amorfas (ASDs) de fisetin preparadas mecanoquímicamente muestran valores de Tg medibles en los segundos barridos de calentamiento y demuestran cambios de composición en la Tg consistentes con la miscibilidad: el Eudragit® L100/EPO puro muestra una Tg de 147.1/55.4 °C, mientras que las ASDs de fisetin muestran valores de Tg como 144.2/71.8 °C y 145.9/76.7 °C dependiendo del polímero y de la carga de fármaco.[15]
Para las nanoesponjas de resveratrol y oxyresveratrol, la DSC muestra que la endotermia de fusión del resveratrol (266.49 °C) desaparece en las formulaciones de nanoesponjas, lo que los autores atribuyen a la encapsulación y posible amorfización de las moléculas de fármaco dentro de la matriz de la nanoesponja.[16]
Para quercetin, se propone que los enlaces de hidrógeno tanto restringen el ablandamiento de tipo fusión como facilitan la descomposición a través del debilitamiento de los enlaces, y la interpretación combinada de DSC/TGA concluye que quercetin no se funde simplemente, sino que experimenta una descomposición y un ablandamiento/relajación estructural solapados en el rango de 150–350 °C.[9]
3. Modelos y parámetros de cinética de degradación
Las fuentes incluidas utilizan una gama de modelos cinéticos (formas de primer orden, pseudo-primer orden, orden superior o sigmoidales) y tratamientos de dependencia de la temperatura (comportamiento de Arrhenius y, en algunos casos, no Arrhenius), a menudo motivados por la dependencia del pH y la degradación compleja por múltiples vías.[4, 7, 22]
3.1 Modelos de orden de reacción
Una línea de base ampliamente utilizada para la degradación en fase de solución es el modelo integrado de primer orden, que aparece en múltiples estudios incluidos como un ajuste primario para los datos de concentración-tiempo bajo pH y temperatura controlados.[4, 11, 12]
Para el NRCl en soluciones acuosas tamponadas, la degradación se describe como de pseudo-primer orden, y esta forma de pseudo-primer orden se justifica porque los sistemas tampón mantienen las concentraciones de OH⁻/H₃O⁺ en gran exceso y aproximadamente constantes en relación con la concentración de NR.[4, 23]
Para fisetin y quercetin en tampón fosfato, los resultados informados se presentan como constantes de velocidad de degradación de primer orden k (h⁻¹) que aumentan fuertemente con el pH y la temperatura.[24]
Para quercetin a 90 °C cerca de un pH neutro (6.5–7.5), se implementó un modelo sigmoidal y se comparó con un modelo de primer orden, donde el modelo sigmoidal proporcionó valores de k entre 2.3–2.5× más altos que los ajustes de primer orden y una interpretación diferente de la semivida a pH 7.5.[22]
Para los marcadores de extractos vegetales secados por atomización, se informaron diferentes órdenes de reacción aparentes según los sistemas de excipientes, incluidos modelos de orden cero y de segundo orden para kaempferol (en sistemas binarios de excipientes) y un modelo de segundo orden para quercetin en diversos excipientes.[20]
3.2 Tratamientos de Arrhenius y Eyring
La dependencia de la temperatura se modela con frecuencia mediante expresiones de tipo Arrhenius, y múltiples fuentes calculan explícitamente las energías de activación para parametrizar las predicciones de vida útil y la exposición térmica del proceso.[4, 10, 12]
Para la degradación de NRCl en solución acuosa, las energías de activación de Arrhenius informadas son de 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ a pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ a pH 5.0 y 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ a pH 7.4.[4]
Para trans-resveratrol a pH 7.4, se informa que el análisis de Arrhenius es log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) con una energía de activación calculada de 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]
Para curcumin en una mezcla de tampón/metanol a pH 8.0, el análisis de Arrhenius entre 37–60 °C da como resultado una Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]
Para curcumin en medios acuosos de relevancia GI, los gráficos de Arrhenius muestran una alta linealidad entre 37–80 °C (valores de r² informados como 0.9967, 0.9994, 0.9886 para diferentes medios), con energías de activación informadas de 16.46, 12.32 y 9.75 kcal·mol⁻¹ para pH 7.4, pH 6.8 y 0.1 N HCl, respectivamente.[11]
El análisis de Eyring también aparece en el estudio de descomposición hidrolítica de un éster espiroborato de curcumin (CBS), donde se informa que un gráfico de Eyring muestra una relación lineal con una correlación de 0.9988.[21]
3.3 Métodos isoconversionales y libres de modelo
Varios estudios de degradación térmica aplican métodos isoconversionales (p. ej., KAS, FWO, Friedman) para calcular las energías de activación dependientes de la conversión y, de este modo, identificar la descomposición en múltiples etapas y los cambios de mecanismo.[8, 18, 25]
Para rutin y los ésteres de ácidos grasos de rutin, las energías de activación varían sustancialmente con el grado de conversión en el rango de 0.05 < α < 0.90, con rangos informados de 65 a 246 kJ·mol⁻¹; los autores interpretan esto como evidencia de que la degradación térmica procede a través de un proceso no simple con múltiples etapas.[8]
Para los clatratos de resveratrol–β-ciclodextrina, la energía de activación aumenta con el grado de transformación, con incrementos informados de 110 a 130 kJ·mol⁻¹ (método OFW) y de 120 a 170 kJ·mol⁻¹ (método Friedman), lo que se interpreta como indicador de un cambio en el mecanismo de reacción a medida que avanza la descomposición.[25]
Para los sistemas poliméricos cargados con curcumin bajo nitrógeno, las energías de activación derivadas mediante múltiples enfoques (Kissinger, KAS, Friedman y ajuste de modelos) muestran magnitudes ampliamente consistentes (p. ej., 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ por Kissinger; 77 ± 2 por KAS; 84 ± 3 por Friedman), y la selección del modelo indica un modelo cinético F1 con energías en el rango de 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Degradación termo-mecánica y oxidativa acoplada
Las operaciones de fabricación de alto cizallamiento pueden acoplar la disipación de energía mecánica al calentamiento local y a una transferencia de oxígeno mejorada, amplificando así las vías impulsadas por la oxidación en bioactivos sensibles al oxígeno.[13, 14, 17]
En la homogeneización de alto cizallamiento de un sistema de bebida, la temperatura de salida aumenta notablemente con la velocidad de rotación (p. ej., de 4.1 ± 0.7 °C a 0 rpm a 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm), y a la velocidad más alta, el ascorbic acid se reduce en un 42.6%, lo que es consistente con que la degradación se ve promovida por la alta temperatura y la oxidación.[13]
En la homogeneización de alta presión (HPH), el mecanismo de procesamiento se atribuye explícitamente a la distribución de la tensión de cizallamiento en el orificio de la válvula, donde el movimiento del fluido se ve perturbado, y a fenómenos adicionales como cavitación, turbulencia, colisión e impacto, que juntos crean un estrés mecánico y potencialmente oxidativo intenso.[14]
El acoplamiento oxidativo también se demuestra en experimentos de oxidación térmica para quercetin: a 150 °C, la degradación de quercetin avanza más rápido bajo oxígeno que bajo nitrógeno (constantes de velocidad de 0.868 h⁻¹ frente a 0.253 h⁻¹) y se acelera fuertemente cuando cholesterol y oxígeno están presentes (constante de velocidad de 7.17 h⁻¹), lo que es consistente con un acoplamiento de cadena radicalaria entre la formación de hidroperóxido de cholesterol y la degradación de quercetin.[26]
Para NRH, el oxígeno y la temperatura ejercen un fuerte control: a 25 °C en agua DI, la velocidad de degradación informada es de 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ bajo aire (semivida de 63 días) en comparación con 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ bajo N₂ (semivida de 136 días), y los autores afirman que el NRH puede oxidarse en presencia de oxígeno e hidrolizarse rápidamente en condiciones ácidas.[5]
4. Revisión por clase de compuesto
La síntesis centrada en los compuestos presentada a continuación destaca parámetros cinéticos y termodinámicos cuantificados que pueden utilizarse directamente en modelos de fabricación, incluyendo energías de activación, constantes de velocidad, vidas medias, inicios de descomposición y restricciones relacionadas con la transición vítrea o la fusión.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Precursores de NAD⁺
La estabilidad de los precursores de NAD⁺ está fuertemente condicionada por la susceptibilidad a la hidrólisis y por una baja tolerancia a ciertas transiciones térmicas (particularmente para el NRCl en la región de fusión) y a la oxidación inducida por oxígeno (particularmente para formas reducidas como el NRH).[4, 5]
El NRCl muestra una cinética de degradación de pseudo-primer orden en soluciones acuosas y presenta energías de activación que varían con el pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), lo que codifica cuantitativamente tanto la sensibilidad térmica como la dependencia del pH de la vía de hidrólisis dominante.[4]
Se propone como base mecanística una hidrólisis catalizada por bases en la que el NR disminuye mientras que la nicotinamide (Nam) y el azúcar se acumulan, y se presentan pruebas de balance molar que indican que por cada molécula de NR que se degrada, se forman una molécula de nicotinamide y una de azúcar.[4]
En fluidos GI simulados a temperatura y agitación fisiológicas (pala USP II a 75 rpm y 37 °C), el NRCl muestra una pérdida a corto plazo relativamente limitada (por ejemplo, ~97–99% remanente después de 2 h en medio gástrico) pero una disminución medible a más largo plazo en una simulación de 24 h (79.18 ± 2.68% remanente a las 24 h, con un 90.51 ± 0.82% remanente a las 8 h).[4]
En estado sólido, el NRCl presenta una estrecha ventana de temperatura entre el inicio de la fusión y una rápida descomposición: el DSC reporta el inicio de la fusión a 120.7 ± 0.3 °C y un evento exotérmico posterior a ~130.8 °C, mientras que la qNMR cuantifica un fuerte aumento de la degradación desde el 2% a 115 °C hasta el 98% a 130 °C.[4]
Una fuente encuadra explícitamente estos datos como la provisión de un "límite superior explícito de temperatura para el procesamiento de NRCl" que puede afectar la producción de suplementos en diversas etapas, subrayando la relevancia de los umbrales de DSC/qNMR como restricciones estrictas en operaciones con calentamiento.[4]
El NR borate introduce una estrategia de estabilización motivada por la reactividad del NR: se describe que el NR posee un enlace N-glycosidic especialmente inestable que une un heterociclo de pyridinium cargado positivamente a un carbohidrato, lo que dificulta su síntesis, almacenamiento y transporte, y se describe que la estabilización con borate presenta una alta estabilidad frente a la degradación térmica y química.[19]
Cuantitativamente, la solubilidad de NR borate es fuertemente dependiente del pH (por ejemplo, 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ a pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ a pH 7.4), y se reporta que el modelo de Arrhenius muestra tasas de degradación más altas a pH 7.4 que a pH 1.5 o 5.0, de manera consistente con la influencia de la concentración de HO⁻.[19]
La misma revisión reporta una energía libre de Gibbs de degradación de NR borate de 2.43 kcal·mol⁻¹ y señala que un aumento de 10 °C duplica aproximadamente la velocidad de degradación bajo cualquier condición de pH, lo que refleja una sensibilidad a la temperatura observada para el NRCl.[4, 19]
El NRH presenta una pronunciada sensibilidad al pH y al oxígeno: se reporta una degradación completa en menos de un día a pH 5, mientras que a pH 9 las muestras muestran ~42–45% de degradación después de 60 días, y a 25 °C en agua DI bajo aire se reporta ~50% de degradación después de 60 días frente a ~27% bajo N₂.[5]
Esta sensibilidad al oxígeno se atribuye mecanísticamente a la oxidación en presencia de oxígeno y a la hidrólisis acelerada en condiciones ácidas, de manera consistente con la descripción del NRH como una molécula inestable debido a su enlace N-glycosidic y capaz de degradación, hidrólisis y oxidación.[5]
Para el NMN, los marcadores termodinámicos cuantitativos en estado sólido incluyen el inicio de la descomposición reportado a 160 °C que finaliza a los 165 °C (con un pico endotérmico de DSC a 162 °C y una entalpía de descomposición de 184 kJ·mol⁻¹), y datos de estabilidad acelerada que reportan una tasa de descomposición del 0.8% por mes a 40 °C y 75% de RH.[6]
En solución acuosa, se reporta que la degradación del NMN es de aparente primer orden a temperatura ambiente con una ecuación cinética lg(Ct)=0.0057t+4.8172 y tiempos reportados de t0.9=95.58 h y t1/2=860.26 h, y el estudio afirma que la velocidad de degradación está influenciada principalmente por la temperatura elevada y el pH.[27]
Para respaldar las restricciones prácticas de formulación, una fuente centrada en el producto recomienda la incorporación por debajo de 45 °C para prevenir la degradación térmica del enlace phosphodiester y reporta menos del 5% de degradación en pruebas aceleradas a 40 °C/75% de RH durante 3 meses para sistemas de bajo contenido de agua formulados adecuadamente.[28]
La vía principal de degradación del NMN se describe como la hidrólisis del enlace phosphodiester que rinde nicotinamide y ribose-5-phosphate, con dependencias del pH descritas como hidrólisis catalizada por ácidos por debajo de pH 4.5 y escisión mediada por bases por encima de pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoids
Los Stilbenoids incluyen el resveratrol y compuestos relacionados que presentan una marcada degradación dependiente del pH y del oxígeno, y su estabilidad en formulaciones reales puede diferir de la extrapolación simple de Arrhenius debido a efectos de matriz y a múltiples vías de reacción.[7, 12, 29]
En sistemas acuosos, se ha reportado que el trans-resveratrol es estable a pH ácido, mientras que la degradación aumenta exponencialmente por encima de pH 6.8, y el tiempo de vida media disminuye de 329 días a pH 1.2 a 3.3 minutos a pH 10.[12]
A pH 7.4, la cinética de degradación del trans-resveratrol sigue una cinética de primer orden a las distintas temperaturas investigadas, y la energía de activación reportada es de 84.7 kJ·mol−1.[12]
Se ofrece una explicación mecanística según la cual, a pH ácido, los grupos hidroxilo están protegidos de la oxidación por radicales mediante el H₃O⁺ con carga positiva, mientras que en condiciones alcalinas los iones fenato incrementan la susceptibilidad a la oxidación y a la formación de radicales fenoxilo, y el oxígeno en el medio promueve reacciones de radicales que conducen a la degradación.[12]
Experimentos independientes de estabilidad térmica en solución acuosa (19 mg·L−1) no reportan cambios espectrales significativos tras 30 min a temperaturas de hasta 70 °C, mientras que temperaturas más elevadas provocan una disminución general de la absorbancia a 304 nm y una reducción de la absorbancia en el rango de 270–350 nm, lo que indica una destrucción térmicamente inducida bajo condiciones hidrotérmicas.[30]
La interpretación mecanística de dichos experimentos hidrotérmicos propone la escisión oxidativa del doble enlace y la formación de productos de degradación que contienen fenol, tales como hidroxialdehídos, alcoholes e hidroxiácidos, y las bandas de FTIR se interpretan como consistentes con la formación de aldehídos y ácidos carboxílicos a 100–120 °C.[30]
En matrices de comprimidos, se reporta que la degradación del resveratrol sigue una cinética monoexponencial de primer orden con valores de k de 0.07140, 0.1937 y 0.231 months−1 a 25, 30 y 40 °C, respectivamente, pero la relación ln(k) frente a 1/T es no lineal y se clasifica como super-Arrhenius, y los autores proponen posibles reacciones secundarias, múltiples vías de reacción o efectos de matriz a temperaturas más altas.[7]
El mismo trabajo destaca que la extrapolación de Arrhenius no siempre permite determinar la cinética de degradación del resveratrol en suplementos y que las pruebas aceleradas pueden dar lugar a estimaciones incorrectas, incluida la sobreestimación de la degradación.[7]
Para compuestos fenólicos de tipo estilbeno en sistemas secos, los tratamientos térmicos como la esterilización por vapor a 121 °C durante 20 min producen pérdidas medibles (por ejemplo, la pinosylvin disminuyó un 20.98% por área de pico), y el secado en estufa durante 24 h a 105 °C produce disminuciones >50% en el área de pico para varios compuestos fenólicos, mientras que el TGA indica temperaturas de inicio de descomposición superiores a ~200 °C para sistemas de pinosylvin.[31]
4.3 Flavonoids
Los flavonoids muestran una sensibilidad de degradación por múltiples vías influenciada por el pH, la temperatura, el oxygen y las interacciones de formulación, como la unión a proteínas, y su comportamiento térmico en DSC/TGA puede implicar una descomposición y un ablandamiento superpuestos en lugar de una fusión simple.[9, 22, 24]
En soluciones amortiguadas, el aumento del pH del medio de 6.0 a 7.5 incrementa las constantes de velocidad de degradación de fisetin y quercetin en 24 veces y 12 veces, respectivamente (por ejemplo, k de fisetin de 8.30×10−3 a 0.202 h−1; k de quercetin de 2.81×10−2 a 0.375 h−1), y el aumento de la temperatura por encima de 37 °C incrementa k sustancialmente (por ejemplo, k de fisetin a 0.490 h−1 a 65 °C; k de quercetin a 1.42 h−1 a 65 °C).[24]
Los coingredientes proteicos pueden mitigar la degradación: con la adición de proteínas, los valores de k medidos disminuyen, incluyendo la disminución de k de fisetin de 3.58×10−2 a rangos de hasta 1.76×10−2 h−1 y la disminución de k de quercetin de 7.99×10−2 a rangos de hasta 3.80×10−2 h−1.[24]
Mecanísticamente, la inestabilidad química de los flavonoids se atribuye a los grupos hydroxyl y a una estructura inestable de pyrone, y la estabilización por proteínas se atribuye principalmente a interacciones hidrofóbicas (con SDS interrumpiendo la estabilización), destacando que las contribuciones de enlaces de hidrógeno requieren futuros ensayos cuantitativos.[24]
Para quercetin a 90 °C cerca de la neutralidad, la cinética de degradación muestra fuertes efectos del pH: k aumenta aproximadamente cinco veces de pH 6.5 a 7.5, y se detectan intermediarios de oxidación como quercetin quinone, con productos finales típicos que incluyen protocatechuic acid (PCA) y phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
La narrativa mecanística atribuye la primera pérdida medible a 370 nm a la conversión de quercetin en quinone y sugiere que la escisión del esqueleto de quinone produce phenolics más simples con absorbancia limitada, mientras que la desprotonación alcalina acelera la oxidación afectando la estructura de o-diphenol de C-ring y B-ring.[22]
En sistemas de alta temperatura (150 °C), la degradación y oxidación de quercetin proceden rápidamente, con constantes de velocidad reportadas de 0.253 h−1 en nitrogen y 0.868 h−1 en oxygen y una fuerte aceleración (7.17 h−1) en oxygen más cholesterol; experimentalmente, la pérdida de quercetin aumenta de 7.9% a los 10 min (N₂) a 20.4% a los 10 min (O₂), mientras que en cholesterol + oxygen, quercetin disminuye a un 10.9% restante después de 10 min.[26]
El análisis térmico indica además que quercetin muestra un pequeño pico endotérmico en el rango de 90–135 °C asociado con una pequeña pérdida de masa (0.86 ± 0.33 wt.%), la descomposición se inicia a 230 °C, y una endotermia prominente de DSC a 303 °C se superpone con la descomposición; se sostiene que los enlaces de hidrógeno restringen el comportamiento similar a la fusión y facilitan la descomposición al debilitar los enlaces químicos.[9]
Para rutin (un glycoside de quercetin) y sus ésteres de fatty-acid, el TGA indica que rutin es térmicamente estable hasta 240 °C, mientras que los ésteres exhiben temperaturas de degradación inicial más bajas (217–220 °C) y una mayor pérdida de masa en una etapa principal, y las energías de activación varían con el grado de conversión de 65 a 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoids
La degradación de curcumin es fuertemente dependiente del pH e involucra vías oxidativas bajo muchas condiciones acuosas, mientras que la descomposición térmica y las interacciones de formulación pueden desplazar los inicios de la degradación y los parámetros cinéticos aparentes.[10, 18, 32]
En mezclas de tampón/metanol a 37 °C, se reporta que la degradación de curcumin sigue una cinética de primer orden con un aumento drástico de k_obs a medida que aumenta el pH (por ejemplo, 3.2×10−3 h−1 a pH 7.0 frente a 693×10−3 h−1 a pH 12.0), mientras que a pH 5.0 el curcumin se presenta estable en los experimentos reportados.[10]
A pH 8.0, el análisis de Arrhenius produce (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, y la extrapolación a tampón acuoso sugiere una pérdida rápida bajo condiciones oxidantes (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Las nanoformulaciones micelares ralentizan drásticamente la degradación: en micelas poliméricas y micelas de Triton X-100 a pH 8.0 y 37 °C, los valores de k_obs reportados disminuyen a 0.9×10−3 y 0.6×10−3 h−1, con vidas medias de 777 ± 87 h y 1100 ± 95 h, las cuales se indica que son ~300–500 veces mayores que las de curcumin libre en tampón acuoso.[10]
Desde el punto de vista mecanístico, el trabajo incluido sostiene que la degradación de curcumin no procede mediante escisión de cadena hidrolítica, sino mediante oxidación que produce una bicyclopentadione como producto final, estando la degradación de 1 mol de curcumin asociada con el consumo de 1 mol de O₂ y siendo el primer paso la desprotonación de los grupos hidroxilo a un pH superior a 7.0.[10]
Un estudio de estabilidad independiente relevante para el tracto GI reporta una cinética de primer orden aparente con alta linealidad (r² > 0.95) y proporciona energías de activación (en kcal·mol−1) que varían con el medio (mayores a pH 7.4 que en 0.1 N HCl), e informa que después de 12 h a 37 °C, más del 80% permaneció en 0.1 N HCl, pero solo el 57% y el 47% permanecieron en tampones de fosfato de pH 6.8 y 7.4, respectivamente.[11]
A altas temperaturas (180 °C), los experimentos de tostado muestran una termolabilidad extrema, con solo el 30% del curcumin inicial remanente después de 5 minutos, y la interpretación mecanística vincula la escisión oxidativa con la intermediación de ferulic acid y un paso de descarboxilación acelerado por la exposición al aire y temperaturas más altas.[33]
Los estudios de descomposición térmica de curcumin y de sistemas poliméricos que contienen curcumin bajo nitrógeno muestran un comportamiento complejo: la descomposición del curcumin bruto comienza alrededor de 240 °C, mientras que la incorporación de curcumin en mezclas de PGA/PCL desplaza el máximo de degradación del PGA a temperaturas más bajas (por ejemplo, de 372 °C para la mezcla pura a 327 °C al 5% de curcumin), lo que implica que la incorporación de curcumin puede reducir la estabilidad térmica de la matriz.[18]
El mismo estudio centrado en polímeros vincula estos resultados con la relevancia de la fabricación al afirmar que el procesamiento en estado fundido requiere garantizar tanto la estabilidad química de la matriz polimérica como la actividad biológica de los fármacos incorporados, y que el procesamiento de PGA o de mezclas de PGA/PCL con curcumin debe llevarse a cabo a la temperatura más baja posible para evitar la degradación del PGA.[18]
La estabilización de curcumin bajo emulsificación de alto cizallamiento también se cuantifica en emulsiones de Pickering preparadas utilizando un mezclador de alto cizallamiento a 22,000 rpm durante 2 min: el almacenamiento a 20 °C en la oscuridad muestra que en una mezcla de aceite y curcumin no encapsulado aproximadamente la mitad del curcumin se degrada después de 6 días y solo el 20% permanece después de 16 días, mientras que un sistema de emulsión de Pickering retiene ~50% después de 16 días y extiende la vida media de 13 días a 28 días.[1]
Bajo exposición a UV (6 W, 365 nm), el mismo sistema muestra ~50% de degradación después de 9 h y solo el 20% remanente después de 24 h para la mezcla de aceite, mientras que la emulsión de Pickering retiene ~70% después de 9 h y ~45% después de 24 h, y extiende la vida media de ~13 h a ~27 h para una pérdida del 50%.[1]
4.5 Tabla resumen
La tabla a continuación consolida los parámetros cinéticos y termodinámicos representativos reportados para las distintas clases de compuestos, destacando los valores más directamente utilizables para el modelado de procesos.
| Compuesto o sistema | Condición | Parámetro cinético o termodinámico | Notas para modelos de proceso |
|---|---|---|---|
| NRCl | Tampones acuosos (pH 2.0, 5.0, 7.4), modelo de 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] | Respalda el modelado de aceleración por temperatura y el espacio de diseño dependiente del pH[4] |
| NRCl | DSC y qNMR (calentamiento en seco) | 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] | Indica una ventana de seguridad estrecha para operaciones en estado sólido con calentamiento cerca de la fusión[4] |
| NRH | Agua DI a 25 °C, aire vs N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (aire; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | El control de oxígeno puede duplicar aproximadamente la vida media bajo las condiciones evaluadas[5] |
| NMN | Solución acuosa, temperatura ambiente | Apparent first-order: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Permite la estimación de la pérdida de potencia durante las etapas de retención acuosa[27] |
| trans-Resveratrol | Dependencia del pH | Vida media de 329 d a pH 1.2 vs 3.3 min a pH 10[12] | Se requiere un control riguroso del pH durante el procesamiento acuoso y los ensayos de disolución[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4, Arrhenius | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Utilizado para el modelado a temperaturas moderadas; precaución cuando ocurre un comportamiento no de Arrhenius en las matrices[7, 12] |
| Resveratrol tablets | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 meses−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Se desvía de Arrhenius (super-Arrhenius), lo que limita la extrapolación de los ensayos acelerados[7] |
| Fisetin, quercetin | Tampón fosfato | El incremento de pH de 6.0→7.5 aumenta k en 24× (fisetin) y 12× (quercetin)[24] | Destaca la sensibilidad al pH durante las operaciones unitarias acuosas[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Útil para predecir la sensibilidad a la temperatura en medios neutros a básicos[10] |
| Curcumin in micelles | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h y 1100±95 h (micelas) vs 2.5 h (tampón acuoso libre)[10] | Demuestra la magnitud de la estabilización basada en la formulación para las etapas de retención/procesamiento[10] |
5. Operaciones unitarias de fabricación de alto cizallamiento
La fabricación de alto cizallamiento expone a los compuestos termolábiles a campos de estrés mecánico que pueden aumentar la temperatura, la transferencia de oxígeno y el área interfacial, afectando de este modo tanto a la cinética de la reacción como a los mecanismos dominantes, particularmente para los bioactivos sensibles al oxígeno y al pH.[13, 14, 17]
5.1 Procesamiento en estado fundido
El procesamiento en estado fundido se destaca en los sistemas polímero-fármaco como un escenario donde deben preservarse tanto la estabilidad del polímero como la actividad del fármaco, y se establece explícitamente que el procesamiento en estado fundido implica que deben garantizarse la estabilidad química de la matriz polimérica y la actividad biológica de los fármacos incorporados.[18]
En el sistema PGA/PCL–curcumin, la incorporación de curcumin afecta negativamente a la estabilidad térmica de PGA, y los autores recomiendan procesar a la temperatura más baja posible para evitar la degradación de PGA, vinculando la caracterización de la estabilidad térmica con el diseño del proceso.[18]
5.2 Homogeneización a alta presión y microfluidización
La homogeneización a alta presión somete a los fluidos a un elevado estrés mecánico cuando fluyen a través de una válvula de ranura estrecha; en el orificio, el fluido se somete a una acción de cizallamiento y fenómenos adicionales como la cavitación, la turbulencia, la colisión y el impacto contribuyen a los efectos de cizallamiento.[14]
La HPH opera a presiones elevadas de más de 100 MPa y puede generar presiones de hasta 400 MPa, y la presión aplicada, el número de ciclos/pasadas y la temperatura de entrada se describen como factores clave que afectan a la extractabilidad y estabilidad de los fitoquímicos.[14]
Cuantitativamente, la revisión de HPH reporta ejemplos de cambios en la composición, tales como disminuciones graduales de L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) a 100, 200, 300 MPa y disminuciones de polifenoles (p. ej., 10.6%, 6.0%, 1.4%) en jugo de manzana a 100, 200, 300 MPa, lo que ilustra que el nivel de presión puede correlacionarse con pérdidas en compuestos sensibles a la oxidación dependiendo de la matriz y de la actividad enzimática.[14]
A escala de formulación, la microfluidización puede producir emulsiones estables con una retención cuantificada de compuestos fenólicos: para emulsiones W/O/W, las condiciones óptimas del microfluidizador se reportaron como 148 MPa y siete ciclos, rindiendo gotas de 105.3 ± 3.2 nm y un PDI de 0.233 ± 0.020, y después de 35 días la retención de compuestos fenólicos fue del 68.6% con una retención de la actividad antioxidante del 89.5%.[2]
Un estudio de encapsulación independiente reporta un enfoque combinado de alto cizallamiento y microfluidización: las dispersiones liposomales se homogeneizaron a 9500 rpm durante 10 min y luego se pasaron cinco veces a través de un microfluidizador a 25,000 psi antes del secado por pulverización, lo que demuestra que las secuencias industrialmente realistas pueden combinar el cizallamiento y el secado térmico posterior.[3]
Las revisiones de la homogeneización a ultra alta presión (UHPH) enfatizan el cizallamiento extremo y los impactos dentro de la válvula, con condiciones reportadas tales como fluidos bombeados a más de 200 MPa (típicamente 300 MPa) y un tiempo de residencia de menos de 0.2 s en la válvula a Mach 3, y con nanofragmentación de microorganismos, coloides y biopolímeros a 100–500 nm.[34]
5.3 Mezclado de alto cizallamiento
El mezclado de alto cizallamiento se utiliza a menudo como una etapa de preemulsificación o dispersión y puede generar por sí mismo aumentos significativos de temperatura y entornos oxidativos, influyendo así en la degradación incluso antes de las operaciones posteriores.[13]
En un modelo de bebida, la homogeneización de alto cizallamiento durante 10 min a velocidades de rotación crecientes aumentó la temperatura de salida (de 4.1 ± 0.7 °C a 0 rpm a 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm) y se asoció con una pérdida sustancial de ascorbic-acid (reducción del 42.6% a 20,000 rpm).[13]
En un sistema de emulsión de Pickering de curcumin, se utilizó un mezclado de alto cizallamiento a 22,000 rpm durante 2 min para formar emulsiones, tras lo cual se cuantificaron las mejoras de estabilidad mediante una degradación más lenta y una vida media prolongada tanto bajo almacenamiento como bajo estrés por UV, vinculando la estructuración interfacial de alto cizallamiento con los resultados de estabilidad química.[1]
5.4 Molienda mecanoquímica
El procesamiento mecanoquímico (p. ej., molienda de bolas) puede producir dispersiones sólidas amorfas y alterar la estabilidad al cambiar la forma del estado sólido, mezclar a nivel molecular y permitir interacciones intermoleculares fuertes como los enlaces de hidrógeno.[15]
Para las ASDs e inclusiones de fisetin, la molienda se realizó a temperatura ambiente con una frecuencia de 30 Hz y un tiempo de 20 min, y el análisis TG/DSC posterior se realizó bajo nitrógeno para cuantificar la estabilidad térmica y el comportamiento de Tg.[15]
5.5 Secado por pulverización
El secado por pulverización se describe como una de las técnicas más utilizadas para producir extractos vegetales secos, y se afirma que las altas temperaturas durante el secado por pulverización tienen efectos potencialmente perjudiciales sobre los (poli)fenoles termolábiles.[3, 20]
En un estudio de encapsulación de polifenoles, el secado por pulverización se realizó con una temperatura del aire de entrada de 150 ± 5 °C y una temperatura de salida de 90 ± 5 °C, mientras que los autores afirman que la cantidad de (poli)fenoles disminuyó debido a la exposición al oxígeno y al calor durante el secado por pulverización, lo que motiva la encapsulación para preservar las propiedades funcionales.[3]
En un estudio de preformulación de extractos, se evaluaron los efectos de las condiciones del proceso del secador por pulverización (temperatura de entrada, velocidad de flujo de alimentación, relación de colloidal silicon dioxide) sobre las respuestas, y se utilizaron métodos de Arrhenius para determinar los parámetros cinéticos de descomposición, incluidos el orden de reacción, el tiempo de fracción descompuesta y la constante de velocidad.[20]
5.6 Tabla de resumen
La siguiente tabla resume los perfiles de estrés y ejemplos de impactos cuantitativos reportados para las operaciones unitarias que imponen un alto cizallamiento y/o una exposición térmica intensa.
| Operación unitaria | Descriptores de estrés reportados | Ejemplos cuantitativos en las fuentes incluidas | Implicaciones para los activos termolábiles |
|---|---|---|---|
| Mezclado de alto cizallamiento | Velocidad de rotación; aumento de temperatura con la velocidad[13] | La temperatura de salida aumenta a 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm (10 min)[13]; el ascorbic acid se redujo un 42.6% a 20,000 rpm[13] | El calentamiento inducido por cizallamiento puede co-impulsar la oxidación y la degradación térmica incluso sin calentamiento externo[13] |
| Homogeneización a alta presión | Presión >100 MPa; cizallamiento en la válvula; cavitación/turbulencia[14] | Se reportan disminuciones de polifenoles bajo 100–300 MPa en jugos (p. ej., 10.6% a 100 MPa en jugo de manzana)[14] | Requiere el control de la temperatura de entrada, las pasadas, el oxígeno y la actividad enzimática para limitar la pérdida inducida por la oxidación[14] |
| Microfluidización | Presión y conteo de ciclos[2] | 148 MPa y siete ciclos rinden gotas de ~105 nm; retención de compuestos fenólicos del 68.6% después de 35 d de almacenamiento[2] | Permite sistemas de encapsulación de gotas pequeñas que pueden preservar los compuestos fenólicos durante el almacenamiento y posiblemente en el procesamiento posterior[2] |
| UHPH | >200 MPa (típicamente 300 MPa); cizallamiento/impactos extremos; tiempo de residencia en la válvula <0.2 s; temperatura local de la válvula a menudo >75 °C[34] | Se establece la nanofragmentación a 100–500 nm[34] | El tiempo de residencia extremadamente corto puede limitar la degradación térmica de moléculas pequeñas a pesar del calentamiento local, pero los efectos de cizallamiento/oxidación deben validarse para cada compuesto[34] |
| Molienda mecanoquímica | Frecuencia y tiempo; amorfización y formación de interacciones[15] | 30 Hz durante 20 min produjo ASDs de fisetin con valores medibles de Tg y evidencia de enlaces de hidrógeno[15] | Puede crear estados amorfos que cambian la estabilidad; la Tg se convierte en un parámetro de control clave para el almacenamiento/procesamiento[15] |
| Secado por pulverización | Temperaturas de entrada/salida; exposición al oxígeno/calor[3] | Se utilizaron temperaturas de entrada de 150 ± 5 °C y de salida de 90 ± 5 °C para polvos de extracto encapsulados[3] | La exposición térmica y oxidativa puede disminuir los (poli)fenoles; la encapsulación protectora puede mejorar la retención y la bioaccesibilidad[3] |
6. Modelos integrados de estabilidad–proceso
Las fuentes incluidas proporcionan los elementos fundamentales para un marco predictivo integrado en el que los resultados de estabilidad se calculan a partir de los historiales térmicos de las operaciones unitarias y los microentornos fisicoquímicos (pH, oxígeno, actividad de agua), respetando al mismo tiempo los umbrales de transición termodinámica.[4, 14]
6.1 Mapeo de tiempo–temperatura–cizallamiento
Un enfoque de mapeo práctico puede utilizar la cinética (k, (E_a), vida media) junto con los perfiles de tiempo–temperatura de las operaciones unitarias, medidos o inferidos, para calcular la conversión esperada, al tiempo que se utilizan los umbrales de transición de estado (Tg, inicio de fusión, inicio de descomposición) como límites que pueden modificar los mecanismos o aumentar las velocidades.[4, 15]
Por ejemplo, un modelo de fase de solución de pseudo-primer orden para NRCl se puede parametrizar utilizando las energías de activación de Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) y la observación de que un aumento de 10 °C duplica aproximadamente k_obs, lo que permite la traslación de experimentos validados en tampón a excursiones térmicas cortas en la fabricación.[4]
Para curcumin, la sensibilidad a la temperatura se puede parametrizar utilizando (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 a pH 8.0 y la fuerte dependencia notificada de k_obs con el pH, lo que en conjunto permite la predicción de pérdidas durante los tiempos de retención en medio acuoso o las etapas de emulsificación en caliente donde el pH local es neutro-básico.[10]
Para trans-resveratrol, el colapso de la vida media impulsado por el pH (de cientos de días a minutos a medida que aumenta el pH) implica que los resultados de estabilidad durante el procesamiento pueden estar dominados por el pH microambiental en lugar de la temperatura global, y el modelado de Arrhenius a pH 7.4 se puede utilizar para exposiciones a temperaturas moderadas con (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD y espacio de diseño
La interpretación de Quality-by-Design está respaldada por estudios que evalúan explícitamente cómo los parámetros del proceso y las matrices de formulación alteran los mecanismos de degradación, incluidos los hallazgos de que los ensayos acelerados pueden no predecir la vida útil cuando se producen comportamientos no de Arrhenius o efectos de matriz.[7, 29]
Para los comprimidos de resveratrol, la conclusión de que los enfoques de Arrhenius pueden sobreestimar la degradación en los ensayos acelerados motiva la definición de espacios de diseño utilizando tanto la comprensión mecanicista como datos de temperatura múltiple, en lugar de una única condición acelerada.[7, 29]
Para los sistemas de marcadores de flavonoides secados por atomización, se ha reportado explícitamente que los excipientes influyen en el orden cinético y en los valores de tiempo hasta la fracción descompuesta, lo que indica que la composición de la formulación forma parte del espacio de diseño de estabilidad en lugar de ser un fondo fijo.[20]
6.3 PAT y especificidad analítica
La monitorización precisa del proceso requiere especificidad analítica debido a que los productos de degradación pueden confundir los ensayos espectroscópicos más simples, particularmente para los polifenoles.[12]
Para trans-resveratrol, se informa que la especificidad de HPLC y UPLC está confirmada, mientras que la espectroscopia UV/VIS dio como resultado concentraciones falsamente más altas de trans-resveratrol en condiciones en las que no era estable (pH alcalino, luz, temperatura elevada), lo que enfatiza la necesidad de métodos indicadores de estabilidad en la analítica de procesos.[12]
7. Estrategias de mitigación
Los enfoques de mitigación en las fuentes incluidas enfatizan la restricción de la exposición a aceleradores conocidos (calor, oxígeno, pH alto, UV) y el uso de arquitecturas de formulación que reducen la movilidad molecular, protegen las interfaces o ubican el principio activo en microambientes menos reactivos.[10, 13, 17]
7.1 Encapsulación y dispersiones
La encapsulación en sistemas micelares o particulados puede estabilizar sustancialmente los compuestos termolábiles al limitar el contacto con el agua, el oxígeno y las especies reactivas, y al alterar la accesibilidad ácido-base de grupos funcionales clave.[1, 10]
Para curcumin, la solubilización micelar reduce k_obs a 0.6–0.9×10−3 h−1 y prolonga la vida media a 777–1100 h, y esta estabilización se atribuye a la prevención de la desprotonación de hidroxilo dentro de un núcleo micelar hidrofóbico, lo que se describe como el primer paso de la degradación.[10]
Las emulsiones de Pickering proporcionan una barrera física: se afirma que la presencia de una barrera física densa en la interfaz dificulta la degradación de curcumin, y cuantitativamente el sistema que forma la barrera prolonga la vida media de almacenamiento de 13 días a 28 días y la vida media bajo UV de ~13 h a ~27 h.[1]
Los sistemas portadores derivados de cyclodextrin proporcionan otra estrategia: los clatratos de resveratrol–β-cyclodextrin muestran eventos térmicos que incluyen la liberación de agua cerca de 50 °C y eventos de degradación a temperaturas más altas, y las energías libres de unión (por ejemplo, −86 kJ·mol−1 por MM/PBSA) cuantifican interacciones de inclusión fuertes.[25]
La encapsulación en nanosponges de resveratrol elimina su endotermia de fusión por DSC y proporciona fotoprotección: el resveratrol libre muestra un 59.7% de degradación en un plazo de 15 min bajo exposición a UV, mientras que las nanosponges de resveratrol proporcionan aproximadamente el doble de protección, lo que es coherente con que la encapsulación evita la exposición directa a UV.[16]
Las dispersiones sólidas amorfas pueden diseñarse mediante molienda mecanoquímica, y se identifica explícitamente el enlace de hidrógeno entre fisetin y los grupos éster de Eudragit®, lo que proporciona una base mecanística para la miscibilidad y la Tg alterada que puede estabilizar contra los cambios dependientes de la cristalización en el comportamiento de disolución.[15]
7.2 Selección de excipientes y portadores
La selección de excipientes puede alterar los mecanismos cinéticos y los resultados de estabilidad, como se informa en los sistemas de extractos de plantas secados por atomización, donde el orden de reacción y los tiempos de fracción descompuesta difieren según las mezclas de excipientes, lo que indica una cinética de degradación dependiente del excipiente.[20]
Los coingredientes proteicos pueden estabilizar los flavonoides mediante interacciones hidrofóbicas, disminuyendo los valores de k para fisetin y quercetin, y la disrupción de estas interacciones por SDS respalda la interpretación de que la unión hidrofóbica es un mecanismo de estabilización clave.[24]
7.3 Controles de ingeniería de procesos
Los controles de proceso que reducen la exposición térmica y el contacto con el oxígeno están respaldados directamente por múltiples conjuntos de datos.[5, 18]
Para NRCl, la evidencia de DSC/qNMR indica que superar la región de inicio de fusión (~120–130 °C) puede producir una degradación extremadamente rápida, lo que respalda límites superiores estrictos para la temperatura y el tiempo de residencia en operaciones calentadas en estado sólido.[4]
Para NRH, la diferencia entre la vida media en aire y bajo N2 a 25 °C implica que la inertización y la exclusión de oxígeno pueden ser significativas, y los autores informan que las muestras bajo un colchón de N2 a 4 °C no muestran degradación detectable después de 60 días, mientras que las muestras a 4 °C en aire muestran una degradación de ~10%.[5]
Para la homogeneización de alto cizallamiento, la observación directa de que el aumento de rpm incrementa la temperatura de salida y se asocia con una mayor pérdida de ascorbic acid sensible a la oxidación respalda las medidas de ingeniería que limitan el calentamiento inducido por cizallamiento (por ejemplo, camisas de enfriamiento, tiempos de mezclado más cortos, adición por etapas).[13]
Para el secado por atomización, la afirmación de que la exposición al oxígeno y al calor disminuye los (poly)phenols y que las altas temperaturas pueden ser perjudiciales para los phenolics termolábiles respalda opciones como reducir la temperatura de salida cuando sea factible y utilizar la encapsulación para disminuir la sensibilidad al calor y a la oxidación.[3]
7.4 Antioxidantes y gestión del oxígeno
Las estrategias de antioxidantes y de gestión del oxígeno están respaldadas mecanísticamente en todos los conjuntos de datos de polyphenol.[12, 22]
Para quercetin a 90 °C, los antioxidantes como cysteine reducen k, con 200 µmol·L−1 de cysteine produciendo una reducción de k de ~43% en comparación con el control, y la interpretación mecanística considera la estabilización de quercetin quinone y los efectos de desactivación de radicales.[22]
Para trans-resveratrol, se informa explícitamente que el oxígeno promueve reacciones de radicales que conducen a la degradación, lo que respalda el uso de atmósferas de procesamiento inertes o barreras de oxígeno cuando sea factible para el procesamiento acuoso alcalino/neutro.[12]
En los sistemas liposomales, se informa que resveratrol limita la oxidación de stigmasterol al neutralizar los radicales libres y se integra en las bicapas lipídicas aumentando la rigidez y reduciendo la permeabilidad al oxígeno y a los agentes oxidantes, mejorando así la estabilidad térmica y oxidativa del sistema.[35]
8. Discusión
En toda la base de evidencia sintetizada aquí, el patrón cuantitativo más sólido es que el microambiente químico (pH, oxígeno, presencia de agua) puede dominar los resultados de estabilidad incluso a temperaturas moderadas, y que varios bioactivos exhiben discontinuidades pronunciadas de estabilidad en umbrales específicos de transición térmica.[4, 5, 12]
Para los precursores de NAD+, el conjunto de datos de NRCl destaca un régimen dual: en solución acuosa, la hidrólisis de pseudo-primer orden puede modelarse con energías de activación de Arrhenius y un incremento de velocidad de aproximadamente el doble por cada 10 °C, mientras que en estado sólido una estrecha región alrededor de 120–130 °C corresponde a la fusión seguida inmediatamente por una descomposición rápida.[4]
Para el resveratrol, surge un riesgo de proceso dominante a partir de la sensibilidad al pH: la vida media se desploma desde duraciones prolongadas a pH ácido a solo minutos a pH alto, mientras que el oxígeno promueve reacciones radicalarias, lo que indica que las operaciones de alto cizallamiento que aumentan la transferencia de oxígeno y la alcalinidad local podrían ser desproporcionadamente dañinas incluso si la temperatura global se mantiene moderada.[12]
Para los flavonoides, la oxidación a través de intermediarios de quinona y los mecanismos de desprotonación dependientes del pH (quercetina) se combinan con la oxidación a alta temperatura y el acoplamiento de cadena radicalaria (p. ej., oxígeno más colesterol), lo que sugiere que las formulaciones que contienen lípidos y la exposición al oxígeno pueden amplificar fuertemente las vías de pérdida oxidativa.[22, 26]
Para la curcumina, existe una tensión mecanística entre las narrativas impulsadas por la hidrólisis (en algunos trabajos con tampones GI) y las narrativas impulsadas por la autooxidación (en trabajos centrados en micelas), pero ambas convergen en un fuerte efecto del pH y en el papel protector de los microambientes hidrófobos y la limitación de oxígeno.[11, 32]
A nivel de operaciones unitarias, los procesos de alto cizallamiento pueden actuar principalmente como aceleradores indirectos al generar calor y aumentar la susceptibilidad oxidativa; esto se demuestra directamente en la homogeneización de alto cizallamiento, donde la velocidad de rotación aumenta la temperatura de salida y coincide con la pérdida oxidativa de ácido ascórbico.[13]
La HPH/UHPH introduce una complejidad adicional debido a que la región de la válvula impone un cizallamiento extremo, cavitación y turbulencia, y puede generar altas temperaturas locales, aunque los tiempos de residencia pueden ser muy cortos (p. ej., <0.2 s en las descripciones de UHPH), lo que implica que los resultados químicos pueden depender de si la degradación está controlada por procesos radicalarios rápidos, etapas limitadas por la difusión o etapas de activación térmica más lentas.[14, 34]
Finalmente, varias fuentes destacan que el modelado de estabilidad debe validarse mecanísticamente en la matriz relevante: los datos de comprimidos de resveratrol muestran un comportamiento no de Arrhenius y efectos de matriz que limitan la extrapolación general de Arrhenius a partir de pruebas aceleradas, y los marcadores de extractos de plantas secados por atomización muestran órdenes cinéticos dependientes de excipientes y tiempos de fracción descompuesta.[7, 20]
9. Conclusiones
Los marcadores cuantitativos de transición termodinámica (DSC/TGA) y la cinética de degradación (k, t_(1/2), (E_a), energías de activación dependientes de la conversión) proporcionan una base relevante para el proceso destinada al diseño de condiciones de fabricación que preserven la potencia de compuestos de longevidad termolábiles y bioactivos relacionados.[4, 8, 9]
Para los precursores de NAD+, el NRCl exhibe una estrecha ventana de procesamiento térmico cerca de la fusión, seguida de una rápida descomposición, mientras que la cinética en medio acuoso muestra un comportamiento de pseudo-primer orden dependiente del pH con energías de activación de 75–83 kJ·mol−1 que pueden parametrizar modelos de exposición térmica.[4]
Para el resveratrol, el pH y el oxígeno son variables dominantes, con una vida media que se desploma de cientos de días a pH ácido a minutos a pH alto, y las matrices de formulación pueden producir un comportamiento no Arrhenius que dificulta la extrapolación de los ensayos de estabilidad acelerada.[7, 12]
Para los flavonoides y curcuminoides, las vías de oxidación (intermediarios de quinona para quercetin; autooxidación para curcumin) justifican el control del oxígeno y las estrategias de encapsulación hidrofóbica, las cuales han demostrado cuantitativamente prolongar la vida media en órdenes de magnitud en sistemas micelares y de manera sustancial en emulsiones de Pickering producidas bajo mezcla de alto cizallamiento.[1, 10, 22, 32]
Para las operaciones unitarias de alto cizallamiento, la evidencia disponible demuestra que el cizallamiento puede elevar la temperatura y promover la oxidación (mezcla de alto cizallamiento), y que los procesos de alta presión basados en válvulas generan cizallamiento extremo y cavitación, con la presión, el número de pasadas y la temperatura de entrada como variables de estrés clave; estos hallazgos respaldan la implementación del mapeo de tiempo-temperatura-cizallamiento y PAT mediante el uso de herramientas analíticas indicadoras de estabilidad.[12–14]
Conflicto de intereses
Los autores declaran que no existe ningún conflicto de intereses.[20]
